ECTS - University of Pisa
Scheda programma d'esame
TISSUE BIOMECHANICS AND BIOMEDICAL ARTIFICIAL SYSTEMS
ARTI DEVI AHLUWALIA
Academic year2019/20
CourseBIOMEDICAL ENGINEERING
Code481II
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
BIOMECCANICA DEI TESSUTIING-INF/06LEZIONI60
ARTI DEVI AHLUWALIA unimap
ELEMENTI COSTRUTTIVI DI MACCHINE BIOMEDICHEING-INF/06LEZIONI60
GIORGIO MATTEI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Biomeccanica dei Tessuti

Obiettivo e' di costruire le conoscenze fondamentali riguardo il comportamento di tessuti biologici, i modelli che lo rappresentano tendendo conto anche della loro struttura e funzione. Il corso e' focalizzato su tessuti molli (soft tissues).

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

Al termine del corso lo studente avrà acquisito un insieme di conoscenze e strumenti operativi con cui studiare il comportamento meccanico e strutturale di semplici strutture in campo elastico ed in condizioni di carico statico (o ad esso riconducibili) per la progettazione di macchine biomediche.
Knowledge

Biomeccanica dei Tessuti

The objective is to build the fundamental knowledge regarding the behavior of biological tissues, the models that represent it, also considering their structure and function. The course is focused on soft tissues (soft tissues).

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

At the end of the course the student will acquire a set of knowledge and operational tools to study the mechanical and structural behavior of simple structures in the elastic regime under static (or equivalent) loading conditions for designing biomedical machines.
Modalità di verifica delle conoscenze

Biomeccanica dei Tessuti

Capacita' di descrivere la struttura e funzione dei tessuti e stimare i parametri meccanici (sforzo, deformazione, moduli viscoelastici, porosita' ecc) e fisiologici dei tessuti (battito, metabolismo).

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

La verifica delle conoscenze sarà oggetto della valutazione dell'elaborato scritto, in cui lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di risolvere quantitativamente semplici problemi strutturali, oltre ad un'approfondita conoscenza dei temi trattati durante il corso.
Assessment criteria of knowledge

Biomeccanica dei Tessuti

Ability to describe the structure and function of biological tissues and to estimate their mechanical (stress, deformation, viscoelastic modules, porosities, etc.) and physiological parameters (heart beat, metabolism).

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

The assessment of knowledge will be the subject of the evaluation of the written exam, in which the student will have to demonstrate his/her ability to solve quantitatively simple structural problems, as well as a thorough knowledge of the topics covered during the course.
Capacità

Per quanto riguarda il modulo “Biomeccanica dei tessuti”, al termine del corso lo studente, sarà in grado di eseguire analisi meccaniche semplici sul muscolo, sangue, cartilagine, legamenti, tendini, pelle. Avra' un apprezamento delle leggi allometriche e una solida comprensione della viscoelasticita e modelli a parametri concentrati.

 

Per quanto riguarda il modulo "Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche", al termine del corso lo studente sarà in grado di:

  • studiare sollecitazione e deformazione di solidi tridimensionali, intepretare ed utilizzare le equazioni costitutive ed i loro parametri;
  • risolvere semplici problemi strutturali con materiali elastici, lineari, omogenei ed isotropi nel caso specifico di travi e gusci e calcolare i coefficienti di sicurezza a resistenza statica;
  • studiare problemi iperstatici per solidi monodimensionali;
  • studiare semplici gusci assialsimmetrici caricati assialsimetricamente.
Skills

For the  “Biomeccanica dei tessuti” module, at the end of the course the student will be able to perform simple mechanical analysis on muscle, blood, cartilage, ligaments, tendons, skin. He/she will have an insight of allometric laws and a solid understanding of viscoelasticity and models with concentrated parameters.  

Regarding the  "Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche" module, at the end of the course the student will be able to:

  • study stress and deformation of three-dimensional solids;
  • interpret and use the constitutive equations and their parameters;
  • solve simple structural problems regarding elastic, linear, homogeneous and isotropic materials with specific reference to beams and shells and calculate the static resistance safety factor;
  • study hyperstatic problems of one-dimensional solids;
  • study simple axial-symmetric shells loaded axial-symmetrically.
Modalità di verifica delle capacità

Biomeccanica dei Tessuti

L'esame scritto richiede risoluzioni problematiche. Esame scritto finale: 50% teoria e 50% esercizi.

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

Sia durante le lezioni sia in sede di esame finale verranno proposti allo studente esercizi e quesiti che richiedono l'utilizzo delle capacità acquisite.
Assessment criteria of skills

Biomeccanica dei Tessuti

The written exam requires to solve problems. Final written exam: 50% theory and 50% exercises.

