La prima parte dell'insegnamento (Bioelettromagnetismo)  ha l'obiettivo di fornire agli studenti i fondamenti per la comprensione e la modellazione dei fenomeni bioelettrici e bioelettromagnetici nel corpo umano, ed in particolare le basi dei meccanismi di generazione di correnti e biopotenziali, focalizzandosi sulla modellizzazione elettrica a livello cellulare e neurale mediante approcci differenti (reti elettriche, modelli a black box, modelli stocastici, modelli di sintesi dei biopotenziali) e su modelli computazionali per il calcolo dei campi bioelettromagnetici a livello dei sistemi biologici, degli organi e dell’ambiente (tecniche analogiche e numeriche).

La seconda parte dell'insegnamento (Strumentazione biomedica) 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.

I risultati dell'apprendimento per la parte di Bioelettromagnetismo sono elencati nella seguente tabella

Lo scopo della parte dell'insegnamento dedicata alla strumentazione biomedica è quello di fornire le basi per la comprensione del funzionamento dei dispositivi biomedici dal punto di vista strumentale e tecnologico, del meccanismo di funzionamento di alcuni dei sensori maggiormente utilizzati nel settore biomedicale e gli elementi progettuali della catena di acquisizione dall’elemento sensibile alla conversione a segnale digitale, attraverso il condizionamento del segnale, il filtraggio analogico, il campionamento temporale e la quantizzazione fino ad arrivare alla conversione analogico-digitale. (DdD1 - Conoscenza e comprensione, DdD2 - Capacità di applicare conoscenza e comprensione). Lo studente sarà messo in grado di partecipare alla progettazione di sistemi o algoritmi per la rilevazione ed elaborazione di segnali di interesse medico con un approccio ingegneristico che parte dalla definizione dei requisiti generali, delle caratteristiche salienti dei segnali, del relativo rapporto segnale-rumore e dei sensori per arrivare al disegno della soluzione circuitale e alla susseguente appropriata scelta dei dispositivi analogici da utilizzarsi. (DdD2 - Capacità di applicare conoscenza e comprensione, 3 - Autonomia di giudizio, 5 Capacità di apprendimento) 

Bioelettromagnetismo

I. Fondamenti di bioelettricità

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.

Modelli di Neurone e reti neuronali.  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 stcastici di neurone, probabilità di sparo.

II. Sorgenti bioelettrici in volumi conduttori

Introduzione al problema diretto e inverso. Modelli di sorgenti biolettriche elementari: monopoli e dipoli di correnti, dipoli distribuiti. Modello della signola fibra isolata. Modelllo a multifibra. Caratterizzazione del volume conduttore. Effetti delle disomogeneità e della finitezza del volume.

Applicazione dei concetti alla modellazione dell'origine e delle caratteristiche del segnale ECG. Il vettore derivazione. Derivazioni di Standard, triangolo di Einthoven, Burger e Frank.

III. 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

Applicazioni medicali. Stimolazione elettrica di sistemi biologici: 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.

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.  Effetti termici e non-termici. La dosimetria sperimentale e numerica.

Strumentazione

I. Caratteristiche e dimensionalità dei segnali di interesse biomedico.

II. La marcatura CE dei dispositivi medicali (MDR 2017/745).

Definizioni, caratteristiche e classificazione della strumentazione biomedica con cenni alle normative per i dispositivi elettromedicali (60601, 13485), in particolare sulla sicurezza e sulle classi di dispositivi. Principi base ed esempi di analisi dei rischi

III. Specifiche degli strumenti, linearità, calibrazione con modello lineare e polinomiale.

Caratteristiche dinamiche di sistemi di misura e il sistema del secondo ordine come modello generale dei trasduttori. Guadagno, fattore di smorzamento, frequenza naturale e frequenza di risonanza.

Implicazioni sul progetto dei trasduttori (accoppiamento trasduttore-supporto). Sensori biomedici: classificazione e principi di trasduzione. Trasduzione primaria e secondaria, esempi. Sensori di forza e posizione, di pressione e flussi. Sensori piezoelettrici come sensori di forza. Sensori di temperatura e termometria a termoresistenze e termistori. Elettrodi per registrazione di biopotenziali.

IV. Rapporto segnale-rumore, interferenze.

Metodi per l'eliminazione delle interferenze a monte e a valle della misura. Approccio progettuale e approccio con post elaborazione.

V. Trasduzione e condizionamento dei segnali:

amplificazione, filtraggio e conversione analogico-digitale. Amplificatore per strumentazione (INA). Filtri analogici, luogo delle radici e caratteristiche. Circuiti paradigmatici per il filtraggio lineare e relativo dimensionamento. Campionamento, quantizzazione e classi di convertitori analogico digitali

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  transduction. Piezoelectric devices and ultrasounds. Temperature sensors.

Conoscenze di base di biologia e fisiologia.

Basi di elettrotecnica ed elettromagnetismo. 

Conoscenza di base di principi di automatica e teoria dei circuiti elettronici.

La valutazione sarà basata su una prova scritta composta da due parti, una per Bioelettromagnetismo e una per Strumentazione Biomedica.

Nella parte di Strumentazione Biomedica allo studente viene descritto uno scenario di rilevazione di un segnale biomedico. Lo studente dovrà svolgere una completa progettazione, guidata da domande specifiche, del sistema di acquisizione del segnale dal sensore alla conversione in digitale, facendo anche opportune considerazioni relative alla classificazione del dispositivo e all’analisi dei rischi.

Nello specifico:

- lo studente dovrà selezionare e dimensionare in modo appropriato la tipologia e configurazione di sensori in grado di registrare il segnale desiderato (DdD1, DdD2)

- dovrà decidere i componenti circuitali che garantiranno il rapporto segnale-rumore opportuno, dovrà selezionare gli elementi necessari per la  corretta digitalizzazione del segnale (DdD2, DdD3) e disegnare la soluzione richiesta (DdD3, 5)

- dovrà proporre la classificazione del dispositivo proposto secondo la normativa di certificazione medicale e discuterne i rischi (DdD3)

Nella parte Bioelettromagnetismo la prova scritta sarà volta a verificare le competenze minimali su: a) Modellizzazione neuronale e fenomeni di bioelettricità; b) Bioelettromagentismo computazionale alle basse e alle alte frequenze.  

Nello specifico, lo scritto sarà organizzato in:

- domande di carattere teorico a risposta aperta sugli argomenti del corso (DdD1),

- risoluzione di esercizi numerici sugli argomenti del corso (DdD1, DdD2),

- valutazione critica di metodi e strumenti analitici forniti durante il corso (DdD3).

Il voto finale è la media della valutazione delle due parti  dello scritto, con il vincolo di una valutazione minima in ciascuna parte pari a 15/30.