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.
DEFINIZIONE: 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 2 della
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
PROSPETTIVE DI OCCUPAZIONE, REDDITO E
SVILUPPO PROFESSIONALE
Il Laureato in Ingegneria Biomedica è una figura professionale la cui
richiesta è in fase di aumento.
Nei paesi tecnologicamente avanzati, si registra anche una crescente
presenza di Ingegneri presso i servizi sanitari.
La retribuzione iniziale è in linea con quella degli altri laureati in
Ingegneria.
Nel settore privato, gli sviluppi retributivi e di carriera dipendono
dalla capacità di adattare le proprie competenze non solo allo
specifico ambiente aziendale, ma anche alle dinamiche del settore.
4
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 di 6
STUDIARE SISTEMI BIOLOGICI MEDIANTE L’USO
DI METODI E MODELLI FISICO-MATEMATICI
5
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)
6
ESEMPIO 1a: Modello per stimare QUANTO BENE L’INSULINA
REGOLA IL GLUCOSIO (malattia del diabete)
Fegato
Insulina
Plasmatica
Glucosio
Insulina
Remota
Tessuti
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
7
ESEMPIO 1b: Imaging PET del sistema recettoriale nel cervello
per capire l’ INTERAZIONE FARMACO-RECETTORE
CONCENTRAZIONE DEL FARMACO
(un antidepressivo) IN UNA SEZIONE
DEL CERVELLO
MODELLO
MATEMATICO
dx/dt=f(x,t,)
IMMAGINE DEL POTENZIALE DI
LEGAME DEL FARMACO
 consente di valutare l’efficacia del
farmaco (ad esempio in base al numero
di recettori occupati)
8
IMMAGINE DI
RISONANZA
LIVELLO DI
PIXEL
ANALISI MATEMATICA
ESEMPIO 1c: 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)
9
ESEMPIO 1d: 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)
10
ESEMPIO 1e: 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]
11
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 di 6
SVILUPPO DI METODI DI ELABORAZIONE E TRATTAMENTO
DI DATI, SEGNALI E IMMAGINI BIOLOGICHE E MEDICHE
12
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)
13
Elettrocardiogramma (es. diagnosi aritmie)
Elettromiogramma (es. diagnosi neuropatie)
14
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
15
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
16
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 di 6
SVILUPPARE STRUMENTAZIONE E DISPOSITIVI
DIAGNOSTICI E TERAPEUTICI A TECNOLOGIA AVANZATA
17
ESEMPIO 3a: strumentazione di misura per elettrocardiografia
ESEMPIO 3b: pacemaker per il controllo della pulsatilita’ cardiaca
18
ESEMPIO 3c: robot per uso in interventi chirurgici
19
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 di 6
SVILUPPARE TECNOLOGIE PER LA DISABILITA’, PROTESI E
ORGANI ARTIFICIALI
20
ESEMPIO 4a: Impianto cocleare (“orecchio bionico”) per sordi profondi
21
ESEMPIO 4b: Protesi dentali
filling 93%
filling 95%
filling 96%
filling 100%
Modello virtuale solido e numerico
di un sistema implantare multiplo
22
ESEMPIO 4c: Ginocchio artificiale
Radiografia e illustrazione di un'articolazione sana.
Radiografia e immagine di articolazione affetta da artrosi.
23
ESEMPIO 4d: Diagnosi e terapie riabilitative dell’ apparato locomotore
Postura e patologie
del rachide
Studio della spasticità
muscolare, diagnosi e
terapie riabilitative
24
ESEMPIO 4e: Simulazione delle
sollecitazioni durante gesti
motori
muscolo
Stimolatore
impiantabile
controllore
c
p
s
ESEMPIO 4f:
Stimolazione
muscolare
attraverso elettrodi
impiantabili
25
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 di 6
STUDIO DI BIOMATERIALI E INGEGNERIA DEI TESSUTI
BIOLOGICI
26
ESEMPIO 5a: Sintesi di pelle artificiale per curare lesioni alla cute
27
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 di 6
SVILUPPO DI TECNOLOGIE DELL’INFORMATICA E DELLE
TELECOMUNICAZIONI PER LA SANITA’
28
ESEMPIO 6a: gestione informatizzata di dati sanitari
Laboratori
analisi
Reparti
Rete Locale
(LAN)
Accettazione
Radiologia
PACS
Amministrazione
Elaboratore
centrale
29
ESEMPIO 6b: sistemi informativi sanitari integrati
MEDICO DI BASE
ASL
Anagrafe
assistiti
Archivio
prestazioni
Prenotazione
esami
Dati integrati
Dati integrati
Trasmissione dati
Archivio
pazienti
Archivio
esami
