Programma per l’AA 2012/2013 del corso di Elaborazione di Dati e Segnali Biomedici 1 Prof. GianCarlo Filligoi Periodo delle lezioni: Marzo – Maggio 2013 Per il III° anno della Laurea Breve in Ingegneria Clinica e Biomedica 1)-SISTEMA DI ACQUISIZIONE DI DATI TRAMITE PC 1.1)-Considerazioni introduttive Bioingegneria, Ingegneria medica e Ingegneria clinica Il mercato delle apparecchiature medicali e possibili aree di ricerca della BME La situazione Americana, Europea e locale della BME 1.2)-Con quali segnali abbiamo a che fare? Origine dei segnali biomedici; Classificazione dei biosegnali; Principali caratteristiche dei segnali biomedici; 1.3)-Acquisizione di segnali tramite computer: 1.3.1)-Problematiche dei Bioelettrodi Elettrodi per basse correnti (I0) Ag-AgCl; Alpacca; Nichel Elettrodi per alte correnti Acciaio Inox (defibrillatori) Platino-Iridio (pace-maker) Piombo (reografia o impedenzometria) Modello equivalente di coppie di elettrodi cutanei applicati sulla cute: Interfaccia elettrodo elettrolita Potenziale di mezza cella (HCP= Half Cell Potential) Elettrodo standard all’idrogeno (SHE=Standard Hydrogen Electrode) Rumore di elettrodo Resistenza di trasporto di carica e capacità di doppio strato Impedenza di Warburg Resistenza dell’epidermide Resistenza delle zone ad alta densità di corrente Resistenza del mezzo interposto tra gli elettrodi Schema equivalente semplificato La polarizzazione degli elettrodi Tempo di recupero della tensione di polarizzazione Il rumore di elettrodo L’impedenza di interfaccia Principali connessioni di Trasduttori e Sensori: Potenziometrica Con Amplificatore operazionale A ponte di Wheatstone; 1.3.2)-Analog Signal Conditioning: DC offset removal e AC coupling; Rapporto segnale/rumore (SNR) espresso in dB; Banda Passante e Roll-off di un filtro; Filtraggio PassaAlto, PassaBasso, Antialiasing; Detezione di eventi e trigger; Peritriggering Riduzione dei rumori di interferenza; 1.3.3)-Conversione Analogico-Digitale: Modulo S/H (Sampling & Holding); Quantizzazione: Tecniche dirette e indirette; 1.3.4)-Comunicazioni tra pC e I/O interface card: Gestione delle porte di I/O: Control port, Status Port e Data Port; Fasi della comunicazione: inizialization e data transfer phase; Programmed I/O, Interrupt driven, DMA e shared memory; 1.3.5)-Cenni al Multiplexing: Specifiche dei MUX Il crosstalk 2)-METODI DI STIMA SPETTRALE--------2.1)-Introduzione: Leakage e risoluzione spettrale: Effetti delle finestre temporali sullo spettro stimato 2.2)-Alcuni concetti di base sui processi aleatori: Stazionarietà ed ergodicità: statistiche d'insieme e temporali; Teorema Wiener-Khinchine; 2.3)-Alcuni concetti di base sulla teoria della stima: Qualità della stima: polarizzazione, efficienza e consistenza; 2.4)-Stime spettrali non parametriche o classiche: Spettro campione e Periodogramma: Utilizzo dell’algoritmo della FFT: lo zero-padding valutazione del BIN nella rappresentazione dello spettro; Smoothing in frequenza (stima di Daniell); Smoothing nel tempo senza sovrapposizione (stima di Bartlett); Smoothing nel tempo con sovrapposizione (stima di Welch); Correlogramma: Stima polarizzata e non polarizzata della funzione di autocorrelazione; 2.5)-Stime spettrali parametriche: Modelli AR, MA, ARMA: Equazioni Yule-Walker e trattamento dei dati in modalità a blocco; Algoritmo ricorsivo di Levinson-Durbin; Confronto tra i vari tipi di modelli; Scelta dell’ordine del modello (Criteri di Akaike, Rissanen e Parzen) Cenni al Metodo di Burg; 3)-ANALISI DELLE SEQUENZE NUCLEOTIDICHE 3.1)-Cenni storici: dalla Società delle Scienze alla Società della Biologia 3.2)-Struttura della cellula Gli eucarioti I procarioti Membrana citoplasmatica Doppio strato fosfolipidico Pori Canali Ionici Pompe elettrochimiche Organelli e loro funzioni biologiche: Mitocondri Cloroblasti Ribosomi Reticolo endoplasmatico Complesso di Golgi Lisosomi Perossisomi Il Nucleo: Membrana nucleare Materiale genico nucleare Il dogma della biologia genetica dal DNA alle proteine: trascrizione e traduzione 3.3)Il Genoma Genoma nucleare Cellule diploidi e aploidi I cromosomi: Cromatidio e Fibre di cromatina Nucleosomi Doppia Elica DNA Istoni L’esperimento di Griffith del principio trasformante La struttura spaziale del DNA secondo Watson e Crick Genoma mitocondriale 3.4)- Gli Acidi nucleici Il Nucleotide Gruppo fosfato Zucchero con 5 atomi di 12C Base azotata Acido DesossiriboNucleico (DNA): Lo zucchero desossiribosio Basi puriniche e pirimidiniche Struttura primaria, secondaria, Terziaria, Quaternaria Accoppiamento delle basi azotate La doppia elica Legami forti e deboli nella molecola del DNA Eliche antiparallele Direzioni 3’-5’ e 5’-3’ Acido RiboNucleico (RNA): Lo zucchero Ribosio I 7 tipi di RNA Struttura primaria, secondaria e terziaria del RNA Gli elementi fondamentali della struttura secondaria L’energia libera di legame delle basi accoppiate Funzioni di mRNA, t-RNA e r-RNA nella trascrizione e traduzione Esoni, introni e splicing Il codice genetico 3.5)-Trattamento statistico delle sequenze genomiche e proteomiche Allineamento delle strutture primarie Punteggi (score) di somiglianza e penalità per i gaps Le banche dati Le percentuali di dinucleotidi (GC, AT, ..) 3.6)-Necessità di “moltiplicazione” dei dati biologici In-vivo: DNA ricombinante Enzimi di restrizione RNA-polimerasi Frammenti di restrizione Vettore di clonazione Plasmide In-vitro: PCR (Polymerase Chain Reaction) Gli inneschi (primer) Denaturation, Annealing ed Elongation 3.7)-Sequenzamento del DNA Southern/Northern Blotting Elettroforesi su gel di agarosio Blotting su foglio di nitrocellulosa Probes marcati radioattivamente per l’ibridazione Metodo dideossi di Sanger 3.8)-Strategie di sequenzamento Metodo dei Contig Cenni al Metodo shotgun 3.9)-Elaborazione di segnali genomici Allineamento di sequenze e punteggi delle somiglianze Senza gap e senza esclusione di basi nucleotidiche Con GAP e/o esclusione di nucleotidi Ricerca di Motif Finding tramite intercorrelazione/convoluzione Il tool di Bioinformatica di Matlab Strategie di codificazione delle sequenze genomiche Con numeri reali Con numeri complessi I cammini casuali (DNA walks) 4)- RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE 4.1)-Acquisizione di Immagini Biomediche Cenni ai segnali bidimensionali e relativi concetti matematici Cenni alle Trasformate di immagini: Trasformata di Fourier 4.2)-Principi fisici della risonanza magnetica Le proprietà dei nuclei atomici Massa (Numero atomico, Numero di protoni, Numero di protoni) Carica elettrica Spin L’esperimento di NMR Saturation-Recovery Allineamento parallelo ed antiparallelo in presenza di campi magnetici esterni Il TESLA come unità di misura del campo magnetico Il salto di energia e la radiofrequenza Il F.I.D. (Free Induction Delay) Trasformata di Fourier del FID Legami delle grande spettrali con quelle fisiche Sommazione degli scan per incremento SNR Tempo di rilasciamento spin-spin T1 Tempo di rilasciamento spin-lattice T2 Relazione di Larmour Le frequenze di risonanza dei nuclei atomici 4.3)-Spettroscopia a Risonanza Magnetica Nucleare (MRS Magnetic Resonance Spectroscopy) Il chemical shift Rappresentazione nella scala Gli spettroscopi a RM Schema a blocchi dello spettroscopio Le bobine del campo di induzione principale Omogeneità del campo magnetico La deriva del campo magnetico ed il deuterio Bobine di compensazione (shimcoils) Effetti delle shimcoils sullo spettro NMR Il probe e lo spinning probe Taratura del probe Acquisizione del FID Importanza del Tempo di acquisizione Le oscillazioni (sinc wiggles) Il numero di punti durante il tempo di acqusizione Il guadagno del ricevitore e l’effetto di clipping Rivelazione del FID in quadratura Correzione degli errori di fase Lo zero-filling e la sua influenze sul BIN Relazione con la risoluzione spettrale Data windowing ed apodisation con finestra esponenziale Correzione della linea di base (isoelettrica) La matematica dei picchi di MRS La correlazione con Lorentziane Posizione, ampiezza ed altezza L’integrale dei picchi Detezione dei massimi Parametri che influenzano MRS Frequenza dello spettrometro (Spectrometer Frequency [sfrq]) Durata dell’impulso di eccitazione a RF (Pulse Width [pw]) Angolo dell’impulso Angolo di Ernst Tempo di acquisizione (Acquisition Time [at]) Numero di punti in at (Number of Points [np]) Sweep (Spectral) Width [sw] Ritardo di ripetizione (Recycle Delay [d1]) Numero di sprove o scansioni (Number of trials (scans) [nt]) Applicazioni della spettroscopia Spettri 1H-NMR Spettro dell’acqua tissutale e del grasso 13 Spettri C-NMR Spettro dell’- e –glucosio nel fegato 31 Spettri P-NMR Il metabolismo dell’ATP ed il suo spettro in-vivo Lo zero della scala Tetrametilsilano (TMS) e fosfocreatina (Pi) 4.4)-Tomografia a Risonanza Magnetica (Magnetic Resonance Imaging, MRI) La misura dei tempi di rilassamento T1 e T2 La ripetizione dell’esperimento di Saturation-recovery per valutare T1 Importanza del Tempo di Ripetizione (TR) La sequenza Spin-echo per valutare T2 Gradienti magnetici e loro utilizzo per la formazione delle immagini La mappatura spazio-frequenza Selezione del piano di tomografia Eccitazione selettiva (Selective excitation) Il piano nullo (Null plane) Ricostruzione delle immagini con la Back-Projection e la 2-D Fourier Trasf. L'esperimento di NMR secondo la fisica classica Misura dei tempi di rilasciamentoT1 e T2: Sequenza Inversion-recovery (180°-TI – 90°) Esperimento spin-echo (90° - TE/2 – 180°) Esperimento di Carr-Purcell e del Multiplanar Excitation Influenza dei parametri dell'esame NMR sull'intensità e il contrasto dell'immagine 4.5)-Cenni ai problemi costruttivi dei tomografi NMR 4.6)-Influenza sul MRI dei parametri di immagine e delle proprietà tissutali 5)-PRIMI PASSI NEL SOFTWARE MATLAB 5.1)-Interfaccia utente: Command window Workspace Current directory Help in linea I toolbox 5.2)-Strumenti di base Come leggere/scrivere files Come disegnare grafici Plot Sub-plot Hold-on Hold-off Arrays e matrici Grafici 3-D e a colori 5.3)Graphic Unit Interface (GUI) Push-button Axes CallbacK 5.4)-Tecniche segnalistiche di verifica dei programmi Segnali campione per eseguire test su algoritmi implementati di signal processing Onde sinusoidali e loro generazione Onde quadre e loro generazione Onde triangolari e loro generazione Segnali aleatorii (random noise) e loro generazione 5.5)-Verifica in tempo ed in frequenza della correttezza di un algoritmo in MATLAB Il debugging L’esecuzione step-by-step