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
Protesi d’anca e cementi ossei
8. Materiali metallici: acciai, leghe Co/Cr, leghe Ti, metalli e leghe dentali,
corrosione
9. protesi d'anca
10. Protesi valvolari
11. Protesi vascolari
12. Protesi oftalmiche
13. Modificazioni superficiali dei bio materiali
14. FT-IR spettroscopia
15. Microscopia elettronica: SEM e TEM
16. XPS
17. Ingegneria tissutale

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

“Biomaterials”
Véronique Migonney (Wiley)

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.

il docente riceve previo appuntamento da concordare via mail

Introduzione all’ingegneria biomedica ed al corso. Acquisizione di segnali biomedici. Elementi di elettrofisiologia. Elettrodi per biopotenziali. Sensori per misure fisiche. Sensori e sistemi per misure cinematiche. Modellizzazione biologica: modelli a compartimenti, modelli a scatola nera. Elementi di statistica descrittiva e di statistica inferenziale.

• BRONZINO - BIOMEDICAL ENGINEERING HANDBOOK, TAYLOR AND FRANCIS GROUP

• Dispense fornite dal docente sulla piattaforma web moodle

Il corso si propone di sensibilizzare gli studenti alle attività tipiche di un laboratorio di sperimentale all’interno del quale vengono messe in pratica le metodologie tipiche dell’Ingegneria Biomedica. Durante le ore di didattica frontale verranno illustrati gli argomenti necessari alla comprensione delle attività necessarie per l’acquisizione e la gestione di segnali biomedici, attraverso strumenti sperimentali tipici dell’Ingegneria con specifica attenzione allo svolgimento di attività pratiche di laboratorio e particolare riferimento ai seguenti argomenti:

• La strumentazione elettronica di un laboratorio sperimentale di Ingegneria Biomedica.
• 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 e l’allestimento di una catena di misura e di setup sperimentali per l’acquisizione di dati e segnali biomedici.
• La strumentazione virtuale per la gestione delle acquisizioni di dati sperimentali: cenni di programmazione in Labview.
• Sistemi embedded per applicazioni biomedica: elementi di progettazione di dispositivi biomedicali indossabili.
• Esperienze di Laboratorio su dispositivi tipici del laboratorio di Ingegneria Biomedica.

• BRONZINO - BIOMEDICAL ENGINEERING HANDBOOK, TAYLOR AND FRANCIS GROUP

• Dispense fornite dal docente sulla piattaforma web moodle3

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.
Maggiori dettagli sul sito: http://host.uniroma3.it/laboratori/sp4te/teaching/sp4bme/program.html

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.

Questo corso utilizzerà una modalità di apprendimento problem-based per fornire agli studenti nozioni sui recenti progressi dell'ingegneria biomedica, con particolare attenzione alla progettazione di sistemi di classificazione per il supporto alla decisione clinica. Agli studenti verranno forniti elementi di teoria associata all'utilizzo delle principali tecniche di apprendimento automatico, esplorando gli aspetti di apprendimento supervisionato e non supervisionato, e approfondendo la applicazione di tali tecniche al contesto generale della tutela della salute. Gli studenti acquisiranno competenze relative alla implementazione di tali tecniche in ambienti di programmazione di utilizzo comune (Python). Gli studenti lavoreranno quindi in gruppi e utilizzeranno le conoscenze teoriche acquisite e le competenze di programmazione conseguite per risolvere un progetto di interesse nell'ambito dell'ingegneria biomedica, facendo anche riferimento ai database disponibili (MIMIC, Physionet,...). Utilizzando gli elementi di teoria acquisiti e sulla base delle attività pratiche svolte, gli studenti potranno quindi validare concretamente le soluzioni a problemi di ingegneria biomedica reali di rilevanza clinica.

Materiale disponibile sulla piattaforma di ateneo (diapositive delle lezioni, registrazioni A/V, esercitazioni guidate, esempi di progetti)

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).

Parte I: modelli elettrici del neurone

Introduzione alla neuroingegneria

Modelli passivi delle cellule eccitabili

Modelli attivi: Hodgkin-Huxley


Parte II: neural signal processing

Modelli matematici di spiking activity

Algoritmi di spike detection

Algoritmi di spike sorting

Implementazione pratica in Python


Parte III: controllo motorio

Cenni di teorie di controllo motorio

Controllo motorio modulare

Sinergie muscolari

Implementazione pratica in Python

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.

Aurelien Geron (2019). Hands on Machine Learning. O’Reilly

• 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.

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:
Webb's physics of medical imaging
Introduction to biomedical imaging

Parte I - Interazione tra campo elettromagnetico e materiali naturali
Fondamenti della teoria dei campi elettromagnetici. Risposta macroscopica dei materiali naturali. Relazioni costitutive e classificazione dei materiali. Linearità. Dispersione. Località. Materiali stazionari ed omogenei. Causalità e relazioni di Kramers-Kronig. Risposta elettrica dei materiali naturali. Polarizzazione elettrica del materiale. Polarizzabilità elettronica, atomica, ionica, di orientamento, di interfaccia. Modello di Lorentz: derivazione e discussione. Modello di Drude: derivazione e discussione. Risposta magnetica dei materiali naturali. Risposta elettrodinamica di una ferrite magnetizzata.

