Progetto Prospero Politecnico di Milano Polo Regionale di

Progetto Prospero Politecnico di Milano - Polo Regionale di Lecco Anno accademico 2011 -2012 IL POLITECNICO DI MILANO Docenti: G. Andreoni & P. Perego Politecnico di Milano

POLIMI NETWORK › 7 campuses › 42. 000 students COMO Design/Eng. LEONARDO Arch. /Eng. LECCO Eng. CREMONA Eng. MANTOVA Arch. MI BOVISA Design/Arch. /Eng. PIACENZA Arch. /Eng. Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

THE POLIMI | the 9 schools - SCHOOL OF DESIGN - 1 st - Interior Design ∙ Industrial Design - SCHOOLS OF ARCHITECTURE - 1 st Environmental Architecture ∙ Urban Planning - 2 nd Architecture ∙ Construction ∙ Architecture - SCHOOLS OF ENGINEERING - 1 st Environmental and Land Planning ∙ Civil - 2 nd Management ∙ Biomedical ∙ Physics ∙ Math - 3 rd Chemical ∙ Electrical ∙ Materials ∙ Nuclear - 4 th Aeronautical ∙ Energy ∙ Mechanical ∙ Transportation - 5 th Automation ∙ Electronic ∙ Computer Science ∙ Telecom. - 6 th Building Communication ∙ Fashion Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

THE POLIMI | the 16 departments -› aerospace engineering -› architectural projects -› architecture and planning (diap) -› bioengineering -› chemistry materials and chemical engineering -› electronics and information -› energy -› building and environment sciences and technology -› environmental, hydraulic, infrastructures and surveying -› INDACO - INDUSTRIAL DESIGN, ARTS, COMMUNICATION AND FASHION -› management, economics and industrial engineering -› mathematics “francesco brioschi” -› mechanics -› physics -› structural engineering Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

5 Introduction Healthcare 2020… from -Cure to -Care -Quality of life -treatment. . . a new complex and multifactorial process in which technological factors, organizational, and human dimensions must find a balanced mix for a full success. Giuseppe Cesare Andreoni Alippi -security -treatment -security

6 Introduction • Politecnico di Milano promotes the integration of skills and collaboration with medical and social disciplines to develop innovative technologies, methodologies and services for a human-centered healthcare. -Human -Design -Technolog y • Specific topics that were developed in the Lecco experience were rehabilitation and Assistive Technologies thanks to the presence in our territory of extraordinary excellences among the clinical and industrial partners. Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

7 Introduzione • Oggi parliamo di … -Human -Design -Technolog y Bioingegneria o Ingegneria Biomedica Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Progetto Prospero Politecnico di Milano - Polo Regionale di Lecco Anno accademico 2011 -2012 LA BIOINGEGNERIA Docenti: G. Andreoni & P. Perego Politecnico di Milano

