Fondamenti di Bioingegneria Elettronica - Progettoatena.It

Corso di Fondamenti di Bioingegneria Elettronica 

Fondamenti di Bioingegneria Elettronica 

Docenti: 

Proff. Giancarlo Ferrigno/Guido Baroni 

Dipartimento di Bioingegneria - Politecnico di Milano 

Tel. 02-2399-3371/3346 (Dipartimento di Bioingegneria) 

02-40308-283/349 (Centro di Bioingegneria) 

E-mail 

ferrigno/baroni@biomed.polimi.it 

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Docenti: 

Proff. Gabriella Signorini/Giuseppe Baselli 


Tel. 02-2399-3328/3368 (Dipartimento di Bioingegneria) 

E-mail 

signorini/baselli@biomed.polimi.it 

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Esercitatori (I parte): 

Dott. Giuseppe Andreoni/Raffaele Dellacà 


Tel. 02-2399-3352 (Dipartimento di Bioingegneria) 

02-40308-305/446 (Centro di Bioingegneria) 

E-mail 

andreoni/dellaca@biomed.polimi.it 

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Esercitatori (I parte): 

Ingg. Pietro Cerveri/Christian Forlani 


Tel. 02-2399-3352 (Dipartimento di Bioingegneria) 

E-mail 

cerveri/forlani@biomed.polimi.it 

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Orario delle lezioni: 

LUNEDI’ 12.15-14.15 Aula EG.3/EG.4 

MARTEDI’ 

MERCOLEDI’ 

10.15-12.15 Aula N.11/B.66 

8.15-10.15 Aula D.03/B.66 

Orario delle esercitazioni: 

MERCOLEDI’ 14.15-17.15 Aula D.11/B.66 A-E/L-O 

15.15-18.15 Aula D.22/T.03 F-K/P-Z 

Ricevimento: 

MERCOLEDI’ 10.30-12.30 

Dipartimento di Bioingegneria 

(via Golgi 39, IV piano) 

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• I parte: 

Obiettivi del corso 

- descrivere tecnologie e problematiche relative alla misura di 

grandezze di origine biologica, con lo scopo di acquisire 

competenze generali per essere buoni progettisti, 

selezionatori ed utilizzatori di dispositivi per misure biomediche 

- acquisire nozioni sui parametri che caratterizzano il 

funzionamento statico e dinamico dei dispositivi di misura in 

campo biomedico con particolare attenzione all’elemento di 

trasduzione del segnale 

- conoscere alcune tecniche di trattamento del segnale 

(amplificazione, retroazione, filtraggio) per il miglioramento 

del rapporto segnale rumore 

- conoscere la tecnologia di alcune classi di trasduttori con 

esempi di applicazione nell’ambito di alcune strumentazioni 

cliniche di largo impiego 

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Introduzione 

Programma del corso (prima parte) 

1. Sorgenti biologiche di segnali 

1.1 Caratteristiche generali dei segnali di interesse biomedico 

1.2 Grandezza trasdotta, ampiezza, banda, rapporto segnale-rumore 

2. Strumentazione per impieghi biomedici 

2.1 Definizioni e principali caratteristiche 

2.2 Sicurezza 

2.2 Classificazione 

3. Misure biomediche 

3.1 Problematiche di interfaccia artificiale-biologico 

3.2 Catena di misura 

3.3 Misure e caratteristiche statiche e dinamiche 

3.4 Taratura degli strumenti 

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4. Condizionamento dei segnali 

4.1 Conversione analogico - digitale 

4.2 Interferenze e altre sorgenti di rumore 

4.3 Incremento del rapporto segnale rumore 

5. Amplificazione del segnale 

5.1 Requisiti generali 

5.2 Dispositivi per la riduzione delle interferenze 

5.3 Telemetria 

6. Sensori e principi di trasduzione 

6.1 Sensori di posizione e di forza 

6.2 Sensori di temperatura 

6.3 Misure ottiche 

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7. Elettrodi 

7.1 Interfaccia elettrolita-elettrodo 

7.2 Polarizzazione 

7.3 Elettrodi interni-esterni 

7.4 Elettrodi per stimolazione 

8. Apparecchiature per immagini diagnostiche 

8.1 Caratteristiche generali dei sistemi per immagini 

8.2 Ultrasuoni 

8.3 Radiazioni ionizzanti 

9. Misure 

9.1 Flussimetria 

9.2 Pressione 

9.3 Pletismografia 

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Modalità di verifica 

• 2 verifiche in itinere per ogni parte del corso 

- I verifica dopo circa 3-4 settimane 

- II verifica nella prima sospensione (Novembre) 

