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Obiettivi del corso:
L'obiettivo primario del corso e' fornire le conoscenze necessarie a comprendere ed utilizzare le piu' recenti tecnologie elettroniche utilizzate per la progettazione e valutazione della piu' diffusa strumentazione biomedica. In particolare sara' affrontato lo studio approfondito dei relativi principi di funzionamento, delle applicazioni cliniche, diagnostiche e terapeutiche e delle architetture per l'elaborazione e la trasmissione dei dati.
Programma delle lezioni ed esercitazioni:
Caratteristiche e architetture della strumentazione elettronica nell'Ingegneria Biomedica. Architettura generalizzata di un sistema di misura. La catena di acquisizione dei segnali. Sistemi a segnali analogici e digitali. Il condizionamento dei segnali ed il front-end analogico: amplificatori operazionali, filtri attivi, convertitori A/D-D/A e circuiti di protezione e isolamento. Cenni di problematiche di interfacciamento e condizionamento dei segnali. Richiami sull'amplificazione di segnali bioelettrici. Sistemi di elaborazione digitale: richiami di elettronica digitale, FPGA, microprocessori, microcontrollori e DSP. Studio dei microcontrollori STMicroelectronics ST7 e Microchip PIC. Lo sviluppo e il debugging del firmware. Ambienti di sviluppo. Sistemi operativi embedded. Architetture per l'elaborazione real-time e il DSP. Sistemi a integrated sensors e sistemi a smart sensors. Cenni di elettronica di potenza per circuiti di alimentazione e per il controllo di attuatori.
La trasmissione dati in ambito biomedico. Sistemi di trasmissione dati: codifica, requisiti di banda e canali di trasmissione. Integrazione tra strumenti: architetture e protocolli di comunicazione. Trasmissione dati tra dispositivi biomedici. Architetture e protocolli di rete. Il modello ISO/OSI. Interfacce RS232 e Ethernet. ASTM. Protocolli di comunicazione TCP/IP. Health Level Seven (HL7). Telemetria e comunicazioni wireless: cenni.
Strumentazione per il monitoring del paziente in condizioni critiche: I sistemi di monitoraggio delle funzioni vitali nella terapia intensiva: ECG, pressione e saturazione dell'ossigeno nel sangue. Studio di un monitor per terapia intensiva. Il ventilatore meccanico: principi di funzionamento e problematiche tecnologiche.
Strumentazione per imaging diagnostico: L'ecografo: tecniche, problematiche e metodi di visualizzazione. Dispositivi di generazione e rilevazione dell'eco tramite trasduttori piezoelettrici. Applicazioni nell'interventistica.
Strumentazione per interventistica: Il defibrillatore.
Attivita' di Laboratorio:
Saranno organizzate attivita' di laboratorio utilizzando schede con microcontrollori e relativi sistemi di sviluppo e realizzando semplici circuiti elettronici per l'interfacciamento con sensori e attuatori. Si studieranno in dettaglio, inoltre, alcuni dispositivi (quali un ventilatore meccanico, un monitor per terapia intensiva ed un ecografo) analizzandone i relativi schemi elettrici ed effettuando misure all'uscita ed all'ingresso dei diversi stadi dell'elettronica di controllo. Saranno inoltre organizzate visite presso centri di ricerca o aziende nel settore biomedico.
English version:
Characteristics and architectures of biomedical electronic instrumentation. Devices based on analog and digital signals. Analog active filters, electrical protection and isolation circuits. Analog signal processing. AD-DA converters, FPGA, microprocessors, microcontrollers and DSPs. Development tools and embedded operating systems. Architectures for the real-time processing and the DSP. Power electronics for power supply and for driving actuators. Data transmission systems: encoding, bandwidth requirements and communication channels. Computers networks architectures and protocols and the ISO/OSI model. Presentation of the most widely used data transmission protocols in biomedical instrumentation. Telemetry and wireless data communication. Study and design of few biomedical devices: vital functions monitors in the intensive care, mechanical ventilators, ultra-sound scanners, electro-surgery.
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