DEI GRUPPO DI BIOINGEGNERIA 1 LINEE DI RICERCA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio Analisi del Segnale Elettroencefalografico Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica Genomica Bioingegneria del Movimento Tecnologie Biomediche 2 BIOMEDICAL ENGINEERING Biomedical engineering is a discipline that advances knowledge in engineering, biology and medicine, and improves human health through cross-disciplinary 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°, II°, III° LIVELLO IN BIOINGEGNERIA 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 PhD DU o LAUREA LAUREA DOTTORATO IN BIOING. TRIENNALE QUINQ. FONTE: http://www.whitaker.org/glance/programs.html 4 1° CORSO DELL’AREA BIOINGEGNERIA IN ITALIA: 1968 Elettronica Biomedica Prof. Giuseppe Francini Istituto di Elettrotecnica ed Elettronica Università di Padova 5 108 TRA PROFESSORI E RICERCATORI UNIVERSITARI ING-INF/06 Bioingegneria Elettronica ed Informatica MILANO 24 PAVIA 9 "" TORINO 3 27 Prof. Ordinari 28 Prof. Associati 27 Ricercatori " " GENOVA 12 " " " "" " """ " " " " " " " " " " " " "" "" " " " " " " "" " " " " "" "" " " " "" " " " " " " " "" " "" "" " " " " "" " " " " " " "" "" TRIESTE 2 PADOVA 7 MODENA 2 BOLOGNA 9 PISA 10 FIRENZE 7 SIENA 2 ROMA 7 ING-INF/34 Bioingegneria Industriale 10 Prof. Ordinari 11 Prof. Associati 5 Ricercatori SASSARI 1 "" " " " "" " "" " " "" "" NAPOLI 3 " ANCONA 2 " "" " " " " "" " " "" " "" "" " "" " " " 6 " " STRUTTURATI CLAUDIO COBELLI (Professore Ordinario) GIOVANNI SPARACINO (Ricercatore Universitario) LUIGI MARIANI (Professore Ordinario) MARIA PIA SACCOMANI (Ricercatore Universitario) ALFREDO RUGGERI (Professore Associato) GIANNA MARIA TOFFOLO 7 (Professore Ordinario) ASSEGNISTI & POST-DOC ALESSANDRA BERTOLDO (II° Assegno nel 2001) ELENA BREDA (I° Assegno nel 2001) GIANLUCA NUCCI (Già Post-Doc, Contratto fondi MURST 40%) GIANLUIGI PILLONETTO (I° Assegno nel 2002) 8 DOTTORANDI DEL CONSORZIO DEL POLITECNICO DI MILANO MARCO FORACCHIA (III° anno) TIZIANO CALLEGARI (III° anno) 9 DOTTORANDI DELL’UNIVERSITA’ DI PADOVA BARBARA DI CAMILLO (II° anno) STEFANO CORAZZA (I° anno del suo 2°dottorato) CHIARA DALLA MAN (I° anno) ENRICO GRISAN (I° anno) ELENA MORANDI 10 (I° anno) LINEE DI RICERCA 1. Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio Analisi del Segnale Elettroencefalografico Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica Genomica Bioingegneria del Movimento Tecnologie Biomediche 11 1. MODELLISTICA ED IDENTIFICAZIONE DI SISTEMI FISIOLOGICI Claudio Cobelli (PO) Gianna M. Toffolo (PO) Alfredo Ruggeri (PA) Maria Pia Saccomani (Ru) Giovanni Sparacino (Ru) Gianluigi Pillonetto (Assegnista 2002) Marco Foracchia (Dottorando III°anno) Enrico Grisan (Dottorando I°anno) 12 Enti finanziatori: MURST-COFIN 2000 (Coordinatore Nazionale Gianna Maria Toffolo) PROBLEMA: SISTEMI COMPLESSI E SITI INACCESSIBILI IN VIVO ... SISTEMA FISIOLOGICO Produzione, trasporto, utilizzazione Masse negli organi e nei tessuti Controlli MISURE ? POOL ACCESSIBILE •Modelli black-box •Modelli strutturali 13 Deconvoluzione Collaborazioni: G.De Nicolao (Università di Pavia), B.Bell (University