Ingegneria Biomedica

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1 Ingegneria Biomedica Prof. Annalisa BONFIGLIO Coordinatrice del Consiglio di Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica 1

2 Sommario Cosa e (e cosa non e ) un ingegnere Biomedico? Conoscenze e funzioni Ricerca in campo Biomedico Possibili sbocchi lavorativi L ingegneria Biomedica a Cagliari La ricerca a Cagliari I laureati a Cagliari Informazioni pratiche sulla frequenza al primo anno

3 An engineer is a solutionist! Ingegneria Biomedica - Prof. Annalisa BONFIGLIO -

4 Cos e` un Bioingegnere? IEEE Engineering in Medicine and Biology Society: As their title suggests, biomedical engineers work at the intersection of engineering, the life sciences and healthcare. These engineers take principles from applied science (including mechanical, electrical, chemical and computer engineering) and physical sciences (including physics, chemistry and mathematics) and apply them to biology and medicine. Although the human body is a more complex system than even the most sophisticated machine, many of the same concepts that go into building and programming a machine can be applied to biological structures and diagnostic and therapeutic tools. The goal is to better understand, replace or fix a target system to ultimately improve the quality of healthcare. Si veda: Ingegneria Biomedica - Prof. Annalisa BONFIGLIO - 4

5 Cos e` un Bioingegnere? Every part of the healthcare journey is supported by biomedical engineering. From electronic health records to diagnostic tools and machinery to therapeutic, rehabilitative and regenerative treatments, the work of biomedical engineers is evident. Consider, for example, how many exploratory surgeries can now be avoided thanks to advancements in diagnostic imaging. The following list represents just a few familiar examples of the application of engineering knowledge in medicine and biology: Cardiac stents, Defibrillators, EKGs, Holter monitors, Mobile Cardiac Outpatient Telemetry (MCOT), EEGs, Medical imaging (x-ray, CT, MRI, fmri, PET), cochlear implants, Anesthesia monitoring equipment, Prescription monitoring for pharmacies, Artificial hearts and valves, Pacemakers, Medical ventilator systems, Rehabilitation systems, Prosthetics, LASIK surgery, davinci surgical robots, Transcatheter valve replacement and repair devices. Biomedical engineers are helping to change the way healthcare is delivered through advancements in telemedicine, stem cell research, nanotechnology, tissue engineering, wearable technologies for home health monitoring, and neural. The result of their work is giving rise to such advancements as bionic vision, neural prostheses, intelligent drugs (nano particles) and replacement tissues. With advanced computer models that provide the means for interpreting diagnostic values in new ways, engineering is moving us in the direction of more personalized therapy. Beyond simply providing technical devices, engineers can help physicians to facilitate decision-making, thereby advancing the science of medicine and freeing physicians to focus on the art of patient care.

6 Cosa non fa un Bioingegnere Il Bioingegnere non e` un medico ne un tecnico di laboratorio.

7 Cosa fa il Bioingegnere Il Bioingegneria progetta, realizza e gestisce la tecnologia che serve al medico Oppure applica i modelli della biologia in campo tecnologico, per ottenere nuove e piu avanzate funzionalita in numerosi campi di applicazione, anche non biomedicale

8 Alcuni esempi di tecnologia biomedica Ingegneria Biomedica - Prof. Annalisa BONFIGLIO -

9 Non solo Medicina: la Bioingegneria applicata allo sport Le protesi di Oscar Pistorius I costumi di Federica Pellegrini 9

10 In cosa si distingue un Bioingegnere da un altro Ingegnere? L ingegnere biomedico deve integrare biologia e medicina con l ingegneria per risolvere problemi collegati a sistemi viventi. Quindi un bioingegnere deve avere solide conoscenze nelle discipline tradizionali dell ingegneria (elettronica, meccanica, chimica, informatica) ma deve anche avere conoscenze approfondite della complessita` dei sistemi biologici e nozioni di pratica clinica. 10

