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1 GRUPPO DI BIOINGEGNERIA D E I. 2 LINEE DI RICERCA 1.Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici 2.Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici.

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1 1 GRUPPO DI BIOINGEGNERIA D E I

2 2 LINEE DI RICERCA 1.Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici 2.Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici 3.Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici 4.Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio 5.Analisi del Segnale Elettroencefalografico 6.Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica 7.Genomica 8.Bioingegneria del Movimento 9.Tecnologie Biomediche

3 3 BIOMEDICAL ENGINEERING Dal 1975, oltre 575 milioni di dollari per promuovere didattica e ricerca in Bioingegneria. Biomedical engineering is a discipline that advances knowledge in engineering, biology and medicine, and improves human health through cross-disciplinary activities that integrate the engineering sciences with the biomedical sciences and clinical practice.

4 4 DIDATTICA FONTE: STATI UNITI BSMSPhD Anno 1994 Anno 2002 ITALIA DU o LAUREA TRIENNALE LAUREA QUINQ. DOTTORATO IN BIOING. Anno 1994 Anno 2002 NUMERO DEI PROGRAMMI DI I°, II°, III° LIVELLO IN BIOINGEGNERIA

5 5 Elettronica Biomedica Prof. Giuseppe Francini Istituto di Elettrotecnica ed Elettronica Università di Padova 1° CORSO DELLAREA BIOINGEGNERIA IN ITALIA: 1968

6 6 ING-INF/06 Bioingegneria Elettronica ed Informatica 27 Prof. Ordinari 28 Prof. Associati 27 Ricercatori ING-INF/34 Bioingegneria Industriale 10 Prof. Ordinari 11 Prof. Associati 5 Ricercatori 108 TRA PROFESSORI E RICERCATORI UNIVERSITARI

7 7STRUTTURATI CLAUDIO COBELLI (Professore Ordinario) ALFREDO RUGGERI (Professore Associato) GIOVANNI SPARACINO (Ricercatore Universitario) GIANNA MARIA TOFFOLO (Professore Ordinario) MARIA PIA SACCOMANI (Ricercatore Universitario) LUIGI MARIANI (Professore Ordinario)

8 8 ASSEGNISTI & POST-DOC ALESSANDRA BERTOLDO (II° Assegno nel 2001) GIANLUCA NUCCI (Già Post-Doc, Contratto fondi MURST 40%) ELENA BREDA (I° Assegno nel 2001) GIANLUIGI PILLONETTO (I° Assegno nel 2002)

9 9 DOTTORANDI DEL CONSORZIO DEL POLITECNICO DI MILANO TIZIANO CALLEGARI (III° anno) MARCO FORACCHIA (III° anno)

10 10 DOTTORANDI DELLUNIVERSITA DI PADOVA ENRICO GRISAN (I° anno) STEFANO CORAZZA (I° anno del suo 2°dottorato) CHIARA DALLA MAN (I° anno) BARBARA DI CAMILLO (II° anno) ELENA MORANDI (I° anno)

11 11 LINEE DI RICERCA 1.Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici 2.Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici 3.Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici 4.Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio 5.Analisi del Segnale Elettroencefalografico 6.Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica 7.Genomica 8.Bioingegneria del Movimento 9.Tecnologie Biomediche

12 12 1. MODELLISTICA ED IDENTIFICAZIONE DI SISTEMI FISIOLOGICI Claudio Cobelli (PO) Gianna M. Toffolo (PO) Alfredo Ruggeri (PA) Maria Pia Saccomani (Ru) Giovanni Sparacino (Ru) Gianluigi Pillonetto (Assegnista 2002) Marco Foracchia (Dottorando III°anno) Enrico Grisan (Dottorando I°anno)

13 13 POOL ACCESSIBILE MISURE SISTEMA FISIOLOGICO ? Produzione, trasporto, utilizzazione Masse negli organi e nei tessuti Controlli PROBLEMA: SISTEMI COMPLESSI E SITI INACCESSIBILI IN VIVO Enti finanziatori: MURST-COFIN 2000 (Coordinatore Nazionale Gianna Maria Toffolo) Modelli black-box Modelli strutturali...