Definizione di Bioingegneria 9 La Bioingegneria (o Ingegneria Biomedica) è una disciplina che utilizza metodologie e tecnologie proprie dell’ingegneria elettronica, informatica, meccanica e chimica per affrontare problemi relativi alle scienze della vita. Obiettivi: - Miglioramento delle conoscenze relative al funzionamento dei sistemi biologici - Sviluppo di nuove metodologie e tecnologie per sistemi di diagnosi, terapia e riabilitazione Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Le discipline della Bioingegneria 10 L’ingegneria biomedica è una scienza multidisciplinare in quanto comprende conoscenze delle più svariate materie. • Biomeccanica: studio delle meccanica dei solidi e dei fluidi nei sistemi fisiologici • Biomateriali: progetto e sviluppo di materiali impiantabili • Modellizzazione, simulazione e controllo: ricerca di base per la conoscenza delle realtà fisiologiche • Strumentazione biomedica: progetto e sviluppo di strumentazione per la misura di eventi fisiologici (include i biosensori) • Analisi dei dati biomedici: rilevazione, classificazione e analisi dei segnali bioelettrici • Ingegneria della riabilitazione: progetto e sviluppo di strumenti e procedure terapeutiche e riabilitative Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Le discipline della Bioingegneria 11 • Organi artificiali e protesi: progetto e sviluppo di dispositivi per la sostituzione o il supporto di organi • Informatica medica: elaborazione di dati dei pazienti, metodi decisionali, sistemi esperti e reti neurali • Bioimmagini: rilevazione e analisi di dettagli anatomici e funzionali in forma grafica • Biotecnologie: creazione e modifica di materiali biologici • Ingegneria clinica: progetto e sviluppo di strutture, strumenti sistemi e procedure in ambito clinico • Effetti biologici dei campi elettromagnetici: studio degli effetti di campi elettromagnetici sui tessuti biologici Da: Biomedical Engineering Handbook Joseph D. Bronzino Ed. CRC Press Inc. 1995 Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Cosa fa l’Ingegnere Biomedico Studio dei sistemi biologici 12 Studio di sistemi biologici mediante l’utilizzo di metodi e modelli. GAMBA ASTRAGALO Analisi del Movimento Tecnologie PIEDE --> Dati --> Modelli --> Interpretazione -> Clinica Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Cosa fa l’Ingegnere Biomedico Esempi di utilizzo dell’analisi del movimento 13 Motion Capture e analisi del gesto sportivo Gait Analysis Motion Capture Valutazione del gesto sportivo Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Cosa fa l’Ingegnere Biomedico Bioingegneria elettronica 14 Sviluppo di strumentazione e dispositivi diagnostici, terapeutici e riabilitativi a tecnologia avanzata. TERMINOLOGIA • Strumentazione: “Complesso degli strumenti, attrezzature, impianti, dispositivi, che occorrono per certe attività. . . ” • Misura: “Numero che esprime l’estensione di una grandezza rispetto ad un’altra, convenzionalmente assunta come unitaria” • Segnale: “Qualsiasi forma di messaggio od effetto di uno specifico processo atto al trasferimento di informazioni” (ad es. tensione o - variazione di tensione) Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Bioingegneria elettronica Strumentazione biomedica 15 Strumentazione biomedica (Rappresentazione schematica) Controllo e Feedback Biosensore Elemento sensibile primario Alimentazione Elemento di conversione Segnale di calibrazione Stimolo applicato (radiazione, energia) Giuseppe Cesare Andreoni Alippi Elaborazione del segnale Memorizzazione dei dati Presentazione del segnale Trasmissione dei dati

Bioingegneria elettronica Segnali biomedici 16 Esempi di grandezze biomediche misurabili Attività elettrica cerebrale (EEG, MEG) pressione intracranica proprietà meccaniche del timpano temperatura ERG, EOG pressione arteriosa pressione intraesofagea flusso sanguigno respirazione: volume VO 2, VCO 2, pressioni p. O 2, p. CO 2 suoni cardiaci, polmonari attività elettrica muscolare (EMG) gittata cardiaca attività elettrica cardiaca (ECG) radiopacità impedenza acustica p. H ematico antropometria concentrazioni enzimatiche movimenti mappe di potenziali, temperatura livello di idratazione, flusso sanguigno cutaneo Giuseppe Cesare Andreoni Alippi interazione dinamica

Bioingegneria elettronica Segnali biomedici 17 Origine dei segnali biologici Basali: sono segnali legati alla fisiopatologia, cioè al funzionamento normale o in presenza di malattia, dell’organismo vivente Esempi : - attività elettrica cerebrale ( => elettroencefalografia) - attività elettrica cardiaca ( => elettrocardiografia) - flussi ematici - pressione arteriosa - temperatura basale Evocati: sono segnali ottenuti come risposta ad uno stimolo esterno Esempi : - potenziali evocati - gittata cardiaca (metodo della diluizione) - configurazione arterie coronariche (angiografia) - immagini diagnostiche(radiologia, TAC, RMN) - metabolismo del glucosio Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Bioingegneria elettronica Segnali biomedici Classificazione dei segnali biologici Classificazione per variabile indipendente: -Segnali Temporali: ECG, EEG, pressione sanguinea. . . (segnali bioelettrici) -Segnali Spaziali: radiografie, mappe di temperatura (bioimmagini, mappe) -Segnali Spazio-temporali: spazio e tempo concorrono come variabili indipendenti (ecocardiografia dinamica, RMN funzionale) Giuseppe Cesare Andreoni Alippi 18

Bioingegneria elettronica Segnali biomedici Classificazione dei segnali biologici Classificazione per natura della grandezza caratterizzante: - Segnali elettrici - Segnali chimici - Segnali magnetici - Segnali meccanici - Segnali termici Classificazione per sistema biologico che li ha generati: - Sistema cardiovascolare - Sistema nervoso - Sistema endocrino - Apparato muscolo-scheletrico Giuseppe Cesare Andreoni Alippi 19

