Bioingegneria è un campo interdisciplinare che riunisce modelli e metodi di biologia , medicina e più campi dell’ingegneria , tra cui meccanica , elettrica e chimica . Il campo è fortemente focalizzata sulla salute umana; per esempio , bioingegneri lavorano sulla creazione di nuovi materiali e metodi per sostenere la guarigione . Bioingegneri si applicano anche le loro competenze per la sostenibilità ambientale , come la creazione di nuovi ceppi di batteri che possono generare energia . Questo lavoro richiede bioingegneri di usare modelli matematici di sistemi reali , e questi modelli comportano di frequente calcolo . Usi di Calcolo

Una funzione importante di calcolo è risolvere i problemi in cui si conoscono i valori iniziali delle variabili e tassi di cambiamento di tali variabili , chiamato i derivati ​​, ma si vuole veramente conoscere la finale valori . Equazioni che coinvolgono le funzioni delle variabili e dei loro derivati ​​si chiamano equazioni differenziali , e risolverli , spesso comporta integrali , che sono una specie di somma . Ci sono due principali classi di equazioni differenziali : equazioni differenziali ordinarie , per quando ci sono due variabili , e le equazioni differenziali alle derivate parziali , per quando ci sono più . Equazioni differenziali alle derivate parziali possono modellare sistemi che si evolvono nel tempo e nello spazio . Un altro importante utilizzo di calcolo è trovare configurazioni ottimali di un sistema . Alla ricerca della migliore configurazione si chiama ottimizzazione .

Scienza dei Materiali

materiali di design bioingegneri e dispositivi utilizzati in applicazioni biomediche , come organi artificiali . I modelli matematici che descrivono come oggetti fatti di materiali particolari rispondere allo stress e sull’uso di ceppo equazioni differenziali alle derivate parziali . A volte , soluzioni per versioni semplici di queste equazioni possono essere usate come guide nelle prime parti del disegno . Alla fine , il modello completo è risolto in un computer utilizzando metodi basati sul calcolo , e gli ingegneri possono utilizzare di nuovo il calcolo seguito per ottimizzare la funzionalità o il design .

Elettronica

dispositivi biomedici coinvolgono frequentemente controlli elettronici , e calcolo è lo strumento principale per l’analisi dei circuiti elettronici e segnali in questi controlli . L’elaborazione dei segnali , in particolare , utilizza integrali chiamato la trasformata di Laplace e trasformata di Fourier . Bioingegneri si occupano di come i segnali elettrici propagarsi nello spazio e nel tempo; per esempio , lo studio di come i segnali elettrici si propagano attraverso i tessuti del cuore può aiutare a prevedere , prevenire e curare gli attacchi di cuore . I modelli dei segnali elettrici nel cuore si basano su equazioni differenziali alle derivate parziali , come le equazioni di Maxwell .

Chimica

Ingegneria chimica è una componente importante di bioingegneria . Un bioingegnere può essere lo sviluppo di un nuovo processo chimico per produrre un materiale per aiutare a guarire le ferite , mentre un altro potrebbe essere l’analisi di un percorso chimico in una colonia di cellule per capire meglio come controllare la sua crescita . Prevedere e comprendere l’evoluzione di tali sistemi complessi di reazioni comporta l’applicazione di cinetica chimica equazioni basate sulla velocità di reazione . Si tratta di equazioni differenziali ordinarie , che possono essere risolte analiticamente ( con carta e matita ) o numericamente su un computer. In una colonia di cellule , reazioni chimiche interagiscono tra loro a tassi diversi in diversi punti dello spazio . Diffusione trasporta sostanze chimiche da un punto ad un altro , modificando la loro concentrazione . Equazioni differenziali alle derivate parziali sono utilizzati per modellare questi sistemi .

Fluid Dynamics

La biologia è pieno di sistemi che scorrono . Il flusso del fluido è governato da un insieme di equazioni differenziali alle derivate parziali chiamati equazioni di Navier – Stokes . L’ingegneria tissutale cerca di riprodurre dei tessuti, come le arterie e le vene utilizzando materiali sintetici o anche cellule viventi . Risolvere le equazioni di Navier – Stokes aiuta a determinare la pressione , portata e altre caratteristiche . Inoltre , dispositivi biomedici spesso comportano flusso del fluido. Ad esempio , un dispositivo può essere progettato per muoversi con precisione singole celle o pacchetti nanoscopiche di sostanze chimiche da un luogo all’altro attraverso reti di canali minuscoli . Questo si chiama microfluidica . Risolvere le equazioni di Navier – Stokes per i diversi canali di forma aiuta gli scienziati a capire i requisiti di progettazione di sistemi microfluidici .

Computer Simulation

Quasi ogni aspetto della bioingegneria comporta simulazioni al computer per risolvere i modelli matematici . Diversi modi per risolvere i problemi di un computer sono chiamati metodi numerici , e la maggior parte di questi metodi implicano calcolo nella loro stessa progettazione .