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Medizinische Simulationssysteme II

Medizinische Simulationssysteme II
Typ: Vorlesung (V) Links:
Lehrstuhl: Fakultät für Informatik
Semester: SS 2016
Ort:

Raum 148 (1. Stock)
50.20 Ergänzungsbau am Ring I (Kinderklinik)

Zeit:

Mittwochs 09:45 - 11:15, wöchentlich
Erster Termin: 26.04.2017
50.20 Raum 148 50.20 Ergänzungsbauten am Ring - Hauptgebäude


Dozent: Dr.-Ing. Stefan Suwelack
Prof. Dr. Rüdiger Dillmann
SWS: 2
LVNr.: 24676
Voraussetzungen

Empfehlungen:

Der vorherige Besuch der Vorlesung Medizinische Simulationssysteme I [24173] wird empfohlen.

BeschreibungDie Vorlesung beschäftigt sich mit numerischen Berechnungsverfahren in der Medizin. Ausgehend von einer kurzen Einführung in die Mechanik biologischer Materialien und Systeme werden wichtige Grundlagen der numerischen Simulation mit der Methode der finiten Elemente (FEM) und der Methode der finiten Volumen (FVM) erklärt. Dabei stehen die Besonderheiten bei der Modellbildung und Evaluation von Simulationen im medizinischen Kontext im Vordergrund. Es werden aktuelle Forschungsergebnisse und Anwendungen aus den Bereichen der Weichgewebemechanik sowie der Fluidmechanik (Hämodynamik) diskutiert.

Die Vorlesung soll im Besonderen ein grundlegendes Verständnis für das Potential und für die spezifischen Herausforderungen im Einsatz von numerischen Methoden in der Medizin vermitteln.

Lehrinhalt

Die Vorlesung beschäftigt sich mit dem Gebiet der medizinischen Simulationssysteme. In Fortsetzung der Vorlesung Medizinische Simulationssysteme I werden Modellierung und Simulation biologischer Systeme behandelt. Im Vordergrund stehen die Strukturmechanik zur Beschreibung von Weichgewebe und die Strömungsmechanik zur Beschreibung von Blutflüssen, ferner Finite-Elemente-Methoden als Verfahren zur numerischen Berechnung der Simulationen. Einblicke in klinische Fragestellungen und Anwendungsbeispiele sowie in klinische Validierungsmethoden runden die Veranstaltung ab.

Arbeitsbelastung

Gesamtaufwand 90 h

- Präsenzzeit in Vorlesungen: 30 h

- Vor-/Nachbereitung: 45 h

- Prüfungsvorbereitung: 15 h

Ziel

Studierende kennen die wesentlichen Einsatzgebiete und die spezifischen Herausforderungen für den Einsatz numerischer Simulationen in der Medizintechnik. Sie können wesentliche Methoden der Weichgewebesimulation und Fluidmechanik (Hämodynamik) erklären, bewerten und den Gegebenheiten entsprechend auswählen. Auf Basis dieses Wissens sind sie in der Lage eigene medizinische Simulationssysteme zu konzipieren und wichtige Designentscheidungen korrekt zu fällen.

Studierende beherrschen insbesondere die phänomenologische Modellierung von Weichgewebe mittels Feder-Masse-Modellen und die physikalische Modellierung mittels elastischen Potentialen und Erhaltungsgleichungen. Sie verstehen resultierende Randwertprobleme und kennen Finite-Elemente-Methoden einschließlich Vernetzungsalgorithmen zur numerischen Lösung. Weiterhin kennen sie die Erhaltungsgleichungen der Strömungsdynamik und sind in der Lage, einfache Problemstellungen analytisch zu lösen. Sie kennen Methoden zur Kopplung struktur- und strömungsmechanischer Probleme und verstehen das Konzept der Lagrangeschen, der Eulerschen und der Arbitrary-Lagrangian-Eulerian Bezugssysteme. Schließlich kennen die Studierenden typische Simulationsszenarien in der Medizin, insbesondere das Brainshift-Problem, die endoskopische Viszeralchirurgie, das Herz und seine Funktionsweise sowie die Aorta mit Windkesseleffekt.

Prüfung

Die Erfolgskontrolle wird in der Modulbeschreibung erläutert.

Inhalt

Aneurysma
Wirbelsäule segmentiert

 

Die Vorlesung beschäftigt sich mit numerischen Berechnungsverfahren in der Medizin. Ausgehend von einer kurzen Einführung in die Mechanik biologischer Materialien und Systeme werden wichtige Grundlagen der numerischen Simulation mit der Methode der finiten Elemente (FEM) und der Methode der finiten Volumen (FVM) erklärt. Dabei stehen die Besonderheiten bei der Modellbildung und Evaluation von Simulationen im medizinischen Kontext im Vordergrund. Es werden aktuelle Forschungsergebnisse und Anwendungen aus den Bereichen der Weichgewebemechanik sowie der Fluidmechanik (Hämodynamik) diskutiert.

Die Vorlesung soll im Besonderen ein grundlegendes Verständnis für das Potential und für die spezifischen Herausforderungen im Einsatz von numerischen Methoden in der Medizin vermitteln.

Die Lehrveranstaltung folgt einem interaktiven Konzept ("flipped classroom"). Dazu werden den Studierenden umfangreiche Ressourcen zum Selbst- und Gruppenstudium zur Verfügung gestellt (Scriptum, Folien, Softwarewerkzeuge, Übungsvorschläge, strukturierte Lernhilfen). Neben kleineren klassischen Vorlesungeinheiten dient das Plenum der Diskussion und dem gemeinsamen Klären von Fragen.

Teilnehmer
Die Vorlesung richtet sich an Studierende der Fachbereiche Informatik, Mathematik, Maschinenbau und Elektrotechnik sowie an alle, die an medizinischen Fragestellungen interessiert sind. Numerische Vorkenntnisse sind nicht erforderlich. Die Vorlesung bietet aber auch die Möglichkeit entsprechende Vorkenntnisse im medizinischen Kontext zu vertiefen.

Literatur
Wird in der Vorlesung bekanntgegeben.

 

Prüfung
Die Vorlesung kann in den entsprechenden Modulen des Masterstudiengangs Informatik geprüft werden. Studierende anderer Fachrichtungen sollten sich bei ihren Studienbetreuern informieren.

Die Anmeldung zur Prüfung erfolgt im Sekretariat Prof. Dillmann
Mo – Do jeweils von 10.00 Uhr bis 12.00 Uhr


Material

Alle wichtigen Ressourcen finden sich auf der ILIAS-Seite.