34811 - BIOINGEGNERIA DELLA RIABILITAZIONE LM

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente avrà acquisito le conoscenze di base per: - la valutazione quantitativa della funzione motoria - il progetto e l’impiego dei principali strumenti per la riabilitazione sensori-motoria - la selezione e la personalizzazione degli ausili.

Contenuti

Obiettivi

Gli studenti acquisiranno le conoscenze di base e gli strumenti essenziali per l'analisi e la progettazione dei più diffusi sistemi bioingegneristici per la valutazione funzionale, l'assistenza e la riabilitazione. In particolare, il corso si occuperà di introdurre o richiamare i seguenti elementi, letti in maniera unificante nella prospettiva della loro applicazione riabilitativa:
- proprietà psicometriche di base delle misurazioni delle funzioni corporee;
- strumenti più comuni per l'analisi dei dati statistici e la progettazione di esperimenti;
- fisiopatologia dei sistemi sensoriali, motori e cognitivi;
- strumenti per la valutazione quantitativa della funzione sensori-motoria e cognitiva;
- progettazione ed impiego degli strumenti più diffusi per la riabilitazione sensori-motoria e cognitiva;
- stato dell'arte, selezione e personalizzazione delle tecnologie assistive e norme per il loro utilizzo corretto e sicuro;
- disegno ed esecuzione di progetti di rilevanza industriale nel campo delle tecnologie di riabilitazione.

Contenuti

1) I paradigmi della riabilitazione. Modello biopsicosociale ICF. Principali determinanti dello spazio di riabilitazione: modelli teorici; Valutazione del risultato; Strumenti e paradigmi. Le sfide della bioingegneria della riabilitazione. Nuove tecnologie in riabilitazione: tendenze generali. Tecnologie abilitanti. L'invecchiamento della popolazione e l'active & healthy ageing.
2) Modelli teorici: neurofisiopatologia dei sistemi motori. Neuroplasticità. Il circuito di ricompensa. Neuroni specchio. Modelli neurocomputazionali dell'apprendimento motorio e del processo riabilitativo.
3) Richiami sugli strumenti statistici di base per l'analisi delle differenze tra gruppi e all'interno di gruppi. Statistiche campionarie e test delle ipotesi. Analisi della varianza. Correlazioni intraclasse. Relazioni tra variabili. Metodi di selezione delle features. Teoria della misura per le scienze biopsicosociali. Il ruolo delle misure strumentali in riabilitazione. Misure e rumore. Proprietà principali delle variabili di interesse clinico: Validità; Affidabilità; Sensibilità. Proprietà psicometriche delle più comuni scale utilizzate in riabilitazione.
4) Le problematiche connesse con la misura di funzioni corporee e comportamenti. Test funzionali e test di performance. Controllo dell'equilibrio: fisiopatologia, neurobiomeccanica, modelli, misure. Locomozione: fisiopatologia, neurobiomeccanica, modelli, misure. Funzioni cognitive: fisiopatologia, modelli, misure.
5) Il segnale EMG e la sua misura. Sensori inerziali per l'analisi del movimento umano. Principi di funzionamento, modelli matematici e problemi di calibrazione. Modello di filtro lineare e non lineare di Kalman per la fusione di dati da sensori. Mobile Health: elementi distintivi e principali applicazioni nella valutazione funzionale, in riabilitazione e nella medicina di precisione.
6) Ausili, protesi, ortesi e tecnologie riabilitative. Il paradigma del feedback aumentato: sistemi di biofeedback e neurofeedback. Sostituzione sensoriale. Architettura generale e dimensionamento di un sistema di biofeedback. Esempi e demo di sistemi di biofeedback basati su segnali sEMG, di equilibrio, di locomozione, HRV, EEG. Risposte multisensoriali. Progettazione di esperimenti per la validazione di sistemi a biofeedback. Realtà virtuale in riabilitazione. Brain-Machine-Interfaces. La stimolazione elettrica funzionale. Esoscheletri robotici. Domotica e teleriabilitazione.

Testi/Bibliografia

Materiali forniti dal docente

A. Cappello, A. Cappozzo, P.E. di Prampero (Eds.), Bioingegneria della Postura e del Movimento, Patron Editore, Bologna, 2003.

D. Popovic, T. Sinkjaer, Control of Movement for the Physically Disabled, Sprinter-Verlag, London, 2000.

J. Thomas, J. Nelson, S. Silverman, Research Methods in Physical Activity-7th Edition, Human Kinetics, 2015.

Metodi didattici

Durante le lezioni vengono presentati e discussi i problemi generali relativi alla progettazione, allo sviluppo e all'analisi di sistemi bioingegneristici per la riabilitazione sensori-motoria e cognitiva.
Il corso sarà completato da sessioni sperimentali di misura condotte presso il Laboratorio di Ingegneria Biomedica, dalla soluzione di problemi in ambiente Matlab e da vari seminari specialistici. Una parte significativa del corso sarà poi dedicata ad attività progettuale condotta per gruppi, che permetterà agli studenti di trasporre i contenuti teorici visti a lezione in un'esperienza sperimentale condotta da protagonisti, con la supervisione di un tutor.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Il processo di apprendimento sarà valutato:
1) durante le lezioni, tramite Q&A, attività ed esercizi settimanali risolti dal docente interagendo con gli studenti;
2) in laboratorio, mediante la soluzione di esercizi pratici in ambiente Matlab;
3) mediante progetti condotti per gruppi (obbligatori);
4) mediante l'esame finale (prova scritta e presentazione orale dei progetti).

La prova scritta riguarderà la soluzione di 3 esercizi e la risposta a 3 domande di teoria a scelta multipla.

Il voto finale sarà la media delle valutazioni ottenute nello scritto e nella presentazione del progetto.

Strumenti a supporto della didattica

Slide Power Point

1 sistema Stereo-fotogrammetrico (6 TC)

2 pedane di forza

1 sistema EMG wireless multicanale

1 sistema EEG

Sensori inerziali indossabili (IMU)

Dispositivi mobili (smartphone/smartwatch)

PC con Matlab

Altri materiali necessari per l'implementazione dei progetti

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Lorenzo Chiari