Transcript Biofísica para Ingeniería Biomédica UNICIT Nov122004

Biofísica
una ciencia básica en la
Biomedicina
Dr. Juan José Aranda Aboy
Profesor e Investigador
Titular
¿Qué es Biofísica?
• La Biofísica puede definirse como la
disciplina que trata de comprender y
explicar la fenomenología biológica a partir
de las leyes y principios generales de la
Física.
• Refleja el esfuerzo para racionalizar las
leyes biológicas como extensiones de las
leyes de la Física.
• Posee doble carácter como ciencia:
Interdisciplinaria e Integradora.
Objeto de estudio
• Describir y analizar los seres vivos desde el
punto de vista de la Física, lo que implica
tomar en cuenta conocimientos de
Matemáticas, Biología, Química e Informática.
• Dar las bases iniciales para la
experimentación física, y aplicación y
protección del ser vivo utilizando las Ciencias
Fisicomatemáticas.
• Explicar el método que emplea la Física para
tratar problemas fisiológicos y otros temas
biomédicos.
Propuesta de programa
para la asignatura
1. Introducción
2. Biomecánica
3. Conceptos básicos de la Termodinámica
clásica
4. Tensión Superficial y Dinámica de fluidos
5. La Respiración
6. La Circulación
7. Bioelectricidad y Biomagnetismo
8. Biofísica Sensorial
9. Biofísica de las Radiaciones
10. Termodinámica de Procesos Irreversibles
Bibliografía seleccionada
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Bezanilla, F. “The Nerve Impulse”, http://pb010.anes.ucla.edu
Davidovits,P. “Physics in Biology and Medicine” 2nd Ed.
Academic Press, 2001 (ISBN 0-12-204840-7)
Gershenfeld,N. “The Nature of Mathematical Modelling”,
Cambridge University Press, 1999. (ISBN 0-521-57095-6)
Hobbie,R.K. “Intermediate Physics for Medicine and Biology” 3rd
Ed. Springer-Verlag, 1997 (ISBN 1-56396-458-9)
Jou,D.; Llebot,J.E. y Pérez García,C. “Física para Ciencias de la
Vida” McGrawHill / Interamericana, 1994 (ISBN 84-481-1817-0)
Montero,F. y Morán,F. “Biofísica: Procesos de Autoorganización
en Biología”, Eudema Universidad, 1992 (84-7754-099-3)
Parisi,M. “Temas de Biofísica”. McGrawHill /Interamericana, 2001
(ISBN 956-278-144-5)
Schulten, K. y Kosztin, I. “Lectures in Theoretical Biophysics”
Webster, J.G. “Bioinstrumentation”, 2001, en Internet:
http://courses.engr.wisc.edu/ecow/get/bme/310/webster/bme310b
ioi/
Mi frase predilecta:
“En la Ciencia no hay calzadas reales y quien aspire a
remontar sus luminosas cumbres debe estar dispuesto
a hacerlo por los senderos mas escabrosos”
Representación del organismo
humano mediante un sistema de
compartimientos
Glucólisis
Sistemas
Estabilidad de soluciones periódicas
y no periódicas
Trayectorias (1)
Representación de dos trayectorias de un sistema como soluciones de un
sistema de ecuaciones diferenciales
Trayectorias (2)
Dos soluciones desfasadas una de otra un tiempo .
Si una de las trayectorias es una solución del sistema de
ecuaciones diferenciales, entonces la otra también lo será.
Solución estable
(Según Lyapunov)
Una solución es estable si las soluciones que pasan por puntos infinitesimalmente
cercanos permanecen en los alrededores de la misma, incluso a tiempo infinito.
Solución inestable
Una solución será inestable si cualquier otra que pasa por un punto muy próximo
a ella se aleja de la misma.
Estabilidad asintótica
Una Solución es asintótica mente estable si cualquier otra que pasa por
un punto próximo se le aproxima a tiempo infinito.
Una solución es orbital mente asintótica mente estable si y sólo si su
órbita es asintótica mente estable.
1. Introducción
q Física, Química, Biología, Matemáticas,
Informática y Modelos.
q ¿Qué es Biofísica?
q Las unidades del Sistema Internacional
(SI) en las ciencias de la salud, según la
O.M.S.
Objetivos:
 Definir qué se entiende por Biofísica.
 Referenciar las unidades SI en las ciencias de la salud.
2. Biomecánica
q Estática. Momento de una fuerza.
q Elasticidad por flexión plana. Elasticidad por
torsión.
q Elasticidad en tubos.
q Tensión en la pared de los ventrículos.
q Elasticidad en vasos sanguíneos.
Objetivo:
 Explicar las características biomecánicas del cuerpo humano.
Dinámica
Leyes de Newton:
1. Ley de Inercia
2. Ley fundamental de la dinámica
3. Ley de acción y reacción
Las Fuerzas:
Interacciones fundamentales
• De largo alcance:
– Gravitatoria
– Electromagnética
• De muy corto alcance, por lo que sólo
actúan a nivel nuclear:
– Interacción fuerte
– Interacción débil
Las Fuerzas:
Derivadas
a) Fuerza elástica
b) Fuerza de fricción entre sólidos
c) Fuerza de resistencia de un fluido a baja
velocidad
ANALISIS POSTURAL DEL
ORGANISMO HUMANO
• Estabilidad del organismo humano.
• Correlación de fuerzas en el equilibrio.
• Análisis segmentario del organismo
humano.
Centro de Gravedad
Estabilidad
3. Conceptos básicos de la
Termodinámica clásica
q Ley cero: Termometría
q Primera Ley de la Termodinámica
q Transmisión del Calor
q Segunda Ley. Interpretación en sistemas no
aislados.
Objetivos:

Caracterizar los sistemas biológicos a partir de sus propiedades
termodinámicas.

