1 GRUPPO DI BIOINGEGNERIA. 2 RICERCHE PRESENTATE 1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci 2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali

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GRUPPO DI GRUPPO DI BIOINGEGNERIABIOINGEGNERIA

2

RICERCHE PRESENTATERICERCHE PRESENTATE

1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci

2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche

3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia

4. Riabilitazione e funzione motoria

5. Information & Communication Technology nella Sanità

3

BIOMEDICAL ENGINEERINGBIOMEDICAL ENGINEERING

http://www.whitaker.org

Dal 1975, oltre 575 milioni di dollari per promuovere didattica e ricerca in Bioingegneria.

Biomedical engineering is a discipline that advances knowledge in engineering, biology and medicine, and improves human health through cross-disciplinary activities that integrate the engineering sciences with the biomedical sciences and clinical practice.

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DIDATTICADIDATTICA

FONTE: http://www.whitaker.org/glance/programs.html

STATI UNITI

0102030405060708090

BS MS PhD

Anno 1994

Anno 2002

ITALIA

0

2

4

6

8

10

12

DU o LAUREATRIENNALE

LAUREAQUINQ.

DOTTORATOIN BIOING.

Anno 1994

Anno 2002

NUMERO DEI PROGRAMMI DI I°, II°, III° LIVELLO IN BIOINGEGNERIA

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1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci

2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche




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1. MODELLI PER LO STUDIO DELLA 1. MODELLI PER LO STUDIO DELLA CINETICA DI FARMACICINETICA DI FARMACI

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POOL

ACCESSIBILE

MISURE

SISTEMA FISIOLOGICO

?

Assorbimento, trasporto, utilizzazionedel farmaco.Masse negli organi e nei tessuti

PROBLEMA: SISTEMI COMPLESSI E SITI INACCESSIBILI IN VIVO

•Modelli black-box•Modelli strutturali

...

8

DeconvoluzioneDeconvoluzione

INGRESSO

Concentrazione nel plasma

SISTEMAUSCITA

INGRESSOSISTEMA

Assorbimento

?

DIFFICILE IN GENERALE: mal-condizionamentoIN PIU’: campionamento rado/non uniforme, segnali non stazionari, intervalli di confidenza importanti, vincoli fisiologici, risposta impulsiva solo parzialmente nota, ...

STIMA DI FLUSSI

Enti finanziatori: MIUR-COFIN 2000

9

DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE WINSTODEC

Enti finanziatori: GlaxoSmithKline (Middlesex, UK)

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Stima parametricaStima parametrica

INFORMAZIONE A PRIORI E STIMA ALLA BAYES (MCMC)

Campioni radi/rumorosi, intervalli di confidenza importanti per classificazione, vincoli sui parametri, ..

Identificabilità a PrioriIdentificabilità a Priori

COMPUTER ALGEBRA e ALGEBRA DIFFERENZIALE

Complesse relazioni non lineari fra i parametri

POOLACCESSIBILE

MISURE

SISTEMA FISIOLOGICO

?

Assorbimento, trasporto, utilizzazionedel farmaco.Masse negli organi e nei tessuti

...

POOLACCESSIBILE

A

C B

D

++

-MISURE

dx/dt = f(x,t,p) + u(t)y(t) = g(t, x, p) + v(t)

...

MODELLO MATEMATICO

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Approccio “di Popolazione” a deconvoluzione e stima Approccio “di Popolazione” a deconvoluzione e stima parametricaparametrica

SITUAZIONE DATA POOR: nel singolo soggetto basso SNR e/o pochissimi campioni per cui non si riescono a stimare i parametri o i flussi incogniti individuali (esempio: trial clinici di farmaci)

ESEMPIO: MODELLISTICA A LIVELLO DI PIXEL DA IMMAGINI PET

ROI1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 40 80 120Time (min)

kB

q/m

l

ROI2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 40 80 120Time (min)

kB

q/m

l

ROIN

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 40 80 120Time (min)

kB

q/m

l. . .

ROI1

ROI5

ROI4

ROINROI3

ROI2

APPROCCIO DI POPOLAZIONE: STUDIO N SOGGETTI (SUPPOSTI OMOGENEI) ASSIEME

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Studio del sistema recettoriale nel cervello da immagini PETStudio del sistema recettoriale nel cervello da immagini PET

Enti finanziatori: MURST COFIN-2000, GlaxoSmithKline (Verona)

CAPIRE L’INTERAZIONE FARMACO-RECETTORE

CONCENTRAZIONE DEL FARMACO (un antidepressivo) IN UNA SEZIONE

DEL CERVELLO

IMMAGINE DEL POTENZIALE DI LEGAME DEL FARMACO

MODELLI A REGIONE DI

RIFERIMENTO

consente di valutare l’efficacia del farmaco (ad esempio in base al numero di recettori occupati)

