CORSO DICORSO DITECNOLOGIE BIOMEDICHE TECNOLOGIE BIOMEDICHE

C.d.L. INGEGNERIA ELETTRONICAC.d.L. INGEGNERIA ELETTRONICAA.A. 2007/08A.A. 2007/08

DOTT. CLAUDIA MANFREDIDOTT. CLAUDIA MANFREDI

FacoltFacolt àà di Ingegneriadi IngegneriaDipartimento di Elettronica e TelecomunicazioniDipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni

Via S. Marta, 3Via S. Marta, 3manfredi@det.unifi.itmanfredi@det.unifi.it

Ricevimento studenti: Ricevimento studenti: martedmarted ìì e venerde venerd ìì ore 9ore 9 --1111N.B.: dal 02/10/07 al 07/12/07: martedN.B.: dal 02/10/07 al 07/12/07: marted ìì e giovede gioved ìì ore 9ore 9 --1111

LL’’ INGEGNERIA BIOMEDICA INGEGNERIA BIOMEDICA (BIOINGEGNERIA)(BIOINGEGNERIA)

L' Ingegneria biomedica L' Ingegneria biomedica èè una branca delluna branca dell ’’ ingegneria che utilizza le metodologie e ingegneria che utilizza le metodologie e le tecnologie proprie dellle tecnologie proprie dell ’’ ingegneria al fine di comprendere, formalizzare e ingegneria al fine di comprendere, formalizzare e risolvere problematiche di interesse medicorisolvere problematiche di interesse medico --biologico mediante una stretta biologico mediante una stretta collaborazione degli specialisti dei vari settori c oinvolti.collaborazione degli specialisti dei vari settori c oinvolti.

Per poter svolgere il proprio lavoro lPer poter svolgere il proprio lavoro l ‘‘ ingegnere biomedico deve, non soltanto ingegnere biomedico deve, non soltanto conoscere i metodi e gli strumenti dell'ingegneria classica, ma conoscere i metodi e gli strumenti dell'ingegneria classica, ma anche le anche le problematiche nei campi della medicina e della biol ogia.problematiche nei campi della medicina e della biol ogia.

L'ingegnere biomedico deve infatti fornire la propr ia collaborazL'ingegnere biomedico deve infatti fornire la propr ia collaboraz ione a partire dalla ione a partire dalla fase di studio del problema medicofase di studio del problema medico --biologico, in modo da poter avere una visione biologico, in modo da poter avere una visione globale completa e non solo presentata a posteriori da medici o globale completa e non solo presentata a posteriori da medici o biologi.biologi.

Per questo motivo la preparazione dell'ingegnere bi omedico deve Per questo motivo la preparazione dell'ingegnere bi omedico deve necessariamente necessariamente comprendere conoscenze di: anatomia, biologia, fisi ologia, patolcomprendere conoscenze di: anatomia, biologia, fisi ologia, patol ogia, oltre ogia, oltre ovviamente alle conoscenze ingegneristiche di base come matematiovviamente alle conoscenze ingegneristiche di base come matemati ca, fisica, ca, fisica, meccanica, chimica, energetica, elettronica, inform atica e gestimeccanica, chimica, energetica, elettronica, inform atica e gesti onale. onale.

METODOLOGIE E TECNOLOGIEMETODOLOGIE E TECNOLOGIE

Le Le metodologiemetodologie di base della Bioingegneria riguardano:di base della Bioingegneria riguardano:–– la modellistica dei sistemi fisiologici;la modellistica dei sistemi fisiologici;–– la descrizione dei fenomeni elettrici e/o magnetici ;la descrizione dei fenomeni elettrici e/o magnetici ;–– ll ’’elaborazione di dati, segnali e immagini;elaborazione di dati, segnali e immagini;–– strumenti per lo studio e la progettazione di dispo sitivi ed impstrumenti per lo studio e la progettazione di dispo sitivi ed imp ianti medicali, di ianti medicali, di

materiali naturali e artificiali, di tessuti, appar ati ed organimateriali naturali e artificiali, di tessuti, appar ati ed organi smi;smi;–– metodi di analisi del legame strutturametodi di analisi del legame struttura --proprietpropriet àà caratteristico dei biomateriali caratteristico dei biomateriali

e delle strutture biomeccaniche.e delle strutture biomeccaniche.

Le Le tecnologietecnologie includono:includono:–– la strumentazione biomedica e biotecnologica (dai c omponenti elela strumentazione biomedica e biotecnologica (dai c omponenti ele mentari ai mentari ai

pipi ùù complessi sistemi ospedalieri);complessi sistemi ospedalieri);–– le protesi, i robot per applicazioni biomediche, i sistemi intelle protesi, i robot per applicazioni biomediche, i sistemi intel ligenti artificiali;ligenti artificiali;–– i sistemi per la gestione e li sistemi per la gestione e l ’’organizzazione sanitaria;organizzazione sanitaria;–– i sistemi informativi;i sistemi informativi;–– ll ’’ informatica medica;informatica medica;–– la telemedicina.la telemedicina.

SETTORI DI APPLICAZIONESETTORI DI APPLICAZIONE

L'ingegnere biomedico lavora in differenti settori dell'ingegnerL'ingegnere biomedico lavora in differenti settori dell'ingegner ia, dallo ia, dallo sviluppo, alla progettazione, alla organizzazione.sviluppo, alla progettazione, alla organizzazione.SviluppoSviluppo

–– metodi di analisi per sistemi biologici molto compl essi, per potmetodi di analisi per sistemi biologici molto compl essi, per pot erli erli semplificare utilizzando modelli artificiali semplificare utilizzando modelli artificiali

–– metodi di analisi e acquisizione di segnali che pro vengono dai metodi di analisi e acquisizione di segnali che pro vengono dai sistemi biologici, per poterli codificare con una s trumentazionesistemi biologici, per poterli codificare con una s trumentazioneadatta. adatta.

