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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2014/2015
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 085820 - METODI PER IMMAGINI BIOMEDICHE E CHIRURGIA ASSISTITA [C.I.]
  • 085818 - METODI PER IMMAGINI BIOMEDICHE E CHIRURGIA ASSISTITA [1]
Docente Baselli Giuseppe
Cfu 5.00 Tipo insegnamento Modulo Di Corso Strutturato

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (401) INGEGNERIA BIOMEDICA* AZZZZ085820 - METODI PER IMMAGINI BIOMEDICHE E CHIRURGIA ASSISTITA [C.I.]
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (471) BIOMEDICAL ENGINEERING - INGEGNERIA BIOMEDICA* AZZZZ085820 - METODI PER IMMAGINI BIOMEDICHE E CHIRURGIA ASSISTITA [C.I.]

Programma dettagliato e risultati di apprendimento attesi

 

CORSO INTEGRATO - METODI PER IMMAGINI BIOMEDICHE E CHIRURGIA ASSISTITA - 10 cfu

Questo modulo, [1] Immagini biomediche, 5 cfu, fa parte di un corso integrato che unisce ai metodi di ricostruzione 3D di immagini diagnostiche anatomiche e funzionali con le tecniche di chirurgia assistita e radioterapia che su tali immagini si basano e che condividono problemi analoghi nella rappresentazione e trasformazione di coordinate tridimensionali di organi, strutture, lesioni.

 

Programma breve del corso integrato

[1] Immagini biomediche – Introduzione: importanza dell’imaging, 3D, multimodale e funzionale. Metodi di ricostruzione da proiezioni di immagini 3D, numerici, statistici. Principi e strumentazione per immagini di risonanza magnetica nucleare (MRI). Non idealità ed artefatti MRI. Spettroscopia MRI in vivo. Angiografia MRI. Immagini MRI pesate in diffusione e trattografia. MRI funzionale e mappe parametriche statistiche. Ecografia non lineare e 3D. Immagini cardiache.

[2] Chirurgia assistita –  Struttura dei sistemi di Computer Aided Surgery (CAS). Fase pre-operatoria: imaging 4-D; metodi di segmentazione 2D e 3D; modellazione e rappresentazione di superfici e volumi. Simulazione e pianificazione chirurgica: convenzioni di rappresentazione di posizione e orientamento; mapping e trasformazioni. Cenni di robotica in chirurgia: catene cinematiche, problema cinematico diretto e inverso. Fase intra-operatoria: chirurgia stereotassica e chirurgia guidata da immagini. Il problema della registrazione: metodi per punti corrispondenti; registrazione di superfici; acquisizione e registrazione di immagini intra-operatorie; Target Registration Error. Navigazione in chirurgia. Gestione dei fenomeni di organ motion; metodi di registrazione non rigida. Esempi di applicazione: neurochirurgia, chirurgia ortopedica, radiochirurgia.

 

INTEGRATED COURSE – BIOMEDICAL IMAGES AND COMPUTED AIDED SURGERY METHODS - 10 ECTS

This module, [1] Biomedical Images, 5 ECTS, is part of an integrated course which links 3D reconstruction methods of anatomical and functional diagnostic images with computed aided surgery and radiotherapy techniques, which are based on such images and also share similar problems in the representation and transformation of 3D coordinates of organs, structures, lesions.

 

Biomedical Images and Computer Aided Surgery Methods

[1] Biomedical Images – Introduction: importance of 3D, multimodal, and functional imaging. Reconstruction from projection methods: 3D, numerical, statistical. Magnetic resonance imaging (MRI) principles and instrumentation. Non ideal factors and artefacts in MRI. In vivo MRI spectroscopy. MRI angiography. Diffusion weighted MRI and tractography. Functional MRI and statistical parametric mapping. Non linear and 3D echography. Cardiac imaging.

[2] Computer Assisted Surgery  – Design of Computer Asisted Surgery (CAS) systems. Pre-operative phase: 4-D imaging; methods for 2-D and 3-D segmentation; modelling and rendering of surfaces and volumes; Surgical simulation and planning: conventions for position and orientation representation; mapping and spatial transformations. Surgical robotics: kinematic chains; direct and inverse kinematic problem. Intra-operative phase: stereotactic surgery and image guided surgery. The registration problem: point-based registration; surface registration; acquisition and registration of intra-operative images; Target Registration Error. Surgical navigation. Management of organ motion events; methods of deformable registration. Example of applications in neurosurgery, orthopaedic surgery, radiosurgery.