of Washington, Seattle) Concentrazione nel plasma STIMA DI FLUSSI Secrezione Produzione Assorbimento ? INGRESSO SISTEMA 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, ... STIMA NON LINEARE Modelli probabilistici a priori di segnali vincolati Markov chain Monte Carlo (MCMC) ALMOST-BLIND DECONVOLUTION 14 MCMC + + SISTEMA FISIOLOGICO ... A Produzione, trasporto, utilizzazione Masse negli organi e nei tessuti D Controlli MISURE MISURE C ? dx/dt = f(x,t,p) + u(t) y(t) = g(t, x, p) + v(t) B POOL POOL ACCESSIBILE ACCESSIBILE Identificabilità a Priori Collaborazioni: S.Audoly e L.D’Angiò (Università di Cagliari) Complesse relazioni non lineari fra i parametri COMPUTER ALGEBRA e ALGEBRA DIFFERENZIALE Stima parametrica Collaborazioni: P.Magni e R.Bellazzi (Università di Pavia) Campioni radi/rumorosi, intervalli di confidenza importanti per classificazione, vincoli sui parametri, .. INFORMAZIONE A PRIORI E STIMA ALLA BAYES (MCMC) 15 Approccio “di Popolazione” a deconvoluzione e stima parametrica Collaborazioni: G.De Nicolao, P.Magni (Università di Pavia), P.Vicini (University of Washington, Seattle) N SOGGETTI OMOGENEI IN SITUAZIONE DATA POOR (in ciascun soggetto basso SNR e/o pochissimi campioni): non si riescono a stimare i parametri o i flussi incogniti individuali OPTIMAL SAMPLING RETI BAYESIANE E STIMA INDIVIDUALE MCMC ESEMPIO: MODELLISTICA A LIVELLO DI PIXEL DEL METABOLISMO DEL GLUCOSIO DA IMMAGINI PET 16 LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici 2. Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio Analisi del Segnale Elettroencefalografico Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica Genomica Bioingegneria del Movimento Tecnologie Biomediche 17 2. MODELLISTICA E CONTROLLO DI SISTEMI METABOLICI Claudio Cobelli (PO) Gianna M. Toffolo (PO) Alessandra Bertoldo (Assegnista bis 2001) Elena Breda (Assegnista 2001) Gianluca Nucci (Post-Doc) Chiara Dalla Man (Dottoranda I° anno) 18 Metabolismo del Glucosio: Indici del Controllo (“modelli per misurare in clinica”) Collaborazioni: R.Rizza (Mayo Clinic, Rochester), D.Bier (Children Nutrition Research Center, Houston), K.Polonsky (Washington University, St. Louis), A.Caumo (S.Raffaele, Milano), A.Tiengo (Universita’ di Padova). Enti finanziatori: National Institues of Health, USA MODELLO NON LINEARE PER STIMARE L’EFFICACIA DEL CONTROLLO DELL’INSULINA DA TEST ENDOVENOSO (Bergman, Cobelli, Bowden, 1979) CHALLENGE ATTUALE: STIMA DA TEST ORALE (PASTO), più facile da eseguire per studi epidemiologici Pubblicazioni/Anno esulgenetici modello ma più difficile60da modellare 40 Pasto 20 0 k5 k5 Fegato Insulina Plasmatica Glucosio k6 k2 Tratto Gastrointestinale 1980 1985 1990 1995 2001 k1 k4 Insulina Remota k3 Tessuti Fegato Insulina Plasmatica Ra Glucosio k6 k2 k1 Tessuti k4 Insulina Remota k3 19 Metabolismo del Glucosio: Stima di Flussi (“modelli per capire la fisiologia”) Collaborazioni: R.Rizza (Mayo Clinic, Rochester), K.Polonsky (Washington University, St. Louis). Enti finanziatori: National Institues of Health, USA FLUSSI “INTERNI” 20 Endogenous Glucose Production mmol/kg/min 16 12 8 PROTOCOLLO A 3 TRACCIANTI 4 