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Course Type (SWS)
Lecture: 1 │ Exercise: 0 │ Lab: 2 │ Seminar: 0
Exam Number: ZKA 40330
Type of Lecture:

Exercise (COMSOL simulations)

Language: German/English
Cycle: SS
ECTS: 4
Exam Type

The examination for the course is offered as an oral examination with a duration of 30 to 60 minutes. Notwithstanding this, in the event of timely notification at the beginning of the semester, a written technical examination with a duration of 90 minutes can be defined as an alternative binding.

Oral Exam (30-60 min.)
Written Exam (90 min.)
assigned Study Courses
assigned People
assigned Modules
Information
Beschreibung:

Im Bereich der Medizintechnik treten häufig sog. multi-physikalische Probleme auf. Es handelt sich dabei um Anwendungen, die mittels mindestens zweier physikalischer Phänomene zu beschreiben sind. Besonders interessant ist dabei die Verkopplung dieser unterschiedlichen physikalischen Vorgänge. Beispielsweise die Wärmeleitung im Gewebe ist ein oft zu berücksichtigender physikalischer Effekt.

In der Lehrveranstaltung des 6. Semesters wird eine Einführung zur numerischen Simulation dieser Multiphysik-Probleme gegeben. Dies erfolgt anhand von typischen Beispielen aus dem weiten Bereich der Medizintechnik, welche mit der Software COMSOL Multiphysics (TM) numerisch gelöst werden. Für die multi-physikalische Simulation ist die genannte Software auf Basis der Finiten Elemente Methode (FEM) eine der weitverbreitetsten.

Die Behandlung der multiphysikalischen Simulations-Beispiele soll dreistufig erfolgen:

1. Zunächst wird die zugehörige analytische Modellbeschreibung vorgestellt und möglichst anschaulich erläutert. Es wird insbesondere auf die Verkopplungs-mechanismen eingegangen.
2. Der zweite Schritt umfasst die Einführung einer FEM-Diskretisierung der o.g. kontinuierlichen Beschreibung. Es soll hier Basiswissen über die diskrete FEM-Beschreibung des Multiphysik Problems und dessen numerischen Lösung vermittelt werden, welches die Studierenden in die Lage versetzt die FEM-Software in einer effizienten und sicheren Art und Weise zu nutzten.
3. Der abschließende Schritt betrifft das Bearbeiten von sog. Tutorials – hier sollen die Studierenden unter Anleitung das zuvor erlernte Wissen mittels der Software COMSOL selbstständig am Rechner anwenden und die gekoppelten physikalischen Effekte unter Betrachtung der Feldverteilungen bzw. anderer davon abgeleiteter Größen verstehen lernen.

Im Rahmen der Lehrveranstaltung zum Thema Simulationstechniken werden die folgenden typischen multiphysikalischen Kombinationen aus der Medizintechnik behandelt. Dies korrespondiert mit der Verwendung von mehreren Modulen innerhalb der COMSOL Software. Für jede dieser Modulkombinationen sind ferner spezielle Beispiele genannt, welche im Rahmen der COMSOL Tutorien behandelt werden sollen:
1. Hochfrequenzfelder (COMSOL RF Module) gekoppelt mit Wärmeleitung (Heat Transfer Module)
Beispiele:
a) Hyperthermie/Krebstherapie mittels Mikrowellen
b) Hochfrequenzablation
c) Magnetresonanztomographie I: Gewebeerwärmung durch HF-Feld
d) Magnetresonanztomographie II: Erwärmung von metallischen Implantaten durch die drei Magnetfeldtypen im Scanner
e) Strahlungs-Absorption im menschlichen Kopf

2. Stationäre Felder (AC/DC Module) gekoppelt mit Wärmeleitung (Heat Transfer Module)
Beispiel: Tumor Ablation
3. Ultraschall induzierte Erwärmung (Acoustics Module & Heat Transfer Module)
4. Tracking von Medikamenten mittels statischer Magnetfelder (AC/DC Module) gekoppelt mit Fluid-Dynamik (CFD Module)
5. Thermisches Time-of-Flight (Heat Transfer Module) zur Erfassung von Gefäßströmungen (CFD Module)
Beispiele:
a) Stationäre Wärmeverteilung bei konstanter Heizung und Strömung
b) transiente Wärmeverteilung bei gepulster Erwärmung und konstanter Strömung

Abschließend sollen die Studierenden im Rahmen einer kleinen Projektarbeit eine eigene Multiphysics-Simulation in COMSOL durchführen und über die Ergebnisse berichten.

