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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2018/2019
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 086031 - BIOELETTROMAGNETISMO E STRUMENTAZIONE BIOMEDICA [C.I.]
  • 086029 - BIOELETTROMAGNETISMO E STRUMENTAZIONE BIOMEDICA [1]
Docente Mainardi Luca
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 (1 liv.)(ord. 270) - MI (363) INGEGNERIA BIOMEDICA*LZZZZ086031 - BIOELETTROMAGNETISMO E STRUMENTAZIONE BIOMEDICA [C.I.]
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (471) BIOMEDICAL ENGINEERING - INGEGNERIA BIOMEDICA*LZZZZ096740 - BIOELETTROMAGNETISMO E STRUMENTAZIONE BIOMEDICA [1]

Obiettivi dell'insegnamento

Questa parte del corso ha l'obiettivo di fornire agli studenti i fondamenti per permettere la comprensione e la modellazione dei fenomeni bioelettrici e bioelettromagnetici nel corpo umano. In particolare verranno fornite le basi per la comprensione 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).

 


Risultati di apprendimento attesi

I risultati dell'apprendimento sono elencati nella seguente tabella suddivisi secondo i descrittori di Dublino.

 

Descrittori di Dublino

Risultati dell’apprendimento attesi

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.

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.

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.

Capacità di apprendimento

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

 


Argomenti trattati

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.

 

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

Conoscenze di base di Biologia e fisiologia.

Basi di elettrotecnica e elettromagnetismo. 

 


Modalità di valutazione

La valutazione sarà basata su una prova scritta volta a verificare le seguenti competenze minimali su:

  • Modellizzazione neuronale e fenomeni di bioelettricità
  • Bioelettromagentismo computazionale alle basse e alle alte frequenze

In particolare lo scritto verterà su: domande di carattere teorico a risposta aperta sugli argomenti del corso (DdD1),  risoluzione di esercizi numerici sugli argomenti del corso (DD1, DdD2), valutazione critica di metodi e strumenti analitici (DDD3). 


Bibliografia

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
30:00
45:00
Esercitazione
20:00
30:00
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
22/03/2019 Area Servizi ICT v. 1.4.11 / 1.4.11