Universidad Pública de Navarra - Nafarroako Univertsitate Publikoa
Universidad Pública de Navarra
| Código: 247302 | Asignatura: BIOSEÑALES | ||||
| Créditos: 6 | Tipo: Obligatoria | Curso: 3 | Periodo: 1º S | ||
| Departamento: Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación | |||||
| Profesorado: | |||||
| RODRIGUEZ FALCES, JAVIER (Resp) [Tutorías ] | CORERA ORZANCO, IÑIGO [Tutorías ] | ||||
Módulo/Materia
MODULO: Módulo de formación en ingeniería biomédica.
MATERIA: Instrumentación biomédica
Descripción/Contenidos
Esta asignatura estudia los fenómenos bioeléctricos en el cuerpo humano, contemplando sus fundamentos anatómicos y fisiológicos, su modelado matemático y las técnicas de análisis de estos fenómenos y su medición. Se hace un recorrido desde el origen de los potenciales eléctricos a nivel celular, donde se estudian los potenciales de membrana en reposo, la excitación subumbral y el potencial de acción, hasta su manifestación en órganos y sistemas complejos como el corazón (ECG), los músculos (EMG) y el cerebro (EEG). Estas señales conllevan interesante información sobre la estructura y funcionamiento del sistema que los ha generado, lo cual les concede un gran valor clínico. Aquí se introducen los principios básicos del análisis diagnóstico.
La asignatura se ubica en el primer semestre del master y tiene un carácter fundamental (comprende la descripción del conjunto de fenómenos eléctricos que tienen lugar en el sistema neuromuscular), constituyendo una pieza nuclear para la comprensión y seguimiento de las asignaturas que se imparten en paralelo en el mismo semestre (Instrumentación, Fisiopatología, Nanosensores, etc), así como otras asignaturas planificadas en semestres posteriores
Competencias genéricas
CG2 - Tener conocimientos básicos del uso y programación de los ordenadores, sistemas operativos, bases de datos y programas informáticos con aplicación en ingeniería.
CB2 - Que los estudiantes sepan aplicar sus conocimientos a su trabajo o vocación de una forma profesional y posean las competencias que suelen demostrarse por medio de la elaboración y defensa de argumentos y la resolución de problemas dentro de su área de estudio
CB4 - Que los estudiantes puedan transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no especializado
CB5 - Que los estudiantes hayan desarrollado aquellas habilidades de aprendizaje necesarias para emprender estudios posteriores con un alto grado de autonomía.
Competencias específicas
CE16 - Conocer el origen y comportamiento de los potenciales eléctricos en las células, órganos y sistemas del cuerpo humano
CE17 - Ser capaz de registrar y extraer información útil de señales biomédicas de distinta naturaleza
CE18 - Conocer los principios físicos y saber utilizar las técnicas y los instrumentos de medida empleados más habitualmente en la medición de magnitudes fisiológicas del cuerpo humano
Resultados aprendizaje
R1. Saber analizar problemas relacionados con la generación de potenciales bioeléctricos intra y extracelulares generados por las células excitables.
R2. Saber interpretar conceptos bioeléctricos asociados a las mediciones en Electromiografía, Electrocardiografía, y Electroencefalografía.
R3. Saber utilizar los sistemas de medida, sensores y electrodos en la ingeniería biomédica.
R4. Conocer los aspectos prácticos y saber utilizar las técnicas de registro de señales biomédicas en los campos de la Electromiografía, Electrocardiografía y Electroencefalografía y saber interpretar y extraer información útil (técnicas de análisis) de esas señales biomédicas
Evaluación
| Resultados de aprendizaje |
Actividad de evaluación |
Peso (%) | Carácter recuperable |
Nota mínima requerida |
|---|---|---|---|---|
| R1, R2, R3 | Prueba escrita que recoja los conceptos adquiridos | 60 | Si. Recuperable mediante prueba escrita | Nota mínima para que pondere en calificación final = 4/10 |
| R1, R2, R3 | Pruebas e informes de trabajo experimental | 40 | Si. Recuperable mediante repetición de la práctica | 4/10 |
Las pruebas escritas consistirán en exámenes que incluyen preguntas de respuesta corta sobre las temáticas de la asignatura. Asimismo, se podrán incluir cuestiones acerca de las prácticas.
