PRESENTAZIONE

Lo sviluppo recente nella Strumentazione Biomedica per diagnosi, terapia e riabilitazione e la sua diffusione in molti settori della pratica clinica, pongono una sfida significativa ai docenti di bioingegneria chiamati a preparare figure professionali in grado di operare efficacemente in attività di sviluppo, di progettazione, di produzione e di gestione tecnica delle apparecchiature biomedicali. La molteplicità e la varietà degli argomenti è tale che essi non possono essere trattati con il necessario approfondimento in un unico corso. Per questa ragione, durante il corso, si affronteranno i principali sistemi di strumentazione biomedicale per l’acquisizione di alcuni segnali fisiologici e per la diagnosi per immagini.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Il corso intende esaminare alcune tipologie di strumentazione per l’acquisizione di segnali biomedici con particolare riferimento alla strumentazione diagnostica per bioimmagini, e al trattamento ed elaborazione dei dati acquisiti. Vengono descritti i principi di funzionamento, le problematiche di progettazione, lo stato dell'arte e le prospettive future di ulteriori sviluppi, tenendo sempre in considerazione le problematiche di interazione col corpo umano e di sicurezza del paziente.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Il corso intende esaminare alcune tipologie di strumentazione per l’acquisizione di segnali biomedici con particolare riferimento alla strumentazione diagnostica per bioimmagini, e al trattamento ed elaborazione dei dati acquisiti. Vengono descritti i principi di funzionamento, le problematiche di progettazione, lo stato dell'arte e le prospettive future di sviluppo, tenendo sempre in considerazione le problematiche di interazione col corpo umano e di sicurezza del paziente. Nello specifico gli obiettivi formativi risultano i seguenti:

• Comprendere il principio fisico su cui si basano i principali dispositivi di imaging.
• Analizzare la catena di acquisizione del segnale, dalla generazione alla digitalizzazione.
• Esaminare le problematiche progettuali legate alla sicurezza, alla compatibilità biologica e all'interazione con il corpo umano.
• Valutare lo stato dell’arte delle tecnologie e le prospettive di sviluppo in ambito biomedicale.

Il corso si propone di fornire agli studenti le competenze necessarie per:

1. Comprendere il funzionamento e le basi fisiche delle principali tecnologie utilizzate per la diagnostica per immagini e la misura di segnali biomedici.
2. Analizzare le architetture strumentali impiegate nell’acquisizione e nella trasmissione del segnale biomedico.
3. Valutare criticamente le prestazioni delle tecnologie diagnostiche in termini di risoluzione, accuratezza, affidabilità e sicurezza per il paziente.
4. Applicare metodologie di trattamento ed elaborazione del segnale per migliorare l’interpretazione dei dati biomedici.
5. Sviluppare consapevolezza sull’interazione tra dispositivi e corpo umano, con attenzione alla sicurezza elettrica, biologica e magnetica.
6. Riconoscere i vincoli progettuali e le sfide ingegneristiche nella realizzazione di dispositivi biomedicali.
7. Individuare le tendenze emergenti nel settore dell’imaging medico e della sensoristica clinica.

PREREQUISITI

Conoscenze di base consigliate

1. Fisica
   • Onde elettromagnetiche, acustiche e campi magnetici
   • Principi di attenuazione e riflessione
   • Legge di Lambert-Beer, risonanza magnetica nucleare
2. Matematica
   • Algebra lineare (matrici, autovalori)
   • Analisi (funzioni, derivate, integrali)
   • Trasformate (Fourier, Laplace) per il trattamento del segnale
3. Elettronica e Strumentazione
   • Componenti base (amplificatori, filtri, ADC)
   • Sensori e trasduttori
4. Informatica e Programmazione
   • Concetti di base di acquisizione e gestione dati
   • Fondamenti di elaborazione numerica e visualizzazione immagini (es. MATLAB, Python)
5. Fondamenti di anatomia e fisiologia
   • Nozioni elementari di struttura del corpo umano, in particolare:
     • Sistema nervoso
     • Sistema cardiovascolare
     • Struttura dei tessuti (per microscopia e imaging)

