ECTS - University of Pisa
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ROBOTICS FOR SURGERY AND TARGETED THERAPY
ARIANNA MENCIASSI
Academic year2021/22
CourseBIONICS ENGINEERING
Code697II
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageEnglish

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
MICRO/NANO ROBOTICS AND BIOMATERIALSING-IND/34LEZIONI60
LEONARDO RICOTTI unimap
ROBOTICS FOR MINIMALLY INVASIVE THERAPYING-IND/34LEZIONI60
ARIANNA MENCIASSI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

L’insegnamento ha l’obiettivo di far acquisire agli studenti le conoscenze e gli strumenti metodologici caratteristici della robotica in ambito chirurgico/diagnostico, delle terapie mirate basate su micro/nano-materiali intelligenti e della bioingegneria a scopo rigenerativo.

In particolare, nel modulo “Robotics for minimally invasive therapy”, lo studente acquisirà conoscenze e metodologie relative alla progettazione di robot e strumentazione intelligente per la chirurgia e l’interventistica. Lo studente riuscirà a distinguere i tratti salienti dei sistemi robotici più indicati per le diverse patologie, da utilizzare in distretti anatomici differenti e con diverse esigenze di accesso, di trattamento e di intervento. Grazie all’analisi di sistemi per chirurgia robot-assisted disponibili presso l’istituto del docente, gli studenti riusciranno a collegare le conoscenze teoriche acquisite con dei casi pratici. Saranno anche forniti i principi base di COMSOL Multiphysics per un primo approccio alla simulazione di sistemi complessi. Nel modulo “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”,lo studente acquisirà inizialmente conoscenze e metodologie di base relative a chimica, microfabbricazione e biologia, dopodiché acquisirà competenze specifiche e metodologiche (anche grazie ad attività di laboratorio) relative a tecniche di sintesi e caratterizzazione di materiali e biomateriali, medicina rigenerativa, ingegnerizzazione di cellule staminali con stimoli chimici e fisici, 3D bioprinting, sviluppo e caratterizzazione di micro e nanovettori per terapie mirate, tenendo conto di opportune leggi di scala, micro- e bio-robot.
Knowledge

The course objective is to provide students with knowledge and methodological tools typical of robotics in the surgical/diagnostic domain, of targeted therapies based on micro/nano smart materials and of bioengineering for regenerative purposes.

In particular, in the “Robotics for minimally invasive therapy” module, the student will gather knowledge and methodologies concerning the design of robots and intelligent instruments for surgery and interventional tasks. The student will be able to recognize the most significant features of the most suitable robotic systems for each pathological condition, taking into consideration the different anatomical areas, the different access requirements and the required interventional procedures. Thanks to the analysis of the surgical robots available in the teacher’s Institute, the students will be able to relate the theoretical knowledge with real practical scenarios. Base knowledge about COMSOl Multiphysics software will be provided by means of specific lessons and practical sessions.

In the “Micro-Nano Robotics and Biomaterials” module, the student will initially gather basic knoweldge and methodologies concerning chemistry, microfabrication and biology. Afterwards, he/she will acquire specific competences and methodologies (also thanks to lab practical activities) concerning biomaterial synthesis and characterization techniques, regenerative medicine, stem cell engineering through chemical and physical stimuli, 3D bioprinting, development and characterization of micro and nanovectors for targeted therapy, taking into account specific scaling laws, micro- and bio-robots.
Modalità di verifica delle conoscenze

Nel modulo “Robotics for minimally invasive therapy”, il docente inviterà gli studenti a interagire proponendo soluzioni a piccoli quesiti che saranno presentati durante il corso normale delle lezioni. Molte lezioni constano di una parte hands on in cui agli studenti verranno presentati dei sistemi per chirurgia robotica o image – guided. Durante tali presentazioni, anche svolte insieme a dottorandi e post-doc, il docente porrà dei quesiti per valutare se i concetti teorici propedeutici sono stati appresi e se gli studenti riescono a calare tali concetti nelle esperienze pratiche a loro proposte.

Nel modulo “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, verrà richiesto agli studenti di elaborare un projectual work nel quale gli studenti stessi identificano un’ipotesi innovativa nei campi di ricerca inerenti al corso e sviscerano gli esperimenti necessari per validare tale ipotesi. Per l’accertamento delle conoscenze, relativamente a tale projectual work, saranno svolti degli incontri tra il docente e gli studenti che sviluppano il progetto, in modo da indirizzare opportunamente il lavoro. In sede d’esame, la verifica delle conoscenze riguarderà sia l’esposizione del projectual work che la valutazione orale delle conoscenze acquisite durante il corso.
Assessment criteria of knowledge

In the “Robotics for minimally invasive therapy” module,  the teacher will invite the students to interact suggesting proper solutions to specific questions that will be presented during the lessons. Several lessons are organized with a specific hands-on part where surgical robots or image-guided systems will be presented to the students. During these presentations, usually carried out together with PhD students and post-doc, the teacher will ask proper questions to the students for evaluating if the preparatory theoretical concepts have been comprehended and if they are able to move these concepts into the proposed practical experiences.

In the “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, the students will be asked to prepare a projectual work, in which they will identify a novel hypothesis dealing with the fields touched during the module and will describe the set of experiments needed to validate such hypothesis. To assess the students’ knowledge and skills, concerning the projectual work, meetings between teacher and students will be planned, in order to properly guide their activity. During the exam, the assessment willl concern both a presentation of the projectual work and the oral evaluation of the knowledge acquired in the course.
Capacità

Per quanto riguarda il modulo “Robotics for minimally invasive therapy”, al termine del corso lo studente:

  • sarà in grado di individuare gli elementi principali di un sistema robotico per chirurgia robot assistita;
  • sarà in grado di progettare a grandi blocchi un sistema di chirurgia robotico sulla base di specifiche cliniche;
  • sarà in grado di svolgere una ricerca su un tema di chirurgia robotica proposto individuando la tipologia di appartenenza (es. robot teleoperato, autonomo, hand – held).

Per quanto riguarda il modulo “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, al termine del corso lo studente:

  • Sarà in possesso delle conoscenze principali riguardanti i campi delle terapie mirate basate su micro/nanovettori e della medicina rigenerativa;
  • Sarà in grado di orientarsi nella letteratura scientifica riguardante i micro/nanovettori per terapie mirate e medicina rigenerativa;
  • Sarà in grado di formulare ipotesi innovative in questo ambito e di prevedere quale sia il set di esperimenti più opportuno per validarla. Sarà inoltre in grado di esporre queste conoscenze in forma di presentazione organizzata;
  • Saprà svolgere attività pratiche in ambienti specializzati quali camera bianca, laboratorio di chimica e laboratorio biologico, rispettando le relative norme di sicurezza e di protezione individuale.
Skills

Concerning the module “Robotics for minimally invasive therapy”, at the end of the course the student:

  • Will be able to identify the main elements of a robotic system for robotic-assisted surgery;
  • Will be able to roughly design a surgical robotic system based on specific clinical requirements;
  • Will be able to perform a state of the art research regarding proposed surgical robotics topics, identifying the category in which a surgical robotic system belongs (e.g. teleoperated robots, autonomous robots, hand-held robots).

Concerning the module “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, at the end of the course the student:

  • Will possess the main knowledge about targeted therapies based on micro/nanovectors and regenerative medicine;
  • Will be able to orient him/herself in the scientific literature dealing with micro/nanovectors for targeted therapies and regenerative medicine;
  • Will be able to formulate innovative hypotheses in the mentioned domains and to foresee which would be the most appropriate set of experiments in order to validate them. In addition, he/she would be able to present such knowledge through an organized ppt file.
  • Will be able to carry out practical lab activities in specialized environments such as clean room, chemical lab and biological lab, respecting the corresponding safety rules and individual protection norms.
Modalità di verifica delle capacità

Nel modulo “Robotics for minimally invasive therapy”, il maggiore strumento per la verifica dell’apprendimento sarà la prova d’esame finale. Durante il corso il docente esporrà gli studenti a semplici quesiti per accertare la capacità degli stessi di estrarre i contenuti teorici e applicarli in casi pratici. Questa verifica sarà condotta in particolare durante le sessione pratiche in cui agli studenti verrà chiesto di riconoscere i moduli di quello che hanno appresso nelle piattaforme che saranno loro presentate.

Nel modulo “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, gli strumenti utilizzati consisteranno in:

  • Attività pratiche di laboratorio chimico (utilizzo di cappa chimica, bilancia di precisione, vortex, piastre riscaldanti e semplici reagenti), di microfabbricazione (utilizzo di spin-coater e attrezzatura per soft lithography) e di laboratorio biologico (utilizzo di cappa biologica, cellule di linea, reagenti e saggi colorimetrici);
  • Banca dati “Scholar”, al fine di identificare lo stato dell’arte più vicino all’idea progettuale proposta dallo studente;
  • Lo studente dovrà preparare una presentazione organizzata mediante la quale dovrà esporre l’idea e il set di esperimenti previsto nell’ambito del suo projectual work.
Assessment criteria of skills

In the module “Robotics for minimally invasive therapy”, the major instrument for learning evaluation will be the final examination. During the course, the teacher will propose simple questions to the students for verifying their capabilities to extract the theoretical concepts and applying them into practical scenarios. This kind of check will be performed especially during the practical sessions when the students will have to recognize the specific modules investigated during the course in the presented platforms.

In the module “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, the instruments used will consist of:

  • Practical chemical lab activities (using chemical hood, precision balance, vortex, heating plates and simple reagents), microfabrication activities (using spin-coater and soft lithography equipment) and biological lab activities (using biological hood, cell lines, reagents and colorimetric assays);
  • “Scholar” database, to identify the state-of-the-art which is as close as possible to the project idea proposed by the student;
  • The student will have to prepare an organized presentation by means of which he/she will explain the idea and the set of experiments envisioned in the projectual work.
Comportamenti

Nel modulo “Robotics for minimally invasive therapy”, lo studente imparerà a comprendere gli elementi più rilevanti in un approccio interventistico-chirurgico, distinguendo tra gli aspetti tecnici e quelli legati al paziente, all’operatore e al sistema sanitario. Quando possibile il docente cercherà di sottolineare i rapporti costi/beneficio caratteristici delle diverse soluzioni proposte, in modo da far acquisire agli studenti consapevolezza dei problemi legati alla tecnologia per la chirurgia.

Nel modulo “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, i comportamenti che si ritiene lo studente possa acquisire sono:

  • Sensibilità nei confronti della formulazione di ipotesi innovative e di idee progettuali nell’ambito delle terapie mirate e della medicina rigenerativa;
  • Sensibilità nello svolgere procedure di laboratorio delicate e in ambienti controllati/sterili;
  • Competenze e sensibilità riguardanti i campi delle terapie basate su micro/nanovettori e delle tecnologie per medicina rigenerativa.
Behaviors

In the module “Robotics for minimally invasive therapy”,  the students will be able to identify the most relevant elements in a surgical-interventional approach, distinguishing technical aspects from issues related to patients, healthcare system and operators. When feasible, the teacher will underline the peculiar cost/benefits ratio of each proposed solution, for helping the students to become aware about the most important problems related to technology for therapy and surgery.  

In the module “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, the attitudes that the student is thought to acquire are:

  • Attitude to formulate innovative hypotheses and projectual ideas in the targeted therapies and regenerative medicine domains;
  • Attitude to carry out delicate lab activities and in controlled/sterile environments;
  • Competences and attitude concerning the fields of therapies based on micro/nanovectors and technologies for regenerative medicine.
Modalità di verifica dei comportamenti

Nel modulo “Robotics for minimally invasive therapy”, gli strumenti utilizzati per accertare l’acquisizione dei comportamenti di cui sopra saranno essenzialmente le domande o le considerazioni che gli studenti faranno durante le lezioni. Il docente, ad esempio, chiederà quale approccio interventistico è più idoneo per un certo problema e dalla risposta cercherà di capire se lo studente ha acquisito consapevolezza dei problemi di costo/beneficio delle diverse tecnologie presentate.

Nel modulo “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, gli strumenti utilizzati per accertare l’acquisizione dei comportamenti attesi saranno:

  • Interazioni con il docente nel corso della preparazione dei projectual work, per valutare la solidità e innovatività delle ipotesi formulate;
  • Misure effettuate nel corso delle sessioni di laboratorio, allo scopo di valutare il grado di accuratezza delle attività svolte;
  • Domande rivolte agli studenti nel corso delle lezioni frontali, per verificare l’acquisizione e il consolidamento di certi concetti.
Assessment criteria of behaviors

In the module “Robotics for minimally invasive therapy”, the instruments used to assess if the students gathered the expected attitudes described above are essentially the questions or the students’ considerations carried out during the lessons. The teacher, for example, will ask which is the most appropriate approach for a defined problem and from the students’ answers she will try to understand if the students have acquired the proper awareness regarding the cost/benefits problems of each technology proposed during the course.

In the module “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, the instruments used to assess if the students gathered the expected attitudes are:

  • Interactions with the teacher during the projectual work preparation, to evaluate the solidity and novelty of the formulated hypotheses;
  • Measurements performed during practical lab activities, aiming at evaluate the accuracy of the activities carried out by the students;
  • Questions posed to the students during the frontal classes, to evaluate the acquisition and consolidation of certain concepts.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Per seguire il corso in modo proficuo, non sono richieste conoscenze specialistiche da parte degli studenti. Tuttavia, sono necessarie conoscenze consolidate di base di fisica, matematica e Sono inoltre utili, anche se non strettamente necessarie, conoscenze relative a meccanica, elettronica, chimica e biologia.

 

 
Prerequisites

To profitably attend this course, no specialistic knowledge is required. However, consolidated competences of physics, mathematics and automation are needed. In addition, useful (even if not strictly needed) competences concern mechanics, electronics, chemistry and biology.
Indicazioni metodologiche

Per quanto riguarda il modulo “Robotics for minimally invasive therapy”, le informazioni metodologiche sono le seguenti:

  • Le lezioni si svolgono utilizzando slide in inglese, la lavagna per semplici schemi o passaggi matematici, video e animazioni per capire meglio come si svolgano alcuni interventi e quali siano le anatomie di interesse.
  • Le sessioni hands-on consistono in visioni e utilizzo di piattaforme robotiche aperte per chirurgia (needle insertion con ausilio robotico, terapia a US con guida robotica, Da Vinci robot per teleoperazione, etc.). Gli studenti vedranno i diversi moduli dei sistemi e saranno invitati dal docente e dagli operatori delle piattaforme a fare piccoli task di programmazione o esecuzione.
  • Le lezioni saranno disponibili in formato elettronico (file pdf) sul sito http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea, accessibile dagli studenti; oltre alle lezioni saranno caricati anche articoli e capitoli di libro rilevanti.
  • L’interazione con gli studenti avverrà via e-mail e con incontri programmati.
  • La lingua per tutte le attività sarà l’inglese.

 

Per quanto riguarda il modulo “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, le indicazioni metodologiche sono le seguenti:

  • Le lezioni si svolgeranno in forma alternata alla lavagna e utilizzando slide proiettate, con l’ausilio anche di animazioni e video;
  • Le esercitazioni in laboratorio si svolgeranno fornendo a tutti gli studenti degli opportuni dispositivi di protezione individuale (camici, occhiali e guanti) e facendo svolgere ad ogni studente specifiche operazioni;
  • Le lezioni saranno disponibili in formato elettronico (file pdf) sul sito http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea, accessibile dagli studenti;
  • L’interazione tra studente e docente avverrà mediante scambi e-mail o fissando degli appuntamenti su richiesta, per ricevimenti e richieste di chiarimenti sul projectual work;
  • Si prevede lo sviluppo di un projectual work da parte di ogni studente;
  • La lingua utilizzata nel corso delle lezioni e delle attività di laboratorio sarà sempre l’inglese.
Teaching methods

Concerning the module “Robotics for minimally invasive therapy”, the methodological information are the following:

  • The lessons will be carried out by using powerpoint slides in English, the blackboard will be used for simple schemes o mathematical issues, video and animations will be used for better explain how some specific surgical interventions are carried out and which are the main anatomical structures involved in specific surgical procedures.
  • The hands-on sessions consist of visits, demo and simple training sessions of open robotic platforms for surgery (robotic needle insertion, robotic-guided US therapy, Da Vinci robot for teleoperated tasks, etc.). The students will observe the main modules of each platform and the teacher, together with the platform operators, will ask them to perform simple programming or execution tasks.
  • Lessons will be available in electronic format (pdf files) on the website http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea, accessible by students; together with the lessons, selected papers and book chapters will be also uploaded in the website.
  • The teacher/student interaction will be based on e-mail exchanges or by setting meetings on demand.
  • The language used during all classes activities is English.

Concerning the module “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, the methodological indications are:

  • The classes will be carried out in an alternated way at the blackboard and by means of projected slides, also with the help of animations and videos;
  • Practical lab activities will be carried out by providing all students with proper individual protection equipment (labcoat, gloves and glasses) and by asking students to carry out specific tasks;
  • Lessons will be available in electronic format (pdf files) on the website http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea, accessible by students;
  • The teacher/student interaction will be based on e-mail exchanges or by setting meetings on demand, for discussing topics touched during the course and clarifications on the projectual work;
  • A projectual work is expected from each student;
  • The language used during all classes and practical activities is English.
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Per quanto riguarda il modulo “Robotics for minimally invasive therapy”, i contenuti dell’insegnamento sono i seguenti:

  • Robotica per chirurgia minimamente invasiva: Introduzione al problema, diversi scenari di chirurgia e di intervento. Cosa significa “targeted therapy”: esempi di limitata efficacia quando la cura non è targeted. Indice terapeutico e due diversi concetti di targeting: targeting meccanico (che sarà oggetto del presente modulo) e targeting chimico (che sarà oggetto del secondo modulo). (3 ore)
  • Chirurgia mini-invasiva tradizionale e non robotica: Laparascopia, problemi della laparoscopia, tremore, visione, effetto fulcro. (5 ore)
  • Chirurgia minimamente invasiva robotica: chirurgia robotica hand held, teleoperata, autonoma. Robotica e manipolatori. Analisi delle immagini e tracking. (27 ore)
  • Lezioni pratiche su piattaforme autonome, hand held e teleoperate. (10 ore)
  • Dalla chirurgia all’organo artificiale: il pancreas artificiale. (3 ore)
  • Chirurgia endoluminale: capsule endoscopiche e strumentazione che naviga nei lumi o che attraversa i lumi naturali. (7 ore)
  • Targeting e guida tramite campi magnetici: utilizzo di COMSOL per la guida magnetica e l’ancoraggio di piccola strumentazione. (5 ore).

 

Per quanto riguarda il modulo “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, i contenuti dell’insegnamento sono i seguenti:

  • Fondamenti di chimica e laboratorio di chimica (5 ore)
  • Fondamenti di microfabbricazione e attività in camera bianca (5 ore)
  • Fondamenti di biologia e laboratorio di biologia (5 ore)
  • Biomateriali e medicina rigenerativa (9 ore)
  • Attività pratiche di imaging SEM e profilometria (6 ore)
  • Teoria e applicazioni degli ultrasuoni per targeted therapy e medicina rigenerativa (3 ore)
  • Leggi di scala (3 ore)
  • Introduzione alle targeted therapies e attività pratiche di soft lithography e drug dilution (8 ore)
  • Micro/nanovettori per rilascio controllato di farmaco (8 ore)
  • Microrobot e robot bio-ibridi (3 ore)
  • Definizione dei projectual work (5 ore)
Syllabus

For the module “Robotics for minimally invasive therapy”, the course topics are the following:

  • Robotics for minimally invasive surgery: introduction of the problem, different surgical and interventional scenarios. Which is the meaning of “targeted therapy”: examples of limited efficacy when the therapy is not targeted. Therapeutic index and two different concepts of targeting: mechanical targeting (topic of this module) and chemical targeting (topic of the next module) (3 hours).
  • Traditional minimally invasive surgery – not robotics: laparoscopy, problems related to laparoscopy, tremor, vision, fulcrum effect (5 hours).
  • Robotic minimally invasive surgery: hand held robotic surgery, teleoperated surgery, autonomous surgery. Robotics and manipulators. Analysis of images and tracking (27 hours).
  • Practical classes on autonomous, hand-held and teleoperated platforms (10 hours).
  • From the surgery to the artificial organs: the artificial pancreas (3 hours).
  • Endoluminal surgery: endoscopic capsules and instruments for lumen navigation or for operations through natural lumen (7 hours).
  • Targeting and magnetic guidance: COMSOL software for magnetic guidance and stable anchoring of small instrumentations (5 hours).

For the module “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, the course topics are the following:

  • Fundamentals of chemistry and chemistry lab (5 h)
  • Fundamentals of microfabrication and clean room activities (5 h)
  • Fundamentals of biology and biological lab (5 h)
  • Biomaterials and regenerative medicine (9 h)
  • Practical activities of AFM e rheometry (6 h)
  • Theory and applications of ultrasound for targeted therapy and regenerative medicine (3 h)
  • Scaling laws (3 h)
  • Introduction to targeted therapies and practical activities of soft lithography and drug dilution (8 h)
  • Micro/nanovectors for controlled drug delivery (8 h)
  • Microrobots e bio-hybrid robots (3 h)
  • Projectual work definition (5 h)
Bibliografia e materiale didattico

Per quanto riguarda il modulo “Robotics for minimally invasive therapy”, la principale bibliografia di riferimento è la seguente:

·         H.G. Stassen et al. “Open versus minimally invasive surgery: a man-machine system approach”, Transactions of the Institute of Measurement and Control, Vol 21, no. 4-5, 1999.

  • Davies, “Robotic Surgery – A Personal View of the Past, Present and Future“, Int. J. Adv. Rob. Syst., 12:54, 2015.
  • Dario et al., “Smart Surgical Tools and Augmenting Devices”, IEEE Trans Rob Automation, 19, 5, 2003.
  • Cleary, “Image guided interventions”, Annual Review Biomed. Eng., 12, 2010.
  • Vitiello et al.,” Emerging Robotic Platforms for Minimally Invasive Surgery”, IEEE Trans Biomed Eng., 2013.
  • Loeve et al., “Scopes Too Flexible ...and Too Stiff”, IEEE Pulse, 2010.
  • Sliker et al., “Magnetically driven medical devices: a review”, Expert Rev. Med. Devices, 2015.
  • Ciuti et al., “Capsule Endoscopy: From Current Achievements to Open Challenges”, IEEE Reviews Biomed Eng, 2011.
  • Taylor et al., “Chapter 52, Medical Robotics and Computer Integrated Surgery”, in the Handbook of Robotics, Springer, 2007.

Per quanto riguarda il modulo “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, la bibliografia di riferimento è la seguente:

  • Ricotti, L., & Menciassi, A. (2013). Engineering stem cells for future medicine. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 60(3), 727-734.
  • Fu, J., Wang, Y. K., Yang, M. T., Desai, R. A., Yu, X., Liu, Z., & Chen, C. S. (2010). Mechanical regulation of cell function with geometrically modulated elastomeric substrates. Nature methods, 7(9), 733-736.
  • Hinton, T. J., Jallerat, Q., Palchesko, R. N., Park, J. H., Grodzicki, M. S., Shue, H. J., ... & Feinberg, A. W. (2015). Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels. Science advances, 1(9), e1500758.
  • Purcell, E. M. (1977). Life at low Reynolds number. American journal of physics, 45(1), 3-11.
  • Blanco, E., Shen, H., & Ferrari, M. (2015). Principles of nanoparticle design for overcoming biological barriers to drug delivery. Nature biotechnology, 33(9), 941-951.
  • Ricotti, L., Cafarelli, A., Iacovacci, V., Vannozzi, L., & Menciassi, A. (2015). Advanced micro-nano-bio systems for future targeted therapies. Current Nanoscience, 11(2), 144-160.
  • Abbott, J. J., Nagy, Z., Beyeler, F., & Nelson, B. J. (2007). Robotics in the small, part I: microbotics. IEEE Robotics & Automation Magazine, 14(2), 92-103.
  • Timko, B. P., Dvir, T., & Kohane, D. S. (2010). Remotely triggerable drug delivery systems. Advanced materials, 22(44), 4925-4943.

Per entrambi i moduli, le lezioni in formato digitale, i paper di riferimento e i capitoli di libro sono disponibili sul sito http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea, accessibile dagli studenti.
Bibliography

For the module “Robotics for minimally invasive therapy”, the main bibliography is the following:

·         H.G. Stassen et al. “Open versus minimally invasive surgery: a man-machine system approach”, Transactions of the Institute of Measurement and Control, Vol 21, no. 4-5, 1999.

  • Davies, “Robotic Surgery – A Personal View of the Past, Present and Future“, Int. J. Adv. Rob. Syst., 12:54, 2015.
  • Dario et al., “Smart Surgical Tools and Augmenting Devices”, IEEE Trans Rob Automation, 19, 5, 2003.
  • Cleary, “Image guided interventions”, Annual Review Biomed. Eng., 12, 2010.
  • Vitiello et al.,” Emerging Robotic Platforms for Minimally Invasive Surgery”, IEEE Trans Biomed Eng., 2013.
  • Loeve et al., “Scopes Too Flexible ...and Too Stiff”, IEEE Pulse, 2010.
  • Sliker et al., “Magnetically driven medical devices: a review”, Expert Rev. Med. Devices, 2015.
  • Ciuti et al., “Capsule Endoscopy: From Current Achievements to Open Challenges”, IEEE Reviews Biomed Eng, 2011.
  • Taylor et al., “Chapter 52, Medical Robotics and Computer Integrated Surgery”, in the Handbook of Robotics, Springer, 2007.

For the module “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, the main bibliography is the following:

  • Ricotti, L., & Menciassi, A. (2013). Engineering stem cells for future medicine. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 60(3), 727-734.
  • Fu, J., Wang, Y. K., Yang, M. T., Desai, R. A., Yu, X., Liu, Z., & Chen, C. S. (2010). Mechanical regulation of cell function with geometrically modulated elastomeric substrates. Nature methods, 7(9), 733-736.
  • Hinton, T. J., Jallerat, Q., Palchesko, R. N., Park, J. H., Grodzicki, M. S., Shue, H. J., ... & Feinberg, A. W. (2015). Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels. Science advances, 1(9), e1500758.
  • Purcell, E. M. (1977). Life at low Reynolds number. American journal of physics, 45(1), 3-11.
  • Blanco, E., Shen, H., & Ferrari, M. (2015). Principles of nanoparticle design for overcoming biological barriers to drug delivery. Nature biotechnology, 33(9), 941-951.
  • Ricotti, L., Cafarelli, A., Iacovacci, V., Vannozzi, L., & Menciassi, A. (2015). Advanced micro-nano-bio systems for future targeted therapies. Current Nanoscience, 11(2), 144-160.
  • Abbott, J. J., Nagy, Z., Beyeler, F., & Nelson, B. J. (2007). Robotics in the small, part I: microbotics. IEEE Robotics & Automation Magazine, 14(2), 92-103.
  • Timko, B. P., Dvir, T., & Kohane, D. S. (2010). Remotely triggerable drug delivery systems. Advanced materials, 22(44), 4925-4943.