Parte II - Interazione tra campo elettromagnetico e materiali artificiali
Materiali elettromagnetici artificiali. Prospettiva storica. Materiali chirali. Risposta microscopica della materia. Concetto di polarizzabilità. Polarizzabilità elettrica di una sfera dielettrica. Polarizzabilità magnetica di una spira metallica. Polarizzabilità elettrica di una striscia metallica. Polarizzabilità elettrica di una spira metallica. Polarizzabilità della particella metallica a forma di omega. Effetto magneto-elettrico. Campo locale e campo di interazione. Dalla risposta microscopica a quella macroscopica. Tecniche di omogeneizzazione. Formula di Maxwell-Garnett. Formula di Clausius-Mossotti. Formula di Bruggeman. Densità di energia per materiali dispersivi. Causalità e conservazione dell’energia: comportamento in frequenza dei parametri costitutivi. Dispersione anomala. Introduzione ai metamateriali. Panoramica storica. Metamateriali e loro definizioni. Studi di Victor Veselago. Indice di rifrazione negativo. Materiali con indice di rifrazione negativo e loro prima implementazione. Terminologia dei metamateriale. Materiali elettrici artificiali con permittività negativa. Il mezzo a fili. Il mezzo a piatti metallici piani e paralleli. Metalli nobili alle frequenze ottiche. Materiali elettrici artificiali nel visibile. Metamateriali ENZ. Magnetismo naturale e artificiale. Lo Split-Ring Resonator: concetto, analisi e progettazione. Miniaturizzazione di inclusioni magnetiche. Il Multiple Split-Ring Resonator: concetto, analisi e progettazione. Lo Spiral Resonator: concetto, analisi e progettazione. Il Labyrinth Resonator: concetto, analisi e progettazione. Modellazione di inclusioni metalliche nel visibile. L'induttanza cinetica degli elettroni. La struttura Fishnet. Materiali ad indice di rifrazione negativo nel visibile. Magnetismo alle frequenze ottiche.


Parte III - Interazione tra campo elettromagnetico e la materia vivente
Introduzione al bioelettromagnetismo. Panoramica storica ed impatto. Modellistica elettrica dei tessuti viventi. Meccanismo di interazione, effetti biologici e sulla salute. Quantità fisiche per determinare il rischio. Dosimetria e limiti di esposizione. Regolamentazione europea e nazionale.

Parte IV - Imaging elettromagnetico, sensoristica elettromagnetica ed invisibilità elettromagnetica
Imaging, sensoristica ed invisibilità: definizioni e principi di base. Microscopia: definizione e classificazione. Nozioni di base e principi di microscopia ottica. Tecniche di bright field, dark field, contrasto di fase, fluorescenza. Microscopia a raggi X e microscopia elettronica. TEM e SEM. Limite della diffrazione nelle lenti ottiche. La lente perfetta: aspetti fisici, progettazione, implementazione e funzionamento. Esempi di superlenti che lavorano a diverse frequenze. Metamateriali iperbolici: definizione e proprietà. Le iperlenti: aspetti fisici, progettazione, implementazione e funzionamento. Super e iper-lenti ibride. Microscopia in campo vicino. NSOM: fondamenti e principi. Modalità operative dell’NSOM: illumination, collection e scattering mode. Scattering e assorbimento di onde elettromagnetiche. Sezioni di scattering, assorbimento ed estinzione. Principi di spettroscopia. Scattering di Rayleigh (risposta elastica). Scattering Raman (risposta anelastica; scattering Stokes e anti-Stokes). Spettroscopia IR. Polaritone plasmone di superficie (SPP): definizione ed eccitazione. Sensori elettromagnetici basati sulla risonanza plasmonica di superficie (SPR): definizione, aspetti fisici, implementazione, funzionamento. Modulazione angolare, di lunghezza d'onda, intensità, fase, polarizzazione di sensori basati su SPR. Biosensori basati su SPR. Preparazione del campione. Sensogrammi. Sensibilità, FoM, LoD. Localized Surface Plasmon (LSP): definizione ed eccitazione. Sensori elettromagnetici basati sulla risonanza plasmonica di superficie localizzata (LSPR): definizione, fisica, implementazione, funzionamento. Principi di spettroscopia SERS. Riduzione dell'osservabilità dell'oggetto. Tecnologie stealth e RAM. Invisibilità elettromagnetica: definizione e figura di merito. L'elettromagnetismo di trasformazione come via per l'invisibilità. Approcci alternativi al cloaking. Principali limitazioni. Cancellazione dello scattering. Mantelli volumetrici per oggetti cilindrici e sferici: analisi e progettazione. Cloaking di oggetti con altre forme. Implementazione di mantelli volumetrici basati sulla cancellazione dello scattering a microonde e a frequenze ottiche. Mantle cloaking: concetto, modellistica, progettazione e realizzazione. Applicazioni del cloaking alle frequenze ottiche. Riduzione e manipolazione delle forze ottiche. Riduzione dell'effetto Casimir. Sistemi NSOM: principi di funzionamento e applicazioni. Transmission, reception e scattering mode. Punte dell’NSOM parzialmente schermate per immagini ad elevata risoluzione. Applicazioni dell’invisibilità alle antenne. Nascondere oggetti passivi e ostacoli nel campo vicino di un'antenna. Nascondere un'antenna ricevente. Nascondere antenne trasmittenti. Dispositivi di invisibilità non lineari. Metasuperfici riconfigurabili e relative applicazioni nei sistemi 5G+.

Appunti predisposti a cura del docente.