LAUREE MAGISTRALI IN BIOINGEGNERIA & INGEGNERIA CLINICA 18 aprile 2012 1 BIOINGEGNERIA L’Ingegneria Biomedica o Bioingegneria è una disciplina che, mediante l’integrazione delle scienze ingegneristiche (elettronica, informatica, meccanica, chimica) con quelle biomediche,, consente di migliorare le conoscenze in biomediche ingegneria,, biologia e medicina ingegneria medicina,, ed inoltre di migliorare la cura della salute umana 2 INGEGNERIA CLINICA L’Ingegneria Clinica è l’area dell’Ingegneria Biomedica che comprende le applicazioni di concetti e tecnologie proprie dell’Ingegneria per migliorare la qualità del servizio sanitario, soprattutto per quanto riguarda la sua organizzazione, l’appropriata acquisizione e gestione di apparecchiature nonché per adattare sistemi informativi ospedalieri e reti di telemedicina 3 • Cosa fa l’Ingegnere Biomedico • Manifesti • Laboratori didattici Dott. Andrea Facchinetti Prof. Barbara Di Camillo Prof. Arturo Natali Dott. Zimi Sawacha • Trend tecnologici, aziende e mercato occupazionale Prof. Alfredo Ruggeri Dott. Elena Favaretto Dott. Anna Scala Dott. Valeria Strapazzon Dott Andrea Tiso Dott. Christopher Tomelleri 4 COSA FA L’INGEGNERE BIOMEDICO L’Ingegnere Biomedico opera all’interno del sistema sanitario, nel mondo della ricerca e della produzione e rappresenta una figura indispensabile per molti compiti ESEMPIO 1 SVILUPPARE STRUMENTAZIONE E DISPOSITIVI DIAGNOSTICI E TERAPEUTICI A TECNOLOGIA AVANZATA 5 ESEMPIO 1a: strumentazione di misura per elettrocardiografia ESEMPIO 1b: pacemaker per il controllo della pulsatilita’ cardiaca 6 ESEMPIO 1c: Strumentazione per Bioimmagini PET 7 ESEMPIO 1d: dispositivi meccanici robotizzati per interventi chirurgici e riabilitazione 8 COSA FA L’INGEGNERE BIOMEDICO L’Ingegnere Biomedico opera all’interno del sistema sanitario, nel mondo della ricerca e della produzione e rappresenta una figura indispensabile per molti compiti ESEMPIO 2 SVILUPPARE METODI DI ELABORAZIONE E TRATTAMENTO DI DATI, SEGNALI E IMMAGINI BIOLOGICHE E MEDICHE 9 ESEMPIO 2a: Elaborazione di segnali Elettrocardiogramma (es. diagnosi aritmie) Elettroencefalogramma (es. diagnosi epilessia) 10 Segnali di espressione genica (es. (es. inferenza della rete di regolazione genica) ... 0 ... 20 10 Esperimenti in vitro/ misure con Microaarray livello espressione GENE NETWORK nestin GRa4 GAD65 0 20 40 60 min 80 11 ESEMPIO 2b: Elaborazione di immagine TAC ventricoli cerebrali per estrazione dei 12 ESEMPIO 2c: Integrazione EEG (ottima risoluzione temporale) fMRI (ottima risoluzione spaziale) EEG durante fMRI EEG filtrato Sottrazione artefatto Attivazione fMRI Protocollo 13 COSA FA L’INGEGNERE BIOMEDICO L’Ingegnere Biomedico opera all’interno del sistema sanitario, nel mondo della ricerca e della produzione e rappresenta una figura indispensabile per molti compiti ESEMPIO 3 STUDIARE SISTEMI BIOLOGICI MEDIANTE L’USO DI METODI E MODELLI FISICOFISICO-MATEMATICI 14 ESEMPIO 3a: Modello per stimare quanto bene l’insulina regola il glucosio (malattia del diabete) Tessuti Fegato Insulina Plasmatica Glucosio Insulina Remota Equazioni differenziali che descrivono il sistema glucosio-insulina &(t) = −(S +X(t))G(t) +S G G G G b & (t) =−p {X(t)−S [I(t)−I ]} X 2 I b G(0) =G0 X(0) =0 15 ESEMPIO 3b: Imaging con Risonanza Magnetica dell’emodinamica cerebrale per stimare flusso e volume del sangue nel cervello ANALISI MATEMATICA IMMAGINE DI RISONANZA LIVELLO DI PIXEL Mappa del Flusso Ematico Mappa del Volume Ematico (es. uso nella diagnosi della stenosi carotidea) 16 ESEMPIO 3c: Modelli biomeccanici per lo studio del movimento umano Z Y y z x Gi Y x(cosαx, cosαy, cosαz) y(cosβx, cosβy, cosβz) z(cosγx, cosγy, cosγz) x X y O o O Z X z o (ox, oy, oz) 17 ESEMPIO 3d: Applicazione di modelli biomeccanici all’ottimizzazione del gesto sportivo Variazione del Centro di Pressione al Sedile durante 10 pagaiate 15 13 11 XS 9 7 YS 16 14 12 10 3 OS 8 6 4 2 1 0 -1 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -3 -5 -7 -9 -11 -13 -15 by [cm] 18 bx [cm] 5 COSA FA L’INGEGNERE BIOMEDICO L’Ingegnere Biomedico opera all’interno del sistema sanitario, nel mondo della ricerca e della produzione e rappresenta una figura indispensabile per molti compiti ESEMPIO 4 SVILUPPARE TECNOLOGIE PER LA DISABILITA’, PROTESI E ORGANI ARTIFICIALI 19 ESEMPIO 4a: Protesi agli arti 20 ESEMPIO 4b: Analisi dei problemi di interazione protesica dentale -1 modello numerico del sistema implantare comprendente barra di accoppiamento ed impianti Caratterizzazione meccanica del tessuto osseo del sito implantare 21 ESEMPIO 4b: Analisi dei problemi di interazione protesica dentale - 2 campo degli spostamenti, nell’ipotesi di assenza di integrazione tra tessuto e impianto dettaglio del processo di distacco tra tessuto e impianto 22 ESEMPIO 4c: Protesi di valvola cardiaca 23 ESEMPIO 4d: Ginocchio artificiale Radiografia e illustrazione di un'articolazione sana. Radiografia e immagine di articolazione affetta da artrosi. 