11 AREE DELLA BIOINGEGNERIA 11

12 Bioingegneria Industriale I Biomateriali sono sostanze che sono ottenute per essere usate in dispositivi che devono interagire con tessuti vivi. Esempi sono cartilagini, e scheletri che permattano lo sviluppo di tessuti nella ricorstruzione di organi La Biomeccanica e` la meccanica applicata al corpo umano. Questa include lo studio del moto, della deformazione dei materiali, della fluidodinamica. Per esempio lo studio della fluidodinamica della circolazione del sangue contribuisce allo studio di organi come il cuore artificiale, lo studio della meccanica permette lo studio di protesi ossee. 12

13 Robotica in Chirurgia e Riabilitazione L ingegneria della riabilitazione e` l applicazione delle scienze e della tecnologia per migliorare la qualita` della vita per persone temporaneamente o cronicamente disabili. Questa disciplina include lo sviluppo sia di dispositivi d esercizio per migliorare le prestazioni locomotorie sia per migliorarne la comunicazione, la deambulazione, l accesso alle informazioni, lo sviluppo di protesi La robotica in chirurgia aiuta il chirurgo sia nella pianificazione che nell esecuzione dell intervento. Questa tecnologia puo` limitare gli effetti negativi della chirurgia riducendo la dimensioni delle incisioni, aumentandone la precisione e diminuendo i costi pre- e post-operatori. 13

14 Bioingegneria dell informazione Le tecnologie dell informazione nell ingegneria biomedica coprono un ampia gamma di applicazioni. Tra esse l uso della realta` virtuale per l aiuto alla diagnostica, l applicazione di tecnologie di comunicazione internet per l accesso del paziente a servizi in remoto, la gestione della cartella clinica digitalizzata e i conseguenti problemi di sicurezza e segretezza dei dati La telemedicina riguarda il trasferimento di dati medici da una sede ad un altra per la diagnosi e il trattamento di pazienti in remoto. Questa disciplina riguarda lo sviluppo di dispositivi dedicati in grado di comunicare a distanza, sistemi di video-conferenza, reti di calcolatori. Tale tecnologia puo` anche essere utilizzata per l addestramento e aggiornamento del personale medico. 14

15 Elaborazione di segnali medici L elaborazione di segnali biomedici riguarda l estrazione di dati biologici per diagnosi e terapia. L esempio classico e` lo studio automatico di tracciati cardiaci per valutare eventuali situazioni di pericolo di vita, lo studio di segnali neurali per il controllo di apparecchiature neuro-controllate come possono essere arti artificiali. L elaborazione o di dati di immagini mediche da raggix da ultrasuoni da risonanza magnetica o tomografici. Aree di attivita` sono sistemi di acquisizione digitale, algoritmi di interpretazione e rendering, algoritmi di compressione per la memorizzazione in banca dati. 15

16 Strumentazione medicale Lo sviluppo di strumentazione medicale riguarda lo sviluppo di hardware, software e sistemi usati per processare segnali biologici. L attivita` parte dallo sviluppo di sensori che possono catturare segnali biologici di interesse, applicare metodi di amplificazione e filtro di segnali che possono essere studiati per ridurre le interferenze ambientali e gli artefatti dovuti per esempio al movimento del paziente. 16

17 Micro-Nanotecnologie Le Micro e nano tecnologie sono utilizzate per lo sviluppo di dispositivi su sala micro e nano metrica. Tra questo tipo di dispositivi ci sono sensori che possono misurare la variazione delle proprieta dei tessuti o di pressione del sangue o livelli proteici. Dispositivi BioMEMS integrano elementi meccanici, sensori, attuatori. Si arriva alla realizzazione di microbot che possono essere inseriti nel corpo per trasportare farmaci e iniettarli direttamente dove servono. I dispositivi Microelettronici integrati su chip permettono l integrazione delle piu` svariate funzionalita` in dimensioni ridotte e con dissipazioni di potenza limitate, compatibili con la possibilita di una efficace impiantazione. 17

18 Modellistica fisiologica e neurale Modelli fisiologici dei sistemi viventi sono utili per la diagnostica e la terapia. Esempi sono modelli del movimento, ma anche modelli metabolici, utili per progettare organi artificiali. Una discipina all avanguardia e` quella del modello di sistemi neurali che sono utili sia per la comprensione dei meccanismi cerebrali e di controllo sia per lo sviluppo di sistemi artificiali neurocontrollati come protesi, neurorobot. Sono allo studio anche sistemi per impiantazione. 18