–– si occupa anche della sicurezza relativa ai disposi tivi medici esi occupa anche della sicurezza relativa ai disposi tivi medici equindi dovrebbe conoscere le normative vigenti quindi dovrebbe conoscere le normative vigenti

ProgettazioneProgettazione–– appararecchiature elettromedicali per la diagnosi, la terapia e appararecchiature elettromedicali per la diagnosi, la terapia e la la

riabilitazioneriabilitazione–– organi artificiali e protesiorgani artificiali e protesi–– sistemi informativi dedicati alla sanitsistemi informativi dedicati alla sanit ààe alla telemedicina e alla telemedicina

OrganizzazioneOrganizzazione–– uso e la manutenzione della strumentazione biomedic a uso e la manutenzione della strumentazione biomedic a –– reparti e cliniche delle aziende ospedaliere reparti e cliniche delle aziende ospedaliere

MERCATO DELLA MERCATO DELLA BIOINGEGNERIABIOINGEGNERIA

La Bioingegneria La Bioingegneria èè riconosciuta universalmente come una disciplina eme rgente riconosciuta universalmente come una disciplina eme rgente volta a generare una migliore comprensione dei feno meni biologicvolta a generare una migliore comprensione dei feno meni biologic i ed a produrre i ed a produrre tecnologie per la salute con beneficio per la socie ttecnologie per la salute con beneficio per la socie tàà (definizione MIT, USA, 1999).(definizione MIT, USA, 1999).

Gli studi di mercato nel settore biomedicale indica no, in tutti Gli studi di mercato nel settore biomedicale indica no, in tutti i paesi avanzati, una i paesi avanzati, una crescita di tutto il comparto.crescita di tutto il comparto.

Lo stato attuale del mercato mondiale di prodotti m edicali vede Lo stato attuale del mercato mondiale di prodotti m edicali vede l'Europa come l'Europa come secondo mercato (26%) in termini di fatturato dopo gli Stati Unisecondo mercato (26%) in termini di fatturato dopo gli Stati Uni ti (41%) con il ti (41%) con il Giappone al terzo posto (18%).Giappone al terzo posto (18%).In Europa, la Germania In Europa, la Germania èè il paese leader, con una quota di mercato del 34%, il paese leader, con una quota di mercato del 34%, seguita dalla Francia con il 17%, dall'Italia con i l 12%, dal Reseguita dalla Francia con il 17%, dall'Italia con i l 12%, dal Re gno Unito con il 9% e gno Unito con il 9% e dalla Spagna con il 7% (tutti gli altri paesi europ ei insieme radalla Spagna con il 7% (tutti gli altri paesi europ ei insieme ra ppresentano il 21%).ppresentano il 21%).

Negli Stati Uniti e in Europa, il settore delle tec nologie per lNegli Stati Uniti e in Europa, il settore delle tec nologie per l a salute rappresenta a salute rappresenta uno dei campi di maggior sviluppo per le imprese sp inuno dei campi di maggior sviluppo per le imprese sp in --off e startoff e start --up.up.

AMBITI DI LAVOROAMBITI DI LAVOROSTRUMENTAZIONE BIOMEDICASTRUMENTAZIONE BIOMEDICA

Progettazione, sviluppo, realizzazione e test di di spositivi mecProgettazione, sviluppo, realizzazione e test di di spositivi mec canici e/o elettronici da applicare in canici e/o elettronici da applicare in ambito clinico, o come ausilio all'attivitambito clinico, o come ausilio all'attivit àà di ricerca nelle scienze biologiche e fisiologiche.di ricerca nelle scienze biologiche e fisiologiche.

La strumentazione biomedica può essere suddivisa in vari settoriLa strumentazione biomedica può essere suddivisa in vari settori a seconda della modalita seconda della modalit àà di di classificazione scelta, ossia in base allo scopo cl inico, al camclassificazione scelta, ossia in base allo scopo cl inico, al cam po di applicazione, alla zona po di applicazione, alla zona dell'organismo interessata, al tipo di analisi effe ttuata o alladell'organismo interessata, al tipo di analisi effe ttuata o alla fonte di energia utilizzata.fonte di energia utilizzata.In riferimento alla prima modalitIn riferimento alla prima modalit àà citata, l'ambito clinico, la strumentazione può ess ere:citata, l'ambito clinico, la strumentazione può ess ere:

–– diagnostica diagnostica –– terapeutica terapeutica –– riabilitativariabilitativa

Sebbene non esista una distinzione netta fra i tre campi, Sebbene non esista una distinzione netta fra i tre campi, èè opportuno operare tale suddivisione opportuno operare tale suddivisione per un'analisi piper un'analisi pi ùù sistematica dell'argomento e perchsistematica dell'argomento e perch éé si tratta di una distinzione centrata sulla si tratta di una distinzione centrata sulla figura del paziente e sulle sue esigenze.figura del paziente e sulle sue esigenze.

Strumentazione diagnosticaStrumentazione diagnosticaApparecchiature utilizzate in medicina nucleare e r adiologia cheApparecchiature utilizzate in medicina nucleare e r adiologia che sfruttano tecniche di imaging a sfruttano tecniche di imaging a scopo diagnostico.scopo diagnostico.Esempi: la radiografia a raggi X, la tomografia com puterizzata (Esempi: la radiografia a raggi X, la tomografia com puterizzata ( TC), lTC), l ’’ imaging a risonanza imaging a risonanza magnetica (MRI), la tomografia ad emissione di posi troni (PET), magnetica (MRI), la tomografia ad emissione di posi troni (PET), la tomografia computerizzata ad la tomografia computerizzata ad emissione di singolo fotone (SPECT), gli ultrasuoni ecc...emissione di singolo fotone (SPECT), gli ultrasuoni ecc...

