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Ingegneria Biomedica
Prof. Annalisa BONFIGLIO
Coordinatrice del Consiglio di Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
[email protected]
1
Sommario
 Cosa e’ (e cosa non e’) un ingegnere
Biomedico?
 Conoscenze e funzioni
 Ricerca in campo Biomedico
 Possibili sbocchi lavorativi
 L’ingegneria Biomedica a Cagliari
 La ricerca a Cagliari
 I laureati a Cagliari
 Informazioni pratiche sulla frequenza
al primo anno
An engineer is a solutionist!
Ingegneria Biomedica - Prof. Annalisa BONFIGLIO - [email protected]
Cos’e` un Bioingegnere?
IEEE – Engineering in Medicine and Biology Society:
• As their title suggests, biomedical engineers work at the intersection of
engineering, the life sciences and healthcare. These engineers take
principles from applied science (including mechanical, electrical, chemical
and computer engineering) and physical sciences (including physics,
chemistry and mathematics) and apply them to biology and medicine.
Although the human body is a more complex system than even the most
sophisticated machine, many of the same concepts that go into building
and programming a machine can be applied to biological structures and
diagnostic and therapeutic tools.
• The goal is to better understand, replace or fix a target system to
ultimately improve the quality of healthcare.
Si veda: http://www.embs.org/about-biomedical-engineering
Ingegneria Biomedica - Prof. Annalisa BONFIGLIO - [email protected]
4
Cos’e` un Bioingegnere?
Every part of the healthcare journey is supported by biomedical engineering. From
electronic health records to diagnostic tools and machinery to therapeutic, rehabilitative
and regenerative treatments, the work of biomedical engineers is evident. Consider, for
example, how many exploratory surgeries can now be avoided thanks to advancements in
diagnostic imaging. The following list represents just a few familiar examples of the
application of engineering knowledge in medicine and biology:
Cardiac stents,
Defibrillators, EKGs, Holter monitors, Mobile Cardiac Outpatient
Telemetry (MCOT), EEGs, Medical imaging (x-ray, CT, MRI, fMRI, PET), cochlear implants,
Anesthesia monitoring equipment, Prescription monitoring for pharmacies, Artificial
hearts and valves, Pacemakers, Medical ventilator systems, Rehabilitation systems,
Prosthetics, LASIK surgery, daVinci surgical robots, Transcatheter valve replacement and
repair devices.
Biomedical engineers are helping to change the way healthcare is delivered through
advancements in telemedicine, stem cell research, nanotechnology, tissue engineering,
wearable technologies for home health monitoring, and neural. The result of their work is
giving rise to such advancements as bionic vision, neural prostheses, intelligent drugs (nano
particles) and replacement tissues. With advanced computer models that provide the means
for interpreting diagnostic values in new ways, engineering is moving us in the direction of
more personalized therapy. Beyond simply providing technical devices, engineers can help
physicians to facilitate decision-making, thereby advancing the science of medicine and
freeing physicians to focus on the art of patient care.
Cosa non fa un Bioingegnere
• Il Bioingegnere non e` un medico ne’ un
tecnico di laboratorio.
Cosa fa il Bioingegnere
Il Bioingegneria progetta, realizza e gestisce la
tecnologia che serve al medico
Oppure applica i modelli della biologia in campo
tecnologico, per ottenere nuove e
piu’ avanzate funzionalita’ in numerosi campi di
applicazione, anche non biomedicale
Alcuni esempi di tecnologia biomedica
Ingegneria Biomedica - Prof. Annalisa BONFIGLIO - [email protected]
Non solo Medicina: la Bioingegneria
applicata allo sport
Le protesi di Oscar Pistorius
I costumi di Federica Pellegrini
9
In cosa si distingue un Bioingegnere
da un altro Ingegnere?
• L’ingegnere biomedico deve integrare biologia e
medicina con l’ingegneria per risolvere problemi
collegati a sistemi viventi. Quindi un bioingegnere deve
avere solide conoscenze nelle discipline tradizionali
dell’ingegneria (elettronica, meccanica, chimica,
informatica) ma deve anche avere conoscenze
approfondite della complessita` dei sistemi biologici e
nozioni di pratica clinica.
10
AREE DELLA BIOINGEGNERIA
11
Bioingegneria Industriale
•
•
I Biomateriali sono sostanze che sono
ottenute per essere usate in dispositivi
che devono interagire con tessuti vivi.
