Modellazione E Simulazione Di Sistemi Fisiologici 2019/2020

MODELLAZIONE E SIMULAZIONE DI SISTEMI FISIOLOGICI

(6 CFU, Prof.ssa Caselli, caselli@ing.uniroma2.it)

Nel corso verranno trattati alcuni esempi di modelli di sistemi fisiologici. Per ciascun sistema esaminato, dopo alcuni richiami di fisiopatologia, si affronteranno sia aspetti legati alla formulazione teorica del modello, sia aspetti legati alla simulazione numerica. Particolare attenzione verrà dedicata all’implementazione per il tramite di strumenti di calcolo quali Matlab, Simulink e solutori agli elementi finiti (FEM).

Introduzione: motivazione ed esempi, tipi di modelli, fasi della modellazione; strumenti di calcolo.

Modelli black-box (data-driven): esempi e analisi tramite il System Identification Toolbox di Matlab. Modelli compartimentali: generalità, modello compartimentale glucosio-insulina, cenni su identificabilità e stima dei parametri.

Modelli di sistemi di controllo fisiologici: richiami su sistemi dinamici (lineari) e teoria del controllo (sistemi ad anello aperto/chiuso, analisi nei domini del tempo e della frequenza, identificazione del sistema, stabilità); analisi in Matlab/Simulink (Control System Toolbox); esempi Simulink: modello del riflesso neuromuscolare, modello lineare della meccanica respiratoria, modello della regolazione del sistema cardiovascolare, modello della regolazione del sistema glucosio-insulina, modello del riflesso pupillare, altri esempi.

Modelli di neurone: il modello di Hodgkin e Huxley, modelli semplificati, il modello di Izhichievic; implementazione e analisi in Matlab/Simulink.

Modelli di diffusione: richiami, approfondimenti e implementazione FEM di alcuni esempi di interesse biologico (e.g. diffusione attraverso una membrana).

Modellazione di dispositivi MEMS: citometro ad impedenza (approfondimenti e implementazione FEM).

Modellazione del flusso ematico: richiami, approfondimenti e implementazione FEM di alcuni esempi di interesse biologico (e.g. moto alla Poiseuille, moto alla Womersley, moto in un vaso aneurismatico).

Modellazione biomeccanica dei tessuti molli: proprietà meccaniche dei tessuti molli, cenni di elasticità non lineare (misure di sforzo e deformazione, materiali iperelastici, principali energie di deformazione). Modellazione biomeccanica di aneurismi: modello membranale e modello 3D in elasticità lineare, cenni di interazione fluido-struttura e formulazione ALE; implementazione FEM.

Analisi di segnali ed immagini biomediche: analisi di mammografie tramite trasformata wavelet, analisi di immagini PET-SPECT, analisi di segnali di impedenza su singola cellula

Tools: Matlab (System Identification Toolbox, Control System Toolbox), Simulink, Solutori FEM, Maple