Computational Modelling in Biomedical Engineering

Μάθημα

Η Υπολογιστική Μοντελοποίηση στη Βιοϊατρική Τεχνολογία είναι κατ’ επιλογή υποχρεωτικό μάθημα για τους φοιτητές του Τμήματος Μηχανικών Επιστήμης των Υλικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων.  Το μάθημα αφορά το εαρινό εξάμηνο και είναι εισαγωγικό στις υπολογιστικές μεθόδους βιοϊατρικής τεχνολογίας.  Καλύπτει πολύ βασικά θέματα που αφορούν τα μέσα, τους ιστούς και τις υπολογιστικές μεθόδους επίλυσης προβλημάτων που σχετίζονται με ανθρώπινους ιστούς. Σε όλα τα Πανεπιστήμια του εξωτερικού δίνονται παρόμοια μαθήματα σε Τμήματα Μηχανικών, ενώ υπάρχουν τμήματα τα οποία δίνουν προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς τίτλους σπουδών σε βιοϊατρική τεχνολογία.  Η διδασκαλία του μαθήματος γίνεται με βάση την διεθνή εμπειρία και την υπάρχουσα εμπειρία στο Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών και συμπεριλαμβάνει τις ακόλουθες ενότητες διδασκαλίας οι οποίες θα διδαχθούν και στο μάθημα:

  • Ανθρώπινοι Ιστοί
  • Πεπερασμένα στοιχεία
  • Διακριτές μέθοδοι επίλυσης
  • Εισαγωγή στην εμβιομηχανική
  • Μοντελοποίηση οστών

Η διδασκαλία γίνεται με παρουσίαση θεωρητικών ενοτήτων και παρουσίαση προβλημάτων στην πράξη.

Διδασκαλία

Για κάθε εβδομάδα διδασκαλίας σχεδιάζονται τρεις ώρες θεωρία ή τρεις ώρες φροντιστηρίου – εργαστηρίου ως εξής:

Θεωρία

Δευτέρα: 13:00  – 16:00, Αίθουσα ΚΥ1, Νέο Κτίριο Μηχανικών Επιστήμης Υλικών

Ώρες Γραφείου Διδάσκοντα 

Τετάρτη, 12:00 – 14:00, Κτίριο Ιατρικής Σχολής – MEDLAB (τηλ. 2651-00-7837) – ansakel13@gmail.com

 

Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα

Με την ολοκλήρωση του μαθήματος, οι φοιτητές αναμένεται να είναι σε θέση να:

  • Κάνουν αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών
  • Κατανοούν σύνθετα προβλήματα και να προτείνουν λύσεις
  • Να επιλύουν πολύπλοκα προβλήματα εμβιομηχανικής με τη χρήση των πεπερασμένων στοιχείων
  • Να αναλύουν τα αποτελέσματα των πειραμάτων και προσομοιώσεων καταλήγοντας σε ασφαλή συμπεράσματα
  • Να προετοιμάζουν επιστημονικά συγγράμματα και εργασίες βασισμένα στη βιβλιογραφία και στα αποτελέσματα των πειραμάτων τους

Ως προς τις γενικές ικανότητες που πρέπει να αναπτύξουν οι φοιτητές, το μάθημα αποσκοπεί να συμβάλλει στις παρακάτω:

  • Αυτόνομη εργασία
  • Ομαδική εργασία
  • Σχεδιασμός και διαχείριση έργων
  • Άσκηση κριτικής και αυτοκριτικής
  • Προαγωγή της ελεύθερης, δημιουργικής και επαγωγικής σκέψης

Περιεχόμενο

Το περιεχόμενο του μαθήματος, στο πλαίσιο των δεκατριών, τρίωρων συνεργασιών με τους φοιτητές:

Μάθημα 1.

Εισαγωγή στις Υπολογιστικές Μεθόδους – Πίνακες και Τανυστές. Πιο συγκεκριμένα η κύρια θεωρεία σχετική με την αριθμητική ανάλυση θα παρουσιαστεί.

Μάθημα 2.

Εισαγωγή στη Μηχανική των Μέσων. Πιο συγκεκριμένα οι κύριες έννοιες και νόμοι που διέπουν τη μηχανική των μέσων θα παρουσιαστεί. Επίσης οι σχέσεις και τύποι που διέπουν το μαθηματικό και φυσικό υπόβαθρο θα αναλυθούν.

Μάθημα 3.

Μεταφορά Θερμότητας, Διάχυση, Μηχανική Ρευστών, Ροή Ρευστών σε Πορώδη Μεταμορφώσιμα Μέσα. Το μάθημα θα παρουσιάσει τους νόμους της ρευστομηχανικής και μεταφοράς μάζας καθώς και τις σχέσεις και εξισώσεις, όπως και τις αλληλεπιδράσεις τους.

Μάθημα 4.

