Fondamenti di Bioingegneria Elettronica

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1 Fondamenti di Bioingegneria Elettronica Docenti: Proff. Giancarlo Ferrigno/Guido Baroni Dipartimento di Bioingegneria - Politecnico di Milano Tel /3346 (Dipartimento di Bioingegneria) /349 (Centro di Bioingegneria) ferrigno/baroni@biomed.polimi.it File 1 1

2 Fondamenti di Bioingegneria Elettronica Docenti: Proff. Gabriella Signorini/Giuseppe Baselli Dipartimento di Bioingegneria - Politecnico di Milano Tel /3368 (Dipartimento di Bioingegneria) signorini/baselli@biomed.polimi.it File 1 2

3 Fondamenti di Bioingegneria Elettronica Esercitatori (I parte): Dott. Giuseppe Andreoni/Raffaele Dellacà Dipartimento di Bioingegneria - Politecnico di Milano Tel (Dipartimento di Bioingegneria) /446 (Centro di Bioingegneria) andreoni/dellaca@biomed.polimi.it File 1 3

4 Fondamenti di Bioingegneria Elettronica Esercitatori (I parte): Ingg. Pietro Cerveri/Christian Forlani Dipartimento di Bioingegneria - Politecnico di Milano Tel (Dipartimento di Bioingegneria) cerveri/forlani@biomed.polimi.it File 1 4

5 Fondamenti di Bioingegneria Elettronica Orario delle lezioni: LUNEDI Aula EG.3/EG.4 MARTEDI MERCOLEDI Aula N.11/B Aula D.03/B.66 Orario delle esercitazioni: MERCOLEDI Aula D.11/B.66 A-E/L-O Aula D.22/T.03 F-K/P-Z Ricevimento: MERCOLEDI Dipartimento di Bioingegneria (via Golgi 39, IV piano) File 1 5

6 I parte: 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 File 1 6

7 Introduzione Programma del corso (prima parte) 1. Sorgenti biologiche di segnali 1.1 Caratteristiche generali dei segnali di interesse biomedico 1.2 Grandezza trasdotta, ampiezza, banda, rapporto segnale-rumore 2. Strumentazione per impieghi biomedici 2.1 Definizioni e principali caratteristiche 2.2 Sicurezza 2.2 Classificazione 3. Misure biomediche 3.1 Problematiche di interfaccia artificiale-biologico 3.2 Catena di misura 3.3 Misure e caratteristiche statiche e dinamiche 3.4 Taratura degli strumenti File 1 7

8 Programma del corso (prima parte) 4. Condizionamento dei segnali 4.1 Conversione analogico - digitale 4.2 Interferenze e altre sorgenti di rumore 4.3 Incremento del rapporto segnale rumore 5. Amplificazione del segnale 5.1 Requisiti generali 5.2 Dispositivi per la riduzione delle interferenze 5.3 Telemetria 6. Sensori e principi di trasduzione 6.1 Sensori di posizione e di forza 6.2 Sensori di temperatura 6.3 Misure ottiche File 1 8

9 Programma del corso (prima parte) 7. Elettrodi 7.1 Interfaccia elettrolita-elettrodo 7.2 Polarizzazione 7.3 Elettrodi interni-esterni 7.4 Elettrodi per stimolazione 8. Apparecchiature per immagini diagnostiche 8.1 Caratteristiche generali dei sistemi per immagini 8.2 Ultrasuoni 8.3 Radiazioni ionizzanti 9. Misure 9.1 Flussimetria 9.2 Pressione 9.3 Pletismografia File 1 9

10 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. File 1 10

11 Modalità di verifica Le date indicative per le prove in itinere sono: PI1:nella settimana ottobre (argomenti delle prime 16 ore di lezione della prima parte del corso) PI2:nella settimana di sospensione novembre (argomenti delle seconde 16 ore di lezione della prima parte del corso) PI3:nella settimana 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. File 1 11

12 Modalità di verifica 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. File 1 12

13 Modalità di verifica 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. File 1 13

14 Modalità di verifica 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 File 1 14

15 Testi (prima parte) Medical Instrumentation Application and Design John G. Webster ed. John Wiley & Sons Inc Tecnologie Biomediche Antonio Pedotti CLUP Milano Strumentazione Biomedica Progetto e impiego dei sistemi di misura Guido Avanzolini Patròn editore Bologna 1998 Tecnologie Biomediche: esempi di applicazione ed esercizi A. Pedotti, A. Aliverti, G. Andreoni, G. Ferrigno CLUP Milano 2001 File 1 15

16 Prima parte File 1 16

17 Introduzione La Bioingegneria Elettronica Terminologia File 1 17

18 Le aree di attività degli Ingegneri Biomedici Applicazione della teoria dei sistemi e del controllo a problemi biologici (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) File 1 18

19 Le discipline dell Ingegneria Biomedica Biomeccanica: studio delle meccanica dei solidi e dei fluidi nei sistemi 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 File 1 19

20 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 File 1 20

21 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 File 1 21

22 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 File 1 22

23 Esempi di grandezze biomediche misurabili Attività elettrica cerebrale (EEG, MEG) proprietà meccaniche del timpano ERG, EOG pressione arteriosa flusso sanguigno suoni cardiaci, polmonari attività elettrica muscolare (EMG) radiopacità impedenza acustica antropometria pressione intracranica temperatura pressione intraesofagea respirazione: volume VO 2, VCO 2, pressioni po 2, pco 2 gittata cardiaca attività elettrica cardiaca (ECG) ph ematico concentrazioni enzimatiche movimenti livello di idratazione, flusso sanguigno cutaneo mappe di potenziali, temperatura interazione dinamica File 1 23

24 Origine dei segnali biologici Basali: sono segnali legati alla fisiopatologia, cioè al funzionamento normale o in presenza di malattia, dell organismo vivente Esempi : - 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 esterno Esempi : - potenziali evocati - gittata cardiaca ( metodo della diluizione) - configurazione arterie coronariche (angiografia) - immagini diagnostiche(radiologia, TAC, RMN) - metabolismo del glucosio File 1 24

25 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) File 1 25

26 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 File 1 26

27 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 File 1 27

28 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 File 1 28

29 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 File 1 29

30 Polarizzazione di membrana Fattori che condizionano il potenziale di membrana Muscolo scheletrico della rana (T ~ 20 o C) Concentrazione Ioni intracellulare extracellulare permeabilità (millimoli/litro) cm/s Na x10-8 K x10-6 Cl x10-6 A - (proteine) 155 == == 3Na + 2K + Na + Na + K Na + - K + Cl - Cl A - K + A - Cl Na Na + - A - K + Cl Na + Gradiente di diffusione dq/dt=k([q i ]-[q e ]) Campo elettrico E=- V dq/dt=g(v i -V o ) Canali della membrana (permeabilità passiva) Trasporto attivo (ATP, ADP) File 1 30