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 MANFREDIDOTT. CLAUDIA MANFREDIDOTT. CLAUDIA MANFREDI

Facoltà di IngegneriaFacoltà di 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: martedì e venerdì ore 9martedì e venerdì ore 9--1111N.B.: dal 02/10/07 al 07/12/07: martedì e giovedì o re 9N.B.: dal 02/10/07 al 07/12/07: martedì e giovedì o re 9--1111

L’INGEGNERIA BIOMEDICA L’INGEGNERIA BIOMEDICA (BIOINGEGNERIA)(BIOINGEGNERIA)

L'L' IngegneriaIngegneria biomedicabiomedica èè unauna brancabranca dell’dell’ ingegneriaingegneria cheche utilizzautilizza lele metodologiemetodologie eelele tecnologietecnologie proprieproprie dell’ingegneriadell’ingegneria alal finefine didi comprendere,comprendere, formalizzareformalizzare eerisolvererisolvere problematicheproblematiche didi interesseinteresse medicomedico--biologicobiologico mediantemediante unauna strettastrettacollaborazionecollaborazione deglidegli specialistispecialisti deidei varivari settorisettori coinvolticoinvolti..

PerPer poterpoter svolgeresvolgere ilil proprioproprio lavorolavoro l‘ingegnerel‘ingegnere biomedicobiomedico deve,deve, nonnon soltantosoltantoconoscereconoscere ii metodimetodi ee gligli strumentistrumenti dell'ingegneriadell'ingegneria classica,classica, mama ancheanche leleproblematicheproblematiche neinei campicampi delladella medicinamedicina ee delladella biologiabiologia ..problematicheproblematiche neinei campicampi delladella medicinamedicina ee delladella biologiabiologia ..

L'ingegnereL'ingegnere biomedicobiomedico devedeve infattiinfatti fornirefornire lala propriapropria collaborazionecollaborazione aa partirepartire dalladallafasefase didi studiostudio deldel problemaproblema medicomedico--biologico,biologico, inin modomodo dada poterpoter avereavere unauna visionevisioneglobaleglobale completacompleta ee nonnon solosolo presentatapresentata aa posterioriposteriori dada medicimedici oo biologibiologi..

PerPer questoquesto motivomotivo lala preparazionepreparazione dell'ingegneredell'ingegnere biomedicobiomedico devedeve necessariamentenecessariamentecomprenderecomprendere conoscenzeconoscenze didi:: anatomia,anatomia, biologia,biologia, fisiologia,fisiologia, patologia,patologia, oltreoltreovviamenteovviamente allealle conoscenzeconoscenze ingegneristicheingegneristiche didi basebase comecome matematica,matematica, fisica,fisica,meccanica,meccanica, chimica,chimica, energetica,energetica, elettronica,elettronica, informaticainformatica ee gestionalegestionale..

METODOLOGIE E TECNOLOGIEMETODOLOGIE E TECNOLOGIE

LeLe metodologiemetodologie didi basebase delladella BioingegneriaBioingegneria riguardanoriguardano::–– lala modellisticamodellistica deidei sistemisistemi fisiologicifisiologici;;–– lala descrizionedescrizione deidei fenomenifenomeni elettricielettrici e/oe/o magneticimagnetici;;–– l’elaborazionel’elaborazione didi dati,dati, segnalisegnali ee immaginiimmagini;;–– strumentistrumenti perper lolo studiostudio ee lala progettazioneprogettazione didi dispositividispositivi eded impiantiimpianti medicali,medicali, didi

materialimateriali naturalinaturali ee artificiali,artificiali, didi tessuti,tessuti, apparatiapparati eded organismiorganismi;;–– metodimetodi didi analisianalisi deldel legamelegame strutturastruttura--proprietàproprietà caratteristicocaratteristico deidei biomaterialibiomateriali

ee delledelle strutturestrutture biomeccanichebiomeccaniche ..ee delledelle strutturestrutture biomeccanichebiomeccaniche ..

LeLe tecnologietecnologie includonoincludono::–– lala strumentazionestrumentazione biomedicabiomedica ee biotecnologicabiotecnologica (dai(dai componenticomponenti elementarielementari aiai

piùpiù complessicomplessi sistemisistemi ospedalieri)ospedalieri);;–– lele protesi,protesi, ii robotrobot perper applicazioniapplicazioni biomediche,biomediche, ii sistemisistemi intelligentiintelligenti artificialiartificiali;;–– ii sistemisistemi perper lala gestionegestione ee l’organizzazionel’organizzazione sanitariasanitaria;;–– ii sistemisistemi informativiinformativi;;–– l’informatical’informatica medicamedica;;–– lala telemedicinatelemedicina..

SETTORI DI APPLICAZIONESETTORI DI APPLICAZIONE

L'ingegnereL'ingegnere biomedicobiomedico lavoralavora inin differentidifferenti settorisettori dell'ingegneria,dell'ingegneria, dallodallosviluppo,sviluppo, allaalla progettazione,progettazione, allaalla organizzazioneorganizzazione..SviluppoSviluppo

–– metodimetodi didi analisianalisi perper sistemisistemi biologicibiologici moltomolto complessi,complessi, perper poterlipoterlisemplificaresemplificare utilizzandoutilizzando modellimodelli artificialiartificiali

–– metodimetodi didi analisianalisi ee acquisizioneacquisizione didi segnalisegnali cheche provengonoprovengono daidaisistemisistemi biologici,biologici, perper poterlipoterli codificarecodificare concon unauna strumentazionestrumentazioneadattaadatta ..sistemisistemi biologici,biologici, perper poterlipoterli codificarecodificare concon unauna strumentazionestrumentazioneadattaadatta ..