Esempi sono cartilagini, e scheletri che
permattano lo sviluppo di tessuti nella
ricorstruzione di organi
La Biomeccanica e` la meccanica applicata
al corpo umano. Questa include lo studio
del moto, della deformazione dei
materiali, della fluidodinamica. Per
esempio lo studio della fluidodinamica
della circolazione del sangue contribuisce
allo studio di organi come il cuore
artificiale, lo studio della meccanica
permette lo studio di protesi ossee.
12
Robotica in Chirurgia e Riabilitazione
•
•
L’ingegneria della riabilitazione e`
l’applicazione delle scienze e della tecnologia
per migliorare la qualita` della vita per
persone temporaneamente o cronicamente
disabili. Questa disciplina include lo sviluppo
sia di dispositivi d’esercizio per migliorare le
prestazioni locomotorie sia per migliorarne la
comunicazione, la deambulazione, l’accesso
alle informazioni, lo sviluppo di protesi
La robotica in chirurgia aiuta il chirurgo sia
nella pianificazione che nell’esecuzione
dell’intervento. Questa tecnologia puo`
limitare gli effetti negativi della chirurgia
riducendo la dimensioni delle incisioni,
aumentandone la precisione e diminuendo i
costi pre- e post-operatori.
13
Bioingegneria dell’informazione
• Le tecnologie dell’informazione nell’ingegneria
biomedica coprono un’ampia gamma di applicazioni. Tra
esse l’uso della realta` virtuale per l’aiuto alla
diagnostica, l’applicazione di tecnologie di
comunicazione internet per l’accesso del paziente a
servizi in remoto, la gestione della cartella clinica
digitalizzata e i conseguenti problemi di sicurezza e
segretezza dei dati
• La telemedicina riguarda il trasferimento di dati medici
da una sede ad un’altra per la diagnosi e il trattamento di
pazienti in remoto. Questa disciplina riguarda lo sviluppo
di dispositivi dedicati in grado di comunicare a distanza,
sistemi di video-conferenza, reti di calcolatori. Tale
tecnologia puo` anche essere utilizzata per
l’addestramento e aggiornamento del personale medico.
14
Elaborazione di segnali medici
• L’elaborazione di segnali biomedici riguarda
l’estrazione di dati biologici per diagnosi e
terapia. L’esempio classico e` lo studio
automatico di tracciati cardiaci per valutare
eventuali situazioni di pericolo di vita, lo
studio di segnali neurali per il controllo di
apparecchiature neuro-controllate come
possono essere arti artificiali.
• L’elaborazione o di dati di immagini mediche
da raggiX da ultrasuoni da risonanza
magnetica o tomografici. Aree di attivita` sono
sistemi di acquisizione digitale, algoritmi di
interpretazione e rendering, algoritmi di
compressione per la memorizzazione in banca
dati.
15
Strumentazione medicale
• Lo sviluppo di strumentazione
medicale riguarda lo sviluppo di
hardware, software e sistemi
usati per processare segnali
biologici. L’attivita` parte dallo
sviluppo di sensori che possono
catturare segnali biologici di
interesse, applicare metodi di
amplificazione e filtro di segnali
che possono essere studiati per
ridurre le interferenze
ambientali e gli artefatti dovuti
per esempio al movimento del
paziente.
16
Micro-Nanotecnologie
•
•
•
Le Micro e nano tecnologie sono utilizzate
per lo sviluppo di dispositivi su sala micro e
nano metrica. Tra questo tipo di dispositivi ci
sono sensori che possono misurare la
variazione delle proprieta’ dei tessuti o di
pressione del sangue o livelli proteici.
Dispositivi BioMEMS integrano elementi
meccanici, sensori, attuatori. Si arriva alla
realizzazione di microbot che possono essere
inseriti nel corpo per trasportare farmaci e
iniettarli direttamente dove servono.
I dispositivi Microelettronici integrati su chip
permettono l’integrazione delle piu` svariate
funzionalita` in dimensioni ridotte e con
dissipazioni di potenza limitate, compatibili
con la possibilita’ di una efficace
impiantazione.
17
Modellistica fisiologica e neurale
• Modelli fisiologici dei sistemi viventi sono
utili per la diagnostica e la terapia. Esempi
sono modelli del movimento, ma anche
modelli metabolici, utili per progettare
organi artificiali.
• Una discipina all’avanguardia e` quella del
modello di sistemi neurali che sono utili
sia per la comprensione dei meccanismi
cerebrali e di controllo sia per lo sviluppo
di sistemi artificiali neurocontrollati come
protesi, neurorobot. Sono allo studio
anche sistemi per impiantazione.
