Academic year2023/24
CourseBIOMEDICAL ENGINEERING
Code742II
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) |
| LABORATORIO DI TECNOLOGIE BIOMEDICHE | ING-INF/06 | LEZIONI | 60 | |
| MATERIALI E SISTEMI INTELLIGENTI | ING-INF/06 | LEZIONI | 60 | |
Obiettivi di apprendimento
Conoscenze
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
Il modulo di Laboratorio di Tecnologie Biomediche ha lo scopo di abilitare lo studente nella realizzazione di prototipi elettromeccanici per applicazioni biomediche, tenendo in considerazione i vincoli progettuali dati dalle normative vigenti e dagli standard internazionali di riferimento.
Modulo: Materiali e Sistemi Intelligenti
Il modulo di Materiali e Sistemi Intelligenti ha lo scopo di fornire allo studente conoscenze e competenze nell’ambito della progettazione di dispositivi biomedici basati su materiali e sistemi avanzati.
Knowledge
Laboratory of biomedical technologies
At the end of the course the student will be able to design electrmechanical devices for biomedical applications, respecting the current legislation on medical devices and the international standards
Module: Smart Materials and Systems
The Intelligent Materials and Systems module aims to provide the student with knowledge and skills in the design of biomedical devices based on advanced materials and systems.
Modalità di verifica delle conoscenze
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
La verifica delle conoscenze sarà oggetto della valutazione di un progetto preparato dallo studente che attesti la padronanza delle competenze obiettivo dell'esame.
Modulo: Materiali e Sistemi Intelligenti
Le conoscenze e le capacità di progettazione e ragionamento acquisite verranno valutate tramite esame scritto e tramite la consegna di un report tecnico, eventualmente completato da un orale su richiesta dello studente.
Assessment criteria of knowledge
Laboratory of biomedical technologies
The assessment of the skill will be an evaluatuon topic of a project, prepared by the student, attesting his/her expertises in the ojectives of the class.
Module: Smart Materials and Systems
The acquired knowledge, design and reasoning skills will be evaluated through a written exam and the delivery of a technical report, integrated by an oral exam if requested the student.
Capacità
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
Al termine del corso lo studente:
- saprà identificare la classe dei dispositivi medici e gli standard internazionali per la loro progettazione, e le procedure di certificazione;
- saprà utilizzare il software Fusion 360 per il design di componenti e assiemi meccanici, e per la gestione del processo di fresatura a controllo numerico;
- saprà utilizzare il framework Arduino (GUI e scheda, ed ambiente di simulazione Tinkercad) per la prototipazione rapida elettronica;
- sarà in grado di presentare in una relazione scritta i risultati dell'attività progettuale svolta applicando gli strumenti sopraelencati
Modulo: Materiali e Sistemi Intelligenti
Al termine del corso lo studente:
- saprà utilizzare le conoscenze acquisite per la progettazione di sensori, attuatori e smorzatori per dispositivi utilizzati in ambito biomedico;
- saprà utilizzare il ragionamento critico per valutare opportunamente i diversi approcci progettuali sulla base della loro performance in una data applicazione e sulla fattibilità dell’implementazione;
- saprà utilizzare software di progettazione elettronica (Eagle, Fritzing) per sviluppare circuiti in grado di interfacciarsi con i componenti progettati;
- sarà in grado di esporre una proposta progettuale grazie alla stesura di un report tecnico;
- sarà in grado di definire il set up sperimentale necessario per valutare la performance di un prototipo;
- sarà in grado di leggere e comprendere articoli scientifici nell’ambito bioingegneristico e datasheet tecnici.
