Biofísica una ciencia básica en la Biomedicina

1. Biofísicauna ciencia básica en la Biomedicina Dr. Juan José Aranda Aboy Profesor e Investigador Titular

3. ¿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.

4. 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.

8. Propuesta de programa para la asignatura • Introducción • Biomecánica • Conceptos básicos de la Termodinámica clásica • Tensión Superficial y Dinámica de fluidos • La Respiración • La Circulación • Bioelectricidad y Biomagnetismo • Biofísica Sensorial • Biofísica de las Radiaciones • Termodinámica de Procesos Irreversibles

9. Bibliografía seleccionada • 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/bme310bioi/

10. 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” ¡Muchas Gracias!

11. Representación del organismo humano mediante un sistema de compartimientos

12. Glucólisis

13. Sistemas

14. Estabilidad de soluciones periódicas y no periódicas

15. Trayectorias (1) Representación de dos trayectorias de un sistema como soluciones de un sistema de ecuaciones diferenciales

16. 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.

17. 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.

18. Solución inestable Una solución será inestable si cualquier otra que pasa por un punto muy próximo a ella se aleja de la misma.

19. 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.

20. 1. Introducción qFísica, Química, Biología, Matemáticas, Informática y Modelos. q¿Qué es Biofísica? qLas 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.

21. 2. Biomecánica qEstática. Momento de una fuerza. qElasticidad por flexión plana. Elasticidad por torsión. qElasticidad en tubos. qTensión en la pared de los ventrículos. qElasticidad en vasos sanguíneos. Objetivo: ·Explicar las características biomecánicas del cuerpo humano.

22. Dinámica Leyes de Newton: • Ley de Inercia • Ley fundamental de la dinámica • Ley de acción y reacción

23. 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

24. Las Fuerzas:Derivadas • Fuerza elástica • Fuerza de fricción entre sólidos • Fuerza de resistencia de un fluido a baja velocidad

25. ANALISIS POSTURAL DEL ORGANISMO HUMANO • Estabilidad del organismo humano. • Correlación de fuerzas en el equilibrio. • Análisis segmentario del organismo humano.

26. Centro de Gravedad

27. Estabilidad

28. 3. Conceptos básicos de la Termodinámica clásica qLey cero: Termometría qPrimera Ley de la Termodinámica qTransmisión del Calor qSegunda 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.

29. 4. Tensión Superficial y Dinámica de fluidos qTensión superficial. Coeficiente. Ley de Laplace - Young. qCapilaridad. Ley de Jurin. Ley de Tate. Embolia gaseosa. qEcuación de Bernouilli. Fenómeno de Venturi. qViscosidad cinemática. Bingham. Casson. qLey de Pouseuille - Hagen. qNúmero de Reynolds. Flujo turbulento. Objetivo: ·Explicar las leyes físicas que gobiernan los fluidos líquidos y gaseosos dentro del cuerpo humano.

30. 5. La Respiración qVolumen pulmonar. qFlujo pulmonar. qDifusión pulmonar. qHipopresión e Hiperpresión. Objetivo: ·Caracterizar y describir las leyes físicas que gobiernan la respiración humana.

31. 6. La Circulación Corporal qSuspensiones de partículas en fluidos en movimiento. qTrabajo y rendimiento cardiacos. qGasto cardiaco. Ley de Fick. qFlujo sanguíneo. Método Doppler-Fizzeau. qPresión 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.

32. 7. Bioelectricidad y biomagnetismo. qPotencial creado por un dipolo. qPotencial creado por una hoja eléctrica. qDipolo cardiaco equivalente. qVectorcardiograma. qElectrocardiografía. Triángulo de Einthoven. qElectroencefalografía, Electro miografía y Electro oculografía. qCampos Magnéticos. Resonancia. 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.

33. 8. Biofísica sensorial qLuz y Visión qFuentes luminosas. Receptores luminosos. qAgudeza visual. qDecibelio y fon. qOído 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.

34. 9. Biofísica de las radiaciones qOrigen y clasificación de las radiaciones. qInteracción con la materia. qDetección de las radiaciones ionizantes. Dosimetría qRadiaciones 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.

35. 10. Termodinámica de Procesos Irreversibles qHipótesis y Métodos. qEntropía. qModelación de Sistemas biológicos qCaos Objetivos: ·Describir las diferencias esenciales entre la Termodinámica de los Procesos Irreversibles y la Clásica. ·Caracterizar y modelar sistemas biológicos.

36. Seminarios • Conducción del calor y Análisis de Fourier. • Digitalización de señales analógicas. Toma de muestras. Teorema de Nyquist. • Análisis de señales bioeléctricas. • Análisis de electrocardiogramas (ECG) como función no lineal. • Rescate de una señal repetitiva inmersa en ruido: Electroencefalograma (EEG) • Potenciales evocados visuales y auditivos. • Análisis de funciones fisiológicas como fenómenos caóticos.

37. Experiencias de Laboratorio1 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.

38. Experiencias de Laboratorio2 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