Modelování fyzikálních jevů v prostředí COMSOL MULTIPHYSICS

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské techniky

Anotace:

Numerické simulace jsou stále častěji využívány k vývoji nových a optimalizaci stávajících produktů a zařízení. Pomocí numerických simulací lze výrazně snížit počet potřebných prototypů, a tím vývoj značně urychlit a snížit náklady na vývoj. Dalším odvětvím, kde jsou numerické simulace využívány, jsou odvětví, kde je složité ověřit probíhající fyzikální děje (např. ohřev biologické tkáně pod elektrodami u přímé mozkové simulace). V neposlední řádě můžeme na základě numerických simulací provádět plánování léčby, kde na základě znalosti materiálových vlastností můžeme definovat množství dodávaného výkonu do zařízení (např. radiofrekvenční ablace v onkologii či kardiochirurgii). Počítačové modelování zahrnuje vytvoření geometrie, nastavení materiálových vlastností a okrajových podmínek a v neposlední řadě volbu diferenciálních rovnic, způsob diskretizace výpočetní oblasti a zpracování výsledků. Přesnost získaných výsledků, délka výpočtů a nároky na výpočetní výkon jsou velmi závislé na nastavení numerického modelu. Přednášky pokrývají nejčastější problémy z elektrotechniky, termiky, mechaniky, chemie, akustiky a dynamiky tekutin. Získané znalosti si studenti vyzkouší aplikovat při návrhu jednotlivých částí přístrojů a zařízení.

Požadavky:

Požadavky pro úspěšné zakončení předmětu:

1. vytvoření a prezentace funkčního modelu v programu COMSOL na téma, které si student vybere z nabídky, kterou připraví přednášející

2. odevzdání dvoustránkového souhrnu jednoho odborného článku zabývajícího se využitím programu COMSOL Multiphysics v biomedicíně

Osnova přednášek:

1. Přehled nejčastěji používaných numerických metod a teorie metody konečných prvků (FEM) a konečných diferencí v časové oblasti (FDTD). SW pro vytvoření reálného anatomického modelu.

2. Simulace elektrického a magnetického pole pro statické a quasi-statické aplikace (AC/DC Modul), výpočet rozložení elektrického pole v okolí elektrod kardiostimulátoru a elektrochirurgického přístroje

3. Simulace elektromagnetického pole (RF Modul), návrh a modelování vysokofrekvenčních zařízení

4. Rovnice šíření tepla v biologických tkáních, zejména Penneho rovnice (Heat Transfer Modul), Multifyzikální simulace.

5. Metoda konečných prvků (FEM).

6. Modelování akustického vlnění (Acoustics Modul), Termoablace pomocí High Intensity Focused Ultrasound

7. Mechanika tekutin - jedna fáze (CFD Modul)

Osnova cvičení:

1. Seznámení se s prostředím Comsol Multiphysics, tvorba 3D geometrií, zásady nastavení mřížky a řešiče.

2. Výpočet rozložení elektrického pole v okolí elektrod kardiostimulátoru, zobrazení rozložení proudové hustoty při aplikaci elektrochirurgii.

3. Modelování radiofrekvenční cívky pro magnetickou rezonanci. Zobrazení vytvořeného elektrického a magnetického pole v biologické tkáni.

4. Rozšíření modelu RF cívky pro MRI o teplotní simulaci v biologické tkáni.

5. Tvorba reálného anatomického modelu v programu Mimics a 3-Matic (Materialise).

6. Mechanika tekutin - jedné fáze a více nemísitelných fází pomocí Level set metody.

7. Šíření světla v optickém vlákně. Tvorba modelu v COMSOL Multiphysics, export a úprava, spouštění simulací a analýza výsledků v prostředí MATLAB.

Cíle studia:

Studijní materiály:

[1] COMSOL Multiphysics (COMSOL AB, Stockholm, Sweden)

[2] Reddy, J.N. (2006). An Introduction to the Finite Element Method

Poznámka:

Další informace:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Bakalářský studijní obor Biomedicínský technik - prezenční (povinně volitelný předmět)