Modelowanie struktur i procesów biologicznych

Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek „INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA”
KONSPEKT PRZEDMIOTU
DRUGIEGO POZIOMU STUDIÓW STACJONARNYCH
Nazwa przedmiotu
Modelowanie struktur i procesów
biologicznych
Skrót:
Semestry:
Rodzaj przedmiotu:
Punkty ECTS:
3
Seminarium
Łącznie
30
I
Liczba godzin w semestrze:
Wykład
Semestr III
15
Strumień/profil:
chemia w medycynie
Kierunkowy ogólny
Ćwiczenia
15
Laboratorium
elektronika w medycynie
Osoba odpowiedzialna za przedmiot:
Imię:
Renata
E-mail: [email protected]
Projekt
fizyka w medycynie
Nazwisko:
Telefon:
MSiPB
informatyka w medycynie
Kalicka
0583471181
Lokal:
107 WETI
Cele przedmiotu:
Celem przedmiotu jest zapoznanie słuchaczy z zagadnieniami dotyczącymi modelowania systemów biomedycznych.
Systemy inżynierskie a systemy biologiczne. Matematyczny opis modeli badanych systemów. Modelowanie teoretyczne.
Liniowość i nieliniowość procesów. Modelowanie empiryczne, krzywe dopasowujące: funkcje sklejane, samomodelowanie.
Funkcja przenoszenia, całka splotowa. Metoda skończonych poziomów, metoda skończonych elementów. Systemy
kompartmentowe. Uogólniony opis w kategoriach zmiennych stanu. Identyfikacja, diagnoza i predykcja. Analiza systemów
w dziedzinie czasu. Odpowiedź skokowa. Parametryczne i nieparametryczne metody identyfikacji. Konwolucja, estymacja
metodą najmniejszych kwadratów. Identyfikacja parametryczna modelu gray-box. Kryterium Akaike jakości modelu.
Analiza dokładności estymat. Modelowanie wirtualnej rzeczywistości w medycynie. Środowisko wirtualne. Szkolenie
operatorów, lokalna i zdalna chirurgia, terapia i diagnostyka. Środki techniczne komunikacji z rzeczywistością wirtualną.
Spodziewane efekty kształcenia - umiejętności i kompetencje:
Po wysłuchaniu wykładu, studenci posiądą podstawowe umiejętności pozwalające na praktyczne (ćwiczenia)
wykorzystanie poznanych metod modelowania systemów biomedycznych. Do umiejętności zaliczają się:
−
Praktyczna umiejętność doboru rodzaju modelu
−
Umiejętność doboru metody identyfikacji
−
Umiejętność oceny jakości modelu
−
Wybór najlepszego z badanych modeli alternatywnych na podstawie kryterium ich jakości
−
Znajomość elementów modelowania wirtualnej rzeczywistości w medycynie
Po wysłuchaniu wykładu i odbyciu ćwiczeń, studenci posiądą wiedzę teoretyczną i częściowo praktyczna niezbędną do
samodzielnego stworzenia modelu badanej struktury lub badanego procesu biomedycznego przy wykorzystaniu
odpowiednich do tego metod.
Karta zajęć - wykład
Lp.
Zagadnienie
wiedzy
A
1
Analiza systemów- podstawowe pojęcia. Różnice pomiędzy
B
x
Poziom
umiejętnośc
i
C
D
E
Liczba
godzin
1
Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek „INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA”
12
13
14
15
systemami inżynierskimi i fizjologicznymi.
Uogólnione właściwości systemów. Parametry rozłożone systemów
biomedycznych.
Opis matematyczny systemów biomedycznych. Modelowanie
teoretyczne. Systemy liniowe i nieliniowe. Zasada superpozycji.
Przykłady.
Modelowanie empiryczne. Opis odpowiedzi systemu. Równania
empiryczne i krzywe dopasowujące. Funkcje sklejane. Self-modeling.
Regresja nieliniowa. Odpowiedź impulsowa i splot liniowy.
Modelowanie metoda poziomów skończonych i elementów
skończonych.
Kompartment, podstawowa koncepcja, właściwości. Liniowość
modeli kompartmentowych. Systemy compartmentowe donorcontrolled oraz acceptor-controlled.
Opis systemów kompartmentowych w kategoriach wejście-stanwyjście. Analiza na płaszczyźnie zmiennych stanu.
Identyfikacja, diagnoza i predykcja. Analiza systemów w dziedzinie
czasu. Odpowiedź impulsowa i odpowiedź skokowa.
Identyfikacja parametryczna i nieparametryczna. Rozplot. Estymacja
metoda najmniejszych kwadratów. Analiza w dziedzinie
częstotliwości.
Potrzeba badań statystycznych. Dokładność pomiarów, dokładność
estymat parametrów
Projektowanie modelu na podstawie danych pomiarowych.