Bioingegneria elettronica Segnali biomedici 20 Classificazione dei segnali biologici Classificazione per proprietà chimico-fisiche dei tessuti che li generano: - Impedenza acustica - Potere di assorbimento delle radiazioni - Proprietà istologiche - Proprietà metaboliche - Proprietà termiche - Proprietà elettriche, magnetiche Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Bioingegneria elettronica Segnali biomedici 21 I Biopotenziali • I segnali elettrici di origine biologica rappresentano le variabili biomediche meglio si prestano ad una analisi effettuata con strumentazioni di tipo elettronico • I potenziali bioelettrici rappresentano il risultato dell’attività elettrochimica delle cellule “eccitabili”. • Sono cellule eccitabili: • le cellule muscolari (cardiache in particolare) • le cellule nervose (neuroni e recettori) • alcune cellule ghiandolari Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Bioingegneria elettronica Segnali biomedici 22 Dove sono utilizzati i Biopotenziali Applicazioni diagnostiche Applicazioni terapeutico-riabilitative -EMG -ECG -ENG -EEG -ERG Altre applicazioni -EOG Giuseppe Cesare Andreoni Alippi -Stimolazione -Pacemaker -Defibrillatori -Stimolazione muscolare -FES -Stimolazione del frenico

Bioingegneria elettronica Esempi di applicazioni dei Biopotenziali EMG - Elettromiografia Analisi della funzionalità dell’attivazione muscolare Giuseppe Cesare Andreoni Alippi 23

Bioingegneria elettronica Esempi di applicazioni dei Biopotenziali 24 ENG - Elettro. Neurografia Analisi della funzionalità del sistema nervoso periferico Si valuta l’integrità delle fibre nervose di motoneuroni attraverso la quantificazione della velocità di conduzione dello stimolo -+ -Vm(t) -S 2 -S 1 -- -+ -- -D -S 2 -u=D/(L 1 -L 2) -L 2 -S 1 -L 1 Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Bioingegneria elettronica Esempi di applicazioni dei Biopotenziali ECG - Elettro. Cardiografia Analisi della funzionalità cardiaca Giuseppe Cesare Andreoni Alippi 25

Bioingegneria elettronica Esempi di applicazioni dei Biopotenziali 26 - l’elettrocardiografia si basa su un modello semplificato dell’attività elettrica del cuore, considerandolo come un dipolo di carica immerso in un mezzo parzialmente conduttivo (il torace) - il campo elettrico è variabile in funzione del tempo con l’attività del cuore e viene rappresentato con un vettore (momento di dipolo) (M ) -- -+ -M - il potenziale elettrico cardiaco appare lungo tutto il corpo e sulla superficie - ponendo una coppia di elettrodi in corrispondenza di due punti anatomici diversi, misuro una differenza di potenziale tra i due elettrodi Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Bioingegneria elettronica Esempi di applicazioni dei Biopotenziali 27 ECG Wearable per Telemedicina ed applicazioni sportive Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Bioingegneria elettronica Esempi di applicazioni dei Biopotenziali 28 EEG - Elettro. Encefalografia Analisi della funzionalità del sistema nervoso centrale -sonno profondo -sonnolenza -riposo a occhi chiusi -attività -delta<4 Hz -4 Hz<teta<8 Hz -8 Hz<alfa<13 Hz -13 Hz< beta<35 Hz - 100 V -<100 V - 20 -60 V - 10 -30 V -Sincronizzazione ad alta frequenza nell’epilessia Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Bioingegneria elettronica Esempi di applicazioni dei Biopotenziali 29 EEG - Elettro. Encefalografia EEG Veglia Normale Giuseppe Cesare Andreoni Alippi EEG Crisi Epilettica

Bioingegneria elettronica Esempi di applicazioni dei Biopotenziali EEG – Potenziali Corticali Evocati Analisi della funzionalità del sistema nervoso centrale Mappe di Potenziale Giuseppe Cesare Andreoni Alippi 30

Bioingegneria elettronica Un Esempio di biopotenziali in campo riabilitativo FES – Stimolazione Elettrica Funzionale Emiplegia e Paraplegia • Mantenimento e rinforzo del tono muscolare nel paraplegico - • Stimolazione della mano per facilitare la prensione • Ausilio per l’alzata-seduta • Eliminazione della caduta del piede nell’emiplegico Giuseppe Cesare Andreoni Alippi 31