18
Bioinformatica
• La Bioinformatica permette di utilizzare il
computer per acquisire e analizzare dati collegati
a medicina e biologia. La Bioinformatica richiede
l’uso di tecniche di ricerca di sequenze in
database che contengono milioni di sequenze.
• La Proteomica e` lo studio della posizione,
interazione, struttura e funzione delle proteine.
Questo studio ha permesso la scoperta di nuovi
meccanismi cellulari che spiegano come
avvengono le infezioni e quindi nuove terapie e
tecniche diagnostiche. Collegate a queste ricerche
ci sono attivita` di sviluppo di microsensori
dedicati.
19
Ingegneria Clinica
• L'ospedale e` caratterizzato da una complessa e
sistematica organizzazione sanitaria, funzionale
e amministrativa di elevato peso economico che
si avvale di aggiornate tecnologie diagnostiche,
terapeutiche e assistenziali con relazioni
territoriali.
• L'attivita` deve quindi essere programmata,
progettata, realizzata e gestita in modo
finalizzato, equilibrato e integrato, in quanto
essa condiziona in modo determinante il
modello organizzativo, l'articolazione funzionale
e l'efficienza gestionale.
• Il ruolo dell'Ingegnere Clinico e` quello di
operare in questo contesto clinico facendo la
sintesi di tutti gli attori di questo processo.
20
INGEGNERIA BIOMEDICA A
CAGLIARI
QUALCHE ESEMPIO DI RICERCA
SVOLTA PRESSO LA NOSTRA
UNIVERSITA’.
21
Real-Time Biomedical Signal Processing
Il gruppo di Biomedical Signal Processing (Danilo Pani,
Gianluca Barabino, Alessia Dessì) si occupa di algoritmi e sistemi
per l’elaborazione in tempo reale di segnali di interesse
biomedico quali:
•algoritmi per l’estrazione dell’ECG fetale da misure non invasive
• algoritmi per la decodifica del segnale nervoso per controllo di
neuroprotesi
• sistemi di telemedicina
• microarchitetture di calcolo per applicazioni biomedicali
0
Da alcuni progetti in corso…
300
250
200
150
X = 40
Y = 40
Z = 60.36
100
50
0
35
40
45
50
55
60
LEN
200
300
400
0
20
60
40
80
100
# templates
500
600
Sistemi di monitoraggio indossabili
• Fili e tessuti convenzionali (cotone, poliestere, nylon,
lycra) resi elettro-conduttivi tramite funzionalizzazioni
con polimeri conduttori
• Resistenza fili fino a 500 Ω/cm
• Resistenza tessuti fino a 20 Ω/sq
Sistemi di monitoraggio indossabili
•
•
•
•
•
•
Elettrodi per biopotenziali (ECG, EMG, EEG)
Abbigliamento riscaldante.
Schermaggio elettromagnetico (EMI)
Sensori meccanici (respirazione, movimento)
Display tessile (elettrocromismo)
Transistori, capacitori, ecc.
Laboratorio di Biomeccanica
Laboratorio di “Biomeccanica
ed Ergonomia Industriale”
Dipartimento di Ingegneria Meccanica,
Chimica e dei Materiali
Attività di ricerca: Analisi della Postura e del
Movimento in campo Ergonomico, Clinico, e della
Biomeccanica dello Sport
Attività didattica: Corso di Laurea in Ingegneria
Biomedica (moduli “Fondamenti di Meccanica e
Biomeccanica”, “Bioingegneria Meccanica”, “Laboratorio
di Analisi del Movimento”)
Dotazioni di laboratorio
8 Telecamere
Infrarosso 120 Hz
BTS Smart DX
Laboratorio di
Analisi del Movimento
Elettromiografia di superficie
Wireless (6 canali)
BTS RT-100
Piattaforma di forza
BTS P-6000
Dotazioni di laboratorio
Baropodometria elettronica statica e dinamica
(Tekscan, Zebris, RS-Scan)
Analisi della postura seduta
(Tekscan Conformat)
Sensori inerziali indossabili
(BTS G-Sensor)
Massimo Barbaro , Caterina Carboni, Danilo Pani e Luigi Raffo
MANO ARTIFICIALE
GOVERNATA DA SEGNALI
NEURALI
29
SAFE-HAND
– Scuola Sant’Anna – Pisa,
– Campus Biomedico Roma,
– Universita` di Cagliari
30
Esempio di mano artificiale
31
Massimo Barbaro, Annalisa Bonfiglio, Stefano Lai
SENSORI PER LA
RILEVAZIONE DEL DNA
32
33
I laureati in Ingegneria Biomedica di Cagliari
Ingegneria Biomedica - Prof. Annalisa BONFIGLIO - [email protected]
Ad oggi abbiamo avuto, dal 2007, circa 250 laureati triennalisti.
