GRUPPO DI BIOINGEGNERIA 1 RICERCHE PRESENTATE 1 Modelli

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GRUPPO DI BIOINGEGNERIA 1

GRUPPO DI BIOINGEGNERIA 1

RICERCHE PRESENTATE 1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci 2. Metodi di

RICERCHE PRESENTATE 1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci 2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche 3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia 4. Riabilitazione e funzione motoria 2 5. Information & Communication Technology nella

BIOMEDICAL ENGINEERING Biomedical engineering is a discipline that advances knowledge in engineering, biology and

BIOMEDICAL ENGINEERING Biomedical engineering is a discipline that advances knowledge in engineering, biology and medicine, and improves human health through crossdisciplinary activities that integrate the engineering sciences with the biomedical sciences and clinical practice. Dal 1975, oltre 575 milioni di dollari per promuovere didattica e ricerca in Bioingegneria. http: //www. whitaker. org 3

DIDATTICA NUMERO DEI PROGRAMMI DI I°, III° LIVELLO IN BIOINGEGN ITALIA STATI UNITI 90

DIDATTICA NUMERO DEI PROGRAMMI DI I°, III° LIVELLO IN BIOINGEGN ITALIA STATI UNITI 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 12 10 8 Anno 1994 6 Anno 2002 4 Anno 1994 Anno 2002 2 0 BS MS Ph. D DU o LAUREA DOTTORATO IN BIOING. TRIENNALE QUINQ. FONTE: http: //www. whitaker. org/glance/programs. html 4

RICERCHE PRESENTATE 1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci 2. Metodi di

RICERCHE PRESENTATE 1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci 2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche 3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia 4. Riabilitazione e funzione motoria 5

1. MODELLI PER LO STUDIO DELLA CINETICA DI FARMACI 6

1. MODELLI PER LO STUDIO DELLA CINETICA DI FARMACI 6

BLEMA: SISTEMI COMPLESSI E SITI INACCESSIBILI IN VIVO . . . SISTEMA FISIOLOGICO Assorbimento,

BLEMA: SISTEMI COMPLESSI E SITI INACCESSIBILI IN VIVO . . . SISTEMA FISIOLOGICO Assorbimento, trasporto, utilizzazione del farmaco. Masse negli organi e nei tessuti MISURE ? POOL ACCESSIBILE • Modelli black-box • Modelli strutturali 7

Deconvoluzione Enti finanziatori: MIUR-COFIN 2000 STIMA DI FLUSSI Assorbimento ? INGRESSO Concentrazione nel plasma

Deconvoluzione Enti finanziatori: MIUR-COFIN 2000 STIMA DI FLUSSI Assorbimento ? INGRESSO Concentrazione nel plasma SISTEMA USCITA DIFFICILE IN GENERALE: mal-condizionamento IN PIU’: campionamento rado/non uniforme, segnali non stazionari, intervalli di confidenza importanti, vincoli fisiologici, risposta impulsiva solo parzialmente nota, . . . 8

DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE WINSTODEC nti finanziatori: Glaxo. Smith. Kline (Middlesex, UK) 9

DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE WINSTODEC nti finanziatori: Glaxo. Smith. Kline (Middlesex, UK) 9

MODELLO MATEMATICO + + SISTEMA FISIOLOGICO A . . . Assorbimento, trasporto, utilizzazione del

MODELLO MATEMATICO + + SISTEMA FISIOLOGICO A . . . Assorbimento, trasporto, utilizzazione del farmaco. D Masse negli organi e nei tessuti MISURE C ? dx/dt = f(x, t, p) + u(t) y(t) = g(t, x, p) + v(t) B POOL ACCESSIBILE Identificabilità a Priori Complesse relazioni non lineari fra i parametri COMPUTER ALGEBRA e ALGEBR DIFFERENZIALE Stima parametrica Campioni radi/rumorosi, intervalli di confidenza importanti per classificazione, vincoli sui INFORMAZIONE A PRIORI E STIMA ALLA BAYES (MCMC) 10

Approccio “di Popolazione” a deconvoluzione e stima parametrica SITUAZIONE DATA POOR: nel singolo soggetto

Approccio “di Popolazione” a deconvoluzione e stima parametrica SITUAZIONE DATA POOR: nel singolo soggetto basso SNR e/o pochissimi campioni per cui non si riescono a stimare i parametri o i flussi incogniti individuali (esempio: trial clinici di farmaci) APPROCCIO DI POPOLAZIONE: STUDIO N SOGGETTI (SUPPOSTI OMOGENEI) ASSIEME ESEMPIO: MODELLISTICA A LIVELLO DI PIXEL DA IMMAGINI PET 11

Studio del sistema recettoriale nel cervello da immagini PET Enti finanziatori: MURST COFIN-2000, Glaxo.

