Numerično modeliranje fizikalnih pojavov v tehniki, biologiji in medicini

Opis predmeta

Predavanja:

Kratek pregled osnovnih postopkov modeliranja v tehniki in biologiji; določitev opazovanega sistema in njegove okolice, izbira ustreznih spremenljivk za opis sistema, časa opazovanja pojava ter matematični zapis le tega.

Numerične metode za reševanje sistemov linearnih algebrajskih enačb in nelinearnih algebrajskih enačb.

Optimizacijski postopki.

Numerične metode za reševanje navadnih diferncialnih enačb.

Formulacija parcialnih diferencialnih enačb z ustreznimi začetnimi in robnimi pogoji.

Numerično reševanje parcialnih diferencialnih enačb; osnove metode končnih diferenc in metode končnih elementov.

Osnove modeliranja s celičnimi avtomati.

Osnove metod tipa Monte Carlo.

Laboratorijske vaje:

Reševanje različnih primerov iz tehnike in biologije in medicine z uporabo programa Matlab in njegove zbirke orodij (Partial Differential Equation Toolbox) ter programa Comsol Multiphysics. 

Cilji in kompetence

V okviru predmeta bodo študenti pridobili znanja o modeliranju in uporabi numeričnih metod pri reševanju problemov iz tehnike, biologije in medicine. Seznanili se bodo z osnovnimi postopki zapisa modela opazovanega pojava na osnovi tipičnih a raznolikih primerov iz tehnike, medicine in biologije. Spoznali bodo osnove modeliranja s celičnimi avtomati, metodami tipa Monte Carlo ter osnovne optimizacijske postopke.

Večino snovi predmeta pokrivajo numerični postopki za reševanje parcialnih diferencialnih enačb. Študenti bodo osvojili teoretične osnove metode končnih diferenc in metode končnih elementov. Na osnovi reševanja sprva preprostih in nato zapletenejših problemov se bodo spoznali s prednostimi in omejitvami numeričnih metod. Pomemben del učnega procesa bo predstavljala analiza izračunanih vrednosti in njihova primerjava z eksperimentalno pridobljenimi vrednostmi, v primerih, kjer bodo rezultati ustreznih meritev na voljo.

Raznolikost obravnavanih primerov bo študentom ponudila uporabno znanje na širšem področju tehnike in naravoslovja.

Metode poučevanja in učenja

Predavanja; skupno reševanje tipičnih nalog za razumevanje snovi v okviru laboratorijskih vaj; reševanje kompleksnejših nalog v okviru laboratorijskih vaj in samostojnega dela doma. 

Predvideni študijski rezultati

Po uspešno opravljenem predmetu naj bi bili študenti zmožni:

  • opisati koncepte modeliranja v tehniki, biologij in medicini
  • izbrati ustrezen način numeričnega reševanja zapisanih matematičnih formulacij
  • navesti teorijo metode končnih elementov kot poglavitne metode za numerično reševanje parcialnih diferencialnih enačb
  • aplicirati numerične metode na preproste in kompleksnejše primere
  • razložiti prednosti in slabosti numeričnih metod.

 

Reference nosilca

  1. Maček Lebar A, Damjanić F, Antolič V, Iglič A, Srakar F, Brajnik D. Nepravilnosti v cementnem plašču : analiza z metodo končnih elementov = Cement filling defects : a finite element analysis. Farmacevtski vestnik 47(3): 311-314, 1996.
  2. Iglič A, Kralj-Iglič V, Daniel M…, Maček Lebar A. Computer determination of contact stress distribution and size of weight bearing area in the human hip joint. Computer methods in biomechanics and biomedical engineering 5(2): 185-192, 200
  3. Šel D, Maček Lebar A, Miklavčič D. Feasibility of employing model-based optimization of pulse amplitude and electrode distance for effective tumor electropermeabilization. IEEE T. Biomed. Eng. 54: 773-781, 2007.
  4. Jelenc J, Jelenc J, Miklavčič D, Maček Lebar A. Low-frequency sonoporation in vitro: experimental system evaluation. Strojn. Vestn. 58: 319-326, 2012.
  5. Maček Lebar A, Velikonja A, Kramar P, Iglič A: Internal configuration and electric potential in planar negatively charged lipid head group region in contact with ionic solution, Bioelectrochemistry, 111: 49–56, 2016.

Temeljni viri in literatura

  1. Dunn SM, Constantinides A, Moghe PV. Numerical methods in biomedical engineering, Elsevier 2006
  2. Reddy J.N. Introduction to the Finite Element Method, McGraw-Hill 1993
  3. Fagan MJ. Finite Element Analysis – Theory and Practice, Longman 1992
  4. Kwon YW, Bang H. The finite element method using Matlab, CRC Press 2000
  5. Comsol Multiphysics – User's Guidebook, Comsol AB., 2004
  6. Schiff JL. Cellular Automata: A Discrete View of the World, Wiley-Interscience 2008

Bodi na tekočem

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Tržaška cesta 25, 1000 Ljubljana

E:  dekanat@fe.uni-lj.si T:  01 4768 411