GRUPPO DI BIOINGEGNERIA 1 RICERCHE PRESENTATE 1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci 2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche 3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia 4. Riabilitazione e funzione motoria 5. Information & Communication Technology nella Sanità2 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 RICERCHE PRESENTATE 1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci 2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche 3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia 4. Riabilitazione e funzione motoria 5. Information & Communication Technology nella Sanità 5 1. MODELLI PER LO STUDIO DELLA CINETICA DI FARMACI 6 PROBLEMA: SISTEMI COMPLESSI E SITI INACCESSIBILI IN VIVO ... SISTEMA FISIOLOGICO Assorbimento, trasporto, utilizzazione del farmaco. Masse negli organi e nei tessuti MISURE ? POOL ACCESSIBILE •Modelli black-box •Modelli strutturali 7 Deconvoluzione Enti finanziatori: MIUR-COFIN 2000 Concentrazione nel plasma STIMA DI FLUSSI 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, ... 8 DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE WINSTODEC Enti finanziatori: GlaxoSmithKline (Middlesex, UK) 9 MODELLO MATEMATICO + + SISTEMA FISIOLOGICO ... A Assorbimento, trasporto, utilizzazione del farmaco. D Masse negli organi e nei tessuti 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 Complesse relazioni non lineari fra i parametri COMPUTER ALGEBRA e ALGEBRA DIFFERENZIALE Stima parametrica Campioni radi/rumorosi, intervalli di confidenza importanti per classificazione, vincoli sui parametri, .. INFORMAZIONE A PRIORI E STIMA ALLA BAYES (MCMC) 10 Approccio “di Popolazione” a deconvoluzione e stima parametrica SITUAZIONE DATA POOR: nel singolo soggetto basso SNR e/o pochissimi campioni per cui non si riescono a stimare i parametri o i flussi incogniti individuali (esempio: trial clinici di farmaci) APPROCCIO DI POPOLAZIONE: STUDIO N SOGGETTI (SUPPOSTI OMOGENEI) ASSIEME ESEMPIO: MODELLISTICA A LIVELLO DI PIXEL DA IMMAGINI PET 11 Studio del sistema recettoriale nel cervello da immagini PET Enti finanziatori: MURST COFIN-2000, GlaxoSmithKline (Verona) 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 12 esempio in base al numero di recettori occupati) RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci 2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche 3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia 4. Riabilitazione e funzione motoria 5. Information & Communication Technology nella Sanità 13 2. METODI DI ELABORAZIONE ED ANALISI DI DATI, SEGNALI E IMMAGINI BIOMEDICHE E APPLICAZIONI DIAGNOSTICHE 14 Analisi del segnale elettroencefalografico Enti finanziatori: Micromed SRL (Mogliano Veneto, TV), Regione Veneto 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 15 DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE PER ANALISI DI COERENZA DI TRACCIATI EEG Ente finanziatore: Regione Veneto Autospettro 1 Funzione Coerenza Autospettro 2 16 DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE PER ANALISI TEMPO FREQUENZA DI POTENZIALI EVOCATI Ente finanziatore: Micromed SRL (Mogliano, TV) 17 Potenziali evocati uditivi Enti finanziatori: 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 ANALISI DI SPETTRO 18 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’ ADATTAMENTO SSR a 40 Hz, 15 risposte impulsive 19 Gene Network da dati di microarray di DNA CAPIRE QUALI GENI SI ESPRIMONO IN PRESENZA DI INSULINA E COME INTERAGISCONO TRA LORO ... livello espressione 0 Studio in vitro di cellule muscolari (incubate in insulina), con un campionamento ogni 10 minuti ... 20 10 Analisi delle sequenze temporali del livello di espressione dei vari geni nestin GRa4 GAD65 0 GENE NETWORK 20 40 20 60 min 80 Cluser analysis dei dati di microarray di DNA (software public-domain Genesis, Università di Graz) 21 Imaging PET della cinetica del glucosio nel muscolo 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 22 dalla PET alla MRI VANTAGGI • Etici: assenza di radiazioni ionizzanti • Economici: costa meno (apparati, personale, …) 23 Imaging MRI dell’emodinamica cerebrale 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 diagnosi24della stenosi carotidea) Esempio: STUDIO DELL’EMODINAMICA CEREBRALE MRI CON TRACCIANTE ESOGENO (GADOLINIO) paziente con stenosi carotidea destra MODELLO Flusso ematico Volume ematico 25 RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche 3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia 4. Riabilitazione e funzione motoria 5. Information & Communication Technology nella Sanità 26 3. ELABORAZIONE E ANALISI DI IMMAGINI PER DIAGNOSTICA IN OFTALMOLOGIA 27 Analisi di immagini corneali 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) 28 Analisi di immagini retiniche 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 29 FOTOGRAFIA DELLA RETINA OTTENUTA CON FUNDUS CAMERA Lesioni vascolari: • identificazione • misura 3 PASSI VESSEL TRACKING PROFILE TRACKING SPLINE SMOOTHING 30 RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia 4. Riabilitazione e funzione motoria 5. Information & Communication Technology nella Sanità 31 4. RIABILITAZIONE E FUNZIONE MOTORIA 32 Bioingegneria del Movimento STUDIO ED APPLICAZIONE DI TECNICHE PER LA MOBILITY ASSESSMENT GAIT analysis con diversi protocolli 33 DIMOSTRAZIONE: GAIT ANALYSIS CON TECNICA STEREOFOTOGRAMMETRICA Ricostruzione della cinematica articolare attraverso il tracking di marker incollati sulla pelle del soggetto. 34 SVILUPPO DI UN ALGORITMO AUTOMATICO DI CORREZIONE DEGLI ARTEFATTI DI PELLE IN STEREOFOTOGRAMMETRIA PER L’IDENTIFICAZIONE DEI PARAMETRI CINEMATICI DEGLI ARTI INFERIORI. Visualizzazione dei vettori artefatto di pelle per la coscia. Implementazione dell’algoritmo di correzione per ridurre l’artefatto di pelle in stereofotogrammetria. In evidenza l’aderenza del modello (blu) alla cinematica del segmento osseo (nero). 35 MODELLI 3D FEM DEL MOVIMENTO DEI TESSUTI MOLLI NEGLI ARTI INFERIORI Simulazione FEM del movimento di flessoestensione dell’anca per diversi soggetti/geometrie della gamba. STUDIO MODELLI DI CONTROLLO MOTORIO 36 RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia Riabilitazione e funzione motoria 5. Information & Communication Technology nella 37 Sanità 5. INFORMATION & COMMUNICATION TECHNOLOGY NELLA SANITÀ 38 Gestione telematica di pazienti diabetici 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 39 Progettazione di sistemi informativi sanitari Enti finanziatori : Provincia Autonoma di Bolzano MEDviewer MEDfolder MEDdatalink gestione anagrafica, acquisizione dati, tracciati, immagini da registrazione eventi, apparecchiature prestazioni, elettromedicali, parametri vitali, esami di strumenti per la misura, filtri digitali, laboratorio, … overlay vettoriali. 40 Sviluppo cartella clinica anestesiologica Enti finanziatori : Provincia Autonoma di Bolzano MEDintra dati acquisiti da differenti apparecchiature (monitor, respiratori, pompe di infusione) Sistema per la gestione di dati clinici relativi all‘ attività anestesiologica, nelle sue tre fasi principali: Fase preoperatoria Fase intraoperatoria Fase postoperatoria Progettazione di un sistema di riconoscimento automatico degli artefatti in sala operatoria 41