14 14 Deconvoluzione Collaborazioni: G.De Nicolao (Università di Pavia), B.Bell (University of Washington, Seattle) STIMA NON LINEARE Modelli probabilistici a priori di segnali vincolati Markov chain Monte Carlo (MCMC) ALMOST-BLIND DECONVOLUTION MCMC INGRESSO Concentrazione nel plasma SISTEMA USCITA Secrezione Produzione INGRESSO SISTEMA Assorbimento ? DIFFICILE IN GENERALE: mal-condizionamento IN PIU: campionamento rado/non uniforme, segnali non stazionari, intervalli di confidenza importanti, vincoli fisiologici, risposta impulsiva solo parzialmente nota,... STIMA DI FLUSSI

15 15 Stima parametrica Collaborazioni: P.Magni e R.Bellazzi (Università di Pavia) INFORMAZIONE A PRIORI E STIMA ALLA BAYES (MCMC) Campioni radi/rumorosi, intervalli di confidenza importanti per classificazione, vincoli sui parametri,.. Identificabilità a Priori COMPUTER ALGEBRA e ALGEBRA DIFFERENZIALE Collaborazioni: S.Audoly e L.DAngiò (Università di Cagliari) Complesse relazioni non lineari fra i parametri POOL ACCESSIBILE MISURE SISTEMA FISIOLOGICO ? Produzione, trasporto, utilizzazione Masse negli organi e nei tessuti Controlli... POOL ACCESSIBILE A C B D MISURE dx/dt = f(x,t,p) + u(t) y(t) = g(t, x, p) + v(t)...

16 16 Approccio di Popolazione a deconvoluzione e stima parametrica Collaborazioni: G.De Nicolao, P.Magni (Università di Pavia), P.Vicini (University of Washington, Seattle) N SOGGETTI OMOGENEI IN SITUAZIONE DATA POOR (in ciascun soggetto basso SNR e/o pochissimi campioni): non si riescono a stimare i parametri o i flussi incogniti individuali ESEMPIO: MODELLISTICA A LIVELLO DI PIXEL DEL METABOLISMO DEL GLUCOSIO DA IMMAGINI PET RETI BAYESIANE E STIMA INDIVIDUALE MCMC OPTIMAL SAMPLING

17 17 LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici 2.Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici 3.Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici 4.Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio 5.Analisi del Segnale Elettroencefalografico 6.Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica 7.Genomica 8.Bioingegneria del Movimento 9.Tecnologie Biomediche

18 18 2. MODELLISTICA E CONTROLLO DI SISTEMI METABOLICI Claudio Cobelli (PO) Gianna M. Toffolo (PO) Alessandra Bertoldo (Assegnista bis 2001) Elena Breda (Assegnista 2001) Gianluca Nucci (Post-Doc) Chiara Dalla Man (Dottoranda I° anno)

19 19 Metabolismo del Glucosio: Indici del Controllo (modelli per misurare in clinica) Collaborazioni: R.Rizza (Mayo Clinic, Rochester), D.Bier (Children Nutrition Research Center, Houston), K.Polonsky (Washington University, St. Louis), A.Caumo (S.Raffaele, Milano), A.Tiengo (Universita di Padova). Enti finanziatori: National Institues of Health, USA Pubblicazioni/Anno sul modello Pasto Tessuti Fegato k5k5 Glucosio k1k1 k4k4 k6k6 k2k2 k3k3 Insulina Plasmatica Insulina Remota Tratto Gastrointestinale RaRa CHALLENGE ATTUALE: STIMA DA TEST ORALE (PASTO), più facile da eseguire per studi epidemiologici e genetici ma più difficile da modellare MODELLO NON LINEARE PER STIMARE LEFFICACIA DEL CONTROLLO DELLINSULINA DA TEST ENDOVENOSO (Bergman, Cobelli, Bowden, 1979) Tessuti Fegato k5k5 Glucosio k1k1 k4k4 k6k6 k2k2 k3k3 Insulina Plasmatica Insulina Remota

