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CI_Bioingegneria_Chimica

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IN/0218 - STRUMENTAZIONE ELETTROMEDICALE

Anno Accademico 2017/2018

Docente
DANILO PANI (Tit.)
Periodo
Secondo Semestre 
Modalità d'Erogazione
Convenzionale 
Lingua Insegnamento
 



Informazioni aggiuntive

CorsoPercorsoCFUDurata(h)
[70/75]  INGEGNERIA BIOMEDICA [75/00 - Ord. 2014]  PERCORSO COMUNE550
Obiettivi

L'obiettivo principale del corso di Strumentazione Elettromedicale è quello di fornire allo studente una panoramica sulla strumentazione elettromedicale per segnali elettrofisiologici, unitamente ad alcuni metodi e strumenti per l'analisi dei relativi segnali. La scelta di sviluppare attività di laboratorio e far conoscere agli studenti tali strumenti e algoritmi in modo tangibile conferisce al corso un orientamento non solo teorico. I contenuti del corso contribuiscono a formare le competenze richieste allo studente nell'ambito dell'ingegneria dell'informazione, con applicazione non solo nell'avanzamento negli studi ma anche direttamente nel mondo del lavoro, in tutti quegli ambiti nei quali è richiesta una conoscenza di base di strumentazione elettromedicale (ingegneria clinica, produzione e assistenza su dispositivi elettromedicali, product specialist in ambito elettromedicale).

Conoscenza e capacità di comprensione. Alla fine del corso ci si aspetta che lo studente conosca:
- gli aspetti principali legati alla strumentazione elettromedicale, alle problematiche correlate al suo uso e alla sicurezza del paziente e dell'operatore
- la struttura base di alcuni strumenti elettromedicali per segnali elettrofisiologici
- le modalità operative di base per l'esecuzione di esami con tale strumentazione e le problematiche principali
- alcuni algoritmi per il trattamento del segnale biomedico che deriva dall'adozione della strumentazione presentata nel corso, e sia in grado di scrivere funzioni Matlab per la loro implementazione.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione. Alla fine del corso ci si aspetta che lo studente sia in grado di:
- analizzare le specifiche tecniche di uno strumento elettromedicale
- coadiuvare un clinico nella gestione corretta di una misura con la strumentazione studiata, e nell'analisi dei segnali ottenuti
- scrivere in Matlab semplici algoritmi di trattamento di biosegnali, quali sistemi di filtraggio, di rilevazione di eventi e di delineazione e misura.

Autonomia di giudizio. Alla fine del corso ci si aspetta che lo studente sia in grado individuare autonomamente le problematiche inerenti una specifica acquisizione di segnali elettrofisiologici, proponendo criteri adeguati per il miglioramento della stessa. È inoltre fondamentale che lo studente sappia valutare autonomamente le differenze fra diversi strumenti per il medesimo fine, in modo da proporre l'adozione della soluzione migliore in relazione ad un ben identificato problema di acquisizione.

Abilità comunicative. Alla fine del corso ci si aspetta che lo studente abbia acquisito un'adeguata proprietà di linguaggio in relazione ai contenuti del corso, in modo da essere compresi senza fraintendimenti da un interlocutore con conoscenze tecniche adeguate, e da veicolare i concetti essenziali anche verso un interlocutore non tecnicamente competente.

Capacità di apprendimento. Alla fine del corso ci si aspetta che lo studente abbia il bagaglio di conoscenze e le metodologie necessarie ad approfondire autonomamente nel prosieguo degli studi e nella pratica professionale (ivi inclusi i tirocini formativi) la propria preparazione nell'ambito della strumentazione elettromedicale, essendo in grado di affrontare lo studio della progettazione di dispositivi elettromedicali (dimensionamento dei circuiti, …) alla luce delle nozioni apprese all'interno del corso, di comprendere le modalità di verifica di sicurezza elettrica dei dispositivi elettromedicali di base, di comprendere in che modo è possibile intervenire sulla strumentazione per la sua manutenzione, di saper cogliere i cambiamenti tecnologici nel settore, di saper studiare tecniche avanzate di elaborazione dei segnali.

Prerequisiti

Esistono propedeuticità indicate nel regolamento del corso di laurea: trattandosi di un corso del III anno, è richiesto di aver sostenuto l’esame di fisica II e matematica.