–– sisi occupaoccupa ancheanche delladella sicurezzasicurezza relativarelativa aiai dispositividispositivi medicimedici eequindiquindi dovrebbedovrebbe conoscereconoscere lele normativenormative vigentivigenti

ProgettazioneProgettazione–– appararecchiatureappararecchiature elettromedicalielettromedicali perper lala diagnosi,diagnosi, lala terapiaterapia ee lala

riabilitazioneriabilitazione–– organiorgani artificialiartificiali ee protesiprotesi–– sistemisistemi informativiinformativi dedicatidedicati allaalla sanitàesanitàe allaalla telemedicinatelemedicina

OrganizzazioneOrganizzazione–– usouso ee lala manutenzionemanutenzione delladella strumentazionestrumentazione biomedicabiomedica–– repartireparti ee clinichecliniche delledelle aziendeaziende ospedaliereospedaliere

MERCATO DELLA MERCATO DELLA BIOINGEGNERIABIOINGEGNERIA

LaLa BioingegneriaBioingegneria èè riconosciutariconosciuta universalmenteuniversalmente comecome unauna disciplinadisciplina emergenteemergentevoltavolta aa generaregenerare unauna miglioremigliore comprensionecomprensione deidei fenomenifenomeni biologicibiologici eded aa produrreprodurretecnologietecnologie perper lala salutesalute concon beneficiobeneficio perper lala societàsocietà (definizione(definizione MIT,MIT, USA,USA, 19991999))..

GliGli studistudi didi mercatomercato nelnel settoresettore biomedicalebiomedicale indicano,indicano, inin tuttitutti ii paesipaesi avanzati,avanzati, unaunacrescitacrescita didi tuttotutto ilil compartocomparto..

LoLo statostato attualeattuale deldel mercatomercato mondialemondiale didi prodottiprodotti medicalimedicali vedevede l'Europal'Europa comecomesecondosecondo mercatomercato ((2626%%)) inin terminitermini didi fatturatofatturato dopodopo gligli StatiStati UnitiUniti ((4141%%)) concon ililGiapponeGiappone alal terzoterzo postoposto ((1818%%))..InIn Europa,Europa, lala GermaniaGermania èè ilil paesepaese leader,leader, concon unauna quotaquota didi mercatomercato deldel 3434%%,,seguitaseguita dalladalla FranciaFrancia concon ilil 1717%%,, dall'Italiadall'Italia concon ilil 1212%%,, daldal RegnoRegno UnitoUnito concon ilil 99%% eedalladalla SpagnaSpagna concon ilil 77%% (tutti(tutti gligli altrialtri paesipaesi europeieuropei insiemeinsieme rappresentanorappresentano ilil 2121%%))..

NegliNegli StatiStati UnitiUniti ee inin Europa,Europa, ilil settoresettore delledelle tecnologietecnologie perper lala salutesalute rappresentarappresentaunouno deidei campicampi didi maggiormaggior svilupposviluppo perper lele impreseimprese spinspin--offoff ee startstart--upup..

AMBITI DI LAVOROAMBITI DI LAVOROSTRUMENTAZIONESTRUMENTAZIONE BIOMEDICABIOMEDICA

Progettazione,Progettazione, sviluppo,sviluppo, realizzazionerealizzazione ee testtest didi dispositividispositivi meccanicimeccanici e/oe/o elettronicielettronici dada applicareapplicare ininambitoambito clinico,clinico, oo comecome ausilioausilio all'attivitàall'attività didi ricercaricerca nellenelle scienzescienze biologichebiologiche ee fisiologichefisiologiche..

LaLa strumentazionestrumentazione biomedicabiomedica puòpuò essereessere suddivisasuddivisa inin varivari settorisettori aa secondaseconda delladella modalitàmodalità didiclassificazioneclassificazione scelta,scelta, ossiaossia inin basebase alloallo scoposcopo clinico,clinico, alal campocampo didi applicazione,applicazione, allaalla zonazonadell'organismodell'organismo interessata,interessata, alal tipotipo didi analisianalisi effettuataeffettuata oo allaalla fontefonte didi energiaenergia utilizzatautilizzata..InIn riferimentoriferimento allaalla primaprima modalitàmodalità citata,citata, l'ambitol'ambito clinico,clinico, lala strumentazionestrumentazione puòpuò essereessere::

–– diagnosticadiagnostica–– diagnosticadiagnostica–– terapeuticaterapeutica–– riabilitativariabilitativa

SebbeneSebbene nonnon esistaesista unauna distinzionedistinzione nettanetta frafra ii tretre campi,campi, èè opportunoopportuno operareoperare taletale suddivisionesuddivisioneperper un'analisiun'analisi piùpiù sistematicasistematica dell'argomentodell'argomento ee perchéperché sisi trattatratta didi unauna distinzionedistinzione centratacentrata sullasullafigurafigura deldel pazientepaziente ee sullesulle suesue esigenzeesigenze..

StrumentazioneStrumentazione diagnosticadiagnosticaApparecchiatureApparecchiature utilizzateutilizzate inin medicinamedicina nuclearenucleare ee radiologiaradiologia cheche sfruttanosfruttano tecnichetecniche didi imagingimaging aascoposcopo diagnosticodiagnostico..EsempiEsempi:: lala radiografiaradiografia aa raggiraggi X,X, lala tomografiatomografia computerizzatacomputerizzata (TC),(TC), l’imagingl’imaging aa risonanzarisonanzamagneticamagnetica (MRI),(MRI), lala tomografiatomografia adad emissioneemissione didi positronipositroni (PET),(PET), lala tomografiatomografia computerizzatacomputerizzata adademissioneemissione didi singolosingolo fotonefotone (SPECT),(SPECT), gligli ultrasuoniultrasuoni eccecc......

