Academic year2020/21
CourseBIOMEDICAL ENGINEERING
Code613II
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) |
| BIOSENSORI | ING-INF/06 | LEZIONI | 60 | |
| SENSI NATURALI E ARTIFICIALI | ING-INF/06 | LEZIONI | 60 | |
Obiettivi di apprendimento
Conoscenze
Modulo BIOSENSORI
Al termine del corso lo studente avrà acquisito conoscenze su:
- aspetti di carattere generale e terminologia in ambito sensoristico (e.g. taratura, sensibilità, incertezza, non linearità, parametri dinamici nel dominio del tempo e della frequenza)
- principali sensori utilizzati negli apparecchi biomedicali (principio fisico, modellistica, problematiche, circuiti elettronici di misura, principi di pre-elaborazione del segnale)
- elettrodi per la misura di biopotenziali (modellistica, interfacce polarizzabili e non, impedenza ed effetto sulla misura del segnale)
- sensori fisici (temperatura, forza/deformazione), sensori chimici (pH, ioni in soluzione, gas disciolti), biosensori (glucosio, biomarker cardiaci)
Modulo SENSI NATURALI E ARTIFICIALI
Al termine del corso lo/la studente avrà acquisito conoscenze su:
- sistemi sensoriali e neuronali con scopi di modellazione, replica con dispositivi artificiali e sostituzione con opportune protesi
- modelli matematici, utili sia in ambito medico che ingegneristico, che descrivano la genesi del segnale sensoriale e nervoso, e la sua percezione (i.e. psicofisica)
- nozioni di base necessarie alla progettazione di protesi sostitutive e di dispositivi di ausilio
Knowledge
BIOSENSORS
At the end of the course the student will have knowledge about:
- sensors general aspects and terminology (calibration, sensitivity, error, accuracy, non linearity, frequency and time domain dynamic parameters)
- sensors for biomedical devices (physical principle, modelling, problems, reading electronics, basic principles of signal pre-elaboration)
- electrodes for biopotentials (modelling, polarizable and non-polarizable interface, impedance and its effect on the signal quality)
- physical sensors (temperature, force/deformation), chemical sensors (pH, ions, gas), biosensors (glucose, cardiac biomarkers)
NATURAL AND ARTIFICIAL SENSES
At the end of the course the student will have knowledge about:
- modelling of sensory and neuronal systems, their replica with artificial devices and their replacement with appropriate prostheses
- mathematical models, useful both in medical and engineering areas, describing the genesys of sensory and nervous system, and its perception (i.e., psychophysics)
- basic notions to design substitutive prostheses and assistive devices
Modalità di verifica delle conoscenze
Modulo BIOSENSORI
La verifica delle conoscenze sarà oggetto della valutazione dell'elaborato scritto, in cui lo studente dovrà dimostrare di essere in grado analizzare problemi sia di tipo pratico sia di tipo teorico, e della prova orale in cui lo studente dovrà dimonstrare un'approfondita conoscenza dei concetti trattati durante il corso.
Modulo SENSI NATURALI E ARTIFICIALI
La verifica delle conoscenze sarà oggetto della valutazione dell'elaborato scritto in cui lo/la studente dovrà dimostrare di essere in grado di esporre i contenuti scientifici del corso in forma di saggio breve e di rispondere a quesiti sui contenuti tecnici del corso. Nella prova orale lo/la studente dovrà dimostrare un'approfondita conoscenza dei concetti trattati durante il corso.
Assessment criteria of knowledge
BIOSENSORS
The knowledge will be assessed through the written exam, in which the student will be asked to analyse both practical and theoretical problems, and the oral exam in which the student will have to demonstrate an in-depth familiarity with the main concepts.
NATURAL AND ARTIFICIAL SENSES
The knowledge will be assessed through the written exam, in which the student will be asked to discuss the scientific contents of the course by means of short essays and to reply to questions related to the technical contents of the course. In the oral exam the student will have to demonstrate an in-depth familiarity with the main concepts of the course.