-III verifica dopo circa 3-4 settimane dalla fine della 

prima sospensione 

- IV verifica immediatamente prima della seconda 

sospensione (Febbraio) 

• Coloro che riportano una votazione di almeno 27/30 

come media delle 4 prove possono accedere a una 

valutazione orale integrativa facoltativa. 

• Saranno previste prove di recupero durante le 

sospensioni. Gli studenti interessati dovranno contattare 

il docente e iscriversi alle prove. 

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Le date indicative per le prove in itinere sono: 

PI1:nella settimana 15-19 ottobre (argomenti delle prime 16 ore di lezione 

della prima parte del corso) 

PI2:nella settimana di sospensione 12-16 novembre (argomenti delle 

seconde 16 ore di lezione della prima parte del corso) 

PI3:nella settimana 17-21 dicembre (o alternativamente 7-11 gennaio per 

lasciare tempo di studio nelle vacanze natalizie) (argomenti delle 

prime 16 ore di lezione della seconda parte del corso) 

PI4:nella settimana di sospensione 28 gennaio-1 febbraio (argomenti delle 

seconde 16 ore di lezione della seconda parte del corso) 

Ogni prova ha la durata di 1h40’. 

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Superamento dell’esame 

A questo punto chi non ha al suo attivo almeno una prova in itinere 

sufficiente (18/30) deve ripetere il corso l’anno successivo. Chi ha 

totalizzato quattro prove sufficienti accede all’esame finale che si tiene 

nella seconda settimana della seconda sospensione (4-8 febbraio). 

Coloro che hanno riportato una votazione media sulle 4 prove superiore a 

27/30 hanno accesso, su richiesta, a un orale integrativo da tenere nella 

settimana dell’esame finale, gli altri registrano semplicemente il voto 

ottenuto. L’orale spazia su tutti gli argomenti del corso. 

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Prove di recupero 

Coloro che non hanno al proprio attivo 4 prove sufficienti (ma ne hanno 

almeno una), hanno due occasioni di recupero. La prima è situata nelle 

settimane dall’11 febbraio all’1 marzo e la seconda viene scelta tra le due 

possibilità di settembre. 

La prova di recupero prevede 4 prove da 1h40’ vertenti sugli argomenti delle 

4 prove in itinere. Ciascuno studente è libero di effettuarne fino a tre negli 

orari stabiliti (sequenziali). È consentito agli studenti di ripetere una singola 

prova sufficiente, ma per loro insoddisfacente, una sola volta per ogni anno 

di corso. Si può ripetere un massimo di due prove sufficienti, ma 

insoddisfacente per lo studente per ogni anno di corso. 

Coloro che non raggiungono, in base ai vincoli sopra citati, 4 prove 

sufficienti entro il recupero di settembre ripetono il corso l’anno successivo. 

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Caratteristiche delle prove 

•Le prove comprendono domande a scelta multipla, esercizi e 

risposte a quesiti. 

•La durata della singola prova è di 1h 40’. 

