INGEGNERIA ELETTRICA ELETTRONICA E INFORMATICAAutomation Engineering and Control of Complex Systems (Ingegneria dell'automazione e del controllo dei sistemi complessi)Anno accademico 2022/2023

1007881 - BIOMEDICAL SYSTEMS AND CONTROL A - Z

Docente: MAIDE ANGELA RITA BUCOLO

Risultati di apprendimento attesi

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.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Il corso include lezioni frontali per l’acquisizione delle conoscenze richieste e lo svolgimento di prove di laboratorio che mirano alla loro applicazione. Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Se necessario, il docente sara' disponibile anche ad incontri di ricevimento in modalità telematica, previo appuntamento.

Prerequisiti richiesti

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

Non sono richieste Propedeuticita Formali.

Frequenza lezioni

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

Contenuti del corso

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.

Testi di riferimento

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

Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Basic concepts of biomedical systems (9 h)T1 (ch. 1) - T2
2Bioelectrical models and signals (20 h)T3 (Part I-II) - T6
3Methodologies in biomedical signals analysis (21 h)T4 (chs. 1-6), T6,T7

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

La prova d'esame è composta da una prova di laboratorio e una prova orale.  La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

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.

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

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


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