| Fall 2007; BME 495 | Biomedical Mass Transfer | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Instructor: | Morris (Link to
homepage) |
Phone 274 1802 | email: emorris@iupui.edu | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Second Instuctor: | Ji | email: jji@iupui.edu |
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| TA | Normandin | email
mnormand@iupui.edu |
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| Room |
SL 216 |
Time |
TR, 1:30-2:45pm |
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| Weekly homework problems: | analytical
and numerical (e.g., with Matlab) |
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| Exams | Midterm and final (dates to be arranged) |
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| Quizes | Short,
periodic (announced and unannounced) |
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| Paper | Short analysis of a scientific paper that covers biomedical transport and uses a mathematical model |
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| Grading: | Homework
25%; Exams 2 X 25%; Paper: 10%; Quizes 5%; Class Participation: 10% |
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| Primary
Texts |
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| Basic
transport in Biomedical Engineering |
Fournier |
Taylor
& Francis |
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| Partial Differential Eqns for Scientists and Engineers |
Farlow |
Dover |
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| Transport
Phenomena In Biological Systems |
Truskey |
Pearson |
errata.doc (right click to download) |
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| Supplemental
Texts |
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| Mathematical
Models in Biology |
Edelstein-Keshet |
SIAM |
errata.pdf |
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| Link to BME 595 syllabus | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Link to (some) Transport papers | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Date | Lecture
topics |
Subtopics | Reading | More reading | Homework | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 23-Aug | 0 | What is diffusion? Diffusion as random walk. | Derivation
of diffusion in 1D from concept of random walk |
Edelstein-Keshet
p450; Truskey p 266-270 Edelstein-Keshet chapt 9, p404-5; Truskey ch 6.5 |
derive
diffusion equation from ramndom walk in 3dimensions. What is D
(diffusivity) in terms of tau and deltaX? HW1 details |
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| 1 | What is mass transfer. Why is heat transfer similar? | Examples of (biomedical) mass transfer: transport through artery wall, through other tissue, modeling of microdialysis proble; design of artifical kidney | Middleman
M&H Chap 1 Truskey Chap 1 |
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28-Aug |
2 | Mathematical warmup - Continuous models (ODEs) | growth of microorganisms, bacterial growth in a chemostat, formulating a model, dimensional analysis of the equations | Edelstein-Keshet chap 4-4.5 | HW 2: read Fournier Chap 1, and do problems 10, 12 from Chap 1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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30-Aug |
3 | Math warmup (cont) Solving engineering problems, Material Balances | Species balances, mass balances | Fournier chap 1.4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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4-Sept |
4 | Introduction to Diffusion | Derivation of conservation equation, conservation of mass, ID diffusion, anisotropic media | Middleman M&H Chap 2; Crank ch 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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4-Sept |
5 | Mathematical intro to PDEs and the diffusion equation | Farlow lesson 1 & 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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6-Sept |
6 | 1-D diffusion with variable cross-section | Fick's law in 1D, 2, 3. Gradient, DIvergence | Edelstein-Keshet
chap 9 Truskey 6.7.2 |
HW 3. Extend
derivation of diffusion in varying cross section to explain RADIAL
diffusion in spherical coordinates |
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| 11-Sept |
7 | Review
Fournier HW Boundary conditions Heat/mass anaologies |
Dirichlet
condition, Neuman condition |
Farlow
lesson 1 & 2 |
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13-Sept |
8 | Derivation of heat equation, conservation of heat | Incropera? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 9 | Separation of Variables, transforming nonhomgeneous BCs into homogeneous ones | Farlow lesson 5, 6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 10 | Diffusion-reaction equations | Danckwert's transformation | Crank chap 14; | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 11 | Diffusion-convection, attraction | chemotaxis | Edelstein-Keshet 9.8, 9.9 Laufenbuger ch 6 p302-318 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 12 | More math: how to transform a diffusion-convection equation into the diffusion eqn | Farlow lesson 8 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 13 | Laplace transforms | Farlow lesson 13 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 14 | Applications: mass transfer in the artery, design of artificial kidney | Patel Ch 10; Middleman chap 3.3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 15 | Transport through a membrane; properties of cell membranes | quasi-steady approximation | Truskey p 317; Fournier chap 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 16 | Michaelis-Menten kinetics | another use of the quasi-steady approximation | Edelstein-Keshet ch 7.2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 17 | Unsteady state mass transfer | sustained release drug delivery | Middleman M&H chap 4 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 18 | Diffusion with laminar convection 1 | artificial kidney | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 19 | Diffusion with laminar convection 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 20 | Diffusion with laminar convection 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 21 | Diffusive-convective
systems |
modeling arterial wall transport of proteins | Truskey
chap 7.1-7.3 |
Tedgui
and Lever Circ Res. 1985 Guide for reading paper |
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| 22 | Model of capillary transport; flow and exchange in the capllary bed | Krogh cyllinder' | Fournier chap 5; Jacquez chap 10; Truskey ch 13.5 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 23 | Transport of Ions | Nernst-Planck equation | Keyner and Sneyd p52-56, 83-89 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 24 | Compartmental models | Truskey chap 16 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 25 | Physiologically based pharmacokinetic models | Truskey chap 16 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 26 | Numerical Methods | Dynamic systems of ODEs, Euler, Runge-Kutta | Dunn chap 7, Farlow Lessons 37-40 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 27 | Numerical Methods 2 | Numerical Stability | Dunn chap 7, Farlow Lessons 37-40 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 28 | Numerical Methods 3 | Systems of PDEs, Finite Differences, computational models, implicit, explicit methods | Dunn chap 8 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 29 | Special
Topics 1 - Chemotaxis |
TBA | TBA | Lee,
Saidel, Penn Paper Study Guide for Lee et al. |
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| 30 | Special Topics 2 | TBA | TBA | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 31 | Special Topics 3 | TBA | TBA | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 32 | Special Topics 4 | TBA | TBA | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 33 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 34 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 35 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 36 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 37 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| site updated by EDM 6:30pm Sept 6. |
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