Politecnico di Milano
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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2015/2016
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 086031 - BIOELETTROMAGNETISMO E STRUMENTAZIONE BIOMEDICA [C.I.]
Docente Ferrigno Giancarlo , Ravazzani Paolo Giuseppe
Cfu 10.00 Tipo insegnamento Corso Integrato


Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (363) INGEGNERIA BIOMEDICA*AM086031 - BIOELETTROMAGNETISMO E STRUMENTAZIONE BIOMEDICA [C.I.]
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (471) BIOMEDICAL ENGINEERING - INGEGNERIA BIOMEDICA*AM096740 - BIOELETTROMAGNETISMO E STRUMENTAZIONE BIOMEDICA [1]
096741 - BIOELETTROMAGNETISMO E STRUMENTAZIONE BIOMEDICA [2]

Programma dettagliato e risultati di apprendimento previsti

Obiettivi

La prima parte del corso ha l'obiettivo di fornire agli studenti fondamenti tali da permettere la comprensione dei fenomeni bioelettrici e bioelettromagnetici nel corpo umano, di approfondire la valutazione dell’interazione fra i campi elettromagnetici CEM, i sistemi biologici ed i dispositivi biomedici quali le protesi impiantate e non, nonché approfondire metodiche di stima computazionale dei CEM in applicazioni biomedicali. La seconda parte del corso ha lo scopo di fornire le basi per la comprensione del funzionamento dei dispositivi biomedici sia dal punto di vista strumentale e tecnologico sia da quello algoritmico e di elaborazione dei segnali con l’introduzione alle loro caratteristiche, ai modelli di generazione e alle elaborazioni elementari di più generale utilizzo. 

Programma delle lezioni e delle esercitazioni

I. Fondamenti di bioelettricità

Modelli e metodi di analisi dei potenziali di membrana. Membrana cellulare e fenomeni di trasporto attraverso la membrana. Potenziale di Equilibrio. Potenziale d’azione (PA). Canali ionici, Voltage-clamp e misura delle conduttanze di membrana. Modello di Hodgkin-Huxley (H-H). Conduzione sotto-soglia: Cable Equation. Conduzione sopra-soglia: Propagazione del PA.

Potenziali extracellulari.   Modelli di elementari di sorgenti e volumi conduttori. Sorgenti: monopolo, dipolo, singola cellula, singola fibra, sorgente multiplo. Volume conduttore: effetto delle disomogeneità e del volume finito. Vettore derivazione.

Modelli di Neurone e reti neurotiche. Dal modello H-H ai modelli di dinamica del neurone singolo: modelli ‘integrate-and-fire’ (IF) e ‘spike-response’ (SR). Treni di impulsi e codifica neuronale dell’informazione. Modelli di reti neurotiche: struttura e realizzazione.

 

II. Campi elettromagnetici nei sistemi biologici

Metodi di stima di campi elettrici e distribuzioni di potenziale elettrico generati da/in tessuti biologici

Approccio analitico: Potenziale vettore magnetico, calcolo in mezzo infinito e semi infinito, applicazioni del teorema di reciprocità

Approccio numerico: Metodi alle differenze finite FIT, FDTD a bassa frequenza

 Metodi di stima di campi elettrici e magnetici generati in tessuti biologici da microonde

Approccio numerico: Metodi alle differenze finite FIT, FDTD nel range delle microonde (RF). Dosimetria dei campi elettromagnetici RF nei sistemi biologici: concetto di SAR e metodi di calcolo.

 III. Applicazioni biomedicali

III.a Campi elettrici e magnetici generati da tessuti biologici

Introduzione al problema diretto e inverso

Misura di grandezze elettriche e magnetiche generati da sistemi biologici

Segnali elettrocardiografici, segnali elettroencefalografici, segnali elettromiografici..