AMBITI DI LAVORO (cont.)AMBITI DI LAVORO (cont.)Strumentazione terapeuticaStrumentazione terapeutica

In questa sezione si includono tutti quei dispositi vi, elettriciIn questa sezione si includono tutti quei dispositi vi, elettrici o meccanici, di supporto all'attivito meccanici, di supporto all'attivit ààterapeutica del paziente o che costituiscono l'inte rvento princiterapeutica del paziente o che costituiscono l'inte rvento princi pale della terapia stessa.pale della terapia stessa.Esempi: il pacemaker, le valvole cardiache artific iali, i defibEsempi: il pacemaker, le valvole cardiache artific iali, i defib rillatori, il dialikzzatore, il cuore rillatori, il dialikzzatore, il cuore artificiale, la macchina cuoreartificiale, la macchina cuore --plomone per corcolazione extracorporea, i neurostim olatori, gli plomone per corcolazione extracorporea, i neurostim olatori, gli apparecchi acustici e molti altri ancora. apparecchi acustici e molti altri ancora. Si tratta di dispositivi molto delicati da tenere s otto costanteSi tratta di dispositivi molto delicati da tenere s otto costante controllo in quanto, a differenza della controllo in quanto, a differenza della categoria precedente, spesso si ha a che fare con e nergie molto categoria precedente, spesso si ha a che fare con e nergie molto superiori a quelle utilizzate in superiori a quelle utilizzate in campo diagnostico e che entrano in diretto contatto col pazientecampo diagnostico e che entrano in diretto contatto col paziente , interagendo direttamente con , interagendo direttamente con esso o modificandone alcuni parametri fisiologici e /o fisici.esso o modificandone alcuni parametri fisiologici e /o fisici.In fase di progettazione si deve pertanto prevedere una possibilIn fase di progettazione si deve pertanto prevedere una possibil e diagnostica il meno possibile e diagnostica il meno possibile invasiva delle condizioni dell'apparecchio, per pot erne programminvasiva delle condizioni dell'apparecchio, per pot erne programm are con sufficiente anticipo e are con sufficiente anticipo e rischi minimi la sostituzione o la riparazione.rischi minimi la sostituzione o la riparazione.

Strumentazione riabilitativaStrumentazione riabilitativaSi tratta spesso di macchine che tentano di modific are un parameSi tratta spesso di macchine che tentano di modific are un parame tro fisiologico, fisico o tro fisiologico, fisico o meccanico del paziente al fine di farne recuperare il normale e meccanico del paziente al fine di farne recuperare il normale e autonomo funzionamento.autonomo funzionamento.Si tratta quindi per lo piSi tratta quindi per lo pi ùù di soluzioni temporanee che non mirano semplicement e a fornire di soluzioni temporanee che non mirano semplicement e a fornire un un supporto terapeutico, ma hanno uno scopo pisupporto terapeutico, ma hanno uno scopo pi ùù ambizioso.ambizioso.Bisogna comunque sottolineare che spesso questi dis positivi, comBisogna comunque sottolineare che spesso questi dis positivi, com e nel caso delle protesi, pur e nel caso delle protesi, pur cercando di integrarsi pienamente nei processi meta bolici e mecccercando di integrarsi pienamente nei processi meta bolici e mecc anici, possono talora rimanere anici, possono talora rimanere in modo permanente nel corpo dell'ospite, o possono altre volte in modo permanente nel corpo dell'ospite, o possono altre volte essere riassorbiti dall'organismo.essere riassorbiti dall'organismo.Esempi: le protesi, gli organi artificiali, le macc hine pneumatiEsempi: le protesi, gli organi artificiali, le macc hine pneumati che per il recupero postche per il recupero post --traumatico, traumatico, e altri ancora.e altri ancora.

AMBITI DI LAVORO (cont.)AMBITI DI LAVORO (cont.)

Informatica biomedicaInformatica biomedica

Il primo campo di applicazione Il primo campo di applicazione èè quello della quello della gestione informatizzata dei dati gestione informatizzata dei dati sanitarisanitari (cartella clinica elettronica), con particolare att enzione alle(cartella clinica elettronica), con particolare att enzione alleproblematiche di tipo legale insite nella manipolaz ione di dati problematiche di tipo legale insite nella manipolaz ione di dati sensibili.sensibili.

Inoltre l'informatica biomedica affronta il problem a della Inoltre l'informatica biomedica affronta il problem a della trasmissione ed trasmissione ed indicizzazione delle immaginiindicizzazione delle immagini ottenute da dispositivi digitali di acquisizione ottenute da dispositivi digitali di acquisizione (TAC, MRI, ecc).(TAC, MRI, ecc).Il problema riguarda sia la trasmissione di immagin i per applicaIl problema riguarda sia la trasmissione di immagin i per applica zioni di zioni di telemedicina sia l'immagazzinamento dei dati in app ositi server telemedicina sia l'immagazzinamento dei dati in app ositi server digitali (PACS). digitali (PACS). Di fondamentale importanza in questo campo Di fondamentale importanza in questo campo èè l'uso del protocollo DICOM per l'uso del protocollo DICOM per la codifica delle immagini mediche digitali.la codifica delle immagini mediche digitali.

Infine, l'informatica biomedica affronta il problem a dellInfine, l'informatica biomedica affronta il problem a dell ‘‘ elaborazione dei segnali elaborazione dei segnali e delle immaginie delle immagini , spaziando dalle problematiche di analisi quantita tiva per , spaziando dalle problematiche di analisi quantita tiva per l'estrazione automatica o semil'estrazione automatica o semi --automatica di indici diagnostici a quelle di automatica di indici diagnostici a quelle di visualizzazione tridimensionale .visualizzazione tridimensionale .

