Strumentazione E Tecniche Di Monitoraggio E Terapia 2014/2015

OBIETTIVI DEL CORSO

Principi e metodi per l’analisi, la progettazione, l’utilizzo e la sicurezza delle principali apparecchiature biomediche

DOCENTI:

Prof. Paolo Bisegna, Prof. Francesco Montecchia, Prof.ssa Federica Caselli, Avv. Valeria Maria Russo

PREREQUISITI:

Contenuti dei Corsi di Meccanica, Elettrotecnica, Elettronica, Fisica Tecnica, Campi, Segnali, Controlli

RICHIAMI DI ELETTRONICA APPLICATA

Amplificatori a BJT e FET: configurazioni fondamentali. CMRR. Amplificatori differenziali a BJT e FET. Amplificatori differenziali ad operazionale. Circuiti integrati INA 155, INA 108. Amplificatore per strumentazione. Circuito integrato INA102. Filtri. Realizzazioni circuitali (1° ordine; Sallen-Kay 2° ordine): LP, HP, BP. Filtro notch di tipo twin-T e di tipo giratore. Filtro universale.

ELEMENTI DI MISURE BIOMEDICHE

Valutazione ed attendibilità di una misura. Analisi e stima dell'errore sistematico, statistico e strumentale.

ELETTROCARDIOGRAFO

Concetto di biopotenziale: caratteristiche intrinseche, disturbi. Elettrodi. Modello di Einthoven. Derivazioni (principali, di Golberger, precordiali). Condizionamento del segnale. Amplificatore ECG. Disturbi indotti dalla tensione di rete: effetti di campo elettrico, effetti di campo magnetico. Circuito di pilotaggio di gamba destra. Amplificatore di misura con schermo attivo. Configurazioni per DC rejection. Circuito per il recupero dell'isoelettrica. Circuito di protezione dalle sovratensioni. Circuito per l'attenuazione degli impulsi del pacemaker.

PACEMAKER

Codice di classificazione ICHD. Circuito di uscita. Circuito di temporizzazione. Alimentazione. Elettrocateteri. Elettrodi. Adattamento della risposta.

DEFIBRILLATORE

Tipologie ad onda sinusoidale e ad onda trapezoidale. Impiego sincronizzato del defibrillatore.

MISURE DI PRESSIONE SANGUIGNA

Misure invasive di pressione. Modello di catetere a parametri concentrati. Casi particolari: presenza di bolle d’aria, perdite, strizioni. Caratterizzazione sperimentale. Metodi non invasivi di misura della pressione (metodo palpatorio, metodo auscultatorio, metodo oscillometrico).

VENTILAZIONE ARTIFICIALE DEI POLMONI

Richiami di Fluidodinamica. Caratterizzazione fisio-patologica dell'apparato respiratorio. Caratterizzazione di un sistema ventilatorio: modello e schema equivalente-elettrico per l'atto respiratorio artificiale spontaneo e controllato. Monitoraggio e controllo di un sistema ventilatorio. Le modalità fondamentali della ventilazione artificiale dei polmoni: classificazione ed ottimizzazione funzionale dei ventilatori polmonari. Ventilazione artificiale a controllo di volume: programmazione MATLAB per il controllo sul processo. Ventilazione artificiale a controllo di pressione con volume garantito: programmazione MATLAB per il controllo sul processo. Ottimizzazione della forma d'onda flusso-pressoria applicata al paziente tramite il progetto di un Sistema di Ventilazione Avanzato (ALVS): programmazione MATLAB per il controllo sul processo. Analisi ed elaborazione tramite MATLAB dei dati registrati dalla strumentazione per il monitoraggio in Terapia Intensiva Neonatale.

ELETTROBISTURI

Principio di funzionamento (taglio e coagulo). Bioheat equation. Modello di Honig. Rischi di utilizzo. Correnti di dispersione. Elettrodo neutro. Rivelatori di continuità e di qualità del contatto. Modello di Webster.

TUBO RADIOGENO

Richiami di Fisica delle Radiazioni. Produzione dei raggi X. Interazione con la materia. Unità di misura di esposizione e dose. Legge di Richardson-Fermi. Elettrodo di Wenhelt, effetto Heel. Problema termico. Pretemperatura: modello a parametri concentrati. Sovratemperatura: modello 1D e formula di Osterkamp. Regolazione. Alimentazione. Cavi AT. Funzionamento a frequenza di rete ed a media frequenza. Inverter.

IMMAGINI BIOMEDICHE

Caratterizzazione e Classificazione delle Immagini Biomediche. Analisi, Valutazione e Tecnologia di un Sistema di Imaging Radiografico. Acquisizione, Conversione ed Elaborazione di Immagini Analogiche e Digitali. Analisi, Valutazione e Tecnologia di un Sistema di Imaging Scintigrafico. Definizione operativa e misurazione dei parametri dell’imaging: Risoluzione spaziale e di contrasto. Caratterizzazione dei Disturbi dell'imaging e Tecniche di Filtrazione. Interdipendenza tra i parametri dell'imaging e Funzione di Trasferimento di Modulazione. Analisi, Valutazione e Tecnologia di un Sistema di Imaging PET (Tomografia ad Emissione di Positroni). Sequenze temporali di immagini e principi di tecniche di elaborazione per ricostruzioni tomografiche (TAC, SPECT e PET).

