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BIOMEDICAL SYSTEMS AND CONTROL

Anno accademico 2016/2017 - 1° anno
Docente: Maide Angela Rita BUCOLO
Crediti: 9
SSD: ING-INF/04 - Automatica
Organizzazione didattica: 225 ore d'impegno totale, 146 di studio individuale, 49 di lezione frontale, 30 di esercitazione
Semestre:
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Obiettivi formativi

Il corso mira a guidare gli studenti nell’acquisizione dei concetti base nello studio dei sistemi biomedici e nella progettazione della strumentazione biomedicale, sfruttando le metodologie acquisite in teoria dei sistemi e controlli automatici. In questo contesto verranno anche introdotti metodi matematici per l’analisi di segnali bio-segnali. Alla fine del corso lo studente sara ingrado di impostare lo studio per una rappresentazione matematica dei sistemi biologici, di analizzare un segnale bio-elettrico, e conoscera le fasi per la progettazzione di una strumetazione biomedicale.


Prerequisiti richiesti

Le conoscenze di base si riferiscono a:

-> Livelli avanzati di conoscenza in matematica e fisica,

-> Livello intermedio di conoscenza in Teoria dei Sistemi Lineri e Controlli Automatici

-> Livello intermedio di conoscenza in linguaggi di programmazione.

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BASIC KNOWLEDGE REGARDS

-> Advanced level on physics and math

-> Intermediate level on Linear systems theory and control

-> Intermediate level on programming languages


Frequenza lezioni

La frequenza non è richiesta, seppure fortemente consigliata, per sostenere la prova di esame.


Contenuti del corso

1. Concetti base sui sistemi biomedici- Strumentazione biomedica - Modalità operative e vincoli nella misurazione di grandezze fisiologiche - Classificazione della strumentazione - Valutazione delle performance della strumentazione - Caratteristiche statiche e caratteristiche dinamiche - Criteri di progettazione – Processo di progettazione della strumentazione biomedica e sistemi di regolamentazione. Esempi di sistemi biomedicali ed organi artificiali.

2. Modelli e segnali bioelettrici di sistemi fisiologici - Strutture e Funzioni del Sistema Nervoso: i neuroni, il potenziale di azione, le sinapsi, i modelli elettrici dei neuroni, correnti e potenziali extra cellulari, sistemi per la registrazione della attività dei neuroni, potenziale di azione muscolare. - Sistema Nervoso Periferico e Muscolo-Scheletrico: elettro-neurogramma (ENG), elettromiografia (EMG). - Sistema Visivo: elettro-retinogramma (ERG), elettro-oculogramma (EOG). Sistema Cardiaco e Circolatorio: parametri sistemici (pressione cardiaca, velocità e flusso, cardiac output), sistema elettro-mecchanico per funzionamento cardiaco, elettro-cardiogramma (ECG), aritmie, tecnologie per il cuore artificiale. - Sistema Nervorso Centrale: attività elettromagnetica nella corteccia, registrazione attività elettrica dell’encefalo (EEG ed MEG), ritmi encefalici, potenziali evocati, interfacce brain-computer.

3. Analisi di segnali biomedicali - Casi di studio (ECG, EEG, MEG), Metodi di pre-processamento (statistica, filtri in frequenza ed di saturazione), Metodi di processamento (analisi lineari nel dominio del tempo e della frequenza, analisi non-lineare, analisi multivariata e analisi della connettività). Introduzione alla Biostatistica.

4. Sistemi e tecnologie per la diagnostica per immagini - Immagine radiologica (RX): produzione di RX, Iterazione RX e tessuti, strumentazione per RX planare, agenti di contrasto, applicazioni cliniche (angiografia, dual-energy, fluorscopia, mammografia). -Tomografia Computerizzata (TC): strumentazione, trattamento dell’immagine (backprojection ed analisi iterativa), TC a spirale, TC a spirale multi-sezione, sicurezza e dosi di radiazioni.

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1. Basic concepts of biomedical systems -Generalized medical instrumentation system - Alternative operational mode - Medical measurement constraints - Classifications of biomedical instruments - Interfering and modifying input - Compensation techniques - Generalized static-dynamic characteristics - Design criteria - Commercial medical instrumentation development process - Regulation of medical device - Biomedical system examples and artificial organs.

2. Bioelectrical model and signals

- Structures and Functions of the Nervous System*: the neurons, the action potential, the neuron communication and the synaptic integration, the neuron electrical models and the axon transmission model, the volume conductor field, system to record neuron activity, the muscle action potential.

- Peripheral Nervous System and Skeleton-Muscle System*: electro-neurogram (ENG), electro-myography (EMG).

- Vision System: electro-rethinogram (ERG), electro-oculogram (EOG).

- Circulatory and Cardiac Systems*: circulatory system and systemic parameters (blood pressure, blood velocity, cardiac output), heart electro/mechanical physiology, electro-cardiogram (ECG), arrhythmia and artificial heart.

- Central Nervous System*: the electromagnetic activity in the neocortex, brain recording and measurement (EEG/MEG), brain rhythms, abnormal patterns (aging and brain disorder), Evoked potential, Brain Computer-Interface.

3. Biomedical signal analysis - Case studies (ECG, EEG, MEG), Pre-processing methods (statistics, frequency filtering and saturation), Processing methods (linear analysis in time and frequency domain, nonlinear analysis, multivariate analysis, non-stationarity, and connectivity). Basic on biostatistics.

4. Systems and technologies in biomedical imaging

-X-Ray Imaging: x-ray production, interaction of X-ray with tissue, linear and mass attenuation coefficient, instrumentation for planar X-ray imaging, instrumentation for computed and digital radiography, image characteristics, contrast agents, X-ray, imaging methods (angiography, dual-energy, fluoroscopy), clinical applications (mammography, abdominal scans).

- Computed Tomography (CT): scanner instrumentation, detector for CT, image processing (pre-processing data correction, Radom transform and back-projection techniques, fan-beam reconstruction, iterative algorithm), spiral/helical CT , multi-slice spiral CT, radiation dose, clinical applications (cerebral scans, pulmonary disease, abdominal imaging).


Testi di riferimento

T1) Webster J.G., Medical Instrumentation: Application and Design, Wiley

T2) Saeid Sanei, Jonathon Chambers, EEG Signal Processing, Wiley

T3) Stanton A. Glantz, Primer of Biostatistic, McGraw-Hill

T4) Andrew Webb, Introduction of Biomedical Imaging, IEEE press Series on Biomedical Eng., Wiley-Interscience

T5) Michael C. K. Khoo, Physiological Control System: Analysis, Simulation and Estimation, IEEE press Series on Biomedical Eng., Wiley-Interscience



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Basic concepts of biomedical systems (9 h)T1 (ch. 1) - T5 
2Bioelectrical model and signals (20 h)T1(ch. 4) - T2 (ch. 1) 
3Biomedical signal analysis (30 h)T2 (chs. 2, 3, 7) - T3 (chs. 1- 6) 
4Systems and technologies in biomedical imaging ( 20 h)T4 (chs.1,3) 

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

La prova d'esame è composta da due prove in intinere ed una eventuale prova orale.


Esempi di domande e/o esercizi frequenti

Esempi e modelli sono disponibili sul sito del docente (http://www.dees.unict.it/mbucolo)