PACS, RIS, SISPACS, RIS, SISPACSPACS èè l'acronimo anglosassone di Picture Archiving and Co mmunication l'acronimo anglosassone di Picture Archiving and Co mmunication System System (Sistema di archiviazione e trasmissione di immagin i). Consiste (Sistema di archiviazione e trasmissione di immagin i). Consiste in un sistema in un sistema computerizzato per l'archiviazione digitale delle i mmagini radiocomputerizzato per l'archiviazione digitale delle i mmagini radio logichee la loro logichee la loro trasmissione e visualizzazione su workstation dedic ate, collegattrasmissione e visualizzazione su workstation dedic ate, collegat e mediante rete e mediante rete informatica.informatica.

Il PACS si integra con il sistema informatico radio logico o Il PACS si integra con il sistema informatico radio logico o RISRIS ((Radiology Radiology Information SystemInformation System) per l'immissione dei dati del paziente nel sistem a informatico) per l'immissione dei dati del paziente nel sistem a informatico ..Le immagini quando vengono elaborate sono memorizza te in un archLe immagini quando vengono elaborate sono memorizza te in un arch ivio onivio on --line line molto veloce.molto veloce.La memorizzazione dei dati in un archivio intermedi o La memorizzazione dei dati in un archivio intermedi o èè richiesta per legge per un richiesta per legge per un periodo di 1 o 2 anni.periodo di 1 o 2 anni.Infine i dati vengono memorizzati in archivi piInfine i dati vengono memorizzati in archivi pi ùù economici di lungo termine, economici di lungo termine, solitamente su supporti CDsolitamente su supporti CD --ROM, i quali vengono conservati per il successivo ROM, i quali vengono conservati per il successivo riutilizzo qualora se ne renda necessaria la visual izzazione.riutilizzo qualora se ne renda necessaria la visual izzazione.

ÈÈ necessario che il RIS si interfacci con il sistema informativo necessario che il RIS si interfacci con il sistema informativo ospedaliero ospedaliero HISHIS(Hospital Information System) cos(Hospital Information System) cos ìì da avere un unico codice identificativo ID che da avere un unico codice identificativo ID che accompagni per sempre il medesimo paziente in qualu nque iter diaaccompagni per sempre il medesimo paziente in qualu nque iter dia gnostico gnostico successivo alla originaria registrazione su HIS.successivo alla originaria registrazione su HIS.

BIOMECCANICABIOMECCANICA

L'ambito della biomeccanica L'ambito della biomeccanica èè a sua volta un settore applicativo e di a sua volta un settore applicativo e di ricerca molto vasto, che richiede competenze specif iche,oltre chricerca molto vasto, che richiede competenze specif iche,oltre ch e di e di meccanica e fisica, anche di chimica, biochimica, i stologia, biomeccanica e fisica, anche di chimica, biochimica, i stologia, bio logia logia molecolare e fisiologia.molecolare e fisiologia.

Sotto questa categoria si può racchiudere anche il campo dellSotto questa categoria si può racchiudere anche il campo dell ‘‘ingegneria tissutale, che presenta molti punti di c ontatto con lingegneria tissutale, che presenta molti punti di c ontatto con l a a biomeccanica, anche se richiede conoscenze specific he di biomeccanica, anche se richiede conoscenze specific he di trattamento dei tessuti e di chimica delle superfic i.trattamento dei tessuti e di chimica delle superfic i.

Flusso delle informazioni in un ospedaleFlusso delle informazioni in un ospedale

Informazioni di interesse medico: dati, segnali, im magini.Informazioni di interesse medico: dati, segnali, im magini.

STRUTTURA E OBBIETTIVI DEL STRUTTURA E OBBIETTIVI DEL CORSOCORSO

Il corso Il corso èè strutturato in 2 parti, di 3 crediti ciascuna (codo cenza Claudistrutturato in 2 parti, di 3 crediti ciascuna (codo cenza Claudi a Manfredi e a Manfredi e Maurizio Baroni, Dipartimento di Elettronica e Tele comunicazioniMaurizio Baroni, Dipartimento di Elettronica e Tele comunicazioni ).).

Il corso si propone di: Il corso si propone di:

Approfondire alcuni aspetti sia teorici che pratici dell'ingegnApprofondire alcuni aspetti sia teorici che pratici dell'ingegn eria biomedica, nella eria biomedica, nella quale bisogna saper identificare, formulare e risol vere, anche iquale bisogna saper identificare, formulare e risol vere, anche i n modo innovativo, n modo innovativo, problemi complessi o che richiedono un approccio in terdisciplinaproblemi complessi o che richiedono un approccio in terdisciplina re.re.

Verranno quindi fornite nozioni relativamente al tr attamento di Verranno quindi fornite nozioni relativamente al tr attamento di informazioni di informazioni di interesse medico, ciointeresse medico, cio èè dati, segnali ed immagini in ambito biomedico, con richiami dati, segnali ed immagini in ambito biomedico, con richiami sui concetti di base, sviluppo di tecniche di anali si, ed esempisui concetti di base, sviluppo di tecniche di anali si, ed esempi applicativi.applicativi.

MODULO 3 CREDITI (30h) MODULO 3 CREDITI (30h) Claudia ManfrediClaudia Manfredi

IIaa PARTE: PARTE: Analisi dei segnali biomediciAnalisi dei segnali biomedici (2 crediti).(2 crediti).IIIIaa PARTE: PARTE: Analisi di immagini Analisi di immagini –– ultrasuoni e risonanza magneticaultrasuoni e risonanza magnetica (1 (1

credito).credito).