Skills
Laboratory of biomedical technologies
At the end of the course, the student:
- will able to identify the class of a medical device, the international standards for its design, and the technical/legal route for its certification;
- will be able to use the software CAD Fusion 360, for designing mechanical parts and their assembly, and for controlling CN milling machine;
- will be able to use the Arduino Suite (GUI and electronic board and the simulation environment Tinkercad) for electronic rapid prototyping;
- wiil be able to present, with a written report, the results of his/her design activities using the above mentioned software tools
Module: Smart Materials and Systems
- will be able to use the knowledge acquired for the design of sensors, actuators and dampers for devices used in the biomedical field;
- will be able to use critical reasoning to appropriately evaluate the different design approaches on the basis of their performance in a given application and on the feasibility of implementation;
- will be able to use electronic design software (Eagle, Fritzing) to develop circuits capable of interfacing with the designed components;
- will be able to present a project proposal thanks to the drafting of a technical report;
- will be able to define the experimental set up necessary to evaluate the performance of a prototype;
- will be able to read and understand scientific articles in the bioengineering field and technical datasheets.
Modalità di verifica delle capacità
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
- Durante le sessioni di laboratorio informatico saranno svolti piccoli progetti tesi al comprendere l'utilizzo dei software Fusion 360, Arduino, Tinkercad;
- saranno svolte attività pratiche per la ricerca delle fonti attraverso l'utilizzo di database (e.g. Standard ISO), e cataloghi on-line di rivenditori di componenti elettromeccanici;
- lo studente dovrà preparare e presentare una relazione scritta che riporti i risultati dell'attività di progetto.
Modulo: Materiali e Sistemi Intelligenti
Le abilità acquisite verranno valutate in sede d’esame con esercizi mirati alla soluzione di problematiche ingegneristiche e con la stesura di un report tecnico dove lo studente presenterà una proposta progettuale per un componente di un dispositivo biomedico e svilupperà un semplice circuito elettronico per controllarlo. Inoltre, durante le lezioni saranno svolte diverse esercitazioni teoriche e sperimentali per verificare le abilità di ragionamento e soluzione di problemi ingegneristici e le abilità pratiche acquisite con i software di progettazione elettronica.
Assessment criteria of skills
Laboratory of biomedical technologies
- During the informatic lab sessions, students will make small project for understanding the use of Fusion 360, Arduino platform, Tinkercad;
- students will do practical research activities using databases (e.g. ISO Standards), and on-line catalogues of resellers of electromechanical components;
- students will prepare and present a written report on their results on design activities.
Module: Smart Materials and Systems
The skills acquired will be assessed during the exam with exercises aimed at solving engineering problems and with the drafting of a technical report where the student will present a design proposal for a component of a biomedical device and develop a simple electronic circuit to control it. In addition, during the lessons theoretical and experimental exercises will be carried out to verify the reasoning and solving skills of engineering problems and the practical skills acquired with electronic design software.
Comportamenti
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
- Lo studente potrà acquisire e/o sviluppare sensibilità alle problematiche di progettazione di dispositivi biomedicale, tenendo in considerazione le tecnologie di fabbricazione impiegate ed la natura del contatto con il corpo umano (paziente, operatore) e con l'ambiente
- Lo studente potrà saper gestire responsabilità di conduzione di un team di progetto
Modulo: Materiali e Sistemi Intelligenti
- Lo studente svilupperà skills di problem solving e team working
- Lo studente potrà sviluppare soluzioni progettuali in ambito biomedico basate su materiali e tecnologie avanzate
- Lo studente potrà presentare in maniera efficace il lavoro ingegneristico svolto in autonomia o in team.
Behaviors
Laboratory of biomedical technologies
- Students will develop awareness on the desing of biomedical devices, taking into account the fabrication technologies and the nature of the contact with the human body (both patient and operator) and with the environment;
- students will gain accountability for carrying out a project in team.
Module: Smart Materials and Systems
- The student will develop problem solving and team working skills
- The student will be able to develop design solutions in the biomedical field based on advanced materials and technologies
- The student will be able to effectively present the engineering work carried out independently or in a team.
