LAUREA IN INGEGNERIA BIOMEDICA
http://www.dei.unipd.it/corsi/bioingegneria
1
INGEGNERIA BIOMEDICA
La biologia e' il nuovo paradigma dell'ingegneria come lo sono
stati, nel recente passato, l'elettronica e l'informatica.
L’Ingegneria Biomedica o Bioingegneria è una disciplina che,
mediante l’integrazione delle scienze ingegneristiche (elettronica,
informatica, meccanica, chimica) con quelle biomediche, consente
di migliorare le conoscenze in ingegneria, biologia e medicina,
ed inoltre di migliorare la cura della salute umana
La Bioingegneria e' dunque fortemente
interdisciplinare e rivolta al mondo
dell'ingegneria, della biologia e della
2
medicina.
PRINCIPALI SBOCCHI OCCUPAZIONALI
- sanita': servizi di ingegneria clinica, reparti di tecnologie
biomediche, servizi di telemedicina;
- industria biomedica: sistemi, apparecchiature, protesi,
materiali per diagnosi, cura e riabilitazione;
- industria farmaceutica,
ambientale;
alimentare,
biotecnologica
e
- servizi e societa' di ingegneria: progettazione di sistemi
sanitari, gestione delle tecnologie biomediche, progettazione
e gestione di servizi di teleassistenza.
3
COSA FA L’INGEGNERE BIOMEDICO
L’Ingegnere Biomedico opera all’interno del sistema sanitario,
nel mondo della ricerca e della produzione e rappresenta una
figura indispensabile per molti compiti
ESEMPIO 1
STUDIARE SISTEMI BIOLOGICI MEDIANTE L’USO
DI METODI E MODELLI FISICO-MATEMATICI
4
STUDIO DI SISTEMI BIOLOGICI MEDIANTE L’USO DI
METODI E MODELLI FISICO-MATEMATICI
MODELLO MATEMATICO (=INSIEME
DI EQUAZIONI) CHE DESCRIVE IL
SISTEMA FISIOLOGICO
+
+
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
Misure da cui si mettono a punto i
modelli: funzioni del tempo
monodimensionali (segnali) o
bidimensionali (immagini)
5
ESEMPIO 1a: Modello per stimare QUANTO BENE L’INSULINA
REGOLA IL GLUCOSIO (malattia del diabete)
Fegato
Insulina
Plasmatica
Glucosio
Tessuti
Insulina
Remota
Equazioni differenziali che descrivono
il sistema glucosio-insulina
G (t)  (SG  X(t))G(t)  SGGb
X (t)  p X(t)  S I(t)  I 
2
I
b
G(0)  G0
X(0)  0
6
IMMAGINE DI
RISONANZA
LIVELLO DI
PIXEL
ANALISI MATEMATICA
ESEMPIO 1b: Imaging con Risonanza Magnetica dell’emodinamica
cerebrale per stimare flusso e volume del sangue nel cervello
Mappa del Flusso Mappa del Volume
Ematico
Ematico
(es. uso nella diagnosi
della stenosi carotidea)
7
ESEMPIO 1c: Modelli biomeccanici per lo studio del movimento umano
Z
Y
y
z
x
Gi
Y
x(cosax, cosay, cosaz)
y(cosbx, cosby, cosbz)
z(cosgx, cosgy, cosgz)
x
X
y
O
o
O
Z
X
z
o (ox, oy, oz)
8
ESEMPIO 1d: Applicazione di modelli biomeccanici all’ottimizzazione del
gesto sportivo
Variazione del Centro di Pressione al Sedile
durante 10 pagaiate
15
13
11
XS
9
7
YS
16
14
12
10
3
OS
8
6
4
2
1
0
-1
-2
-4
-6
-8
-10 -12 -14 -16
-3
-5
-7
-9
-11
-13
-15
by [cm]
9
bx [cm]
5
COSA FA L’INGEGNERE BIOMEDICO
L’Ingegnere Biomedico opera all’interno del sistema sanitario,
nel mondo della ricerca e della produzione e rappresenta una
figura indispensabile per molti compiti
ESEMPIO 2
SVILUPPO DI METODI DI ELABORAZIONE E TRATTAMENTO
DI DATI, SEGNALI E IMMAGINI BIOLOGICHE E MEDICHE
10
SVILUPPO DI METODI DI ELABORAZIONE E TRATTAMENTO
DI DATI, SEGNALI E IMMAGINI BIOLOGICHE E MEDICHE
ESEMPIO 2a: Analisi di segnali (elettroencefalografici, elettrocardiografici,
elettromiografici, ...) o immagini per diagnosi
Elettroencefalogramma (es. diagnosi epilessia)
11
Elettrocardiogramma (es. diagnosi aritmie)
Elettromiogramma (es. diagnosi neuropatie)
12
ESEMPIO 2b: identificazione
automatizzata dei contorni
cellulari nell’endotelio
corneale per valutare
l’utilizzabilita’ per trapianto.
