Fondamenti di Bioingegneria Elettronica - Progetto Atena · Corso di Fondamenti di Bioingegneria Elettronica Fondamenti di Bioingegneria Elettronica. File 1 6 Obiettivi del corso

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Fondamenti di Bioingegneria Elettronica

Docenti:

Proff. Giancarlo Ferrigno/Guido Baroni

Dipartimento di Bioingegneria - Politecnico di Milano

Tel. 02-2399-3371/3346 (Dipartimento di Bioingegneria)02-40308-283/349 (Centro di Bioingegneria)

E-mail ferrigno/[email protected]

Corso di Fondamenti di Bioingegneria Elettronica

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Docenti:

Proff. Gabriella Signorini/Giuseppe Baselli


Tel. 02-2399-3328/3368 (Dipartimento di Bioingegneria)

E-mail signorini/[email protected]


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Esercitatori (I parte):

Dott. Giuseppe Andreoni/Raffaele Dellacà


Tel. 02-2399-3352 (Dipartimento di Bioingegneria)02-40308-305/446 (Centro di Bioingegneria)

E-mail andreoni/[email protected]


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Esercitatori (I parte):

Ingg. Pietro Cerveri/Christian Forlani


Tel. 02-2399-3352 (Dipartimento di Bioingegneria)

E-mail cerveri/[email protected]


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Orario delle lezioni:

LUNEDI’ 12.15-14.15 Aula EG.3/EG.4MARTEDI’ 10.15-12.15 Aula N.11/B.66MERCOLEDI’ 8.15-10.15 Aula D.03/B.66

Orario delle esercitazioni:

MERCOLEDI’ 14.15-17.15 Aula D.11/B.66 A-E/L-O15.15-18.15 Aula D.22/T.03 F-K/P-Z

Ricevimento:

MERCOLEDI’ 10.30-12.30 Dipartimento di Bioingegneria(via Golgi 39, IV piano)



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Obiettivi del corso


- descrivere tecnologie e problematiche relative alla misura di grandezze di origine biologica, con lo scopo di acquisire competenze generali per essere buoni progettisti, selezionatori ed utilizzatori di dispositivi per misure biomediche

- acquisire nozioni sui parametri che caratterizzano il funzionamento statico e dinamico dei dispositivi di misura in campo biomedico con particolare attenzione all’elemento di trasduzione del segnale

- conoscere alcune tecniche di trattamento del segnale (amplificazione, retroazione, filtraggio) per il miglioramento del rapporto segnale rumore

- conoscere la tecnologia di alcune classi di trasduttori con esempi di applicazione nell’ambito di alcune strumentazioni cliniche di largo impiego

• I parte:

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Programma del corso (prima parte)

Introduzione

1. Sorgenti biologiche di segnali1.1 Caratteristiche generali dei segnali di interesse biomedico1.2 Grandezza trasdotta, ampiezza, banda, rapporto segnale-rumore

2. Strumentazione per impieghi biomedici2.1 Definizioni e principali caratteristiche2.2 Sicurezza2.2 Classificazione

3. Misure biomediche3.1 Problematiche di interfaccia artificiale-biologico3.2 Catena di misura3.3 Misure e caratteristiche statiche e dinamiche3.4 Taratura degli strumenti


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4. Condizionamento dei segnali4.1 Conversione analogico - digitale4.2 Interferenze e altre sorgenti di rumore4.3 Incremento del rapporto segnale rumore

5. Amplificazione del segnale5.1 Requisiti generali5.2 Dispositivi per la riduzione delle interferenze5.3 Telemetria

6. Sensori e principi di trasduzione6.1 Sensori di posizione e di forza6.2 Sensori di temperatura6.3 Misure ottiche


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7. Elettrodi7.1 Interfaccia elettrolita-elettrodo7.2 Polarizzazione7.3 Elettrodi interni-esterni7.4 Elettrodi per stimolazione

8. Apparecchiature per immagini diagnostiche8.1 Caratteristiche generali dei sistemi per immagini8.2 Ultrasuoni8.3 Radiazioni ionizzanti

9. Misure9.1 Flussimetria9.2 Pressione9.3 Pletismografia


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Modalità di verifica• 2 verifiche in itinere per ogni parte del corso

- I verifica dopo circa 3-4 settimane- II verifica nella prima sospensione (Novembre)-III verifica dopo circa 3-4 settimane dalla fine della prima sospensione

- IV verifica immediatamente prima della seconda sospensione (Febbraio)

• Coloro che riportano una votazione di almeno 27/30 come media delle 4 prove possono accedere a una valutazione orale integrativa facoltativa.

• Saranno previste prove di recupero durante le sospensioni. Gli studenti interessati dovranno contattare il docente e iscriversi alle prove.


