Ingegneria Biomedica

Prof. Annalisa BONFIGLIO Coordinatrice del Consiglio di Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica

Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica biomedica@unica.it

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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!

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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

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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.

Cos’e` un Bioingegnere?

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

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Non solo Medicina: la Bioingegneria applicata allo sport

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Le protesi di Oscar Pistorius

I costumi di Federica Pellegrini

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.

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AREE DELLA BIOINGEGNERIA

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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INGEGNERIA BIOMEDICA A CAGLIARI QUALCHE ESEMPIO DI RICERCA SVOLTA PRESSO LA NOSTRA UNIVERSITA’.

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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

Da alcuni progetti in corso…

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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

Laboratorio di

Analisi del Movimento

8 Telecamere

Infrarosso 120 Hz

BTS Smart DX

Piattaforma di forza

BTS P-6000

Elettromiografia di superficie

Wireless (6 canali)

BTS RT-100

Dotazioni di laboratorio

Baropodometria elettronica statica e dinamica

(Tekscan, Zebris, RS-Scan)

Sensori inerziali indossabili

(BTS G-Sensor)

Analisi della postura seduta

(Tekscan Conformat)

MANO ARTIFICIALE GOVERNATA DA SEGNALI NEURALI

Massimo Barbaro , Caterina Carboni, Danilo Pani e Luigi Raffo

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SAFE-HAND

– Scuola Sant’Anna – Pisa,

– Campus Biomedico Roma,

– Universita` di Cagliari

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Esempio di mano artificiale

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SENSORI PER LA RILEVAZIONE DEL DNA

Massimo Barbaro, Annalisa Bonfiglio, Stefano Lai

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I laureati in Ingegneria Biomedica di Cagliari

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Ad oggi abbiamo avuto, dal 2007, circa 250 laureati triennalisti. Il 90 % sceglie di continuare con la Laurea Magistrale

Magistrale in Biomedica Altre Magistrali

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PAVIA

GENOVA

PISA MILANO

TORINO

ROMA ESTERO

1 1,5 2 2,5 3

complessivo per tutte le aree:

nell'area BIOMATERIALI:

nell'area BIOMECCANICA:

nell'area BIOELETTRONICA:

nell'area BIOLOGICA e MEDICA:

Meno preparato

Piu’ preparato

Come giudicano la loro preparazione i nostri studenti?

ORGANIZZAZIONE DIDATTICA

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IL PRIMO ANNO IN INGEGNERIA

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

Fondamenti di Informatica 6 CFU

Corso integrato:

Sistemi di

elaborazione

dell’informazione

Elementi di

informatica

6 CFU

Calcolatori elettronici 6 CFU

INSEGNAMENTI COMUNI A TUTTI I CORSI DI LAUREA

COMUNI AD AMBIENTE – CIVILE – CHIMICA

E MECCANICA

COMUNI AD ELETTRICA ED ELETTRONICA E

BIOMEDICA

I anno - I semestre

Insegnamento crediti

Analisi 1 (C.I.) 9

Fisica 1 8

Chimica 6

Prova di lingua 3

Totale crediti 29

39

C.I. = CORSO INTEGRATO

I anno – II semestre

Insegnamento crediti

Matematica 2 12

Fisica 2 7

Sistemi di elaborazione

dell’informazione (C.I.)

Elementi di Informatica 6

Calcolatori Elettronici 6

Totale crediti 31

40

C.I. = CORSO INTEGRATO

II anno – I semestre Insegnamento crediti

Matematica Applicata 6

Biochimica e

Biologia

Molecolare

(C.I.)

Biochimica 3

Biologia Molecolare 2

Meccanica e

Costruzioni

Biomeccaniche

(C.I.)

Fondamenti di Meccanica e Biomeccanica 5

Costruzioni Biomeccaniche 5

Fenomeni di

Trasporto e

Biomateriali (C.I.)

Biomateriali 5

Fenomeni di Trasporto in Sistemi Biomedici 5

Totale 31 41

C.I. = CORSO INTEGRATO

II anno – II semestre Insegnamento crediti

Fondamenti di

Ingegneria

dell'Informazione

(C.I.)

Elementi di Analisi dei Sistemi 5

Elaborazione Elettronica dei Segnali 5

Corso integrato:

Progettazione di

Strumentazione

Elettromedicale

(C.I.)

Fondamenti di Progettazione Elettronica 5

Strumentazione Elettromedicale 1 5

Anatomia e

Fisiologia (C.I.)

Anatomia Umana 4

Elementi di Fisiologia 3

Totale 27 42

III anno – I semestre Insegnamento crediti

Attuatori elettrici e convertitori 5

Bioelettronica (C.I.)

Elettronica dei Dispositivi 5

Interfacce Bioelettroniche 5

Bioingegneria

Industriale (C.I.)

Bioingegneria Meccanica 5

Bioingegneria Chimica 5

Totale crediti 25

43

C.I. = CORSO INTEGRATO

III anno – II semestre

Insegnamento crediti

Elementi di

Clinica, Patologia

Patologia 2

Complementi di Medicina e Chirurgia Generale 2

Strumentazione e Materiali Protesici 2

Radiodiagnostica e Medicina Nucleare 2

Un corso a scelta

tra

Strumentazione Elettromedicale 2 5

Biosensori

Un corso a scelta

tra

Fluidodinamica

5

Elementi di Bioinformatica

Compatibilità Elettromagnetica

Misure e strumentazioni cliniche

Sicurezza elettrica del paziente in ospedale

Scelta libera 12

Prova Finale 6

Altre Attivita` 4

Totale crediti 40 44