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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2023/2024
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 054290 - BIOELETTROMAGNETISMO E STRUMENTAZIONE BIOMEDICA [C.I.]
  • 054288 - BIOELETTROMAGNETISMO E STRUMENTAZIONE BIOMEDICA [1]
Docente Mainardi Luca
Cfu 5.00 Tipo insegnamento Modulo Di Corso Strutturato
Didattica innovativa L'insegnamento prevede  1.0  CFU erogati con Didattica Innovativa come segue:
  • MOOC

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*PZZZZ054290 - BIOELETTROMAGNETISMO E STRUMENTAZIONE BIOMEDICA [C.I.]

Obiettivi dell'insegnamento

Questa 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. E previsto lo svolgimento di attività di Didattica Innovativa pari ad 1 CFU basato su MOOC e Flipped Classroom 

 


Risultati di apprendimento attesi

Descrittori di Dublino

Risultati dell’apprendimento attesi

DdD1 Conoscenza e comprensione

·  Comprendere i meccanismi di generazioni di correnti e biopotenziale negli organismi viventi.

·  Conoscere i modelli fisico-matematici di descrizione di fenomeni bioelettrici nelle fibre eccitabili (neuronali e cardiache).

·  Conoscere e comprendere i diversi modelli neuronali e di reti neuroniche (equivalenti elettrici, modelli fenomenologici, deterministici e stocastici)

·  Comprendere i meccanismi di trasmissione del potenziali d’azione nelle fibre eccitabili (modelli a reti elettriche)

·  Comprendere i differenti modelli di sorgenti biolettriche (monopoli e dipoli di corrente, dipoli distribuiti) e i loro effetti nei volumi conduttori.

·   Comprendere i modelli computazionali per il calcolo dei campi bioelettromagnetici a livello dei sistemi biologici, degli organi e dell’ambiente.

DdD2 Capacità di applicare conoscenza e comprensione

·Capacità di applicare le conoscenze base di bioelettrictà per descrivere le caratteristiche dei biosegnali, in particolare del segnale ECG.

·  Risolvere semplici problemi sulla risposta neuronale in condizioni di riposo e durante stimolazione.

· Capacità di modellare i campi elettromganetici generati nei sistemi biologici sia in modo esogeno che endogeno.

DdD3 Autonomia di giudizio

· Individuare i modelli e gli algoritmi più adatti a specifici problemi.

·  Confrontare i benefici e gli svantaggi dei diversi modelli neuronali (modelli fenomenologici, deterministici e stocastici)

·  Confrontare i benefici e gli svantaggi di diversi approcci (analitici e numerici) per calcolo dei campi bioelettromagnetici e le loro interazioni con gli organismi viventi.

DdD5 Capacità di apprendimento

· Essere in grado di utilizzare le conoscenze e competenze apprese per affrontare con le corrette metodologie problemi complessi  nell’ambito del bioelettromagnetismo.

Argomenti trattati

 

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

 

English Version

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. 

 

 


Prerequisiti
 

Modalità 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.


Bibliografia
Risorsa bibliografica obbligatoriaMainardi L., Ravazzani P., Principi di Bioelettricità e Bioelettromagnetismo, Editore: Patron Editore, Anno edizione: 2011, ISBN: 978-88-555-3129-0
Note:

Prima Edizione settembre 2011 - Ristampa corretta novembre 2014

Risorsa bibliografica facoltativaJaakko Malmivuo, Robert Plonsey, Bioelectromagnetism: principles and applications of bioelectric and biomagnetic fields, Editore: Oxford University Press, 1995, Anno edizione: 1995
Risorsa bibliografica facoltativaBurr R.C. and R. Plonsey, Bioelectricity: A quantitative approach, Editore: Springer

Software utilizzato
Nessun software richiesto

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
32:30
48:45
Esercitazione
17:30
26:15
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 50:00 75:00

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. 1.8.3 / 1.8.3
Area Servizi ICT
04/03/2024