- Docente: Rita Stagni
- Crediti formativi: 9
- SSD: ING-IND/34
- Lingua di insegnamento: Italiano
- Moduli: Rita Stagni (Modulo 1) Rita Stagni (Modulo 2) Emanuela Marcelli (Modulo 3)
- Modalità didattica: Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 1) Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 2) Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 3)
- Campus: Cesena
- Corso: Laurea Magistrale in Ingegneria biomedica (cod. 8198)
Conoscenze e abilità da conseguire
Al termine del corso, lo studente possiede le conoscenze necessarie alla modellazione meccanica di problemi biologici riguardanti il sistema muscolo-scheletrico e cardiocircolatorio e i principi di funzionamento e progettazione degli organi artificiali impiegati per il trattamento di pazienti con importanti disfunzioni di organo. In particolare, lo studente è in grado di identificare le grandezze di maggiore importanza ai fini della modellazione delle diverse strutture anatomiche dell'apparato muscolo-scheletrico e cardio-circolatorio e caratterizzarne il comportamento attraverso modelli matematici semplificati e di conoscere per gli organi artificiali le tecnologie impiegate, i materiali, le problematiche legate alle specificità del loro utilizzo e gli sviluppi futuri.
Contenuti
Richiami:
- Cosa è un modello
- Fondamenti di geometria
- Fondamenti di trigonometria
- Trasformazioni di coordinate
- Cinematica del punto materiale e del corpo rigido
- Meccanica del punto materiale e del corpo rigido
Deformazioni:
- Coordinate lagrangiane ed euleriane
- Deformazioni infinitesime di Cauchy
- Deformazioni ed assi principali (invarianti)
- Esempi
- Principio di Eulero-Cauchy
- Tensore delle deformazioni
- Equazioni di equilibrio indefinite
- Condizioni di equilibrio al contorno
- Trasformazioni di coordinate
- Tensioni ed assi principali
- Energia di deformazione
- Esempi
- Deformazione e velocità di deformazione (Equazioni di compatibilità)
- Equazione costitutiva (fluido non viscoso, fluido viscoso newtoniano, solido elastico lineare)
- Esempi (deflessione di una trave: dimostrazione)
- Lineare (Modelli Maxwell, Voight, Kelvin; Formulazione generale; Risposta di un corpo viscoelastico ad una sollecitazione armonica; Analogia elettrica)
- Non-lineare
- Quasi-lineare
- Risposta di un tessuto ad una generica storia di deformazione
- Uso dei modelli viscoelastici
- Fondamenti di fisiologia e morfologia
- Equazioni e modello di Hill
- Muscolo scheletrico: equazioni di base (modello a 3 elementi)
- Descrizione materiale e spaziale del moto di un mezzo continuo (derivata materiale)
- Equazione di continuità (Richiami: teorema di Gauss)
- Legge di Kirchoff
- Equazioni di Eulero del moto
- Equazioni di Navier Stokes per un fluido viscoso Newtoniano incomprimibile ed isotropo
- Esempi (moto di un fluido in un tubo circolare a pareti rigide e sezione variabile; bulbo pulsatile; flusso stazionario di un fluido incomprimibile in un canale orizzontale; flusso stazionario di un fluido incomprimibile in un tubo cilindrico orizzontale a pareti rigide)
- Numero di Reynolds
- Bilancio di energia
- Fondamenti di fisiologia e morfologia
- Moto laminare del sangue in un vaso cilindrico (Legge di Poiseuille)
- Fluidodinamica arteriosa (Modelli a parametri distribuiti e concentrati)
- Propagazione di un'onda elastica piana
- Fondamenti di fisiologia e morfologia
- Modelli del ventricolo sinistro
- Esempi (modello cilindrico del ventricolo: dimostrazione)
- Caratterizzazione del cuore pulsatile accoppiato al suo carico
- Legge di Starling
Organi artificiali
Funzioni fisiologiche sostituibili con organi artificiali.
Progetto e realizzazione di organi artificiali: ideazione,
brevettazione, prototipazione, sperimentazione animale,
sperimentazione clinica, marchiatura CE.
Biomateriali e ingegneria dei tessuti.
Sistemi per il trasferimento transcutaneo di energia a dispositivi
impiantabili attivi.
Cuore: macchina cuore-polmone, protesi valvolari cardiache, elettrostimolatori impiantabili, defibrillatori impiantabili, dispositivi di assistenza ventricolare, cuore artificiale totale.
Occhio: protesi visive impiantabili.
Orecchio: impianti nell'orecchio medio, impianti cocleari, impianti nel midollo allungato.
Rene: macchina per dialisi.
Fegato: sistemi di supporto epatico extracorporeo.
Polmone: sistemi artificiali.
ESERCITAZIONI:
- Campo di velocità in un bulbo pulsatine (Matlab)
- Introduzione all'utilizzo del pacchetto software MD-Solids (verifica di esercizi svolti su strutture reticolari e travi)
- Introduzione all'utilizzo del pacchetto software di simulazione meccanica ADAMS (esercizi introduttivi e applicazione alla biomeccanica del ginocchio)
- Introduzione all'utilizzo del software per FEA FEMLAB (esercizi applicativi per i moduli structural mechanics e fluidodynamics)
Testi/Bibliografia
E' disponibile il testo del corso curato dal docente, scaricabile in formato PDF nella sezione "Materiale didattico" della guida dello Studente
Testi per approfondimento:
- Yuan-Cheng Fung "A first course in continuum mechanics"
- Yuan-Cheng Fung "Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues"
- Yuan-Cheng Fung "Biomechanics: Circulation"
- Yuan-Cheng Fung "Biomechanics: Motion, Flow, Stress, and Growth"
Metodi didattici
Lezioni frontali, laboratorio informatico.
Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento
L'esame prevede un esercizio scritto, ed una prova orale.
La prova si propone di valutare le conoscenze teoriche dello
studente e le sue capacità di affrontare problemi di progettazione.
Vengono anche valutate le capacità di analisi e di sintesi, la
proprietà di linguaggio e la chiarezza dei concetti e
dell'esposizione.
Strumenti a supporto della didattica
Orario di ricevimento
Consulta il sito web di Rita Stagni
Consulta il sito web di Emanuela Marcelli