Il 90 % sceglie di continuare con la Laurea Magistrale
Magistrale in Biomedica
Altre Magistrali
Ingegneria Biomedica - Prof. Annalisa BONFIGLIO - [email protected]
Come giudicano la loro preparazione i nostri studenti?
ESTERO
ROMA
PAVIA
GENOVA
TORINO
PISA
MILANO
Piu’
preparato
Meno
preparato
nell'area BIOLOGICA e MEDICA:
nell'area BIOELETTRONICA:
nell'area BIOMECCANICA:
nell'area BIOMATERIALI:
complessivo per tutte le aree:
1
1,5
2
2,5
3
Ingegneria Biomedica - Prof. Annalisa BONFIGLIO - [email protected]
ORGANIZZAZIONE DIDATTICA
37
IL PRIMO ANNO IN INGEGNERIA
INSEGNAMENTI COMUNI A TUTTI I CORSI DI LAUREA
Analisi 1
9 CFU
Fisica 1
8 CFU
Chimica
6 CFU
Corso
integrato di
Matematica
Analisi Matematica
5 CFU
Geometria e Algebra
7 CFU
Fisica 2
7 CFU
COMUNI AD AMBIENTE – CIVILE – CHIMICA
E MECCANICA
Fondamenti di Informatica
6 CFU
COMUNI AD ELETTRICA ED ELETTRONICA E
BIOMEDICA
Corso integrato: Elementi di
Sistemi di
informatica
elaborazione
Calcolatori elettronici
dell’informazione
6 CFU
6 CFU
I anno - I semestre
Insegnamento
crediti
Analisi 1 (C.I.)
9
8
6
3
29
Fisica 1
Chimica
Prova di lingua
Totale crediti
C.I. = CORSO INTEGRATO
39
I anno – II semestre
Insegnamento
crediti
Matematica 2
Fisica 2
Sistemi di elaborazione Elementi di Informatica
dell’informazione (C.I.) Calcolatori Elettronici
Totale crediti
C.I. = CORSO INTEGRATO
40
12
7
6
6
31
II anno – I semestre
Insegnamento
crediti
6
3
Matematica Applicata
Biochimica e
Biochimica
Biologia
Molecolare
Biologia Molecolare
(C.I.)
2
Meccanica e Fondamenti di Meccanica e Biomeccanica
Costruzioni
Biomeccaniche
(C.I.)
Costruzioni Biomeccaniche
Fenomeni di Biomateriali
Trasporto e
Biomateriali (C.I.) Fenomeni di Trasporto in Sistemi Biomedici
C.I. = CORSO INTEGRATO
5
5
5
Totale
41
5
31
II anno – II semestre
Insegnamento
crediti
Fondamenti di Elementi di Analisi dei Sistemi
Ingegneria
dell'Informazione
Elaborazione Elettronica dei Segnali
(C.I.)
Corso integrato:
Progettazione di Fondamenti di Progettazione Elettronica
Strumentazione
Elettromedicale
Strumentazione Elettromedicale 1
(C.I.)
Anatomia e
Fisiologia (C.I.)
5
5
5
5
Anatomia Umana
4
Elementi di Fisiologia
3
42 Totale
27
III anno – I semestre
Insegnamento
Attuatori elettrici e convertitori
Bioelettronica (C.I.) Elettronica dei Dispositivi
Interfacce Bioelettroniche
Bioingegneria Bioingegneria Meccanica
Industriale (C.I.) Bioingegneria Chimica
Totale crediti
C.I. = CORSO INTEGRATO
43
crediti
5
5
5
5
5
25
III anno – II semestre
Insegnamento
Elementi di
Clinica, Patologia
Un corso a scelta
tra
Un corso a scelta
tra
crediti
Patologia
Complementi di Medicina e Chirurgia Generale
Strumentazione e Materiali Protesici
Radiodiagnostica e Medicina Nucleare
Strumentazione Elettromedicale 2
Biosensori
Fluidodinamica
Elementi di Bioinformatica
Compatibilità Elettromagnetica
Misure e strumentazioni cliniche
Sicurezza elettrica del paziente in ospedale
Scelta libera
Prova Finale
Altre Attivita`
44
Totale
crediti
2
2
2
2
5
5
12
6
4
40
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