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Modalità di verifica


Le date indicative per le prove in itinere sono:

PI1:nella settimana 15-19 ottobre (argomenti delle prime 16 ore di lezione della prima parte del corso)

PI2:nella settimana di sospensione 12-16 novembre (argomenti delle seconde 16 ore di lezione della prima parte del corso)

PI3:nella settimana 17-21 dicembre (o alternativamente 7-11 gennaio per lasciare tempo di studio nelle vacanze natalizie) (argomenti delle prime 16 ore di lezione della seconda parte del corso)

PI4:nella settimana di sospensione 28 gennaio-1 febbraio (argomenti delle seconde 16 ore di lezione della seconda parte del corso)

Ogni prova ha la durata di 1h40’.

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Superamento dell’esame

A questo punto chi non ha al suo attivo almeno una prova in itinere sufficiente (18/30) deve ripetere il corso l’anno successivo. Chi ha totalizzato quattro prove sufficienti accede all’esame finale che si tiene nella seconda settimana della seconda sospensione (4-8 febbraio).Coloro che hanno riportato una votazione media sulle 4 prove superiore a 27/30 hanno accesso, su richiesta, a un orale integrativo da tenere nella settimana dell’esame finale, gli altri registrano semplicemente il voto ottenuto. L’orale spazia su tutti gli argomenti del corso.

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Prove di recupero

Coloro che non hanno al proprio attivo 4 prove sufficienti (ma ne hanno almeno una), hanno due occasioni di recupero. La prima è situata nelle settimane dall’11 febbraio all’1 marzo e la seconda viene scelta tra le due possibilità di settembre.La prova di recupero prevede 4 prove da 1h40’ vertenti sugli argomenti delle 4 prove in itinere. Ciascuno studente è libero di effettuarne fino a tre negli orari stabiliti (sequenziali). È consentito agli studenti di ripetere una singola prova sufficiente, ma per loro insoddisfacente, una sola volta per ogni anno di corso. Si può ripetere un massimo di due prove sufficienti, ma insoddisfacente per lo studente per ogni anno di corso.Coloro che non raggiungono, in base ai vincoli sopra citati, 4 prove sufficienti entro il recupero di settembre ripetono il corso l’anno successivo.

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Caratteristiche delle prove

•Le prove comprendono domande a scelta multipla, esercizi e risposte a quesiti.

•La durata della singola prova è di 1h 40’.•L’esame richiede il superamento di 4 prove

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Testi (prima parte)

• Medical Instrumentation – Application and Design John G. Webster ed. – John Wiley & Sons Inc. 1995

• Tecnologie BiomedicheAntonio Pedotti – CLUP – Milano

• Strumentazione BiomedicaProgetto e impiego dei sistemi di misuraGuido Avanzolini – Patròn editore – Bologna 1998

• Tecnologie Biomediche: esempi di applicazione ed eserciziA. Pedotti, A. Aliverti, G. Andreoni, G. FerrignoCLUP – Milano 2001


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Prima parte


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Introduzione

La Bioingegneria Elettronica

Terminologia


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Le aree di attività degli Ingegneri Biomedici


• Applicazione della teoria dei sistemi e del controllo a problemibiologici (modelli di sistemi fisiologici, simulazione e controllo)

• Rilevazione, misura e monitoraggio di segnali fisiologici (biosensori e strumentazione biomedica)

• Interpretazione diagnostica di dati bioelettrici impiegando tecniche di analisi del segnale

• Dispositivi e procedure per la terapia e la riabilitazione (ingegneria della riabilitazione e protesi)

• Dispositivi per la sostituzione o il sostegno di funzioni (organi artificiali)

• Analisi dei dati dei pazienti e metodi decisionali in medicina (informatica medica e intelligenza artificiale)

• Bioimmagini morfologiche e funzionali• Creazione di nuovi prodotti biologici (biotecnologia e ingegneria

tissutale)

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Le discipline dell’Ingegneria Biomedica


• Biomeccanica: studio delle meccanica dei solidi e dei fluidi neisistemi fisiologici

• Biomateriali: progetto e sviluppo di materiali impiantabili• Modellizzazione, simulazione e controllo: ricerca di base per la

conoscenza delle realtà fisiologiche• Strumentazione biomedica: progetto e sviluppo di strumentazione

per la misura di eventi fisiologici (include i biosensori)• Analisi dei dati biomedici: rilevazione, classificazione e analisi dei

segnali bioelettrici• Ingegneria della riabilitazione: progetto e sviluppo di strumenti e

procedure terapeutiche e riabilitative• Organi artificiali e protesi: progetto e sviluppo di dispositivi per la

sostituzione o il supporto di organi• Informatica medica: elaborazione di dati dei pazienti, metodi

decisionali, sistemi esperti e reti neurali

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Le discipline dell’Ingegneria Biomedica


• Bioimmagini: rilevazione e analisi di dettagli anatomici e funzionali in forma grafica

• Biotecnologie: creazione e modifica di materiali biologici• Ingegneria clinica: progetto e sviluppo di strutture, strumenti

sistemi e procedure in ambito clinico• Effetti biologici dei campi elettromagnetici: studio degli effetti di

campi elettromagnetici sui tessuti biologici

Da: Biomedical Engineering Handbook Joseph D. Bronzino Ed.CRC Press Inc. 1995

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Terminologia

• Strumentazione: “Complesso degli strumenti, attrezzature, impianti, dispositivi, che occorrono per certe attività.....”