19 Bioinformatica La Bioinformatica permette di utilizzare il computer per acquisire e analizzare dati collegati a medicina e biologia. La Bioinformatica richiede l uso di tecniche di ricerca di sequenze in database che contengono milioni di sequenze. La Proteomica e` lo studio della posizione, interazione, struttura e funzione delle proteine. Questo studio ha permesso la scoperta di nuovi meccanismi cellulari che spiegano come avvengono le infezioni e quindi nuove terapie e tecniche diagnostiche. Collegate a queste ricerche ci sono attivita` di sviluppo di microsensori dedicati. 19

20 Ingegneria Clinica L'ospedale e` caratterizzato da una complessa e sistematica organizzazione sanitaria, funzionale e amministrativa di elevato peso economico che si avvale di aggiornate tecnologie diagnostiche, terapeutiche e assistenziali con relazioni territoriali. L'attivita` deve quindi essere programmata, progettata, realizzata e gestita in modo finalizzato, equilibrato e integrato, in quanto essa condiziona in modo determinante il modello organizzativo, l'articolazione funzionale e l'efficienza gestionale. Il ruolo dell'ingegnere Clinico e` quello di operare in questo contesto clinico facendo la sintesi di tutti gli attori di questo processo. 20

21 INGEGNERIA BIOMEDICA A CAGLIARI QUALCHE ESEMPIO DI RICERCA SVOLTA PRESSO LA NOSTRA UNIVERSITA. 21

22 Real-Time Biomedical Signal Processing Il gruppo di Biomedical Signal Processing (Danilo Pani, Gianluca Barabino, Alessia Dessì) si occupa di algoritmi e sistemi per l elaborazione in tempo reale di segnali di interesse biomedico quali: algoritmi per l estrazione dell ECG fetale da misure non invasive algoritmi per la decodifica del segnale nervoso per controllo di neuroprotesi sistemi di telemedicina microarchitetture di calcolo per applicazioni biomedicali

23 Da alcuni progetti in corso X = 40 Y = 40 Z = LEN # templates

24 Sistemi di monitoraggio indossabili Fili e tessuti convenzionali (cotone, poliestere, nylon, lycra) resi elettro-conduttivi tramite funzionalizzazioni con polimeri conduttori Resistenza fili fino a 500 Ω/cm Resistenza tessuti fino a 20 Ω/sq

25 Sistemi di monitoraggio indossabili Elettrodi per biopotenziali (ECG, EMG, EEG) Abbigliamento riscaldante. Schermaggio elettromagnetico (EMI) Sensori meccanici (respirazione, movimento) Display tessile (elettrocromismo) Transistori, capacitori, ecc.

26 Laboratorio di Biomeccanica Laboratorio di Biomeccanica ed Ergonomia Industriale Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali Attività di ricerca: Analisi della Postura e del Movimento in campo Ergonomico, Clinico, e della Biomeccanica dello Sport Attività didattica: Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica (moduli Fondamenti di Meccanica e Biomeccanica, Bioingegneria Meccanica, Laboratorio di Analisi del Movimento )

27 Dotazioni di laboratorio 8 Telecamere Infrarosso 120 Hz BTS Smart DX Laboratorio di Analisi del Movimento Elettromiografia di superficie Wireless (6 canali) BTS RT-100 Piattaforma di forza BTS P-6000

28 Dotazioni di laboratorio Baropodometria elettronica statica e dinamica (Tekscan, Zebris, RS-Scan) Analisi della postura seduta (Tekscan Conformat) Sensori inerziali indossabili (BTS G-Sensor)

29 Massimo Barbaro, Caterina Carboni, Danilo Pani e Luigi Raffo MANO ARTIFICIALE GOVERNATA DA SEGNALI NEURALI 29

30 SAFE-HAND Scuola Sant Anna Pisa, Campus Biomedico Roma, Universita` di Cagliari 30

31 Esempio di mano artificiale 31

32 Massimo Barbaro, Annalisa Bonfiglio, Stefano Lai SENSORI PER LA RILEVAZIONE DEL DNA 32

33 33

34 I laureati in Ingegneria Biomedica di Cagliari Ingegneria Biomedica - Prof. Annalisa BONFIGLIO -

35 Ad oggi abbiamo avuto, dal 2007, circa 250 laureati triennalisti. Il 90 % sceglie di continuare con la Laurea Magistrale Magistrale in Biomedica Altre Magistrali Ingegneria Biomedica - Prof. Annalisa BONFIGLIO -