ESEMPIO 2c: analisi di
fotografie della retina
ottenuta con fundus
camera per diagnosticare
retinopatie
in
modo
automatizzato.
13
ESEMPIO 2d: Capire quali geni si esprimono e come interagiscono tra loro
in varie situazioni sfruttando dati di microarray di dna (BIOINFORMATICA)
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
14
60
min
80
COSA FA L’INGEGNERE BIOMEDICO
L’Ingegnere Biomedico opera all’interno del sistema sanitario,
nel mondo della ricerca e della produzione e rappresenta una
figura indispensabile per molti compiti
ESEMPIO 3
SVILUPPARE STRUMENTAZIONE E DISPOSITIVI
DIAGNOSTICI E TERAPEUTICI A TECNOLOGIA AVANZATA
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ESEMPIO 3a: strumentazione di misura per elettrocardiografia
ESEMPIO 3b: pacemaker per il controllo della pulsatilita’ cardiaca
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ESEMPIO 3c: robot per uso in interventi chirurgici
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COSA FA L’INGEGNERE BIOMEDICO
L’Ingegnere Biomedico opera all’interno del sistema sanitario,
nel mondo della ricerca e della produzione e rappresenta una
figura indispensabile per molti compiti
ESEMPIO 4
SVILUPPARE TECNOLOGIE PER LA DISABILITA’, PROTESI E
ORGANI ARTIFICIALI
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ESEMPIO 4a: Impianto cocleare (“orecchio bionico”) per sordi profondi
19
ESEMPIO 4b: Protesi dentali
filling 93%
filling 95%
filling 96%
filling 100%
Modello virtuale solido e numerico
di un sistema implantare multiplo
20
ESEMPIO 4c: Ginocchio artificiale
Radiografia e illustrazione di
un'articolazione sana.
Radiografia e immagine di articolazione
affetta da artrosi.
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COSA FA L’INGEGNERE BIOMEDICO
L’Ingegnere Biomedico opera all’interno del sistema sanitario,
nel mondo della ricerca e della produzione e rappresenta una
figura indispensabile per molti compiti
ESEMPIO 5
STUDIO DI BIOMATERIALI E INGEGNERIA DEI TESSUTI
BIOLOGICI
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ESEMPIO 5a: Sintesi di pelle artificiale per curare lesioni alla cute
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COSA FA L’INGEGNERE BIOMEDICO
L’Ingegnere Biomedico opera all’interno del sistema sanitario,
nel mondo della ricerca e della produzione e rappresenta una
figura indispensabile per molti compiti
ESEMPIO 6
SVILUPPO DI TECNOLOGIE DELL’INFORMATICA E DELLE
TELECOMUNICAZIONI PER LA SANITA’
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ESEMPIO 6a: gestione informatizzata di dati sanitari
Laboratori
analisi
Reparti
Rete Locale
(LAN)
Accettazione
Radiologia
PACS
Amministrazione
Elaboratore
centrale
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ESEMPIO 6b: sistemi di Telemedicina
Centro clinico
Sistema di
telecomunicazione
Casa
Paziente
Protocollo terapia
Medical Unit
Dati del paziente
Patient
Unit
Strumento
di misura
Medici
Paziente
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LAUREE IN INGEGNERIA
BIOMEDICA IN ITALIA
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12 LAUREE TRIENNALI ATTUALMENTE ATTIVE
Politecnico di MILANO
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PAVIA
Politecnico di TORINO
GENOVA
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PADOVA
BOLOGNA
PISA
Università Campus Biomedico - ROMA
