Modelování a simulace

Vztahy:

Podmínkou zápisu na předmět BAM33MOS je, že student si nejpozději ve stejném semestru zapsal příslušný počet předmětů ze skupiny BEZBM

Předmět BAM33MOS může při kontrole studijních plánů nahradit předmět A6M33MOS

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

Předmět BAM33MOS nesmí být zapsán, je-li v témže semestru zapsán anebo již dříve absolvován předmět BEAM33MOS (vztah je symetrický)

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

Předmět BAM33MOS 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:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů: