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COMPARTMENTAL MODELS AND ARTIFICIAL ORGANS
PAOLO PIAGGI
Academic year2022/23
CourseBIOMEDICAL ENGINEERING
Code843II
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
MODELLI COMPARTIMENTALIING-INF/06LEZIONI60
PAOLO PIAGGI unimap
ORGANI ARTIFICIALIING-INF/06LEZIONI60
AURORA DE ACUTIS unimap
GIOVANNI VOZZI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Modulo di Modelli Compartimentali

Al termine del corso lo studente avrà acquisito conoscenze in merito agli strumenti e alle metodologie per la modellizzazione fisico-matematica dei sistemi biologici.

Modulo di Organi Artificiali

Capire le equazioni di base delle reazioni chimiche (ordine zero, primo ordine, Micheles Menten). Acquisire conoscenze sui sistemi fisiologici naturali, modellarli e progettare la sostituzione dell'apparecchiatura. Modella il rene, il polmone, il cuore, il pancreas e la sua relazione con il fegato e definire e ottimizzare i principali parametri di un dialisi, di un ossigenatore, di un cuore artificiale e di un infusore di insulina.

Knowledge

Module of Compartmental Models

Students will have acquired knowledge about the tools and methodologies for the mathematical modeling of biological systems.

Module of Artificial Organs

Understand the basic equations of chemical reactions (zero order, first order, Micheles Menten). Acquire knowledge on the natural physiological systems, model them and to design equipment replacement. Model kidney, lung, heart, pancreas and its relationship with liver and to define and optimise the principal parameters of a dialyser, of an oxygenator, of an artificial heart and of an insulin infuser.

Modalità di verifica delle conoscenze

Modulo di Modelli Compartimentali

La verifica delle conoscenze sarà oggetto della valutazione della prova scritta prevista all'inizio di ogni sessione d'esame.

Modulo di Organi Artificiali

Lo studente dovrebbe essere in grado di stimare il tasso di consumo di ossigeno nel corpo e illustrare la differenza tra zero, prima e seconda reazione. Lo studente dovrebbe dimostrare la capacità di modellare il diverso sistema biologico descritto durante la classe e di ottimizzare i dispositivi medici in base a diverse condizioni fisiologiche e patologiche di un paziente.

Assessment criteria of knowledge

Module of Compartmental Models

Academic progress will be monitored and verified from the written test at the beginning of each exam session.

Module of Artificial Organs

The student should be able to estimate the rate of oxygen consumption in the body, and illustrate the difference between zero, first and second order reactions. The student should demonstrate the ability to model the different biological system described during the class, and to optimize the medical devices on the basis of different physiological and pathological conditions of a patient.

Capacità

Per quanto riguarda il modulo “Modelli Compartimentali”, al termine del corso lo studente saprà approcciare le problematiche di modellistica matematica dei sistemi biologici.

Per quanto riguarda il modulo “Organi Artificiali”, al termine del corso lo studente, sarà in grado di modellare il diverso sistema biologico descritto durante la classe e di ottimizzare i dispositivi medici in base a diverse condizioni fisiologiche e patologiche di un paziente.

Skills

Module of Compartmental Models

By the end of the course, students will know how to approach the biological systems via mathematical modelling.

Module of Artificial Organs

At the end of the course, the student will be able to model the different biological system described in the classroom and to optimize medical devices according to different physiological and pathological conditions of a patient.

Modalità di verifica delle capacità
  • Esame scritto finale
  • Esame orale finale

Ulteriori informazioni: L'esame scritto richiede risoluzioni problematiche. 50% SCRITTO, 50% orale

Assessment criteria of skills

Final written exam

Final oral exam

Further information: The written exam requires problem solving. 50% WRITTEN, 50% oral

Comportamenti

Nel modulo di “Modelli Compartimentali, lo studente potrà acquisire e/o sviluppare sensibilità alle problematiche di modellistica dei sistemi biologici.

 

Nel modulo “Organi Artificiali”, i comportamenti che si ritiene lo studente possa acquisire sono:

Sensibilità nei confronti della analisi e della progettazione dei dispositivi di ausilio ai sistemi biologici;

Sensibilità nella progettazione di dispositivi di ausilio ai sistemi biologici.

Behaviors

In the module of Compartmental Models, students will acquire and/or develop awareness of mathematical modeling of biological systems.

 

In the module of Artificial Organs, the behaviors that students feel is able to acquire are:

Sensitivity to the analysis and design of devices for aids to biological systems;

Sensitivity in designing aids for biological systems.

Modalità di verifica dei comportamenti

Per entrambi i moduli, gli strumenti utilizzati per accertare l’acquisizione dei comportamenti attesi saranno:

  • Interazioni con il docente tramite ricevimenti;
  • Domande rivolte agli studenti nel corso delle lezioni frontali, per verificare l’acquisizione e il consolidamento di certi concetti.
Assessment criteria of behaviors

For both modules, the tools used to ascertain the expected behavior acquisition are:

  • Interaction with the teacher through receptions;
  • Questions addressed to students during the front lessons, to verify 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 algebra lineare. Sono inoltre utili, anche se non strettamente necessarie, conoscenze relative a meccanica, automatica, biostatistica, elettronica e biologia.

Prerequisites

To profitably attend this course, no specialistic knowledge is required. However, consolidated competences of physics, mathematics and linear algebra are needed. In addition, useful (even if not strictly needed) competences concern mechanics, control engineering, biostatistics, electronics, and biology.

Indicazioni metodologiche

Attività didattiche:

Frequentando lezioni

Presenza: consigliato

Programma (contenuti dell'insegnamento)

Modulo di Modelli Compartimentali

Introduzione alla modellistica matematica in fisiologia e biologia, modelli compartimentali e farmacocinetici, modelli fisiologici, identificazione a priori, stima parametrica, casi di studio, reazioni enzimatiche. Introduzione a tecniche avanzate di modellizzazione e analisi dati, deconvoluzione, progettazione dell'esperimento, simulazione di modelli compartimentali lineari e nonlineari, identificazione di modelli ingresso-uscita, identificazione di modelli strutturali.

Modulo di Organi Artificiali

Cinetica enzimatica, reazioni di emoglobina e ossigeno, equazioni di reazione del ligando del recettore. Modello della fisiologia renale, del ciclo Henle, del trasporto e della diffusione di sali, proteine, di secrezione. Parametri di un rene naturale e progettazione e modellizzazione di un dializzatore. Modello della fisiologia polmonare, del trasporto del gas, dell'ossigenazione del sangue in condizioni fisiologiche e patologiche. Definizione dei principali parametri di un polmone naturale e progettazione e modellizzazione di un ossigenatore. Modello della fisiologia del cuore, definizione dei suoi parametri principali e progettazione e modellizzazione della pompa cardiaca, cuore artificiale e pacemaker. Modello della fisiologia epatica del pancreas, metabolismo del glucosio insulino.

Syllabus

Module of Compartmental Models

Introduction to mathematical modeling, compartmental models, pharmacokinetics, physiological models, a priori identification, parametric estimation, case studies, enzymatic reactions, tumor growth model, introduction to advanced techniques of modeling and data analysis, deconvolution, design of experiments, simulation of linear and nonlinear compartmental models, identification of input-output models, identification of structural models.

Module of Artificial Organs

Enzyme kinetics, haemoglobin and oxygen reactions, receptor ligand reaction equations. Model of kidney physiology, of Henle loop, of transport and diffusion of salts, protein, of secretion. Parameters of a natural kidney and design and modelling of a dialyser. Model of Lung physiology, of gas transport, of blood oxygenation in physiological and pathological conditions. Definition of principal parameters of a natural lung and design and modelling of an oxygenator. Model of heart physiology, definition of its principal parameters and design and modelling of cardiac pump, artificial heart and pacemaker. Model of pancreas-liver physiology,glucose insulin metabolism.

Bibliografia e materiale didattico

Modulo di Modelli Compartimentali

Carson, C. Cobelli. Modelling metodology for physiology and medicine (2nd edition). Elsevier.

Materiale didattico condiviso sulla piattaforma e-learning.

 

Modulo di Organi Artificiali

Biomedical engineering principles, David O. Cooney, Marcel Dekker, New York

appunti forniti dal docente

Bibliography

Module of Compartmental Models

Carson, C. Cobelli. Modelling metodology for physiology and medicine (2nd edition), Elsevier.

Lecture materials will be available on the e-learning platform.

 

Module of Artificial Organs

Biomedical engineering principles, David O. Cooney, Marcel Dekker, New York.

Materials furnished by the professor.

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.

Updated: 17/08/2022 08:45