In generale è importante che siano ben presenti le informazioni di base relative all’anatomia e alla fisiologia (aspetti morfo-funzionali delle cellule eccitabili, del sistema nervoso, dell’apparato muscolo-scheletrico e cardio-circolatorio), alla teoria dei segnali (analisi in frequenza, sistemi lineari tempo-invarianti, filtri digitali in Z), all’elettronica analogica (circuiti con operazionali) e a Matlab.

Contenuti

Introduzione alla strumentazione elettromedicale (8 ore)
Cenni storici. Classificazione della strumentazione. Strumentazione analogica e digitale. Schema generale di uno strumento elettromedicale di misura. Strumenti interpretativi e diagnosi assistita dal calcolatore. Misure dirette e indirette, invasive e non invasive, di segnali a tempo continuo o campionati, attive e passive. Il concetto di real-time. Richiami su analisi in frequenza, trasformata Z e filtri digitali. Studio e progettazione di filtri digitali per signal enhancement. Problematiche principali legate all'analisi di segnali biomedici. Il segnale biomedicale in genere e i segnali elettrofisiologici in particolare. Biopotenziali e cellule eccitabili.

L'elettrocardiogramma (ECG) (12 ore)
Richiami di elettrofisiologia del cuore. Collegamento fra attività delle cellule eccitabili, fasi del ciclo cardiaco e segnale. Origine del tracciato ECG, derivazioni. Il sistema a 12 derivazioni. L'elettrocardiografo come strumento di misura: caratteristiche generali. Elettrodi e cavo paziente. Sorgenti di disturbo, sbilanciamento di impedenza e reiezione del modo comune. Circuiti fondamentali dell'elettrocardiografo (protezione da sovratensioni, misura di impedenza e lead-off detector, preamplificazione, ripristino dello zero, pilotaggio della gamba destra). Specifiche generali di un elettrocardiografo. Esempio di elettrocardiografo interpretativo commerciale. Elaborazioni standard in un elettrocardiografo: rimozione di artefatti, event detection e delineazione. Analisi di algoritmi allo stato dell'arte per event detection basati su filtri digitali. Template matching e media sincronizzata. L'ECG dinamico: Holter e prova da sforzo. Sistemi terapeutici basati su ECG: defibrillatori, cardioversori elettrici, pace-maker, CPR monitor.

Misure di altri segnali elettrofisiologici (10 ore)
Elettromiografia (EMG): origine dei biopotenziali e diversa forma del segnale in funzione del tipo di esame. Elettrodi per EMG. Precondizionamento del segnale EMG e principali tecniche di analisi del segnale cumulativo. Elettroneurografia (ENG): fondamenti, tipologia di analisi. Stimolazione elettrica. Elettrodi per ENG. Elettroencefalogramma (EEG): origine dei biopotenziali. Potenziali evocati (EP). Elettrodi per EEG e montaggi standard. Elettroencefalografo: parti e caratteristiche fondamentali. Misura di impedenza e selezione degli ingressi. Filtri applicabili. Tecniche di analisi dei segnali. Brain-Computer Interface. Monitor multiparametrici. Misura della frequenza respiratoria. Misura della saturazione di ossigeno nel sangue. Fotopletismografia a infrarossi. Misura della pressione arteriosa, invasiva e non invasiva. Misura della temperatura corporea nei monitor multiparametrici.

Sicurezza elettrica (3 ore)
Classificazione dei dispositivi medicali secondo la normativa vigente e problemi legati alla sicurezza elettrica. Microshock e macroshock. Parti applicate e dispositivi tipo CF, BF, B. Alcune metodiche e componenti per l'isolamento elettrico del paziente a livello di strumentazione e di impianti di sala. Test di sicurezza.

Esercitazioni al calcolatore in Matlab sull'elaborazione di biosegnali derivanti dalla strumentazione analizzata e pratica con strumenti reali. (15 ore)
Progettazione, analisi e applicazione di filtri digitali e algoritmi di event detection, template matching, denoising. Realizzazione di semplici strumenti virtuali di analisi del segnale in Matlab. Esperienze con strumentazione clinica.

Seminari: 2 ore.