Capacità
Modulo BIOSENSORI
Al termine del corso lo studente saprà:
- scegliere un sensore per una data applicazione sulla base delle caratteristiche metrologiche statiche e dinamiche
- caratterizzare e tarare un sensore dal punto di vista statico e dinamico
- valutare l'utilizzo di una data tipologia di bioelettrodo per un'applicazione biomedica
- valutare l'utilizzo di una data tipologia sensore per un'applicazione biomedica
- dimensionare l'elettronica di lettura di un sensore in funzione di determinate specifiche
- analizzare le fonti di errore e le incertezze di una misura
Modulo SENSI NATURALI E ARTIFICIALI
Al termine del corso lo/la studente:
- avrà conoscenze sulle principali soluzioni tecnologiche per recuperare in parte il senso del tatto mediante protesi
- avrà conoscenze sulle principali soluzioni tecnologiche per recuperare in parte il senso dell’udito mediante protesi
- avrà conoscenze sulle principali soluzioni tecnologiche per recuperare in parte il senso della vista mediante protesi
- avrà conoscenze sui principali metodi psicofisici per valutare la soglia percettiva del soggetto
Skills
BIOSENSORS
At end of the course the student will be able to:
- select the sensor for a specific application on the basis of its metrological characteristics
- characterise and calibrate a sensor both statically and dynamically
- evaluate a specific bioelectrode for a given biomedical application
- evaluate a specific sensor for a given biomedical application
- set the sensor reading electronics on the basis of the project specifications
- analyse the sources of measurement noise and error
NATURAL AND ARTIFICIAL SENSES
At end of the course the student will:
- know the main technological solutions to restore in part the sense of touch by means of prostheses
- know the main technological solutions to restore in part the sense of audition by means of prostheses
- know the main technological solutions to restore in part the sense of vision by means of prostheses
- know the main psychophysics metodologies for the assessment of user perception threshold
Modalità di verifica delle capacità
Modulo BIOSENSORI
Sia durante le lezioni sia in sede di esame finale sono proposti allo studente esercizi e quesiti che richiedono l'utilizzo delle capacità acquisite.
Modulo SENSI NATURALI E ARTIFICIALI
Sia durante le lezioni sia in sede di esame finale sono proposti allo/alla studente quesiti, esercizi o progetti che richiedono l'utilizzo delle capacità acquisite.
Assessment criteria of skills
BIOSENSORS
During lectures and the final exam, the student is asked to solve exercises and to answer questions that exploit the acquired skills.
NATURAL AND ARTIFICIAL SENSES
During lectures and the final exam, the student is asked to reply to questions, solve exercises or to carry out projects that exploit the acquired skills.
Comportamenti
Modulo BIOSENSORI
- Lo studente potrà saper sviluppare e caratterizzare un sensore biomedico e/o bioelettrodo, anche basato su principi diversi da quelli affrontati nel corso
- Lo studente potrà saper gestire il progetto di uno strumento biomedico per quanto riguarda il blocco di interazione col paziente (sensore e/o elettrodo, front-end analogico, pre-elaborazione segnale)
Modulo SENSI NATURALI E ARTIFICIALI
Lo/la studente potrà:
- saper elaborare una relazione tecnico-scientifica su temi di fisiologia dei sensi fisici
- saper elaborare una relazione tecnico-scientifica su temi di sensi fisici artificiali
- saper progettare un sistema di acquisizione, elaborazione, rappresentazione di dati di sensori fisici
- comprendere le principali sfide tecnico-scientifiche per realizzare sistemi protesici in grado di conseguire il parziale recupero di funzioni sensoriali
Behaviors
BIOSENSORS
- The student could be able to develop and characterise a biomedical sensor and/or a bioelectrode, even based on principles not studied within the course.
- The student could be able to manage the design of the patient interaction block of biomedical instrument (sensor and/or electrode, analog front-end, signal pre-elaboration)
NATURAL AND ARTIFICIAL SENSES
The student could:
- be able to elaborate a technical-scientific report on topics related to physiology of physical senses
- be able to elaborate a technical-scientific report on topics related to artificial physical senses
- be able to design a system to acquire, elaborate, represent data of physical sensors
- understand the main technical-scientific challenges to develop prosthetic systems able to restore in part missing sensory functions
Modalità di verifica dei comportamenti
Modulo BIOSENSORI
La verifica dei comportamenti avviene attraverso la discussione nella prova orale.