AMBITI DI LAVORO (cont.)AMBITI DI LAVORO (cont.)StrumentazioneStrumentazione terapeuticaterapeutica

InIn questaquesta sezionesezione sisi includonoincludono tuttitutti queiquei dispositivi,dispositivi, elettricielettrici oo meccanici,meccanici, didi supportosupporto all'attivitàall'attivitàterapeuticaterapeutica deldel pazientepaziente oo cheche costituisconocostituiscono l'interventol'intervento principaleprincipale delladella terapiaterapia stessastessa..EsempiEsempi:: ilil pacemaker,pacemaker, lele valvolevalvole cardiachecardiache artificiali,artificiali, ii defibrillatori,defibrillatori, ilil dialikzzatore,dialikzzatore, ilil cuorecuoreartificiale,artificiale, lala macchinamacchina cuorecuore--plomoneplomone perper corcolazionecorcolazione extracorporea,extracorporea, ii neurostimolatori,neurostimolatori, gligliapparecchiapparecchi acusticiacustici ee moltimolti altrialtri ancoraancora..SiSi trattatratta didi dispositividispositivi moltomolto delicatidelicati dada teneretenere sottosotto costantecostante controllocontrollo inin quanto,quanto, aa differenzadifferenza delladellacategoriacategoria precedente,precedente, spessospesso sisi haha aa cheche farefare concon energieenergie moltomolto superiorisuperiori aa quellequelle utilizzateutilizzate inincampocampo diagnosticodiagnostico ee cheche entranoentrano inin direttodiretto contattocontatto colcol paziente,paziente, interagendointeragendo direttamentedirettamente conconessoesso oo modificandonemodificandone alcunialcuni parametriparametri fisiologicifisiologici e/oe/o fisicifisici ..essoesso oo modificandonemodificandone alcunialcuni parametriparametri fisiologicifisiologici e/oe/o fisicifisici ..InIn fasefase didi progettazioneprogettazione sisi devedeve pertantopertanto prevedereprevedere unauna possibilepossibile diagnosticadiagnostica ilil menomeno possibilepossibileinvasivainvasiva delledelle condizionicondizioni dell'apparecchio,dell'apparecchio, perper poternepoterne programmareprogrammare concon sufficientesufficiente anticipoanticipo eerischirischi minimiminimi lala sostituzionesostituzione oo lala riparazioneriparazione..

StrumentazioneStrumentazione riabilitativariabilitativaSiSi trattatratta spessospesso didi macchinemacchine cheche tentanotentano didi modificaremodificare unun parametroparametro fisiologico,fisiologico, fisicofisico oomeccanicomeccanico deldel pazientepaziente alal finefine didi farnefarne recuperarerecuperare ilil normalenormale ee autonomoautonomo funzionamentofunzionamento..SiSi trattatratta quindiquindi perper lolo piùpiù didi soluzionisoluzioni temporaneetemporanee cheche nonnon miranomirano semplicementesemplicemente aa fornirefornire ununsupportosupporto terapeutico,terapeutico, mama hannohanno unouno scoposcopo piùpiù ambiziosoambizioso..BisognaBisogna comunquecomunque sottolinearesottolineare cheche spessospesso questiquesti dispositivi,dispositivi, comecome nelnel casocaso delledelle protesi,protesi, purpurcercandocercando didi integrarsiintegrarsi pienamentepienamente neinei processiprocessi metabolicimetabolici ee meccanici,meccanici, possonopossono taloratalora rimanererimanereinin modomodo permanentepermanente nelnel corpocorpo dell'ospite,dell'ospite, oo possonopossono altrealtre voltevolte essereessere riassorbitiriassorbiti dall'organismodall'organismo..EsempiEsempi:: lele protesi,protesi, gligli organiorgani artificiali,artificiali, lele macchinemacchine pneumatichepneumatiche perper ilil recuperorecupero postpost--traumatico,traumatico,ee altrialtri ancoraancora..

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

InformaticaInformatica biomedicabiomedica

IlIl primoprimo campocampo didi applicazioneapplicazione èè quelloquello delladella gestionegestione informatizzatainformatizzata deidei datidatisanitarisanitari (cartella(cartella clinicaclinica elettronica),elettronica), concon particolareparticolare attenzioneattenzione allealleproblematicheproblematiche didi tipotipo legalelegale insiteinsite nellanella manipolazionemanipolazione didi datidati sensibilisensibili..

InoltreInoltre l'informatical'informatica biomedicabiomedica affrontaaffronta ilil problemaproblema delladella trasmissionetrasmissione ededindicizzazioneindicizzazione delledelle immaginiimmagini ottenuteottenute dada dispositividispositivi digitalidigitali didi acquisizioneacquisizioneindicizzazioneindicizzazione delledelle immaginiimmagini ottenuteottenute dada dispositividispositivi digitalidigitali didi acquisizioneacquisizione(TAC,(TAC, MRI,MRI, ecc)ecc)..IlIl problemaproblema riguardariguarda siasia lala trasmissionetrasmissione didi immaginiimmagini perper applicazioniapplicazioni diditelemedicinatelemedicina siasia l'immagazzinamentol'immagazzinamento deidei datidati inin appositiappositi serverserver digitalidigitali (PACS)(PACS)..DiDi fondamentalefondamentale importanzaimportanza inin questoquesto campocampo èè l'usol'uso deldel protocolloprotocollo DICOMDICOM perperlala codificacodifica delledelle immaginiimmagini medichemediche digitalidigitali..

