Modelování ve fyziologii

Garant předmětu:

Petr Maršálek

Přednášející:

Petr Maršálek

Cvičící:

Jana Matějková, Ksenia Sedova, David Vrba

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské techniky

Anotace:

Počítačová simulace fyziologických systémů se stává nezbytným nástrojem v oblasti biomediciny, zejména kdy není možné provádět experimenty kvůli etickým nebo technickým omezením. Použiti matematických modelů a simulace systémů vyžadují zjednodušení a konverze fyziologických systémů. Předmět poskytuje stručný přehled dynamických systémů a kompartmentových modelů, seznamuje se základními počítačovými systémy pro simulace – Matlab/ Simulink, CAD systémy, Mathematica. Znalost těchto obecných principů simulování pak umožní pochopení základních fyziologických modelů – kardiovaskulární a respirační systém, tok krve srdcem a cévami, srdeční revoluce a ejekce krve, modely respiračního systému. Modely silových a energetických polí. Modely nervové a hormonální soustavy. Šíření elektrického podnětu, odezva systému na podnět. Modely látkové a energetické výměny.

Požadavky:

Standardně probíhá výuka kontaktní formou a předmět je zakončen ústní zkouškou, které předchází písemná příprava. V případě, že počet studentů je menší než 5, může výuka probíhat v podobě řízeného samostudia s pravidelnými konzultacemi. Dále je požadováno vypracování písemné studie studentem na zadané téma z oboru. Podmínkou pro připuštění ke zkoušce je absolvování dvou laboratorních cvičení (doloženo protokolem podepsaným studentem, vedoucím cvičení a garantem předmětu). Protokoly budou archivovány v referátu pro doktorské studium.

Osnova přednášek:

Osnova přednášek:

1. Výhody a limity počítačové simulace

2. Analytické a symbolické řešení rovnic

3. Fyzikální popis systému. Dynamické systémy

4. Obyčejné a parciální diferenciální rovnice.

5. Oscilace, nelineární problémy. Chaotické systémy. Synchronizace.

6. Přibližná řešení a otázky číselné přesnosti. Stochastické systémy.

7. Simulační software: MATLAB, CAD a další.

8. Simulace v biologii a fyziologii: Kardiovaskulární systém.

9. Simulace v biologii a fyziologii: Respirační systém.

10. Simulace v biologii a fyziologii: Další fyziologické modely.

Osnova cvičení:

Osnova cvičení (bloková forma výuky po 4 vyučovacích hodinách):

1. Modelování fyziologických systémů v CAD systémech: modely proudění (respirační systém, kardiovaskulární systém), modely silových, elektrických a tepelných polí (hypertermie, modelování sil na skeletárním systému, šíření vzruchu vzrušivou tkání).

2. Modelování fyziologických systémů v programu Matlab/ Simulink: model kardiovaskulárního systému, model nervové soustavy, model trávicí soustavy, model hormonální soustavy, modelování látkové a energetické výměny – teplo, voda, proteiny, elektrolyty, plyny.

Cíle studia:

Počítačová simulace fyziologických systémů se stává nezbytným nástrojem v oblasti biomediciny, zejména kdy není možné provádět experimenty kvůli etickým nebo technickým omezením. Použiti matematických modelů a simulace systémů vyžadují zjednodušení a konverze fyziologických systémů. Předmět poskytuje stručný přehled dynamických systémů a kompartmentových modelů, seznamuje se základními počítačovými systémy pro simulace – Matlab/ Simulink, CAD systémy, Mathematica. Znalost těchto obecných principů simulování pak umožní pochopení základních fyziologických modelů – kardiovaskulární a respirační systém, tok krve srdcem a cévami, srdeční revoluce a ejekce krve, modely respiračního systému. Modely silových a energetických polí. Modely nervové a hormonální soustavy. Šíření elektrického podnětu, odezva systému na podnět. Modely látkové a energetické výměny.

Studijní materiály:

Povinná literatura:

[1] CLAUDIO COBELLI AND EWART CARSON. Introduction to modeling in physiology and medicine. Amsterdam: Academic Press, 2008. ISBN 9780121602406.

Doporučená literatura:

[1] OTTESEN, Johnny T., Mette S. OLUFSEN a Jesper K. LARSEN. Applied mathematical models in human physiology. Philadelphia: Society for Industrial and Applied Mathematics, c2004. ISBN 978-0-89871-539-2

Poznámka:

Modul E

Rozvrh na zimní semestr 2024/2025:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2024/2025:

Rozvrh není připraven

Předmět je součástí následujících studijních plánů: