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Academic Year/course: 2023/24

633 - Master's Degree in Biomedical Engineering

69716 - Models and systems of physiological control


Syllabus Information

Academic year:
2023/24
Subject:
69716 - Models and systems of physiological control
Faculty / School:
110 - Escuela de Ingeniería y Arquitectura
Degree:
633 - Master's Degree in Biomedical Engineering
ECTS:
3.0
Year:
1
Semester:
Second semester
Subject type:
Optional
Module:
---

1. General information

The first part of the subject will review the fundamentals of modelling dynamic systems by means of differential equations and the transfer function. The basic techniques for the analysis of dynamical systems based on the models presented will be discussed: first, second and higher order systems, and the place of the roots. Subsequently, control techniques for dynamic systems are studied. These aspects will be applied to simple models of different physiological systems. In the second part, the above techniques will be applied to several real case studies with more complex models, mainly to the cardiovascular and respiratory systems. The above techniques will be studied with the support of simulation, analysis and design tools for dynamic systems.

The Sustainable Development Goals are: Goal 4, Objective 4.4; Goal 9, Objective 9.5.

2. Learning results

  • To be able to build simple models of physiological systems (cardiovascular, respiratory, musculoskeletal, autonomic nervous, glucose-insulin, artificial pancreas).
  • To be able to analyse them with the general techniques of continuous systems analysis, relating their behaviour to the specific physiological system in question and to possible pathologies.
  • To be able to interpret the influence of the variation of model parameters and relate it to the real physiological system´s behaviour variation.
  • To be able to design simple artificial controllers for physiological parameter control.
  • To be able to simulate simple models of physiological systems.
  • To be able to understand and analyse the physiological control mechanisms of the body and relate them to learned system control mechanisms.
  • To be able to understand the functioning and necessity of the control mechanisms that regulate the body's internal homeostasis in the face of certain perturbations.

3. Syllabus

1.Basic concepts of systems modelling and control.

  • 1.1 Basic concepts of signals and systems. Dynamic and physiological systems.
  • 1.2 Modelling of dynamic systems. Transfer function. Block diagrams. Analogies, linearization. Examples.
  • 1.3 Time domain analysis of dynamical systems. Transitory regime and permanent regime. Stability. Examples.
  • 1.4 Frequency domain analysis. Frequency transfer function. Bode diagrams. Examples.
  • 1.5 Basic control concepts and techniques. Examples.

Physiological systems and applications.

  • 2.1 Cardiovascular control system. Cardiac output. Model of regulation of cardiac output and heart rate.
  • 2.2 Respiratory control system. Obstructive sleep apnoea.

4. Academic activities

Lectures: sessions where the professor will explain the subject´s topics: 15 hours.


Problems and cases: sessions to solve exercises and practical cases proposed by the teacher: 6 hours


Laboratory practice: practical sessions in the laboratory: 9 hours


Study of the subject, assignments:
42 hours


Assessment tests:
3 hours

5. Assessment system

 -Exam(30% of the grade, minimum 5 out of 10).

-Assignments and evaluable activities (30% of the grade). The evaluation of the work will be based on the report submitted.

-Laboratory practices (30% of the grade). The assessment of the practical sessions will be done through the reports presented, as well as the work done in the laboratory.

-Oral presentations(10% of the grade). Presentation of results of work and practical exercises and answering questions about them.

In order to pass the subject, the 4 evaluation activities must be completed.

-Global test (official examinations, 100% of the grade, minimum 5 out of 10). The overall test includes:

 -Exam (40% of the grade, minimum 5 out of 10). It will contain questions related to theoretical contents, case studies and laboratory practices.

-Assignments and evaluable activities (30% of the grade). The evaluation of the work will be based on the report submitted.

-Laboratory practices (30% of the grade). The evaluation of the practical sessions will be based on the report submitted.


Curso Académico: 2023/24

633 - Máster Universitario en Ingeniería Biomédica

69716 - Modelos y sistemas de control fisiológico


Información del Plan Docente

Año académico:
2023/24
Asignatura:
69716 - Modelos y sistemas de control fisiológico
Centro académico:
110 - Escuela de Ingeniería y Arquitectura
Titulación:
633 - Máster Universitario en Ingeniería Biomédica
Créditos:
3.0
Curso:
1
Periodo de impartición:
Segundo semestre
Clase de asignatura:
Optativa
Materia:
---

1. Información básica de la asignatura

En la primera parte de la asignatura se revisarán los fundamentos del modelado de sistemas dinámicos mediante ecuaciones diferenciales y la función de transferencia. Se abordarán las técnicas básicas de análisis de sistemas dinámicos basadas en los modelos presentados: sistemas de primer, segundo orden y sistemas de orden superior, y el lugar de las raíces. Posteriormente se estudian técnicas de control de sistemas dinámicos. Estos aspectos se aplicarán a modelos sencillos de diferentes sistemas fisiológicos. En la segunda parte, las técnicas anteriores se aplicarán a diversos casos de estudio reales con modelos más complejos, principalmente al sistema cardiovascular y el respiratorio. Las técnicas anteriores se estudiarán con el apoyo de herramientas de simulación, análisis y diseño de sistemas dinámicos.

Los Objetivos de Desarrollo Sostenible son: Objetivo4, Meta 4.4; Objetivo 9, Meta 9.5.

2. Resultados de aprendizaje

  • Ser capaz de realizar modelos sencillos de sistemas fisiológicos (cardiovascular, respiratorio, musculo-esquelético, nervioso autónomo, glucosa-insulina, páncreas artificial)
  • Ser capaz de analizarlos con las técnicas generales de análisis de sistemas continuos, relacionando su comportamiento con el sistema fisiológico concreto de que se trate y con posibles patologías.
  • Ser capaz de interpretar la influencia de la variación de parámetros del modelo y relacionarla con la variación del comportamiento del sistema fisiológico real.
  • Ser capaz de diseñar controladores artificiales sencillos para control de parámetros fisiológicos.
  • Ser capaz de simular modelos sencillos de sistemas fisiológicos.
  • Ser capaz de comprender y analizar los mecanismos de control fisiológico del cuerpo y relacionarlos con los mecanismos de control de sistemas aprendidos.
  • Ser capaz de comprender el funcionamiento y necesidad de los mecanismos de control que regulan la homeostasis interna del cuerpo ante determinadas perturbaciones.

3. Programa de la asignatura

1.Conceptos básicos de modelado y control de sistemas.

  • 1.1  Conceptos básicos de señales y sistemas. Sistemas dinámicos  y fisiológicos.
  • 1.2  Modelado de sistemas dinámicos. Función de Transferencia. Diagramas de bloques. Analogías.  Linealización. Ejemplos.
  • 1.3  Análisis en el dominio temporal de sistemas dinámicos. Régimen transitorio y régimen permanente. Estabilidad. Ejemplos.
  • 1.4    Análisis en el dominio frecuencial. Función de transferencia frecuencial. Diagramas de Bode. Ejemplos.
  • 1.5  Conceptos y técnicas básicos de control. Ejemplos.

2.  Sistemas fisiológicos y aplicaciones.

  • 2.1  Sistema de control cardiovascular. Gasto cardíaco. Modelo de regulación del gasto y del ritmo cardíaco.
  • 2.2  Sistema de control respiratorio. Apnea obstructiva del sueño.

 

4. Actividades académicas

Clases magistrales: sesiones con el profesor en las que se explicará el temario de la asignatura: 15 horas


Problemas y casos: sesiones de resolución de ejercicios y casos prácticos planteados por el profesor: 6 horas


Prácticas de laboratorio: sesiones prácticas en el laboratorio: 9 horas


Estudio de la materia, trabajos: 42 horas


Pruebas de evaluación: 3 horas

5. Sistema de evaluación

 - Examen (30% de la nota, mínimo 5 sobre 10).

- Trabajos y actividades evaluables (30% de la nota). La evaluación de los trabajos se realizará a través de la memoria presentada.

- Prácticas de laboratorio (30% de la nota). La evaluación de las prácticas se realizará a través de la memoria de las mismas y del trabajo realizado en el laboratorio.

- Presentaciones orales (10% de la nota). Presentación de resultados de ejercicios trabajos y prácticas y contestación de preguntas sobre los mismos.

Para aprobar la asignatura se deberán realizar las 4 actividades de evaluación.

- Prueba global (convocatorias oficiales, 100% de la nota, mínimo 5 sobre 10). La prueba global incluye:

 - Examen (40% de la nota, mínimo 5 sobre 10). Contendrá cuestiones relativas a los contenidos teóricos, casos de estudio y prácticas de laboratorio.

- Trabajos y actividades evaluables (30% de la nota). La evaluación de los trabajos se realizará a través de la memoria presentada.

- Prácticas de laboratorio (30% de la nota). La evaluación de las prácticas se realizará a través de la memoria presentada.