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Modelli per lo studio della cinetica di farmaci

2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e 2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnosticheimmagini biomediche e applicazioni diagnostiche




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2. METODI DI ELABORAZIONE ED 2. METODI DI ELABORAZIONE ED ANALISI DI DATI, SEGNALI E IMMAGINI ANALISI DI DATI, SEGNALI E IMMAGINI

BIOMEDICHE E APPLICAZIONI BIOMEDICHE E APPLICAZIONI DIAGNOSTICHEDIAGNOSTICHE

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Analisi del segnale elettroencefalograficoAnalisi del segnale elettroencefalografico

CROSS APPROXIMATE ENTROPYCOERENZATECNICHE TEMPO-FREQUENZA

SCOPO: ANALIZZARE LA SINCRONIZZAZIONE DELLE ATTIVITA’ DELLE DIVERSE AREE DEL CERVELLO DURANTE TASK COGNITIVI (es. esecuzione di un compito allo stimolo)

Enti finanziatori: Micromed SRL (Mogliano Veneto, TV), Regione Veneto

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DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE PER ANALISI DI COERENZA DI TRACCIATI EEG

Ente finanziatore: Regione Veneto

Funzione Coerenza

Autospettro 1

Autospettro 2

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DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE PER ANALISI TEMPO FREQUENZA DI POTENZIALI EVOCATI

Ente finanziatore: Micromed SRL (Mogliano, TV)

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Enti finanziatori: MIUR COFIN-2002

Potenziali evocati uditiviPotenziali evocati uditivi

USO IN AUDIOMETRIA FREQUENZIALE CLINICA DEI POTENZIALI EVOCATI DA TONI MODULATI

ANALISI DI SPETTROSISTEMA

Assieme all’EEG di fondo c’e’ anche attività evocata dallo stimolo ?

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QUANTIFICAZIONE DELL’ ADATTAMENTO

STUDIO DEI MECCANISMI NEUROFISIOLOGICI DI GENERAZIONE DEI POTENZIALI EVOCATI DI STATO STAZIONARIO

?Tempo-Variantetreno di click potenziale evocato di stato

stazionario misurato

METODI ITERATIVI BASATI SULLA DECONVOLUZIONE

SSR a 40 Hz, 15 risposte impulsive

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Gene Network da dati di microarray di DNAGene Network da dati di microarray di DNA

...

0 20 40 60 80min

livel

lo e

spre

ssio

ne

GRa4nestin

GAD65

Studio in vitro di cellule muscolari (incubate in insulina), con un campionamento ogni 10 minuti

CAPIRE QUALI GENI SI ESPRIMONO IN PRESENZA DI INSULINA E COME INTERAGISCONO TRA LORO

GENE NETWORKAnalisi delle sequenze temporali del livello di espressione dei vari geni

010

20...

...

21

Cluser analysis dei dati di microarray di DNA (software

public-domain Genesis, Università di Graz)

22

Imaging PET della cinetica del glucosio nel muscoloImaging PET della cinetica del glucosio nel muscolo

Enti finanziatori: National Institutes of Health

QUANTIFICAZIONE DEL TRASPORTO E METABOLISMO DEL GLUCOSIO A LIVELLO DI PIXEL Esempio: GAMBA

SEQUENZA DI IMMAGINI della CONCENTRAZIONE DI FDG

VEL. CONSUMO DI GLUCOSIO

METODOLOGIE MODELLISTICHE

...

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dalla PET alla MRIdalla PET alla MRI

VANTAGGI VANTAGGI

• Etici: assenza di radiazioni ionizzantiEtici: assenza di radiazioni ionizzanti

• Economici: costa meno (apparati, personale, …)Economici: costa meno (apparati, personale, …)

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Imaging MRI dell’emodinamica cerebraleImaging MRI dell’emodinamica cerebrale

Si usa un agente di contrasto esogeno paramagnetico (gadolinio, che fa per noi da “spia” dell’emodinamica)

STIMA DI FLUSSO E VOLUME EMATICO NEL CERVELLO

DEC

ON

VOLU

ZIO

NE

Mappa del Flusso Ematico

Mappa del Volume EmaticoIMMAGINE DI

RISONANZALIVELLO DI

PIXEL

(es. uso nella diagnosi della stenosi carotidea)

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Volume ematicoFlusso ematico

paziente con stenosi carotidea destra

Esempio: STUDIO DELL’EMODINAMICA CEREBRALE MRI CON TRACCIANTE ESOGENO (GADOLINIO)

MODELLO

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Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche

3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica 3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia in oftalmologia



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3. ELABORAZIONE E ANALISI DI 3. ELABORAZIONE E ANALISI DI IMMAGINI PER DIAGNOSTICA IN IMMAGINI PER DIAGNOSTICA IN