MODALITA' DIDATTICHE

L’insegnamento si compone di lezioni frontali, per un totale di 48 ore. La frequenza alle lezioni  è obbligatoria, come da Regolamento didattico.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Il programma del corso prevede la presentazione e discussione dei seguenti argomenti:

• Lo sviluppo della strumentazione biomedica: Cenni storici, l’età della strumentazione biomedica, classificazione della strumentazione biomedica.
• I concetti base della strumentazione biomedica: Il concetto di sistema di misura, l’architettura dei sistemi per misure mediche, descrizione funzionale del sistema, metodi per ridurre l’influenza degli ingressi spuri, l’errore di interconnessione
• Sistemi di supporto alle immagini biomediche: Formati immagine e compressione, DICOM, PACS
• Microscopia: Origini della microscopia, principi di ottica, microscopia ottica, metodi di illuminazione in microscopia.
• Ingegneria dei tessuti: L’approccio tradizionale dell’ingegneria dei tessuti, funzioni dei bioreattori nell’ingegneria dei tessuti, tipologie di bioreattori 3D per l’ingegneria dei tessuti, sistemi di bioreattori 2D per l’ingegneria dei tessuti, nuovi prototipi di sistemi di bioreattori, alcuni prodotti commerciali di bioreattori.
• Raggi X: Proprietà dei raggi X. Interazione con la materia, attenuazione. Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti
• Radiografia - Tomografia assiale computerizzata: Il tubo radiogeno: anodo, catodo. Strumentazione per radiografia. Lastra radiografica, schermi di rinforzo, intensificatori di brillanza, Evoluzione degli apparecchi TAC.. Schema generale di un sistema TC. Il gantry. TAC elicolidale
• Risonanza magnetica nucleare: Il principio della risonanza magnetica. Moto di precessione e frequenza di Larmor. Segnale di FID e di echo, eccitazione a RF, sequenze di impulsi. I gradienti e l'informazione spaziale. Struttura di un tomografo per RM, decodifica spaziale e spazio K. I mezzi di contrasto in RM. Sicurezza del paziente. Immagini funzionali con risonanza magnetica
• I sistemi a ultrasuoni per la diagnosi clinica

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Tutte le slides utilizzate durante le lezioni e altro materiale didattico saranno disponibili su aul@web.

I libri sottoindicati sono fortemente suggeriti come testi di appoggio per completare la propria preparazione, ma gli studenti possono comunque utilizzare anche altri testi di livello universitario, purché siano edizioni pubblicate negli ultimi 5 anni.

1. J.G. Webster. Medical Instrumentation - Application and Design 4th Edition. Wiley.
2. Zhi - Pei Liang, Paul C. Lauterbur - Principles of Magnetic Resonance Imaging
3. Scott A. Huettel, Allen W. Song - Functional Magnetic Resonance Imaging

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

MARCO MASSIMO FATO (Presidente)

ANDREA CANESSA

GABRIELE ARNULFO (Presidente Supplente)

SERENA RICCI (Supplente)

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

https://corsi.unige.it/corsi/8713/studenti-orario

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L’esame si svolgerà in forma scritta e consisterà in domande a risposta aperta.
L’obiettivo è verificare:

• la comprensione dei principi fisici e ingegneristici alla base della strumentazione per bioimmagini e segnali biomedici;
• la capacità di analisi critica delle tecnologie trattate;
• la padronanza dei concetti relativi alla sicurezza del paziente, all’interazione corpo-dispositivo e al trattamento del segnale;
• la chiarezza espositiva e la capacità di collegamento tra teoria e applicazioni cliniche.

Le domande potranno riguardare:

• il funzionamento di TAC, MR, ecografia, radiografia e microscopia;
• la progettazione e l’analisi di catene di acquisizione per segnali fisiologici;
• le problematiche connesse all’elaborazione dei dati e all’uso sicuro delle apparecchiature biomedicali.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

La prova sarà valutata sulla base di:

• completezza e correttezza tecnica delle risposte;
• uso appropriato della terminologia scientifica;
• capacità di sintesi e argomentazione;
• applicazione autonoma delle conoscenze.

ALTRE INFORMAZIONI

Chiedere al professore altre informazioni non incluse nel programma didattico.