i.v. [6,6D2] glucose tracer 0 90 MealRateof Appearance mmol/kg/min 60 30 0 i.v. [6-3H]glucose tracer 70 60 Glucose Disappearance mmol/kg/min 50 -120 -60 0 60 120 180 240 300 360 420 min 40 30 oral[1-13C]mixed meal 20 10 0 0-60 60 120 120 180180 ) 240 300 360 420 METODOLOGIE MODELLISTICHE 20 min Metabolismo di aminoacidi e proteine in organi/tessuti Collaborazioni: S.Nair (Mayo Clinic, Rochester). Enti finanziatori: National Institues of Health, USA Proteine: ruolo chiave nell’organismo importante quantificare sintesi e degradazione PROBLEMA COMPLESSO ESPERIMENTI CON AMINOACIDI MARCATI MODELLI A LIVELLO D’ORGANO Esempio di modello Blood Flow AminoAcid-Protein System INDICE DI DIFFICOLTA' Artery Extra cellular 120 100 Vein Intra cellular Protein Synthesis Protein Breakdown 80 60 Blood Flow 40 20 0 Glucosio Proteine Modificata da (D.Bier, Diabetes Metab Rev, 1989) MISURE: •Differenze artero-venose •Microdialisi (extracellulari) •Biopsie (intracellulari) 21 Gestione telematica di pazienti diabetici Collaborazioni: M. Stefanelli, R. Bellazzi (Università di Pavia). Enti finanziatori Unione Europea (Vth Framework) Telephone Palmtops Mail Data Base CTI WEB Knowledge Base server server CONTROLLO METABOLICO NEL DIABETE MELLITO: CRUCIALE PER LIMITARE LE COMPLICANZE Data Analysis WAP server Mobile phone PC Web/TV Tecnologie dell’informazione + Metodi di analisi serie temporali = SERVIZIO DI TELEMEDICINA Scopo Migliorare: • l’efficacia della terapia • qualità dell’assistenza a pazienti diabetici • costo della gestione dei pazienti 22 LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici 3. Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici 4. 5. 6. 7. 8. 9. Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio Analisi del Segnale Elettroencefalografico Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica Genomica Bioingegneria del Movimento Tecnologie Biomediche 23 3. IMAGING MRI E PET DI PROCESSI FISIOLOGICI Claudio Cobelli (PO) Alessandra Bertoldo (Assegnista bis 2001) Tiziano Callegari (Dottorando III° anno) 24 TECNICHE DI IMAGING IN MEDICINA ANATOMICHE X-ray (1895) . . . Tomografia Computerizzata (‘70) Risonanza Magnetica Convenzionale (’70) FUNZIONALI Ecodoppler (’60-70) . . . Tomografia ad emissione di positroni (PET) (’80) Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI) (’90) Imaging funzionale: più che l’anatomia interessa la funzione (es. quali aree del cervello si attivano in presenza di certi stimoli) aspetto dinamico, richiede l’uso di traccianti per “spiare” la funzione che si vuole studiare 25 Imaging PET della cinetica del glucosio nel muscolo Collaborazioni: P.Nuutila (Turku PET Center, Finland); D Kelley (Univ. of Pittsburgh, USA) Enti finanziatori: National Institutes of Health QUANTIFICAZIONE DEL TRASPORTO E METABOLISMO DEL GLUCOSIO A LIVELLO DI PIXEL Esempio: GAMBA ... SEQUENZA DI IMMAGINI della CONCENTRAZIONE DI FDG METODOLOGIE MODELLISTICHE VEL. CONSUMO DI GLUCOSIO 26 Imaging PET del sistema recettoriale nel cervello Collaborazioni: F.Fazio e M.C. Gilardi (San Raffaele, Milano); GlaxoSmithKline Enti finanziatori: MURST COFIN-2000 (Coordinatore Nazionale C. Cobelli) 