20 20 min Metabolismo del Glucosio: Stima di Flussi (modelli per capire la fisiologia) Collaborazioni: R.Rizza (Mayo Clinic, Rochester), K.Polonsky (Washington University, St. Louis). Enti finanziatori: National Institues of Health, USA METODOLOGIE MODELLISTICHE

21 21 Metabolismo di aminoacidi e proteine in organi/tessuti Collaborazioni: S.Nair ( Mayo Clinic, Rochester). Enti finanziatori: National Institues of Health, USA ESPERIMENTI CON AMINOACIDI MARCATI MODELLI A LIVELLO DORGANO MISURE: Differenze artero-venose Microdialisi (extracellulari) Biopsie (intracellulari) Esempio di modello Proteine: ruolo chiave nellorganismo importante quantificare sintesi e degradazione PROBLEMA COMPLESSO Modificata da (D.Bier, Diabetes Metab Rev, 1989)

22 22 Gestione telematica di pazienti diabetici Collaborazioni: M. Stefanelli, R. Bellazzi (Università di Pavia). Enti finanziatori Unione Europea (Vth Framework) Scopo Migliorare: lefficacia della terapia qualità dellassistenza a pazienti diabetici costo della gestione dei pazienti CONTROLLO METABOLICO NEL DIABETE MELLITO: CRUCIALE PER LIMITARE LE COMPLICANZE Tecnologie dellinformazione + Metodi di analisi serie temporali = SERVIZIO DI TELEMEDICINA

23 23 LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici 3.Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici 4.Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio 5.Analisi del Segnale Elettroencefalografico 6.Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica 7.Genomica 8.Bioingegneria del Movimento 9.Tecnologie Biomediche

24 24 3. IMAGING MRI E PET DI PROCESSI FISIOLOGICI Claudio Cobelli (PO) Alessandra Bertoldo (Assegnista bis 2001) Tiziano Callegari (Dottorando III° anno)

25 25 X-ray (1895). Tomografia Computerizzata (70) Risonanza Magnetica Convenzionale (70) Ecodoppler (60-70). Tomografia ad emissione di positroni (PET) (80) Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI) (90) ANATOMICHEFUNZIONALI Imaging funzionale : più che lanatomia interessa la funzione (es. quali aree del cervello si attivano in presenza di certi stimoli) aspetto dinamico, richiede luso di traccianti per spiare la funzione che si vuole studiare TECNICHE DI IMAGING IN MEDICINA

26 26 Imaging PET della cinetica del glucosio nel muscolo Collaborazioni: P.Nuutila (Turku PET Center, Finland); D Kelley (Univ. of Pittsburgh, USA) Enti finanziatori: National Institutes of Health QUANTIFICAZIONE DEL TRASPORTO E METABOLISMO DEL GLUCOSIO A LIVELLO DI PIXEL Esempio: GAMBA SEQUENZA DI IMMAGINI della CONCENTRAZIONE DI FDG VEL. CONSUMO DI GLUCOSIO METODOLOGIE MODELLISTICHE...

27 27 Imaging PET del sistema recettoriale nel cervello Collaborazioni: F.Fazio e M.C. Gilardi (San Raffaele, Milano); GlaxoSmithKline Enti finanziatori: MURST COFIN-2000 (Coordinatore Nazionale C. Cobelli) CAPIRE LINTERAZIONE FARMACO-RECETTORE CONCENTRAZIONE DEL FARMACO (un antidepressivo) IN UNA SEZIONE DEL CERVELLO IMMAGINE DEL POTENZIALE DI LEGAME DEL FARMACO MODELLI A REGIONE DI RIFERIMENTO consente di valutare lefficacia del farmaco (ad esempio in base al numero di recettori occupati)

28 28 dalla PET alla MRI VANTAGGI Etici: assenza di radiazioni ionizzanti Etici: assenza di radiazioni ionizzanti Economici: costa meno (apparati, personale, …) Economici: costa meno (apparati, personale, …)