Infine,Infine, l'informatical'informatica biomedicabiomedica affrontaaffronta ilil problemaproblema dell‘dell‘ elaborazioneelaborazione deidei segnalisegnaliee delledelle immaginiimmagini ,, spaziandospaziando dalledalle problematicheproblematiche didi analisianalisi quantitativaquantitativa perperl'estrazionel'estrazione automaticaautomatica oo semisemi--automaticaautomatica didi indiciindici diagnosticidiagnostici aa quellequelle didivisualizzazionevisualizzazione tridimensionaletridimensionale ..

PACS, RIS, SISPACS, RIS, SISPACSPACS èè l'acronimol'acronimo anglosassoneanglosassone didi PicturePicture ArchivingArchiving andand CommunicationCommunication SystemSystem(Sistema(Sistema didi archiviazionearchiviazione ee trasmissionetrasmissione didi immagini)immagini).. ConsisteConsiste inin unun sistemasistemacomputerizzatocomputerizzato perper l'archiviazionel'archiviazione digitaledigitale delledelle immaginiimmagini radiologicheeradiologichee lala lorolorotrasmissionetrasmissione ee visualizzazionevisualizzazione susu workstationworkstation dedicate,dedicate, collegatecollegate mediantemediante retereteinformaticainformatica..

IlIl PACSPACS sisi integraintegra concon ilil sistemasistema informaticoinformatico radiologicoradiologico oo RISRIS ((RadiologyRadiologyInformationInformation SystemSystem)) perper l'immissionel'immissione deidei datidati deldel pazientepaziente nelnel sistemasistema informaticoinformatico..LeLe immaginiimmagini quandoquando vengonovengono elaborateelaborate sonosono memorizzatememorizzate inin unun archivioarchivio onon --linelineLeLe immaginiimmagini quandoquando vengonovengono elaborateelaborate sonosono memorizzatememorizzate inin unun archivioarchivio onon --linelinemoltomolto veloceveloce..LaLa memorizzazionememorizzazione deidei datidati inin unun archivioarchivio intermediointermedio èè richiestarichiesta perper leggelegge perper ununperiodoperiodo didi 11 oo 22 annianni..InfineInfine ii datidati vengonovengono memorizzatimemorizzati inin archiviarchivi piùpiù economicieconomici didi lungolungo termine,termine,solitamentesolitamente susu supportisupporti CDCD--ROM,ROM, ii qualiquali vengonovengono conservaticonservati perper ilil successivosuccessivoriutilizzoriutilizzo qualoraqualora sese nene rendarenda necessarianecessaria lala visualizzazionevisualizzazione..

ÈÈ necessarionecessario cheche ilil RISRIS sisi interfacciinterfacci concon ilil sistemasistema informativoinformativo ospedalieroospedaliero HISHIS(Hospital(Hospital InformationInformation System)System) cosìcosì dada avereavere unun unicounico codicecodice identificativoidentificativo IDID checheaccompagniaccompagni perper sempresempre ilil medesimomedesimo pazientepaziente inin qualunquequalunque iteriter diagnosticodiagnosticosuccessivosuccessivo allaalla originariaoriginaria registrazioneregistrazione susu HISHIS..

BIOMECCANICABIOMECCANICA

L'ambitoL'ambito delladella biomeccanicabiomeccanica èè aa suasua voltavolta unun settoresettore applicativoapplicativo ee didiricercaricerca moltomolto vasto,vasto, cheche richiederichiede competenzecompetenze specifiche,oltrespecifiche,oltre cheche didimeccanicameccanica ee fisica,fisica, ancheanche didi chimica,chimica, biochimica,biochimica, istologia,istologia, biologiabiologiamolecolaremolecolare ee fisiologiafisiologia..

SottoSotto questaquesta categoriacategoria sisi puòpuò racchiudereracchiudere ancheanche ilil campocampo dell‘dell‘ingegneriaingegneria tissutale,tissutale, cheche presentapresenta moltimolti puntipunti didi contattocontatto concon lalaingegneriaingegneria tissutale,tissutale, cheche presentapresenta moltimolti puntipunti didi contattocontatto concon lalabiomeccanica,biomeccanica, ancheanche sese richiederichiede conoscenzeconoscenze specifichespecifiche diditrattamentotrattamento deidei tessutitessuti ee didi chimicachimica delledelle superficisuperfici..

Flusso delle informazioni in un ospedaleFlusso delle informazioni in un ospedale

Informazioni di interesse medico: dati, segnali, imm agini.Informazioni di interesse medico: dati, segnali, imm agini.

STRUTTURA E OBBIETTIVI DEL STRUTTURA E OBBIETTIVI DEL CORSOCORSO

IlIl corsocorso èè strutturatostrutturato inin 22 parti,parti, didi 33 crediticrediti ciascunaciascuna (codocenza(codocenza ClaudiaClaudia ManfrediManfredi eeMaurizioMaurizio Baroni,Baroni, DipartimentoDipartimento didi ElettronicaElettronica ee Telecomunicazioni)Telecomunicazioni)..

IlIl corsocorso sisi proponepropone didi::

ApprofondireApprofondire alcunialcuni aspettiaspetti siasia teoriciteorici cheche praticipratici dell'ingegneriadell'ingegneria biomedica,biomedica, nellanellaApprofondireApprofondire alcunialcuni aspettiaspetti siasia teoriciteorici cheche praticipratici dell'ingegneriadell'ingegneria biomedica,biomedica, nellanellaqualequale bisognabisogna sapersaper identificare,identificare, formulareformulare ee risolvere,risolvere, ancheanche inin modomodo innovativo,innovativo,problemiproblemi complessicomplessi oo cheche richiedonorichiedono unun approccioapproccio interdisciplinareinterdisciplinare..

