GRUPPO DI BIOINGEGNERIA D E I GRUPPO DI BIOINGEGNERIA

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

BIOMEDICAL ENGINEERING 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. Dal 1975, oltre 575 milioni di dollari per promuovere didattica e ricerca in Bioingegneria. http://www.whitaker.org

DIDATTICA NUMERO DEI PROGRAMMI DI I°, II°, III° LIVELLO IN BIOINGEGNERIA STATI UNITI 10 20 30 40 50 60 70 80 90 BS MS PhD Anno 1994 Anno 2002 ITALIA 2 4 6 8 10 12 DU o LAUREA TRIENNALE LAUREA QUINQ. DOTTORATO IN BIOING. Anno 1994 Anno 2002 FONTE: http://www.whitaker.org/glance/programs.html

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

108 TRA PROFESSORI E RICERCATORI UNIVERSITARI " PADOVA 7 ANCONA 2 BOLOGNA 9 FIRENZE 7 GENOVA 12 NAPOLI 3 ROMA 7 PAVIA 9 SASSARI 1 MODENA 2 TRIESTE 2 SIENA 2 PISA 10 TORINO 3 MILANO 24 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

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

(Già Post-Doc, Contratto fondi MURST 40%) 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)

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

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

1. Modellistica e Identificazione di Sistemi Fisiologici 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

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)

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

? Deconvoluzione STIMA DI FLUSSI Collaborazioni: G.De Nicolao (Università di Pavia), B.Bell (University of Washington, Seattle) INGRESSO Concentrazione nel plasma SISTEMA USCITA Secrezione Produzione Assorbimento ? STIMA DI FLUSSI 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 NON LINEARE Modelli probabilistici a priori di segnali vincolati Markov chain Monte Carlo (MCMC) ALMOST-BLIND DECONVOLUTION MCMC

? Identificabilità a Priori Stima parametrica ... 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) ... Identificabilità a Priori COMPUTER ALGEBRA e ALGEBRA DIFFERENZIALE Collaborazioni: S.Audoly e L.D’Angiò (Università di Cagliari) Complesse relazioni non lineari fra i parametri 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, ..

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 OPTIMAL SAMPLING RETI BAYESIANE E STIMA INDIVIDUALE MCMC ESEMPIO: MODELLISTICA A LIVELLO DI PIXEL DEL METABOLISMO DEL GLUCOSIO DA IMMAGINI PET

2. Modellistica e Controllo di Sistemi Metabolici 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

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)

Tratto Gastrointestinale 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 MODELLO NON LINEARE PER STIMARE L’EFFICACIA DEL CONTROLLO DELL’INSULINA DA TEST ENDOVENOSO (Bergman, Cobelli, Bowden, 1979) Tessuti Fegato k5 Glucosio k1 k4 k6 k2 k3 Insulina Plasmatica Insulina Remota Pasto Tessuti Fegato k5 Glucosio k1 k4 k6 k2 k3 Insulina Plasmatica Insulina Remota Tratto Gastrointestinale Ra CHALLENGE ATTUALE: STIMA DA TEST ORALE (PASTO), più facile da eseguire per studi epidemiologici e genetici ma più difficile da modellare 20 40 60 Pubblicazioni/Anno sul modello 1980 1985 1990 1995 2001

PROTOCOLLO A 3 TRACCIANTI 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 Endogenous Glucose Production 4 8 12 16 20 m mol /kg/ min Meal Rate of Appearance 30 60 90 mmol 120 180 240 300 360 420 Glucose Disappearance 10 40 50 70 -60 ) FLUSSI “INTERNI” -120 -60 60 120 180 240 300 360 420 i.v. [6-3H] glucose tracer min oral [1- 13 C] mixed meal i.v. [6,6D 2 ] PROTOCOLLO A 3 TRACCIANTI METODOLOGIE MODELLISTICHE min

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

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

3. Imaging MRI e PET di Processi Fisiologici 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

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

TECNICHE DI IMAGING IN MEDICINA ANATOMICHE FUNZIONALI 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) Imaging funzionale: più che l’anatomia interessa la funzione (es. quali aree del cervello si attivano in presenza di certi stimoli)  aspetto dinamico, richiede l’uso di traccianti per “spiare” la funzione che si vuole studiare

METODOLOGIE MODELLISTICHE 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 Esempio: GAMBA QUANTIFICAZIONE DEL TRASPORTO E METABOLISMO DEL GLUCOSIO A LIVELLO DI PIXEL SEQUENZA DI IMMAGINI della CONCENTRAZIONE DI FDG VEL. CONSUMO DI GLUCOSIO METODOLOGIE MODELLISTICHE ...