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 27 esempio in base al numero di recettori occupati) dalla PET alla MRI VANTAGGI • Etici: assenza di radiazioni ionizzanti • Economici: costa meno (apparati, personale, …) 28 Imaging MRI dell’emodinamica cerebrale Collaborazioni: L.Landini (CNR Istituto di Fisiologia Clinica di Pisa), F.Fazio & M.C.Gilardi (San Raffaele, Milano). Enti finanziatori: Partecipa bando MIUR COFIN-2002 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) IMMAGINE DI RISONANZA LIVELLO DI PIXEL Mappa del Flusso Mappa del Volume Ematico Ematico (es. uso nella diagnosi29della stenosi carotidea) LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici 4. Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio 5. 6. 7. 8. 9. Analisi del Segnale Elettroencefalografico Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica Genomica Bioingegneria del Movimento Tecnologie Biomediche 30 4. MODELLISTICA E CONTROLLO DEL SISTEMA RESPIRATORIO Claudio Cobelli (PO) Gianluca Nucci (Post-Doc) 31 Modelli anatomici della meccanica respiratoria Enti finanziatori MURST COFIN 98 & 2000 Partecipa a Bando MIUR 2002 Collaborazioni K. Lutchen, B. Suki (Boston University). x 10-7 l/s 5 Alveolar Flow 0 -5 66 68 Time (s) 70 RELAZIONE FRA STRUTTURA E FUNZIONE NEL POLMONE Misure anatomiche da stampi in resina di polmone umano o animale Modelli meccanicistici elevata complessità (~ 250000 ODE): SPICE, analisi tempo-frequenza Monitoraggio della meccanica respiratoria in terapia intensiva Collaborazioni A. Rossi, G. Polese (Ospedali Riuniti di Bergamo). MISURA IN REAL TIME DELLA FUNZIONE RESPIRATORIA Inspiratory P0 25 COMPUTER 20 cmH2O convertitori A/D filtri demodulatori PAZIENTE VENTILATO ARTIFICIALMENTE 15 •Modelli del sistema •Identificazione in linea 10 Ventilatore 5 Ptr 0 Pes 32 5 10 Time (s) 15 20 LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio 5. Analisi del Segnale Elettroencefalografico 6. 7. 8. 9. Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica Genomica Bioingegneria del Movimento Tecnologie Biomediche 33 5. ANALISI DEL SEGNALE ELETTROENCEFALOGRAFICO Gianna M. Toffolo (PO) Giovanni Sparacino (Ru) 34 Potenziali cognitivi Collaborazioni: P.Amodio, Dip.to Medicina Clinica e Sperimentale, Università di Padova SCOPO: ANALIZZARE LA SINCRONIZZAZIONE DELLE ATTIVITA’ DELLE DIVERSE AREE DEL CERVELLO DURANTE TASK COGNITIVI (es. esecuzione di un compito allo stimolo) CROSS APPROXIMATE ENTROPY COERENZA TECNICHE TEMPO-FREQUENZA Potenziali evocati uditivi Collaborazioni: E. Arslan (Dipartimento di Specialità Medico Chirurgiche, Università di Padova). Enti finanziatori: Partecipa bando 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 35 ANALISI DI SPETTRO Potenziali evocati uditivi Collaborazioni: E. Arslan (Dipartimento di Specialità Medico Chirurgiche, Università di Padova). Enti finanziatori: Partecipa bando MIUR COFIN-2002 STUDIO DEI MECCANISMI NEUROFISIOLOGICI DI GENERAZIONE DEI POTENZIALI EVOCATI DI STATO STAZIONARIO treno di click METODI ITERATIVI BASATI SULLA DECONVOLUZIONE ? Tempo-Variante potenziale evocato di stato stazionario misurato QUANTIFICAZIONE DELL’ 36 ADATTAMENTO LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio Analisi del Segnale Elettroencefalografico 6. Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica 7. 8. 9. Genomica Bioingegneria del Movimento Tecnologie Biomediche 37 6. ANALISI DI IMMAGINI IN OFTALMOLOGIA DIAGNOSTICA Alfredo Ruggeri (PA) Marco Foracchia (Dottorando, III°anno) Enrico Grisan (Dottorando, I°anno) 38 Analisi di immagini corneali Collaborazioni: S. Klyce (Lousiana State University), D. Ponzin (Banca Occhi, Venezia). 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) 39 Analisi di immagini retiniche Collaborazioni: S. Piermarocchi (Ist. Clinica Oculistica, Università di Padova), 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 della lesione 40 FOTOGRAFIA DELLA RETINA OTTENUTA CON FUNDUS CAMERA Lesioni vascolari: • identificazione • misura 3 PASSI VESSEL TRACKING PROFILE TRACKING SPLINE SMOOTHING 41 LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio Analisi del Segnale Elettroencefalografico Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica 7. Genomica 8. 9. Bioingegneria del Movimento Tecnologie Biomediche 42 7. GENOMICA Gianna M. Toffolo (PO) Claudio Cobelli (PO) Barbara Di Camillo (Dottoranda, II°anno) 43 Gene Network da dati di microarray di DNA Collaborazioni: S.Nair ( Mayo Clinic, Rochester) CAPIRE QUALI GENI SI ESPRIMONO IN PRESENZA DI INSULINA E COME INTERAGISCONO TRA LORO Studio in vitro di cellule muscolari (incubate in insulina), con un campionamento ogni 10 minuti ... ... livello espressione 0 20 10 Analisi delle sequenze temporali del livello di espressione dei vari geni nestin GRa4 GAD65 0 GENE NETWORK 20 40 44 60 min 80 LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio Analisi del Segnale Elettroencefalografico Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica Genomica 8. Bioingegneria del Movimento 9. Tecnologie Biomediche 45 8. BIOINGEGNERIA DEL MOVIMENTO Claudio Cobelli (PO) Gianluca Nucci (Post-Doc) Stefano Corazza (Dottorando I°anno) 46 Bioingegneria del Movimento Collaborazioni: M. Zaccaria (Dip.to Scienze Mediche, Univ. Padova), A. Cappozzo (Ist.Univ. Scienze Motorie - Roma), R. Frezza (DEI). Enti finanziatori: Partecipa bando Progetti d’Ateneo 2002 VALUTAZIONE QUANTITATIVA DELLA FUNZIONE MOTORIA Riabilitazione Gesto sportivo Cinematica diretta e inversa del movimento umano Simulazione numerica dinamica agli elementi finiti NUOVO LABORATORIO DI BIOINGEGNERIA DEL MOVIMENTO STATO TENSIONALE TESTA DEL FEMORE DI UNA PORZIONE DELL’OSSO 47 LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio Analisi del Segnale Elettroencefalografico Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica Genomica Bioingegneria del Movimento 9. Tecnologie Biomediche 48 9. TECNOLOGIE BIOMEDICHE Luigi Mariani (PO) Elena Morandi (Dottoranda I°anno) 49 Valutazione e Gestione delle Tecnologie Biomediche Collaborazioni Enti finanziatori A.Sargentini, Istituto Superiore di Sanità Regione Veneto A.Udilano, Az.Ospedaliera Padova Sistemi Informativi Sanitari Collaborazioni W. Rainer, BTS, Bolzano Enti finanziatori Provincia Autonoma di Bolzano CARTELLA CLINICA IN ANESTESIOLOGIA 50