24 ESEMPIO 4e: Impianto cocleare (“orecchio bionico”) per sordi profondi 25 COSA FA L’INGEGNERE BIOMEDICO L’Ingegnere Biomedico opera all’interno del sistema sanitario, nel mondo della ricerca e della produzione e rappresenta una figura indispensabile per molti compiti ESEMPIO 5 STUDIO DI BIOMATERIALI E INGEGNERIA DEI TESSUTI BIOLOGICI 26 ESEMPIO 5a: Sintesi di pelle artificiale per curare lesioni alla cute 27 COSA FA L’INGEGNERE BIOMEDICO L’Ingegnere Biomedico opera all’interno del sistema sanitario, nel mondo della ricerca e della produzione e rappresenta una figura indispensabile per molti compiti ESEMPIO 6 SVILUPPO DI TECNOLOGIE DELL’INFORMATICA E DELLE TELECOMUNICAZIONI PER LA SANITA’ 28 ESEMPIO 6a: gestione informatizzata di dati sanitari Laboratori analisi Reparti Rete Locale (LAN) Accettazione Radiologia Amministrazione Elaboratore centrale 29 ESEMPIO 6b: sistemi di Telemedicina Centro clinico Sistema di telecomunicazione Casa Paziente Protocollo terapia Medical Unit Dati del paziente Patient Unit Strumento di misura Medici Paziente 30 COSA FA L’INGEGNERE BIOMEDICO L’Ingegnere Biomedico opera all’interno del sistema sanitario, nel mondo della ricerca e della produzione e rappresenta una figura indispensabile per molti compiti ESEMPIO 7 MIGLIORARE LA QUALITA’ DEL SERVIZIO SANITARIO 31 ESEMPIO 7a: valutazione, acquisto e manutenzione di apparecchiature 32 Biologia e medicina offrono sempre nuovi problemi di grande interesse che possono essere affrontati con i metodi dell’ingegneria : la biologia è il nuovo paradigma dell’Ingegneria come lo sono stati, nel recente passato, l’elettronica e l’informatica L’ingegneria Biomedica opera in diversi ambiti ambiti:: tecnologico, industriale, scientifico, clinico e ospedaliero 100 % occupati ad 1 anno 80 60 2010 2009 40 2008 20 0 BIO-PD BIO-BO BIO-PoliTO BIO-IT ING-PD 100 80 60 2008 % occupati a 3 anni 2007 40 20 34 0 BIO-PD BIO-BO BIO-PoliTO BIO-IT ING-PD LAUREE IN INGEGNERIA BIOMEDICA IN ITALIA TRENTO MILANO PAVIA " " " " "" " " " " " " "" " " " " " " " "" " " "" " " " " " " "" " " " " " " "" " " " "" " " " " " " " " """ " "" " " " " "" " " " " " " "" "" " " TRIESTE PADOVA TORINO GENOVA BOLOGNA PISA FIRENZE laurea triennale e laurea specialistica/magistrale ROMA " " " "" " "" " " " " "" NAPOLI " solo laurea specialistica/magistrale "" ANCONA " "" " " " " " solo laurea triennale CAGLIARI " "" " " "" " "" "" " "" " " http://www.bioing.it/ CATANIA " PERCHE’ A PADOVA • 1968: Corso di “Elettronica Biomedica”, primo dell’area Bioingegneria in Italia • 1992: Indirizzo di Ingegneria Biomedica nella Laurea in Ingegneria Elettronica • 1994: Diploma Universitario di Ingegneria Biomedica (attivo fino al 2000) • 2000: Corso di laurea triennale (Ing. Biomedica) e specialistica (Bioingegneria) • 2010: Laurea Magistrale Interateneo Ingegneria Clinica • 1984: Dottorato di Ricerca in Bioingegneria 36 PERCHE’ A PADOVA • Docenti coinvolti in attività di ricerca a livello internazionale DIPARTIMENTI UNIVERSITARI Ingegneria dell’Informazione Ingegneria Industriale Tecnica e Gestione dei Sistemi industriali Scienze Biomediche Medicina Molecolare ALTRI ISTITUTI Istituto di Ingegneria Biomedica, Biomedica, CNR 37 1°° anno 2-3°° anno ESAMI COMUNI A TUTTI I 4 CORSI DI LAUREA TRIENNALE DELL’AREA DELL’INGEGNERIA DELL’INFORMAZIONE LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA BIOMEDICA (“CANALE PROFESSIONALIZZANTE”) LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA DELL’INFORMAZIONE (“CANALE FORMATIVO”) Previo “recupero” di alcuni esami LAUREA MAGISTRALE IN BIOINGEGNERIA O INGEGNERIA CLINICA DOTTORATO MONDO DEL LAVORO 4-5°° anno altri 3 anni 38 BIOINGEGNERIA - corsi obbligatori I° ANNO (60CFU) 60CFU) BIOLOGIA E FISIOLOGIA STRUMENTAZIONE BIOMEDICA ELABORAZIONE SEGNALI BIOLOGICI MODELLI E CONTROLLO SISTEMI BIOLOGICI INFORMATICA MEDICA MECCANICA PER LA BIOINGEGNERIA BIOMATERIALI E TESSUTI BIOLOGICI II° II° ANNO (9CFU) MECCANICA DEI TESSUTI BIOLOGICI 39 Il piano di studio va completato con : 30 CFU a scelta, di cui almeno 18 caratterizzanti ovvero almeno 3 corsi tra : ANALISI DI DATI BIOLOGICI BIOIMMAGINI BIOINGEGENRIA DEL MOVIMENTO E RIABILITAZIONE BIOINGEGEGNERIA PER LA GENOMICA BIOMECCANICA COMPUTAZIONALE BIOTECNOLOGIE MEDICHE FLUIDODINAMICA PER LA BIOINGEGEGNERIA NEUROINGEGNERIA Prova finale (21 CFU) 40 INGEGNERIA CLINICA I° ANNO - PADOVA BIOLOGIA E FISIOLOGIA ELABORAZIONE SEGNALI BIOLOGICI INFORMATICA MEDICA MECCANICA PER LA BIOINGEGNERIA BIOMATERIALI E TESSUTI BIOLOGICI 1 CORSO A SCELTA 41 LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA CLINICA II° II° ANNO – Trieste COMPLEMENTI DI STRUMENTAZIONE BIOMEDICA GESTIONE DEL RISCHIO IN AMBITO OSPEDALIERO VALUTAZIONE E ACQUISIZIONE DELLE TECNOLOGIE SANITARIE SISTEMI E SOLUZIONI EE-HEALTH ORGANIZZAZIONE DEI SISTEMI SANITARI E DEI SERVIZI DI INGEGNERIA CLINICA www.units.it/lsic 42 SU: http://www.dei.unipd.it/corsi/bioingegneria/pres2012 QUESTE SLIDES + PER OGNI CORSO: CONTENUTI MODALITA’ DIDATTICHE 43 LABORATORI DIDATTICI INFORMATICI: Dott. Andrea Facchinetti Prof. Barbara Di Camillo MECCANICA DEI TESSUTI Prof. Arturo Natali http://www.cmbm.unipd.it/cmbm http://www.cmbm.unipd.it/ cmbm//cmbm.htm BIOINGEGNERIA DEL MOVIMENTO Dott. Zimi Sawacha 44 CORSI OBBLIGATORI 45 BIOLOGIA E FISIOLOGIA (6CFU) Contenuti del corso: nozioni di base di biologia cellulare e molecolare; fisiologia del corpo umano, funzioni di apparati e singoli organi e loro basi cellulari; cenni a metodologie di misura di parametri fisiologici, inclusi nuovi approcci sperimentali di tipo bioingegneristico. Modalità didattica: l’obiettivo del corso è di fornire al bioingegnere le nozioni biologiche e fisiologiche di base per favorire l’inserimento in attività lavorative o di ricerca di tipo interdisciplinare, caratterizzate