VerrannoVerranno quindiquindi fornitefornite nozioninozioni relativamenterelativamente alal trattamentotrattamento didi informazioniinformazioni didiinteresseinteresse medico,medico, cioècioè dati,dati, segnalisegnali eded immaginiimmagini inin ambitoambito biomedico,biomedico, concon richiamirichiamisuisui concetticoncetti didi base,base, svilupposviluppo didi tecnichetecniche didi analisi,analisi, eded esempiesempi applicativiapplicativi..

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

IIaa PARTEPARTE:: AnalisiAnalisi deidei segnalisegnali biomedicibiomedici ((22 crediti)crediti)..IIIIaa PARTEPARTE:: AnalisiAnalisi didi immaginiimmagini –– ultrasuoniultrasuoni ee risonanzarisonanza magneticamagnetica ((11

credito)credito)..

LezioniLezioni:: martedìmartedì oreore 1111..1515--1313..1515,, venerdìvenerdì oreore 88..1515--1111..1515 (in(in codocenzacodocenzaconcon MaurizioMaurizio Baroni)Baroni) ..concon MaurizioMaurizio Baroni)Baroni) ..DuranteDurante ilil corsocorso sarannosaranno svoltisvolti seminariseminari applicativiapplicativi dada parteparte didicliniciclinici ee ingegneriingegneri concon cuicui sonosono attiveattive collaborazionicollaborazioni scientifichescientifiche..

ModalitàModalità didi esameesame::•• Orale,Orale, susu tuttotutto ilil programmaprogramma..•• TesinaTesina applicativaapplicativa (anche(anche didi gruppo)gruppo).. LaLa tesinatesina avràavrà comecome tematema

l’applicazionel’applicazione delledelle metodichemetodiche didi analisianalisi didi segnalisegnali eded immaginiimmaginiillustrateillustrate durantedurante ilil CorsoCorso aa problemiproblemi praticipratici trattitratti daidai temitemi didiricercaricerca attualmenteattualmente inin svilupposviluppo (che(che verrannoverranno brevementebrevemente descrittidescrittinellanella 22 aa parteparte deldel corso),corso), prevalentementeprevalentemente inin ambienteambiente didiprogrammazioneprogrammazione MatlabMatlab oo C++C++..

PROGRAMMAPROGRAMMA

IntroduzioneIntroduzioneNaturaNatura deidei segnalisegnali biomedicibiomedici (deterministici,(deterministici, stocastici,stocastici, frattalifrattali ee caotici)caotici)ModelliModelli aa TempoTempo--ContinuoContinuo (CT)(CT) ee aa TempoTempo--DiscretoDiscreto (DT)(DT) didi sistemisistemi dinamicidinamiciSegnaliSegnali ee sistemisistemi dinamicidinamici:: proprietàproprietàEnergiaEnergia ee potenzapotenza deidei segnalisegnali..AutocorrelazioneAutocorrelazione ee autocovarianzaautocovarianzaAnalisiAnalisi deidei segnalisegnali biomedicibiomedici (dominio(dominio deldel tempotempo ee delladella frequenza)frequenza)..

ModelliModelli didi sistemisistemi dinamicidinamici tempotempo--invariantiinvariantiModelliModelli linearilineariModelliModelli didi statostato ee modellimodelli ingressoingresso--uscitauscitaStruttureStrutture didi modellimodelli dinamicidinamiciLaLa proceduraprocedura dell’identificazionedell’identificazione:: elementielementi basebase ee fasifasi deldel procedimentoprocedimento

AnalisiAnalisi deidei datidatiSceltaScelta deldel modellomodelloSceltaScelta deldel criteriocriterio didi stimastimaCalcoloCalcolo deidei parametriparametri deldel modellomodelloVerificaVerifica delladella bontàbontà deldel modellomodello

PROGRAMMA (CONT.)PROGRAMMA (CONT.)MetodiMetodi didi stimastima parametricaparametricaPrincipiPrincipi didi basebaseMetodiMetodi didi stimastima “a“a blocchi”blocchi”::

RegressioneRegressione linearelineareMinimiMinimi QuadratiQuadrati

MetodiMetodi didi stimastima ricorsiviricorsivi::MinimiMinimi QuadratiQuadrati

StimaStima spettralespettrale parametricaparametricaStimaStima spettralespettrale parametricaparametricaConfrontoConfronto frafra stimastima spettralespettrale parametricaparametrica ee nonnon--parametricaparametrica

IdentificazioneIdentificazione didi sistemisistemi dinamicidinamici:: aspettiaspetti praticipraticiStazionarietàStazionarietà eded ergodicitàergodicitàCampionamentoCampionamento ee quantizzazionequantizzazioneSceltaScelta delladella frequenzafrequenza didi campionamentocampionamentoPrePre--trattamentotrattamento deidei datidatiSceltaScelta deldel modellomodelloSceltaScelta dell’ordinedell’ordine “ottimo”“ottimo” perper ilil modellomodello

PROGRAMMA (CONT.)PROGRAMMA (CONT.)IntroduzioneIntroduzione all’ambienteall’ambiente didi programmazioneprogrammazione MatlabMatlab

NozioniNozioni didi basebase susu variabili,variabili, funzioni,funzioni, graficigraficiCasoCaso didi studiostudio:: AnalisiAnalisi deldel segnalesegnale vocalevocale perper applicazioniapplicazioni biomedichebiomediche::

•• StimaStima deidei parametriparametri caratterizzanticaratterizzanti l’emissionel’emissione vocalicavocalica•• EsempiEsempi applicativiapplicativi:: piantopianto neonatale,neonatale, disfonia,disfonia, cantocanto

ImmaginiImmagini adad ultrasuoniultrasuoniGeneralitàGeneralitàGenerazioneGenerazione deglidegli ultrasuoniultrasuoniPropagazionePropagazione deglidegli ultrasuoniultrasuoniPropagazionePropagazione deglidegli ultrasuoniultrasuoniEcografiaEcografiaTecnicheTecniche didi scansionescansione ee didi visualizzazionevisualizzazioneLaLa flussimetriaflussimetria DopplerDoppler