Lernziele:

Heranführen der Studierenden an das Thema Multi-Physics Simulation auf Basis der FEM-Software COMSOL Multiphysics
• Kennenlernen des Finite-Elemente-Ansatzes und dessen Lösung für die jeweils betrachtete multi-physikalische Problemstellung
• Aufbau von FEM-Basiswissen zur effizienteren und sicheren Nutzung der COMSOL Software
• Kennenlernen der COMSOL Software durch Übungsbeispiele am Rechner (Durcharbeiten von Tutorials, unter Anleitung)

Literatur:

Roger W. Pryor, Multiphysics modeling using COMSOL: a first principles approach. Sudbury, Mass.: Jones and Bartlett, 2011.

Ercan M. Dede, Jaewook Lee, Tsuyoshi Nomura, Multiphysics Simulation - Electromechanical System Applications and Optimization. London: Springer-Verlag, 2003. 

Vorleistung:

Akzeptierter Bericht über eine eigenständig konzipierte und durchgeführte Multiphysics-Simulation in COMSOL

Infolink:
Bemerkung:
Description:

In medical engineering multi-physics problems occur quite often. It is about applications that involve at least two physical phenomena. The coupling of these physical processes is particularly interesting. For example, the heat conduction in tissue is often a physical effect to be considered in medical engineering.

In this 6th semester course an introduction to the numerical simulation of multi-physics problems is given. It is carried out by using typical medical engineering examples, which will be solved by the software COMSOL Multiphysics (TM). The tool is based on the finite element method (FEM) and is one of the most popular multiphysics simulators.

The treatment of the multi-physics simulation examples will be done by a three-step approach:

1. First, the associated analytical model description is presented and explained in an insightful manner. Special emphases will be given to the mutual coupling mechanisms between the different physical phenomena.
2. The second step involves the introduction of a FEM discretization of the above-mentioned continuous description. Basic knowledge about the discrete FEM formulation of the multi-physics problem and its numerical solution will be taught, such that the students can use the FEM software in an efficient and “safe” manner.
3. The final step involves the processing of so-called tutorials - here, students should apply their previously acquired FEM knowledge to the usage of the software COSMOL. They will simulate specific examples from medical engineering on their own, and they shall understand the coupled physical phenomena by inspection of the field distributions or other therefrom derived values.

During the numerical-simulation-techniques course, the following typical multiphysics combinations occurring in medical technology are discussed. This corresponds to the use of several modules within the COMSOL software. For each of these module combinations further specific examples are given, which are to be treated as part of the COMSOL tutorials :
1. Radio-frequency fields (COMSOL RF module) coupled with heat transfer (heat transfer module)
Examples:
a) hyperthermia / microwave cancer therapy
b) RF ablation
c) Magnetic Resonance Imaging I: RF induced tissue heating
d) Magnetic Resonance Imaging II: heating of metallic implants by the three magnetic field types in the scanner
e) absorbed radiation in the human head

2. Stationary fields (AC/DC module) coupled with heat transfer (heat transfer module)
Example: tumor ablation
3. Ultrasound induced heating of tissue (acoustics module & heat transfer module)
4. Magnetic drug tracking (AC/DC module) coupled with fluid dynamics (CFD module)
5. Thermal time-of-flight (Heat Transfer Module) used for flow measurement in vessels (CFD Module)
Examples:
a) stationary heat dissipation as a result of continuous heating and flow
b) transient heat dissipation as a result of pulsed heating and continuous flow

Finally, students shall carry out a COMSOL multiphysics simulation example of interest within their class project and report the corresponding results.

Learning Targets:

Teach students in the subject of multi-physics simulation based on the FEM software COMSOL Multiphysics
• Introduction to the finite element approach and its solution for each of the considered multi-physics problem
• Development of FEM based knowledge for efficient use and safe handling of COMSOL software
• Introduction to COMSOL software through exercises on the computer (working through tutorials, under supervision)

Literature:

Roger W. Pryor, Multiphysics modeling using COMSOL: a first principles approach. Sudbury, Mass.: Jones and Bartlett, 2011.

Ercan M. Dede, Jaewook Lee, Tsuyoshi Nomura, Multiphysics Simulation - Electromechanical System Applications and Optimization. London: Springer-Verlag, 2003. 

Pre-Qualifications:

Accepted report on a multiphysics simulation in COMSOL, independently designed and implemented

Info Link:
Notice: