Introduzione

CORSO DI
BIOINGEGNERIA ELETTRONICA
C.d.L. Ingegneria Elettronica
A.A. 2010/11
Dott. Claudia Manfredi
Facoltà di Ingegneria
Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni
Via S. Marta, 3
[email protected]
Ricevimento studenti da concordare per e-mail
LA BIOINGEGNERIA
ELETTRONICA - BE
La Bioingegneria Elettronica (Ingegneria Biomedica) è una branca dell’
ingegneria che utilizza le metodologie e le tecnologie proprie dell’ingegneria al
fine di comprendere, formalizzare e risolvere problematiche di interesse
medico-biologico mediante una stretta collaborazione degli specialisti dei vari
settori coinvolti.
Per poter svolgere il proprio lavoro il bioingegnere (ingegnere biomedico)
deve, non soltanto conoscere i metodi e gli strumenti dell'ingegneria classica,
ma anche le problematiche nei campi della medicina e della biologia.
Il bioingegnere deve infatti fornire la propria collaborazione a partire dalla fase
di studio del problema medico-biologico, in modo da poter avere una visione
globale completa e non solo presentata a posteriori da medici o biologi.
Per questo motivo la preparazione del bioingegnere deve necessariamente
comprendere conoscenze di: anatomia, biologia, fisiologia, patologia, oltre
ovviamente alle conoscenze ingegneristiche di base come matematica, fisica,
meccanica, chimica, energetica, elettronica, informatica e gestionale.
AREE DI RICERCA
• Applicazione di metodiche ingegneristiche di analisi di sistemi ed
elaborazione segnali biomedici (modellistica, simulazione e
controllo di sistemi fisiologici) a problemi biologici;
• Rilevamento, misura e monitoraggio di segnali fisiologici (biosensori
e strumentazione biomedica);
• Procedure e strumenti terapeutici e di riabilitazione (ingegneria della
riabilitazione);
• Strumenti per la sostituzione o l’incremento di funzioni corporee
(biomeccanica, organi artificiali);
• Elaborazione di dati di pazienti e decisione clinica (informatica
medica e intelligenza artificiale);
• Rappresentazione grafica di dettagli anatomici o funzioni fisiologiche
ed analisi (immagini biomediche);
• Creazione di nuovi prodotti biologici (biotecnologie e ingegneria dei
tessuti).
SETTORI DI APPLICAZIONE
Il bioingegnere lavora in differenti settori dell'ingegneria, dallo sviluppo, alla
progettazione, alla organizzazione.
Sviluppo
– metodi di analisi per sistemi biologici molto complessi, per poterli
semplificare utilizzando modelli artificiali
– metodi di analisi e acquisizione di segnali che provengono dai sistemi
biologici, per poterli codificare con una strumentazione adatta.
– sicurezza relativa ai dispositivi medici che implica la conoscenza delle
normative vigenti
Progettazione
– appararecchiature elettromedicali per la diagnosi, la terapia e la
riabilitazione
– organi artificiali e protesi
– sistemi informativi dedicati alla sanità e alla telemedicina
Organizzazione
– uso e la manutenzione della strumentazione biomedica
– reparti e cliniche delle aziende ospedaliere
MERCATO DELLA
BIOINGEGNERIA
La Bioingegneria è riconosciuta universalmente come una disciplina emergente volta
a generare una migliore comprensione dei fenomeni biologici ed a produrre
tecnologie per la salute con beneficio per la società (definizione MIT, USA, 1999).
Gli studi di mercato nel settore biomedicale indicano, in tutti i paesi avanzati, una crescita
di tutto il comparto.
Lo stato attuale (2006) del mercato mondiale di prodotti medicali vede l'Europa come
secondo mercato (26%) in termini di fatturato dopo gli Stati Uniti (41%) con il
Giappone al terzo posto (18%).
In Europa, la Germania è il paese leader, con una quota di mercato del 34%,
seguita dalla Francia con il 17%, dall'Italia con il 12%, dal Regno Unito con il 9% e
dalla Spagna con il 7% (tutti gli altri paesi europei insieme rappresentano il 21%).
Negli Stati Uniti e in Europa, il settore delle tecnologie per la salute rappresenta uno dei
campi di maggior sviluppo per le imprese spin-off e start-up.
STRUTTURA E OBIETTIVI DEL
CORSO
Il corso è strutturato in 2 parti, di 3 crediti ciascuna (codocenza Claudia
Manfredi,
Maurizio
Baroni
Dipartimento
di
Elettronica
e
Telecomunicazioni).
Il corso si propone di approfondire alcuni aspetti sia teorici che pratici
dell'ingegneria biomedica, nella quale bisogna saper identificare,
formulare e risolvere, anche in modo innovativo, problemi complessi o
che richiedono un approccio interdisciplinare.
Verranno quindi fornite nozioni relativamente al trattamento di
informazioni di interesse medico, cioè dati e segnali in ambito
biomedico, con richiami sui concetti di base, sviluppo di tecniche di
analisi ed esempi applicativi.
MODULO 3 CREDITI
Claudia Manfredi
Ia PARTE:
•
Introduzione: cos'è l’ ingegneria biomedica
•
Il corpo umano come un sistema dinamico. Cos’è un sistema dinamico.
•
Modelli, segnali e sistemi biomedici: dati, loro acquisizione e caratteristiche, parametri rilevanti nel
tempo e in frequenza.
•
Tipi di modelli matematici: parametri concentrati (compartimentali - dosaggio farmaci), parametri
distribuiti, lineari e non lineari
IIa PARTE:
•
Caratteristiche dei segnali e sistemi biomedici, stazionarietà, finestraggio, metodi di stima di
parametri temporali e spettrali
•
Esempi: EEG, ECG, ossimetria, flusso sanguigno, ultrasonografia, risonanza magnetica, ecc
•
Trasformata discreta di Fourier: pregi e limiti
•
Teoria dei sistemi lineari, modelli, identificazione parametrica, stima spettrale parametrica: pregi e
limiti
•
Esempi: confronto fra FFT e PSD parametrica su segnali biomedici stazionari e non stazionari
IIIa PARTE:
•
Analisi tempo-frequenza, filtraggio e stima del rumore
•
Verifica del modello e analisi dei dati.
•
Interazione ingegnere biomedico-clinico – Seminari applicativi da parte di clinici e ingegneri con cui
sono attive collaborazioni scientifiche.
BIBLIOGRAFIA
• G.D. Baura, "System theory and practical applications of biomedical signals",
Wiley & Sons, Inc., Pub., IEEE Press, USA, 2002
• E.N.Bruce, "Biomedical signal processing and signal modelling", Wiley &
Sons, Inc., Pub., USA, 2001
• R.B.Northrop, "Signals and systems analysis in biomedical engineering",
CRC 2003
• A.B.Ritter, S.Reisman, B.B.Michniak, "Biomedical Engineering principles",
CRC 2005.
• J.Enderle, Blanchard, Bronzino: “Introduction to Biomedical Engineering”,
Elsevier, 2005.
• Wiley Enciclopedia of Biomedical Engineering, (Metin Akay Ed.),
Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2006
Slide delle lezioni svolte: http://asp.det.unifi.it/bioingelettr
MODALITA’ DI ESAME
Orale consistente in domande sul programma svolto.
Data dell’esame: da concordare con il docente
Tesina applicativa anche di gruppo in genere sulla base di collaborazioni
esistenti con strutture ospedaliere o ditte biomedicali per eventuali tesi di
laurea
La discussione della tesina consiste in una breve relazione scritta ed in una
presentazione (Power Point), così strutturate:
Titolo e obiettivo
Metodo/i
Risultati ottenuti
Considerazioni finali
IL CORPO UMANO:
PRINCIPALI APPARATI E
SISTEMI FISIOLOGICI
Organo: combinazione di tessuti che svolgono attività complesse. Un
insieme di organi costituisce un sistema o apparato.
Il corpo umano è costituito da 11 sistemi principali:
1. Tegumentario (pelle, capelli, unghie, ecc)
2. Endocrino (tiroide, surrenali)
3. Linfatico (ghiandole, nodi linfatici, vasi linfatici)
4. Digestivo (stomaco, intestino)
5. Urinario (reni, ureteri, uretra)
6. Riproduttivo (ovaie, testicoli, cellule riproduttive, condotti e ghiandole)
7. Circolatorio (cuore, sangue, vasi sanguigni)
8. Respiratorio (polmoni e vie aeree)
9. Nervoso (cervello, midollo spinale, nervi periferici, organi di senso)
10. Scheletrico (ossa e cartilagini)
11. Muscolare (muscoli scheletrici)
In BE, organi e sistemi fisiologici vengono trattati come sistemi dinamici.
GERARCHIA BIOLOGICA
IL SISTEMA CIRCOLATORIO
Principali
arterie
Principali
vene
Apporta nutrimento ed ormoni, elimina gli scarti, fornisce un meccanismo di
regolazione termica per eliminare il calore prodotto dalle attività metaboliche
degli organi interni del corpo. Le cellule distano 10-100 dai capillari, e questo
consente lo scambio di ossigeno, biossido di carbonio, ecc.
IL CUORE
Spinge il sangue attraverso i vasi. E’ costituito da 2
parti (pompe): lato destro e lato sinistro. Ogni lato
possiede un atrio che riceve il sangue (dalle vene)
ed un ventricolo che lo spinge lontano. Lato destro:
spinge il sangue deossigenato ai polmoni (arteria
polmonare). Lato sinistro: spinge il sangue
ossigenato (vena polmonare) in tutto il corpo
attraverso le arterie.
