72552 - BIOMECCANICA E ORGANI ARTIFICIALI LM

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

Mezzi continui deformabili
Deformazioni:

• Coordinate lagrangiane ed euleriane
• Deformazioni infinitesime di Cauchy
• Deformazioni ed assi principali (invarianti)
• Esempi

Tensioni:

• 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

Equazioni costitutive:

• 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)

Viscoelasticità:

• 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

Il muscolo:

• Fondamenti di fisiologia e morfologia
• Equazioni e modello di Hill
• Muscolo scheletrico: equazioni di base (modello a 3 elementi)

Fluidodinamica:

• 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

Il sistema cardiocircolatorio:

• 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

Il muscolo cardiaco:

• 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