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

Both during the lessons and during the final exam, exercises and questions that require the use of the acquired skills will be proposed to the students.
Comportamenti

Nel modulo “Biomeccanica dei Tessuti”, i comportamenti che si ritiene lo studente possa acquisire sono:

  • Sensibilità nei confronti della analisi e della risoluzione di problematiche legate al comportamento meccanico di tessuti biologici;
  • Sensibilità nello svolgere esercizi legati alla stima di parametri meccanici e fisiologici dei tessuti e organi.

 

Nel modulo "Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche" lo studente potrà sviluppare sensibilità nell'identificare gli elementi strutturali in macchine per applicazioni biomedicali e, tramite l'utilizzo delle conoscenze e degli strumenti operativi acquisiti durante il corso, potrà saperne gestire la progettazione per quanto riguarda la componente meccanica-strutturale. 
Behaviors

In the “Biomeccanica dei Tessuti” module, the student can acquire the following behaviours:

  • Approach the analysis and resolution of problems related to the mechanical behavior of biological tissues;
  • Approach problems  related to the estimation of mechanical and physiological parameters of tissues and organs.  

 

In the "Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche" module, the student will be able to identify the structural elements in machines for biomedical applications and, through the use of the knowledge and operational tools acquired during the course, he/she will be able to manage their design with regard to the mechanical-structural component.
Modalità di verifica dei comportamenti

In entrambi i moduli, i comportamenti saranno verificati tramite

  • Domande rivolte agli studenti nel corso delle lezioni frontali, per verificare l’acquisizione e il consolidamento dei concetti trattati;
  • Svolgimento di esercizi in classe;
  • Elaborato scritto teorico-pratico.
Assessment criteria of behaviors

In both modules, behaviors will be verified through:

  • Questions addressed to students during the lectures, to verify the acquisition and consolidation of the concepts treated;
  • Exercises in the classroom;
  • Written theoretical-practical exam.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Biomeccanica dei Tessuti

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 e matematica. Sono inoltre utili, anche se non strettamente necessarie, conoscenze relative a meccanica, chimica e biochimica.

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

Per seguire il corso in moto proficuo, lo studente dovrebbe saper:

  • operare con vettori in componenti cartesiane nel piano e nello spazio;
  • usare le matrici per risolvere e discutere sistemi lineari;
  • impostare il calcolo di autovalori e autovettori di matrici reali simmetriche 3x3;
  • valutare derivate (totali e parziali) ed integrali di semplici funzioni polinomiali e trigonometriche;
  • calcolare semplici integrali doppi;
  • risolvere semplici equazioni differenziali ordinarie (lineari, fino al 2° ordine);
  • usare in modo corretto e con sicurezza le grandezze fondamentali del Sistema Internazionale (massa, forza, pressione, spostamento)
  • valutare il numero di gradi di libertà di un sistema di corpi rigidi nel piano e nello spazio;
  • identificare cinematicamente e staticamente i vincoli ideali nel piano e nello spazio (appoggio, cerniera, incastro, ...)

Durante le lezioni sarà comunque effettuato un breve accenno/ripasso inerente tali argomenti pertanto se ne consiglia la frequenza.
Prerequisites

Biomeccanica dei Tessuti

In order to follow the course in a profitable way, no particular knowledge is required from the students. However, consolidated basic physics and mathematics knowledge is needed. Knowledge of mechanics, chemistry and biochemistry is also useful, even if not strictly necessary.  

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

To follow the course in profitable way, the student should know how to:

  • operate with vectors in Cartesian components in the plane and in the space;
  • use the matrices to solve and discuss linear systems;
  • calculate eigenvalues and eigenvectors of 3x3 symmetrical real matrices;
  • evaluate (total and partial) derivatives and integrals of simple polynomial and trigonometric functions;
  • calculate simple double integrals;
  • solve simple ordinary differential equations (linear, up to the 2nd order);
  • use correctly the fundamental units of the International System (mass, force, pressure, displacement)
  • evaluate the number of degrees of freedom of a system of rigid bodies in the plane and in space;
  • identify kinematically and statically the ideal constraints in the plane and in the space (hinge, joint, ...)

These topics will anyway be briefly reviewed during lectures, therefore the frequency is recommended.
Indicazioni metodologiche

Biomeccanica dei Tessuti

Attività didattiche:

  • Frequentando lezioni
  • Lavoro di gruppo


Metodi di insegnamento:

  • Lezioni
  • Apprendimento a base di attività / apprendimento basato sui problemi / apprendimento basato sulla ricerca

Presenza: consigliato

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

  • lezioni frontali teoriche  
  • esercitazioni in aula
  • ricevimento su appuntamento da concordare con il docente tramite email 
Teaching methods

Biomeccanica dei Tessuti

Educational activities:

  • Attending lessons
  • Teamwork

Teaching methods:

  • Lessons
  • Activity-based learning / problem-based learning / research-based learning

Presence: recommended

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

  • theoretical lessons
  • classroom exercises
  • reception upon appointment to be agreed by email with the teacher
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Biomeccanica dei Tessuti