Lezioni: Lezioni: martedmarted ìì ore 11.15ore 11.15 --13.15, venerd13.15, venerd ìì ore 8.15ore 8.15 --11.15 (in codocenza 11.15 (in codocenza con Maurizio Baroni). con Maurizio Baroni). Durante il corso saranno svolti seminari applicativ i da parte diDurante il corso saranno svolti seminari applicativ i da parte diclinici e ingegneri con cui sono attive collaborazi oni scientificlinici e ingegneri con cui sono attive collaborazi oni scientifi che.che.

ModalitModalit àà di esame:di esame:•• Orale, su tutto il programma.Orale, su tutto il programma.•• Tesina applicativa (anche di gruppo). La tesina avrTesina applicativa (anche di gruppo). La tesina avr àà come tema come tema

ll ’’applicazione delle metodiche di analisi di segnali ed immagini applicazione delle metodiche di analisi di segnali ed immagini illustrate durante il Corso a problemi pratici tra tti dai temi illustrate durante il Corso a problemi pratici tra tti dai temi di di ricerca attualmente in sviluppo (che verranno breve mente descritricerca attualmente in sviluppo (che verranno breve mente descrit ti ti nella 2nella 2 aa parte del corso), prevalentemente in ambiente di parte del corso), prevalentemente in ambiente di programmazione Matlab o C++.programmazione Matlab o C++.

PROGRAMMAPROGRAMMA

IntroduzioneIntroduzioneNatura dei segnali biomedici (deterministici, stoca stici, frattaNatura dei segnali biomedici (deterministici, stoca stici, fratta li e caotici)li e caotici)Modelli a TempoModelli a Tempo --Continuo (CT) e a TempoContinuo (CT) e a Tempo --Discreto (DT) di sistemi dinamiciDiscreto (DT) di sistemi dinamiciSegnali e sistemi dinamici: proprietSegnali e sistemi dinamici: propriet ààEnergia e potenza dei segnali. Energia e potenza dei segnali. Autocorrelazione e autocovarianzaAutocorrelazione e autocovarianzaAnalisi dei segnali biomedici (dominio del tempo e della frequenAnalisi dei segnali biomedici (dominio del tempo e della frequen za).za).

Modelli di sistemi dinamici tempoModelli di sistemi dinamici tempo --invariantiinvariantiModelli lineariModelli lineariModelli di stato e modelli ingressoModelli di stato e modelli ingresso --uscita uscita Strutture di modelli dinamiciStrutture di modelli dinamiciLa procedura dellLa procedura dell ’’ identificazione: elementi base e fasi del procedime ntoidentificazione: elementi base e fasi del procedime nto

Analisi dei datiAnalisi dei datiScelta del modelloScelta del modelloScelta del criterio di stimaScelta del criterio di stimaCalcolo dei parametri del modelloCalcolo dei parametri del modelloVerifica della bontVerifica della bont àà del modellodel modello

PROGRAMMA (CONT.)PROGRAMMA (CONT.)Metodi di stima parametricaMetodi di stima parametricaPrincipi di basePrincipi di baseMetodi di stima Metodi di stima ““ a blocchia blocchi ”” ::

Regressione lineareRegressione lineareMinimi QuadratiMinimi Quadrati

Metodi di stima ricorsivi:Metodi di stima ricorsivi:Minimi QuadratiMinimi Quadrati

Stima spettrale parametricaStima spettrale parametricaConfronto fra stima spettrale parametrica e nonConfronto fra stima spettrale parametrica e non --parametricaparametrica

Identificazione di sistemi dinamici: aspetti pratic iIdentificazione di sistemi dinamici: aspetti pratic iStazionarietStazionariet àà ed ergodicited ergodicit ààCampionamento e quantizzazioneCampionamento e quantizzazioneScelta della frequenza di campionamentoScelta della frequenza di campionamentoPrePre--trattamento dei datitrattamento dei datiScelta del modelloScelta del modelloSceltaScelta delldell ’’ordine ordine ““ ottimoottimo ”” per il modelloper il modello

PROGRAMMA (CONT.)PROGRAMMA (CONT.)Introduzione allIntroduzione all ’’ambiente di programmazione Matlabambiente di programmazione Matlab

Nozioni di base su variabili, funzioni, graficiNozioni di base su variabili, funzioni, graficiCaso di studio: Analisi del segnale vocale per appl icazioni biomCaso di studio: Analisi del segnale vocale per appl icazioni biom ediche:ediche:

•• Stima dei parametri caratterizzanti lStima dei parametri caratterizzanti l ’’emissione vocalicaemissione vocalica•• Esempi applicativi: pianto neonatale, disfonia, can toEsempi applicativi: pianto neonatale, disfonia, can to

Immagini ad ultrasuoniImmagini ad ultrasuoniGeneralitGeneralit ààGenerazione degli ultrasuoniGenerazione degli ultrasuoniPropagazione degli ultrasuoniPropagazione degli ultrasuoniEcografiaEcografiaTecniche di scansione e di visualizzazioneTecniche di scansione e di visualizzazioneLa flussimetria DopplerLa flussimetria Doppler

Immagini di risonanza magneticaImmagini di risonanza magneticaPrincipi fisiciPrincipi fisiciSequenze di eccitazioneSequenze di eccitazioneAgenti di contrastoAgenti di contrastoMisure di flusso e tecniche agiograficheMisure di flusso e tecniche agiograficheRisonanza magnetica funzionaleRisonanza magnetica funzionaleComponenti HW in risonanza magneticaComponenti HW in risonanza magnetica

Immagini Immagini -- Caso di studioCaso di studio : immagini laringoscopiche e videochimografiche del la vibrazione: immagini laringoscopiche e videochimografiche del la vibrazionedelle corde vocalidelle corde vocali

•• CARATTERIZZAZIONE dei SISTEMI di IMMAGINECARATTERIZZAZIONE dei SISTEMI di IMMAGINECaratteristiche di osservatore e sistema; immagini fotoniche; caCaratteristiche di osservatore e sistema; immagini fotoniche; ca mpionamento; mpionamento; curve ROC.curve ROC.

