1. SylabUZ
2. Wydział Mechaniczny
3. semestr zimowy 2020/2021
4. Inżynieria biomedyczna - pierwszego stopnia z tyt. inżyniera
5. Projektowanie układów biomechanicznych

Wygeneruj PDF dla tej strony

Projektowanie układów biomechanicznych - opis przedmiotu

Cel przedmiotu

Celem kształcenia jest nabycie przez studentów umiejętności w zakresie prowadzenia analiz obciążeniowo-anatomicznych elementów układu kostno-mięśniowego człowieka. Projektowanie modeli wyrobów medycznych i ich testowanie biomechaniczne pod kątem oceny funkcjonalności.

Wymagania wstępne

Zapisz zmiany

Znajomość zagadnień z zakresu mechaniki i wytrzymałości materiałów, biomechaniki inżynierskiej, rysunku technicznego i podstaw projektowania oraz podstaw statystyki i analizy matematycznej.

Zakres tematyczny

Wykład:
Podstawy projektowania z wykorzystaniem oprogramowania inżynierskiego typu CAD. Podstawy wytrzymałości materiałów - wytrzymałość na zginanie, skręcanie i naciski powierzchniowe, wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie oraz wyboczenie na przykładzie układu implant-kość/staw. Podstawy konstrukcji maszyn - połączenia rozłączne i nierozłączne (śrubowe, nitowe, spawane, zgrzewane, klejone) w elementach implantów i protez. Podstawy teorii maszyn i mechanizmów  w układach biomechanicznych– łańcuchy kinematyczne, dźwignie biomechaniczne; budowanie układów równań z wykorzystaniem wektorów w parach kinematycznych (np. w stawie człowieka). Metody doświadczalne/badawcze w biomechanice. Aparatura badawcza. Oprzyrządowanie badawcze. Metody diagnostyczne w chirurgii. Biomechanika biernego narządu ruchu – kości, morfologia i fizjologia kości, biomechaniczne procesy dostosowawcze, modelowanie struktury kości, wytrzymałość mechaniczna kości, zmiany wytrzymałości strukturalnej kości. Biomechanika stawów – anatomia połączeń stawowych, charakterystyka ruchów stawowych, patologiczne zmiany, fizjologiczne mechanizmy zabezpieczające. Biomechanika mięśni – struktura mięśnia szkieletowego, charakterystyki mechaniczne mięśnia, kontrola aktywności mięśnia, ocena stanu funkcjonalnego mięśni. Biomechanika ruchu człowieka i zwierzęcia – parametry i fazy chodu, parametry kinematyczne i kinetyczne lokomocji. Biomechanika postawy stojącej - ocena stabilności postawy, zaburzenia stabilności postawy, rola układów sensorycznych. Zastosowanie metod numerycznych w rozwiązywaniu problemów wytrzymałości połączenia implant/endoproteza-staw/kość. Etapy modelowania matematycznego z wykorzystaniem oprogramowania inżynierskiego. Modele numeryczne układów biomechanicznych w ujęciu liniowym i nieliniowym. 

Laboratorium:
Wykorzystanie oprogramowania inżynierskiego ze środowiska CAD  w modelowaniu układów biomechanicznych. Wykorzystanie oprogramowania do modelowania zagadnień inżynierskich wykorzystującego metodę elementów skończonych. Projektowanie modeli elementów wyrobów medycznych (implant, proteza). Obliczenia wytrzymałościowe (rozciąganie, ściskanie i wyboczenie, zginanie, skręcanie i naciski powierzchniowe) dotyczące wytypowanych elementów konstrukcyjnych wyrobów medycznych. Analiza biomechaniki i kinematyki wytypowanego stawu; budowanie układów równań z wykorzystaniem wektorów. Poznanie oprogramowania związanego z realizacją prac badawczych na maszynie wytrzymałościowej, planowanie eksperymentu. Wyznaczanie stanów obciążeń oraz charakterystyk bezwładnościowych elementów ciała człowieka. Analiza korekcji stanów patologicznych zniekształceń kończyny dolnej. Wpływu określonej techniki leczenia na korektę dysfunkcji (np. szpotawości w stawie kolanowym, zwyrodnienie krążków międzykręgowych kręgosłupa)

Projekt:
Projektowanie wytypowanego układu biomechanicznego (implant lub proteza w połączeniu z stawem), analiza stanów naprężeń i odkształceń w układzie implant-kość lub proteza/staw, optymalizacja konstrukcji. Modelowanie wytypowanego stawu/części układu kostnego człowieka lub zwierzęcia, symulacje stanu  prawidłowego i patologicznej deformacji stawu/kości. Opracowanie geometrii układu stawowego na podstawie obrazów medycznych. Obliczenia inżynierskie układu. 

