95895 - BIOINGEGNERIA T-A

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente ha acquisito le conoscenze di base sui principali sistemi fisiologici; è in grado di formulare, anche attraverso esercitazioni di laboratorio, semplici modelli matematici di sistemi fisiologici (cardiovascolare, respiratorio, renale, metabolico, neuro-muscolo-scheletrico) e di validarli a partire da misure sperimentali; sarà in grado di affrontare un semplice processo diagnostico a partire dalla identificazione parametrica di tali modelli; ha acquisito i fondamenti sui principi di funzionamento e la progettazione di alcuni sistemi di supporto alla vita (defibrillatore, pacemaker, rene artificiale).

Contenuti

Il corso, a carattere introduttivo, illustra le metodologie di base dell’ingegneria biomedica e la loro applicazione allo studio dei principali sistemi fisiologici e alla diagnosi, terapia e riabilitazione.

Programma del corso

MODULO 1: MODELLI A COMPARTIMENTI, RENE ARTIFICIALE ED ELETTROFISIOLOGIA

Introduzione all’Ingegneria Biomedica ed elementi propedeutici

• Ingegneria Biomedica e Bioingegneria: metodologie, applicazioni, figure professionali
• Richiami di biologia e fisiologia: dalle biomolecole alle cellule, ai tessuti, agli organismi
• La pressione osmotica: scambi di liquidi ed elettroliti tra i compartimenti extracellulare ed intracellulare
• Una visione unificante: i principi di conservazione e le equazioni di bilancio. Es. Bilancio di massa di un farmaco
• La regressione lineare: il metodo dei minimi quadrati; Esempi
• Il linguaggio Matlab
• Seminario 1. I modelli matematici: simulazione numerica e identificazione parametrica con l’uso di Matlab

Modelli a compartimenti

• Si presentano i fondamenti per la formulazione e l’uso dei modelli a compartimenti, strumenti in grado di descrivere il movimento di sostanze (nutrienti, farmaci, ecc.) all'interno del corpo umano
• Esempi: reazione chimica, test di funzionalità epatica (Matlab)

Rene artificiale

• Il rene
• La dialisi renale: modello a compartimenti. Determinazione della dose dialitica. Il dializzatore: setting dei parametri di macchina
• Elementi descrittivi e di progetto del rene artificiale
• Esempio. Simulazione di tre dialisi settimanali (Matlab)

Elettrofisiologia

• Fenomeni di trasporto
• Modello di membrana cellulare
• Genesi dei potenziali di membrana: il potenziale di azione
• L'elettrocardiogramma (ECG), l'elettroencefalogramma (EEG) e l’elettromiogramma (EMG)
• Seminario 2. Sistemi di supporto alla vita: pacemaker e defibrillatori
• Seminario 3. Elaborazione di segnali bioelettrici: ECG, EMG (Matlab)

MODULO 2: BIOMECCANICA

• Vengono introdotte le basi della biomeccanica. I modelli esplorati sono quelli del punto materiale, del corpo rigido e della catena multisegmentale di corpi rigidi, per giungere a fornire gli elementi di conoscenza essenziali nell'analisi teorica e strumentale del movimento umano, nei suoi aspetti cinematici e dinamici.
• Vengono illustrate le principali apparecchiature per l’acquisizione della cinematica e della dinamica del movimento umano: stereo-fotogrammetria, pedana dinamometrica, elettromiografia, sensoristica indossabile.
• Verranno effettuate tre esercitazioni pratiche presso il Laboratorio di Analisi del Movimento della Record. Queste avranno come obiettivi: 1) la valutazione dell’accuratezza e della precisione delle apparecchiature; 2) la valutazione della cinematica del corpo durante l’esecuzione di semplici atti motori (cammino, alzata da una sedia, salto, postura ortostatica, ecc.); 3) la valutazione della dinamica mediante l’uso della pedana di forza e dell’elettromiografo; 4) l’uso di sensori indossabili per la stima della cinematica angolare. Ognuna delle tre esercitazioni porterà allo sviluppo di un progetto da parte di un gruppo di studenti.

Testi/Bibliografia

Cappello A., Cappozzo A., Di Prampero P.E. Bioingegneria della postura e del movimento, Collana di Ingegneria Biomedica, 2003, Patron Editore.

Cobelli C., Carson E. Introduzione alla modellistica in fisiologia e medicina, Collana di Ingegneria Biomedica, 2012, Patron Editore.

Özkaya N., Nordin M., Goldsheyder D., Leger D. Fondamenti di biomeccanica. Equilibrio, movimento e deformazione, Padova, Piccin Nuova Libraria spa, 2021 (trad. Cappello A., Chiari L.)

Metodi didattici

Il programma del corso è svolto in aula attraverso un ciclo di lezioni frontali. Il corso è integrato da seminari, da esercitazioni al calcolatore in ambiente Matlab e da esercitazioni pratiche relative alla biomeccanica e all'analisi del movimento umano. Il materiale didattico, costituito da copia dei file power point, dispense ed esercizi, è reso disponibile on line prima della lezione.

In considerazione della tipologia di attività e dei metodi didattici adottati, la frequenza di questa attività formativa richiede la preventiva partecipazione di tutti gli studenti ai moduli 1 e 2 di formazione sulla sicurezza nei luoghi di studio [https://elearning-sicurezza.unibo.it/] in modalità e-learning.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

MODULO 1: l’apprendimento sarà verificato attraverso una prova scritta contenente due esercizi e alcune domande a risposta multipla.

MODULO 2: L’apprendimento sarà verificato attraverso la presentazione e la discussione del progetto.

La votazione finale sarà la media dei voti ottenuti per il MODULO 1 ed il MODULO 2.

Strumenti a supporto della didattica

Slide Power Point, videoproiettore, PC/laptop con Matlab, Laboratorio di Analisi del Movimento.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Lorenzo Chiari

Consulta il sito web di Silvia Fantozzi