Richiesta
esami
Archivio
prenotazioni
Esecuzione
esami
Archivio
referti
Invio
referti
Trasmissione dati Ricezione
referti
Archivio
cartelle
30
ESEMPIO 6c: sistemi di Telemedicina
Centro clinico
Sistema di
telecomunicazione
Casa
Paziente
Protocollo terapia
Medical Unit
Dati del paziente
Patient
Unit
Strumento
di misura
Medici
Paziente
31
ESEMPIO 6C. Un’applicazione in funzione : gestione telematica di pazienti
diabetici (progetto M2DM - finanziato dall’Unione Europea)
Telephone
Palmtops
Mail
Data Base
CTI
WEB
Knowledge Base
server
server
Data Analysis
WAP
server
Mobile phone
Ospedale
LAN
PC
PC
Web/TV
PC
WAN
Firewall
es. Ospedale Padova
es. Internet
italiana
PC
Router
Realizzazione con
Internet
Router
PC
Rete telefonica
server
(provider)
es. Wind
32
LAUREE IN INGEGNERIA
BIOMEDICA IN ITALIA
33
12 LAUREE TRIENNALI ATTUALMENTE ATTIVE
Politecnico di MILANO
"
"
PAVIA
Politecnico di TORINO
GENOVA
"
"
" "" "
""" "
"
"
" " " " " " " " ""
" "
" ""
" " "
"
"
"
" ""
" "" "
"" ""
"
" ""
" "
"
""
"
"
"" ""
"
""
"
"
""
"
"
"
"
"
" ""
""
PADOVA
BOLOGNA
PISA
Università Campus Biomedico - ROMA
""
"
"
Politecnica delle Marche - ANCONA
" ""
"
" "
"" ""
NAPOLI
""
"
""
"
"
"
"
"
CAGLIARI
"
""
"
"
""
"
CATANZARO
""
""
"
""
"
"
"
Inoltre, Indirizzo “Ingegneria Biomedica” in:
•Laurea in Ingegneria Elettronica a TRIESTE
•Lauree in Ingegneria Elettronica e Meccanica a FIRENZE
34
14 LAUREE SPECIALISTICHE ATTUALMENTE ATTIVE
Politecnico di MILANO
"
"
PAVIA
Politecnico di TORINO
GENOVA
"
"
" "" "
""" "
"
"
" " " " " " " " ""
" "
" ""
" " "
"
"
"
" ""
" "" "
"" ""
"
" ""
" "
"
""
"
"
"" ""
"
""
"
"
""
"
"
"
"
"
" ""
""
TRIESTE
PADOVA
BOLOGNA
FIRENZE
Politecnica delle Marche - ANCONA
PISA
Università Tor Vergata - ROMA
Università La Sapienza - ROMA
Università Campus Biomedico - ROMA
""
"
"
" ""
"
" "
"" ""
NAPOLI
""
"
""
"
"
"
"
"
"
""
"
"
""
"
""
""
"
""
"
"
"
35
PERCHE’ A PADOVA
36
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 (no. programmato:
25 studenti/anno)
•Dottorato di Ricerca in Bioingegneria dal 1984 (fino al 1999 all’interno del
Consorzio del Politecnico di Milano, dal 2000 al 2004 come offerta
dell’Università di Padova, dal 2005 come indirizzo della Scuola di Dottorato
in
37
Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Padova)
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 indirizzo Bioingegneria (3 anni) dal 2004/05
38
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. DEGLI ELABORATORI
•MECCANICA E DINAMICA DEI FLUIDI
•FONDAMENTI DI AUTOMATICA
•BIOMATERIALI
•INGLESE (VERIFICA)
39
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 1
TIROCINIO
PROVA FINALE
Due corsi a scelta tra:
•Elaborazione di dati, segnali e immagini biomed.
•Meccanica dei tessuti biologici
•Misure Compatibilità Elettromag. e Sicur. Elettrica
•Dati e Algoritmi 1
•Storia della Tecnologia dell’Informazione
•Bioingegneria Meccanica
•Elettronica Digitale 1
•Fondamenti di Comunicazioni
•Economia e Organizzazione Aziendale 2
Meccanica dei Tessuti Biologici
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 del vecchio Diploma Universitario in
Ingegneria Biomedica
40
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
Due corsi a scelta tra
Dati ed algoritmi 2
Elettronica Digitale
Fondamenti di Comunicazioni
Un corso a scelta tra
Fisica matematica
Analisi reale e complessa
Corsi a scelta:
Analisi di Dati Biologici
Neuroingegneria
Bioimmagini
Bioingegneria per la genomica
Bioelettromagnetismo
Informatica e biologia computazionale
TESI DI LAUREA SPECIALISTICA
41
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.
42
RICERCA IN BIOINGEGNERIA
A PADOVA
43
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
Dipartimento di Istologia, Microbiologia e Biotecnologie
Mediche
ALTRI ISTITUTI
Istituto di Ingegneria Biomedica, Consiglio Nazionale delle
Ricerche
44
EVENTI PERIODICI A PADOVA: BIONOVA
SITO DELL’EDIZIONE 2005
Prossima edizione: 18-20 aprile 2007
http://www.bionova.it
45
RICERCA IN BIOINGEGNERIA IN ITALIA
http://www.bioing.it
46
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
47
NEURO-ROBOTICA: LA FUSIONE DI NEUROSCIENZE E ROBOTICA PER LO SVILUPPO DI MACCHINE INTELLIGENTI