Studio del sistema recettoriale nel cervello da immagini PET Enti finanziatori: MURST COFIN-2000, Glaxo. Smith. Kline (Verona) CAPIRE L’INTERAZIONE FARMACO-RECETTORE CONCENTRAZIONE DEL FARMACO (un antidepressivo) IN UNA SEZIONE DEL CERVELLO MODELLI A REGIONE DI RIFERIMENTO IMMAGINE DEL POTENZIALE DI LEGAME DEL FARMACO consente di valutare l’efficacia del farmaco (ad esempio in base al numero 12 di recettori occupati)

RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci 2. Metodi di elaborazione

RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci 2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche 3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia 4. Riabilitazione e funzione motoria 13 5. Information & Communication Technology

2. METODI DI ELABORAZIONE ED ANALISI DI DATI, SEGNALI E IMMAGINI BIOMEDICHE E APPLICAZIONI

2. METODI DI ELABORAZIONE ED ANALISI DI DATI, SEGNALI E IMMAGINI BIOMEDICHE E APPLICAZIONI DIAGNOSTICHE 14

Analisi del segnale elettroencefalografico inanziatori: Micromed SRL (Mogliano Veneto, TV), Regione Veneto SCOPO: ANALIZZARE

Analisi del segnale elettroencefalografico inanziatori: Micromed SRL (Mogliano Veneto, TV), Regione Veneto SCOPO: ANALIZZARE LA SINCRONIZZAZIONE DELLE ATTIVITA’ DELLE DIVERSE AREE DEL CERVELLO DURANTE TASK COGNITIVI (es. esecuzione di un compito allo stimolo) CROSS APPROXIMATE ENTR COERENZA TECNICHE TEMPO-FREQUEN 15

DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE PER ANALISI DI COERENZA DI TRACCIATI EEG nte finanziatore: Regione Veneto Autospettro

DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE PER ANALISI DI COERENZA DI TRACCIATI EEG nte finanziatore: Regione Veneto Autospettro 1 Funzione Coerenza Autospettro 2 16

DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE PER ANALISI TEMPO FREQUENZA DI POTENZIALI EVOCATI e finanziatore: Micromed SRL (Mogliano,

DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE PER ANALISI TEMPO FREQUENZA DI POTENZIALI EVOCATI e finanziatore: Micromed SRL (Mogliano, TV) 17

Potenziali evocati uditivi Enti finanziatori: MIUR COFIN-2002 USO IN AUDIOMETRIA FREQUENZIALE CLINICA DEI POTENZIALI

Potenziali evocati uditivi Enti finanziatori: MIUR COFIN-2002 USO IN AUDIOMETRIA FREQUENZIALE CLINICA DEI POTENZIALI EVOCATI DA TONI MODULATI Assieme all’EEG di fondo c’e’ anche attività evocata dallo stimolo ? SISTEMA ANALISI DI SPETTRO 18

STUDIO DEI MECCANISMI NEUROFISIOLOGICI DI GENERAZIONE DEI POTENZIALI EVOCATI DI STATO STAZIONARIO treno di

STUDIO DEI MECCANISMI NEUROFISIOLOGICI DI GENERAZIONE DEI POTENZIALI EVOCATI DI STATO STAZIONARIO treno di click ? Tempo-Variante METODI ITERATIVI BASATI SULL DECONVOLUZIONE potenziale evocato di stato stazionario misurato QUANTIFICAZIONE DELL’ ADATTAMENTO SSR a 40 Hz, 15 risposte impulsive 19

Gene Network da dati di microarray di DNA CAPIRE QUALI GENI SI ESPRIMONO IN

Gene Network da dati di microarray di DNA CAPIRE QUALI GENI SI ESPRIMONO IN PRESENZA DI INSULINA E COME INTERAGISCONO TRA LORO . . . 0 Studio in vitro di cellule muscolari (incubate in insulina), con un campionamento ogni 10 minuti . . . Analisi delle sequenze temporali del livello di espressione dei vari geni 20 10 GENE NETWORK livello espressione . . . nestin GRa 4 GAD 65 0 20 40 20 60 min 80