Bioingegneria elettronica Un Esempio di biopotenziali in campo riabilitativo 32 FES – Stimolazione del Nervo Frenico Alcune patologie, come la distrofia muscolare e il Botulino, incidenti o tumori possono provocare una lesione del nervo frenico. I danni al nervo frenico limitano seriamente la capacità respiratoria di una persona. La stimolazione del nervo frenico può essere utilizzata per il recupero della ventilazione nei pazienti con lesioni spinali alte. Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Bioingegneria elettronica Un Esempio di biopotenziali in campo riabilitativo 33 Pacemaker Cardaico Il pacemaker cardaico è un dispositivo per il controllo della pulsatilità cardiaca. Stimola elettronicamente la contrazione del cuore quando questa non viene assicurata in maniera nomrale dal tessuto cardaico (nodo senoatriale). Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Bioingegneria elettronica Un Esempio di biopotenziali in campo riabilitativo Pacemaker Cerebrale Deep Brain Stimulation Il pacemaker cerebrale invia impulsi elettrici a zone ben definite dell’enecefalo. È utilzzato per il tratta di patologie neurologiche quali Parkinson, distonia, sindrome di Tourette. È utilizzato anche per la cura del dolore dell’arto fantasma, depressione e disturbi ossessivocompulsivi Giuseppe Cesare Andreoni Alippi 34

Cosa fa l’Ingegnere Biomedico Bioimmagini 35 Sviluppo di metodi di registrazione, elaborazione e trattamento di immagini biologiche e mediche. Le Bioimmagini sono immagini create a partire da un essere vivente, ossia una figura relativa all’anatomia o alla fisiologia di una parte del corpo (umano o animale). Tipi di Bioimmagini: Mappe: rappresentazioni di una grandezza riferita alla superficie corporea a partire da misure in punti discreti. Proiezioni: immagini su di un piano di proiezione a partire da un centro; ogni punto rappresenta l’integrale di una grandezza fisica sulla linea di proiezione che attraversa il volume da misurare (RX) Tomografie: immagini ricostruite di sezioni virtuali del corpo a partire da misure esterne (TAC, SPECT, PET) Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Bioimmagini Tipologie di bioimmagini 36 Tipologie di bioimmagini In base alla grandezza fisica misurata - Radiazionizzanti, attenuazione: fotoni x per radiografie e tomografie - Radiazionizzanti, emissione: fotoni gamma emessi da radionuclidi per scintigrafie e tomografie SPECT. Coppie di fotoni emessi i direzione opposta a seguito di emissione di positroni per tomografie PET - Ultrasuoni: Onde elastiche oltre la banda uditiva umana. Il tempo di ritorno dell’eco e la sua energia sono alla base della formazione dell’immagine. - Onde radio: Onde radio in campi magnetici da 0, 5 a 15 Tesla sono legate alla frequenza di risonanza magnetica nucleare di particolari elementi (idrogeno). L’energia delle onde radio è assorbita dagli atomi e riemessa sotto forma di segnale RF utilizzato per la ricostruzione dell’immagine tomografia MRI. Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Bioimmagini RX e TAC 37 La radiografia si basa sull'utilizzo dei raggi X e sull'effetto frenamento dovuto all'interazione tra materia e radiazione. N = N 0 e-ux Inventata dal fisico tedesco Wilhelm Conrad Röntgen nel 1895, ha subìto numerosi sviluppi e da questa son nate altre tecniche diagnostiche. Con l'avvento delle tecniche digitali la radiografia tradizionale è profondamente mutata nelle tecniche e nei metodi. - Miglior risoluzione - Minori danni ai pazienti Giuseppe Cesare Andreoni Alippi di

Bioimmagini RX e TAC 38 Utilizzando particolari configurazioni di emettitori e ricevitori è possibile ricostruire immagini tomografiche (ricostruzione di volumi) a partire da proiezioni planari. L’utilizzo di raggi X a bassa potenza permette inoltre di acquisire immagini radioscopiche dinamiche. Pregi: - Alta risoluzione spaziale - Alta risoluzione temporale - Alto contrasto Difetti: - Radiazionizzanti - Invasiva Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Bioimmagini Immagini Radioscopiche – PET e SPECT 39 Fanno parte della medicina nucleare La principale caratteristicha di queste bioimmagini è quella di far uso di traccianti radioattivi per essere generate. Esami di Medicina nucleare: - SPECT cerebrale - SPECT miocardica - Angiocardioscintigrafia - Scintigrafia tiroidea - Scintigrafia ossea - Scintigrafia polmonare - Mammoscintigrafia Sono esami invasivi perché fanno uso di traccianti. Hanno una bassa risoluzione spaziale. Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Bioimmagini Ultrasuoni 40 Utilizzano onde sonore oltre la banda di percezione dell’uomo. In base al mezzo in cui si trasmettono varia la velocità di propagazione dell’onda. In base all’intensità e al tempo di ritorno dell’eco è possibile ricostruire le immagini. Pregi: - Innocua per il paziente (non invasività). - Ottima risoluzione temporale. - Possibilità di ricostruzione 3 d. - Mezzi di contrasto non invasivi (microbolle). Difetti: - Problemi in presenza di aria e ossa. - Bassa risoluzione spaziale Ecografia 3 d e 4 d Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Bioimmagini Risonanza magnetica nucleare 41 Si basa sulla interazione tra onde a radiofrequenza e i tessuti biologici, quando questi sono immersi in un campo magnetico. Scoperta del fenomeno (Bloch e Purcell nel 1946, Nobel nel 1952). Nel 1973 Lauterbur dimostra l’utilizzo della risonanza magnetica per la ricostruzione delle immagini. Nel 2003 Lauterbur e Mansfield sono stati insigniti del premio Nobel. Pregi: - Non utilizza radiazionizzanti: è quindi non invasiva e non provoca danni ai tessuti. - Notevole capacità discriminare i tessuti molli di - Possibilità di ottenere immagini di sezioni qualsiasi e di ricostruzione volumetrica. Giuseppe Cesare Andreoni Alippi Risonanza Magnetica Nucleare