•• ELABORAZIONE delle IMMAGINI NUMERICHE: ELABORAZIONE delle IMMAGINI NUMERICHE: Filtraggi a media mobile. Esaltazione del contrasto : istogramma Filtraggi a media mobile. Esaltazione del contrasto : istogramma e sue e sue modificazioni.modificazioni.

•• FORMAZIONE di IMMAGINI MEDICHE: FORMAZIONE di IMMAGINI MEDICHE: Emissione, assorbimento, diffusione, riflessione; i mmagini funziEmissione, assorbimento, diffusione, riflessione; i mmagini funzi onali; onali; applicazioniapplicazioni

•• RADIAZIONI IONIZZANTI: RADIAZIONI IONIZZANTI: Radioisotopi e macchine radiogene, elementi di radi oprotezione.Radioisotopi e macchine radiogene, elementi di radi oprotezione.

•• IMMAGINI A RAGGI X: IMMAGINI A RAGGI X: Radiografia convenzionale e digitale. Tomografia co mputerizzataRadiografia convenzionale e digitale. Tomografia co mputerizzata

•• IMMAGINI RADIOISOTOPICHE: IMMAGINI RADIOISOTOPICHE: Radiofarmaci. GammaRadiofarmaci. Gamma --camera. Tomografia ad emissione: SPECT e PET.camera. Tomografia ad emissione: SPECT e PET.

•• IMMAGINI OTTICHE: Tomografia a coerenza ottica.IMMAGINI OTTICHE: Tomografia a coerenza ottica.•• ALTRI STRUMENTI PER LE BIOIMMAGINI: ALTRI STRUMENTI PER LE BIOIMMAGINI:

Visualizzazione 3D. Archivi e Telemedicina (VHD, PA CS, DICOM).Visualizzazione 3D. Archivi e Telemedicina (VHD, PA CS, DICOM).•• ESERCITAZIONI SOFTWARE IN LABORATORIOESERCITAZIONI SOFTWARE IN LABORATORIO

MODULO 3 CREDITI (30h) MODULO 3 CREDITI (30h) Maurizio BaroniMaurizio Baroni

MODALITAMODALITA ’’ DI ESAMEDI ESAME

Esame oraleEsame orale individualeindividuale su tutto il programmasu tutto il programmaTesina applicativa anche di gruppo Tesina applicativa anche di gruppo in collaborazione con strutture in collaborazione con strutture

ospedaliereospedaliere

Per lPer l ’’esame oraleesame orale : iscrizioni sul sito WebTeach: : iscrizioni sul sito WebTeach: www.didattica.dma.unifi.itwww.didattica.dma.unifi.it

Per la tesinaPer la tesina : data della discussione da concordare con il docen te: data della discussione da concordare con il docen te

La discussione della tesina consiste in una breve r elazione scriLa discussione della tesina consiste in una breve r elazione scri tta tta ed in una presentazione (Power Point), cosed in una presentazione (Power Point), cos ìì strutturate:strutturate:

1.1. Titolo e obiettivoTitolo e obiettivo2.2. Metodo/iMetodo/i3.3. Software (listato/i commentati)Software (listato/i commentati)4.4. Risultati ottenutiRisultati ottenuti5.5. Considerazioni finali Considerazioni finali

Le tesine applicative possono costituire la base pe r eventuali Le tesine applicative possono costituire la base pe r eventuali tirocini e tesi di laureatirocini e tesi di laurea

BIBLIOGRAFIABIBLIOGRAFIAE.N.Bruce, E.N.Bruce, ““ Biomedical Signal Processing and Signal ModelingBiomedical Signal Processing and Signal Modeling ”” , Wiley & Sons, Inc., , Wiley & Sons, Inc., Pub., USA, 2001.Pub., USA, 2001.

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T.ST.Sööderstrderstr ööm, P.Stoica, m, P.Stoica, ““ System IdentificationSystem Identification ”” , Prentice Hall, N.Y., USA, 1989., Prentice Hall, N.Y., USA, 1989.

G.Valli, G.Coppini, G.Valli, G.Coppini, ““ BioimmaginiBioimmagini ”” , Patron Ed., Bologna, Italy, 2002., Patron Ed., Bologna, Italy, 2002.

NATURA DEI SEGNALI BIOMEDICINATURA DEI SEGNALI BIOMEDICI

SegnaleSegnale : registrazione di : registrazione di ““ energiaenergia ”” prodotta da un processo.prodotta da un processo.

La La dinamicadinamica di ogni fenomeno reale misurabile deriva di ogni fenomeno reale misurabile deriva dalldall ’’ interazione fra sorgenti di energia e modificatori (dis sipatori)interazione fra sorgenti di energia e modificatori (dis sipatori)di energia.di energia.LL’’analisi de segnali e lanalisi de segnali e l ’’analisi dei sistemi forniscono gli strumenti analisi dei sistemi forniscono gli strumenti per analizzare in modo rigoroso i fenomeni fisici.per analizzare in modo rigoroso i fenomeni fisici.

FinalitFinalit àà::–– Misurare i segnali biomediciMisurare i segnali biomedici–– Manipolare i segnali (filtrare le componenti non desi derate)Manipolare i segnali (filtrare le componenti non desi derate)–– Estrarre informazioni sul segnale (diagnosi)Estrarre informazioni sul segnale (diagnosi)–– Predirne lPredirne l ’’evoluzione futura tramite modello adeguato evoluzione futura tramite modello adeguato

(controllo dosaggio farmaci, diagnosi precoce di altera zioni) (controllo dosaggio farmaci, diagnosi precoce di altera zioni)

SEGNALE BIOMEDICOSEGNALE BIOMEDICO•• SegnaleSegnale : Rappresentazione monodimensionale di informazione , in : Rappresentazione monodimensionale di informazione , in

funzione di una variabile indipendente (es.: tempo) .funzione di una variabile indipendente (es.: tempo) .