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Politecnico delle Marche - ANCONA
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NAPOLI
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CAGLIARI
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CATANZARO
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Inoltre, Indirizzo “Ingegneria Biomedica” in:
•Laurea in Ingegneria Elettronica a TRIESTE
•Lauree in Ingegneria Elettronica e Meccanica a FIRENZE
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14 LAUREE SPECIALISTICHE ATTUALMENTE ATTIVE
Politecnico di MILANO
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PAVIA
Politecnico di TORINO
GENOVA
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TRIESTE
PADOVA
BOLOGNA
FIRENZE
Politecnico delle Marche - ANCONA
PISA
Università Tor Vergata - ROMA
Università La Sapienza - ROMA
Università Campus Biomedico - ROMA
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NAPOLI
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PERCHE’ A PADOVA
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NOTE STORICHE
• 1968: Corso di “Elettronica Biomedica”, primo dell’area
Bioingegneria in Italia, presso la Facoltà di Ingegneria
dell’Università Padova (titolare Prof. G.Francini)
• 1968: Laboratorio di Elettronica Biomedica presso il
Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) di Padova
• Indirizzo in Ingegneria Biomedica nella Laurea in Ingegneria
Elettronica dal 1992/93
• Diploma in Ingegneria Biomedica dal 1994/95 al 2002/2003
• Dottorato di Ricerca in Bioingegneria dal 1984
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SITUAZIONE ATTUALE A PADOVA: TRE LIVELLI DI FORMAZIONE
LAUREA TRIENNALE
IN INGEGNERIA
BIOMEDICA
LAUREA
SPECIALISTICA IN
BIOINGEGNERIA
SCUOLA DI DOTTORATO
IN INGEGNERIA
DELL’INFORMAZIONE
(ind. BIOINGEGNERIA)
• Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica dal 2001/02 (85 iscritti
nel 01/02, 109 nel 02/03, 127 nel 03/04, 138 nel 04/05, 158 nel
05/06)
• Laurea Specialistica in Bioingegneria (+2) dal 2004/05 (35 iscritti
nel 04/05, 60 nel 05/06)
• Scuola di Dottorato di Ricerca in Ingegneria dell’Informazione 32
indirizzo Bioingegneria (3 anni) dal 2004/05
LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA BIOMEDICA: PIANO DI STUDI
I° ANNO
II° ANNO
MATEMATICA A
FONDAMENTI DI INFORMATICA 1
MATEMATICA B
FISICA 1
FISICA 2
MATEMATICA C
CHIMICA PER BIOINGEGNERIA
ELETTROTECNICA
SEGNALI E SISTEMI
FONDAMENTI DI ELETTRONICA
FOND.INF.2 e ARCH. ELABORATORI
MECCANICA E DINAMICA FLUIDI
FONDAMENTI DI AUTOMATICA
BIOMATERIALI
INGLESE (VERIFICA)
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LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA BIOMEDICA: PIANO DI STUDI
III° ANNO
Corsi obbligatori
MISURE ELETTRONICHE
BIOMECCANICA
BIOLOGIA E FISIOLOGIA
MODELLI E CONTROLLO DI
SISTEMI BIOLOGICI
STRUMENTAZIONE BIOMEDICA
ECONOMIA ED ORG. AZIENDALE
TIROCINIO
PROVA FINALE
Due corsi a scelta tra:
Elab. dati, segnali e immagini biomed.
Meccanica dei tessuti biologici
Bioingegneria Meccanica
Misure Compatibilità EM e Sicur. Elettrica
Dati e Algoritmi
Elettronica Digitale
Fondamenti di Comunicazioni
Economia e Organizzazione Aziendale 2
NB. Dal 1994 ad oggi, oltre una cinquantina di aziende/industrie
private e ASL della zona hanno stipulato convenzioni con
l’Università di Padova per lo svolgimento dei tirocini di studenti.