Metodi Didattici

Il corso si basa su un approccio didattico tradizionale (lezioni frontali) al quale si unisce una significativa parte di laboratorio con Matlab e strumentazione reale. L’obiettivo è quello di cercare di collegare in modo chiaro la strumentazione da un punto di vista progettuale/circuitale con i segnali ad essa correlati (quindi sia da un punto di vista fisiologico, sia dal punto di vista del loro potenziale sfruttamento e quindi delle tecniche di analisi e trattamento del segnale). In laboratorio è possibile approcciare problemi pratici di acquisizione e analisi dei segnali elettrofisiologici, sia tramite sviluppo di codici in linguaggio Matlab che tramite esperienza diretta con alcune apparecchiature per uso clinico. Almeno un seminario erogato da un bioingegnere che opera nel settore della strumentazione elettromedicale è in genere previsto durante il corso.

La ripartizione approssimativa delle ore fra le varie attività è:
Lezioni frontali: 33 ore
Seminari: 2 ore
Laboratorio informatico ed esercitazioni pratiche: 15 ore

Verifica dell'apprendimento

Il corso prevede una prova al calcolatore propedeutica alla prova orale (da sostenersi a valle della correzione della prima, in un giorno differente). L’esito della prova al calcolatore, in trentesimi, è un punto di partenza per la valutazione della prova orale, ma il voto dell’esame è il risultato di una valutazione complessiva del docente, non di un calcolo matematico. Durante la prova orale, lo studente deve anche essere in grado di presentare e discutere la propria soluzione alle esercitazioni di laboratorio assegnate durante il corso.

La prova al calcolatore è volta a verificare l’effettiva capacità dello studente di applicare quanto imparato nel corso alla risoluzione di un problema per lui completamente nuovo, mediante il software Matlab. Allo studente è richiesto lo sviluppo di un algoritmo di elaborazione e analisi del segnale, che include in parte le metodiche studiate nel corso ma richiede anche la capacità di sviluppare soluzioni proprie volte alla risoluzione di una parte del problema per la quale non esistono soluzioni “standard”. Il testo del problema è volutamente espresso non in termini di esercizio ma di progetto, e consta di diversi sotto-problemi, in modo che lo studente possa raggiungere la sufficienza anche se non è in grado di risolvere il problema principale nel suo complesso. Un tale approccio rende possibile l’accertamento delle competenze e della capacità di applicarle a semplici problemi reali. La prova dura 3 ore.

Nella prova orale vengono valutati gli aspetti teorici legati alla strumentazione studiata, alle tecniche di elaborazione del segnale ed alle modalità di acquisizione dello stesso, e relative problematiche. In tal modo è possibile valutare, oltre alle competenze e alla capacità di applicarle, anche l’abilità comunicativa e l’autonomia di giudizio.

Il numero di appelli è definito in accordo con il regolamento di Facoltà. Appelli extra per fuori corso possono essere, per motivate ragioni, richiesti al docente.

Testi

Dispense del corso, fornite gratuitamente agli studenti tramite il sito del corso. Per approfondimenti è possibile consultare i seguenti testi:

John G. Webster "Strumentazione biomedica. Progetto ed applicazioni", EdiSES, Edizione: I / 2010, ISBN: 9788879596640

Guido Avanzolini "Strumentazione biomedica. Progetto e impiego dei sistemi di misura", Pàtron, 2015, ISBN: 9788855532952

R. M. Rangayyan "Biomedical Signal Analysis ", Wiley Interscience, ISBN: 0-471-20811-6

Altre Informazioni

Il docente fornisce gratuitamente (attraverso il sito internet del corso) ai soli studenti iscritti regolarmente al corso di laurea il materiale didattico (dispense) sul quale si basano le diapositive proiettate in aula a lezione. In funzione dello stretto legame fra diapositive e dispense, le prime non vengono fornite agli studenti. Le dispense vengono inserite on-line subito dopo ogni lezione frontale, in modo da consentire agli studenti di affrontare l'argomento per la prima volta in modo interattivo con il docente, senza avere una guida alla quale appigliarsi ma approcciandosi interattivamente alla lezione ed essendo propositivi e proattivi. Il materiale utile per le esercitazioni di laboratorio viene fornito contestualmente.

Tutto il materiale è in formato pdf (a parte il materiale per il laboratorio, ovviamente), sempre protetto da password e non editabile, in funzione delle normative sul diritto d’autore. La password è fornita agli studenti nelle prime lezioni.

Il software Matlab è stato acquistato dall'Ateneo ed è disponibile gratuitamente per gli studenti. Indicazioni per l'ottenimento della propria copia in licenza sono disponibili fra gli avvisi presenti sulla pagina del corso.

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