• Misura: “Numero che esprime l’estensione di una grandezza rispetto ad un’altra, convenzionalmente assunta come unitaria”

• Segnale: “Qualsiasi forma di messaggio od effetto di uno specifico processo atto al trasferimento di informazioni”


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Terminologia

• Trasduttore: “Ogni elemento che trasforma un segnale di ingresso in un segnale di uscita di natura differente”

• Sensore: “Ogni generico elemento, strumento o apparato sensibile a variazioni di una grandezza fisica e atto a convertirla in un segnale di ingresso utile (elettrico) ad un sistema di trasmissione di informazione”

• Attuatore: “Ogni dispositivo in grado di convertire un segnale elettrico in una grandezza fisica”


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Attività elettrica cerebrale (EEG, MEG)

pressione intracranicaproprietà meccaniche del timpano

temperaturaERG, EOG

respirazione: volume VO2, VCO2,pressioni pO2, pCO2

pressione arteriosa pressione intraesofagea

gittata cardiaca

flusso sanguigno

suoni cardiaci, polmonari

attività elettrica cardiaca (ECG)

attività elettrica muscolare (EMG)

pH ematico

movimenti

impedenza acustica

radiopacità

concentrazioni enzimatiche

livello di idratazione,flusso sanguigno cutaneo

antropometria

mappe di potenziali, temperatura

interazione dinamica

Esempi di grandezze biomediche misurabili


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Origine dei segnali biologici • Basali: sono segnali legati alla fisiopatologia, cioè al funzionamento

normale o in presenza di malattia, dell’organismo viventeEsempi :- attività elettrica cerebrale ( => elettroencefalografia)- attività elettrica cardiaca ( => elettrocardiografia)- flussi ematici- pressione arteriosa- temperatura basale

• Evocati: sono segnali ottenuti come risposta ad un determinato stimolo imposto dall’esternoEsempi :- potenziali evocati- gittata cardiaca ( metodo della diluizione)- configurazione arterie coronariche (angiografia)- immagini diagnostiche(radiologia, TAC, RMN)- metabolismo del glucosio


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Classificazione dei segnali biologici • Classificazione per variabile indipendente:

-Segnali Temporali: è il tempo la variabile indipendente più importante che li caratterizza (segnali bioelettrici)

-Segnali Spaziali: è lo spazio la variabile indipendente più importante che li caratterizza (bioimmagini, mappe)

-Segnali Spazio-temporali: spazio e tempo concorrono come variabili indipendenti (ecocardiografia dinamica, RMN funzionale)


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Classificazione dei segnali biologici • Classificazione per natura della grandezza caratterizzante:

- Segnali elettrici- Segnali chimici- Segnali magnetici- Segnali meccanici- Segnali termici

• Classificazione per sistema biologico che li ha generati:- Sistema cardiovascolare- Sistema nervoso- Sistema endocrino- Apparato muscolo-scheletrico


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Classificazione dei segnali biologici

• Classificazione per proprietà chimico-fisiche dei tessuti che li generano:- Impedenza acustica- Potere di assorbimento delle radiazioni- Proprietà istologiche- Proprietà metaboliche- Proprietà termiche- Proprietà elettriche, magnetiche


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I Biopotenziali

• I segnali elettrici di origine biologica rappresentano le variabili biomediche meglio si prestano ad una analisi effettuata con strumentazioni di tipo elettronico

• Per questo motivo è necessario un approfondimento sui meccanismi fisiologici che li generano e sui relativi segnali effettivamente misurabili

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Sorgenti di Biopotenziali

• I potenziali bioelettrici rappresentano il risultato dell’attività elettrochimica delle cellule “eccitabili”.

• Queste sono cellule caratterizzate da un “potenziale di riposo” e un “potenziale d’azione”.

• Sono cellule eccitabili:

• le cellule muscolari (cardiache in particolare)• le cellule nervose (neuroni e recettori)• alcune cellule ghiandolari


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Polarizzazione di membrana


Fattori che condizionano il potenziale di membrana

↑ Gradiente di diffusione dq/dt=K([qi]-[qe])↓ Campo elettrico E=- V dq/dt=g(Vi-Vo)↑ Canali della membrana (permeabilità passiva)↑ Trasporto attivo (ATP, ADP)

∇

+ ++

++

+

++

++

++

+

+

-- -

-

-

---

-

Cl - Cl -

Cl -

K+

K+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

K+

Cl -K+

3Na+ 2K+

A-A-

A-

Muscolo scheletrico della rana (T ~ 20oC)Concentrazione Ioni intracellulare extracellulare permeabilità(millimoli/litro) cm/sNa+ 12 145 2x10-8

K+ 155 4 2x10-6

Cl- 4 120 4x10-6

A-(proteine) 155 == ==

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