Presentazione di PowerPoint - Sensibilab

Progetto Prospero
Politecnico di Milano - Polo Regionale di Lecco
Anno accademico 2011-2012
IL POLITECNICO DI MILANO
Docenti: G. Andreoni & P. Perego
Politecnico di Milano
POLIMI NETWORK › 7 campuses › 42.000 students
COMO Design/Eng.
LEONARDO Arch./Eng.
LECCO Eng.
CREMONA Eng.
MANTOVA Arch.
MI
BOVISA Design/Arch./Eng.
PIACENZA Arch./Eng.
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
THE POLIMI | the 9 schools
-
SCHOOL OF DESIGN
-
1st
Communication ∙ Fashion
Interior Design ∙ Industrial Design
-
SCHOOLS OF ARCHITECTURE
-
1st
Environmental Architecture ∙ Urban Planning
-
2nd
Architecture ∙ Construction ∙ Architecture
-
SCHOOLS OF ENGINEERING
-
1st
Environmental and Land Planning ∙ Civil
-
2nd
Management ∙ Biomedical ∙ Physics ∙ Math
-
3rd
Chemical ∙ Electrical ∙ Materials ∙ Nuclear
-
4th
Aeronautical ∙ Energy ∙ Mechanical ∙ Transportation
-
5th
Automation ∙ Electronic ∙ Computer Science ∙ Telecom.
-
6th
Building
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
THE POLIMI | the 16 departments
-› aerospace engineering
-› architectural projects
-› architecture and planning (diap)
-› bioengineering
-› chemistry materials and chemical engineering
-› electrical engineering
-› electronics and information
-› energy
-› building and environment sciences and technology
-› environmental, hydraulic, infrastructures and surveying
-› INDACO - INDUSTRIAL DESIGN, ARTS, COMMUNICATION AND FASHION
-› management, economics and industrial engineering
-› mathematics “francesco brioschi”
-› mechanics
-› physics
-› structural engineering
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
5
Introduction
Healthcare 2020…
from
... a new complex and
multifactorial process in
which technological factors,
organizational, and human
dimensions must find a
balanced mix for a full
success.
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Cure
to
Care
6
Introduction
• Politecnico di Milano promotes the integration of skills and
collaboration with medical and social disciplines to develop innovative
technologies, methodologies and services for a human-centered
healthcare.
Human
Design
Technology
• Specific topics that were developed in the Lecco experience were
rehabilitation and Assistive Technologies thanks to the presence in
our territory of extraordinary excellences among the clinical and
industrial partners.
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
7
Introduzione
• Oggi parliamo di …
Human
Design
Technology
Bioingegneria o Ingegneria Biomedica
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Progetto Prospero
Politecnico di Milano - Polo Regionale di Lecco
Anno accademico 2011-2012
LA BIOINGEGNERIA
Docenti: G. Andreoni & P. Perego
Politecnico di Milano
9
Definizione di Bioingegneria
La Bioingegneria (o Ingegneria Biomedica) è una disciplina che utilizza
metodologie e tecnologie proprie dell’ingegneria elettronica, informatica,
meccanica e chimica per affrontare problemi relativi alle scienze della
vita.
Obiettivi:
- Miglioramento
delle
conoscenze
relative al funzionamento dei sistemi
biologici
- Sviluppo di nuove metodologie e
tecnologie per sistemi di diagnosi,
terapia e riabilitazione
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
10
Le discipline della Bioingegneria
L’ingegneria biomedica è una scienza multidisciplinare in quanto
comprende conoscenze delle più svariate materie.
• 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
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
11
Le discipline della Bioingegneria
• 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
• 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. 1995
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Cosa fa l’Ingegnere Biomedico
Studio dei sistemi biologici
12
Studio di sistemi biologici mediante l’utilizzo di metodi e modelli.
GAMBA
ASTRAGALO
Analisi del Movimento
Tecnologie
PIEDE
--> Dati --> Modelli --> Interpretazione -> Clinica
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Cosa fa l’Ingegnere Biomedico
Esempi di utilizzo dell’analisi del movimento
13
Motion Capture e analisi del gesto sportivo
Gait Analysis
Motion Capture
Valutazione del gesto sportivo
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Cosa fa l’Ingegnere Biomedico
Bioingegneria elettronica
14
Sviluppo di strumentazione e dispositivi diagnostici, terapeutici e
riabilitativi a tecnologia avanzata.