ImmaginiImmagini didi risonanzarisonanza magneticamagneticaPrincipiPrincipi fisicifisiciSequenzeSequenze didi eccitazioneeccitazioneAgentiAgenti didi contrastocontrastoMisureMisure didi flussoflusso ee tecnichetecniche agiograficheagiograficheRisonanzaRisonanza magneticamagnetica funzionalefunzionaleComponentiComponenti HWHW inin risonanzarisonanza magneticamagnetica

ImmaginiImmagini -- CasoCaso didi studiostudio :: immaginiimmagini laringoscopichelaringoscopiche ee videochimografichevideochimografiche delladella vibrazionevibrazionedelledelle cordecorde vocalivocali

•• CARATTERIZZAZIONECARATTERIZZAZIONE deidei SISTEMISISTEMI didi IMMAGINEIMMAGINECaratteristicheCaratteristiche didi osservatoreosservatore ee sistemasistema;; immaginiimmagini fotonichefotoniche;; campionamentocampionamento;;curvecurve ROCROC..

•• ELABORAZIONEELABORAZIONE delledelle IMMAGINIIMMAGINI NUMERICHENUMERICHE::FiltraggiFiltraggi aa mediamedia mobilemobile.. EsaltazioneEsaltazione deldel contrastocontrasto:: istogrammaistogramma ee suesuemodificazionimodificazioni..

•• FORMAZIONEFORMAZIONE didi IMMAGINIIMMAGINI MEDICHEMEDICHE::

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

•• FORMAZIONEFORMAZIONE didi IMMAGINIIMMAGINI MEDICHEMEDICHE::Emissione,Emissione, assorbimento,assorbimento, diffusione,diffusione, riflessioneriflessione;; immaginiimmagini funzionalifunzionali;;applicazioniapplicazioni

•• RADIAZIONIRADIAZIONI IONIZZANTIIONIZZANTI::RadioisotopiRadioisotopi ee macchinemacchine radiogene,radiogene, elementielementi didi radioprotezioneradioprotezione..

•• IMMAGINIIMMAGINI AA RAGGIRAGGI XX::RadiografiaRadiografia convenzionaleconvenzionale ee digitaledigitale.. TomografiaTomografia computerizzatacomputerizzata

•• IMMAGINIIMMAGINI RADIOISOTOPICHERADIOISOTOPICHE::RadiofarmaciRadiofarmaci.. GammaGamma--cameracamera.. TomografiaTomografia adad emissioneemissione:: SPECTSPECT ee PETPET..

•• IMMAGINIIMMAGINI OTTICHEOTTICHE:: TomografiaTomografia aa coerenzacoerenza otticaottica..•• ALTRIALTRI STRUMENTISTRUMENTI PERPER LELE BIOIMMAGINIBIOIMMAGINI::

VisualizzazioneVisualizzazione 33DD.. ArchiviArchivi ee TelemedicinaTelemedicina (VHD,(VHD, PACS,PACS, DICOM)DICOM)..•• ESERCITAZIONIESERCITAZIONI SOFTWARESOFTWARE ININ LABORATORIOLABORATORIO

MODALITA’ DI ESAMEMODALITA’ DI 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 l’esame oralePer l’esame 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

LaLa discussionediscussione delladella tesinatesina consisteconsiste inin unauna brevebreve relazionerelazione scrittascrittaeded inin unauna presentazionepresentazione (Power(Power Point),Point), cosìcosì strutturatestrutturate::

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

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NATURA DEI SEGNALI BIOMEDICINATURA DEI SEGNALI BIOMEDICI

SegnaleSegnale :: registrazioneregistrazione didi “energia”“energia” prodottaprodotta dada unun processoprocesso..

LaLa dinamicadinamica didi ogniogni fenomenofenomeno realereale misurabilemisurabile derivaderivadall’interazionedall’interazione frafra sorgentisorgenti didi energiaenergia ee modificatorimodificatori (dissipatori)(dissipatori)didi energiaenergia..L’analisiL’analisi dede segnalisegnali ee l’analisil’analisi deidei sistemisistemi fornisconoforniscono gligli strumentistrumentiperper analizzareanalizzare inin modomodo rigorosorigoroso ii fenomenifenomeni fisicifisici ..perper analizzareanalizzare inin modomodo rigorosorigoroso ii fenomenifenomeni fisicifisici ..

FinalitàFinalità::–– MisurareMisurare ii segnalisegnali biomedicibiomedici–– ManipolareManipolare ii segnalisegnali (filtrare(filtrare lele componenticomponenti nonnon desiderate)desiderate)–– EstrarreEstrarre informazioniinformazioni sulsul segnalesegnale (diagnosi)(diagnosi)–– PredirnePredirne l’evoluzionel’evoluzione futurafutura tramitetramite modellomodello adeguatoadeguato

(controllo(controllo dosaggiodosaggio farmaci,farmaci, diagnosidiagnosi precoceprecoce didi alterazioni)alterazioni)

SEGNALE BIOMEDICOSEGNALE BIOMEDICO•• SegnaleSegnale :: RappresentazioneRappresentazione monodimensionalemonodimensionale didi informazione,informazione, inin

funzionefunzione didi unauna variabilevariabile indipendenteindipendente (es(es.:.: tempo)tempo)..

•• InformazioneInformazione :: ValoriValori realireali oo complessicomplessi.. E’E’ spessospesso unauna misuramisura didi unaunaqualchequalche formaforma didi energiaenergia prodottaprodotta daldal processoprocesso..