Circolazione polmonare: cuore-polmoni
Circolazione sistemica: cuore-corpo
Un adulto possiede circa 5 L di sangue, di cui il
75% è nelle vene, il 20% nelle arterie e il 5%
nei capillari.
Ad ogni battito, circa 80 ml di sangue si
allontanano dal cuore. Sono necessari circa 60
battiti perché un globulo rosso compia un ciclo
completo nel corpo.
CICLO CARDIACO
Ciclo cardiaco = contrazione+rilassamento delle camere cardiache.
Inizia con un impulso elettrico spontaneo nelle cellule del nodo sinoatriale che fa muovere ioni attraverso
le membrane plasmatiche. Questa variazione di potenziale elettrico attraverso la membrana è detta
depolarizzazione (da -90mV a +20mV). L’equilibrio si ristabilisce dopo circa 0.3 s. Questo meccanismo
è detto potenziale d’azione. I potenziali di azione passano rapidamente da una cellula ad un’altra
(1m/s).
La depolarizzazione induce contrazione (sistole atriale)
e flusso del sangue dall’atrio al ventricolo. Il nodo
atrioventricolare riduce la velocità di propagazione
dell’impulso in modo che i ventricoli possano riempirsi di
sangue. Il sistema di Purkinje accelera nuovamente il
fronte d’onda, dando luogo ad una contrazione
simultanea di entrambi i ventricoli.
ELETTROCARDIOGRAMMA
Misura elettrica della somma delle variazioni ioniche nel cuore
Onda P = depolarizzazione degli atri
QRS = depolarizzazione dei ventricoli
Onda T = ripolarizzazione ventricolare. La ripolarizzazione atriale è mascherata
da questa.
Variazioni di ampiezza e/o durata delle varie componenti dell’ECG
forniscono indicazioni diagnostiche al clinico. L’analisi del segnale ECG è
uno dei primi studi della bioingegneria.
Esercizi
1.
Calcolare la frequenza cardiaca di un ECG in cui si hanno 10 onde R in 6,4 s.
Soluzione:
10 onde R = 9 intervalli R-R (o battiti cardiaci), quindi:
9battiti 60s
x
 84bpm
6,4s
1 min
2. Calcolare l’output cardiaco (CO) per il cuore dell’es. 1, con gittata cardiaca
=75 ml.
Soluzione:
L’output cardiaco è dato dal prodotto della frequenza cardiaca e della gittata
cardiaca (sangue in uscita dal ventricolo in un battito), quindi:
CO  84
battiti
ml
ml
litri
x 75
 6300
 6,3
min
battito
min
min
VALVOLE CARDIACHE
Valvole artificiali: sviluppate in
collaborazione fra ingegneri
biomedici e clinici, sostituiscono
quelle originali in caso di
calcificazione, disfunzione o
malformazione congenita.
Servono a far muovere il sangue nella giusta direzione.
Valvole atroventricolari: tricuspide e mitrale. Si aprono quando gli atri si
contraggono per far passare il sangue nei ventricoli.
Valvole semilunari: aortica e polmonare. Si aprono durante la sistole
ventricolare, per far uscire il sangue dal cuore; contemporaneamente le valvole
atrioventricolari si chiudono e impediscono al sangue di refluire dai ventricoli
agli atri.
MISURE DELLA PRESSIONE
SANGUIGNA
La pressione sanguigna può essere misurata
in modo diretto (invasivo) tramite un catetere o ago inserito in una vena o
arteria, accoppiato con un trasduttore di pressione
o indiretto (non invasivo), ad es. tramite sfigmomanometro: un manicotto
gonfiabile in genere applicato ad un braccio, impedisce al sangue di
scorrere nell’arteria, e tramite uno stetoscopio si ascolta la variazione del
suono mentre il manicotto viene sgonfiato lentamente. Il primo suono si ha
quando la pressione sistolica (la massima pressione raggiunta quando i
ventricoli si contraggono ed emettono il sangue) supera la pressione nel
manicotto, così che il sangue fluisce nuovamente attraverso l’arteria sotto lo
stetoscopio. Un altro metodo è quello oscillometrico, in cui un
microprocessore gonfia e sgonfia periodicamente il manicotto. Quando il
sangue è bloccato dal manicotto gonfio, le pareti dell’arteria incominciano a
oscillare a causa della natura turbolenta del sangue; l’inizio di tali oscillazioni
è in relazione con la pressione sistolica. Infine, si può utilizzare
l’ultrasonografia Doppler, che da una misura della velocità del sangue
(globuli rossi ) nel vaso.
Esercizio
Quali sono i valori della pressione differenziale e della pressione
arteriosa media per un individuo con una pressione sanguigna di 118
mm Hg/ 79 mm Hg?
Soluzione
Pressione differenziale = pressione sistolica – pressione diastolica
quindi in questo caso: 118-79=39 mm Hg.
Pressione arteriosa media = pressione diastolica + 1/3 pressione
differenziale.
Quindi in questo caso: 79 + 13 = 92 mm Hg