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” (ad es. tensione o
- variazione di tensione)
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioingegneria elettronica
Strumentazione biomedica
15
Strumentazione biomedica
(Rappresentazione schematica)
Controllo
e
Feedback
Biosensore
Elemento sensibile
primario
Alimentazione
Elemento di
conversione
Segnale di
calibrazione
Stimolo applicato
(radiazione, energia)
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Elaborazione del
segnale
Memorizzazione dei
dati
Presentazione del
segnale
Trasmissione dei
dati
Bioingegneria elettronica
Segnali biomedici
16
Esempi di grandezze biomediche misurabili
Attività elettrica cerebrale (EEG, MEG)
pressione intracranica
proprietà meccaniche
del timpano
temperatura
ERG, EOG
pressione arteriosa
pressione intraesofagea
flusso sanguigno
respirazione: volume VO2, VCO2,
pressioni pO2, pCO2
suoni cardiaci, polmonari
gittata cardiaca
attività elettrica muscolare (EMG)
attività elettrica cardiaca (ECG)
radiopacità
impedenza acustica
pH ematico
antropometria
concentrazioni enzimatiche
movimenti
mappe di potenziali, temperatura
livello di idratazione,
flusso sanguigno cutaneo
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
interazione dinamica
Bioingegneria elettronica
Segnali biomedici
17
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 uno stimolo esterno
Esempi :
- potenziali evocati
- gittata cardiaca (metodo della diluizione)
- configurazione arterie coronariche (angiografia)
- immagini diagnostiche(radiologia, TAC, RMN)
- metabolismo del glucosio
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioingegneria elettronica
Segnali biomedici
Classificazione dei segnali biologici
Classificazione per variabile indipendente:
-Segnali Temporali: ECG, EEG, pressione
sanguinea... (segnali bioelettrici)
-Segnali Spaziali: radiografie, mappe di
temperatura (bioimmagini, mappe)
-Segnali Spazio-temporali: spazio e tempo
concorrono come variabili indipendenti
(ecocardiografia dinamica, RMN funzionale)
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
18
Bioingegneria elettronica
Segnali biomedici
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
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
19
Bioingegneria elettronica
Segnali biomedici
20
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
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioingegneria elettronica
Segnali biomedici
21
I Biopotenziali
• I segnali elettrici di origine biologica rappresentano le variabili
biomediche che meglio si prestano ad una analisi effettuata
con strumentazioni di tipo elettronico
• I potenziali bioelettrici rappresentano il risultato dell’attività
elettrochimica delle cellule “eccitabili”.
• Sono cellule eccitabili:
• le cellule muscolari (cardiache in particolare)
• le cellule nervose (neuroni e recettori)
• alcune cellule ghiandolari
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioingegneria elettronica
Segnali biomedici
22
Dove sono utilizzati i Biopotenziali
Applicazioni diagnostiche
Applicazioni terapeutico-riabilitative
-EMG
-ECG
-ENG
-EEG
-ERG
-Stimolazione
-Pacemaker
-Defibrillatori
-Stimolazione muscolare
-FES
-Stimolazione del frenico
Altre applicazioni
-EOG
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioingegneria elettronica
Esempi di applicazioni dei Biopotenziali
EMG - Elettromiografia
Analisi della funzionalità dell’attivazione muscolare
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
23
Bioingegneria elettronica
Esempi di applicazioni dei Biopotenziali
24
ENG - ElettroNeurografia
Analisi della funzionalità del sistema nervoso periferico
Si valuta l’integrità delle fibre nervose di motoneuroni
attraverso la quantificazione della velocità di conduzione dello
stimolo
-+
-Vm(t)
-S2
-S1
--
-+
--
-D
-S2
-u=D/(L1-L2)
-L2
-S1
-L1
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioingegneria elettronica
