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. Sistema cardiovascolare. Proprietà elettriche del cuore, potenziale segnalassi 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
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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.

Dispense, esercizi e diapositive distribuiti dal docente e resi disponibili su piattaforma moodle
"Medical Electronic devices” Marek Penhaker e Martin Imramovsky, disponibile sulla piattaforma moodle

Saper individuare il modello biomeccanico del corpo umano più adeguato e saper determinarne i parametri geometrici ed inerziali. Conoscere gli strumenti concettuali e matematici utili per rappresentare il movimento umano in realtà virtuale e per descrivere la cinematica articolare. Saper stimare i momenti articolari nonché le forze agenti sui tessuti passivi, duri e molli, e trasmesse dai muscoli durante il movimento. Saper descrivere un atto motorio utilizzando il linguaggio del lavoro meccanico e dell’energia. Conoscere la biomeccanica delle articolazioni umane e della colonna vertebrale. Conoscere la biomeccanica di attività motorie della vita quotidiana quali la deambulazione, salita e discesa di gradini, alzarsi e sedersi ecc. Conoscere i principi biomeccanici fondamentali per descrivere e valutare gesti sportivi paradigmatici (salti, lanci, colpi). Conoscere gli strumenti che consentono la misura del movimento umano e delle forze esterne. Avere familiarità con il laboratorio di analisi del movimento e relativi protocolli sperimentali. Saper valutare i rischi a carico dell’apparato locomotore nello sport e sul lavoro. Acquisire la capacità di ideare un procedura sperimentale che si basi sull’uso della strumentazione e dei protocolli suddetti per scopi clinici o con riferimento allo sport ed all’ergonomia.

Materiale fornito dal docente; Kinematics of Human Motion e Kinetics of Human Motion di Vladimir M. Zatziorsky, 1998, Human Kinetics, Champaign, Illinois, USA.; Kinematic Analysis of Human Movement, Cheze Laurence, John Wiley & Sons 2014; Gait Analysis: Normal and Pathological Function Perry Jacquelin and Burnfield Judith, SLACK; 2010; An introduction to biomechanics of sport and exercise James Watkins, Churchill Livingstone, 2007.

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.
• RINALDO VALLASCAS “FONDAMENTI DI MISURE MECCANICHE E TERMICHE. GRANDEZZE STATICHE E SISTEMI” HOEPLI 2008.
• RINALDO VALLASCAS, FEDERICO PATANE' “MISURE MECCANICHE E TERMICHE” - GRANDEZZE TEMPO-VARIANTI, HOEPLI 2007.
• PAOLO CAPPA “SENSORI E TRASDUTTORI PER MISURE MECCANICHE E TERMICHE” BORGIA EDITORE.

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)

Valutazione degli effetti del campo elettromagnetico sui tessuti biologici. Proprietà elettromagnetiche dei tessuti biologici. Dosimetria elettromagnetica. Normative europee.

Normativa CEI 211-6 e 211-7