Modalità di verifica dei comportamenti
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
- Durante le sessioni di laboratorio saranno valutati il grado di accuratezza e precisione delle attività svolte
- Durante il lavoro di gruppo sono verificate le modalità di definizione delle responsabilità, di gestione e organizzazione delle fasi progettuali
Modulo: Materiali e Sistemi Intelligenti
- Durante le esercitazioni si verificherà l’attitudine dello studente al ragionamento ed alla capacità di risolvere problemi ingegneristici in autonomia e in team.
- Grazie alla consegna del report tecnico di valuterà l’efficacia della comunicazione tecnica acquisita dallo studente
Assessment criteria of behaviors
Laboratory of biomedical technologies
- During the informatic lab sessions, the accuracy and the quality of students' activities will be evaluated;
- during the teamwork, accountability, organization and managment of project activites will be evaluated.
Module: Smart Materials and Systems
- During the exercises, the student aptitude for reasoning and the ability to solve engineering problems alone and in a team will be verified.
- Thanks to the delivery of the technical report, the effectiveness of the technical communication acquired by the student will be assessed
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche/Materiali e Sistemi Intelligenti
- Conoscenze teoriche: Fondamenti di matematica, statistica, fisica, chimica, scienza dei materiali, meccanica, elettronica e programmazione
- Abilità informatiche: utilizzo di un foglio di calcolo, e preparazione di un documento di testo e di una presentazione
Prerequisites
Laboratory of biomedical technologies/Module: Smart Materials and Systems
- Prerequisites: Fundamentals in Math, Statistics, Physics, Chemistry, Material Science, Mechanics, Electronics, Computer Science
- Computer skills: use of spreadsheets, text and slide show preparation
Indicazioni metodologiche
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
Il corso verrà portato avanti secondo le seguenti metodologie:
- Le lezioni frontali verranno svolte con l'ausilio di slide e filmati, e proiettando lo schermo del docente durante la spiegazione sull'utilizzo di software specifici. Ove possibile inoltre si utilizzeranno lavagne con gesso e/o pennarelli
- Le esercitazioni in aula informatica verranno svolti singolarmente o in gruppo a seconda dei numero di computer e di schede elettroniche di prototipazione disponibili
- Le ricerche sulle normative vigenti, sugli standard di progettazione e sulle componenti elettromeccaniche dei dispositivi medici verranno eseguiti su database ufficiali della Comunità Europea, della ISO e sui cataloghi online dei vari rivenditori;
- La piattaforma open source UBORA verrà utilizzata come guida nella progettazione dei dispositivi medici
- Se possibile verranno organizzati seminari con professionalità provenienti dal mondo dell'industria
- Il materiale didattico digitale verrà messo a disposizione dal docente tramite i canali web dell'ateneo
- Le comunicazioni generali tra docente e studenti avverrano tramite mail, ed una opportuna mailing list della classe verrà creata durante i primi giorni di lezione
- Il docente è disponibile per ricevimenti (anche collettivi), che sono incentivati per portare avanti al meglio il progetto da presentare durante lo svolgimento dell'esame
Modulo: Materiali e Sistemi Intelligenti
Il corso verrà prevederà:
- Lezioni frontali teoriche e svolgimento di esercizi per mostrare l’applicazione delle nozioni presentate. Le lezioni verranno svolte con l’ausilio di slide per la parte teorica e con lavagna (digitale e/o convenzionale) per la dimostrazione di formule e lo svolgimento di esercizi.
- Esercitazioni legate allo svolgimento degli esercizi da parte dello studente, seguiti in maniera attiva dal docente.
- Attività di laboratorio dove il docente mostrerà passo passo tramite condivisione dello schermo del proprio PC l’utilizzo di software di progettazione elettronica.
- Esercitazioni pratiche in cui lo studente si applicherà, seguito dal docente, nella progettazione di circuiti con i software presentati.
- Esercitazioni sperimentali dove lo studente potrà osservare e/o toccare con mano alcuni dei materiali/sistemi visti nel corso. In particolare, verranno misurati alcuni parametri caratteristici e analizzati i dati risultanti.
- Attività di lettura e comprensione di articoli scientifici e datasheet.
Teaching methods
Laboratory of biomedical technologies
The course will be carried out according to the following methodologies:
- During the frontal lessons, slide, videos and the screen of the lectures during the use of specific software will be projected. When possible, blackboard or whiteboard will be used;
- During the informatic lab sessions, students will work alone or in groups according to the number of computers and electronic boards available;
- Researchers of current legislation, on design standards and on electromechanical components of medical devices will be performed on official databases of European Community, ISO, and online catalogues of resellers;
- The open-source platform UBORA will be used as a guide for the design of medical devices
- If possible, representatives from industry will be invited for seminars;
- class material will be put online by the lectures using the official university website;
- general communication between students and lectures will be sent by email, a mailing list will be created at the beginning of the course
- The lecture is available for appointment (also with more than one student at a time). These appointments are encouraged in order to carry out at the best the design that will be presented during the final exam.
Module: Smart Materials and Systems
The course will include:
- Theoretical lectures and exercises to show the application of the presented concepts. The lessons will be held with the aid of slides for the theoretical part and with a blackboard (digital and / or conventional) for the demonstration of formulas and the carrying out of exercises.
- Exercises related to the performance of the exercises by the student, actively followed by the teacher.
- Laboratory activities where the teacher will show the use of electronic design software step by step by sharing the screen of their PC.
- Practical exercises in which the student will apply himself, followed by the teacher, in the design of circuits with the software presented.
- Experimental exercises where the student will be able to observe and/or touch some of the materials/systems seen in the course. In particular, some characteristic parameters will be measured and the resulting data will be analysed.
- Reading and comprehension activities of scientific articles and datasheets.
Programma (contenuti dell'insegnamento)
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
Introduzione
- pretotipo, prototipo e prodotto nel settore biomedicale
- classificazione dei dispositivi medici, standard internazionali di progettazione e procedure di certificazione
Parte 1: fondamenti di disegno tecnico
- il ruolo del disegno in ingegneria: dagli sketch manuali al CAD
- introduzione all’uso di un software CAD (Fusion 360): disegno di una parte e di un assieme
- quotatura e tolleranze
- introduzione di elementi di macchine (cuscinetti, ingranaggi, viti, ...)
Parte 2: fondamenti di tecnologia meccanica
- tecnologie sottrattive: tecnologie convenzionali (fresatura, tornitura, …) e non convenzionali (taglio laser, taglio ad acqua, ...)
- fabbricazione per formatura: stampaggio
- fabbricazione additiva
Parte 3: prototipazione rapida elettronica
- Schede per la prototipazione rapida in ambito elettronico
- acquisizione di segnali da sensori
- comunicazione tra schede, verso l’utente e verso un computer
- Introduzione all'utilizzo dell'ambiente di simulazione Tinkercad
Parte 4: prototipazione in ambito elettromeccanico
- Motori e driver
- Controllo di attuatori elettromeccanici
- Dimensionamento di motori e batterie
Parte 5: esempi pratici di design di dispositivi medici
Modulo: Materiali e Sistemi Intelligenti
Contenuti teorici:
- Definizione e proprietà di materiali intelligenti ed il loro utilizzo nella progettazione di sensori, attuatori, smorzatori, etc. Definizione e progettazione di sistemi intelligenti.
- Principi generali, equazioni costitutive ed applicazioni di materiali intelligenti piezoelettrici, magnetostrittivi, magnetoreologici, ferrofluidi, leghe a memoria di forma.
- Polimeri ed hydrogel in bioingegneria: principi generali, tecniche per modularne le proprietà, equazioni descrittive.
- Principi generali, equazioni costitutive ed applicazioni di polimeri ed hydrogel intelligenti: termoresponsivi, pH-sensibili, conduttori, elettroattivi, ferrogel, fotosensibili, cromici, bioluminescenti, elastomeri a cristalli liquidi.
- Materiali biomimetici e bioibridi.