•• InformazioneInformazione : Valori reali o complessi. E: Valori reali o complessi. E ’’ spesso una misura di una spesso una misura di una qualche forma di energia prodotta dal processo.qualche forma di energia prodotta dal processo.

•• Molti Molti ““ segnalisegnali ”” biomedici non sono funzione del tempo, ma di altre biomedici non sono funzione del tempo, ma di altre grandezze: ad es., nellgrandezze: ad es., nell ’’elaborazione delle immagini i valori di intensitelaborazione delle immagini i valori di intensit ààsono funzione delle coordinate spaziali x e y. I me todi che verrsono funzione delle coordinate spaziali x e y. I me todi che verr anno anno presentati si applicano anche a tali segnali.presentati si applicano anche a tali segnali.

•• Natura dei segnali biomediciNatura dei segnali biomedici : molti sono elettrici : molti sono elettrici –– ECG ECG (ElettroCardioGramma), EMG (ElettroMioGramma), EEG (ElettroCardioGramma), EMG (ElettroMioGramma), EEG (ElettroEncefaloGramma), ERG (EllettrRetinoGramma), EGG (ElettroEncefaloGramma), ERG (EllettrRetinoGramma), EGG (ElettroGastroGramma) , mediante elettrodi con cui si misura la (ElettroGastroGramma) , mediante elettrodi con cui si misura la differenza di potenziale fra due punti. Altri (es.: meccanici, cdifferenza di potenziale fra due punti. Altri (es.: meccanici, c himici), himici), vengono vengono ““ trasformatitrasformati ”” mediante trasduttori in segnali elettrici.mediante trasduttori in segnali elettrici.

•• I segnali biomedici sono spesso affetti da I segnali biomedici sono spesso affetti da ““ rumorerumore ”” (componente di (componente di disturbo), che può essere ridotto con tecniche oppo rtune. Altri disturbo), che può essere ridotto con tecniche oppo rtune. Altri assomigliano a rumore pur non essendo tali (segnaleassomigliano a rumore pur non essendo tali (segnale caoticocaotico ), o avere ), o avere un comportamento un comportamento ““ autosomiglianteautosomigliante ”” su scale diverse, ma non su scale diverse, ma non predicibile (predicibile ( frattalifrattali ).).

ESEMPIESEMPIVelocitVelocit àà istantanea media del istantanea media del sangue nellsangue nell ’’arteria cerebrale arteria cerebrale umana: shift Doppler da fascio umana: shift Doppler da fascio ultrasonico.ultrasonico.1s1s

Elettromiogramma da coppia di fili Elettromiogramma da coppia di fili applicati sotto la lingua: applicati sotto la lingua: contrazione e rilassamento.contrazione e rilassamento.

0.2s0.2s

Angolo di rotazione del ginocchio Angolo di rotazione del ginocchio ottenuto da un sensore angolare.ottenuto da un sensore angolare.

Elettrocardiogramma.Elettrocardiogramma. Ogni Ogni battito cardiaco produce una battito cardiaco produce una serie di onde elettriche (P, Q, R, serie di onde elettriche (P, Q, R, S, T).S, T).

Battito cardiaco istantaneo Battito cardiaco istantaneo (battiti/min) per 100 battiti (battiti/min) per 100 battiti consecutivi.consecutivi.

n.battitin.battiti

ESEMPIESEMPI

Celle trattate con Celle trattate con colore fluorescente colore fluorescente che lega con che lega con fosfolipidi.fosfolipidi.

Asse x: IntensitAsse x: Intensit àà di di fluorescenza di celle fluorescenza di celle eccitate da fascio eccitate da fascio laser.laser.

Asse y: N. di celle Asse y: N. di celle che mostrano una che mostrano una data intensitdata intensit àà..

SEGNALI CONTINUI E DISCRETISEGNALI CONTINUI E DISCRETI

CT CT –– Continuous TimeContinuous TimeEs.: pressione sanguigna, torsione ad una Es.: pressione sanguigna, torsione ad una giuntura.giuntura.Sono definiti per ogni istante (di tempo). Spesso Sono definiti per ogni istante (di tempo). Spesso vengono campionati per valori multipli di un vengono campionati per valori multipli di un incremento base.incremento base.

DT DT –– Discrete TimeDiscrete TimeEs.: pressione sanguigna ad ogni battito, valori Es.: pressione sanguigna ad ogni battito, valori di temperatura corporea ogni ora, potenziali di di temperatura corporea ogni ora, potenziali di azione di un neurone ogni secondo, ecc. azione di un neurone ogni secondo, ecc. LL’’argomento della funzione assume solo valori argomento della funzione assume solo valori interi.interi.

ESEMPIOESEMPIORegistrazione dei Registrazione dei potenziali di azione di un potenziali di azione di un neurone nellneurone nell ’’ intervallo di intervallo di tempo di 10s.tempo di 10s.Il n. di potenziali di Il n. di potenziali di azione al secondo azione al secondo èècalcolato e visualizzato calcolato e visualizzato nei due modi seguenti:nei due modi seguenti:

Segnale CTSegnale CT ottenuto ottenuto mantenendo un valore mantenendo un valore costante (somma costante (somma potenziali di azione) su potenziali di azione) su ogni secondo di tempo.ogni secondo di tempo.

Segnale DTSegnale DT ottenuto ottenuto rappresentando il n. di rappresentando il n. di potenziali di azione potenziali di azione verificatisi nellverificatisi nell ’’intervallo di 1s intervallo di 1s precedente.precedente.