 

 

PROGRAMMA DETTAGLIATO DEL MODULO [1] IMMAGINI BIOMEDICHE

 

Obiettivi

Scopo del corso è consolidare la preparazione propedeutica fornita in Bioimmagini e mostrare le principali linee di tendenza per applicazioni avanzate volte alla esplorazione funzionale, alla ricostruzione tridimensionale (3D) e alla integrazione di diverse modalità.

 

Prerequisiti

I prerequisiti sono costituiti da una conoscenza di base dei sistemi di ricostruzione di immagini diagnostiche (Bioimmagini). Queste nozioni, a loro volta, richiedono conoscenze fornite al 1° livello relative a fondamenti della strumentazione e analisi di segnali biomedici (Fondamenti di Bioingegneria Elettronica).

 

 

Programma dettagliato delle lezioni

 

Introduction.

– Trends of imaging: 3D, functional, multi–modality.

 

Advanced Methods for 3D Reconstruction from Projections

– A general frame–work of the problem: discrete to continuous, discrete to discrete, continuous to continuous.

– Iterative (discrete to discrete) Maximum Likelihood methods, Aglebraic reconstruction technique (ART); maximum likelihood (ML) methods in nuclear medicine imaging.

  Fundamentals of analytical (continuous to continuous) 3D methods; approximated cone–beam Feldkamp, Davis, Kress (FDK) algorithm.

 

Principles of MRI

– Introduction, application overview, physical principles and instrumentation.

– Generation of nuclear magnetic resonance signal.

– Signal characteristics: FID, Spin Echo, Stimulated Echo, Gradient Echo.

– Signal localization: slice selection, frequency encoding, phase encoding, k–space.

– MRI contrast. Proton density, T1, T2, T2*. Recall of main sequence introduced in the previous course.

– PSF, Gibbs ringing artefact, chemical shift artefact, movement artefacts, SNR.

 

In vivo MR Spectroscopy (MRS) e Chemical Shift Imaging (CSI)

– Chemical shift artefact; signal: absorption mode; applications C–13, P–31, H–1; localization

 

Functional MRI (fMRI)

– Echo Planar Imaging (EPI) sequence, BOLD signal, smoothing, registration, filtering, hemodynamic response.

– Introduction to Statistical Parametric Mapping (SPM), regressors, confounding effects, contrast testing.

 

MR Angiography (MRA) and perfusion studies

– Principles: phase contrast, time of light (TOF),  Dynamic Contrast Enhanced (DCE) angiography.

– General perfusion concepts: regional blood flow, volume, mean transit time. DCE and dynamic suscettivity contrast (DSC) perfusion studies.

 

Diffusion Weighted Imaging (DWI), Diffusion Tensor Imaging (DTI) e Tractography

– General concepts: attenuation due to diffusion and DWI.

– Diffusion tensor, principal directions and anisotropy indexes, tractography.

 

Image Registration

– Principles, linear and non–linear transforms, point based estimates.

– Surface based and volume (gray level) based estimates, mutual information.

 

3D UltraSound (US) Imaging and Advanced Methods

– 3D US from B–mode and tracking; real time 3D by 2D arrays and parallel receiving.

– Non linear and methods and upper harmonics, echo–contrast, therapeutic effects.

 

Esercitazioni

La materia del corso sarà arricchita da seminari a carattere monografico, eventualmente pressolaboratori esterni.

 


Note Sulla Modalità di valutazione

-        Il corso si compone di lezioni frontali e di esercitazioni a carattere seminariale corredate da eventuali visite a laboratori. La frequenza è consigliata.

-        La verifica finale si compone di uno scritto e di una discussione orale obbligatori. Il docente potrà concordare con gli studenti l’anticipazione di parti dello scritto durante il corso, senza alcun obbligo da parte degli studenti. L’orale potrà essere corredato da attività di progetto concordate con il docente, su richiesta degli studenti interessati.

-        Nella formazione del giudizio è di primaria importanza la capacità di affrontare temi di avanzati di bioimmagini col supporto della formazione di base precedente.


Bibliografia

Software utilizzato
Nessun software richiesto

Mix Forme Didattiche
Tipo Forma Didattica Ore didattiche
lezione
30.0
esercitazione
20.0
laboratorio informatico
0.0
laboratorio sperimentale
0.0
progetto
0.0
laboratorio di progetto
0.0

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Disponibilità di materiale didattico/slides in lingua inglese
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
Disponibilità di supporto didattico in lingua inglese
schedaincarico v. 1.7.2 / 1.7.2
Area Servizi ICT
11/08/2022