Biofisica delle cellule e delle molecole. Amino acidi, struttura delle proteine, emoglobina, mioglobina, enzimi, meccanismi catalitici, meccanismi di attivazione degli enzimi, meccanismi di inibizione degli enzimi, glucidi, glicolisi, ciclo di Krebs, fosforilazione ossidativa, biosintesi del lattato, fermentazione alcolica, lipidi, beta-ossidazione, catabolismo delle proteine e degli amino acidi, ciclo dell’urea. La compartimentazione cellulare, l’energia degli organismi viventi. Organizzazione tissutale. Struttura dinamica delle membrane biologiche, funzioni e dinamiche delle membrane cellulari. Giunzioni, canali e recettori. Permeabilità diffusione osmosi e tonicità. Sistemi di trasporto della membrana plasmatica: diffusione facilitata, trasporto attivo primario e secondario. Endocitosi ed esocitosi. Trasporto ionico.

Biofisica dei sistemi di mantenimento dell’omeostasi: Sistema nervoso centrale ed autonomo. Proprietà elettriche della membrana plasmatica, genesi del potenziale di membrana, eccitabilità, potenziale di membrana a riposo, potenziale elettrotonico e potenziale d’azione. Propagazione e trasmissione dei segnali elettrici. Sinapsi. Plasticità neuronale. Archi riflessi autonomi e somatici. Fisiologia sensoriale. Ormoni. Comunicazione cellulare, proprietà generali del sistema endocrino, struttura chimica e rilascio degli ormoni e loro relativa trasduzione del segnale.

Libro di testo principale: D.U. SILVERTHORN Fisiologia Umana 2010 Pearson Education inc

Testi utili per l’approfondimento (disponibili nella biblioteca dell’area scientifica) HILL R, WYSE G, ANDERSON M FISIOLOGIA ANIMALE 2006 ZANICHELLI; RANDALL D. ET AL., FISIOLOGIA ANIMALE ZANICHELLI; CASELLA C. E TAGLIETTI V. PRINCIPI DI FISIOLOGIA ED. LA GOLIARDICA PAVESE; BERNE R.M. E LEVY M.N. PRINCIPI DI FISIOLOGIA CASA EDITRICE AMBROSIANA.

Fisiologia di Organi e Sistemi: Sistema muscolare. Muscolo scheletrico, liscio e cardiaco. Meccanica della contrazione del muscolo scheletrico. Miogrammi. Periodo di refrattarietà. Contrazione tetanica. Controllo della contrazione muscolare. Fatica. Organi di Senso. Sistema cardiovascolare. Proprietà elettriche del cuore, potenziale segnapassi e miocardio di lavoro, il cuore come pompa. Regolazione intrinseca ed estrinseca della gettata cardiaca. Sistema vascolare, flusso, pressione arteriosa e sua regolazione. Il sangue. Proprietà, resistenza globulare, distribuzione del sangue ai tessuti. Coagulazione. Sistema respiratorio. Meccanica respiratoria, ventilazione, scambio e trasporto dei gas, regolazione del ph, regolazione della ventilazione. Basi di fisiologia gastro-intestinale. Sistema Renale. Filtrazione glomerulare, filtrazione, riassorbimento, secrezione ed escrezione. Regolazione ormonale della funzione renale. Sistema digerente. Motilità secrezione digestione assorbimento dei carboidrati, lipidi e proteine.

Libro di testo principale: D.U. SILVERTHORN Fisiologia Umana 2010 Pearson Education inc

Testi utili per l’approfondimento (disponibili nella biblioteca dell’area scientifica) HILL R, WYSE G, ANDERSON M FISIOLOGIA ANIMALE 2006 ZANICHELLI; RANDALL D. ET AL., FISIOLOGIA ANIMALE ZANICHELLI; CASELLA C. E TAGLIETTI V. PRINCIPI DI FISIOLOGIA ED. LA GOLIARDICA PAVESE; BERNE R.M. E LEVY M.N. PRINCIPI DI FISIOLOGIA CASA EDITRICE AMBROSIANA.

Segnali e sistemi discreti. Operazioni lineari e non lineari tra sequenze. Cambiamento di scala dei segnali discreti (interpolazione e decimazione digitali). Trasformate numeriche. Filtraggio. Analisi dei sistemi lineari. Filtri ottimi. Stimatori numerici e loro prestazioni. Predizione. Stimatori spettrali. Applicazioni di telemedicina. Digitalizzazione di servizi sanitari.
Esercitazioni numeriche di laboratorio con la piattaforma MatLab.

G. Giunta, Slides of Signal Processing for Biomedical Engineering, edition 2015.
TAMAL BOSE, FRANCOIS MEYER, "DIGITAL SIGNAL AND IMAGE PROCESSING", DECEMBER 2003, WILEY PUBL.
A.V. OPPENHEIM, R.W. SHAFER, J.R. BUCK, "DISCRETE-TIME SIGNAL PROCESSING", PRENTICE-HALL, UPPER SADDLE RIVER, NJ (USA), 1999.
B. Fong, A.C.M. Fong, C.K. Li, Telemedicine Technologies, Wiley, 2011.

Introduzione all’ingegneria biomedica ed al corso. Acquisizione di segnali biomedici. Il laboratorio di analisi del movimento umano. Cinematica, cinetica ed elettrofisiologia del movimento umano. Analisi statistica: statistica descrittiva ed inferenziale. Progetto e realizzazione di una piattaforma di forza a tre componenti. Progetto e realizzazione di un sistema per la misura delle forze durante la pedalata.

• BRONZINO - BIOMEDICAL ENGINEERING HANDBOOK, TAYLOR AND FRANCIS GROUP

• Dispense fornite dal docente sulla piattaforma web moodle3

Programma Biomateriali (I modulo)

A.A.2016/17
1. Introduzione: cenni storici e definizioni
2. Proprietà dei materiali (cenni): sollecitazioni meccaniche semplici,
deformazione elastica, strizione, contrazione trasversale, rottura statica,
sollecitazione dinamica, viscoelasticità, durezza.
3. Cenni di chimica organica: principali gruppi funzionali, forze di coesione,
stereochimica.
4. Polimeri sintetici
a. Classificazione: polimeri di condensazione, (poliammidi, poliesteri,
poliuretani)
b. Parametri fondamentali: grado di polimerizzazione, peso molecolare,
grado di polidispersità, gradi di reticolazione
c. Polimeri di addizione: fasi del processo, monomeri; PVC, metacrilati,
idrogeli, poliacrilonitrile, polistirene, gomma naturale e sintetica;
polimeri di coordinazione (catalizzatori di Ziegler-Natta); poliolefine
d. Poliacetali, polisulfoni, policarbonati
e. Stato fisico dei polimeri: struttura delle catene, effetto della temperatura
f. Fibre
g. Elastomeri
5. Polimeri biodegradabili
6. Reazioni dell’organismo all’impianto: biocompatibilità, processo di
guarigione di una lesione tissutale, risposta dei tessuti ad un impianto,
risposta del sangue.
7. Materiali ceramici: allumina, materiali odontoiatrici, idrossiapatite,
carbonio pirolitico
8. Protesi vascolari
9. Protesi valvolari
10. Protesi d’anca e cementi ossei
11. Protesi oftalmiche
12. Materiali metallici: acciai, leghe Co/Cr, leghe Ti, metalli e leghe dentali,
corrosione

"Biomaterials An introducion”
Joon Park and R.S. Lakes Third Edition (Springer)

“Biomaterials”
Véronique Migonney (Wiley)

Biomateriali (II modulo)
A.A. 2016/2017

1. Modificazioni superficiali dei bio materiali
2.FT-IR spettroscopia
3.Microscopia elettronica: SEM e TEM
4.XPS
5.Ingegneria tissutale

"Biomaterials An introducion”
Joon Park and R.S. Lakes Third Edition (Springer)

“Biomaterials”
Véronique Migonney (Wiley)

Il corso si propone di sensibilizzare gli studenti alle attività pratiche e progettuali tipiche di un laboratorio di ricerca sperimentale all’interno del quale vengono messe in pratica le metodologie tipiche dell’ingegneria biomedica, con particolare riferimento agli argomenti illustrati nel 1°modulo del corso. Durante le ore di didattica frontale verranno brevemente richiamate le nozioni applicative necessarie allo svolgimento delle attività di laboratorio, con particolare riferimento ai seguenti argomenti:

• La strumentazione elettronica di un laboratorio sperimentale.
• Sistemi e sensori per l’acquisizione e la misura di dati e segnali biomedici: sensori per l’analisi del movimento e per segnali elettrofisiologici, condizionamento dei segnali e sistemi di acquisizione.
• I protocolli sperimentali per l’acquisizione dei dati: dal sensore alla digitalizzazione e immagazzinamento su calcolatore.
• L’organizzazione di una campagna di acquisizione di dati e segnali biomedici.
• La strumentazione virtuale per la gestione delle acquisizioni di dati sperimentali: cenni di Labview.
• La raccolta dei dati, l’elaborazione dei segnali biomedici e l’analisi statistica.

• BRONZINO - BIOMEDICAL ENGINEERING HANDBOOK, TAYLOR AND FRANCIS GROUP

• Dispense fornite dal docente sulla piattaforma web moodle3

Introduzione al corso. Segnali biomedici: Elettroencefalografia (EEG), Elettromiografia (EMG), Elettrocardiografia (ECG). Elementi di base di elaborazione dei segnali: rappresentazione nel dominio della frequenza, filtraggio, rimozione di rumore ed artefatti. Stima spettrale: approcci di tipo parametrico e non-parametrico. Analisi tempo-frequenza: Short Time Fourier Transform e lo Spettrogramma, Wavelet e lo Scalogramma. Esercitazioni in Matlab.

L. Sornmo, P. Laguna. Bioelectrical signal processing in cardiac and neurological applications. Elsevier Academic Press. 2005.
Materiale on-line (appunti, esercizi, soluzioni. Download da Moodle).

NEURAL ENGINEERING AA 2016-2017

INTRODUZIONE ALLA NEUROINGEGNERIA
- NEUROINGEGNERIA: DEFINIZIONI, CAMPI APPLICATIVI, PRINCIPALI TECNOLOGIE ESISTENTI
- FOCUS DEL CORSO: REGISTRAZIONE DI DATI DAL SISTEMA NERVOSO, STMOLAZIONE DEL SISTEMA NERVOSO, ESTRAZIONE DI CARATTERISTICHE, DEFINIZIONE DI MODELLI
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
PARTE 1 - FUNZIONAMENTO E MODELLI DEL NEURONE
- ELEMENTI DI BASE DI ANATOMIA E FUNZIONE DEL SISTEMA NERVOSO, STRUTTURA E FUNZIONE DEL NEURONE, POTENZIALE DI RIPOSO, GENERAZIONE E PROPAGAZIONE DEL POTENZIALE D’AZIONE.
- MODELLI PASSIVI DEL NEURONE
- MODELLI ATTIVI DEL NEURONE: IF, H-H, FH-N
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PARTE 2 - INTERFACCIARSI CON IL SISTEMA NERVOSO
- INTERFACCIARSI CON IL SISTEMA NERVOSO: BIOELETTRODI COME SOLUZIONE TECNOLOGICA PER TRASFORMARE CORRENTI IONICHE IN CORRENTI ELETTRONICHE.
- REGISTRAZIONE DELL’ATTIVITÀ NEURALE: MICROELETTRODI
- BIOPOTENZIALI: ELEMENTI DI ELETTROMIOGRAFIA
- BIOPOTENZIALI: ELEMENTI DI ELETTROENCEFALOGRAFIA
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PARTE 3 – ESTRARRE INFORMAZIONI DAL SISTEMA NERVOSO
- SPIKE DETECTION
- SPIKE SORTING
- ATTIVITÀ 1: SPIKE DETECTION E SORTING DA ATTIVITÀ NEURALE
- ATTIVITÀ 2: MODELLI DI COORDINAZIONE: CONTROLLO MODULARE DEL MOVIMENTO UMANO – Sinergie Muscolari
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PARTE 4: STIMOLAZIONE DEL SISTEMA NERVOSO
- STIMOLAZIONE DEL SISTEMA NERVOSO: SOLUZIONI TECNOLOGICHE PER ATTIVARE ARTIFICIALMENTE LE CELLULE DEL SISTEMA NERVOSO – ELEMENTI DI BASE DI TMS, TACS, TDCS, DBS, NMES.
- STIMOLAZIONE ELETTRICA NEUROMUSCOLARE NMES-FES. ASPETTI TECNOLOGICI, PRINCIPI NEUROFISIOLOGICI, APPLICAZIONI
- ATTIVITÀ 3: ANALISI ELETTROMIOGRAFICA IN RISPOSTA ALLA STIMOLAZIONE ELETTRICA NEUROMUSCOLARE: M-wave ed H-reflex

Horch, K. W., & Dhillon, G. S. (Eds.). (2004). Neuroprosthetics: theory and practice (Vol. 2). World Scientific.