OFTALMOLOGIA OFTALMOLOGIA

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Analisi di immagini cornealiAnalisi di immagini cornealiEnte finanziatore: Nidek Technologies

ESEMPIO: IDENTIFICAZIONE DEI CONTORNI CELLULARI NELL’ENDOTELIO CORNEALE IN VIVO (OTTICA TRAPIANTO)

RETI NEURALI SPAZIO-INVARIANTI +

CORREZIONE DA ANALISI STATISTICA

INFORMAZIONE A PRIORI SULLA FORMA+

BAYESIAN MODELING (MCMC)

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Analisi di immagini retinicheAnalisi di immagini retinicheEnte finanziatore: Nidek Technologies

SOGGETTI AFFETTI DA SOSPETTE RETINOPATIE (ipertensione, diabete)

Lesioni • vascolari• non vascolari

Analisi dell’immagine. Tre fasi:

1. Riconoscimento2. Classificazione3. Misura della gravità della

lesioneFOTOGRAFIA DELLA RETINA OTTENUTA CON FUNDUS CAMERA

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Lesioni vascolari:• identificazione• misura

VESSEL TRACKING

PROFILE TRACKING

SPLINE SMOOTHING

3 PASSI

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Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia

4. Riabilitazione e funzione motoria 4. Riabilitazione e funzione motoria


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4. RIABILITAZIONE E FUNZIONE 4. RIABILITAZIONE E FUNZIONE MOTORIA MOTORIA

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STUDIO ED APPLICAZIONE DI TECNICHE PER LA MOBILITY ASSESSMENT

GAIT analysis con diversi protocolli

Bioingegneria del MovimentoBioingegneria del Movimento

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Ricostruzione della cinematica articolare attraverso il tracking di marker incollati sulla pelle del soggetto.

DIMOSTRAZIONE: GAIT ANALYSIS CON TECNICA STEREOFOTOGRAMMETRICA

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SVILUPPO DI UN ALGORITMO AUTOMATICO DI CORREZIONE DEGLI ARTEFATTI DI PELLE IN STEREOFOTOGRAMMETRIA PER L’IDENTIFICAZIONE DEI PARAMETRI CINEMATICI DEGLI ARTI INFERIORI.

Implementazione dell’algoritmo di correzione per ridurre l’artefatto di pelle in stereofotogrammetria. In evidenza l’aderenza del modello (blu) alla cinematica del segmento osseo (nero).

Visualizzazione dei vettori artefatto di pelle per la coscia.

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Simulazione FEM del movimento di flesso-estensione dell’anca per diversi soggetti/geometrie della gamba.

MODELLI 3D FEM DEL MOVIMENTO DEI TESSUTI MOLLI NEGLI ARTI INFERIORI

STUDIO MODELLI DI CONTROLLO MOTORIO

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Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia

Riabilitazione e funzione motoria

5. Information & Communication Technology nella 5. Information & Communication Technology nella Sanità Sanità

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5. INFORMATION & COMMUNICATION 5. INFORMATION & COMMUNICATION TECHNOLOGY NELLA SANITÀ TECHNOLOGY NELLA SANITÀ

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Gestione telematica di pazienti diabetici Gestione telematica di pazienti diabetici Enti finanziatori : Unione Europea (Vth Framework)

Scopo Migliorare:• l’efficacia della terapia• qualità dell’assistenza a pazienti diabetici• costo della gestione dei pazienti

CONTROLLO METABOLICO NEL DIABETE MELLITO: CRUCIALE PER

LIMITARE LE COMPLICANZE

Tecnologie dell’informazione + Metodi di analisi serie temporali = SERVIZIO DI TELEMEDICINA

Palmtops

Web/TVPCMobile phone

Telephone

CTIserver

WEBserver

WAPserver

Mail

Data BaseKnowledge Base

Data Analysis

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Progettazione di sistemi informativi sanitariProgettazione di sistemi informativi sanitari

Enti finanziatori : Provincia Autonoma di Bolzano

MEDfolder

gestione anagrafica, registrazione eventi, prestazioni, parametri vitali, esami di laboratorio, …

MEDviewer MEDdatalink

acquisizione dati, tracciati, immagini da apparecchiature elettromedicali, strumenti per la misura, filtri digitali, overlay vettoriali.

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Sviluppo cartella clinica anestesiologicaSviluppo cartella clinica anestesiologica

MEDintra

Sistema per la gestione di dati clinici relativi all‘ attività anestesiologica, nelle sue tre fasi principali: Fase preoperatoria Fase intraoperatoria Fase postoperatoria

Progettazione di un sistema di riconoscimento automatico degli artefatti in sala operatoria

dati acquisiti da differenti apparecchiature (monitor, respiratori, pompe di infusione)

Enti finanziatori : Provincia Autonoma di Bolzano

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1 GRUPPO DI BIOINGEGNERIA. 2 RICERCHE PRESENTATE 1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci 2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali