Modelování a simulace

Vztahy:

Předmět A6M33MOS může při kontrole studijních plánů nahradit předmět X35SIM

Předmět A6M33MOS nesmí být zapsán, je-li v témže semestru zapsán anebo již dříve absolvován předmět X35SIM (vztah je symetrický)

Předmět A6M33MOS nesmí být zapsán, je-li v témže semestru zapsán anebo již dříve absolvován předmět BAM33MOS (vztah je symetrický)

Předmět A6M33MOS může být splněn v zastoupení předmětem X35SIM

Předmět A6M33MOS může být splněn v zastoupení předmětem BAM33MOS

Předmět A6M33MOS nesmí být zapsán, je-li v témže semestru zapsán anebo již dříve absolvován předmět BAM33MOS (vztah je symetrický)

Předmět A6M33MOS nesmí být zapsán, je-li v témže semestru zapsán anebo již dříve absolvován předmět BEAM33MOS (vztah je symetrický)

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra kybernetiky

Anotace:

Modelovací techniky často používané v Biomedicínském inženýrství a odpovídající programové nástroje: Matlab - Simulink, Modelica. Technologie modelování a procesy s tím související. Typy modelů, modely spojitého a diskrétního času, modely lineární a nelineární se soustředěnými parametry a jejich realizace v programovém prostředí. Formalizace a vytvoření modelu k zvolenému systému, jeho identifikace, verifikace a interpretace. Rovnovážné stavy (homeostáza) a jejich vyšetřování simulacemi. Modely rozpojených a zpětnovazebních systémů. Použití fuzzy-neuronových modelů v biomedicíně. Modely jednotlivých systémů i celých soustav definovaných v Biomedicínském inženýrství. Modely buněčných a fyziologických regulací,

modely populací. Aplikace modelů při tvorbě umělých orgánů.

MÍSTO VÝUKY: Výuka bude probíhat na 1.LF UK, U nemocnice 5, Oddělení biokybernetiky, Ústav patologické fyziologie.

Výsledek studentské ankety předmětu je zde: http://www.fel.cvut.cz/anketa/aktualni/courses/A6M33MOS

Požadavky:

Bez požadavků.

Osnova přednášek:

1.Matematické modelování v Biomedicínském inženýrství - příklady formulace modelů fyziologických systémů.

2.Statická analýza fyziologických systémů a procesů - příklady řízení srdečního výdeje, regulace glykémie, regulace acidobazické rovnováhy, chemická regulace ventilace.

3.Analýza lineárních regulačních procesů fyziologických systémů v časové oblasti - linearizovaný model mechaniky dýchání, dynamika neuromuskulárního reflexního oblouku.

4.Analýza lineárních regulačních procesů fyziologických systémů ve frekvenční oblasti. Frekvenční odpověď modelů regulace cirkulace a regulace glykémie.

5.Způsoby identifikace fyziologických regulačních systémů, experimenty se Starlingovým preparátem srdce-plíce, Kaovy experimenty s překříženou cirkulací, řízená perfúze mozku pro rozdělení centrálních a periferních chemoreceptorů, galvanický clamp, otevření pupilární reflexní smyčky, technika zpětného dýchání (rebreathing). Minimální model regulace glukózy, identifikace parametrů regulace dýchání.

6.Vyšetřování stability fyziologických procesů: analýza stability pupilárního reflexu, model Cheyne-Stokesova dýchání, homeostáza.

7.Problémy optimalizace v biologických systémech: regulace dechového vzoru, řízení aortální pulzové vlny, adaptivní řízení fyziologických proměnných - adaptivní tlumení fluktuací arteriálního PCO2.

8.Metody nelineární analýzy fyziologických regulačních systémů - modelování srdečních arytmií, periodické dýchání s apnoe. Modely dynamiky neuronů: Hodgkin-Huxleyův model, Bonhoeffer-van der Polův model.

9.Popisy komplexní dynamiky ve fyziologických regulačních systémech - spontánní variabilita, logistická rovnice, regulace density neutrofilů, model kardiovaskulární variability, model cirkadiálních rytmů. Model spánkové apnoe.

10.Formulace a použití fuzzy modelování při neúplné informaci o fyziologických dějích.

11.Modelování fyziologických systémů a procesů neuronovými sítěmi.

12.Přehled modelů na buněčné, orgánové i systémové úrovni. Diskuse jejich použitelnosti.

13.Struktura a způsoby rozšiřitelnosti interaktivního katalogu Biomedicínských modelů.

14.Rezerva.

Osnova cvičení:

Kromě pravidelných ukázek modelů ve cvičeních, dostane každý student zadanou individuální úlohu, vycházející z měření na biologickém objektu, zpracování naměřených dat, návrhu modelu, jeho identifikaci, verifikaci a interpretaci. Modely budou koncipovány i v režimu reálného času. Způsob kontroly 3x za semestr, vypracování potřebné dokumentace a obhájení individuální úlohy před ostatními studenty. Udělení zápočtu i známka u zkoušky bude stanovena na základě bodového ohodnocení průběžných aktivit studenta po výuku předmětu, výsledku písemné a ústní části zkoušky.

Cíle studia:

Cílem studia je naučit studenty modelovací techniky často používané v Biomedicínském inženýrství.

Studijní materiály:

[1] Jang, J.S.R., Sun, C.T., Mizutani E.: Neuro-fuzzy and Soft Computing, 1997. Prentice Hall.

[2] Biomedical Engineering - Handbook,1995, CRC Press, Inc.

[3] Biomedical Modeling and Simulation on PC, Springer - Verlag, New York, 1993.

[4] Eck,V., Razím.M.: Biokybernetika , Skripta ČVUT, Praha 1996.

[5] Karban,P.: Výpočty a simulace v programech Matlab a Simulink, Computer Press,a.s., Brno, 2006.

[6] Onderka P.:Systém pro prezentaci modelů, počítačová dokumentace, Praha 2009.

[7] Murray, J.D.:Mathematical Biology I,II, Spatial Models and Biomedical Applicatios, Springer, 2002, 2003.

[8] Michael C. K. Kho: Physiological Control Systems. Analysis, Simulation and Estimation. IEE Press, New York, 2000, ISBN 0-7803-3408-6.

[9] Hugh R. Wilson: Spikes, Decisions and Actions. Dynamical foundation of neuroscience. Oxford University Press, Oxford, 1999, ISBN 0-19-852430-7.

[10] Frank C. Hoppensteadt, Charles S. Peskin: Modeling and Simulation in Medicine and the Life Sciences. Springer 2000,ISBN 0-387-95072-9.

[11] Robert D. Strum, Donald E. Kirk: Contemporary Linear Systems using Matlab. PWS Publishing Company, Boston, 1999, ISBN: 0-534-94710-7.

[12] Keener,J Sneyd,J: Mathematical Physiology. Springer, New York, Berlin, 1998, ISBN 0-387.98381-3.

Poznámka:

Další informace:

http://cw.felk.cvut.cz/doku.php/courses/a6m33mos/start

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů: