Universitat Internacional de Catalunya
Técnicas de Modelización y Simulación
Otras lenguas de impartición: catalán, castellano
Profesorado
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Presentación
Prof. Miguel Cerrolaza mcerrolaza@uic.es
Técnicas de Modelización y Simulación es una asignatura de carácter optativo en el plan de estudios oficial del Grado de Bioingeniería.
En esta asignatura se presentan los conceptos básicos de modelado y simulación de implantes, usando software de diseño CAD y el método de los elementos finitos. Varios casos de aplicación son estudiados y discutidos.
La docencia de la asignatura se realiza en inglés.
Requisitos previos
La asignatura se imparte en inglés, por lo que hay que tener un conocimiento suficiente de este idioma como para poder seguir las explicaciones y asimilar parte del material didáctico proporcionado.
La asignatura utiliza técnicas matemáticas que deben conocerse con antelación: ecuaciones diferenciales, sistemas de ecuaciones, uso de software de modelado y de análisis
Objetivos
- Introducir los conceptos básicos de modelado y simulación de implantes.
- Presentar las técnicas de modelización y uso de software de CAD
- Conocer los métodos básicos de análisis por elementos finitos
- Presentar las técnicas de simulación y uso de software de análisis numérico
- Conocer otros métodos de simulación en bioingeniería
- Estudiar varios casos prácticos de aplicación
Competencias/Resultados de aprendizaje de la titulación
- CB1 - Que los estudiantes hayan demostrado poseer y comprender conocimientos en un área de estudio que parte de la base de la educación secundaria general, y se suele encontrar a un nivel que, si bien se apoya en libros de texto avanzados, incluye también algunos aspectos que implican conocimientos procedentes de la vanguardia de su campo de estudio
- CB2 - Que los estudiantes sepan aplicar sus conocimientos a su trabajo o vocación de una forma profesional y posean las competencias que suelen demostrarse por medio de la elaboración y defensa de argumentos y la resolución de problemas dentro de su área de estudio
- CB3 - Que los estudiantes tengan la capacidad de reunir e interpretar datos relevantes (normalmente dentro de su área de estudio) para emitir juicios que incluyan una reflexión sobre temas relevantes de índole social, científica o ética
- CE1 - Resolver los problemas matemáticos que puedan plantearse en el ámbito de la Bioingeniería. Aptitud para aplicar los conocimientos sobre geometría, cálculo integral, métodos numéricos y optimización.
- CE10 - Diseñar estructuras fijas y removibles en las aplicaciones de prótesis y ortoprótesis
- CE11 - Evaluar los sistemas y procesos de fabricación, metrología y control de calidad
- CE16 - Aplicar la terminología propia de la Bioingeniería tanto oral como escrita en una tercera lengua.
- CE2 - Saber aplicar los conceptos básicos sobre las leyes generales de la mecánica y la biomecánica para la resolución de problemas propios del ámbito de la Bioingeniería
- CE3 - Aplicar a la Bioingeniería los conocimientos fundamentales sobre el uso y programación de los ordenadores, sistemas operativos, bases de datos y programas informáticos.
- CE9 - Aplicar los fundamentos básicos de la elasticidad y resistencia de materiales al comportamiento de sólidos reales.
- CG1 - Desarrollar proyectos en los ámbitos de la Bioingeniería que tengan por objeto la concepción, el diseño y la fabricación de prótesis y ortoprótesis específicas a una patología o necesidad determinada.
- CG3 - Tener capacidad para el aprendizaje de nuevos métodos y teorías y ser versátil para la adaptación a nuevas situaciones.
- CT3 - Saber comunicarse de forma oral y escrita con otras personas sobre los resultados del aprendizaje, de la elaboración del pensamiento y de la toma de decisiones; participar en debates sobre temas de la propia especialidad
- CT4 - Ser capaz de trabajar como miembro de un equipo interdisciplinar, ya sea como un miembro más o realizando tareas de dirección, con la finalidad de contribuir a desarrollar proyectos con pragmatismo y sentido de la responsabilidad, asumiendo compromisos teniendo en cuenta los recursos disponibles
Resultados de aprendizaje de la asignatura
El estudiante, después de cursar esta asignatura, debe:
- Tener los conocimientos básicos de modelado y simulación de implantes.
- Haber adquirido una capacidad analítica para llegar a conclusiones válidas después de un proceso de análisis.
- Incorporar rigor científico en el modelado por CAD y en la simulación por elementos finitos.
- Ser capaz de modelar un implante simple y analizarlo usando elementos finitos
Contenidos
1 Introduction to modeling
1.1 Motivation
1.2 Overview of applications
2 Exoprostheses and implants
2.1 Exoskeletons and hand prostheses
2.2 Implants
2.3 Classification
2.4 Evolution
2.5 Ethical and legal issues
3 Modeling
3.1 Modeling techniques
3.2 Modeling a prosthetic foot
4 Modeling software
4.1 Commercial software vs free software
4.2 Salome-Meca
4.3 Preprocessing
4.4 Guided exercise in classroom
5 Numerical methods for simulation
5.1 Why do we need numerical simulation?
5.2 Linear systems
5.3 Solution of differential equations
6 Finite elements
6.1 Introduction to finite elements
6.2 The finite element method
6.3 Finite elements applications
7 Finite elements software
7.1 Commercial software vs free software
7.2 Introduction to Aster code: installing the code
7.3 Finite elements processing
7.4 Numerical examples
7.5 Guided exercise in classroom
8 Other simulation methods
8.1 Finite differences
8.2 Finite volumes
8.3 Boundary elements
8.4 Lattice-Boltzmann methods
8.5 Mesh generation
8.6 Examples
9 Study cases
9.1 Artificial cardiac valves
9.2 Knee prosthesis
9.3 Hip prosthesis
9.4 Dental implants
9.5 Spine prosthesis
9.6 Hand orthesis
Metodología y actividades formativas
Modalidad totalmente presencial en el aula
Las actividades pueden agruparse en cuatro grandes tipos: sesiones expositivas, sesiones participativas, sesiones prácticas y estudio individual o en grupo.
Sistemas y criterios de evaluación
Modalidad totalmente presencial en el aula
La evaluación constará de los siguientes elementos:
A) Evaluación continua (portfolio de actividades) (60%)
- Examen corto (test) (10%)
- Asistencia a clase y actitud en clase (10%)
- Análisis de un artículo científico (20%)
- Modelado de un implante propuesto por el profesor (20%)
B) Proyecto Final (40%):
* Modelado de un implante propuesto por el(la) alumn@
* Entrega y presentación del proyecto.
A tener en cuenta:
- La nota de la asignatura se compone de la nota del portfolio (60%) más el Proyecto de la asignatura (40%).
- Para poder calcular la nota de la asignatura, se requiere que el estudiante obtenga al menos 4,5 en el Proyecto Final. En caso contrario deberá de entregar el Proyecto Final en 2ª convocatoria
- El portfolio se califica en 1ª convocatoria, por lo que todas las actividades del portfolio deben ser entregadas en 1ª convocatoria.
- Si algún estudiante no pudo presentar el Proyecto Final en 1ª convocatoria, puede hacerlo en 2ª convocatoria.
Más cosas a tener en cuenta:
- Plagio, copiar o cualquier otra acción que se pueda considerar trampa supondrá un cero en ese apartado de evaluación. Realizarlo en los exámenes supondrá el suspenso inmediato de la asignatura.
- En segunda convocatoria no se podrá obtener la calificación de "Matrícula de Honor", por lo que la calificación máxima será de "Excelente".
- No se aceptarán cambios en el calendario, fechas de exámenes o en el sistema de evaluación.
- Los estudiantes de intercambio (Erasmus y otros) o repetidores estarán sometidos a las mismas condiciones que el resto del alumnado.
Bibliografía y recursos
- Cerrolaza M, Doblaré M, Martínez G, Calvo B (2004). Computational Bioengineering. Current Trends and Applications. London, UK. Imperial College Press.
- Zienkiewicz OC, Taylor RL, Fox DD (2014). The finite element method for Solid and Structural Mechanics. Oxford. Butterworth-Heinemann.
- Smith I, Griffiths DV, Margetts L (2013). Programming the Finite Element Method. Wiley
- Hughes TJR (2000). The finite element method: linear static and dynamic analysis finite element analysis. Nueva Jersey. Dover
- Kane J (1994). Boundary element Analysis in Engineering Continuum Mechanics. Nueva Jersey. Prentice-Hall.
- Cerrolaza M, Duarte V, Garzón-Alvarado D (2017). Analysis of bone remodeling under piezoelectric effects by the BEM, J. Bionic Engng, 14(4):659-671
- Rao SS (1996). Engineering Optimization: Theory and Practice (3rd ed.) NY. Wiley-Interscience.
- Viosca E, Prat J (1999). Guía de uso y prescripción de productos ortoprotésicos a la medida. Valencia. Instituto de Biomecánica de Valencia.
- Chen Q, Thouas G (2014). Biomaterials: A Basic Introduction. Boca Ratón, Florida. CRC Press.
- Annicchiarico W, Périaux J, Cerrolaza M, Winter G, (Eds) (2007). Evolutionary algorithms and intelligent tools in engineering optimization, WIT Press, UK.
- Cerrolaza M, Shefelbine S, Garzón A (Eds) (2017). Numerical methods and advanced simulation in biomechanics and biological processes, Elsevier, 450 pp.
- Davila E, Ortiz M, Perez RA, Herrero M, Cerrolaza M, Gil FJ (2019). Crestal neck design optimization of dental implants: finite element analysis and in vivo studies, Mater. Sci.: Mater. in Medic., 30(8):90
- Uzcátegui G, Dávila E, Cerrolaza M (2015). A simple and efficient methodology to improve design proposals of dental implants, Biomed Engng.: App., Bas. & Comm. 27(3)