Modeling elastic objects in fluid fow with biomedical applications
Autor práce: Mgr. Iveta JančigováŠkoliteľ: doc. Mgr. Ivan Cimrák, Dr.
Dátum obhajoby: 26.8.2015
Študijný program: 9.2.9 Aplikovaná informatika
Oponent 1: prof. Ing. Martin Klimo, PhD.
Oponent 2: Univ. Doz. Dr. Thomas Schrefl
Oponent 3: doc. RNDr. Peter Frolkovič, PhD.
Slovenský abstrakt:
Iveta Jancigová: Modelovanie elastických objektov v tekutine s aplikáciami
v biomedicíne (dizertacná práca) – Žilinská univerzita v Žiline, Fakulta riadenia a
informatiky, Katedra softvérových technológií – Školitel: doc. Mgr. Ivan Cimrák, Dr.
– Stupen odbornej kvalifikácie: philosophiae doctor v odbore Aplikovaná informatika
- EDIS Žilina, apríl 2015 - 117 strán.
Mikrofluidika je výskumná oblast, ktorá sa v poslednej dobe rapídne rozvíja
a má mnohé aplikácie v biomedicíne. Jednou z týchto aplikácií sú mikrofluidické
zariadenia schopné zachytávat zriedkavo sa vyskytujúce bunky z krvných vzoriek
(napríklad cirkulujúce rakovinové bunky). Dalšie príklady zahrnajú analýzu tokov s
chorými bunkami alebo separáciu rôznych typov buniek zo zmesí. Na optimalizáciu
dizajnu takýchto zariadení je potrebné mat dobrý model buniek plávajúcich v krvnej
plazme alebo inej biologickej tekutine.
Táto práca popisuje taký model a metódy, akými ho vyvíjame. Výpoctový model
je plne 3D s obojsmerným prepojením tekutiny a vnorených elastických objektov.
Je schopný popisovat fyzikálne deformácie aj v detailných simuláciách malého poctu
objetov, aj vo velkých simuláciách s niekolkotisíc bunkami. Implementácia výpoctového
modelu je verejne dostupná ako súcast open source vedeckého výpoctového
balíka ESPResSo.
Táto práca dalej popisuje: validáciu a kalibráciu modelu; novú metódu zachovávania
lokálnej plochy elastickej membrány; nový robustný algoritmus pre kolízie
membrán, ktorý správne reaguje aj v prípade, že sa membrány z dôvodu numerických
chýb prekryjú; porovnanie rôznych metód inicializácie hustých suspenzií a
simulacnú štúdiu, ktorá ilustruje možnosti modelu a jeho užitocnost pri budúcej
optimalizácii mikrofluidických zariadení.
Kľúčové slová: strunové modely, elastické objekty, mikro-toky, počítačová simulácia
Anglický abstrakt:
Iveta Jancigová: Modeling elastic objects in fluid flow with biomedical applications
(Dissertation thesis) – The University of Žilina, Faculty of Management Science
and Informatics, Department of Software Technologies – Supervisor: doc. Mgr. Ivan
Cimrák, Dr. – Qualification level: Doctor of Philosophy in Applied Informatics –
EDIS Žilina, April 2015 - 117 pages.
Microfluidics is a rapidly developing research field that has various applications in
biomedicine. For example, microfluidic devices can be used to capture rare cells from
blood samples, to analyze flows with various diseased cells or to perform separation
tasks. In order to optimize the design of these devices, a good working model of
cells traveling in blood plasma or other biological fluids is needed.
This thesis describes such model and approaches taken towards its development.
It is a full 3D computational model with two-way coupling of fluid and immersed
objects. The model is capable of resolving elastic deformations based on physical
principles both in detailed simulations of single or few objects and in large simulations
of up to thousands of cells. The implementation of this computational model
is now publicly available as part of an open source scientific package ESPResSo.
This work also describes the procedures used for validation and calibration of
the model, novel approach to preservation of local area of the membrane, new membrane
collision algorithm capable of resolving intersecting membranes, comparison of
various seeding approaches for dense suspensions and a simulation study that illustrates
model capabilities and its usefulness in the future optimization of microfluidic
devices.
Keywords: spring network models, elastic objects, microfluidics, computer simulation