Sorgenti di campi magnetici e loro misura

 III.b Campi elettrici e magnetici generati in tessuti biologici

Stimolazione elettrica di sistemi biologici

Concetti di base sulla stimolazione esogena, stimolazione elettrica: concetti fondamentali. Potenzialità e limiti, Applicazioni cliniche. Dispositivi impiantabili attivi e CEM.

 Stimolazione magnetica del sistema nervoso

Concetti fondamentali. Potenzialità e limiti. Stima dei campi prodotti. Controllo e focalizzazione del campo. Problematiche costruttive e tecniche di ottimizzazione dei dispositivi per stimolazione.

Applicazioni cliniche.

 Studio degli effetti biologici dei campi elettromagnetici

Campi e onde. Effetti biologici: la frequenza, l’intensità e la potenza del campo. Il SAR. Effetti termici e non-termici. La dosimetria sperimentale e numerica

IV

Caratteristiche e dimensionalità dei segnali di interesse biomedico. Definizioni, caratteristiche e classificazione della strumentazione biomedica. Interfaccia biologico-tecnologico e problemi connessi:affidabilità, sicurezza, rapporto segnale-rumore, interferenze. Trasduzione e condizionamento dei segnali : amplificazione, filtraggio e conversione analogico-digitale. Sensori biomedici: classificazione e principi di trasduzione. Sensori di forza e posizione, di pressione e flussi. Sensori piezoelettrici e ultrasuoni. Sensori di temperatura e termometria. Misure ottiche e strumentazione relativa.

ENGLISH SUBJECT

Models and methods for the analysis of membrane potentials. Hodgkin-Huxley Model (H-H). Impulse propagation and conduction in fibres. Neuron models and networks. Extra-cellular potentials. Introduction to forward and inverse problem. Lead vector. Methods for the evaluation of electric and magnetic fields from/in biological tissues at low and high frequency. Direct solution of Maxwell equations. Numerical approach. Electrical stimulation of biological system. Magnetic stimulation of the nervous system. Study of the biological effects of electromagnetic fields and dosimetry. 

Biological sources of signals for medicine: characteristics and dimensionality. Biomedical instrumentation: definition, characteristics and classification. Biological-technological interfaces and related problems: reliability, safety, signal to noise ratio, interferences. Transduction and signal conditioning : amplification, filtering and A/D conversion. Biomedical sensors: classification and principles of transduction. Force and displacement sensors, pressure and flow transduction. Piezoelectric devices and ultrasounds. Temperature sensors and radiation thermometry. Optical measurements and related instrumentation

 

 


Bibliografia
Risorsa bibliografica obbligatoriaMainardi L., Ravazzani P., Principi di Bioelettricitą e Bioelettromagnetismo, Editore: Patron Editore, Anno edizione: 2011, ISBN: 978-88-555-3129-0
Risorsa bibliografica facoltativaJaakko Malmivuo, Robert Plonsey, Bioelectromagnetism: principles and applications of bioelectric and biomagnetic fields, Editore: Oxford University Press, Anno edizione: 1995
Risorsa bibliografica facoltativaBurr R.C. and R. Plonsey, Bioelectricity: A quantitative approach, Editore: Springer, Anno edizione: 2007
Risorsa bibliografica facoltativaJohn J. Webster, Strumentazione biomedica. Progetto ed applicazioni, Anno edizione: 2010, ISBN: 8879596640

Mix Forme Didattiche
Tipo Forma Didattica Ore didattiche
lezione
64.0
esercitazione
34.0
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
Disponibilitą di materiale didattico/slides in lingua inglese
Disponibilitą di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
Possibilitą di sostenere l'esame in lingua inglese
Disponibilitą di supporto didattico in lingua inglese

Note Sulla Modalitą di valutazione

Tutte le prove d’esame saranno svolte esclusivamente mediante prova scritta tale da permettere di accertare la conoscenza degli argomenti trattati nel corso.

28/04/2017 Area Servizi ICT v. 1.2.1 / 1.2.1