Se tiene previsto completar 8 prácticas de laboratorio experimental. Por tanto, el alumno deberá realizar los correspondientes informes de trabajo experimental asociado a cada práctica.
Para promediar con el resto de calificaciones de la asignatura en cualquiera de sus convocatorias, es necesario obtener al menos 4 puntos en el examen final. En caso de no superar la asignatura en cualquiera de los períodos de evaluación, la nota final será promediada hasta un máximo de 4,9.
Temario
10. Temario
Tema 0. El sistema neuromuscular
Se describe el sistema nervioso, su taxonomía, terminología y subdivisiones. Se introduce el sistema neuromuscular, diferenciando los elementos pertenecientes al sistema nervioso central de los elementos del sistema musculo-esquelético. Se presenta la unidad motora como la unidad anatómica, funcional y estructural del músculo y como elemento puente-interfaz entre el sistema nervioso y el sistema musculo-esquelético. Por último se explica la estructura y organización del músculo y también los elementos que propician la excitabilidad y contractilidad de la fibra muscular.
Tema 1. Potencial de membrana en reposo
Se describen los principios electroquímicos que originan la aparición del potencial de membrana en reposo y se relaciona este potencial de reposo con el concepto de polarización de membrana. Se describen las leyes matemáticas que cuantifican el potencial de membrana (Potencial de Nerst-Planck). Se presenta el modelado eléctrico de un trozo infinitesimal de membrana (modelo de conductancia en paralelo) y se aplica para calcular el potencial de transmembrana. Se explica el mecanismo gracias al cual la membrana celular se mantiene polarizada (la bomba Na+-K+ electrogénica) y se enfatiza la importancia de la polarización de la membrana para garantizar su capacidad de excitación (excitabilidad).
Tema 2. Potencial de membrana en activo: El potencial de acción
Se resaltan las diferencias entre el comportamiento pasivo (reposo) y activo de la membrana celular. Se presentan los experimentos que propiciaron el descubrimiento del potencial de acción. Se describen las técnicas utilizadas para la medición de las corrientes iónicas asociadas al sodio y potasio que se generan durante el potencial de acción (métodos del ¿Space clamp¿ y del ¿Voltage clamp¿). Se presentan las ecuaciones de Hodgkin y Huxley para el modelado del potencial de acción. Se describe el concepto de transporte activo, también llamado bomba electrogénica Na+-K+.
Tema 3. Propagación del impulso
Se describe el modelado eléctrico de la fibra muscular para entender la propagación del potencial de acción en la dirección longitudinal de la fibra (¿Linear core-conductor model¿). También se describen las ecuaciones que permiten calcular la corriente que fluye en la dirección transversal de la fibra (corriente de transmembrana). Por último se explica el mecanismo que propicia la propagación longitudinal del potencial de acción (los fenómenos que tienen lugar para que ¿cada trozo de membrana excitada active/excite el trozo contiguo¿).
Tema 4. Conductor de volumen
Se plantea el concepto del ¿conductor de volumen¿ y su importancia para poder estudiar el potencial de acción y la corriente de transmembrana lejos (en la superficie de la piel) de la fuente generadora (fibra muscular), es decir, para poder medirlos ¿indirectamente¿. Se proporcionan varias interpretaciones complementarias del conductor de volumen, una basada en la ley de Ohm y la otra basada en las corrientes extracelulares. Se presenta el cuerpo como conductor de volumen y la capacidad conductora de las diferentes partes.
Tema 5. Fuentes generadoras de potencial
Se describen las fuentes generadoras más importantes, monopolos, dipolos y cuadrupolos, y los potenciales eléctricos generados por cada una de ellas. Se explica que la membrana celular se comporta como una doble capa dipolar y se explica el origen de los dipolos. Se modela el potencial de acción (su extensión espacial en la fibra) como una secuencia infinita de dipolos. Se explican el campo cercano y lejano asociado a dipolos y cuadrupolos.
Tema 6. Generación de potenciales extracelulares
Se describe la formación del potencial extracelular como resultado de la propagación del potencial de acción por la fibra muscular. Se presentan tres métodos/descripciones diferentes (pero complementarias) de la generación del potencial extracelular a partir del potencial intracelular. Dos de los descripciones son gráficas y cualitativas (una partiendo del potencial intracelular móvil y la otra con este potencial estático). La otra descripción es matemática y está basada en el concepto de convolución. Se detallan las ecuaciones correspondientes al modelado convolucional del potencial extracelular en fibras excitables a partir de monopolos y dipolos.
Tema 7. Electromiografía (EMG)
En primer lugar se presenta la unidad motora dentro del contexto del sistema neuromuscular. Posteriormente, se describe el potencial de unidad motora y los trenes de potencial de unidad motora que dan lugar la generación de la señal electromiográfica (EMG). También se describen los factores más importantes que influencian la señal EMG y que dificultan su interpretación. También se aprovecha este tema para introducir los ruidos y artefactos más comunes en electrofisiología. Se describen los criterios de diseño del amplificador de EMG y la configuración de electrodos. Por último, se describen las 2 técnicas de EMG más importantes, intramuscular y superficie, las ventajas y desventajas de cada técnica y sus aplicaciones más importantes.
Tema 8. Electrocardiografía (ECG)
Se describe primero el funcionamiento mecánico del corazón. Después, se aclara que la electrofisiología de las células cardiacas y musculares es muy similar, la única diferencia está en la duración del potencial de acción. Posteriormente, se describe en detalle el funcionamiento eléctrico del corazón haciendo énfasis en el sistema de conducción del impulso eléctrico por sus diferentes cavidades (aurículas y ventrículos). Se explica el carácter autoexcitable de los nodos SA y AV del corazón, los diferentes marcapasos fisiológicos, así como la sincronización de los eventos eléctricos y mecánicos. Se explica la generación de la señal ECG a partir del concepto de ¿vector guía¿, lo cual nos sirve para introducir las derivaciones estándar y posteriormente las derivaciones aumentadas y precordiales. También se presentan un análisis cuantitativo de la señal ECG y se enfatiza el valor diagnóstico dicha señal.
Tema 9. Electroencefalografía (EEG)
Se explican las partes constituyentes del sistema nervioso central y periférico. Se introduce la neurona y se describe su morfología, funciones y tipologías, haciendo énfasis en la neurona piramidal. También se describe el funcionamiento eléctrico de la neurona y los conceptos de potenciales postsinápticos excitatorios e inhibitorios. Después, se detalla la generación de la señal electroencefalográfica (EEG) a partir de las neuronas piramidales y los potenciales post-sinápticos. Se explican los ritmos cerebrales, los sistemas de registro y medida del EEG, así como los potenciales evocados. Se justifica que el dipolo es la fuente generadora de los potenciales corticales. Por último, se hace uso de los conceptos de ángulo sólido y doble capa dipolar para modelar la generación de la actividad cerebral.
Programa de prácticas experimentales
Práctica 1. Fuentes generadoras y su potencial en un conductor de volumen.
Objetivos: (1) Entender qué es un conductor de volumen y por qué es tan importante para registrar señales en el cuerpo; (2) Entender por qué la fuente generadora del corazón es un dipolo mientras que la del músculo es un cuadrupolo; (3) Saber deducir y representar el potencial que emana de dipolos y cuadrupolos; (4) Comprender los conceptos de campo cercano y lejano y apreciarlos en una situación real.
Práctica 2. Simulación de potenciales de fibra simple y de unidad motora.
Objetivos: En esta práctica se utiliza una aplicación software para la simulación de potenciales de acción de fibra simple y potenciales de unidad motora basados en los modelos vistos en clase. La herramienta permite seleccionar y modificar fácilmente los parámetros de las fibras (posición en la sección cruzada del músculo, diámetro, posición del punto de inervación) y la posición del electrodo. El alumno debe analizar y comprender cómo influyen los parámetros anatómicos, fisiológicos y geométricos de las fibras en el potencial registrado. También debe apreciar el efecto de la posición del electrodo en el potencial.
Práctica 3. Modelos convolucionales de generación de potenciales extracelulares basados en monopolos y dipolos.
