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 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

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/

Mi frase predilecta: ¡Muchas Gracias! “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!

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: Ley de Inercia Ley fundamental de la dinámica 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 Fuerza elástica Fuerza de fricción entre sólidos 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 Volumen pulmonar. q Flujo pulmonar. q  Difusión pulmonar. q  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. q  Potencial creado por un dipolo. q  Potencial creado por una hoja eléctrica. q  Dipolo cardiaco equivalente. q  Vectorcardiograma. q  Electrocardiografía. Triángulo de Einthoven. q Electroencefalografía, Electro miografía y Electro oculografía. q  Campos 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.

8. Biofísica sensorial q Luz y Visión q   Fuentes luminosas. Receptores luminosos. q   Agudeza visual. q   Decibelio y fon. q  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  Hipótesis y Métodos. q  Entropía. q  Modelación de Sistemas biológicos q  Caos Objetivos: ·      Describir las diferencias esenciales entre la Termodinámica de los Procesos Irreversibles y la Clásica. ·        Caracterizar y modelar sistemas biológicos.

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.

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