Metody kształcenia

Wykład informacyjny z wykorzystaniem technik aktywizujących.
Laboratorium: Studenci realizują zadane ćwiczenia laboratoryjne indywidualnie lub w zespołach 2-osobowych  z wykorzystaniem oprogramowania CAD oraz oprogramowania wspomagającego obliczenia inżynierskie. Celem poszczególnych ćwiczeń jest rozwiązanie konkretnego problemu z zakresu układów biomechanicznych poprzedzonego samodzielną analizą stanu wiedzy zagadnienia, obliczeniami analitycznymi i weryfikacją numeryczną. W efekcie student przedstawia sprawozdanie z uzyskanych wyników oraz odniesienia rezultatów do aktualnego stanu wiedzy. 
Projekt wykonywany w grupach (nie przekraczających 3 osób) poprzez opracowanie dokumentacji wytypowanego układu biomechanicznego. W ramach projektu przedstawienie na forum etapów rozplanowania realizacji – diagnoza problemu, ścieżki poszukiwania rozwiązań – wskazanie układu i optymalizacja rozwiązania. Opracowanie pełnej inżynierskiej dokumentacji przy wsparciu dyskusyjnym prowadzącego i pozostałych grup studentów.

Efekty uczenia się i metody weryfikacji osiągania efektów uczenia się

Opis efektu	Symbole efektów	Metody weryfikacji	Forma zajęć

Warunki zaliczenia

Wykład: Warunkiem zaliczenia części wykładowej jest uzyskanie pozytywnej oceny z pisemnych odpowiedzi na pytania egzaminacyjne dotyczące teoretycznych zagadnień przedmiotu.
Laboratorium: Na ocenę z laboratorium składa się weryfikacja wstępnego przygotowania studenta do zajęć z materiałów udostępnionych przez prowadzącego, realizacja zdanych zagadnień oraz sprawozdań/raportów będących efektem wykonania wszystkich przewidzianych ćwiczeń (średnia arytmetyczna z ocen cząstkowych)
Projekt: Ocena z projektu jest określana na podstawie średnie arytmetycznej z ocen cząstkowych z poszczególnych etapów wykonanego przez studenta projektu. Oceniana jest również trafności doboru użytych technik i metod oraz jakości wykonania projektu całościowo.

Ocena końcowa jest średnią ważoną: 40% - ocena z wykładu, 25% ocena z laboratorium, 35% ocena z projektu

Literatura podstawowa

• Bober T., Zawadzki J.: Biomechanika układu ruchu człowieka, Wydawnictwo BK, Wrocław 2006.
• Błaszczyk J. W.: Biomechanika kliniczna, PWWL, Warszawa, 2004.
• Ethier C.R., Simmons C.A.: Introductory Biomechanics, Cambridge University Press, 2008.
• Gzik M.: Biomechanika kręgosłupa człowieka, Politechnika Śląska, Gliwice 2007.
• Będziński R.: Biomechanika Inżynierska, Oficyna Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997.
• Będziński R., „Biomechanika tom12 Mechanika techniczna”, IPPT PAN, Warszawa 2011
• Praca zbiorowa pod red. M. Nałęcza: Biomechanika i Inżyniera Rehabilitacyjna, EXIT, Warszawa 2004.
• Erdmann W.S.: Biomechanika. Przewodnik do ćwiczeń. 1999, Gdańsk.
• Tejszerska D., Świtoński E. (Red.): Biomechanika inżynierska. Zagadnienia wybrane. Laboratorium (Wyd. I, 2004).
• Babiuch M.: SolidWorks 2006 w praktyce, Helion, 2007. 11. Gronowicz A.: Podstawy analizy układów kinematycznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2003.
• Osiński Z. (pod red.): Podstawy konstrukcji maszyn, PWN 2003.
• Mazanek E. (pod red.): Przykłady obliczeń z podstaw konstrukcji maszyn, t.1,2, WNT 2005.
• Morecki A., Knapczyk J., Kędzior K., Teoria mechanizmów i manipulatorów, WNT 2002

Literatura uzupełniająca

• Normy.
• Czasopisma z zakresu biomechaniki (Elektroniczna Baza Czasopism UZ).

Uwagi

Zmodyfikowane przez dr hab. inż. Tomasz Klekiel, prof. UZ (ostatnia modyfikacja: 14-04-2020 21:39)