Objetivos: (1) Distinguir entre el potencial de acción intracelular y los potenciales extracelulares; (2) Conocer los parámetros anatómicos y fisiológicos que intervienen en la generación de potenciales extracelulares; (3) Comprender los modelos convolucionales de potenciales extracelulares de fibra simple; (4) Apreciar las diferencias entre los modelos convolucionales basados en monopolos y dipolos.
Práctica 4. Relación fuerza-EMG. Efecto de diferentes tipos de contracción en el EMG.
Objetivos: (1) Conocer los factores que influyen en la amplitud de la señal EMG; (2) Comprender la relación entre la amplitud de EMG y Fuerza mecánica; (3) Conocer las contracciones concéntricas y excéntricas y su efecto en la señal EMG; (4) Conocer los movimientos pronadores y supinadores y su efecto en la señal EMG.
Práctica 5. Configuraciones de electrodos y su efecto en el EMG.
Objetivos: (1) Identificar las configuraciones de electrodos monopolar y bipolar. Rechazo al modo común. Crosstalk; (2) Conocer las ventajas e inconvenientes de las configuraciones monopolar y bipolar; (3) Comprender el efecto de la distancia-entre-electrodos en la señal EMG y ECG; (4) Comprender el efecto del electrodo de referencia: las configuraciones ipsilateral y contralateral.
Práctica 6. Ruido y artefactos en Electrofisiología.
Objetivos: (1) Entender el origen y naturaleza de las diferentes fuentes de ruido y artefactos; (2) Registrar los distintos ruidos y artefactos, evaluando sus características temporales y frecuenciales; (3) Identificar qué fuentes de ruido son más importantes; (4) Determinar cómo se puede maximizar y minimizar cada fuente de ruido y artefactos.
Práctica 7. Registro y análisis de señales electrocardiográficas.
Objetivos: (1) Familiarizarse con el electrocardiógrafo como herramienta para evaluar los eventos eléctricos del corazón; (2) Correlacionar los eventos eléctricos mostrados por el ECG con los eventos mecánicos que ocurren durante el ciclo cardiaco; (3) Observar los cambios en la frecuencia y en el ritmo del ECG, asociados a la posición y respiración.
Práctica 8. Registro y análisis de señales electroencefalográficas.
Objetivos: (1) Registrar el EEG de un sujeto en reposo y despierto con los ojos cerrados y abiertos; (2) Identificar y examinar los componentes de la señal EEG: las ondas/ritmos alfa, beta, delta y teta.
Bibliografía
Acceda a la bibliografía que el profesorado de la asignatura ha solicitado a la Biblioteca.
Textos básicos:
+ R. Plonsey, R.C. Barr, Bioelectricity. A quantitative approach (2nd Edition). Kluwer Academic. New York, 2000.
+ J. Malmivuo, R. Plonsey, Bioelectromagnetism. Oxford University Press. New York, 1995.
Otros textos complementarios:
+ S. Deutsch, A. Deutsch, Understanding the nervous system. An engineering perspective. IEEE Press. Piscateway (NJ), 1993.
+ E. R. Kendel, J. H. Schwartz, T. M. Hessell, Essentials of neural sciences and behavior Mc Graw-Hill. New York, 1995.
+ T. E. Bertorini, Clinical evaluation and diagnostic tests for neuromuscular disorders. Buterworth-Heinemann. Amsterdam, 2002.
+ A. C. Guyton, Anatomía y fisiología del sistema nervioso (2ª edición). Editorial Médica Panamericana. Madrid, 1994.
+ R. J. Huszar, Arritmias. Principios, interpretación y tratamientos (3ª edición). Elsevier Science. Madrid, 2002.
+ J. V. Basmajian, C. J. De Luca, Muscles Alive: Their Functions Revealed by Electromyography (5th edition). Williams & Wilkins. 1985.
+ P. Konrad, The ABC of EMG. A practical introduction to kinesiological electyromyograpy. Noraxon Inc, USA, 2005.
+ J. G. Webster, Design of cardiac pacemakers. IEEE Press, New York, 1995.
+ J. S Ebersole, T. A. Pedley. Current practice in clinical electroencephalography. (3rd edition). Iippincot Williams & Wilkins.