ITALIANO

L'insegnamento introduce nozioni e concetti di base propri della bioingegneria con particolare riferimento ai diversi ambiti e tipologie di applicazioni dell’ingegneria biomedica. Verranno presentati i principali sistemi fisiologici e la relativa modellazione ingegneristica. Inoltre, verranno analizzate diverse tipologie di strumentazione biomedica anche in relazione alla misurazione dei biopotenziali e di altri segnali biomedici notevoli.

Slide preparate dai docenti.
Biomedical Engineering Fundamentals. J. D. Bronzino, D. R. Peterson. CRC Press.
Fondamenti di Ingegneria Clinica Volume 1. F. P. Branca. Springer.
Medical Instrumentation. J. G. Webster, A. J. Nimunkar. Wiley.

Al termine del corso lo studente avrà acquisito un adeguato approccio e sensibilità alla disciplina, oltre ad una serie di metodologie analitiche e strumentali proprie dell’ingegneria applicate alla medicina, che gli consentiranno di analizzare e risolvere problematiche di interesse medico-biologico. Lo studente sarà in grado di comprendere ed utilizzare alcuni dei modelli matematici applicati ai principali sistemi fisiologici nell’ottica di ideare e/o progettare un esperimento o un dispositivo per l’identificazione di parametri di interesse per una data applicazione biomedica. Lo studente avrà, inoltre, acquisito una capacità di recepire gli spunti di aggiornamento ed approfondimento sulle novità tecniche che provengono dal settore della Bioingegneria, manifestando altresì la capacità di saper effettuare una ricerca in autonomia per contestualizzare ed approfondire le tematiche trattate. Lo studente sarà, infine, in grado di comprendere in modo critico anche i limiti di validità ed applicabilità in contesti reali dei modelli e degli strumenti oggetto di studio del corso.

Nessuno.

Lezioni frontali, seminari ed esercitazioni interattive.

La verifica dell’apprendimento è finalizzata a valutare la capacità dello studente di inquadrare, descrivere e manipolare i concetti di base della bioingegneria. La valutazione dipenderà dalla maturità acquisita sui contenuti del corso e si terrà conto della qualità dell’esposizione, in termini di utilizzo di linguaggio scientifico appropriato e dell’autonomia di giudizio dimostrata, e delle capacità teoriche e pratiche acquisite.

• Definizione degli ambiti di lavoro della bioingegneria. Le misure in campo biomedico. Definizione e classificazione dei segnali biomedici e tipologie di misure biomediche. Estrazione dei parametri di interesse biomedico. Schema generale di un sensore per uso biomedico. Classificazione dei sensori. Fonti di errore nelle misure biomediche.
• La bioingegneria della cellula. Cenni di teoria cellulare. Caratteristiche principali della membrana cellulare. L’analisi del potenziale di membrana. Equazione di Nernst e di Goldman. La pompa sodio-potassio. Il potenziale d’azione. Circuito elettrico equivalente della cellula.
• Prelievo di un segnale biologico. Condizioni ambientali per la registrazione. Elettrodi: Caratteristiche, posizionamento, connessioni. Circuito equivalente dell’elettrodo superficiale.
• Elementi di modellistica in fisiologia e medicina. Sistemi di controllo fisiologico. Differenze tra sistemi artificiali e biologici dal punto di vista ingegneristico. Esempi di applicazione dei modelli bioingegneristici. Analisi della connettività cerebrale. Analisi del movimento.
• Sistema nervoso: introduzione e generalità. Il neurone. Propagazione del potenziale d’azione. Proprietà delle cellule nervose e delle sinapsi. Curva intensità-durata ed applicazioni. Recettori. Sistema somato-sensoriale. Il processo di trasduzione. Esempi di recettori somatici.
• Il muscolo. Classificazione. Morfologia del muscolo scheletrico. Innervamento dei muscoli e contrazione. Differenti tipi di contrazione. Fusi muscolari. Arco riflesso. Caratteristiche meccaniche del muscolo e schema di principio. Diagrammi di tensione muscolare, velocità di accorciamento e forza. Controllo muscolare a feedback e controllo posturale.
• Sistema circolatorio. Introduzione e caratteristiche generali. Il cuore e il ciclo cardiaco. Generazione dell’impulso cardiaco e conduzione elettrica. Attività meccanica del cuore, relazioni pressione-volume. Controllo del cuore da parte del sistema nervoso autonomo.
• Sistema respiratorio. Introduzione. Elementi di fisiologia della respirazione. Comportamento meccanico dei polmoni. Grandezze fondamentali della meccanica polmonare, volumi, capacità polmonari. Modello del sistema polmoni-gabbia toracica.
• Il rilevamento dei potenziali cardiaci (ECG): la posizione degli elettrodi. Derivazioni monopolari di Wilson e aumentate. Derivazioni di Frank. Cenni di applicazioni diagnostiche. L’elettocardiografo. Analisi del segnale ECG nel dominio del tempo e della frequenza.
• Il rilevamento dei potenziali cerebrali (EEG). Potenziali spontanei e potenziali evocati. Posizionamento degli elettrodi: sistema 10-20. L’elettroencefalografo. Analisi del segnale EEG nel dominio del tempo e della frequenza.
• Il rilevamento dei potenziali muscolari (EMG). Elettromiografia di superficie. Unità motorie e Motor unit action potential (MUAP). Analisi del segnale EMG nel dominio del tempo e della frequenza.
• Elementi di sensoristica nelle misure biomediche. Rumore e artefatti nella registrazione dei segnali biomedici. Tecniche di trattamento dei segnali biomedici, filtraggio dei segnali biomedici. Sensori resistivi, capacitivi ed induttivi e loro utilizzo nell’ambito biomedico.
• Elementi di elettronica applicata alle misure biomediche. Amplificatori per uso biomedico. Accoppiamento fotonico. Trasformatore di isolamento.
• Principi di strumentazione biomedica. Pacemaker e defibrillatori. Misura di pressione e flusso del sangue. Pneumotacografo, pletismografo, macchine per anestesia e ventilatori polmonari. Elettrobisturi. Sistemi di misure biomediche ad ultrasuoni. Sistemi di misure biomediche basati su radiazioni elettromagnetiche.