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LAUREA SPECIALISTICA IN BIOINGEGNERIA: PIANO DI STUDI
I° ANNO
II° ANNO
Corsi obbligatori
BIOMATERIALI 2
INFORMATICA SANITARIA
BIOINGEGNERIA CELLULARE
BIOINGEGNERIA DEL MOVIMENTO
STRUMENTAZIONE BIOMEDICA 2
Corsi obbligatori
MODELLI E CONTR. DI SISTEMI BIOL. 2
ELABORAZIONE DI SEGNALI BIOLOGICI
BIOMECCANICA COMPUTAZIONALE
Un corso obbligatorio a scelta tra
Fisica matematica
Analisi reale e complessa
Corsi a scelta
Dati ed algoritmi 2
Elettronica Digitale
Fondamenti di Comunicazioni
Ricerca Operativa
Corsi a scelta
Analisi di Dati Biologici
Bioelettromagnetismo
Bioimmagini
Bioingegneria per la genomica
Informatica e biologia computazionale
Neuroingegneria
TESI DI LAUREA SPECIALISTICA
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SCUOLA DI DOTTORATO IN INGEGNERIA DELL’INFORMAZIONE –
indirizzo BIOINGEGNERIA
Il corso intende formare ricercatori di alta qualificazione, in grado di operare
da soli o in collaborazione con medici, biologi, fisici ecc. sia all'interno di
Università ed enti pubblici di ricerca, che nell'ambito del Servizio Sanitario
Nazionale e in imprese di produzione e servizio.
Il corso è triennale e comprende insegnamenti e seminari specialistici tenuti
presso l'Università di Padova oppure presso Università estere dove gli
studenti possono trascorrere parte del loro corso di dottorato. In particolare,
agli studenti viene offerta la possibilità di partecipare al programma di
dottorato in cotutela con la City University di Londra.
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RICERCA IN BIOINGEGNERIA
A PADOVA
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DIPARTIMENTI UNIVERSITARI
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Dipartimento di Costruzioni e Trasporti
Dipartimento di Processi Chimici dell'Ingegneria
Dipartimento di Innovazione Meccanica e Gestionale
Dipartimento di Ingegneria Meccanica
ALTRI ISTITUTI
Istituto di Ingegneria Biomedica, CNR
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EVENTI PERIODICI A PADOVA: BIONOVA
SITO DELL’EDIZIONE 2005
Prossima edizione: 18-20 aprile 2007
http://www.bionova.it
39
RICERCA IN BIOINGEGNERIA IN ITALIA
http://www.bioing.it
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EVENTI ANNUALI: SCUOLA DI BIOINGEGNERIA A
BRESSANONE (BZ)
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
METODI DI ANALISI DEI SISTEMI NEUROSENSORIALI
Periodo: fine settembre
IL CALCOLATORE NELLA PRATICA CLINICA
BIOMATERIALI: DALLA RICERCA DI BASE ALL’APPLICAZIONE CLINICA
BIOINGEGNERIA EIDETICA
BIOINGEGNERIA DEL SISTEMA CARDIOVASCOLARE
BIOINGEGNERIA DELLA RIABILITAZIONE
LA STRUTTURAZIONE DEL SAPERE BIOMEDICO
BIOINGEGNERIA CELLULARE E MOLECOLARE
BIOINGEGNERIA DEGLI ORAGNI ARTIFICIALI
NEUROSCIENZE E SCIENZE DELL'ARTIFICIALE
BIOELETTRONICA E NANOTECNOLOGIE PER LA BIOINGEGNERIA
BIOSISTEMI E COMPLESSITA‘
TECNOLOGIE BIOMEDICHE E SANITARIE
PROTESI E AUSILI PER LA COMUNICAZIONE
I SISTEMI INFORMATIVI SANITARI
MECCANICA DEI TESSUTI BIOLOGICI
BIOINGEGNERIA DEI SISTEMI METABOLICI
TECNOLOGIE E METODOLOGIE PER LE IMMAGINI FUNZIONALI
ANALISI E MODIFICA DI BIOMOLECOLE E CELLULE
BIOINGEGNERIA DEL SISTEMA RESPIRATORIO
INGEGNERIA DEI TESSUTI BIOLOGICI
BIOINGEGNERIA DELLA POSTURA E DEL MOVIMENTO
TECNICHE AVANZATE DI ANALISI DI SEGNALI BIOMEDICI
BIOMATERIALI: DAGLI IMPIANTI PROTESICI ALLA MEDICINA RIGENERATIVA
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NEURO-ROBOTICA: LA FUSIONE DI NEUROSCIENZE E ROBOTICA PER LO SVILUPPO DI MACCHINE INTELLIGENTI