Describir los conceptos de Entropía y Equilibrio en sistemas no
aislados.
4. Tensión Superficial y
Dinámica de fluidos
q Tensión superficial. Coeficiente. Ley de Laplace Young.
q Capilaridad. Ley de Jurin. Ley de Tate. Embolia
gaseosa.
q Ecuación de Bernouilli. Fenómeno de Venturi.
q Viscosidad cinemática. Bingham. Casson.
q Ley de Pouseuille - Hagen.
q Número de Reynolds. Flujo turbulento.
Objetivo:
 Explicar las leyes físicas que gobiernan los fluidos líquidos y gaseosos
dentro del cuerpo humano.
5. La Respiración
q
q
q
q
Volumen pulmonar.
Flujo pulmonar.
Difusión pulmonar.
Hipopresión e Hiperpresión.
Objetivo:
 Caracterizar y describir las leyes físicas que gobiernan la
respiración humana.
6. La Circulación Corporal
q Suspensiones de partículas en fluidos en
movimiento.
q Trabajo y rendimiento cardiacos.
q Gasto cardiaco. Ley de Fick.
q Flujo sanguíneo. Método Doppler-Fizzeau.
q Presión sanguínea. Método de Riva-Rocci.
Objetivos:

Caracterizar y describir las leyes físicas que regulan el proceso de la
circulación corporal.

Describir los principales métodos y técnicas para evaluar la
circulación corporal.
7. Bioelectricidad y
biomagnetismo.
Potencial creado por un dipolo.
Potencial creado por una hoja eléctrica.
Dipolo cardiaco equivalente.
Vectorcardiograma.
Electrocardiografía. Triángulo de Einthoven.
Electroencefalografía, Electro miografía y Electro
oculografía.
q Campos Magnéticos. Resonancia.
q
q
q
q
q
q
Objetivos:
 Describir el campo electromagnético de los sistemas biológicos.
 Caracterizar y explicar los principales biopotenciales generados por el cuerpo humano.
 Caracterizar y explicar el concepto de Resonancia Magnética.
8. Biofísica sensorial
q
q
q
q
q
Luz y Visión
Fuentes luminosas. Receptores luminosos.
Agudeza visual.
Decibelio y fon.
Oído externo, medio e interno. Fenómenos
de transducción.
Objetivo:

Caracterizar y explicar los elementos que integran los
sistemas de percepción visual y auditiva de los seres humanos.
9. Biofísica de las radiaciones
q Origen y clasificación de las radiaciones.
q Interacción con la materia.
q
Detección de las radiaciones ionizantes.
Dosimetría
q Radiaciones no ionizantes.
Objetivos:

Explicar las principales causas de exposición a radiaciones con que
nos encontramos los seres vivos.

Describir los efectos comprobados de las radiaciones a la salud.

Caracterizar y explicar las principales normas de seguridad para los
seres humanos relativas al uso médico de radiaciones.
10. Termodinámica de Procesos
Irreversibles
q
q
q
q
Hipótesis y Métodos.
Entropía.
Modelación de Sistemas biológicos
Caos
Objetivos:

Describir las diferencias esenciales entre la Termodinámica
de los Procesos Irreversibles y la Clásica.

Caracterizar y modelar sistemas biológicos.
Seminarios
1. Conducción del calor y Análisis de Fourier.
2. Digitalización de señales analógicas. Toma de muestras.
Teorema de Nyquist.
3. Análisis de señales bioeléctricas.
4. Análisis de electrocardiogramas (ECG) como función no
lineal.
5. Rescate de una señal repetitiva inmersa en ruido:
Electroencefalograma (EEG)
6. Potenciales evocados visuales y auditivos.
7. Análisis de funciones fisiológicas como fenómenos
caóticos.
Experiencias de Laboratorio 1
1: Medición de la viscosidad. Fórmula de Stokes. Ley
de Poiseuille.
Objetivo: Comprobar, mediante métodos de simulación, la conducta de
los fluidos: agua, alcohol, aceite, mercurio y glicerina.
2: Tensión superficial.
Objetivo: Comprobar, mediante métodos de simulación, las
características de interacción molecular en los fluidos: agua, alcohol,
aceite, benceno, petróleo y glicerina.
3: Interferencia y difracción.
Objetivo: Comprobar, mediante métodos de simulación, los patrones
característicos de interferencia y difracción para describir sustancias.
Experiencias de Laboratorio 2
4: Funciones diastólica y sistólica del corazón.
Gradientes de presión.
Objetivo: Comprobar, mediante métodos de simulación, la función de
bomba del corazón, así como la variación de la presión en dicho músculo
y en los grandes vasos.
5: Osciloscopio. Estudio y visualización de
Electrocardiogramas (ECGs) y
Electroencefalogramas (EEGs).
Objetivo: Comprobar las características de los dos biopotenciales
principales.
6: Electrocardiograma (ECG) dinámico no lineal y
Análisis tiempo-frecuencia.
Objetivo:
Comprobar
y
describir
las
características
del
Electrocardiograma de alta resolución y analizar el fenómeno de la
variabilidad R-R