•• MoltiMolti “segnali”“segnali” biomedicibiomedici nonnon sonosono funzionefunzione deldel tempo,tempo, mama didi altrealtregrandezzegrandezze:: adad eses..,, nell’elaborazionenell’elaborazione delledelle immaginiimmagini ii valorivalori didi intensitàintensitàsonosono funzionefunzione delledelle coordinatecoordinate spazialispaziali xx ee yy.. II metodimetodi cheche verrannoverrannopresentatipresentati sisi applicanoapplicano ancheanche aa talitali segnalisegnali ..presentatipresentati sisi applicanoapplicano ancheanche aa talitali segnalisegnali ..

•• NaturaNatura deidei segnalisegnali biomedicibiomedici :: moltimolti sonosono elettricielettrici –– ECGECG(ElettroCardioGramma),(ElettroCardioGramma), EMGEMG (ElettroMioGramma),(ElettroMioGramma), EEGEEG(ElettroEncefaloGramma),(ElettroEncefaloGramma), ERGERG (EllettrRetinoGramma),(EllettrRetinoGramma), EGGEGG(ElettroGastroGramma)(ElettroGastroGramma) ,, mediantemediante elettrodielettrodi concon cuicui sisi misuramisura laladifferenzadifferenza didi potenzialepotenziale frafra duedue puntipunti.. AltriAltri (es(es.:.: meccanici,meccanici, chimici),chimici),vengonovengono “trasformati”“trasformati” mediantemediante trasduttoritrasduttori inin segnalisegnali elettricielettrici..

•• II segnalisegnali biomedicibiomedici sonosono spessospesso affettiaffetti dada ““ rumorerumore ”” (componente(componente dididisturbo),disturbo), cheche puòpuò essereessere ridottoridotto concon tecnichetecniche opportuneopportune.. AltriAltriassomiglianoassomigliano aa rumorerumore purpur nonnon essendoessendo talitali (segnale(segnale caoticocaotico ),), oo avereavereunun comportamentocomportamento “autosomigliante”“autosomigliante” susu scalescale diverse,diverse, mama nonnonpredicibilepredicibile (( frattalifrattali ))..

ESEMPIESEMPIVelocitàVelocità istantaneaistantanea mediamedia deldelsanguesangue nell’arterianell’arteria cerebralecerebraleumanaumana:: shiftshift DopplerDoppler dada fasciofascioultrasonicoultrasonico..1s1s

ElettromiogrammaElettromiogramma dada coppiacoppia didi filifiliapplicatiapplicati sottosotto lala lingualingua::contrazionecontrazione ee rilassamentorilassamento..

0.2s0.2s

AngoloAngolo didi rotazionerotazione deldel ginocchioginocchioottenutoottenuto dada unun sensoresensore angolareangolare..

ElettrocardiogrammaElettrocardiogramma.. OgniOgnibattitobattito cardiacocardiaco produceproduce unaunaserieserie didi ondeonde elettricheelettriche (P,(P, Q,Q, R,R,S,S, T)T)..

BattitoBattito cardiacocardiaco istantaneoistantaneo(battiti/min)(battiti/min) perper 100100 battitibattiticonsecutiviconsecutivi..

n.battitin.battiti

ESEMPIESEMPI

CelleCelle trattatetrattate conconcolorecolore fluorescentefluorescentecheche legalega conconfosfolipidifosfolipidi..

AsseAsse xx:: IntensitàIntensità didifluorescenzafluorescenza didi cellecelleeccitateeccitate dada fasciofascioeccitateeccitate dada fasciofasciolaserlaser..

AsseAsse yy:: NN.. didi cellecellecheche mostranomostrano unaunadatadata intensitàintensità..

SEGNALI CONTINUI E DISCRETISEGNALI CONTINUI E DISCRETI

CTCT –– ContinuousContinuous TimeTimeEsEs.:.: pressionepressione sanguigna,sanguigna, torsionetorsione adad unaunagiunturagiuntura..SonoSono definitidefiniti perper ogniogni istanteistante (di(di tempo)tempo).. SpessoSpessovengonovengono campionaticampionati perper valorivalori multiplimultipli didi ununincrementoincremento basebase..vengonovengono campionaticampionati perper valorivalori multiplimultipli didi ununincrementoincremento basebase..

DTDT –– DiscreteDiscrete TimeTimeEsEs.:.: pressionepressione sanguignasanguigna adad ogniogni battito,battito, valorivalorididi temperaturatemperatura corporeacorporea ogniogni ora,ora, potenzialipotenziali didiazioneazione didi unun neuroneneurone ogniogni secondo,secondo, eccecc..L’argomentoL’argomento delladella funzionefunzione assumeassume solosolo valorivaloriinteriinteri..

ESEMPIOESEMPIORegistrazioneRegistrazione deideipotenzialipotenziali didi azioneazione didi ununneuroneneurone nell’intervallonell’intervallo diditempotempo didi 1010ss..IlIl nn.. didi potenzialipotenziali didiazioneazione alal secondosecondo èècalcolatocalcolato ee visualizzatovisualizzatoneinei duedue modimodi seguentiseguenti::

SegnaleSegnale CTCT ottenutoottenutoSegnaleSegnale CTCT ottenutoottenutomantenendomantenendo unun valorevalorecostantecostante (somma(sommapotenzialipotenziali didi azione)azione) susuogniogni secondosecondo didi tempotempo..

SegnaleSegnale DTDT ottenutoottenutorappresentandorappresentando ilil nn.. didipotenzialipotenziali didi azioneazioneverificatisiverificatisi nell’nell’intervallointervallo didi 11ssprecedenteprecedente..