- Ingegneria genetica per progettare materiali intelligenti ed engineered living materials.
- Nanomateriali e metamateriali in ambito biomedico.
Attività di laboratorio:
- Introduzione alla stesura di un report tecnico
- Introduzione all’ eCAD. Introduzione ai software Eagle/Fritzing mostrando la realizzazione di semplici circuiti
- Esercitazioni guidate sul dimensionamento di componenti basate su materiali intelligenti e progettazione di circuiti.
- Esercitazioni sperimentali relative a materiali/sistemi visti nel corso. In particolare, verranno misurati alcuni parametri caratteristici (ad esempio tramite analisi di immagini, app per misura del campo magnetico) e analizzati i dati risultanti.
Syllabus
Laboratory of biomedical technologies
Introduction
- pretotype, prototype and product in the biomedical field
- class of medical devices, international standards for designing medical devices and certification routes
Part 1: fundamentals of engineering drawing
- the role of engineering drawing; manual sketch and computer aided desing (CAD)
- use of CAD software (Fusion360): part design and assembling
- quotation and tolerances
- introduction to machine elements (gear, bearing, screws, ...)
Part 2: fundamentals of manufacturing technology
- subtractive technologies: conventional technologies (milling, turning, …) and non conventional technologies (laser cutting, water jet cutting,…)
- formative technologies: molding
- additive technologies:
Part 3: electronic rapid prototyping
- Boards for electronic rapid prototyping
- Signal acquisition from sensors
- Communication between boards, and towards users and computers
- Introduction to the simulation environment Tinkercad
Part 4: electromechanical prototyping
- Motors and motor drivers
- Control of electromechanical actuators
- Dimensioning of motors and batteries
Part 5: practical examples of the design of medical devices
Module: Smart Materials and Systems
Theoretical contents:
- Definition and properties of intelligent materials and their use in the design of sensors, actuators, dampers, etc. Definition and design of intelligent systems.
- General principles, constitutive equations and applications of intelligent materials: piezoelectric, magnetostrictive, magnetorheological, ferrofluid, shape memory alloy.
- Polymers and hydrogels in bioengineering: general principles, techniques for modulating their properties, descriptive equations.
- General principles, constitutive equations and applications of smart polymers and hydrogels: heat responsive, pH-sensitive, conductive, electroactive, ferrogel, photosensitive, chromic, bioluminescent, liquid crystal elastomers.
- Biomimetic and biohybrid materials.
- Genetic engineering to design intelligent materials and engineered living materials.
- Nanomaterials and metamaterials in the biomedical field.
Laboratory activities:
- Introduction to technical report drafting
- Introduction to eCAD. Introduction to Eagle / Fritzing software, showing the creation of simple circuits
- Guided tutorials on component desing based on smart materials and circuit design
- Experimental exercises related to materials/systems seen in the course. In particular, some characteristic parameters will be measured (for example through image analysis, apps for measuring the magnetic field) and the resulting data will be analysed.
Bibliografia e materiale didattico
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
- Materiale didattico fornito dal docente e disponibile sul sito di ateneo
- Pretotype it, 2a edizione, Alberto Savoia (pretotyping.org)
- Lezioni di disegno di macchine, 3a edizione, Sergio Barsali, Gian Carlo Barsotti, Umberto Rosa, Editrice S. Marco - Lucca
- Tecnologia meccanica e studi di fabbricazione, 2a edizione, Marco Santochi e Francesco Giusti, Casa editrice ambrosiana. ISBN 88-408-1028-5
- WHO compendium 2013 (www.who.int)
- Ahluwalia, A., De Maria, C., & Lantada, A. D. (Eds.). (2021). Engineering Open-Source Medical Devices: A Reliable Approach for Safe, Sustainable and Accessible Healthcare. Springer Nature.