CITOMETRO AD IMPEDENZA

Principio di funzionamento. Circuiteria elettronica. Aspetti di modellazione (formulazione forte, formulazione debole, elementi finiti, matrice delle ammettenze). Discriminazione cellulare. Il problema inverso. Il metodo di Gauss-Newton per la ricostruzione dei parametri elettrici e geometrici. Implementazione in Matlab.

SICUREZZA ELETTRICA

Macroshock e microshock. Amplificatori di isolamento: accoppiamento ottico, induttivo, capacitivo. Verifiche di sicurezza degli apparecchi elettromedicali.

PANORAMA LEGISLATIVO

Direttive e norme tecniche. Normative relative alla sicurezza dei dispositivi medici (Dir. 93/42/CEE; Dir. 2007/47/CEE;  D.Lgs. 46/97). Cenni sulle fonti di diritto comunitario. Marchio CE. Marchi di qualità. Cenni sulla normativa tecnica. Delega di funzioni. La responsabilità dell'addetto alla manutenzione della strumentazione medica.

RIFERIMENTI:

Webster, Strumentazione Biomedica, EdiSES, isbn 978 88 7959 664 0, 2010

Prutchi & Norris, Design and Development of Medical Electronic Instrumentation: A Practical Perspective of the Design, Construction, and Test of Medical Devices, Wiley, isbn 0-471-67623-3

Branca, Fondamenti di Ingegneria Clinica, vol.1, Springer, isbn 88-470-0098-X

Caggiano, Mazzarelli, Certificazione dei prodotti e sicurezza nell’impiego dei dispositivi medici ed apparecchi elettromedicali, Il Sole 24 ore, 2006, isbn 88-324-6191-9

Caselli, Bisegna, Maceri, EIT-Inspired Microfluidic Cytometer for Single-Cell Dielectric Spectroscopy, Journal of Microelectromechanical Systems (2010), doi: 10.1109/JMEMS.2010.2067204

Caselli, Shaker, Colella, Renaud, Bisegna, Modeling, Simulation and Performance Evaluation of a Novel Microfluidic Impedance Cytometer for Morphology-Based Cell Discrimination, Journal of Microelectromechanical Systems (2014), doi: 10.1109/JMEMS.2014.2325979

Caselli, Bisegna, EIT-Inspired Microfluidic Cytometer for Single-Cell Dielectric Spectroscopy, Lab on a Chip (2014), doi: 10.1039/C4LC00221K

Montecchia, Ventilazione Artificiale - Teoria e Tecnica, Tor Vergata University of Rome Medical Physics Series, Franconi ed., Monograph N. 8 (2003) 263 pagg.

Montecchia, Canichella, Sabato, Hardware programmabile per applicazioni cliniche, Automazione e Strumentazione 4 (2002) 2-11.

Montecchia, Sistemi di controllo per processi fisiopatologici - Parte Prima: Teoria, Automazione e Strumentazione 7 (2004) 101-106.

Montecchia, Sistemi di controllo per processi fisiopatologici - Parte Seconda: Sperimentazione, Automazione e Strumentazione 8 (2004) 135-138.

Montecchia, Guerrisi, Canichella Advanced lung ventilation system (ALVS) with linear respiratory mechanics assumption for waveform optimization of dual-controlled ventilation, Medical Engineering & Physics 29 (2007) 259-276.

Montecchia, Theoretical modeling of airways pressure waveform for dual-controlled ventilation with physiological pattern and linear respiratory mechanics, Journal of Biomedical Science and Engineering 4 (2011) 318-338.

Montecchia, Harmonic excitation of linear respiratory mechanics for physiological dual controlled ventilation, Journal of Biomedical Science and Engineering 5 (2012) 678-695.

RIFERIMENTI GENERALI:

Webster(Editor), Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, 6 Volume Set, 2nd Edition, isbn 978-0-471-26358-6

Bronzino (Editor), The Biomedical Engineering Handbook, CRC Press, isbn 0849321247

Orario delle lezioni:

I semestre: 

Martedì  16:00 - 18.45  Aula B6 

Venerdì  16:00 - 18.45  Aula B6

Orario Assistenza:

Dopo lezione e su appuntamento.

Orario Esercitazioni:

Durante le lezioni saranno svolti esercizi volti ad illustrare i concetti esposti. Su richiesta scritta di un congruo numero di Studenti, i Docenti del corso offrono la disponibilità ad organizzare ulteriori incontri in aula, dedicati alle spiegazioni ed allo svolgimento di ulteriori esercizi.

E' prevista attività seminariale, che sarà successivamente comunicata

ESAME: SCRITTO E ORALE

Le prove scritte sono così articolate:

8 domande con risposta a scelta multipla (punteggio: +1 risposta esatta; -0.25 errata; 0 omessa)

3 esercizi (8+8+7 punti)

La prova orale consiste in un colloquio, articolato sulle singole parti del Corso.

La valutazione dell’esame è data dalla media dei risultati conseguiti nella prova scritta e nella prova orale.