Italian

The course introduces a series of notions and basic concepts specific to bioengineering with reference to the diverse fields and types of application in biomedical engineering. The main physiological systems and their engineering modelling will be presented. Moreover, different types of biomedical instrumentation will be analyzed also in relation to the measurement of biopotentials and other remarkable biomedical signals.

Slides from lecturers.
Biomedical Engineering Fundamentals. J. D. Bronzino, D. R. Peterson. CRC Press.
Fondamenti di Ingegneria Clinica Volume 1. F. P. Branca. Springer.
Medical Instrumentation. J. G. Webster, A. J. Nimunkar. Wiley.

At the end of the course the student will have acquired an adequate approach and awareness to the discipline, as well as a series of analytical and instrumental methodologies of engineering applied to medicine, that will allow it to analyze and solve issues of medical-biological interest. The student will be able to understand and use some of the mathematical models applied to the main physiological systems in order to devise and/or design an experiment or a device for the identification of parameters of interest for a given biomedical application. The student will also have acquired an ability to receive the cues for updating and deepening on the technical innovations that come from the field of Bioengineering, also demonstrating the ability to carry out research independently to contextualize and deepen the issues covered. Finally, the student will be able to critically understand the limits of validity and applicability in real contexts of the models and tools of the course.

None.

Frontal lectures, seminars and interactive sessions.

Verification of learning entails with assessment of the student's ability to correctly frame, describe and manipulate the basic concepts of bioengineering and related examples of applications. The assessment will focus on the degree of maturation reached by the student on the topics of the course and will consider the quality of the exposure, the appropriateness of scientific and technical language and the independence of judgment demonstrated, but also the theoretical and practical skills acquired.

• Definition of fields in bioengineering. Biomedical measures. Definition and classification of biomedical signals and types of biomedical measurements. Extraction of parameters and features of interest in biomedical applications. General scheme of a biomedical sensor. Classification of sensors. Sources of error and noise in biomedical measures.
• Bioengineering of the cell. Elements from cell theory. Main characteristics of the cell membrane. The analysis of the membrane potential. Nernst and Goldman equations. The sodium-potassium pump. The action potential. Equivalent electric circuit of the cell.
• Collection of biological signals and data. Environmental conditions for recording. Electrodes: Characteristics, positioning, connections. Equivalent circuit of the surface electrode.
• Physiological modeling in biomedicine. Physiological control systems. Differences between artificial and biological systems from an engineering point of view. Examples of applications of bioengineering models. Brain connectivity analysis. Motion and gait analysis.
• The Nervous System: introduction and general aspects. The neuron. Propagation of the action potential. Properties of nerve cells and synapses. Intensity-duration curve and applications. Receptors. The somato-sensory system. The transduction process. Examples of somatic receptors.
• The Muscle. Classification. Skeletal muscle morphology. Muscle innervation and contraction. Different types of contraction. Muscle spindles. Reflex arc. Mechanical characteristics of the muscle and scheme of principle. Diagrams of muscle tension, shortening speed and strength. Feedback muscle control and postural control.
• The Cardio-Circulatory System. Introduction and general characteristics. The heart and the cardiac cycle. Generation of cardiac pulse and electrical conduction. Mechanical activity of the heart, pressure-volume relationships. Control of the heart by the autonomic nervous system.
• The Respiratory System. Introduction. Elements of physiology of respiration. Mechanical behavior of the lungs. Fundamental physical quantities in lung biomechanics, volumes, lung capacities. Model of the lung-thoracic cage system.
• Detection of cardiac electrical potentials. Positioning of the electrodes. Wilson's monopolar and augmented derivations. Frank Derivations. Overview of diagnostic applications. Electrocardiography (ECG). Analysis of the ECG signal in the time and frequency domain.
• Detection of cerebral potentials. Spontaneous and evoked potentials. Positioning of the electrode: 10-20 system. Electroencephalography (EEG). Analysis of the EEG signal in the time and frequency domain.
• Detection of muscle potentials. Surface electromyography (sEMG). Motor units and Motor unit action potential (MUAP). Analysis of the EMG signal in the time and frequency domain.
• Biosensors. Noise and artifacts in the recording of biomedical signals. Processing and filtering of biomedical signals. Resistive, capacitive and inductive sensors and their use in the biomedical field.
• Basics of electronics applied to biomedical measurements. Biomedical Amplifiers. Photon-coupling. Isolation Transformer.
• Principles of biomedical instrumentation. Pacemakers and defibrillators. Measurement of blood pressure and flow. Pneumotachography, plethysmography, anesthesia machines and pulmonary ventilators. Electrosurgery. Ultrasound biomedical measurement systems. Biomedical measurement systems based on electromagnetic radiation.