SEGNALI E SISTEMISEGNALI E SISTEMISistemaSistema :: qualsiasiqualsiasi meccanismomeccanismo attraversoattraverso ilil qualequale unun segnalesegnale dipendedipende (o(o èèottenuto)ottenuto) dada unun altroaltro segnalesegnale.. PiùPiù precisamente,precisamente, unun sistemasistema èè unun qualsiasiqualsiasidispositivodispositivo fisicofisico oo insiemeinsieme didi regoleregole cheche trasformatrasforma unauna variabilevariabile(ingresso)(ingresso) inin un’altraun’altra (uscita)(uscita)..SistemiSistemi SISOSISO (Single(Single InputInput--SingleSingle Output)Output):: 11 ingressoingresso ee 11 uscitauscitaSistemiSistemi MIMOMIMO (Multiple(Multiple InputInput--MultipleMultiple Output)Output):: piùpiù ingressiingressi ee piùpiù usciteuscite..

II sistemisistemi cheche nonnon possiedonopossiedono unun ingressoingresso esplicitoesplicito sonosono dettidetti “autonomi”,“autonomi”,gligli altrialtri sisi diconodicono “non“non autonomi”autonomi” ..gligli altrialtri sisi diconodicono “non“non autonomi”autonomi” ..

EsempiEsempi didi sistemisistemi (non(non autonomiautonomi SISO)SISO)

SistemiSistemi I/OI/O ::AmplificatoreAmplificatore –– IngressoIngresso == segnalesegnale elettricoelettrico;; UscitaUscita == versioneversione scalatascalatadell’ingressodell’ingressoTrasduttoreTrasduttore didi pressionepressione –– IngressoIngresso == pressionepressione sulsul sensoresensore;; UscitaUscita ==TensioneTensione elettricaelettrica (es(es.:.: segnalesegnale audio)audio)

SistemiSistemi I/S/OI/S/O::DinamicaDinamica deldel flussoflusso sanguignosanguigno inin unun vasovaso -- IngressoIngresso == pressionepressionesanguigna,sanguigna, StatoStato == proprietàproprietà meccanichemeccaniche delledelle paretipareti arteriosearteriose ee deldelsanguesangue;; UscitaUscita == flussoflusso sanguignosanguigno

TIPI DI SEGNALITIPI DI SEGNALI•• DeterministiciDeterministici :: valorivalori futurifuturi possonopossono essereessere predettipredetti concon esattezzaesattezza sese

èè disponibiledisponibile lala quantitàquantità didi informazioniinformazioni necessarianecessaria.. EsEs.:.: notonoto 11 ciclociclodidi un’ondaun’onda sinusoidalesinusoidale possoposso predirnepredirne ii valorivalori futurifuturi adad ogniogni istanteistante

•• StocasticiStocastici:: nonnon èè possibilepossibile predirnepredirne ii valorivalori futurifuturi concon esattezza,esattezza, ininquantoquanto sonosono presentipresenti componenticomponenti aleatoriealeatorie.. EsEs.:.: LaLa maggiormaggior partepartedelledelle misuremisure bioelettrichebioelettriche contengonocontengono unauna componentecomponente didi “rumore”“rumore”aleatorioaleatorio dovutadovuta allealle fluttuazionifluttuazioni delledelle correnticorrenti didi ioniioni.. Inoltre,Inoltre, sisiclassificaclassifica comecome “rumore”“rumore” lala parteparte didi segnalesegnale didi cuicui nonnon sappiamosappiamoclassificaclassifica comecome “rumore”“rumore” lala parteparte didi segnalesegnale didi cuicui nonnon sappiamosappiamospiegarespiegare ilil funzionamentofunzionamento..

•• FrattaliFrattali:: sonosono caratterizzaticaratterizzati dada invarianzainvarianza didi scala,scala, cioècioè sonosono similisimili aasese stessistessi susu scalescale diverse,diverse, temporalitemporali oo spazialispaziali.. EsEs.:.: parteparte deldel ciclociclobattitobattito--battitobattito cardiaco,cardiaco, strutturastruttura deldel sistemasistema bronchialebronchiale.. LeLe tecnichetecnichedidi identificazioneidentificazione didi talitali sistemisistemi nonnon sonosono deldel tuttotutto affidabiliaffidabili..

•• CaoticiCaotici:: SegnaliSegnali deterministicideterministici mama nonnon esattamenteesattamente predicibili,predicibili, ininquantoquanto dipendentidipendenti dalledalle “condizioni“condizioni iniziali”iniziali”.. LeLe tecnichetecniche didi analisianalisisonosono recentirecenti ee complesse,complesse, datadata l’inevitabilel’inevitabile presenzapresenza didi componenticomponentididi rumorerumore cheche mascheranomascherano ilil segnalesegnale.. EsEs.:.: EEG,EEG, respiro,respiro, numerosinumerosisistemisistemi neurofisiologici,neurofisiologici, sembranosembrano avereavere unauna dinamicadinamica caoticacaotica..

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.

•• SegnaleSegnale stocasticostocastico ::RumoreRumore biancobianco filtratofiltratoattraversoattraverso ilil filtrofiltro zz22/(z/(z22 --attraversoattraverso ilil filtrofiltro zz /(z/(z --00..66 zz -- 00..22))..

•• SegnaleSegnale frattalefrattale :: CreatoCreatoconcon ilil metodometodo didi sintesisintesispettralespettrale concon 300300frequenzefrequenze ee HH == 00..88..

•• SegnaleSegnale caoticocaotico :: daldalsistemasistema didi HenonHenon conconparametriparametri ah=ah=11..44,, bh=bh=00..33::

x(n+x(n+11)) == 11 -- ah*x(n)^ah*x(n)^22 ++ y(n)y(n)y(n+y(n+11)) == bh*x(n)bh*x(n)