Modulo SENSI NATURALI E ARTIFICIALI
La verifica dei comportamenti avviene attraverso la prova scritta e attraverso la discussione nella prova orale.
Assessment criteria of behaviors
BIOSENSORS
The behaviors will be verified in the oral discussion.
NATURAL AND ARTIFICIAL SENSES
The behaviors will be verified by means of the written test or essay or project and by means of the oral discussion.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
Modulo BIOSENSORI
Conoscenze di base di elettronica, automatica e principi di chimica
Modulo SENSI NATURALI E ARTIFICIALI
Conoscenze di analisi matematica e fisica, fondamenti di elettronica ed elettrotecnica, principi di chimica e fisiologia.
Prerequisites
BIOSENSORS
Basic knowledge of electronics, automatics, chemistry
NATURAL AND ARTIFICIAL SENSES
Knowledge of mathematical analysis and physics, foundations of electronics and electrical circuits, principles of chemistry and physiology
Indicazioni metodologiche
Modulo BIOSENSORI
- lezioni frontali con ausilio slide
- esercitazioni, anche pratiche con l'ausilio di codice Matlab
- ricevimento su appuntamento
Modulo SENSI NATURALI E ARTIFICIALI
- lezioni frontali, esercitazioni e seminari con ausilio di slide
- ricevimento su appuntamento
Teaching methods
BIOSENSORS
- face to face lectures
- exercise lectures, even practical by using Matlab
NATURAL AND ARTIFICIAL SENSES
- face to face lectures, exercises and seminars with the support of slides
- meetings scheduled with the lecturer
Programma (contenuti dell'insegnamento)
Modulo BIOSENSORI
SENSORI E MISURE IN CAMPO BIOMEDICO
- Schema generale di un sistema di misura biomedico
- Classificazione delle misure biomediche
- Parametri di interesse biomedico
- Errore nelle misure biomediche
- Schema generale di un sensore
- Modello matematico del sensore
- La taratura del sensore le caratteristiche metrologiche in regime stazionario
- Caratteristiche metrologiche in regime dinamico dinamiche (regime del tempo e della frequenza)
- Calibrazione
BIO-ELETTRODI
- Celle elettrochimiche
- Classificazione elettrodi
- Elettrodi di riferimento
- Potenziale di Equilibrio di Nernst
- Interfaccia elettrodo/elettrolita: Modelli di Helmholtz, Gouy-Chapman e Stern
- Elettrodi polarizzabili e non polarizzabili
- Sovra-potenziale dovuto al trasferimento elettronico (legge di Butler-Volmer)
- Sovra-potenziale dovuto al trasporto di massa
- Impedenza di Warburg
- Impedenza di elettrodo complessiva
- Macroelettrodi
- Risposta a forme d'onda complesse
- Risposta a impulsi di corrente e tensione
- Disturbi nella misura dei biopotenziali
- Effetto impedenza elettrodo sulla misura di ECG
SENSORI FISICI
- Sensori di temperatura
- Misure di temperatura
- Analogia elettro-termica ed errori di misura
- Trasduttori termoresistivi (RTD, termistori)
- Circuiti di lettura (due e quattro fili)
- Ponte di Wheatstone
- Misura indiretta della portata cardiaca per termo-diluizione
- Sensori di forza/deformazione
- Sensori piezoresistivi ed estensimetri
- Caratteristiche resistenza/deformazione
- Circuiti di lettura
- Compensazione effetti della temperatura
- Misura di forza tramite sensori FSR
SENSORI CHIMICI
- Sensori potenziometrici
- Misura di pH tramite elettrodo metallo/ossido del metallo (e.g.)
- Misura di pH tramite elettrodi a vetro
- Circuiti di lettura per sensori potenziometrici
- Elettrodi per sodio e potassio
- Elettrodi a membrana iono-selettiva
- Misura di gas disciolti
- Metodi amperometrici ed elettrodo di Clark.