Cluser analysis dei dati di microarray di DNA (software public-domain Genesis, Università di Graz)

Cluser analysis dei dati di microarray di DNA (software public-domain Genesis, Università di Graz) 21

Imaging PET della cinetica del glucosio nel muscolo Enti finanziatori: National Institutes of Health

Imaging PET della cinetica del glucosio nel muscolo Enti finanziatori: National Institutes of Health QUANTIFICAZIONE DEL TRASPORTO E METABOLISMO DEL GLUCOSIO A LIVELLO DI Esempio: GAMBA PIXEL . . . METODOLOGI E MODELLISTIC HE SEQUENZA DI IMMAGINI della CONCENTRAZIONE DI FDG VEL. CONSUMO DI GLUCOSIO 22

dalla PET alla MRI VANTAGGI • Etici: assenza di radiazionizzanti • Economici: costa meno

dalla PET alla MRI VANTAGGI • Etici: assenza di radiazionizzanti • Economici: costa meno (apparati, personale, … 23

Imaging MRI dell’emodinamica cerebrale IMMAGINE DI RISONANZ A LIVELLO DI PIXEL DECONVOLUZIONE STIMA DI

Imaging MRI dell’emodinamica cerebrale IMMAGINE DI RISONANZ A LIVELLO DI PIXEL DECONVOLUZIONE STIMA DI FLUSSO E VOLUME EMATICO NEL CERVELLO Si usa un agente di contrasto esogeno paramagnetico (gadolinio, che fa per noi da “spia” dell’emodinamica) Mappa del Flusso Ematico Mappa del Volume Ematico (es. uso nella diagnosi 24 della stenosi carotidea)

Esempio: STUDIO DELL’EMODINAMICA CEREBRALE MRI CON TRACCIANTE ESOGENO (GADOLINIO) paziente con stenosi carotidea destra

Esempio: STUDIO DELL’EMODINAMICA CEREBRALE MRI CON TRACCIANTE ESOGENO (GADOLINIO) paziente con stenosi carotidea destra MODELLO Flusso ematico Volume ematico 25

RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci Metodi di elaborazione ed

RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche 3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia 4. Riabilitazione e funzione motoria 26 5. Information & Communication Technology

3. ELABORAZIONE E ANALISI DI IMMAGINI PER DIAGNOSTICA IN OFTALMOLOGIA 27

3. ELABORAZIONE E ANALISI DI IMMAGINI PER DIAGNOSTICA IN OFTALMOLOGIA 27

Analisi di immagini corneali Ente finanziatore: Nidek Technologies ESEMPIO: IDENTIFICAZIONE DEI CONTORNI CELLULARI NELL’ENDOTELIO

Analisi di immagini corneali Ente finanziatore: Nidek Technologies ESEMPIO: IDENTIFICAZIONE DEI CONTORNI CELLULARI NELL’ENDOTELIO CORNEALE IN VIVO (OTTICA TRAPIANTO) RETI NEURALI SPAZIO-INVARIANTI + CORREZIONE DA ANALISI STATISTICA INFORMAZIONE A PRIORI SULLA FORMA + BAYESIAN MODELING (MCMC) 28

Analisi di immagini retiniche Ente finanziatore: Nidek Technologies SOGGETTI AFFETTI DA SOSPETTE RETINOPATIE (ipertensione,

Analisi di immagini retiniche Ente finanziatore: Nidek Technologies SOGGETTI AFFETTI DA SOSPETTE RETINOPATIE (ipertensione, diabete) Lesioni • vascolari • non vascolari Analisi dell’immagine. Tre fasi: 1. Riconoscimento 2. Classificazione 3. Misura della gravità 29 FOTOGRAFIA DELLA RETINA OTTENUTA CON FUNDUS CAM

Lesioni vascolari: • identificazione • misura 3 PASSI VESSEL TRACKING PROFILE TRACKING SPLINE SMOOTHING

Lesioni vascolari: • identificazione • misura 3 PASSI VESSEL TRACKING PROFILE TRACKING SPLINE SMOOTHING 30

RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci Metodi di elaborazione ed

RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia 4. Riabilitazione e funzione motoria 31 5. Information & Communication Technology

4. RIABILITAZIONE E FUNZIONE MOTORIA 32

4. RIABILITAZIONE E FUNZIONE MOTORIA 32

Bioingegneria del Movimento STUDIO ED APPLICAZIONE DI TECNICHE PER LA MOBILITY ASSESSMENT GAIT analysis

Bioingegneria del Movimento STUDIO ED APPLICAZIONE DI TECNICHE PER LA MOBILITY ASSESSMENT GAIT analysis con diversi protocolli 33

DIMOSTRAZIONE: GAIT ANALYSIS CON TECNICA STEREOFOTOGRAMMETRICA Ricostruzione della cinematica articolare attraverso il tracking di

DIMOSTRAZIONE: GAIT ANALYSIS CON TECNICA STEREOFOTOGRAMMETRICA Ricostruzione della cinematica articolare attraverso il tracking di marker incollati sulla pelle del soggetto. 34

SVILUPPO DI UN ALGORITMO AUTOMATICO DI CORREZIONE DEGLI ARTEFATTI DI PELLE IN STEREOFOTOGRAMMETRIA PER

SVILUPPO DI UN ALGORITMO AUTOMATICO DI CORREZIONE DEGLI ARTEFATTI DI PELLE IN STEREOFOTOGRAMMETRIA PER L’IDENTIFICAZIONE DEI PARAMETRI CINEMATICI DEGLI ARTI INFERIORI. Visualizzazione dei vettori artefatto di pelle per la coscia. Implementazione dell’algoritmo di correzione per ridurre l’artefatto di pelle in stereofotogrammetria. In evidenza l’aderenza del modello (blu) alla cinematica del segmento osseo (nero). 35

MODELLI 3 D FEM DEL MOVIMENTO DEI TESSUTI MOLLI NEGLI ARTI INFERIORI Simulazione FEM

MODELLI 3 D FEM DEL MOVIMENTO DEI TESSUTI MOLLI NEGLI ARTI INFERIORI Simulazione FEM del movimento di flessoestensione dell’anca per diversi soggetti/geometrie della gamba. STUDIO MODELLI DI CONTROLLO MOTORIO 36

RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci Metodi di elaborazione ed

RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia Riabilitazione e funzione motoria 5. Information & Communication 37

5. INFORMATION & COMMUNICATION TECHNOLOGY NELLA SANITÀ 38

5. INFORMATION & COMMUNICATION TECHNOLOGY NELLA SANITÀ 38

Gestione telematica di pazienti diabetici Enti finanziatori : Unione Europea (Vth Framework) CONTROLLO METABOLICO

Gestione telematica di pazienti diabetici Enti finanziatori : Unione Europea (Vth Framework) CONTROLLO METABOLICO NEL DIABETE MELLITO: CRUCIALE PER LIMITARE LE COMPLICANZE Tecnologie dell’informazione + Metodi di analisi serie temporali = SERVIZIO DI TELEMEDICINA Scopo Migliorare: • l’efficacia della terapia • qualità dell’assistenza a pazienti diab 39 • costo della gestione dei pazienti

Progettazione di sistemi informativi sanitari Enti finanziatori : Provincia Autonoma di Bolzano MEDviewer MEDfolder

Progettazione di sistemi informativi sanitari Enti finanziatori : Provincia Autonoma di Bolzano MEDviewer MEDfolder MEDdatalink gestione anagrafica, acquisizione dati, tracciati, immagini da registrazione eventi, apparecchiature prestazioni, elettromedicali, parametri vitali, esami di strumenti per la misura, filtri digitali, laboratorio, … overlay vettoriali. 40

Sviluppo cartella clinica anestesiologica Enti finanziatori : Provincia Autonoma di Bolzano MEDintra dati acquisiti

Sviluppo cartella clinica anestesiologica Enti finanziatori : Provincia Autonoma di Bolzano MEDintra dati acquisiti da differenti apparecchiature (monitor, respiratori, pompe di infusione) Sistema per la gestione di dati clinici relativi all‘ attività anestesiologica, nelle sue tre fasi principali: Ø Fase preoperatoria Ø Fase intraoperatoria Ø Fase postoperatoria Progettazione di un sistema di riconoscimento automatico degli artefatti in sala operatoria 41