Esempi di applicazioni dei Biopotenziali
ECG - ElettroCardiografia
Analisi della funzionalità cardiaca
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
25
Bioingegneria elettronica
Esempi di applicazioni dei Biopotenziali
26
- l’elettrocardiografia si basa su un modello
semplificato dell’attività elettrica del cuore,
considerandolo come un dipolo di carica
immerso in un mezzo parzialmente
conduttivo (il torace)
- il campo elettrico è variabile in funzione
del tempo con l’attività del cuore e viene
rappresentato con un vettore (momento di
dipolo) (M )
--+
-M
- il potenziale elettrico cardiaco appare
lungo tutto il corpo e sulla sua superficie
- ponendo una coppia di elettrodi in
corrispondenza di due punti anatomici
diversi, misuro una differenza di potenziale
tra i due elettrodi
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioingegneria elettronica
Esempi di applicazioni dei Biopotenziali
27
ECG Wearable per Telemedicina ed applicazioni sportive
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioingegneria elettronica
Esempi di applicazioni dei Biopotenziali
28
EEG - ElettroEncefalografia
Analisi della funzionalità del sistema nervoso centrale
-sonno
profondo
-sonnolenza
-riposo a occhi
chiusi
-attività
-delta<4
Hz
-4Hz<teta<8 Hz
-8Hz<alfa<13 Hz
-13 Hz< beta<35 Hz
-100 V
-<100 V
-20-60 V
-10-30 V
-Sincronizzazione ad alta frequenza nell’epilessia
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioingegneria elettronica
Esempi di applicazioni dei Biopotenziali
29
EEG - ElettroEncefalografia
EEG Veglia Normale
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
EEG Crisi Epilettica
Bioingegneria elettronica
Esempi di applicazioni dei Biopotenziali
EEG – Potenziali Corticali Evocati
Analisi della funzionalità del sistema nervoso centrale
Mappe di Potenziale
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
30
Bioingegneria elettronica
Un Esempio di biopotenziali in campo riabilitativo
FES – Stimolazione Elettrica Funzionale
Emiplegia e Paraplegia
• Mantenimento e rinforzo del tono
muscolare nel paraplegico
-
• Stimolazione della mano per
facilitare la prensione
• Ausilio per l’alzata-seduta
• Eliminazione della caduta del
piede nell’emiplegico
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
31
Bioingegneria elettronica
Un Esempio di biopotenziali in campo riabilitativo
32
FES – Stimolazione del Nervo Frenico
Alcune patologie, come la distrofia muscolare e il Botulino, incidenti
o tumori possono provocare una lesione del nervo frenico.
I danni al nervo frenico limitano seriamente la capacità respiratoria di
una persona.
La stimolazione del nervo frenico può essere utilizzata per il
recupero della ventilazione nei pazienti con lesioni spinali alte.
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioingegneria elettronica
Un Esempio di biopotenziali in campo riabilitativo
33
Pacemaker Cardaico
Il pacemaker cardaico è un dispositivo per il controllo della pulsatilità
cardiaca.
Stimola elettronicamente la contrazione del cuore quando questa non
viene assicurata in maniera nomrale dal tessuto cardaico (nodo
senoatriale).
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioingegneria elettronica
Un Esempio di biopotenziali in campo riabilitativo
Pacemaker Cerebrale
Deep Brain Stimulation
Il pacemaker cerebrale invia
impulsi elettrici a zone ben definite
dell’enecefalo.
È utilzzato per il tratta di patologie
neurologiche
quali
Parkinson,
distonia, sindrome di Tourette.
È utilizzato anche per la cura del
dolore
dell’arto
fantasma,
depressione e disturbi ossessivocompulsivi
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
34
Cosa fa l’Ingegnere Biomedico
Bioimmagini
35
Sviluppo di metodi di registrazione, elaborazione e
trattamento di immagini biologiche e mediche.
Le Bioimmagini sono immagini create a partire da un essere vivente, ossia
una figura relativa all’anatomia o alla fisiologia di una parte del corpo
(umano o animale).
Tipi di Bioimmagini:
Mappe: rappresentazioni di una grandezza riferita alla superficie corporea
a partire da misure in punti discreti.
Proiezioni: immagini su di un piano di proiezione a partire da un centro;
ogni punto rappresenta l’integrale di una grandezza fisica sulla linea di
proiezione che attraversa il volume da misurare (RX)
Tomografie: immagini ricostruite di sezioni virtuali del corpo a partire da
misure esterne (TAC, SPECT, PET)
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioimmagini
Tipologie di bioimmagini
36
Tipologie di bioimmagini
In base alla grandezza fisica misurata
- Radiazioni ionizzanti, attenuazione: fotoni x per radiografie e
tomografie
- Radiazioni ionizzanti, emissione: fotoni gamma emessi da radionuclidi
per scintigrafie e tomografie SPECT. Coppie di fotoni emessi i direzione
opposta a seguito di emissione di positroni per tomografie PET
- Ultrasuoni: Onde elastiche oltre la banda uditiva umana. Il tempo di
ritorno dell’eco e la sua energia sono alla base della formazione
dell’immagine.
- Onde radio: Onde radio in campi magnetici da 0,5 a 15 Tesla sono legate
alla frequenza di risonanza magnetica nucleare di particolari elementi
(idrogeno). L’energia delle onde radio è assorbita dagli atomi e riemessa
sotto forma di segnale RF utilizzato per la ricostruzione dell’immagine
tomografia MRI.
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioimmagini
RX e TAC
37
La radiografia si basa sull'utilizzo dei raggi X e sull'effetto di
frenamento dovuto all'interazione tra materia e radiazione.
N = N0e-ux
Inventata dal fisico tedesco Wilhelm
Conrad Röntgen nel 1895, ha subìto
numerosi sviluppi e da questa son
nate altre tecniche diagnostiche.
Con l'avvento delle tecniche digitali la
radiografia
tradizionale
è
profondamente mutata nelle tecniche e
nei metodi.
- Miglior risoluzione
- Minori danni ai pazienti
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioimmagini
RX e TAC
38
Utilizzando particolari configurazioni di emettitori e ricevitori è possibile
ricostruire immagini tomografiche (ricostruzione di volumi) a partire da
proiezioni planari.
L’utilizzo di raggi X a bassa potenza permette inoltre di acquisire immagini
radioscopiche dinamiche.
Pregi:
- Alta risoluzione spaziale
- Alta risoluzione temporale
- Alto contrasto
Difetti:
- Radiazioni ionizzanti
- Invasiva
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioimmagini
Immagini Radioscopiche – PET e SPECT
39
Fanno parte della medicina nucleare
La principale caratteristicha di queste bioimmagini è quella di far uso di
traccianti radioattivi per essere generate.
Esami di Medicina nucleare:
- SPECT cerebrale
- SPECT miocardica
- Angiocardioscintigrafia
- Scintigrafia tiroidea
- Scintigrafia ossea
- Scintigrafia polmonare
- Mammoscintigrafia
Sono esami invasivi perché fanno uso di traccianti.
Hanno una bassa risoluzione spaziale.
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioimmagini
Ultrasuoni
40
Utilizzano onde sonore oltre la banda di percezione dell’uomo.
In base al mezzo in cui si trasmettono varia la velocità di propagazione
dell’onda. In base all’intensità e al tempo di ritorno dell’eco è possibile
ricostruire le immagini.
Pregi:
- Innocua per il paziente (non invasività).
- Ottima risoluzione temporale.
- Possibilità di ricostruzione 3d.
- Mezzi
di
contrasto
non
invasivi
(microbolle).
Difetti:
- Problemi in presenza di aria e ossa.
- Bassa risoluzione spaziale
Ecografia 3d e 4d
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Bioimmagini
Risonanza magnetica nucleare
41
Si basa sulla interazione tra onde a radiofrequenza e i tessuti biologici,
quando questi sono immersi in un campo magnetico.
Scoperta del fenomeno (Bloch e Purcell nel 1946, Nobel nel 1952).