Modulo: Materiali e Sistemi Intelligenti
- Slide delle lezioni con svolgimento degli esercizi/dimostrazioni
- Articoli scientifici e datasheet forniti dal docente
- Testi di riferimento suggeriti: ‘Engineering Analysis of Smart Material Systems’ – Donald Leo, ‘Smart Structure Theory’ – Chopra & Sihori, ‘Smart Polymers and their applications’ - Aguilar & Roman
Bibliography
Laboratory of biomedical technologies
- Teaching material provided by lectures and freely available on line
- Pretotype it, 2a edizione, Alberto Savoia (pretotyping.org)
- WHO compendium 2013 (www.who.int)
- Ahluwalia, A., De Maria, C., & Lantada, A. D. (Eds.). (2021). Engineering Open-Source Medical Devices: A Reliable Approach for Safe, Sustainable and Accessible Healthcare. Springer Nature.
Module: Smart Materials and Systems
- Slides of the lessons with exercises / demonstrations
- Scientific articles and datasheets provided by the teacher
- Suggested reference texts: 'Engineering Analysis of Smart Material Systems' - Donald Leo, 'Smart Structure Theory' - Chopra & Sihori, ‘Smart Polymers and their applications’ - Aguilar & Roman
Indicazioni per non frequentanti
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
La frequenza alle lezioni ed alle esercitazioni è fortemente consigliata. Non sono previste variazioni nella modalità d'esame per gli studenti non frequentanti.
Modulo: Materiali e Sistemi Intelligenti
La frequenza alle lezioni ed alle esercitazioni è fortemente consigliata. Lo studente non frequentante sarà comunque in grado di acquisire le nozioni e capacità facendo riferimento al materiale didattico.
Non-attending students info
Laboratory of biomedical technologies
Attendance in not mandatory, but it is highly recommended. No variations for the final exam are foreseen for students who will not attend the lessons.
Module: Smart Materials and Systems
Attendance at lectures and exercises is strongly recommended. The non-attending student will be still able to acquire the notions and skills by referring to the teaching material.
Modalità d'esame
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
L'esame consiste in una prova orale in cui lo studente discuterà il progetto di un dispositivo medico da lui/lei realizzato e precedentemente concordato con il docente. La progettazione riguarderà tutti gli aspetti presi in considerazione nel programma d'esame, che dovranno essere in evidenza durante lo svolgimento dell'esame stesso. Il docente potrà effettuare domande sulle scelte progettuali e sulla loro implementazione per verificare la preparazione dello studente.
Modulo: Materiali e Sistemi Intelligenti
L'esame consiste in una prova scritta contente domande teoriche a risposta aperta e a risposta multipla ed esercizi. Lo studente potrà richiedere un eventuale integrazione con esame orale. L’esame prevede anche la consegna di un report tecnico, con del dimensionamento di un componente basato su materiali intelligenti e la presentazione di un circuito sviluppato con uno dei software di design elettronico visto in classe.
Assessment methods
Laboratory of biomedical technologies
The exams consist in an inteview in which the student will discuss the project of a medical devices that he designed after a previous discussion with the lectures. The design has to consider all the aspects that are part of the class program, which have to be put in evidence during the interview. The lecturer can ask questions on the design choices and their implementation to verify student's skills and knowledge.
Module: Smart Materials and Systems
The exam consists of a written test containing open and multiple choice theoretical questions and exercises. The student may request an e integration with an oral exam. The exam also includes the delivery of a technical report, with the desing of a component based on intelligent materials and the presentation of a circuit developed with one of the electronic design software used in the classroom
Altri riferimenti web
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
- http://www.centropiaggio.unipi.it/course/laboratorio-di-tecnologie-biomediche
- Link a Team https://teams.microsoft.com/l/team/19%3a18650f9a256b4c4aa173efddc5fca3a5%40thread.tacv2/conversations?groupId=0a970677-6eac-476a-9991-f5949491108f&tenantId=c7456b31-a220-47f5-be52-473828670aa1
Modulo: Materiali e Sistemi Intelligenti
Updated: 31/07/2023 11:12