SEGNALI E SISTEMISEGNALI E SISTEMISistemaSistema : qualsiasi meccanismo attraverso il quale un segna le dipende (o: qualsiasi meccanismo attraverso il quale un segna le dipende (o èèottenuto) da un altro segnale. Piottenuto) da un altro segnale. Pi ùù precisamente, un sistema precisamente, un sistema èè un qualsiasi un qualsiasi dispositivo fisico o insieme di regole che trasform a una variabidispositivo fisico o insieme di regole che trasform a una variabi le le (ingresso) in un(ingresso) in un ’’altra (uscita).altra (uscita).Sistemi SISOSistemi SISO (Single Input(Single Input --Single Output): 1 ingresso e 1 uscitaSingle Output): 1 ingresso e 1 uscitaSistemi MIMOSistemi MIMO (Multiple Input(Multiple Input --Multiple Output): piMultiple Output): pi ùù ingressi e piingressi e pi ùù uscite.uscite.

I sistemi che non possiedono un ingresso esplicito sono detti I sistemi che non possiedono un ingresso esplicito sono detti ““ autonomiautonomi ”” , , gli altri si dicono gli altri si dicono ““ non autonominon autonomi ”” . .

Esempi di sistemi (non autonomi SISO)Esempi di sistemi (non autonomi SISO)

Sistemi I/OSistemi I/O ::AmplificatoreAmplificatore –– IngressoIngresso = segnale elettrico; = segnale elettrico; UscitaUscita = versione scalata = versione scalata delldell ’’ ingresso ingresso Trasduttore di pressioneTrasduttore di pressione –– IngressoIngresso = pressione sul sensore; = pressione sul sensore; UscitaUscita = = Tensione elettrica (es.: segnale audio)Tensione elettrica (es.: segnale audio)

Sistemi I/S/O:Sistemi I/S/O:Dinamica del flusso sanguignoDinamica del flusso sanguigno in un vasoin un vaso -- IngressoIngresso = pressione = pressione sanguigna, sanguigna, StatoStato = propriet= propriet àà meccaniche delle pareti arteriose e del meccaniche delle pareti arteriose e del sangue; sangue; UscitaUscita = flusso sanguigno= flusso sanguigno

TIPI DI SEGNALITIPI DI SEGNALI•• DeterministiciDeterministici : valori futuri possono essere predetti con esattez za se : valori futuri possono essere predetti con esattez za se

èè disponibile la quantitdisponibile la quantit àà di informazioni necessaria. Es.: noto 1 ciclo di informazioni necessaria. Es.: noto 1 ciclo di undi un ’’onda sinusoidale posso predirne i valori futuri ad ogni istanteonda sinusoidale posso predirne i valori futuri ad ogni istante

•• Stocastici:Stocastici: non non èè possibile predirne i valori futuri con esattezza, i n possibile predirne i valori futuri con esattezza, i n quanto sono presenti componenti aleatorie. Es.: La maggior partequanto sono presenti componenti aleatorie. Es.: La maggior partedelle misure bioelettriche contengono una componen te di delle misure bioelettriche contengono una componen te di ““ rumorerumore ””aleatorio dovuta alle fluttuazioni delle correnti di ioni. Inolaleatorio dovuta alle fluttuazioni delle correnti di ioni. Inol tre, si tre, si classifica come classifica come ““ rumorerumore ”” la parte di segnale di cui non sappiamo la parte di segnale di cui non sappiamo spiegare il funzionamento.spiegare il funzionamento.

•• Frattali:Frattali: sono caratterizzati da invarianza di scala, ciosono caratterizzati da invarianza di scala, cio èè sono simili a sono simili a se stessi su scale diverse, temporali o spaziali. E s.: parte delse stessi su scale diverse, temporali o spaziali. E s.: parte del ciclo ciclo battitobattito --battito cardiaco, struttura del sistema bronchiale. Le tecniche battito cardiaco, struttura del sistema bronchiale. Le tecniche di identificazione di tali sistemi non sono del tut to affidabilidi identificazione di tali sistemi non sono del tut to affidabili ..

•• Caotici:Caotici: Segnali deterministici ma non esattamente predicibi li, in Segnali deterministici ma non esattamente predicibi li, in quanto dipendenti dalle quanto dipendenti dalle ““ condizioni inizialicondizioni iniziali ”” . Le tecniche di analisi . Le tecniche di analisi sono recenti e complesse, data lsono recenti e complesse, data l ’’ inevitabile presenza di componenti inevitabile presenza di componenti di rumore che mascherano il segnale. Es.: EEG, resp iro, numerosidi rumore che mascherano il segnale. Es.: EEG, resp iro, numerosisistemi neurofisiologici, sembrano avere una dinami ca caotica.sistemi neurofisiologici, sembrano avere una dinami ca caotica.

ES1 MATLAB: sigtype.mES1 MATLAB: sigtype.m

•• Segnale deterministicoSegnale deterministico : : somma di 5 funzioni seno somma di 5 funzioni seno con ampiezza e frequenza con ampiezza e frequenza casuale.casuale.

•• Segnale stocasticoSegnale stocastico : : Rumore bianco filtrato Rumore bianco filtrato attraverso il filtro zattraverso il filtro z 22/(z/(z22 --0.6 z 0.6 z -- 0.2).0.2).

•• Segnale frattaleSegnale frattale : Creato : Creato con il metodo di sintesi con il metodo di sintesi spettrale con 300 spettrale con 300 frequenze e H = 0.8.frequenze e H = 0.8.

•• Segnale caoticoSegnale caotico : dal : dal sistema di Henon con sistema di Henon con parametri ah=1.4, bh=0.3:parametri ah=1.4, bh=0.3:

x(n+1) = 1 x(n+1) = 1 -- ah*x(n)^2 + y(n)ah*x(n)^2 + y(n)y(n+1) = bh*x(n)y(n+1) = bh*x(n)