da una componente biomedica oltre che ingegneristica => 48 ore di lezione in aula che includono lezioni teoriche e semplici esercitazioni dimostrative di fisiologia 46 STRUMENTAZIONE BIOMEDICA (9 CFU) Strumentazione biomedica: diagnostica, acquisisce misure e informazioni cliniche sui pazienti; terapeutica o riabilitativa, interviene sui pazienti per curare o supplire/sostituire funzionalità vitali (es. protesi). Contenuti del corso: sensori e trasduttori biomedici, ECG, imaging (ecografia, radiologia, TAC, NMR, PET), pacemaker, sicurezza e funzionalità apparecchiature biomediche. Modalità didattica: lezioni frontali, seminari con esperti industria / servizi sanitari, laboratorio per verifiche sicurezza elettrica apparecchiature, visite reparti ospedalieri (sala operatoria, TAC/NMR, ecografia). 47 ELABORAZIONE DI SEGNALI BIOLOGICI (9CFU) L’informazione contenuta nei segnali biologici generalmente non è immediatamente acquisibile. La complessità dei processi/segnali richiede opportune tecniche di elaborazione per estrarre, quantificare e decodificare tale informazione, Contenuti del corso: filtraggio, riconoscimento di forme d’onda; metodi parametrici di analisi spettrale; analisi spettrale multivariata; analisi tempo-frequenza; classificazione diagnostica; applicazioni. Modalità didattica: : Verranno fornite le conoscenze di base dei vari metodi e verrà esaminata la loro applicazione, in particolare a segnali bioelettrici quali EEG, EMG, ECG, anche attraverso esperienze pratiche ⇒ 20 ore di lezione “hands on” in laboratorio: acquisizione di segnali bioelettrici, identificazione AR, analisi spettrale e di coerenza; progetto di classificatori bayesiani . 48 MODELLI E CONTROLLO DI SISTEMI BIOLOGICI (9CFU) L’impiego di modelli per lo studio di sistemi biologici permette di stimare parametri fisiologici, altrimenti non accessibili alla misura, eseguire in simulazione esperimenti in silico e analizzare ed interpretare dati sperimentali. Contenuti del corso: Il corso si propone di fornire conoscenze approfondite sulle tecniche modellistiche più avanzate. In particolare, verranno studiati metodi di verifica dell’identificabilità a priori di un modello, tecniche di stima parametrica, metodi di deconvoluzione e strategie di controllo in catena chiusa di sistemi fisiologici. 180 dati fit Modalità didattica: Il corso prevede lezioni teoriche in aula (52 ore) e lezioni “hands on” in laboratorio PC (20 ore), durante le quali sarà possibile usare e identificare i modelli a partire da casi di studio reali. G (mg/dl) 160 140 120 100 80 60 0 60 120 180 240 t (min) 300 360 49 420 INFORMATICA MEDICA (9CFU) Informatica medica: contribuisce, direttamente o indirettamente, a tutelare la salute e a migliorare i processi di cura attraverso lo sviluppo di sistemi efficaci per la gestione dei dati clinici Contenuti del corso: sistemi informativi sanitari e standard per la cartella clinica elettronica; compressione, sicurezza e firma digitale in sanità; telemedicina; progettazione, interrogazione e manipolazione di data base sanitari Modalità didattica: obiettivo è conferire una visione a 360° per poter poi, nella professione, compiere l’analisi di un problema, individuarne possibili metodologie di soluzione e implementarle ⇒ 20 ore di lezione “hands on” in laboratorio codificando tecniche di compressione, crittografia, firma digitale (in Matlab) e di interrogazione e manipolazione di data base (in SQL) MECCANICA PER BIOINGEGNERIA (9 CFU) • Il corso sviluppa e approfondisce i metodi per realizzare modelli di apparati e macchine elettromedicali, interagenti con l’uomo, con particolare attenzione alle macchine per riabilitazione • Il corso prevede esercitazioni in laboratorio per prove su robot usati in ambito riabilitativo, sviluppati nel laboratorio Mechatronics operante presso il Dimeg. www.mechatronics.it 51 MECCANICA DEI TESSUTI BIOLOGICI (9CFU) Meccanica dei tessuti biologici: propone i metodi di studio della caratterizzazione meccanica dei tessuti biologici in relazione alla funzionalità specifica, tessuto definendo le leggi comportamentali in diretta relazione fibrocartilagineo calcificato ai dati dedotti dalla attività sperimentale Contenuti del corso: introduzione alla meccanica dei corpi deformabili; analisi della composizione e della configurazione strutturale di differenti tessuti biologici: impianto dentale tessuto osseo, tendini e legamenti, cartilagini articolari; relazioni costitutive generali e loro validazione; tessuto fibrocartilagineo processi di interazione dei tessuti con elementi protesici calcificato Modalità didattica: didattica frontale sui temi generali del corso, integrata da esercitazioni, seminari su argomenti di natura interdisciplinare correlati alla meccanica dei tessuti e alla attività clinica e chirurgica; descrizione della attività sperimentale; tematiche relative allo studio ed alla realizzazione industriale di dispositivi biomedici di tipo protesico tessuto osseo tessuto fibrocartilagineo non calcificato tessuto tendineo tessuto fibrocartilagineo non calcificato www.cmbm.unipd.it BIOMATERIALI E TESSUTI BIOLOGICI (9 CFU) Biomateriali e tessuti biologici: vengono studiati i processi che regolano le interazioni tra la superficie di un dispositivo impiantare e l’ambiente biologico, i metodi per favorire e/o migliorare tali interazioni e le recenti applicazioni della medicina rigenerativa nella sostituzione di tessuti ed organi. Contenuti del corso: guarigione della ferita e integrazione dei dispositivi implantari; infiammazione e risposta immunitaria; la biocompatibilità; medicina rigenerativa e tecniche di tissue engineering. Modalità didattica: obiettivo è fornire agli studenti gli strumenti utili a valutare i fenomeni di interazione tra i dispositivi protesici e l’ambiente biologico allo scopo di ottimizzare le caratteristiche della superficie dei materiali. CORSI A SCELTA Tra cui selezionare almeno 3 dei 5 corsi a scelta del manifesto 54 ANALISI DI DATI BIOLOGICI (6CFU) Modalità didattica: L’approccio del corso è orientato alla pratica: si partirà sempre da problemi ingegneristici reali e si implementeranno le metodologie di soluzione più efficaci. Tutte le lezioni saranno svolte in laboratorio. Non si useranno mai codici fatti da altri past time-series values yn-p,yn-p+1, …yn glucose Obiettivo: acquisire le capacità di implementare a basso livello, ed in modo efficiente, alcune metodologie avanzate di analisi ed elaborazione di dati e segnali biomedici che risultano di grande utilità in molti ambiti R&D Contenuti del corso: Interpolazione e smoothing di dati biologici. Predizione di serie temporali. Filtraggio stocastico alla Wiener e alla Kalman (anche esteso). Analisi non lineare di serie temporali. Analisi Multivariata (PCA, ICA). Problematiche algoritmiche. Applicazioni on-line. estimation of unknown model parameters ai, i=1…p PAST PAST FUTURE ? predicted value yn+PH time tn PH-steps ahead predictor PH = prediction horizon model of the timeseries (valid at time tn) BIOIMMAGINI (6 CFU) Bioimmagini: Il corso si propone di fornire delle conoscenze su metodologie avanzate per l'elaborazione numerica dell'immagine in campo biomedico. Verranno approfondite le teorie su cui tali metodologie si basano e presentate alcune applicazioni alle bioimmagini. Contenuti del corso: Cenni di codifica e campionamento dell’immagine. Miglioramento dell’immagine nel dominio spaziale e nel dominio delle frequenze. Tecniche di segmentazione per l’estrazione di contorni. Definizione dei contorni attivi (snakes) e loro applicazioni in medicina. Registrazione di immagini multi-modali (TAC, RMN, PET,…). Modalità didattica: 12 ore in laboratorio per implementare (in Matlab) le tecniche di elaborazione numerica delle immagini introdotte a lezione ed applicarle ad immagini biomediche. 56 BIOINGEGNERIA DEL MOVIMENTO E RIABILITAZIONE (6CFU) L’obiettivo della bioingegneria del movimento è lo studio quantitativo del movimento umano al fine di diagnosticare eventuali patologie dell’apparato locomotore e personalizzare l’eventuale percorso riabilitativo. Contenuti del corso: Il corso si propone di fornire le conoscenze approfondite della bioingegneria del movimento umano e della riabilitazione. Verranno studiate le metodologie e le tecnologie più avanzate che consentono di effettuare misure dirette e indirette del movimento umano, per lo studio della cinematica e della cinetica articolare. Modalità didattica: : Verranno fornite le conoscenze di base delle tecnologie e delle metodologie avanzate per l’analisi del movimento unano con particolare attenzione all’analisi del cammino, anche attraverso esperienze pratiche ⇒ 16 ore di lezione “hands on” in laboratorio strumentale e PC: definizione di protocolli sperimentali, acquisizione dei dati, pre-elaborazione, elaborazione per ricavare dai segnali acquisiti angoli e momenti articolari. 57 BIOINGEGNERIA PER LA GENOMICA (6 CFU) Affronta la soluzione di problemi biologici a livello molecolare con metodi matematici, ricorrendo a nozioni di statistica e intelligenza artificiale. Contenuti del corso: Modelli statistici per l'interpretazione dei dati high-throughput in genomica e proteomica: 1) selezione, classificazione e modelli di regolazione dei sistemi molecolari 2) sequenziamento del genoma 3) annotazione funzionale dei dati e medicina personalizzata. Modalità didattica: Lezioni frontali: 28 ore in aula + 20 in laboratorio implementando (ambiente R) le metodologie di analisi su dati sperimentali reali. Obiettivo formativo: acquisizione di metodologie generali per l’analisi computazionale e per la decomposizione e la soluzione di problemi complessi. And that’s why we need computers! 58 BIOMECCANICA COMPUTAZIONALE (6CFU) Biomeccanica computazionale: l’analisi biomeccanica di strutture biologiche e di dispositivi protesici richiede l’utilizzo di tecniche di calcolo automatico: vengono introdotti i fondamenti dei metodi di calcolo, nella correlazione con le tecniche di indagine sperimentali Contenuti del corso: introduzione alle tecniche di calcolo di strutture biologiche basate sul metodo degli elementi finiti, di sistemi protesici e dei processi di interazione; relazione con la attività clinica e chirurgica e richiami alla validazione sperimentale; riferimenti alla meccanica dei biomateriali ed a processi di manifattura Modalità didattica: didattica frontale sui temi generali proposti, integrata da seminari specialistici, ed evidenziando casi di studio relativi alla meccanica dei tessuti connettivi molli, nella relazione con i dati sperimentali; temi della implantologia dentale, della biomeccanica del piede, dei dispositivi protesici ed altri temi quali analisi strutturali complesse 59 BIOTECNOLOGIE MEDICHE (6CFU) L’obiettivo è fornire conoscenze sulla biologia molecolare della cellula e degli organismi, sui meccanismi fondamentali di genetica molecolare, sulle comuni tecniche di ingegneria genetica, di ingegneria delle cellule e dei tessuti, di terapia cellulare e di terapia genica. Contenuti del corso biomolecole, tecniche di sequenziamento dei genomi e di analisi del trascrittoma e del proteoma, produzione di molecole di DNA ricombinante, manipolazione cellulare, riprogrammazione e differenziamento cellulare, bioreattori , virus e vettori virali,applicazioni biotecnologiche 60 FLUIDODINAMICA PER LA BIOINGEGNERIA (6CFU) Flusso cardiovascolare, protesi valvolari cardiache, circolazione extracorporea, autotrasfusione: sono solo alcuni degli ambiti fisiologici e biomedici che richiedono la descrizione quantitativa del fenomeno fluidodinamico per un’accurata valutazione di stati patologici e la progettazione di dispositivi funzionali ed affidabili. Contenuti del corso: Cinematica e dinamica di correnti viscose 1D. Stenosi valvolare: modelli teorici del salto di pressione transvalvolare. Insufficienza valvolare: metodi per la valutazione della severità. Emodinamica attraverso protesi valvolari : performance in fase sistolica e diastolica. Moto locale a valle di una protesi (cenni). Stenosi vascolari: modello idraulico. Moto alla Poiseuille e alla Womersley in un condotto. Confronto con il flusso ematico arterioso. Modalità didattica: : 44 ore di lezione frontale e 8 ore di attività in laboratorio informatico per lo sviluppo di esercitazioni numeriche sui temi affrontati nel corso. NEUROINGEGNERIA (6 CFU) Neuroingegneria: è una disciplina utilizza le conoscenze metodologie e tecnologie proprie dell’ingegneria per comprendere le funzioni del sistema nervoso, o di sue componenti. Contenuti del corso: Principi di Neurofisiologia; Modelli funzionali del neurone; Neuroimaging quantitativo: Risonanza Magnetica di Perfusione e di Diffusione; Fiber Tracking; Neuroimaging delle funzioni cognitive; PET; Integrazione di segnale ed immagini di interesse neurologico Modalità didattica: Il corso metterà lo studente in grado di comprendere potenzialità e limiti delle tecniche di neurovisualizzazione attraverso lezioni teoriche (60% delle ore) e lezioni di laboratorio dove lo studente ha a disposizione data set sia di studi MRI che PET. 62 Laboratori Didattici Informatici: Parte 1 La Terapia del Diabete ALTITUDINE (metri) 30000 PERICOLO !!! 10000 1000 PERICOLO !!! 0 Glicemia in un Non-Diabetico 300 SECREZIONE DI INSULINA PERICOLO !!! Glicemia nel sangue PANCREAS 180 70 PERICOLO !!! 0 CARBOIDRATI 0 6 12 Ora 18 24 Glicemia in un Diabetico (Tipo 1) 300 SECREZIONE DI INSULINA Glicemia nel sangue PANCREAS PERICOLO !!! PROBLEMI ALLA VISTA, AL CUORE, AI RENI, ALLA DEAMBULAZIONE 180 70 PERICOLO !!! COMA IPOGLICEMICO 0 CARBOIDRATI 0 6 12 Ora 18 24 Soluzione? Iniezioni di Insulina 300 INIEZIONE DI INSULINA PERICOLO !!! Glicemia nel sangue PROBLEMI ALLA VISTA, AL CUORE, AI RENI, ALLA DEAMBULAZIONE 180 (POCA) (TROPPA) 70 PERICOLO !!! COMA IPOGLICEMICO 0 CARBOIDRATI 0 6 12 Ora 18 24 Il Pancreas Artificiale POMPA DI INSULINA IL PANCREAS ARTIFICIALE SENSORE DI GLICEMIA PAZIENTE Il Pancreas Artificiale POMPA DI INSULINA IL PANCREAS ARTIFICIALE SENSORE DI GLICEMIA Serie temporale di dati 400 350 Glucose (mg/dL) 300 250 200 150 100 50 0 5 10 15 20 25 Time (hours) 30 35 40 45 PAZIENTE Predizione e Denoising della Glicemia in Tempo Reale 105 mg/dl at time 78 Sensor CGM Analisi dei Dati Biologici (48 ore di cui 20 di lab Matlab) Il Pancreas Artificiale POMPA DI INSULINA IL PANCREAS ARTIFICIALE SENSORE DI GLICEMIA PAZIENTE Modello per la Sintesi del Glucosio Modello Trovare valore ottimo dei parametri: k01 = 0.034 k12 = 0.008 k21 = 0.027 * 2000 * * Counts 1500 * 1000 * * * 500 * * * 0 0 60 120 * 180 Time (minutes) Modelli e Controllo di Sistemi Biologici (72 ore di cui 20 di lab Matlab) Quantificazione dei Processi Cognitivi Analisi spettrale delle frequenze Tracciato Elettroencefalografico Analisi tempo/frequenza Spettrogramma 2D con finestra di dimensione 400 campioni 55 50 45 F re que nza(H z) 40 35 30 25 20 Elaborazione di Segnali Biologici (72 ore di cui 20 di lab Matlab) 15 10 5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 t (s) 3 3.5 4 4.5 5 Metabolismo cerebrale del glucosio Activity TESSUTO Time MODELLO immagini PET (Positron Emission Tomography) e/o MRI (Magnetic Resonance Imaging) Informazioni quantitative fisiologiche/funzionali/ anatomiche Neuroingegneria (48 ore di cui 20 di lab Matlab) Estrazione di pattern e features in bioimmagini Bioimmagini (48 ore di cui 12 di lab Matlab) 13 FOTOGRAFIA DELLA RETINA OTTENUTA CON FUNDUS CAMERA Laboratori Didattici Informatici (parte 2) Analisi di dati genomici e gestione di dati clinici Metalinguaggio R e linguaggio SQL per la gestione di database DNA Il corpo umano contiene circa 100 mila di miliardi (1014) di cellule somatiche. In ognuna di esse il nucleo contiene 23 coppie di cromosomi e ogni cromosoma contiene sequenze di milioni di basi azotate. L’intero genoma è costituito da 3.2 miliardi di coppie di basi! Grande mole di dati Grande complessità Gestione dei dati Informatica medica (72 ore, 22 in lab) Analisi dati di espressione genica Fenotipi diversi A e B (es. sani, leucemici) n geni monitorati>>numero di soggetti genes Group A Group B x11 ... x1m1 y11 ... y1m2 .. ... ... ... ... ... ... . x ... x y ... y n 1 nm n 1 nm 2 1 A1 … … microarrays Am1 B1 Bm2 SELEZIONE CLUSTERING CLASSIFICAZIONE Bioingegneria per la Genomica (48 ore, 20 in lab) Selezione Quali geni sono differenzialmente espressi in maniera statisticamente significativa in A rispetto a B? SELEZIONE 15 gene12 gene11 gene10 gene9 gene8 gene5 gene4 gene6 gene7 -5 gene3 0 gene2 5 gene1 Fold Change GruppoA vs GruppoB 10 -10 -15 -20 -25 qRT-PCR 1st cohort (Affymetrix) 2nd cohort (Affymetrix) Clustering Quali geni hanno un profilo di espressione simile o quali soggetti hanno espressione genica simile e possono quindi essere raggruppati? CLUSTERING SVM non lineari Quali geni danno una descrizione sintetica e specifica del fenotipo e possono quindi essere usati per classificare un nuovo soggetto sulla base dell’espressione genica? CLASSIFICAZIONE ϕ3(g1,g2) g2 Φ: x → φ(x) ϕ2(g1,g2) g1 ϕ1(g1,g2) Il linguaggio R Metalinguaggio orientato alla statistica e all’analisi dati. Ambiente di analisi dati con funzioni specializzate per l’analisi dei dati highthroughput di genomica e proteomica Free e open source http://www.r-project.org/ Laboratori Didattici Informatici Informatica Medica (72 ore di cui 22 in Lab) Modelli e Controllo di Sistemi Biologici (72 ore di cui 20 in Lab) Elaborazione dei Segnali Biologici (72 ore di cui 20 in Lab) Analisi dei Dati Biologici (48 ore di cui 20 in Lab) Bioimmagini (48 ore di cui 20 in Lab) Neuroingegneria (48 ore di cui 20 in Lab) Bioingegneria per la Genomica (48 ore di cui 20 in Lab) … Laboratori Didattici Informatici: Laboratorio di Analisi del Movimento ANALISI DEL MOVIMENTO UMANO@DEI: Corso Di Bioingegneria Del Movimento Attività di laboratorio: Laboratorio di Bioingengneria del Movimento situato in DEI/O Università degli Studi di Padova – Zimi Sawacha e-mail: [email protected] Il laboratorio di analisi del movimento Marker passivi 6 telecamere IR coassiali (60-120 Hz) 2 pedane di pressione IMAGO (risoluzione 0.64 cm2) 2 pedane di forza Bertec FP 4060-10 Sistema elettromiografico wireless BTS FreeEMG 3 Il LABORATORIO @ DEI APPLICAZIONI CLINICHE SVILUPPO TECNOLOGIE DIABETIC FOOT SPORT NUOTO MARKERLESS ANKILOSING SPONDILITIS BASKET INTEGRATED PP AND GRF PLATES STROKE Piede diabetico: il problema FULL BODY MKR NEUROPATIA DIABETE PIEDE MOTION ANALYSIS DIABETICO FOOT MKR ARTHERIOPATIA ULCERE AMPUTAZIONI Piede diabetico: analisi del movimento Sviluppo di nuove tecnologie Superare le limitazioni legate all’utilizzo dei marker: Ambiente controllato (laboratorio) Tempi lunghi di preparazione (applicazione dei marker) Variabilità inter- e intra-operatore Marker influenzano e limitano il movimento soggetto 3D reconstruction 8 ANALISI DEL MOVIMENTO UMANO@DEI: Corso Di Bioingegneria Del Movimento Visita al Laboratorio: Mercoledì 25 aprile ore 9.00 su prenotazione Laboratorio di Bioingengneria del Movimento situato in DEI/O Via Tiepolo 86 Università degli Studi di Padova – Zimi Sawacha e-mail: [email protected] Bioingegneria: trend tecnologici, aziende e mercato occupazionale 1 Es: applicazioni healthhealth-care per smartphone Cosa fa un bioingegnere? 1. Progetta l’innovazione di tecnologie tecnologie,, prodotti e processi (progettazione progettazione,, pianificazione, pianificazione, programmazione, programmazione, gestione di prodotti e sistemi complessi complessi). ). 2. Interagisce con i professionisti sanitari, sanitari, nell'ambito delle rispettive competenze, competenze, nelle applicazioni diagnostiche,, terapeutiche e riabilitative diagnostiche riabilitative.. Dove? 1. Industrie del settore biomedico e farmaceutico, farmaceutico, produttrici e fornitrici di sistemi sistemi,, apparecchiature e materiali per diagnosi, diagnosi, cura e riabilitazione. riabilitazione. 2. Società di servizi per la gestione di apparecchiature ed impianti medicali (ingegneria clinica), clinica), di telemedicina telemedicina.. 3. Aziende sanitarie pubbliche e private. 3 Il processo di realizzazione di dispositivi: un possibile esempio 4 Mercato mondiale dei dispositivi medici Valore: 320 Mld € nel 2010. Tasso di crescita: 5,3% annuo nel periodo 20062006-2010 (riduzione nel 2009 e 2010 per recessione). recessione). Maggiore mercato: USA, 124 Mld € (2010, 38,6% 38,6% del totale mondiale). 5 Spesa e tassi di crescita nel mercato USA Fonte: Frost & Sullivan e pubblicazioni 6 Principali poli biomedicali in Italia 7 Ingegneria clinica in Italia 8 Ingegneria clinica in Italia (fonte: www.aiic.it) 9 Le imprese biomedicali del Veneto http://www.osservatoriobiomedicaleveneto.it/ 10 Fatturato in Veneto per area di a attività ttività 400.000 - 8% - 5% 350.000 300.000 2% 250.000 200.000 150.000 9% 100.000 16% 50.000 - MATERIALI DI CONSUMO ATTREZZATURA E ARREDO TECNICO TERAPIA E RIABILITAZIONE DIAGNOSTICA SERVIZI - 14% BIOTECNOLOGIA MEDICA 11 Imprese di produzione per provincia Provincia Imprese Addetti Fatturato (K€) Padova 145 1.984 387.757 Vicenza 59 919 187.970 Treviso 74 875 180.555 Verona 61 674 123.758 Rovigo 17 539 107.419 Venezia 37 454 83.958 Belluno 7 50 7.448 400 5.495 1.078.864 Totale 12 Imprese di produzione/servizi nel Veneto 13 Imprese di produzione/servizi nel Veneto 14 Imprese di produzione/servizi nel Veneto 15 Imprese di produzione/servizi nel Veneto 16 Imprese di produzione/servizi nel Veneto 17 Imprese di produzione/servizi nel Veneto 18 Imprese di produzione/servizi nel Veneto 19 Imprese di produzione/servizi nel Veneto 20 Imprese di produzione/servizi nel Veneto 21 Imprese di produzione/servizi nel Veneto 22 Imprese di produzione/servizi nel Veneto 23 Imprese di produzione/servizi nel Veneto 24 Imprese di produzione/servizi nel Veneto 25 Imprese di produzione/servizi nel Veneto 26 Imprese di produzione/servizi nel Veneto 27 http://www.bioing.it/ http://www.aiic.it/ http://www.associazioneitalianabioingegneria.it/ http://www.osservatoriobiomedicaleveneto.it/ http://www.embs.org/ https://engineering.purdue.edu/BMEnet/ http://www.biomedtown.org/ 28 Fatturato per tipologia di imprese e provincia 400.000 350.000 300.000 250.000 200.000 150.000 100.000 50.000 Padova Verona Vicenza Produzione Treviso Venezia Rovigo Belluno Distribuzione 29 Spostamento del focus nel mercato sanitario Cure intensive Ospedalizzazione 2005 Livelli di cura Soluzioni Olistiche e personalizzazione 2015 ? Cure primarie Cure a Domicilio 2010 Home care Prevenzione benessere Diagnosi Terapia Riabilitazione Tipologia di assistenza Monitoraggio e Assistenza 30 Spesa sanitaria e aspettative di vita nei principali mercati United States France Germany Denmark Canada Netherlands Italy Spain Finland Ireland UK Australia Sweden Japan S. Korea 31 Complessità e fattori chiave del mercato biomedicale cambiamenti culturali ricerca scientifica cambiamenti professioni cambiamenti ambientali ricerca scienze della vita Evoluzione Prodotti e Servizi Biomedicali nuove patologie cambiamenti socio-demografici domanda di salute ricerca scientifica e tecnologica innovazione tecnologica evoluzione sistemi sanitari cambiamenti scenario politico sistema competitivo delle imprese cambiamenti scenario economico 32 Posizionamento tecnologico – capacità brevettuale (2001 (2001--2005) 33 Classificazione settore biomedicale 34 Alcuni trend tecnologi relativi ai dispositivi medici Diagnostica per immagini imaging nucleare, radiologia interventistica, capsula endoscopica, … Drug delivery iniezioni senza ago, sistemi transdermici, sistema di inalazione, sistema di infusione, … Diagnostica molecolare biosensori, proteomica, proteomica, nanotecnologia, … 35 Ausili e tecnologie assistive Chirurgia non invasiva o mini--invasiva mini stent,, chirurgia laparoscopica, stent robotica medica, … Sistemi MicroElettroMicroElettroMeccanici (MEMS) sensori di pressione in miniatura medici, biobio-chip, chip di proteine, … 36 Monitoraggio nonnoninvasivo glucosio nel sangue, pressione oculare, … Biomateriali protesi articolari, tessuti artificiali, medicazioni antimicrobiche delle ferite, … Protesi arti bionici, neurostimolazione,, neurostimolazione retina artificiale … Tele--medicina Tele 37 Anna Scala Direzione Sanita’ Sede di Treviso Ospedale Regionale Ca’ Foncello Via Ospedale 11- 31100 Treviso Tel. 337337-1076253 e-mail: [email protected] muoviamo le informazioni, non le persone formazione ed esperienze professionali OTTOBRE 20012001-LUGLIO 2005 laurea triennale in Ingegneria Biomedica OTTOBRE 20052005-APRILE 2008 laurea specialistica in Bioingegneria 2008-LUGLIO 2009 NOVEMBRE 2008master universitario di 2° 2°livello in Ingegneria Clinica APRILE 20092009-SETTEMBRE 2009 tirocinio associato al Master presso il Servizio di Ingegneria Clinica di Padova (ULSS16/Azienda Ospedaliera) DICEMBRE 20092009-MARZO 2010 tirocinio volontario presso il Servizio di Ingegneria Clinica di Monselice (ULSS17) APRILE 20102010-OGGI Insiel Mercato SpA (TBS Group) TBS Group in Europa leader nei servizi di ingegneria clinica e di ee-health presente attraverso numerose consociate in 12 paesi circa 1.700 addetti e 174,9 milioni di ricavi pro forma (‘09) 25 centri di competenza specialistici 300 laboratori on site collegati a più di 1000 ospedali europei ed extra europei, presente in più di 1000 PA divisione apparecchiature e dispositivi medici divisione ee-Health & ee-Government informatica telemedicinaa & teleassistenza telemedicin TBS Group: le business unit apparecchiature e dispositivi medici consulenza sugli acquisti, formazione sui dispositivi medici, collaudi, manutenzione preventiva e correttiva delle apparecchiature biomediche, verifiche di sicurezza e controlli di qualità funzionale, gestione informatizzata delle attività erogate e-Health & e e--Government Teleassistenza e Telemedicina servizi telematici di Telediagnostica, di RPM (Remote Patient Monitoring) e di continuità assistenziale a strutture socio sanitarie, enti locali, farmacie, società di homecare services e a singoli cittadini IT per la Sanità sistemi integrati per la gestione informatizzata delle attività cliniche delle strutture sanitarie e sociosocio-assistenziali IT per la Pubblica Amministrazione sistemi integrati per la gestione informatizzata dei servizi demografici, sociali, tributari, amministrativi e di governo, di gestione delle risorse umane, di protocollo e gestione documentale di Enti Locali, Regioni e altre pubbliche amministrazioni BU di e-Health & e-Government IM è la società di riferimento della Business Unit e-Health & e-Government BU di e-Health & e-Government cosa facciamo realizzazione progetti realizzazione sw “pacchettizzato” sviluppi On Demand … progetti e prodotti software servizi professionali CRM call center help desk analisi consulenza formazione installazione e configurazione conversione integrazione sistemi project management assistenza tecnica