Miary jakości modelu: wariancja residuów, stopień uwarunkowania.
Kryteria Akaike i Schwartza.
Identyfikacja modelu. Analiza dokładności estymat parametrów.
Modelowanie virtual reality w ochronie zdrowia.
Edukacja i trening. Zdalna chirurgia. Diagnoza, monitoring, terapia.
Środki techniczne zdalnej chirurgii.
Lp.
Zagadnienie
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
X
1
X
1
X
1
X
1
X
1
X
1
X
1
X
1
X
1
X
X
X
X
1
1
1
1
Razem: 15
Karta zajęć - ćwiczenia
Poziom
wiedzy
A
B
C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Modele tworzone jako kombinacje elementów systemu.
Liniowość modeli systemów fizjologicznych. Model mechanizmu
respiracji oraz mechaniki pracy mięsni.
Liniowość i nieliniowość modeli biomedycznych względem
pobudzenia i/lub względem parametrów.
Modele kompartmentowe. Równania stanu oraz ich rozwiązania.
Model 1-kompartmentowy i 2-kompartmentowy. Analiza na
płaszczyźnie stanu.
Modele kompartmentowe. Równania stanu oraz ich rozwiązania.
Model 3-kompartmentowy. Analiza na płaszczyźnie stanu.
Ifentyfikowalność badanych modeli
Związki pomiędzy makroparametrami oraz makroparametrami
modelu
Dokładność estymat parametrów modeli.
Wyniki eksperymentów medycznych (dystrybucja procainamidu) i
projektowania modelu/modeli.
Wyniki eksperymentów medycznych (dystrybucja gonadotropiny) i
projektowania modelu/modeli.
Wyniki eksperymentów medycznych (dystrybucja kontrastu DSC w
badaniach MRI mózgu) i projektowania modelu/modeli.
Porównanie modeli dystrybucji prokainamidu. Wybór najlepszego z
Projekt „Przygotowanie i realizacja kierunku inżynieria biomedyczna – studia międzywydziałowe”
współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
umiejętności
D
E
Liczba
godzin
Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek „INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA”
13
14
15
modeli. Kryteria Akaike i Schwartza.
Porównanie modeli dystrybucji gonadotropiny. Wybór najlepszego z
modeli. Kryteria Akaike i Schwartza
Porównanie modeli dystrybucji kontrastu DSC w badaniach MRI
mózgu. Wybór najlepszego z modeli. Kryteria Akaike i Schwartza.
Metody symulacyjne w ocenie jakości modeli
Razem:
Próg zaliczenia:
Semestr:
III
z wykładu
35/60
Warunki zaliczenia przedmiotu
z ćwiczeń
z laboratorium
z projektu
25/40
z seminarium
Z CAŁOŚCI
70/100
Opis form zaliczenia
Wykład (semestr III)
Id
Termin
1
Tydzień 7
2
Tydzień 15
Ćwiczenia
Id
Termin
1
Tydzień 4
2
Tydzień 8
3
Tydzień 12
Punkty
30
30
Razem:
Punkty
13
13
14
Razem: 40
Zakres
Kolokwium z zakresu zagadnień 1-7, według planu wykładu
Kolokwium z zakresu zagadnień 8-15, według planu wykładu
60
Zakres
Kartkówka, sprawdzian pisemny
Kartkówka, sprawdzian pisemny
Kartkówka, sprawdzian pisemny
Uwagi dotyczące kryteriów zaliczenia:
Brak uwag.
Lp.
1.
Przedmiot
Podstawy analizy
danych
Przedmioty wyprzedzające wraz z wymaganiami wstępnymi
Zakres
„Analiza matematyczna i algebra liniowa” w zakresie programu przedmiotu.
Metody dydaktyczne:
Treści wykładu będą przekazywane z wykorzystaniem projektora do prezentacji slajdów, ukazujące treści przedmiotu ze
szczególnym uwzględnieniem materiału ilustrującego w postaci schematów, wykresów, tabel itd.
Praktyczną ilustracją materiału przedstawianego w czasie wykładów są Ćwiczenia. Ocenie podlegać będzie aktywność i
przygotowanie studenta do zajęć podczas wykonywanych zadań w czasie ćwiczeń.
Wykaz literatury podstawowej:
1. Kalicka R.,Skrypt z materiałami „Modelowanie struktur i procesów niopmedycznych””
2. Khoo M., Physiological control systems, analysis, simulation, estimation, IEEE Press 2002.
3
Tadeusiewicz R., Inżynieria biomedyczna, UWND, 2008.
Wykaz literatury uzupełniającej:
1. Semlow J., Circuits, signals and systems for bioengineering, Elsevier Academic Press, 2005
Projekt „Przygotowanie i realizacja kierunku inżynieria biomedyczna – studia międzywydziałowe”
współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.