Academic year2016/17
CourseBIOMEDICAL ENGINEERING
Code742II
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) |
| LABORATORIO DI TECNOLOGIE BIOMEDICHE | ING-INF/06 | LEZIONI | 60 | |
| MICRO E NANOBIOSCOPIA | ING-INF/06 | LEZIONI | 60 | |
Obiettivi di apprendimento
Conoscenze
Modulo: Micro e nanobioscopia
Lo scopo del corso è di approfondire aspetti tecnologici, teorici e sperimentali di ottica geometrica, microscopia e fluorescenza applicati allo studio di fenomeni biologici e biomedicali con particolare riguardo a luce visibile, infra rosso e ultra violetto. Verrano quindi fornite:
- Conoscenze di base su ottica geometrica e l'uso di lenti, specchi e prismi in ambiente biomedico, principi di imaging con microscopia.
- Istruzioni sull'utilizzo di software quale ImageJ e Matlab per la gestione e elaborazione di immagini 2 e 3D da microscopia confocale, brightfield o 2-fotoni.
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.
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
Modalità di verifica delle conoscenze
Modulo: Micro e nanobioscopia
- Verifica attraverso domande di natura teorica, esercizi e l'elaborazione di uno o piu' immagini utilizzando Matlab. A discrezione dello studente, le conoscenze sulla elaborazione delle immagini potranno essere valutate con lo svolgimento di un progetto.
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.
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.
Capacità
Modulo: Micro e nanobioscopia
Al termine del corso lo studente sara' in grado di:
- tracciare i raggi parassiali in sistemi di lenti convessi e concavi
- identificare i componenti principali di un microscopio ottico
- identificare rivelatori e sorgenti di luce
- poter calcolare le diottrie di lenti per correggere vizi rifrattivi
- creare una semplice GUI in Matlab per caricare e elaborare (per esempio, per identificare contorni, contare pixel) unàimmagine acquisita tramite microscopio ottico
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
Al termine del corso lo studente:
- saprà indentificare la classe dei dispositivi medici e gli standard internazionali per la loro progettazione, e le procedure di certificazione;
- saprà utilizzare il software Solidworks per il design di componenti e assiemi meccanici;
- saprà utilizzare il framework Arduino (GUI e scheda) per la prototipazione rapida elettronica;
- saprà utilizzare il software IModelA per la fresatura a controllo numerico;
- sarà in grado di presentare in una relazione scritta i risultati dell'attività progettuale svolta applicando gli strumenti sopraelencati
Skills
Laboratory of biomedical technologies
At the end of the course, the student:
- will able to indentify the class of a medical device, the international standards for its design, and the techical/legal route for its certification;
- will be able to use the software CAD SolidWords, for designing mechanical parts and their assembly;
- will be able to use the Arduino Suite (GUI and electronic board) for electronic rapid prototyping;
- will be able to use the software IModelA for controlling CN milling machine
- wiil be able to present, with a writter report, the results of his/her desing activities using the above mentioned software tools
Modalità di verifica delle capacità
Modulo: Micro e nanobioscopia
- Durante le sessioni pratiche, saranno svolti delle esercitazioni al fine di comprendere l'utilizzo dei software ImageJ e Matlab, in particolare Image Processing Toolbox;
- Durante le sessioni pratiche, saranno svolte delle attività laboratoriali volte alla acquisizione di immagini tramite tecniche ottiche e tomografiche.
- Nel caso lo studente abbia scelto di svolgere una attivià di progetto, dovrà preparare e presentare una relazione scritta che riporti i risultati ottenuti.
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
- Durante le sessioni di laboratorio informatico saranno svolti piccoli progetti tesi al comprendere l'utilizzo dei software Solidworks, Arduino, IModelA;
- 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.
Assessment criteria of skills
Laboratory of biomedical technologies
- During the informatic lab sessions, students will make small project for understanding the use of Solidworks, Arduino and IModelA software;
- 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 desing activities.
Comportamenti
Modulo: Micro e nanobioscopia
- Lo studente potrà acquisire e/o sviluppare sensibilità nelle problematiche relative alla acquisizione di un campione biologico, tenendo in considerazione le tecnologie disponibili e la natura e le dimensioni del campione.
- Lo studente acquisirà padronanza nello sviluppo di algoritmi di elaborazione delle immagini per la estrazione di parametri quantitativi descrittivi della complessità e forma di cellule e/o scaffold
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
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.
Modalità di verifica dei comportamenti
Modulo: Micro e nanobioscopia
- Durante le sessioni di laboratorio, saranno valutati il grado di accuratezza e precisione delle attività svolte
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
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.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
Modulo: Micro e nanobioscopia
- Conoscenze teoriche: Fondamenti di matematica, statistica, fisica e programmazione
- Abilità informatiche: utilizzo di un foglio di calcolo, e preparazione di un documento di testo e di una presentazione
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
- 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
- Prerequisites: Fundamentals in Math, Statistics, Physics, Chemistry, Material Science, Mechanics, Electronics, Computer Science
- Computer skills: use of spreadsheets, text and slide show preparation
Corequisiti
Modulo: Micro e nanobioscopia
NA
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
NA
Co-requisites
Laboratory of biomedical technologies
NA
Prerequisiti per studi successivi
Modulo: Micro e nanobioscopia
- Il corso pone lo studente a confronto con i problemi relativi alla acquisizione di immagini da campioni biologici e alla estrazione di parametri quantitativi da questi dataset, che potranno essere utili durante lo svolgimento del suo lavoro di tesi.