29 29 Imaging MRI dellemodinamica cerebrale Collaborazioni: L.Landini (CNR Istituto di Fisiologia Clinica di Pisa), F.Fazio & M.C.Gilardi (San Raffaele, Milano). Enti finanziatori: Partecipa bando MIUR COFIN-2002 Si usa un agente di contrasto esogeno paramagnetico (gadolinio, che fa per noi da spia dellemodinamica) STIMA DI FLUSSO E VOLUME EMATICO NEL CERVELLO DECONVOLUZIONE Mappa del Flusso Ematico Mappa del Volume Ematico IMMAGINE DI RISONANZA LIVELLO DI PIXEL (es. uso nella diagnosi della stenosi carotidea)

30 30 LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici 4.Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio 5.Analisi del Segnale Elettroencefalografico 6.Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica 7.Genomica 8.Bioingegneria del Movimento 9.Tecnologie Biomediche

31 31 4. MODELLISTICA E CONTROLLO DEL SISTEMA RESPIRATORIO Claudio Cobelli (PO) Gianluca Nucci (Post-Doc)

32 32 Modelli anatomici della meccanica respiratoria Collaborazioni K. Lutchen, B. Suki (Boston University). Misure anatomiche da stampi in resina di polmone umano o animale Modelli meccanicistici elevata complessità (~ ODE): SPICE, analisi tempo-frequenza Monitoraggio della meccanica respiratoria in terapia intensiva Collaborazioni A. Rossi, G. Polese (Ospedali Riuniti di Bergamo). filtri convertitori A/D Ventilatore COMPUTER demodulatori P tr Time (s) cmH 2 O Inspiratory P 0 Modelli del sistema Identificazione in linea P es RELAZIONE FRA STRUTTURA E FUNZIONE NEL POLMONE Enti finanziatori MURST COFIN 98 & 2000 Partecipa a Bando MIUR 2002 MISURA IN REAL TIME DELLA FUNZIONE RESPIRATORIA PAZIENTE VENTILATO ARTIFICIALMENTE

33 33 LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio 5.Analisi del Segnale Elettroencefalografico 6.Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica 7.Genomica 8.Bioingegneria del Movimento 9.Tecnologie Biomediche

34 34 5. ANALISI DEL SEGNALE ELETTROENCEFALOGRAFICO Gianna M. Toffolo (PO) Giovanni Sparacino (Ru)

35 35 Potenziali cognitivi CROSS APPROXIMATE ENTROPY COERENZA TECNICHE TEMPO-FREQUENZA Collaborazioni: P.Amodio, Dip.to Medicina Clinica e Sperimentale, Università di Padova Collaborazioni: E. Arslan (Dipartimento di Specialità Medico Chirurgiche, Università di Padova). Enti finanziatori: Partecipa bando MIUR COFIN-2002 Potenziali evocati uditivi SCOPO: ANALIZZARE LA SINCRONIZZAZIONE DELLE ATTIVITA DELLE DIVERSE AREE DEL CERVELLO DURANTE TASK COGNITIVI (es. esecuzione di un compito allo stimolo) ANALISI DI SPETTRO USO IN AUDIOMETRIA FREQUENZIALE CLINICA DEI POTENZIALI EVOCATI DA TONI MODULATI SISTEMA Assieme allEEG di fondo ce anche attività evocata dallo stimolo ?

36 36 Collaborazioni: E. Arslan (Dipartimento di Specialità Medico Chirurgiche, Università di Padova). Enti finanziatori: Partecipa bando MIUR COFIN-2002 Potenziali evocati uditivi QUANTIFICAZIONE DELL ADATTAMENTO STUDIO DEI MECCANISMI NEUROFISIOLOGICI DI GENERAZIONE DEI POTENZIALI EVOCATI DI STATO STAZIONARIO ? Tempo-Variante treno di click potenziale evocato di stato stazionario misurato METODI ITERATIVI BASATI SULLA DECONVOLUZIONE

37 37 LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio Analisi del Segnale Elettroencefalografico 6.Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica 7.Genomica 8.Bioingegneria del Movimento 9.Tecnologie Biomediche