BIOSENSORI
- Introduzione: “recettori” biologici associati a trasduttori chimico/fisici
- Biosensori catalitici
- Biosensori catalitici potenziometrici
- Cinetica di Michaelis-Menten
- Cinetica elettrodo a enzima
- Biosensore per glucosio
- Biosensori ad affinità e tecniche di lettura ottiche (TIRF, SPR)
- Tecniche di recente sviluppo in ambito cardiovascolare
Modulo SENSI NATURALI E ARTIFICIALI
INTRODUZIONE E PSICOFISICA
- Introduzione al corso
- Obiettivi del corso
- Piano del corso, materiale didattico e modalità di esame
- Introduzione ai sensi, psicofisica e metodi di indagine neuroscientifica
- Leggi di Weber-Fechner-Stevens
- Rassegna parziale di tecniche di elettrofisiologia
FISIOLOGIA DEL TATTO E TATTO ARTIFICIALE
- Il sistema somatosensoriale
- Sensazioni epicritiche e protopatiche
- Classi principali dei meccanorecettori: corpuscoli di Merkel, Meissner, Ruffini e Pacini
- Terminazioni nervose libere e loro funzione
- Adattamento dei recettori tattili
- Proprietà spaziali dei recettori tattili
- Senso del tatto artificiale
- Codici tradizionali di tatto artificiale
- Tecniche di analisi e classificazione dei segnali dai sensori di tatto artificiale
- Recupero sensoriale tattile mediante neuroprotesi di arto superiore
FISIOLOGIA DELLA VISTA E VISTA ARTIFICIALE
- Introduzione al sistema visivo, visione come processo complesso, luce visibile, contrasti e illusioni ottiche, effetto del contesto, effetto dell'attenzione
- L’occhio e la retina, funzione di focalizzazione e trasduzione, sistema ottico
- Funzione di trasduzione, struttura della retina
- Fovea e punto cieco, evoluzione convergente dell’occhio e retina senza punto cieco
- Coni e bastoncelli: differenze anatomiche e funzionali, topologia della retina
- Fototrasduzione
- Elaborazione del segnale da parte della retina, campi recettivi gangliari
- Cellule orizzontali e amacrine e antagonismo centro-periferia, via orizzontali e campi circolari
- Cellule M e P
- Immagini retiniche e dimostrazione disco ottico, proiezione al collicolo, pretetto e CGL, dal CGL alla corteccia visiva, via magnocellulare e parvocellulare, corteccia visiva primaria e blocchi elementari, moduli funzionali della V1
- Protesi retiniche: epiretiniche, subretiniche e supracoroidali
- Protesi con stimolazione del nervo ottico e del corpo genicolato laterale
- Protesi corticali. Sensori, circuiteria elettrica, matrice di microelettrodi, strutture di contenimento. Limiti e performance: miglioramento tramite elaborazione delle immagini. Estrazione di caratteristiche, elaborazioni aumentate
FISIOLOGIA DELL’UDITO E UDITO ARTIFICIALE
- Introduzione all’udito
- Orecchio esterno
- Orecchio medio
- Orecchio interno
- Coclea e organo del Corti
- Cellule ciliate esterne e interne
- Localizzazione dei suoni
- Percorso dello stimolo fino alla corteccia cerebrale
- Protesi uditive: 5 casi di studio
Syllabus
BIOSENSORS
SENSORS AND BIOMEDICAL MEASUREMENTS
- The biomedical measuring system
- Classification biomedical measurements
- Biomedical parameters
- Errors in biomedical measurements
- General diagram of a sensor
- Sensors mathematical models
- Sensor calibration and static characteristics
- Dynamic sensor characteristic (frequency and time domain)
BIOELECTRODES
- Electrochemical cells
- Electrodes classification
- Reference electrodes
- Nernst potential
- Interface between conductor and electrolyte: theory of Helmholtz, Gouy-Chapman e Stern
- Polarizable and non-polarizable electrodes
- Activation over-potential (Butler-Volmer equation)
- Mass-transfer over-potential
- Warburg impedance
- Total electrode impedance
- Macro-electrodes
- Output with respect to complex waveform
- Output with respect to current and voltage pulses
- Noise and source of errors