MODELLI A REGIONE DI RIFERIMENTO 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 L’INTERAZIONE 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 l’efficacia del farmaco (ad esempio in base al numero di recettori occupati)

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

Imaging MRI dell’emodinamica 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 STIMA DI FLUSSO E VOLUME EMATICO NEL CERVELLO DECONVOLUZIONE Mappa del Flusso Ematico Mappa del Volume Ematico IMMAGINE DI RISONANZA LIVELLO DI PIXEL Si usa un agente di contrasto esogeno paramagnetico (gadolinio, che fa per noi da “spia” dell’emodinamica) (es. uso nella diagnosi della stenosi carotidea)

4. Modellistica e Controllo del Sistema Respiratorio 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

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

PAZIENTE VENTILATO ARTIFICIALMENTE Modelli anatomici della meccanica respiratoria Enti finanziatori MURST COFIN 98 & 2000 Partecipa a Bando MIUR 2002 Collaborazioni K. Lutchen, B. Suki (Boston University). RELAZIONE FRA STRUTTURA E FUNZIONE NEL POLMONE Time (s) -5 5 x 10 -7 Alveolar Flow l/s 66 68 70 Misure anatomiche da stampi in resina di polmone umano o animale Modelli meccanicistici elevata complessità (~ 250000 ODE): SPICE, analisi tempo-frequenza Monitoraggio della meccanica respiratoria in terapia intensiva Collaborazioni A. Rossi, G. Polese (Ospedali Riuniti di Bergamo). PAZIENTE VENTILATO ARTIFICIALMENTE MISURA IN REAL TIME DELLA FUNZIONE RESPIRATORIA 5 10 15 20 25 Time (s) cmH2O Inspiratory P0 demodulatori filtri convertitori A/D COMPUTER Modelli del sistema Identificazione in linea Ventilatore Ptr Pes

5. Analisi del Segnale Elettroencefalografico 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

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

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

? Potenziali evocati uditivi 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

6. Analisi di Immagini in Oftalmologia Diagnostica 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

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

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

FOTOGRAFIA DELLA RETINA OTTENUTA CON FUNDUS CAMERA 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 dell’immagine. Tre fasi: Riconoscimento Classificazione Misura della gravità della lesione FOTOGRAFIA DELLA RETINA OTTENUTA CON FUNDUS CAMERA

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

LINEE DI RICERCA 7. Genomica  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

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

Gene Network da dati di microarray di DNA Collaborazioni: S.Nair ( Mayo Clinic, Rochester) CAPIRE QUALI GENI SI ESPRIMONO IN PRESENZA DI INSULINA E COME INTERAGISCONO TRA LORO Studio in vitro di cellule muscolari (incubate in insulina), con un campionamento ogni 10 minuti ... 10 20 ... GENE NETWORK Analisi delle sequenze temporali del livello di espressione dei vari geni 20 40 60 80 min livello espressione GRa4 nestin GAD65

8. Bioingegneria del Movimento 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

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

DI UNA PORZIONE DELL’OSSO 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 d’Ateneo 2002 VALUTAZIONE QUANTITATIVA DELLA FUNZIONE MOTORIA Riabilitazione Gesto sportivo NUOVO LABORATORIO DI BIOINGEGNERIA DEL MOVIMENTO Cinematica diretta e inversa del movimento umano TESTA DEL FEMORE STATO TENSIONALE DI UNA PORZIONE DELL’OSSO Simulazione numerica dinamica agli elementi finiti

9. Tecnologie Biomediche 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

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

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