  • Viscoelasticita' e modelli a parametri concentrati
  • Struttra e proprieta' di incomprimibilita' della matrice extra cellulare
  • Proprieta meccaniche delle proteine strutturali collagene e elastina
  • Reologia del sangue sia in vasi di grande calibro che il comportamento Farehus
  • Struttura e proprieta' meccaniche dei vasi
  • Struttura e proprieta' meccaniche del muscolo striato
  • Allometria e scaling biologico

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

  • Introduzione al corso e richiami di elementi di meccanica
  • Modellazione geometrica delle strutture
  • Caratteristiche di sollecitazione ed equazioni indefinite di equilibrio per le travi
  • Stato di tensione nei solidi
  • Deformazione strutturale
  • Legami energetici tra tensore delle tensioni e delle deformazioni
  • Legge constitutiva per materiali elastici, lineari, omogenei ed isotropi
  • Trave soggetta a forza normale
  • Trave soggetta a flessione
  • Trave soggetta a torsione
  • Trave soggetta a taglio
  • Criteri di resistenza
  • Verifiche di resistenza
  • Verifiche di rigidezza
  • Metodi per la risoluzione di strutture iperstatiche
  • Stabilità strutturale
  • Gusci
Syllabus

Biomeccanica dei Tessuti

  • Viscoelasticity and lumped parameter models
  • Structure and property of incompressibility of the extracellular matrix
  • Mechanical properties of collagen and elastin structural proteins
  • Rheology of the blood both in vessels of great diameter that Farehus behavior
  • Structure and mechanical properties of vessels
  • Structure and mechanical properties of striated muscle
  • Allometry and biological scaling

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

  • Introduction to the course and brief review of elements of mechanics
  • Geometric modeling of structures
  • Stress characteristics and undefined equilibrium equations for beams
  • State of tension in solids
  • Structural deformation
  • Energy relationships between stress and strain tensors
  • Constitutive law for elastic, linear, homogeneous and isotropic materials
  • Beam subject to axial load, bending, twisting, shear
  • Resistance criteria and werification
  • Stiffness checks
  • Methods for the resolution of hyperstatic structures
  • Structural stability
  • Shells
Bibliografia e materiale didattico

Biomeccanica dei Tessuti

Ampio materiale sul sito del corso.

Biomeccanica. Analisi multiscelta di tessuti biologici. Patron Editore di A. Redaelli (a cura di), F. Montevecchi (a cura di).

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

"Lezioni ed esercitazioni di tecnica delle costruzioni meccaniche", Marco Beghini

"Meccanica dei solidi - Elementi di scienza delle costruzioni", Ferdinand P. Beer, E. Russell Johnston Jr., John T. DeWolf, David F. Mazurek

 
Bibliography

Biomeccanica dei Tessuti

Extensive material on the course website.

Biomeccanica. Analisi multiscelta di tessuti biologici. Patron Editore di A. Redaelli (a cura di), F. Montevecchi (a cura di).

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

"Lezioni ed esercitazioni di tecnica delle costruzioni meccaniche", Marco Beghini

"Meccanica dei solidi - Elementi di scienza delle costruzioni", Ferdinand P. Beer, E. Russell Johnston Jr., John T. DeWolf, David F. Mazurek

 
Indicazioni per non frequentanti

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

There are no variations for non-attending students.
Modalità d'esame

Biomeccanica dei Tessuti

L'esame è scritto e consiste in una prova di 2-2.5 ore, con 50% di domande teoriche/qualitative e 50% di esercizi quantitativi

L'iscrizione sul portale esami.unipi.it.

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

L’esame consta di una prova scritta della durata di 2-2.5 ore in cui lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di risolvere quantitativamente semplici problemi strutturali inerenti la resistenza e la rigidezza di elementi monodimensionali (travi) e bidimensionali (gusci). Vi saranno inoltre domande sugli argomenti teorici trattati nel corso. Lo studente dovrà dimonstrare un'approfondita conoscenza dei concetti trattati durante il corso.

Nella prova scritta è richiesto che i risultati siano presentati in forma numerica, pertanto è consentito l’uso di calcolatrici (non programmabili).

Assessment methods

Biomeccanica dei Tessuti

The exam is written and consists of a 2- 2.5 hour test, with 50% theoretical / qualitative questions and 50% quantitative exercises

Registration via the exam.unipi.it portal is required.

 

Elementi Costruttivi di Macchine Biomediche

The exam consists of a 2 to 2.5 -hour written test in which the student must demonstrate to be able to solve quantitatively simple structural problems related to the resistance and stiffness of one-dimensional (beams) and two-dimensional (shells) elements. There will also be questions on the theoretical topics covered in the course. The student must demonstrate an in-depth knowledge of the concepts covered during the course.

In the written test it is required to present results in a numerical form, therefore the use of (non-programmable) calculators is allowed.
Updated: 25/09/2019 22:50