•L’esame richiede il superamento di 4 prove 

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Testi (prima parte) 

• Medical Instrumentation – Application and Design 

John G. Webster ed. – John Wiley & Sons Inc. 1995 

• Tecnologie Biomediche 

Antonio Pedotti – CLUP – Milano 

• Strumentazione Biomedica 

Progetto e impiego dei sistemi di misura 

Guido Avanzolini – Patròn editore – Bologna 1998 

• Tecnologie Biomediche: 

esempi di applicazione ed esercizi 

A. Pedotti, A. Aliverti, G. Andreoni, G. Ferrigno 

CLUP – Milano 2001 

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Prima parte 

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Introduzione 

La Bioingegneria Elettronica 

Terminologia 

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Le aree di attività degli Ingegneri Biomedici 

• Applicazione della teoria dei sistemi e del controllo a problemi 

biologici (modelli di sistemi fisiologici, simulazione e controllo) 

• Rilevazione, misura e monitoraggio di segnali fisiologici (biosensori 

e strumentazione biomedica) 

• Interpretazione diagnostica di dati bioelettrici impiegando tecniche 

di analisi del segnale 

• Dispositivi e procedure per la terapia e la riabilitazione (ingegneria 

della riabilitazione e protesi) 

• Dispositivi per la sostituzione o il sostegno di funzioni (organi 

artificiali) 

• Analisi dei dati dei pazienti e metodi decisionali in medicina 

(informatica medica e intelligenza artificiale) 

• Bioimmagini morfologiche e funzionali 

• Creazione di nuovi prodotti biologici (biotecnologia e ingegneria 

tissutale) 

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Le discipline dell’Ingegneria Biomedica 

• Biomeccanica: studio delle meccanica dei solidi e dei fluidi nei 

sistemi fisiologici 

• Biomateriali: progetto e sviluppo di materiali impiantabili 

• Modellizzazione, simulazione e controllo: ricerca di base per la 

conoscenza delle realtà fisiologiche 

• Strumentazione biomedica: progetto e sviluppo di strumentazione 

per la misura di eventi fisiologici (include i biosensori) 

• Analisi dei dati biomedici: rilevazione, classificazione e analisi dei 

segnali bioelettrici 

• Ingegneria della riabilitazione: progetto e sviluppo di strumenti e 

procedure terapeutiche e riabilitative 

• Organi artificiali e protesi: progetto e sviluppo di dispositivi per la 

sostituzione o il supporto di organi 

• Informatica medica: elaborazione di dati dei pazienti, metodi 

decisionali, sistemi esperti e reti neurali 

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Le discipline dell’Ingegneria Biomedica 

• Bioimmagini: rilevazione e analisi di dettagli anatomici e funzionali 

in forma grafica 

• Biotecnologie: creazione e modifica di materiali biologici 

• Ingegneria clinica: progetto e sviluppo di strutture, strumenti 

sistemi e procedure in ambito clinico 

• Effetti biologici dei campi elettromagnetici: studio degli effetti di 

campi elettromagnetici sui tessuti biologici 

Da: 

Biomedical Engineering Handbook 

Joseph D. Bronzino Ed. 

CRC Press Inc. 1995 

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Terminologia 

• Strumentazione: “Complesso degli strumenti, attrezzature, impianti, 

dispositivi, che occorrono per certe attività.....” 

• Misura: “Numero che esprime l’estensione di una grandezza rispetto 

ad un’altra, convenzionalmente assunta come unitaria” 

• Segnale: “Qualsiasi forma di messaggio od effetto di uno specifico 

processo atto al trasferimento di informazioni” 

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Terminologia 

• Trasduttore: “Ogni elemento che trasforma un segnale di ingresso in 

un segnale di uscita di natura differente” 

• Sensore: “Ogni generico elemento, strumento o apparato sensibile a 

variazioni di una grandezza fisica e atto a convertirla in un segnale di 

ingresso utile (elettrico) ad un sistema di trasmissione di 

informazione” 

• Attuatore: “Ogni dispositivo in grado di convertire un segnale 

elettrico in una grandezza fisica” 

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Esempi di grandezze biomediche misurabili 

Attività elettrica cerebrale (EEG, MEG) 

proprietà meccaniche 

del timpano 

ERG, EOG 

pressione arteriosa 

flusso sanguigno 

suoni cardiaci, polmonari 

attività elettrica muscolare (EMG) 

radiopacità 

impedenza acustica 

antropometria 

pressione intracranica 

temperatura 

pressione intraesofagea 

respirazione: volume VO 2 

, VCO 2 

, 

pressioni pO 2, 

pCO 2 

gittata cardiaca 

attività elettrica cardiaca (ECG) 

pH ematico 

concentrazioni enzimatiche 

movimenti 

livello di idratazione, 

flusso sanguigno cutaneo 

mappe di potenziali, temperatura 

interazione dinamica 

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Origine dei segnali biologici 