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
- Il corso pone lo studente a confronto con i problemi relativi alla progettazione di dispositivi medici che ritroverà durante lo svolgimento del suo lavoro di tesi.
Prerequisites for further study
Laboratory of biomedical technologies
The course will present to the students problems related to the design of medical devices that they will find during their final thesis project.
Indicazioni metodologiche
Modulo: Micro e nanobioscopia
Il corso verrà portato avanti secondo le seguenti metodologie:
- Le lezioni frontali verranno svolte con l'ausilio di slide, e proiettando lo schermo del docente durante la spiegazione sull'utilizzo di Matlab e ImageJ. Ove possibile inoltre si utilizzeranno lavagne con gesso
- Le esercitazioni in aula informatica verranno svolti singolarmente o in gruppo a seconda dei numero di computer disponibili
- 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 una opportuna mailing list della classe creata durante i primi giorni di lezione e sulla homepage del docente
- Il docente è disponibile per ricevimenti (anche collettivi)
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;
- 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
Teaching methods
Laboratory of biomedical technologies
The course will be carried out accordig to the following methodologies:
- During the frontal lessons, slide, videos and the screen of the lectures during the use of specific softwares will projected. When possible, blackboard or whiteboard will be used;
- During the informatic lab sessions, studends will work alone or in groups according to the number of computers and electronic boards available;
- Reserches of current legislation, on design standards and on electromechanical components of medica devices will be performed on offical databases of European Community, ISO, and online catalogues of resellers;
- If possible, representatives from industry will be invited for seminars;
- class material will be put on line by the lectures using official university website;
- general communication between students and lectures will be sent by email, a malining list will be created at the beginning of the course
- The lecture is avalible for appointment (also with more than one student at time). This appointments are encouraged in order to carry out at the best the design that will be presented during the final exam.
Programma (contenuti dell'insegnamento)
Modulo:Micro e nanobioscopia
Introduzione di fisica ottica
- concetto di luce, spettro; generazione e rivelazione di luce; proprietà ottiche dei materiali, assorbimento e scattering
- concetto di riflessione, incidenza e rifrazione. Principio di Fermatt e legge di Snell;
- Dispersione e prisma. Le lenti ottiche
- Rifrazione su superficie curca e legge di Gauss
- Occhio umano e difetti visivi
- Assorbimento e fluorescenza. Equazione di Lambert'Beer e generazione di luce eccitata
Techiche di acquisizione di immagini
- Laser e altre tecnologie ottiche avanzate LED. Spettrofotometro e spettrofluorimetro.
- Microscopia brightfield e confocale e risoluzione ottica. Principio di Rayleigh
- Tecniche di chiarificazione tissutale. Ottimizzazione e standardizzazione di protocolli di chiarificazione tissutale.
- Ottica super risoluta: STED, STORM e altre techiche nuove.
- La microCT
Elaborazione di immagini digitali
- Come si formano le immagini digitali. Importanza di elaborare le immagini in biologia e medicina
- Elementi di image processing: filtraggio spaziale. Miglioramento del contrasto nel dominio spaziale. Filtri di smoothing e sharpening e loro applicazione. Scelta dei kernel per il filtraggio.
- Segmentazione e sogliatura. Dilatazione, erosione, apertura e chiusura. Altre operazioni morfologiche.
- Elanborazione delle immagini a colori
- Image Processing Toolbox di Matlab; ImageJ
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
Introduzione
- pretotipo, prototipo e prodotto nel settore biomecale
- 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 (SolidWorks): 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
- aquisizione di segnali da sensori
- comunicazione tra schede, verso l’utente e verso un computer
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
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 (Solidworks): 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
Part 4: electromechanical prototyping
- Motors and motor drivers
- Control of electromechanical actuators
- Dimensioning of motors and batteries
Part 5: practical examples of design of medical devices
Bibliografia e materiale didattico
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
- Materiale didattico fornito dal docente e disponibile sul sito di ateneo
- An introduction to digital image processing with Matlab, Notes for SCM2511 Image Processing I, Alasdair McAndrew
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)
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)
Indicazioni per non frequentanti
Moduli: Micro e nanobioscopia e 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.
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.
Modalità d'esame
Modulo: Micro e nanobioscopia
L'esame consiste in una prova orale riguardante le parti teoriche dell esame, in particolare principi di fisica ottica e di techiche ottiche e micro'tomografiche, e una prova pratica, a cui sarà richiesto allo studente di analizzare una o piu immagini tramite Matlab. In alternativa alla prova pratica, lo studente potrà portare avanti un progetto di design di una Interfaccia Grafica e di elaborazione di immagini; in questo caso, lo studente discuterà il progetto precedentemente concordato con il docente. Il docente potrà effetturare domande sulle scelte di implementazione per verificare la preparazione dello studente.
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 effetturare domande sulle scelte progettuali e sulla loro implementazione per verificare la preparazione dello studente.
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.
Stage e tirocini
Modulo: Micro e nanobioscopia
N/A
Modulo: Laboratorio di tecnologie biomediche
NA
Work placement
Laboratory of biomedical technologies
NA
Altri riferimenti web
- http://www.centropiaggio.unipi.it/course/laboratorio-di-tecnologie-biomediche
- http://www.centropiaggio.unipi.it/course/micro-nanobioscopy
Updated: 26/06/2017 12:40