Cosa fa l’Ingegnere Biomedico Biomateriali 42 Studio di Biomateriali e Ingegneria dei tessuti Biologici Un biomateriale è un materiale che si interfaccia direttamente con il sistema biologico per valutare, trattare, aumentare o sostituire un qualunque tessuto, organo o funzione dell’organismo. L’ambiente operativo di un biomateriale è fisiologico: -Notevole attività chimica -Sollecitazioni meccaniche Per tale ragione un qualunque biomateriale provoca una risposta biologica dell’organismo in cui si trova ad operare, che a sua volta causa un processo di degradazione nel biomateriale stesso. Si parla quindi di doppia interazione tra i due sistemi. Biocompatibilità: Parametro che indica la dannosità di una sostanza per un organismo Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Cosa fa l’Ingegnere Biomedico Ingegneria dei Tessuti 43 L’ingegneria dei tessuti è “un campo interdisciplinare che applica i principi dell’ingegneria e delle scienze della vita allo sviluppo di sostituti biologici per ristabilire, mantenere o migliorare la funzione di tessuti e organi danneggiati”. Per applicazioni nel corpo umano (ma lo stesso varrebbe per applicazioni in altri esseri viventi) le cellule vengono prelevate da tessuti dello stesso paziente che subirà successivamente il trapianto del tessuto neoformato in laboratorio. I campi di applicazione principali sono: - Fabbricazione di pelle e corena - Rigenerazione ossea Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Cosa fa l’Ingegnere Biomedico Protesi e ortesi 44 Sviluppo di tecnologie per la disabilità: Ortesi, Protesi e organi artificiali Una protesi è un dispositivo artificiale atto a sostituire o ad integrare un organo o una parte del corpo danneggiata. Ortesi dentaria Ginocchio artificiale Giuseppe Cesare Andreoni Alippi Impianto Cocleare

Cosa fa l’Ingegnere Biomedico Protesi e ortesi 45 Per ortesi si intende un dispositivo medico, un ausilio, un tutore, un'apparecchiatura ortopedica o simili, utilizzati in ortopedia o traumatologia nel trattamento di alcune patologie. Esempi: - Collari cervicali - Ginocchiere - Cavigliere - Busti Giuseppe Cesare Andreoni Alippi

Cosa fa l’Ingegnere Biomedico Ausili per disabili Sviluppo di ausili per disabili Sviluppo di dispositivi ed ausili per il supporto ai disabili: - Ergonomic design - Assistive technology - Home care Giuseppe Cesare Andreoni Alippi 46

Sbocchi professionali 47 Per il laureato in Ingegneria Biomedica si sono affermate da tempo tre principali figure professionali: - Progettista e gestore della produzione e commercializzazione di dispositivi, apparecchi e sistemi Biomedicali; - Responsabile nella organizzazione e pianificazione di Servizi Sanitari, nonché nella gestione dei dispositivi, delle tecnologie e degli impianti medicali per un uso sicuro, appropriato ed economico (Ingegnere clinico); - Ricercatore in strutture ospedaliere, industriali, universitarie ed in centri di ricerca e sviluppo pubblici e privati. Pertanto i principali sbocchi occupazionali di un laureato in Ingegneria Biomedica sono: - Società ed industrie di progettazione, produzione e commercializzazione del settore biomedico e farmaceutico; - Aziende ospedaliere e sanitarie pubbliche e private; - Società di servizi per la gestione e la manutenzione di apparecchiature ed impianti medicali, anche di telematica sanitaria e di telemedicina; - Laboratori specializzati e Centri di Ricerca Giuseppe Cesare Andreoni Alippi