28725 - BIOINGEGNERIA T-1

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo Studente ha acquisito le conoscenze di base sui principali sistemi fisiologici; è in grado di formulare, anche attraverso esercitazioni di laboratorio, semplici modelli matematici di sistemi fisiologici (cardiovascolare, respiratorio, renale, metabolico, neuro-muscolo-scheletrico) e di validarli a partire da misure sperimentali; sarà in grado di affrontare un semplice processo diagnostico a partire dalla identificazione parametrica di tali modelli; ha acquisito i fondamenti sui principi di funzionamento e la progettazione di alcuni sistemi di supporto alla vita (defibrillatore, pacemaker, rene artificiale).

Contenuti

Il corso, a carattere introduttivo, illustra le metodologie di base dell’ingegneria biomedica e la loro applicazione allo studio dei principali sistemi fisiologici e alla diagnosi, terapia e riabilitazione.

Programma del corso:

MODULO 1

1. Introduzione

• Ingegneria Biomedica e Bioingegneria: metodologie, applicazioni, figure professionali.
• Richiami di biologia e fisiologia: dalle biomolecole alle cellule, ai tessuti, agli organismi.
• La pressione osmotica: scambi di liquidi ed elettroliti tra i compartimenti extracellulare ed intracellulare.
• Una visione unificante: i principi di conservazione e le equazioni di bilancio. Es. Bilancio di massa di un farmaco.
• I modelli matematici come strumenti per la validazione di ipotesi e per la diagnostica, terapia e riabilitazione.

2. Elementi propedeutici

• La regressione lineare: il metodo dei minimi quadrati. Esempi.
• Il linguaggio Matlab.
• Esercizi in laboratorio con l’uso di Matlab.

3. Il sistema cardio-circolatorio

• Viene presentato in termini fisico-matematici il sistema cardio-circolatorio, cioè il sistema con cui il nostro corpo trasporta materia, energia ed informazione.
• Il sangue. Proprietà fisiche: densità e viscosità.
• Il cuore: modello della pompa ventricolare e delle valvole.
• Il sistema circolatorio: modelli dei sistemi arterioso, venoso e della microcircolazione. Effetti resistivo, elastico ed inerziale.
• Modello pulsatile del sistema cardio-circolatorio.
• Modello ai valori medi.
• Esercizi in laboratorio con l’uso di Matlab.

4. Modelli a compartimenti

• Si presentano i fondamenti per la formulazione e l’uso dei modelli a compartimenti, strumenti in grado di descrivere il movimento di sostanze (nutrienti, farmaci, ecc.) all'interno del corpo umano.
• L’identificazione parametrica come strumento diagnostico.
• Esempi: reazione chimica, test di funzionalità epatica, test del glucosio.

5. Rene artificiale

• Il rene
• La dialisi renale: modello a compartimenti. Determinazione della dose dialitica. Il dializzatore: setting dei parametri di macchina.
• Elementi descrittivi e di progetto del rene artificiale.
• Laboratorio Matlab: simulazione a regime della sequenza di tre dialisi settimanali.

6. Elettrofisiologia

• Viene presentata in termini fisico-matematici la genesi dei potenziali bioelettrici, cioè i meccanismi con cui si generano importanti biopotenziali, quali il potenziale d'azione, l'elettrocardiogramma (ECG), l'elettroencefalogramma (EEG) e l’elettromiogramma (EMG).
• Vengono descritti alcuni fondamentali sistemi di supporto alla vita: il pacemaker, il defibrillatore cardiaco, i neurostimolatori.
• Progetto di massima di un defibrillatore.
• Esercitazione di laboratorio sul defibrillatore.
• Esercitazione sull’acquisizione di segnali bioelettrici: ECG, EEG, EMG.
• Alcuni esempi di elaborazione del segnale: filtraggio e analisi spettrale.

MODULO 2

7. Biomeccanica

• Vengono introdotte le basi della biomeccanica. I modelli esplorati sono quelli del punto materiale, del corpo rigido e della catena multisegmentale di corpi rigidi, per giungere a fornire gli elementi di conoscenza essenziali nell'analisi teorica e strumentale del movimento umano, nei suoi aspetti cinematici e dinamici.
• Vengono illustrate le principali apparecchiature per l’acquisizione della cinematica e della dinamica del movimento umano: stereo-fotogrammetria, dinamometria, elettromiografia, sensoristica indos-sabile.
• Verranno effettuate tre esercitazioni pratiche presso il Laboratorio di Analisi del Movimento. Queste avranno come obiettivi: 1) la valutazione dell’accuratezza e della precisione delle apparecchiature; 2) il richiamo di alcuni concetti base della meccanica del punto materiale e del corpo rigido (stima dell’accelerazione di gravità, pendolo composto); 3) la valutazione della cinematica del corpo durante l’esecuzione di semplici atti motori (cammino, alzata da una sedia, salto, postura ortostatica, ecc.); 4) la valutazione della dinamica mediante l’uso della pedana di forza e dell’elettromiografo; 5) l’uso di sensori indossabili per la stima della cinematica angolare. Ognuna delle tre esercitazioni porterà allo sviluppo di un progetto da parte di un gruppo di studenti.

Testi/Bibliografia

Biondi E. Introduzione all’Ingegneria Biomedica, Collana di Ingegneria Biomedica, 1997, Patron Editore.

Cappello A., Cappozzo A., Prampero P.E. Bioingegneria della postura e del movimento, Gruppo Nazionale di Bioingegneria, 2003, Patron Editore.

Cobelli C., Carson E. Introduzione alla modellistica in fisiologia e medicina, Collana di Ingegneria Biomedica, 2012, Patron Editore.

Metodi didattici

Il programma del corso è svolto in aula attraverso un ciclo di lezioni frontali. Il corso è integrato da alcune esercitazioni al calcolatore in ambiente Matlab e da tre esercitazioni pratiche relative alla biomeccanica e all'analisi del movimento umano. Il materiale didattico, costituito da copia dei file power point, dispense ed esercizi, è reso disponibile on line prima della lezione.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L’apprendimento sarà verificato attraverso una prova scritta contenente due esercizi e alcune domande a risposta multipla sulle parti 1-6 del programma. L’esame sarà completato con la presentazione e la discussione del progetto sulla parte 7 del programma.

Strumenti a supporto della didattica

Slide Power Point, videoproiettore, PC/laptop con Matlab, Laboratorio di Analisi del Movimento.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Angelo Cappello

Consulta il sito web di Silvia Fantozzi