For both modules, the lessons in a digital format, together with papers and book chapters will be available on the website http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea, accessible by the students.
Indicazioni per non frequentanti

Non ci sono variazioni per studenti non frequentanti.
Non-attending students info

There are no variations for students that do not attend the course.
Modalità d'esame

Per quanto riguarda il modulo “Robotics for minimally invasive therapy”, le modalità d’esame sono le seguenti:

  • L’esame consiste di una prova orale, che però è accompagnata da un test scritto che permette una maggiore copertura di argomenti anche con l’uso di schemi e di figure dedicate.
  • Lo studente deve prima rispondere alle domande su carta, domande che consistono in quesiti a risposta multipla, schemi da completare, strumentazioni da riconoscere, piccoli problemi progettuali da risolvere.
  • Al termine della prova, l’elaborato viene discusso con il docente e con eventuali collaboratori alla docenza e gli aspetti poco chiari vengono rivisitati con domande orali dedicate.…
  • La durata media di un esame è di circa due ore, divise tra domande scritte e discussioni/approfondimenti orali.…
  • L’esame è superato se lo studente dimostra padronanza degli argomenti trattati, se riesce a collegare gli argomenti trattati con casi specifici presentati ad hoc dal docente, e se mostra rigore nelle risposte.

Per quanto riguarda il modulo “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, le modalità d’esame sono le seguenti:

  • L’esame è costituito da una prova orale;
  • La prova orale consiste in un colloquio tra il candidato e il docente e altri collaboratori del docente titolare. La prima parte del colloquio si focalizza sul projectual work: il candidato espone la propria idea progettuale, lo stato dell’arte di riferimento e il set di esperimenti necessario per validare l’idea proposta; il docente e i suoi collaboratori fanno domande sul piano di lavoro proposto. La seconda parte del colloquio è basata su domande allo studente su argomenti toccati durante il corso. La durata media del colloquio è di circa 40 minuti per ogni studente;
  • La prova orale è superata se il candidato si dimostra capace di esporre in modo chiaro e conciso il proprio projectual work, se è in grado di rispondere con padronanza e metodo alle osservazioni dei docenti sul projectual work e se risponde in modo corretto alla maggior parte delle domande poste dai docenti riguardanti gli argomenti del corso.
Assessment methods

For the module “Robotics for minimally invasive therapy”, the exam modality is the following:

  • The exam will be based on an oral examination, accompanied by a written test that allows the teacher to better cover the course arguments also by exploiting dedicated schemes and figures.
  • First of all, the student has to answer to the written questions, i.e. multiple choices questions, schemes to be completed, instrumentations to be recognized, easy desing problems to be solved.
  • At the end of the written test, the answers will be discussed with the teacher and collaborators and the not clear aspects will be discussed in details with specific oral questions.
  • The mean duration of an examination is about 2 hours, divided between written questions and oral discussions/detailed analysis.
  • The oral examination is passed if the student demonstrates mastery in the described topics, if he/she is able to associate the investigated topics with specific examples presented time by time by the teacher during the examination, and if he/she is able to reply with accuracy and precision.

For the module “Micro-Nano Robotics and Biomaterials”, the exam modality is the following:

  • The exam will be based on an oral examination.
  • The oral examination consists of a discussion between the student and the teacher, together with his assistants. The first part of the examination is focused on the projectual work: the candidate present the project idea and the set of experiments needed to validate it; the teacher and his collaborators ask questions on the proposed work plan. The second part of the examination is based on questions to the student, on topics touched during the course. The average duration of the examination is about 40 min for each student.
  • The oral examination is passed if the student demonstrates ability to present in a clear and concise way his/her projectual work, if he/she is able to reply with mastery and showing a proper method to the questions posed by the teachers on the projectual work and if he/she replies in a correct way to the majority of the questions posed by the teachers concerning the course topics.

 
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Updated: 20/07/2021 13:11