DEPARTAMENTO DE FÍSICA

 

Modelos Computacionais de Processos Fisiológicos - EB

Ano letivo: 2007-2008
Specification sheet

Specific details
course codecycle os studiesacademic semestercredits ECTSteaching language
1003661116pt


Learning goals
Actualmente as Ciências Biomédicas, com especial relevo a medicina, usam cada vez mais modelos matemáticos capazes de auxiliar a interpretação de dados fisiológicos, o que tem como consequência um enorme desenvolvimento nas próprias Ciências Biomédicas.
A capacidade do futuro Engenheiro Biomédico compreender uma função biológica sob o ponto de vista da engenharia e de ser capaz de a poder expressar deste modo, é uma mais valia em qualquer grupo que trabalhe nesta área. Assim, iremos fazer uma aproximação sistemática em material matemático, com dificuldade crescente, desde o cálculo, teoria matricial e equações diferenciais.
Ao longo de todo este processo de aprendizagem, cada aluno tomará conhecimento e utilizará linguagens computacionais adequadas para cada uma das tarefas propostas.

Consideramos como objectivos da disciplina de Modelos Computacionais de Processos Fisiológicos a nível de atitudes, capacidades e competências, os seguintes parâmetros:
- desenvolver a atitude de pesquisa metódica
- capacidade de análise e de síntese
- conhecimentos de informática
- capacidade para aprender
- capacidade de gestão de informação
- capacidade para gerar novas ideias (criatividade)
- capacidade de resolução de problemas
- capacidade para trabalhar em equipa interdisciplinar
- capacidade para comunicar com não especialistas
- aplicação dos conhecimentos básicos à profissão
Consideram-se objectivos a nível dos conhecimentos:
- conhecer e manipular programas computacionais
- conhecer as noções matemáticas relativas à teoria de sistemas
- conhecimento relativo aos processos fisiológicos que estão por detrás da função a estudar.
Syllabus
1. Sistemas fisiológicos.
1. O estudo de órgãos, funções e outros componentes dos seres vivos como sistemas. As simulações usadas para o seu estudo. Modelos e analogias. Os diversos tipos de modelos.
2. Linearidade e invariância no tempo. Estados estacionário e não estacionário.
3. Introdução de perturbações. O interesse dos modelos no estudo dos fluxos de matéria, energia e informação nos sistemas biológicos.
4. Resistência, capacidade e inércia como propriedades dos sistemas. Modelos de equações diferenciais. Função de transferência. Espaço de estados e trajectórias de fase.
5. Auto-regulação e controlo nos sistemas biológicos e fisiológicos. Realimentação.
6. Sistemas não-lineares em fisiologia. Comportamento caótico dos sistemas biológicos e fisiológicos.

2. Modelos da respiração.
1. Modelos funcionais. A difusão através da barreira alvéolo-capilar.
2. Modelos avançados do transporte gasoso. Medidas do caudal gasoso e volume pulmonar. Espirometria e pneumotacografia. Pletismografia. Avaliação funcional. Oximetria de impulso. Outras técnicas.

3. Modelos da circulação sanguínea.
1. Resistência hidrodinâmica. Complacência de um vaso elástico. Inertância de um líquido. A impedância dos vasos sanguíneos. Analogia com o RLC.
2. Modelos da circulação sanguínea em vasos elásticos.
3. Propagação da onda pulsatória nos vasos sanguíneos. O pulso. Medições de pressão, velocidade e caudal na circulação sanguínea humana.

4. Equilíbrio térmico no homem
1. Transporte do calor por difusão térmica (condução), convecção, convecção forçada e irradiação (Lei de Stephan).
2. Troca de calor por contracorrente. Trocas distribuídas Participação destes mecanismos no caso do homem.
3. Sistemas termoestáticos. Modelo simplificado do equilíbrio de temperatura interna do corpo. Homeotermia. Modelo com exsudação. Regimes transitórios. Papel da água na regulação térmica.

5. Potenciais eléctricos à superfície
1. Dipolos eléctricos.
2. Potencial criado por um dipolo eléctrico num ponto exterior. Membranas carregadas electricamente. Dupla camada eléctrica. Potencial criado por uma dupla camada num ponto P exterior. Potencial criado por fibras durante o período de despolarização. Dipolo fictício. Potenciais à superfície. Electrocardiograma.

6. Análise compartimental
1. Modelos determinísticos de um único compartimento. Modelos de dois compartimentos. Sistema aberto de dois compartimentos em série. Sistema mamilar aberto de dois compartimentos. Clarificação
2. Sistemas estocásticos. Traçadores, volumes e caudais em sistemas de distribuição. Função frequência dos tempos de trânsito. O princípio de Stewart-Hamilton. Sistemas de distribuição e o integral de convolução. Sistemas de distribuição em paralelo. Formas diferentes de injecção.
Prerequisites
- Fundamentos de Fisiologia I e II
- Álgebra Linear e Geometria Analítica
- Análise Matemática I
- Computadores e Programação
Generic skills to reach
. Competence in analysis and synthesis;
. Computer Skills for the scope of the study;
. Competence to solve problems;
. Critical thinking;
. Ethical commitment;
. Competence in oral and written communication;
. Using the internet as a communication medium and information source;
. Capacity of decision;
. Competence for working in group;
. Competence in applying theoretical knowledge in practice;
(by decreasing order of importance)
Teaching hours per semester
lectures25
laboratory classes40
seminar10
total of teaching hours75

Assessment
Laboratory or field work20 %
Synthesis work thesis30 %
Exam50 %

Bibliography of reference

Modeling and Simulation in Medicine and the Life Sciences, Frank C. Hoppensteadt, Charles S. Peskin, Springer, 2000.

Teaching method
A matéria da disciplina é leccionada em 25 horas teóricas (T) assistidas simultaneamente por todos os alunos, 40h práticas laboratoriais (PL), onde os alunos são divididos em 2 grupos, e 10 horas de seminários onde os alunos apresentam os resultados de trabalhos que lhe são atribuidos. Nas aulas teóricas a matéria é leccionada de forma expositiva, utilizando-se meios audiovisuais e o quadro. Nas aulas práticas laboratoriais, os alunos realizam trabalhos computacionais de simulação, onde terão que aplicar os conhecimentos aprendidos nas aulas teóricas. No Seminário são apresentados os resultados dos trabalhos realizados sobre um processo fisiológico sobre o qual cada aluno tem que chegar às equações que o traduzam, fazendo a respectiva simulação computacional.

As actividades de aprendizagem incluem o debate e o questionamento promovido essencialmente no decurso dos diversos tipos de aulas. A componente prática laboratorial é fundamental nesta disciplina pois coloca o aluno em situações reais relacionadas com a profissão. Sempre que acharem pertinente os alunos podem solicitar esclarecimentos de dúvidas de forma presencial ou por internet. Sempre que apropriado os docentes indicam links de internet para serem explorados.

Resources used

Laboratório computacional com Matlab e Simulink