He, B. (Ed.). (2007). Neural engineering. Springer Science & Business Media.

Problem-based learning per introdurre gli studenti ai recenti progressi nel campo dell'ingegneria biomedica, con una particolare enfasi sulla progettazione di dispositivi biomedici e sistemi nel settore diagnostico. Gli studenti sono esposti alla teoria associata all'acquisizione e registrazione di segnali biomedici attraverso circuiti dedicati; uso di multimetri, oscilloscopi, analizzatori di spettro; rilevamento e trasduzione; filtraggio, condizionamento e amplificazione; conversione A / D, digitalizzazione; elaborazione post-registrazione. Attività di laboratorio in piccoli gruppi utilizzando strumenti di virtual design ed elaborazione per progettare, proporre e validare soluzioni fattibili ai problemi di ingegneria biomedica di rilevanza clinica e diagnostica. L a prima parte del corso riguarda i principi di formazione, registrazione ed elaborazione di base di segnali biologici. Le restanti sezioni descrivono dispositivi e metodi di misura da essi utilizzati in ambito diagnostico.

"Medical Electronic devices” Marek Penhaker e Martin Imramovsky, disponibile sulla piattaforma moodle

• Fundamentals of light and matter
Light propagation in vacuum and through dielectric media, interference, diffraction, coherence. Polarization of light, optical activity and birefringence. Light sources and photons. Schrödinger equation in the box and in the Hydrogen atom. Quantized states in atoms and molecules. Electronic and vibrational states of a molecule. Stereoisomers.

• Basics of biology
Cellular structure and types; chemical building blocks; cellular processes: replication, biosynthesis and energy production; protein classification and function; organization of cells into tissues.

• Light-matter interactions
Interactions between light and a molecule; Einstein’s model of absorption and emission; interaction of light with a bulk matter; fate of excited states; electronic absorption spectroscopy; electronic luminescence spectroscopy; Raman spectroscopy; spectroscopy utilizing optical activity of chiral media; fluorescence correlation spectroscopy.

• Lasers
principles of lasers, classifications; biophotonic applications; radiometry; nonlinear optics; multiphoton absorption; time-resolved approaches; laser safety.

• Bioimaging
Overview of optical imaging; transmission microscopy; simple and compound microscope; numerical aperture and resolution; phase contrast microscopy; fluorescence microscopy; scanning microscopy; confocal microscopy; optical coherence tomography; spectral and time-resolved imaging; localized spectroscopy; fluorescence resonance energy transfer (FRET) imaging; fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM); coherent anti-stokes raman scattering (CARS).

• Flow cytometry
Components of a flow cytometer; optical response; fluorochromes for flow cytometry;
data manipulation and presentation; immunophenotyping; DNA analysis.

• Laser tweezers and laser scissors
Applications; principle of laser tweezer action; radiation pressure; gradient and scattering forces; design of a laser tweezer; laser scissor; optical stretcher.

P. N. Prasad - Introduction to Biophotonics

INTRODUZIONE AL CORSO. RICHIAMI DI METROLOGIA GENERALE. ANALISI DELLE PRINCIPALI GRANDEZZE FISICHE RILEVATE DALLA STRUMENTAZIONE BIOMEDICA E DEI RELATIVI SISTEMI DI MISURA. CENNI SULLE MISURE PER LA DIAGNOSTICA CLINICA. RICHIAMI DI BIOLOGIA CELLULARE. CARATTERISTICHE DELLA STRUMENTAZIONE TERAPEUTICA E DIAGNOSTICA E METODOLOGIE PER LA LORO VERIFICA. STRUMENTAZIONE DI SALA OPERATORIA E TERAPIA INTENSIVA. MISURA DELLA PRESSIONE SANGUIGNA. POMPE PER INFUSIONE. MISURE DEI PARAMETRI CARATTERISTICI DELLA MECCANICA POLMONARE. MACCHINE PER ANESTESIA E VENTILATORI POLMONARI. ELETTROBISTURI E BISTURI AD ULTRASUONI. SISTEMI PER CIRCOLAZIONE EXTRACORPOREA. CENNI SULLE PRINCIPALI APPARECCHIATURE DI DIAGNOSTICA PER IMMAGINI E CRITERI DI VALUTAZIONE DELLA QUALITÀ. RICHIAMI SUI PRINCIPALI IMPIANTI. METODOLOGIE PER IL COLLAUDO DELLA STRUMENTAZIONE BIOMEDICA E DEGLI IMPIANTI; VERIFICHE DELLA QUALITÀ PRESTAZIONALE. CRITERI PER LA GESTIONE DELLA MANUTENZIONE DEL PARCO DI APPARECCHIATURE. CRITERI DI MASSIMA PER L’ORGANIZZAZIONE DI UN SERVIZIO DI INGEGNERIA CLINICA.

• APPUNTI DISTRIBUITI DAL DOCENTE.
• FRANCESCO PAOLO BRANCA “FONDAMENTI DI INGEGNERIA CLINICA - VOL. 1”, SPRINGER-VERLAG ITALIA 2000.
• FRANCESCO PAOLO BRANCA “FONDAMENTI DI INGEGNERIA CLINICA - VOL. 2”, SPRINGER-VERLAG ITALIA 2008.
• J.G. WEBSTER “MEDICAL INSTRUMENTATION:APPLICATION AND DESIGN”, ED. WILEY AND SONS.

Principi e caratteristiche comuni ai dispositivi e sistemi biomedici.
Area diagnostica - Medical Imaging:
Imaging RX: Principi di funzionamento; apparecchiature, specifiche e caratteristiche; dosimetria
Imaging TC: principi di funzionamento; tecniche di ricostruzione; apparecchiature, specifiche e caratteristiche; contrasto; nuove linee tecnologiche
Imaging US: principi di funzionamento; apparecchi, specifiche e caratteristiche; imaging morfologico e funzionale (doppler)
Imaging RM: principi di funzionamento; tecniche di ricostruzione; apparecchi, specifiche e caratteristiche; sequenze; imaging morfologico e funzionale (fMRI)

Area terapeutica - chirurgia mini-invasiva:
Sistemi per angioplastica (balloon, stent): principi di funzionamento; procedure; strumenti, specifiche e caratteristiche

Area terapeutica - chirurgia invasiva e sostituzione funzionale:
Valvole cardiache: principi di funzionamento; procedure; strumenti, specifiche, caratteristiche

- Diapositive, appunti, materiale di approfondimento, esercizi svolti disponibili online gratuitamente sulla piattaforma moodle di ateneo.
- Selezioni da:
Medical devices and human engineering (Biomedical Engineering Handbook - Volume III)
Biomedical Signals, Imaging, and Informatics (Biomedical Engineering Handbook - Volume IV)

Fondamenti di elettromagnetismo. Interazione tra campo elettromagnetico e materiali naturali a livello microscopico e macroscopico. Polarizzazione e magnetizzazione di atomi e molecole. Campo locale e campo di interazione. Polarizzabilità elettrica e magnetica di atomi e molecule. Relazioni costitutive macroscopiche. Anisotropia. Bi-anisotropia e chiralità. Risposta locale e non-locale. Risposta reciproca e non-reciproca.
Materiali elettromagnetici artificiali e metamateriali. Interazione anomala tra campo elettromagnetico e materiali artificiali. Materiali ad indice di rifrazione negative. Polarizzabilità elettrica e magnetica di atomi e molecole artificiali Risposta macroscopica di materiali elettromagnetici artificiali. Applicazioni dei metamateriali. Miniaturizzazione ed invisibilità elettromagnetica. Linee di trasmissione a metamateriale. Metasuperfici.
Propagazione guidata del campo elettromagnetico. Decomposizione del campo elettromagnetico in strutture guidanti. Guide d’onda rettangolari, circolari, coassiali. Guida a piatti piani e paralleli. Guide in microstriscia. Guide dielettriche. Plasmoni di superficie.
Imaging e sensoristica elettromagnetica. Lenti tradizionali e limite della diffrazione. Superlenti. Iperleneti. Microscopi ottici a scansione. Punte solide e ad aperture per microscopi ottici a scansione. Punte parzialmente invisibili per aumentare la risoluzione di microscopi ottici a scansione. Sensoristica elettromagnetica. Sensori biologici.

Appunti predisposti a cura del docente.