36 Come giudicano la loro preparazione i nostri studenti? TORINO ROMA ESTERO PAVIA GENOVA MILANO PISA Meno preparato Piu preparato nell'area BIOLOGICA e MEDICA: nell'area BIOELETTRONICA: nell'area BIOMECCANICA: nell'area BIOMATERIALI: complessivo per tutte le aree: 1 1,5 2 2,5 3 Ingegneria Biomedica - Prof. Annalisa BONFIGLIO -

37 ORGANIZZAZIONE DIDATTICA 37

38 IL PRIMO ANNO IN INGEGNERIA INSEGNAMENTI COMUNI A TUTTI I CORSI DI LAUREA Analisi 1 Fisica 1 Chimica Corso integrato di Matematica Fisica 2 Fondamenti di Informatica Corso integrato: Sistemi di elaborazione dell informazione Analisi Matematica Geometria e Algebra Elementi di informatica 9 CFU 8 CFU 6 CFU 5 CFU 7 CFU 7 CFU COMUNI AD AMBIENTE CIVILE CHIMICA E MECCANICA Calcolatori elettronici 6 CFU COMUNI AD ELETTRICA ED ELETTRONICA E BIOMEDICA 6 CFU 6 CFU

39 I anno - I semestre Insegnamento crediti Analisi 1 (C.I.) 9 Fisica 1 8 Chimica 6 Prova di lingua 3 Totale crediti 29 C.I. = CORSO INTEGRATO 39

40 I anno II semestre Insegnamento crediti Matematica 2 12 Fisica 2 7 Sistemi di elaborazione dell informazione (C.I.) Elementi di Informatica 6 Calcolatori Elettronici 6 Totale crediti 31 C.I. = CORSO INTEGRATO 40

41 II anno I semestre Insegnamento crediti Matematica Applicata 6 Biochimica e Biochimica 3 Biologia Molecolare (C.I.) Biologia Molecolare 2 Meccanica e Costruzioni Biomeccaniche (C.I.) Fenomeni di Trasporto e Biomateriali (C.I.) C.I. = CORSO INTEGRATO Fondamenti di Meccanica e Biomeccanica 5 Costruzioni Biomeccaniche 5 Biomateriali 5 Fenomeni di Trasporto in Sistemi Biomedici 5 Totale 31 41

42 II anno II semestre Fondamenti di Ingegneria dell'informazione (C.I.) Corso integrato: Progettazione di Strumentazione Elettromedicale (C.I.) Anatomia e Fisiologia (C.I.) Insegnamento crediti Elementi di Analisi dei Sistemi 5 Elaborazione Elettronica dei Segnali 5 Fondamenti di Progettazione Elettronica 5 Strumentazione Elettromedicale 1 5 Anatomia Umana 4 Elementi di Fisiologia 3 42 Totale 27

43 III anno I semestre Insegnamento crediti Attuatori elettrici e convertitori 5 Bioelettronica (C.I.) Elettronica dei Dispositivi 5 Interfacce Bioelettroniche 5 Bioingegneria Bioingegneria Meccanica 5 Industriale (C.I.) Bioingegneria Chimica 5 Totale crediti 25 C.I. = CORSO INTEGRATO 43

44 III anno II semestre Elementi di Clinica, Patologia Un corso a scelta tra Un corso a scelta tra Insegnamento crediti Patologia 2 Complementi di Medicina e Chirurgia Generale 2 Strumentazione e Materiali Protesici 2 Radiodiagnostica e Medicina Nucleare 2 Strumentazione Elettromedicale 2 Biosensori 5 Fluidodinamica Elementi di Bioinformatica Compatibilità Elettromagnetica Misure e strumentazioni cliniche Sicurezza elettrica del paziente in ospedale Scelta libera 12 Prova Finale 6 Altre Attivita` 4 Totale 44 crediti 40 5

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