Nel 1973 Lauterbur dimostra l’utilizzo della risonanza magnetica per la
ricostruzione delle immagini. Nel 2003 Lauterbur e Mansfield sono stati
insigniti del premio Nobel.
Pregi:
- Non
utilizza
radiazioni
ionizzanti: è quindi non invasiva e
non provoca danni ai tessuti.
- Notevole
capacità
discriminare i tessuti molli
di
- Possibilità di ottenere immagini
di sezioni qualsiasi e di
ricostruzione volumetrica.
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Risonanza Magnetica Nucleare
Cosa fa l’Ingegnere Biomedico
Biomateriali
42
Studio di Biomateriali e
Ingegneria dei tessuti Biologici
Un biomateriale è un materiale che si interfaccia direttamente con il
sistema biologico per valutare, trattare, aumentare o sostituire un
qualunque tessuto, organo o funzione dell’organismo.
L’ambiente operativo di un biomateriale è fisiologico:
-Notevole attività chimica
-Sollecitazioni meccaniche
Per tale ragione un qualunque biomateriale provoca una risposta
biologica dell’organismo in cui si trova ad operare, che a sua volta causa
un processo di degradazione nel biomateriale stesso. Si parla quindi di
doppia interazione tra i due sistemi.
Biocompatibilità:
Parametro che indica la dannosità di una sostanza per un organismo
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Cosa fa l’Ingegnere Biomedico
Ingegneria dei Tessuti
43
L’ingegneria dei tessuti è “un campo interdisciplinare che applica i principi
dell’ingegneria e delle scienze della vita allo sviluppo di sostituti biologici per
ristabilire, mantenere o migliorare la funzione di tessuti e organi danneggiati”.
Per applicazioni nel corpo umano (ma lo stesso varrebbe per applicazioni in altri
esseri viventi) le cellule vengono prelevate da tessuti dello stesso paziente che
subirà successivamente il trapianto del tessuto neoformato in laboratorio.
I campi di applicazione principali sono:
- Fabbricazione di pelle e corena
- Rigenerazione ossea
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Cosa fa l’Ingegnere Biomedico
Protesi e ortesi
44
Sviluppo di tecnologie per la disabilità:
Ortesi, Protesi e organi artificiali
Una protesi è un dispositivo artificiale atto a sostituire o ad integrare un
organo o una parte del corpo danneggiata.
Ortesi dentaria
Ginocchio artificiale
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Impianto Cocleare
Cosa fa l’Ingegnere Biomedico
Protesi e ortesi
45
Per ortesi si intende un dispositivo medico, un ausilio, un tutore,
un'apparecchiatura
ortopedica
o
simili,
utilizzati
in ortopedia o traumatologia nel trattamento di alcune patologie.
Esempi:
- Collari cervicali
- Ginocchiere
- Cavigliere
- Busti
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
Cosa fa l’Ingegnere Biomedico
Ausili per disabili
Sviluppo di ausili per disabili
Sviluppo di dispositivi ed ausili per il supporto ai disabili:
- Ergonomic design
- Assistive technology
- Home care
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi
46
47
Sbocchi professionali
Per il laureato in Ingegneria Biomedica si sono affermate da tempo tre
principali figure professionali:
- Progettista e gestore della produzione e commercializzazione di
dispositivi, apparecchi e sistemi Biomedicali;
- Responsabile nella organizzazione e pianificazione di Servizi Sanitari,
nonché nella gestione dei dispositivi, delle tecnologie e degli impianti
medicali per un uso sicuro, appropriato ed economico (Ingegnere clinico);
- Ricercatore in strutture ospedaliere, industriali, universitarie ed in centri
di ricerca e sviluppo pubblici e privati.
Pertanto i principali sbocchi occupazionali di un laureato in Ingegneria
Biomedica sono:
- Società ed industrie di progettazione, produzione e commercializzazione
del settore biomedico e farmaceutico;
- Aziende ospedaliere e sanitarie pubbliche e private;
- Società di servizi per la gestione e la manutenzione di apparecchiature
ed impianti medicali, anche di telematica sanitaria e di telemedicina;
- Laboratori specializzati e Centri di Ricerca
Giuseppe
Cesare
Andreoni
Alippi