Ingegneria Biomedica
Prof. Annalisa BONFIGLIO Coordinatrice del Consiglio di Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica [email protected]
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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
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 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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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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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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X = 40Y = 40Z = 60.36
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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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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?
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
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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