GRUPPO DI
BIOINGEGNERIA
1
RICERCHE PRESENTATE
1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci
2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e
immagini biomediche e applicazioni diagnostiche
3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in
oftalmologia
4. Riabilitazione e funzione motoria
5. Information & Communication Technology nella Sanità2
BIOMEDICAL ENGINEERING
Biomedical engineering is a discipline that advances knowledge
in engineering, biology and medicine, and improves human
health through cross-disciplinary activities that integrate the
engineering sciences with the biomedical sciences and clinical
practice.
Dal 1975, oltre 575 milioni di
dollari
per
promuovere
didattica e ricerca in
Bioingegneria.
http://www.whitaker.org
3
DIDATTICA
NUMERO DEI PROGRAMMI DI I°, II°, III° LIVELLO IN BIOINGEGNERIA
ITALIA
STATI UNITI
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
12
10
8
Anno 1994
6
Anno 2002
4
Anno 1994
Anno 2002
2
0
BS
MS
PhD
DU o LAUREA LAUREA DOTTORATO
IN BIOING.
TRIENNALE
QUINQ.
FONTE: http://www.whitaker.org/glance/programs.html
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RICERCHE PRESENTATE
1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci
2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e
immagini biomediche e applicazioni diagnostiche
3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in
oftalmologia
4. Riabilitazione e funzione motoria
5. Information & Communication Technology nella Sanità
5
1. MODELLI PER LO STUDIO DELLA
CINETICA DI FARMACI
6
PROBLEMA: SISTEMI COMPLESSI E SITI INACCESSIBILI IN VIVO
...
SISTEMA FISIOLOGICO
Assorbimento, trasporto, utilizzazione
del farmaco.
Masse negli organi e nei tessuti
MISURE
?
POOL
ACCESSIBILE
•Modelli black-box
•Modelli strutturali
7
Deconvoluzione
Enti finanziatori: MIUR-COFIN 2000
Concentrazione nel plasma
STIMA DI FLUSSI
Assorbimento
?
INGRESSO
SISTEMA
SISTEMA
USCITA
DIFFICILE IN GENERALE: mal-condizionamento
IN PIU’: campionamento rado/non uniforme, segnali non stazionari, intervalli di
confidenza importanti, vincoli fisiologici, risposta impulsiva solo parzialmente
nota, ...
8
DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE WINSTODEC
Enti finanziatori: GlaxoSmithKline (Middlesex, UK)
9
MODELLO MATEMATICO
+
+
SISTEMA
FISIOLOGICO
...
A
Assorbimento, trasporto, utilizzazione
del farmaco.
D
Masse negli organi
e nei tessuti
MISURE
MISURE
C
?
dx/dt = f(x,t,p) + u(t)
y(t) = g(t, x, p) + v(t)
B
POOL
POOL
ACCESSIBILE
ACCESSIBILE
Identificabilità a Priori
Complesse relazioni non lineari fra i
parametri
COMPUTER ALGEBRA e ALGEBRA
DIFFERENZIALE
Stima parametrica
Campioni radi/rumorosi, intervalli di
confidenza importanti per
classificazione, vincoli sui parametri, ..
INFORMAZIONE A PRIORI E STIMA
ALLA BAYES (MCMC)
10
Approccio “di Popolazione” a deconvoluzione e stima
parametrica
SITUAZIONE DATA POOR: nel singolo soggetto basso SNR e/o pochissimi
campioni per cui non si riescono a stimare i parametri o i flussi incogniti
individuali (esempio: trial clinici di farmaci)
APPROCCIO DI POPOLAZIONE: STUDIO N SOGGETTI
(SUPPOSTI OMOGENEI) ASSIEME
ESEMPIO: MODELLISTICA A
LIVELLO DI PIXEL DA IMMAGINI
PET
11
Studio del sistema recettoriale nel cervello da immagini PET
Enti finanziatori: MURST COFIN-2000, GlaxoSmithKline (Verona)
CAPIRE L’INTERAZIONE FARMACO-RECETTORE
CONCENTRAZIONE DEL FARMACO
(un antidepressivo) IN UNA SEZIONE
DEL CERVELLO
MODELLI A
REGIONE DI
RIFERIMENTO
IMMAGINE DEL POTENZIALE DI
LEGAME DEL FARMACO
consente di valutare l’efficacia del farmaco (ad
12
esempio in base al numero di recettori occupati)
RICERCHE PRESENTATE
Modelli
per lo studio della cinetica di farmaci
2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e
immagini biomediche e applicazioni diagnostiche
3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in
oftalmologia
4. Riabilitazione e funzione motoria
5. Information & Communication Technology nella Sanità
13
2. METODI DI ELABORAZIONE ED
ANALISI DI DATI, SEGNALI E IMMAGINI
BIOMEDICHE E APPLICAZIONI
DIAGNOSTICHE
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Analisi del segnale elettroencefalografico
Enti finanziatori: Micromed SRL (Mogliano Veneto, TV), Regione Veneto
SCOPO: ANALIZZARE LA SINCRONIZZAZIONE DELLE ATTIVITA’ DELLE DIVERSE AREE
DEL CERVELLO DURANTE TASK COGNITIVI (es. esecuzione di un compito allo stimolo)
CROSS APPROXIMATE ENTROPY
COERENZA
TECNICHE TEMPO-FREQUENZA
15
DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE PER ANALISI DI COERENZA DI TRACCIATI
EEG
Ente finanziatore: Regione Veneto
Autospettro 1
Funzione Coerenza
Autospettro 2
16
DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE PER ANALISI TEMPO FREQUENZA DI
POTENZIALI EVOCATI
Ente finanziatore: Micromed SRL (Mogliano, TV)
17
Potenziali evocati uditivi
Enti finanziatori: MIUR COFIN-2002
USO IN AUDIOMETRIA FREQUENZIALE CLINICA DEI POTENZIALI EVOCATI DA
TONI MODULATI
Assieme all’EEG di fondo c’e’ anche attività
evocata dallo stimolo ?
SISTEMA
ANALISI DI SPETTRO
18
STUDIO DEI MECCANISMI NEUROFISIOLOGICI DI GENERAZIONE DEI POTENZIALI EVOCATI
DI STATO STAZIONARIO
treno di click
METODI ITERATIVI BASATI SULLA
DECONVOLUZIONE
?
Tempo-Variante potenziale evocato di stato
stazionario misurato
QUANTIFICAZIONE DELL’
ADATTAMENTO
SSR a 40 Hz, 15 risposte impulsive
19
Gene Network da dati di microarray di DNA
CAPIRE QUALI GENI SI ESPRIMONO IN PRESENZA DI INSULINA E COME
INTERAGISCONO TRA LORO
...
livello espressione
0
Studio in vitro di cellule muscolari (incubate in insulina), con un
campionamento ogni 10 minuti
...
20
10
Analisi delle sequenze
temporali del livello di
espressione dei vari geni
nestin
GRa4
GAD65
0
GENE NETWORK
20
40
20
60
min
80
Cluser analysis dei dati di
microarray di DNA (software
public-domain Genesis,
Università di Graz)
21
Imaging PET della cinetica del glucosio nel muscolo
Enti finanziatori: National Institutes of Health
QUANTIFICAZIONE DEL TRASPORTO E METABOLISMO DEL
GLUCOSIO A LIVELLO DI PIXEL
Esempio: GAMBA
...
SEQUENZA DI IMMAGINI
della CONCENTRAZIONE DI FDG
METODOLOGIE
MODELLISTICHE
VEL. CONSUMO
DI GLUCOSIO
22
dalla PET alla MRI
VANTAGGI
• Etici: assenza di radiazioni ionizzanti
• Economici: costa meno (apparati, personale, …)
23
Imaging MRI dell’emodinamica cerebrale
DECONVOLUZIONE
STIMA DI FLUSSO E VOLUME EMATICO NEL CERVELLO
Si usa un agente di contrasto esogeno paramagnetico (gadolinio, che fa per noi
da “spia” dell’emodinamica)
IMMAGINE DI
RISONANZA
LIVELLO DI
PIXEL
Mappa del Flusso Mappa del Volume
Ematico
Ematico
(es. uso nella diagnosi24della
stenosi carotidea)
Esempio: STUDIO DELL’EMODINAMICA CEREBRALE MRI CON TRACCIANTE
ESOGENO (GADOLINIO)
paziente con stenosi
carotidea destra
MODELLO
Flusso ematico
Volume ematico
25
RICERCHE PRESENTATE
Modelli
per lo studio della cinetica di farmaci
Metodi
di elaborazione ed analisi di dati, segnali e
immagini biomediche e applicazioni diagnostiche
3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica
in oftalmologia
4. Riabilitazione e funzione motoria
5. Information & Communication Technology nella Sanità
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3. ELABORAZIONE E ANALISI DI
IMMAGINI PER DIAGNOSTICA IN
OFTALMOLOGIA
27
Analisi di immagini corneali
Ente finanziatore: Nidek Technologies
ESEMPIO:
IDENTIFICAZIONE DEI CONTORNI CELLULARI NELL’ENDOTELIO
CORNEALE IN VIVO (OTTICA TRAPIANTO)
RETI NEURALI SPAZIO-INVARIANTI
+
CORREZIONE DA ANALISI STATISTICA
INFORMAZIONE A PRIORI SULLA FORMA
+
BAYESIAN MODELING (MCMC)
28
Analisi di immagini retiniche
Ente finanziatore: Nidek Technologies
SOGGETTI AFFETTI DA
SOSPETTE
RETINOPATIE
(ipertensione, diabete)
Lesioni
• vascolari
• non vascolari
Analisi dell’immagine. Tre
fasi:
1. Riconoscimento
2. Classificazione
3. Misura della gravità
della lesione
29
FOTOGRAFIA DELLA RETINA OTTENUTA CON FUNDUS CAMERA
Lesioni vascolari:
• identificazione
• misura
3 PASSI
VESSEL TRACKING
PROFILE TRACKING
SPLINE SMOOTHING
30
RICERCHE PRESENTATE
Modelli
per lo studio della cinetica di farmaci
Metodi
di elaborazione ed analisi di dati, segnali e
immagini biomediche e applicazioni diagnostiche
Elaborazione e
analisi di immagini per diagnostica in
oftalmologia
4. Riabilitazione e funzione motoria
5. Information & Communication Technology nella Sanità
31
4. RIABILITAZIONE E FUNZIONE
MOTORIA
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Bioingegneria del Movimento
STUDIO ED APPLICAZIONE DI TECNICHE PER LA MOBILITY
ASSESSMENT
GAIT analysis con diversi protocolli
33
DIMOSTRAZIONE: GAIT ANALYSIS CON TECNICA
STEREOFOTOGRAMMETRICA
Ricostruzione della cinematica articolare attraverso il
tracking di marker incollati sulla pelle del soggetto.
34
SVILUPPO DI UN ALGORITMO AUTOMATICO DI CORREZIONE
DEGLI ARTEFATTI DI PELLE IN STEREOFOTOGRAMMETRIA PER
L’IDENTIFICAZIONE DEI PARAMETRI CINEMATICI DEGLI ARTI
INFERIORI.
Visualizzazione dei vettori artefatto
di pelle per la coscia.
Implementazione dell’algoritmo di correzione
per ridurre l’artefatto di pelle in
stereofotogrammetria. In evidenza l’aderenza
del modello (blu) alla cinematica del segmento
osseo (nero).
35
MODELLI 3D FEM DEL MOVIMENTO DEI TESSUTI MOLLI NEGLI ARTI
INFERIORI
Simulazione FEM del
movimento di flessoestensione dell’anca per
diversi soggetti/geometrie
della gamba.
STUDIO MODELLI DI CONTROLLO MOTORIO
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RICERCHE PRESENTATE
Modelli
per lo studio della cinetica di farmaci
Metodi
di elaborazione ed analisi di dati, segnali e
immagini biomediche e applicazioni diagnostiche
Elaborazione e
analisi di immagini per diagnostica in
oftalmologia
Riabilitazione e
funzione motoria
5. Information & Communication Technology nella
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Sanità
5. INFORMATION & COMMUNICATION
TECHNOLOGY NELLA SANITÀ
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Gestione telematica di pazienti diabetici
Enti finanziatori : Unione Europea (Vth Framework)
Telephone
Palmtops
Mail
Data Base
CTI
WEB
Knowledge Base
server
server
CONTROLLO METABOLICO NEL
DIABETE MELLITO: CRUCIALE PER
LIMITARE LE COMPLICANZE
Data Analysis
WAP
server
Mobile phone
PC
Web/TV
Tecnologie dell’informazione + Metodi di
analisi serie temporali = SERVIZIO DI
TELEMEDICINA
Scopo Migliorare:
• l’efficacia della terapia
• qualità dell’assistenza a pazienti diabetici
• costo della gestione dei pazienti 39
Progettazione di sistemi informativi sanitari
Enti finanziatori : Provincia Autonoma di Bolzano
MEDviewer
MEDfolder
MEDdatalink
gestione
anagrafica,
acquisizione
dati, tracciati, immagini da
registrazione
eventi,
apparecchiature prestazioni,
elettromedicali,
parametri
vitali,
esami
di
strumenti
per
la misura,
filtri digitali,
laboratorio,
…
overlay vettoriali.
40
Sviluppo cartella clinica anestesiologica
Enti finanziatori : Provincia Autonoma di Bolzano
MEDintra
dati acquisiti da differenti
apparecchiature (monitor,
respiratori, pompe di infusione)
Sistema per la gestione di dati clinici relativi
all‘ attività anestesiologica, nelle sue tre fasi
principali:
Fase preoperatoria
Fase intraoperatoria
Fase postoperatoria
Progettazione di un sistema di riconoscimento
automatico degli artefatti in sala operatoria
41