38 38 6. ANALISI DI IMMAGINI IN OFTALMOLOGIA DIAGNOSTICA Alfredo Ruggeri (PA) Marco Foracchia (Dottorando, III°anno) Enrico Grisan (Dottorando, I°anno)

39 39 Analisi di immagini corneali Collaborazioni: S. Klyce (Lousiana State University), D. Ponzin (Banca Occhi, Venezia). Ente finanziatore: Nidek Technologies ESEMPIO: IDENTIFICAZIONE DEI CONTORNI CELLULARI NELLENDOTELIO CORNEALE IN VIVO (OTTICA TRAPIANTO) RETI NEURALI SPAZIO-INVARIANTI + CORREZIONE DA ANALISI STATISTICA INFORMAZIONE A PRIORI SULLA FORMA + BAYESIAN MODELING (MCMC)

40 40 Analisi di immagini retiniche Collaborazioni: S. Piermarocchi (Ist. Clinica Oculistica, Università di Padova), Ente finanziatore: Nidek Technologies SOGGETTI AFFETTI DA SOSPETTE RETINOPATIE ( ipertensione, diabete) Lesioni vascolari non vascolari Analisi dellimmagine. Tre fasi: 1. Riconoscimento 2. Classificazione 3. Misura della gravità della lesione FOTOGRAFIA DELLA RETINA OTTENUTA CON FUNDUS CAMERA

41 41 Lesioni vascolari: identificazione misura VESSEL TRACKING PROFILE TRACKING SPLINE SMOOTHING 3 PASSI

42 42 LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio Analisi del Segnale Elettroencefalografico Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica 7.Genomica 8.Bioingegneria del Movimento 9.Tecnologie Biomediche

43 43 7. GENOMICA Gianna M. Toffolo (PO) Claudio Cobelli (PO) Barbara Di Camillo (Dottoranda, II°anno)

44 44 Gene Network da dati di microarray di DNA Collaborazioni: S.Nair ( Mayo Clinic, Rochester) min livello espressione GRa4 nestin GAD65 Studio in vitro di cellule muscolari (incubate in insulina), con un campionamento ogni 10 minuti CAPIRE QUALI GENI SI ESPRIMONO IN PRESENZA DI INSULINA E COME INTERAGISCONO TRA LORO GENE NETWORK Analisi delle sequenze temporali del livello di espressione dei vari geni

45 45 LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio Analisi del Segnale Elettroencefalografico Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica Genomica 8.Bioingegneria del Movimento 9.Tecnologie Biomediche

46 46 8. BIOINGEGNERIA DEL MOVIMENTO Claudio Cobelli (PO) Gianluca Nucci (Post-Doc) Stefano Corazza (Dottorando I°anno)

47 47 Bioingegneria del Movimento Collaborazioni: M. Zaccaria (Dip.to Scienze Mediche, Univ. Padova), A. Cappozzo (Ist.Univ. Scienze Motorie - Roma), R. Frezza (DEI). Enti finanziatori: Partecipa bando Progetti dAteneo 2002 VALUTAZIONE QUANTITATIVA DELLA FUNZIONE MOTORIA Riabilitazione Gesto sportivo TESTA DEL FEMORE STATO TENSIONALE DI UNA PORZIONE DELLOSSO Simulazione numerica dinamica agli elementi finiti NUOVO LABORATORIO DI BIOINGEGNERIA DEL MOVIMENTO Cinematica diretta e inversa del movimento umano

48 48 LINEE DI RICERCA Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio Analisi del Segnale Elettroencefalografico Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica Genomica Bioingegneria del Movimento 9.Tecnologie Biomediche

49 49 9. TECNOLOGIE BIOMEDICHE Luigi Mariani (PO) Elena Morandi (Dottoranda I°anno)

50 50 Valutazione e Gestione delle Tecnologie Biomediche Collaborazioni A.Sargentini, Istituto Superiore di Sanità A.Udilano, Az.Ospedaliera Padova Enti finanziatori Regione Veneto Sistemi Informativi Sanitari Collaborazioni W. Rainer, BTS, Bolzano Enti finanziatori Provincia Autonoma di Bolzano CARTELLA CLINICA IN ANESTESIOLOGIA


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