• Basali: sono segnali legati alla fisiopatologia, cioè al funzionamento 

normale o in presenza di malattia, dell’organismo vivente 

Esempi : 

- attività elettrica cerebrale ( => elettroencefalografia) 

- attività elettrica cardiaca ( => elettrocardiografia) 

- flussi ematici 

- pressione arteriosa 

- temperatura basale 

• Evocati: sono segnali ottenuti come risposta ad un determinato 

stimolo imposto dall’esterno 

Esempi : 

- potenziali evocati 

- gittata cardiaca ( metodo della diluizione) 

- configurazione arterie coronariche (angiografia) 

- immagini diagnostiche(radiologia, TAC, RMN) 

- metabolismo del glucosio 

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Classificazione dei segnali biologici 

• Classificazione per variabile indipendente: 

-Segnali Temporali: è il tempo la variabile 

indipendente più importante che li 

caratterizza (segnali bioelettrici) 

-Segnali Spaziali: è lo spazio la variabile 

indipendente più importante che li 

caratterizza (bioimmagini, mappe) 

-Segnali Spazio-temporali: spazio e tempo 

concorrono come variabili indipendenti 

(ecocardiografia dinamica, RMN funzionale) 

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• Classificazione per natura della grandezza caratterizzante: 

- Segnali elettrici 

- Segnali chimici 

- Segnali magnetici 

- Segnali meccanici 

- Segnali termici 

• Classificazione per sistema biologico che li ha generati: 

- Sistema cardiovascolare 

- Sistema nervoso 

- Sistema endocrino 

- Apparato muscolo-scheletrico 

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• Classificazione per proprietà chimico-fisiche dei tessuti che li 

generano: 

- Impedenza acustica 

- Potere di assorbimento delle radiazioni 

- Proprietà istologiche 

- Proprietà metaboliche 

- Proprietà termiche 

- Proprietà elettriche, magnetiche 

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I Biopotenziali 

• I segnali elettrici di origine biologica rappresentano le variabili 

biomediche meglio si prestano ad una analisi effettuata con 

strumentazioni di tipo elettronico 

• Per questo motivo è necessario un approfondimento sui 

meccanismi fisiologici che li generano e sui relativi segnali 

effettivamente misurabili 

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Sorgenti di Biopotenziali 

• I potenziali bioelettrici rappresentano il risultato dell’attività 

elettrochimica delle cellule “eccitabili”. 

• Queste sono cellule caratterizzate da un “potenziale di riposo” e 

un “potenziale d’azione”. 

• Sono cellule eccitabili: 

• le cellule muscolari (cardiache in particolare) 

• le cellule nervose (neuroni e recettori) 

• alcune cellule ghiandolari 

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Polarizzazione di membrana 

Fattori che condizionano il potenziale di membrana 

Muscolo scheletrico della rana (T ~ 20 o C) 

Concentrazione Ioni intracellulare extracellulare permeabilità 

(millimoli/litro) 

cm/s 

Na + 12 145 2x10 -8 

K + 155 4 2x10 -6 

Cl - 4 120 4x10 -6 

A - (proteine) 155 == == 

Na + Na + Na + 

K + Cl - Cl - 

- + 

+ A - K + A - 

Cl - - 

- 

+ 

Na + + - - + 

3Na + 2K + + + Cl 

K + - 

+ 

-A - + 

- 

K + Na + - + 

+ 

+ + 

+ 

Na + 

↑ Gradiente di diffusione dq/dt=K([q i ]-[q e ]) 

↓ Campo elettrico E=-∇V dq/dt=g(V i -V o ) 

↑ Canali della membrana (permeabilità passiva) 

↑ Trasporto attivo (ATP, ADP) 

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