e applicativa … outsourcing assistenza telefonica teleassistenza … personale tributi … ASP housing hosting BU di ee-Health percorso clinico del paziente Lista attesa ricovero ADT G2ambulatoriale Visita specialistica cup Impegnativa art. 50 paziente esterno Richiesta consulenze Visualizzazione Referto Ricovero ADT di reparto Diario Clinico Prescrizioni …e Somministrazioni paziente interno ps Dimissione ADT di Reparto Intervento chirurgico BU di ee-Health LISA LISA, soluzione per il Sistema Informativo Socio Sanitario, è un sistema dinamico che riunisce soluzioni dell’area clinica, territoriale, amministrativa e direzionale, mediante la condivisione dei database e la razionalizzazione e automazione dei processi SISTEMI DI ACCESSO ADT SISTEMI TERRITORIALI PRONTO SOCCORSO SISTEMI CLINICI CUP EMERGENZA/118 SISTEMI DIAGNOSTICI SISTEMI DI GOVERNO ANAGRAFE ASSISTIB. AMB./REPARTO PRESCR./SOMMIN. RADIOLOGIA SPESA E RISORSE AMBULAT/CARTELLA CARTELLA CLINICA E DI REPARTO ORDER ENTRY. ANATOMIA PATOL. ATTIVITA’ TRASFUSIONALE/CRCC SALE OPERATORIE REPOSITORY IMMUNOTRASFUS. CONVENZIONE FARMAC ONCOLOGIA CARDIOLOGIA un esempio arrivo in ps un esempio ricovero e formulazione delle richieste elenco richieste paziente visualizzazione del referto gestore richieste un esempio intervento chirurgico un esempio dimissione e compilazione della sdo INSIEL MERCATO SPA [email protected] www.insielmercato.it Valeria Strappazzon DALL’UNIVERSITÀ ALL’ESPERIENZA SORIN •Settembre 2008 Laurea triennale in Ing. Biomedica •Luglio 2011 Laurea magistrale in Bioingegneria con la tesi “Il cuore artificiale totale: stato dell’arte, verifica su banco di prova del funzionamento del dispositivo CardioWest, indicazioni per lo sviluppo di dispositivi con funzionalità incrementata” con relatore Prof.ssa Francesca Maria Susin •Da Novembre 2011 Process Engineer presso Sorin Group Italia STRICTLY CONFIDENTIAL SORIN GROUP SORIN GROUP multinazionale leader mondiale nell’ambito dei dispositivi medicali per il trattamento delle patologie cardiovascolari. Il Gruppo è focalizzato su tre aree terapeutiche principali: • Supporto al sistema cardiopolmonare • Gestione del ritmo cardiaco • Riparazione e sostituzione delle valvole cardiache Ogni anno oltre un milione di pazienti sono curati in oltre 80 paesi con dispositivi medicali prodotti da SORIN GROUP e i prodotti sono utilizzati in oltre 5.000 ospedali nel mondo. Ossigenatori Filtri arteriali STRICTLY CONFIDENTIAL Pompe centrifughe arteriali PROCESS ENGINEER Ingegnere di processo gestione del processo produttivo e di tutte le validazioni di processo COSA SI INTENDE PER VALIDAZIONE DI PROCESSO? 1. Quando un macchinario (o un qualsiasi dispositivo) viene inserito nella linea produttiva deve essere validato (per mezzo di test, prove funzionali,..); ogni azione deve essere tracciata perché si tratta di dispositivi BIOMEDICALI, quindi sottoposti ad una specifica legislatura. 2. Quotidianamente devono essere monitorare le apparecchiature già in linea e deve essere sempre garantito il loro corretto funzionamento, secondo le specifiche definite nel momento in cui il nuovo macchinario è stato introdotto in linea. Lavoro molto vario che richiede, e permette di incrementare, le conoscenze in vari ambiti: fluidodinamico, meccanico, anatomico, gestionale, informatico,.. Contesto dinamico e stimolante, proprio per la varietà del lavoro svolto e per la continua interazione, all’interno dell’azienda, tra vari servizi (R&D, qualità, marketing, operation,..). STRICTLY CONFIDENTIAL PUNTI DI FORZA DELLA LAUREA IN BIOINGEGNERIA PER L’INSERIMENTO NEL MONDO DEL LAVORO •Possibilità di seguire, durante il percorso di studi, corsi inerenti ad ambiti tra loro anche molto diversi, avendo però una preparazione di base molto ampia e valida forte duttilità nel mondo del lavoro. •Possibilità di svolgere un lavoro di tesi di differenti tipologie (stage, esperienze in laboratori universitari,..) e in differenti ambiti a seconda degli interessi maturati durante il percorso di studi l’argomento sviluppato nella tesi può aiutare molto nel trovare l’occupazione. •Possibilità di intraprendere esperienze Erasmus (o altre esperienze simili sempre nei progetti di scambi internazionali) buona conoscenza della lingua inglese e apertura verso contesti diversi sia da un punto di vista universitario che umano. STRICTLY CONFIDENTIAL www.inventis.it Introduzione • Azienda fondata nel 2005 • Attuali campi di interesse 1. Audiologia 2. Video endoscopia 3. Foniatria www.inventis.it 2 Audiologia Bell Piano Harp www.inventis.it 3 Audiologia Piccolo Computer www.inventis.it iPad 4 Video endoscopia Visia HD / DV Medicam www.inventis.it 5 Video endoscopia Delfino www.inventis.it 6 Foniatria Highlight www.inventis.it 7 Foniatria Fonos Logos www.inventis.it 8 2007 Idea Robot per la terapia del cammino su scale Reha Technologies srl come spin-off 2008 Sviluppo prototipo G-EO Sviluppo: Calcolo traiettorie Simulazione meccanica Supervisione specifiche 2009 Validazione clinica Ricerca: Applicabilità clinica Test su pazienti Pubblicazione dei risultati 2010 Industrializzazione 2011 Vendita Marketing: Addestramento distributori Consulenza scientifica Premi di innovazione 2012 Crescita Management: Reha Technology AG Supervisione del consiglio scientifico Reha Technology USA Inc. A. Esquenazi S. Hesse N. Smania A. Waldner Grazie per l‘attenzione