F7PBBMFJ - Modelování fyzikálních jevů v prostředí COMSOL MULTIPHYSICS

Numerické simulace jsou stále častěji využívány k vývoji nových a optimalizaci stávajících produktů a zařízení. Pomocí numerických simulací lze výrazně snížit počet potřebných prototypů, a tím vývoj značně urychlit a snížit náklady na vývoj. Dalším odvětvím, kde jsou numerické simulace využívány, jsou odvětví, kde je složité ověřit probíhající fyzikální děje (např. ohřev biologické tkáně pod elektrodami u přímé mozkové simulace). V neposlední řádě můžeme na základě numerických simulací provádět plánování léčby, kde na základě znalosti materiálových vlastností můžeme definovat množství dodávaného výkonu do zařízení (např. radiofrekvenční ablace v onkologii či kardiochirurgii). Počítačové modelování zahrnuje vytvoření geometrie, nastavení materiálových vlastností a okrajových podmínek a v neposlední řadě volbu diferenciálních rovnic, způsob diskretizace výpočetní oblasti a zpracování výsledků. Přesnost získaných výsledků, délka výpočtů a nároky na výpočetní výkon jsou velmi závislé na nastavení numerického modelu. Přednášky pokrývají nejčastější problémy z elektrotechniky, termiky, mechaniky, chemie, akustiky a dynamiky tekutin. Získané znalosti si studenti vyzkouší aplikovat při návrhu jednotlivých částí přístrojů a zařízení.

Základní znalosti diferenciálních rovnic.

Výstupní znalosti, dovednosti, schopnosti a kompetence

Po absolvování kurzu budou studenti schopni vytvořit robustní numerický model. To mimo jiné zahrnuje vytvoření geometrie, nastavení materiálových vlastností a okrajových podmínek a v neposlední řadě volbu diferenciálních rovnic, způsob diskretizace výpočetní oblasti a zpracování výsledků. Studenti pak budou schopni provádět výpočty v odvětvích biomedicínského inženýrství, kde se nejčastěji řeší problémy z elektrotechniky, termiky, mechaniky, chemie, akustiky a dynamiky tekutin.

1.Přehled nejčastěji používaných numerických metod a teorie metody konečných prvků (FEM) a konečných diferencí v časové oblasti (FDTD). Přehled SW pro vytvoření reálného anatomického modelu.

2.Simulace elektrického a magnetického pole pro statické a quasi-statické aplikace (AC/DC Modul).

3.Simulace elektromagnetického pole (RF Modul), návrh a modelování vysokofrekvenčních zařízení.

4.Rovnice šíření tepla v biologických tkáních, zejména Penneho rovnice (Heat Transfer Modul). Parametry rovnice a jejich fyzikální význam a typické hodnoty. Multifyzikální simulace.

5. Metoda konečných prvků (FEM).

6.Analýza mechanických struktur, které jsou předmětem statického nebo dynamického zatížení (Structural Mechanics). Mechanika tekutin (CFD Modul).

7.Vlnová optika, šíření světla v optických vláknech, optické sensory. COMSOL Multiphysics a MATLAB (LiveLink for MATLAB).

1. Seznámení se s prostředím Comsol Multiphysics, tvorba 3D geometrií, zásady nastavení mřížky a řešiče.

2. Výpočet rozložení elektrického pole v okolí elektrod kardiostimulátoru, zobrazení rozložení proudové hustoty při aplikaci elektrochirurgie.

3. Modelování radiofrekvenční cívky pro magnetickou rezonanci. Zobrazení vytvořeného elektrického a magnetického pole v biologické tkáni.

4. Rozšíření modelu RF cívky pro MRI o teplotní simulaci v biologické tkáni.

5. Tvorba reálného anatomického modelu v programu Mimics a 3-Matic (Materialise).

6. Mechanika tekutin - jedné fáze a více nemísitelných fází pomocí Level set metody.

7. Šíření světla v optickém vlákně. Tvorba modelu v COMSOL Multiphysics, export a úprava, spouštění simulací a analýza výsledků v prostředí MATLAB.

Předmět si klade za cíl seznámit studenty s možnostmi, které nabízejí současné numerické simulátory fyzikálních jevů zejména v souvislosti s biomedicínským inženýrstvím. K těmto účelům bude využita softwarová platforma COMSOL Multiphysics umožňující provádět numerické simulace jednotlivých fyzikálních jevů i jejich kombinací. Dále si studenti vyzkouší pomocí segmentace vytvořit reálný anatomický 3D model, který bude využit ve výpočtu nebo bude vytištěn na 3D tiskárně.

Povinná literatura:

[1] DĚDKOVÁ, J., KŘÍŽ, T., Modelování elektromagnetických polí (MMEM), Vysoké učení technické v Brně, 2012, 100 stran. ISBN 978-80-214-4401-0,

http://www.utee.feec.vutbr.cz/iet/wp-content/uploads/sites/2/2016/10/MMEM_skripta.pdf

Doporučená literatura:

[1] COMSOL, Inc Introduction to COMSOL Multiphysics, version 5.3a, 2017, 196 stran, https://cdn.comsol.com/documentation/5.3.1.229/IntroductionToCOMSOLMultiphysics.pdf

• Bakalářský studijní program Biomedicínská technika (povinně volitelný předmět)
• Bakalářský studijní program Biomedicínská technika (povinně volitelný předmět)