Universidad Pública de Navarra



Año Académico: 2018/2019 | Otros años:  2017/2018  |  2016/2017 
Máster Universitario en Ingeniería Biomédica por la Universidad Pública de Navarra
Código: 73301 Asignatura: Bioelectricidad
Créditos: 4.5 Tipo: Obligatoria Curso: 1 Periodo: 1º S
Departamento: Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación
Profesorado:
RODRIGUEZ FALCES, JAVIER (Resp)   [Tutorías ]

Partes de este texto:

 

Módulo/Materia

Bioelectricidad

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Descriptores

Bioelectricidad

Células excitables

Potencial de Acción

Potencial extracellular

Electromiografía

Electrocardiología

Electroencefalografía

Estimulación Eléctrica

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Competencias genéricas

CG2 - Que los estudiantes sean capaces de leer y comprender textos técnicos y científicos

CG3 - Que los estudiantes sean capaces de redactar trabajos o memorias técnicas

CB7 - Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio

CB8 - Que los estudiantes sean capaces de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios

CB9 - Que los estudiantes sepan comunicar sus conclusiones y los conocimientos y razones últimas que las sustentan a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades

CB10 - Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo

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Competencias específicas

CE3 - Que los alumnos conozcan el origen fisiológico y las leyes que regulan el comportamiento de los potenciales eléctricos celulares, el potencial de acción y los potenciales extracelulares en fibras nerviosas y musculares, y sepan aplicar estos conocimientos para analizar e interpretar señales fisiológicas reales o simuladas

CE4 - Que los alumnos sean capaces de registrar y extraer información útil de señales biomédicas de distinta naturaleza (EMG, ECG, EEG, etc.).

CE5 - Que los alumnos sean capaces de comprender y hacer uso de programas de simulación para estudiar las características de sistemas fisiológicos

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Resultados aprendizaje

+ Saber analizar problemas relacionados con la generación de potenciales bioeléctricos (potencial de acción) generados por las células en condiciones de reposo y de excitación.

+ Saber analizar problemas relacionados con la formación del potential extracelular debido a la propagación del potencial de acción a lo largo de la fibra muscular.

+ Saber interpretar conceptos bioeléctricos asociados a las mediciones en Electromiografía, Electrocardiografía, y Electroencefalografía.

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Metodología

ACTIVIDAD FORMATIVA HORAS PRESENCIALIDAD
A-1 Clases de aula 20 100
A-2 Prácticas de laboratorio 35 40
A-3 Realización de trabajos o proyectos 12 25
A-4 Asistencia a seminarios 1 100
A-5 Estudio y trabajo personal del estudiante 37.5 0
A-6 Asistencia a tutorías 2 100
A-7 Exámenes y pruebas de evaluación 2 100
A-8 Realización y presentación de posters 3 100

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Relación actividades formativas-competencias/resultados de aprendizaje

Competencia Actividad formativa
CG2 A-1, A-2, A-3, A-5
CG3 A-3, A-5, A-6, A-8
CB7 A-2, A-3, A-4, A-6; A-7, A-8
CB8 A-1, A-2, A-3, A-5; A-6, A-7, A-8
CB9 A-3, A-8
CB10 A-1, A-3, A-5,
CE3 A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A-7, A-8
CE4 A-1, A-2, A-3, A-5, A-6, A-7, A-8
CE5 A-2

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Idiomas

Castellano

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Evaluación

Resultado de aprendizaje Sistema de evaluación Peso (%) Carácter recuperable
R1, R2, R3 Pruebas globales de evaluación de conocimiento (examen tipo test, examen final, etc.) 25%  Si
R4, R5
Evaluación de prácticas (entrega de resultados, tests, etc.) 50%  Si
R1, R2, R3 Trabajos finales (memorias, presentaciones orales, etc.) 25%  Si

 

El examen teórico consistirá en un test que incluye preguntas de respuesta corta sobre las temáticas de la asignatura. Asimismo, se podrán incluir cuestiones acerca de las prácticas.

 

Se prevé la realización, por parte del alumnado, de un cuaderno de prácticas, consignando el trabajo realizado en cada una de ellas.

 

Se prevé la realización, por parte del alumnado, de un trabajo escrito relacionado con alguna de las propuestas indicadas en clase, y su exposición en público.

 

 

 

 

 

R4, R5

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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. Finalmente se abre un capítulo sobre otros tipos de señales bioeléctricas, tema que será preparado y expuesto por los alumnos, propiciando así el trabajo e indagación en temas nuevos, la elección de aquéllos de mayor interés del alumno y la preparación cuidada de la propia charla explicativa y de las transparencias utilizadas.

 

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.

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Temario

Tema 1. Introducción a la Bioelectricidad

Se describe el concepto de Bioelectricidad, su terminología, subdivisiones e historia. Se introduce brevemente el sistema neuromuscular, diferenciando los elementos pertenecientes al sistema nervioso central de los elementos del sistema periférico. También se describe la secuencia de eventos eléctricos que tiene lugar desde la generación de una orden voluntaria en el cerebro hasta la excitación de la membrana de la fibra muscular.

 

Tema 2. Células excitables

Se describe la anatomía y fisiología de las fibras nerviosas y musculares, la membrana celular y el potencial de acción. Se enfatiza la capacidad innata de las células nerviosas y musculares de ser ¿excitables¿ y se relaciona el concepto de ¿excitabilidad¿ con el concepto de ¿polarización¿ de la membrana. Se identifica la célula excitable con la fuente generadora de electricidad en el cuerpo y se recalca que la excitación de la célula da lugar a la generación de potenciales eléctricos medibles con electrodos.

 

Tema 3. 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 membrana de reposo con el concepto de polarización de membrana. Se describen las leyes matemáticas que cuantifican el potencial de membrana (ecuación de Nerst-Planck, ecuación de Goldman). Se presentan el modelado eléctrico de un trozo infinitesimal de membrana (modelo de conductancia en paralelo) y también el modelado electroestático de dicha membrana.

 

Tema 4. Potencial de membrana en activo: El potencial de acción

Se presentan las pruebas experimentales que propiciaron el descubrimiento y caracterización del potencial de acción. Se describen las técnicas utilizadas para el registro del 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+. Este tema tiene asociada una práctica de laboratorio en el que se estudia el modelo de potencial de acción de Hodgkin-Huxley mediante un programa de simulación ya desarrollado

 

Tema 5. Generación de potenciales extracelulares: propagación del potencial de acción

Se describe la formación del potencial extracelular como resultado de la propagación del potencial de acción por la fibra muscular. Se presentan tres modelos diferentes (pero complementarios) de generación del potencial extracelular (biofísico, electroestático, y convolucional). Se detallan las ecuaciones correspondientes al modelado convolucional del potencial extracelular en fibras excitables a partir de monopolos y dipolos. Este tema tiene asociada una práctica de laboratorio en el que se estudia el modelo de potencial de acción extracelular de fibra muscular basados en monopolos o dipolos a partir un programa de simulación ya desarrollado.

 

Tema 6. Electromiografía (EMG)

Se explica la generación de la señal electromiográfica (EMG), los principales métodos de registro y electrodos utilizados, el análisis cuantitativo de la señal EMG, el valor diagnóstico de la señal EMG, los problemas asociados a la interpretación de la señal EMG intramuscular y de superficie y sus aplicaciones más importantes. Este tema tiene asociadas dos prácticas de laboratorio. En la primera se estudian los potenciales de acción de unidad motora a partir de un programa de simulación. En la segunda se registra y analiza la señal EMG en diversas condiciones de contracción muscular utilizando instrumentación de registro específica (Biopac Student Lab).

 

Tema 7. Electrocardiografía (ECG)

Se describe en detalle el funcionamiento eléctrico del corazón haciendo énfasis en la propagación del impulso por sus diferentes cavidades (aurículas y ventrículos). Se explica el carácter autoexcitable de las nodos SA y AV del corazón, los mecanismos de redundancia del marcapasos, 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. Este tema tiene asociada una práctica de laboratorio en la que se registra y analiza la señal ECG en diversas condiciones fisiológicas utilizando instrumentación de registro específica (Biopac Student Lab).

 

Tema 8. Electroencefalografía (EEG)

Se explican las partes constituyentes del sistema nervioso central (las neuronas y su estructura, partes del cerebro, comunicación neuronal) y periférico (nervios motores y sensoriales, sistema autónomo y voluntario). Se detalla la generación de la señal electroencefalográfica (EEG) a partir de las neuronas piramidales y los potenciales post-sinápticos. También se hace uso de los conceptos de ángulo sólido y doble capa dipolar para modelar la generación de la actividad cerebral. Por último se explican los ritmos cerebrales, los sistemas de medida EEG, y métodos de filtrado y análisis de dicha señal, así como los potenciales evocados. Este tema tiene asociada una práctica de laboratorio en la que se registra y analiza la señal EEG en diversas condiciones fisiológicas utilizando instrumentación de registro específica (Biopac Student Lab).

 

 

 

 

 

 

CONTENIDOS DE LAS PRACTICAS DE LABORATORIO

 

Práctica 1. Modelos convolucionales de generación de potenciales extracelulares basados en monopolos y dipolos.

Temas abordados: 2 (Células excitables), 3 (Potencial de membrana en reposo), 4 (El potencial de acción) y sobre todo el 5 (Generación de potenciales extracelulares).

Objetivos:

1. Distinguir entre el potencial de acción intracelular y los potenciales extracelulares.

2. Conocer e interpretar correctamente los elementos 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 2. Efectos de los cambios en la forma y velocidad del potencial intracelular sobre el potencial extraceular son dependientes de la distancia radial.

Temas abordados: 2 (Células excitables), 3 (Potencial de membrana en reposo), 4 (El potencial de acción) y sobre todo el 5 (Generación de potenciales extracelulares).

Objetivos:

1. Entender la importancia de la extensión espacial del potencial intracelular y su comparación con las dimensiones de la fibra y las distancias fibra-electrodo.

2. Comprender que la generación de potenciales extracelulares es un problema espacial y no temporal.

3. Interpretar correctamente qué efecto tienen los cambios en la duración y velocidad del potencial intracelular a distintas distancias radiales en el potencial extracelular.

 

Práctica 3. Simulación de potenciales de fibra simple y potenciales de acción de unidad motora.

Temas abordados: 2 (Células excitables), 3 (Potencial de membrana en reposo), 4 (El potencial de acción) y sobre todo el 5 (Generación de potenciales extracelulares).

Objetivos:

En esta práctica se presenta una herramienta comercial para la simulación de potenciales de acción de fibra simple (PAFSs) y potenciales de acción de unidad motora (PAUMs) basados en el modelo convolucional del monopolo-dipolo visto en clase. La herramienta permite modificar fácilmente los parámetros de las fibras (posición y velocidad entre otros). El objetivo de la práctica 3 es analizar y comprender cómo influyen los cambios en los parámetros anatómicos, fisiológicos y estructurales de las fibras (y unidades motoras) en las características de los PAFSs y PAUMs resultantes

 

Práctica 4. Registro y análisis de señales electromiográficas

Temas abordados: 5 (Generación de potenciales extracelulares) y 6 (Electromiografía)

Objetivos:

En esta práctica se presenta una herramienta comercial para el registro y análisis de señales electromiográficas (EMG). La aplicación Biopac-Acknowledge contiene una práctica pre-definida que va guiando al alumno para que vaya adquiriendo distintas señales EMG del cuerpo. El alumno se familiariza con la naturaleza y registro de la señal EMG y comprende las limitaciones, precauciones, y elementos inteferentes (ruido, arterfacto, etc) inherente a la práctica de la electrofisiología.

 

Práctica 5. Registro y análisis de señales electrocardiográficas

Temas abordados: 6 (Generación de potenciales extracelulares) y 7 (electrocardiografía)

Objetivos:

En esta práctica se presenta una herramienta comercial para el registro y análisis de señales electrocardiográficas (ECG). La aplicación Biopac-Acknowledge contiene una práctica pre-definida que va guiando al alumno para que vaya adquiriendo distintas señales ECG del cuerpo. El alumno se familiariza con la naturaleza y registro de la señal ECG y comprende las limitaciones, precauciones, y elementos inteferentes (ruido, arterfacto, etc) inherente a la práctica de la electrofisiología.

 

Práctica 6. Registro y análisis de señales electroencefalográficas

Temas abordados: 6 (Generación de potenciales extracelulares) y 8 (electroencefalográfía)

Objetivos:

En esta práctica se presenta una herramienta comercial para el registro y análisis de señales electroencefalográficas (EEG). La aplicación Biopac-Acknowledge contiene una práctica pre-definida que va guiando al alumno para que vaya adquiriendo distintas señales EEG del cuerpo. El alumno se familiariza con la naturaleza y registro de la señal EEG y comprende las limitaciones, precauciones, y elementos inteferentes (ruido, arterfacto, etc) inherente a la práctica de la electrofisiología.

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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¿ (2 nd 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

behaviour¿ 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.

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Lugar de impartición

Aulario.

 

Laboratorio de Señales y sistemas

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