- Bioelectrode impedance and ECG measurement
PHYSICAL SENSORS
- Temperature sensors
- Temperature measurements
- Electro-thermal equivalent and measurement error
- Thermo-resistive transducers (RTD, thermistors)
- Reading electronics (two and four wires)
- Wheatstone (bridge)
- Indirect measurement of cardiac output through thermodilution
- Force/deformation sensors
- Piezoresistive sensors and strain gages
- Resistance/deformation characteristics
- Reading electronics
- Temperature effect and compensation
- Force measurement through FSR sensos
CHEMICAL SENSORS
- Potentiometric sensors
- PH through electrodes (metals)/(oxide of the metals) (e.g. Sb/Sb2O3)
- pH through glass electrodes
- Potentiometric sensors and reading electronics
- Sodium and potassium electrodes
- Ion-selective membrane electrodes
- Amperometric methods and Clark electrodes
BIOSENSORS
- Introduction: biological “receptors” and chemo/physical transducers
- Catalytic biosensors
- Potentiometric catalytic biosensors
- Michaelis-Menten kinetics
- Enzymatic electrode kinetics
- Glucose biosensors
- Affinity biosensors and optical methods (TIRF, SPR)
- Recent application in cardiovascular monitoring
NATURAL AND ARTIFICIAL SENSES
- INTRODUCTION AND PSYCHOPHYSICS
- TOUCH PHYSIOLOGY AND ARTIFICIAL TOUCH
- VISION PHYSIOLOGY AND ARTIFICIAL VISION
- AUDITION PHYSIOLOGY AND ARTIFICIAL AUDITION
- GRAPHICAL PROGRAMMING FOR SENSORY SYSTEMS
Bibliografia e materiale didattico
Modulo BIOSENSORI
Materiale didattico: dispense di lezioni ed esercitazioni scaricabili dal sito del corso (http://www.centropiaggio.unipi.it/course/biosensori)
Testo suggerito per la consultazione "Transducers for biomedical measurements : principles and applications", Richard S.C. Cobbold
Modulo SENSI NATURALI E ARTIFICIALI
Materiale didattico: dispense di lezioni ed esercitazioni scaricabili dalla pagina del corso (http://www.centropiaggio.unipi.it/course/sensi-naturali-e-artificiali)
Testi suggeriti per la consultazione:
- Sensation & perception di Jeremy M. Wolfe et al.
- Sensation and perception di E. Bruce Goldstein
Bibliography
BIOSENSORS
Lecture Notes from the course website http://www.centropiaggio.unipi.it/course/biosensori
Suggested book "Transducers for biomedical measurements : principles and applications", Richard S.C. Cobbold
NATURAL AND ARTIFICIAL SENSES
Lecture Notes from the course website: (http://www.centropiaggio.unipi.it/course/sensi-naturali-e-artificiali)
Suggested additional references:
- Sensation & perception di Jeremy M. Wolfe et al.
- Sensation and perception di E. Bruce Goldstein
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
Modulo BIOSENSORI
- Esame scritto con esercizi di carattere pratico e quesiti teorici
- Esame orale orientato alla verifica delle nozioni teoriche di base
- Si accede all'orale avendo superato lo scritto con un voto di almeno 18/30
Modulo SENSI NATURALI E ARTIFICIALI
- Esame scritto con quesiti teorici e risposta in forma di saggio breve ed esercizi di carattere pratico.
- Si accede all'orale avendo superato lo scritto con un voto di almeno 18/30
- Esame orale orientato alla verifica delle nozioni teoriche di base
Assessment methods
BIOSENSORS
- Written exam with practical exercises and teoretical questions
- Oral exam focussed on the verification of the basic teoretical concepts
- The student is admitted to the oral exam if she/he obtains at least 18/30 in the written exam
NATURAL AND ARTIFICIAL SENSES
- Written exam with theoretical questions with responses in the form of short essays and practical exercises.
- The student is admitted to the oral exam if she/he obtains at least 18/30 in the written exam
- Oral exam focused on the verification of the basic theoretical concepts
Updated: 24/09/2020 12:12
