BIOMEDICAL SYSTEMS AND CONTROL

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 sarà in grado di impostare lo studio per determinare la rappresentazione matematica di un sistema fisiologico e biologico, di analizzare un segnale bio-elettrico, e conoscerà le fasi di progettazione di una strumetazione biomedicale.

Il corso include lezioni frontali per l’acquisizione delle conoscenze richieste e lo svolgimento di prove di laboratorio che mirano alla loro applicazione.

Le Propedeuticita Culturali richieste per la comprensione dei contenuti trattati durante il corso sono:

• 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.

Non sono richieste Propedeuticita Formali.

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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

No preparatory requests for passing other courses are required.

La frequenza non e’ obbligatoria, seppure fortemente consigliata per poter eseguire la prova di laboratorio adeguatamente.

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CLASS ATTENDANCY

Attendance is not mandatory, although strongly recommended to carry out adequately the laboratory project.

1. Concetti base sui sistemi biomedici

Strumentazione biomedica - Modalità operative, Vincoli nella misurazione di grandezze fisiologiche - Classificazione della strumentazione- Valutazione delle performance della strumentazione - Criteri di progettazione – Processo di progettazione della strumentazione biomedica e sistemi di regolamentazione – Esempi di sistemi di controllo fisiologici - Esempi di strumentazione biomedicali - 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), sitema elettro-mecchanico per funzionamento cardiaco, elettro-cardiogramma (ECG), aritmie, tecnologie per il cuore artificiale.

- Sistema Nervoso Centrale: attività elettromagnetica nella corteccia, registrazione attività elettrica dell’encefalo (EEG ed MEG), ritmi encefalici, potenziali evocati, interfacce brain-computer.

3. Metodi per l’Analisi di segnali biomedicali

Casi di studio (ECG, EEG, MEG, fMRI), 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.

- Immagine Ecografia (US): produzione degli ultrasuoni e variabili caratteristiche, meccanismi per la propagazione, meccanismi per la dispersione dell’energia, strumentazione singolo cristallo ed array, formazione del fronte di propagazione, compensazione Time-Gain, modalità diagnostiche di scansione, applicazione cliniche e sicurezza.

Testi di riferimento per il corso

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

T2) Michael C. K. Khoo, Physiological Control System: Analysis, Simulation and Estimation, IEEE press Series on Biomedical Eng., Wiley-Interscience

T3) M. Bear, B. Connors, M. Paradiso, Neuroscience: Exploring the Brain, Wolters-Kluwer

T4) J. L. Semmlow, B. Griffel, Bio-signal and Medical Image Processing, CRC Press

T5) Andrew Webb, Introduction of Biomedical Imaging, IEEE press Series on Biomedical Eng., Wiley-Interscience

Testi consigliati per gli approfondimenti

T6) Saeid Sanei, Jonathon Chambers, EEG Signal Processing, Wiley

T7) S. A. Glantz, Primer of Biostatistic, McGraw-Hill

Il materiale didattico e’ reperibile tramite la piattaforma Studium ed sul sito personale del docente (http://www.dees.unict.it/mbucolo/)

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The course materials is available through the platform Studium and the professor’s personal website (http://www.dees.unict.it/mbucolo/)

La prova d'esame è composta da una prova di laboratorio e una prova orale.

La prova di laboratorio cosiste in un caso di studio basato sull’analisi di dati biomedicali. La presentazione di tale elaborato, entro la fine del corso, permette di poter accedere alla prova orale. La valutazione finale verra determinata dala valutazione di entrambe le prove.

Per gli studenti frequentanti e’ prevista una prova in itinere che si svogera a fine corso. La prova, di durata massima due ore, cosiste in un questionario con domande (a risposta multipla ed/o aperta) di verifica sui contenuti trattati durante il corso. Qualora si superi tale prova, rispondendo correttamente ad almeno il 50% delle domande, l’esame orale non e' obbligatorio ma a discrezione dello studente. La valutazione finale verra determinata mediando la valutazione del questionario con la valutazione della prova di laboratorio.

La valutazione in sede di colloquio orale si basera:

sulla conoscenza dei contenuti, la pertinenza dell risposte rispetto alle domande formulate, la proprieta di linguaggio tecnico, la capacita di fare collegamenti tra i contenuti del programma.

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METHODS FOR THE EVALUATION OF THE LEARNED KNOWLEDGE

The exam consists of a course project and an oral exam.

The course project is individual and consists of a case study based on the analysis of biomedical data. The delivery of this project by the end of the course allows access to the oral examination. The final evaluation will be determined by the evaluation of both those.

For attending students there will be possible to do a midterm test shortly after the end of the course. The test lasting a maximum of two hours consists of questions (multiple choice and / or open) to check the knowledge acquired on of the contents covered during the course. If this test is passed, answering correctly to at least 50% of the questions, the oral exam is not compulsory but at the discretion of the student. The final evaluation will be determined by averaging the evaluation of the questionnaire with the evaluation of the course project.

Evaluation at the oral interview will be based on: the knowledge of the contents, the relevance of the answers with respect to the questions formulated, the property of technical language, the ability to make connections between the contents of the program.

Il materiale e’ reperibile tramite la piattaforma Studium ed il sito personale del docente (http://www.dees.unict.it/mbucolo/)