Εισαγωγή στις Υπολογιστικές Μεθόδους – Μέθοδος Πεπερασμένων Στοιχείων (Finite Element Method-FEM). Σε αυτό το μάθημα θα γίνει εισαγωγή στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων παρουσιάζοντας βασικές έννοιες όπως η δημιουργία του πλέγματος πεπερασμένων στοιχείων.

Μάθημα 5.

Δυναμική και μη γραμμική Ανάλυση με τη μέθοδο Πεπερασμένων Στοιχείων. Αυτό το μάθημα έχει σκοπό να παρουσιάσει τους τρόπους επίλυσης σε γραμμικά και μη γραμμικά προβλήματα με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων.

Μάθημα 6.

Εισαγωγή στο ANSYS και στο design modeler. Θα γίνει εκπαίδευση στη δημιουργία γεωμετρίας, στην είσοδο τρισδιάστατης γεωμετρίας και την επεξεργασία της. Επίσης θα γίνει επεξεργασία υλικών και δημιουργία υλικού με συγκεκριμένες ιδιότητες.

Μάθημα 7.

Εκμάθηση δημιουργίας πλέγματος πεπερασμένων στοιχείων. Θα δούμε τα είδη πεπερασμένων στοιχείων που είναι διαθέσιμα στο πρόγραμμα και θα μάθουμε τις τεχνικές για το καθένα από αυτά.

Μάθημα 8.

Structural analysis με το ANSYS. Θα μάθουμε τα βασικά βήματα για μια προσομοίωση παραμόρφωσης υλικού. Θα δούμε τις πιθανές συνοριακές συνθήκες και θα εξηγήσουμε τα αποτελέσματα.

Μάθημα 9.

Μοντελοποίηση ροής με το ANSYS-CFX. Θα εισάγουμε το πλέγμα της γεωμετρίας και θα μοντελοποιήσουμε ροή στη συγκεκριμένη γεωμετρία με διαφορετικές ιδιότητες. Θα δούμε τα αποτελέσματα στο CFX-post-processing.

Μάθημα 10.

Μοντελοποίηση ροής και μεταφοράς μάζας με το CFX Θα δούμε με ποιο τρόπο θα μοντελοποιήσουμε μεταφορά μάζας παράλληλα με τη ροή.

Μάθημα 11.

Μοντελοποίηση ροής με αλληλεπίδραση στερεού με χρήση του ANSYS. Θα δούμε με ποιο τρόπο μπορεί να υπάρξει αλληλεπίδραση του ρευστού με το στερεό και πως αυτό μπορεί να μοντελοποιηθεί.

Μάθημα 12.

Μοντελοποίηση ακουστικής συμπεριφοράς μέσου αυτιού.

Μάθημα 13.

Εκμάθηση τρόπου ανάλυσης αποτελεσμάτων, εξαγωγής συμπερασμάτων και προετοιμασία επιστημονικών εργασιών και παρουσιάσεων.

Συγγράμματα

Το βασικό σύγγραμμα του μαθήματος είναι:

  1. Kojic, N. Filipovic, B. Stojanovic, N. Kojic, Computer Modeling in Bioengineering:  Theoretical Background, Examples and Software, Wiley, 2008.

Στους φοιτητές θα είναι διαθέσιμες οι διαφάνειες από την διδασκαλία του μαθήματος.  Σημειώνεται ότι η διδασκαλία του μαθήματος θα γίνεται με την χρήση Η/Υ.

Επιπλέον συνίστανται τα ακόλουθα συγγράμματα:

Introduction to Biomedical Engineering, John Enderle, Susan Blanchard, Joseph Bronzino, Second Edition, Elsevier Academic Press, Amsterdam, 2005.

Principles and Models of Biological Transport, Friedman, Morton H. 2nd ed., 2008, Springer Verlag.

Biomedical Engineering, W. Mark Saltzman, Cambridge University Press, 2009.

Προαπαιτούμενα μαθήματος

Απαιτούνται γνώσεις προγραμματισμού (FORTRAN ή C ή C++).

Εξέταση

Το μάθημα δεν περιλαμβάνει εξέταση, αλλά την παράδοση μεγάλης άσκησης η οποία περιλαμβάνει:

  • Παρουσίαση θέματος το οποίο θα αναλάβουν έως την δεύτερη εβδομάδα της διδασκαλίας του μαθήματος.
  • Γραπτό κείμενο το οποίο θα περιλαμβάνει τα βασικά στοιχεία του θέματος το οποίο ανέλαβε ο φοιτητής και εκτενή βιβλιογραφία.

Προφορική εξέταση

Μετά την παράδοση της μεγάλης άσκησης υπάρχει προφορική εξέταση.

Τελική Βαθμολογία

Στηρίζεται στην όλη παρουσία του φοιτητή και σε ποσοστά προκύπτει ως εξής:

Μεγάλη άσκηση        80 %

Προφορική Εξέταση   20 %

Βαθμολογία
Ανακοινώσεις
Menu