1 GRUPPO DI BIOINGEGNERIA. 2 RICERCHE PRESENTATE 1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci 2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali.

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1 1 GRUPPO DI BIOINGEGNERIA

2 2 RICERCHE PRESENTATE 1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci 2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche 3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia 4. Riabilitazione e funzione motoria 5. Information & Communication Technology nella Sanità

3 3 BIOMEDICAL ENGINEERING http://www.whitaker.org 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: http://www.whitaker.org/glance/programs.html STATI UNITI 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 BSMSPhD Anno 1994 Anno 2002 ITALIA 0 2 4 6 8 10 12 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 RICERCHE PRESENTATE 1. Modelli per lo studio della cinetica di farmaci 2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche 3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia 4. Riabilitazione e funzione motoria 5. Information & Communication Technology nella Sanità

6 6 1. MODELLI PER LO STUDIO DELLA CINETICA DI FARMACI

7 7 POOL ACCESSIBILE MISURE SISTEMA FISIOLOGICO ? Assorbimento, trasporto, utilizzazione del farmaco. Masse negli organi e nei tessuti PROBLEMA: SISTEMI COMPLESSI E SITI INACCESSIBILI IN VIVO Modelli black-box Modelli strutturali...

8 8 Deconvoluzione INGRESSO Concentrazione nel plasma SISTEMA USCITA 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 Enti finanziatori: MIUR-COFIN 2000

9 9 DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE WINSTODEC Enti finanziatori: GlaxoSmithKline (Middlesex, UK)

10 10 Stima parametrica 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 Complesse relazioni non lineari fra i parametri POOL ACCESSIBILE MISURE SISTEMA FISIOLOGICO ? Assorbimento, trasporto, utilizzazione del farmaco. Masse negli organi e nei tessuti... POOL ACCESSIBILE A C B D + + - MISURE dx/dt = f(x,t,p) + u(t) y(t) = g(t, x, p) + v(t)... MODELLO MATEMATICO

11 11 Approccio “di Popolazione” a deconvoluzione e stima parametrica SITUAZIONE DATA POOR: nel singolo soggetto basso SNR e/o pochissimi campioni per cui non si riescono a stimare i parametri o i flussi incogniti individuali (esempio: trial clinici di farmaci) ESEMPIO: MODELLISTICA A LIVELLO DI PIXEL DA IMMAGINI PET APPROCCIO DI POPOLAZIONE: STUDIO N SOGGETTI (SUPPOSTI OMOGENEI) ASSIEME

12 12 Studio del sistema recettoriale nel cervello da immagini PET Enti finanziatori: MURST COFIN-2000, GlaxoSmithKline (Verona) 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)

13 13 RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci 2. Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche 3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia 4. Riabilitazione e funzione motoria 5. Information & Communication Technology nella Sanità

14 14 2. METODI DI ELABORAZIONE ED ANALISI DI DATI, SEGNALI E IMMAGINI BIOMEDICHE E APPLICAZIONI DIAGNOSTICHE

15 15 Analisi del segnale elettroencefalografico CROSS APPROXIMATE ENTROPY COERENZA TECNICHE TEMPO-FREQUENZA SCOPO: ANALIZZARE LA SINCRONIZZAZIONE DELLE ATTIVITA’ DELLE DIVERSE AREE DEL CERVELLO DURANTE TASK COGNITIVI (es. esecuzione di un compito allo stimolo) Enti finanziatori: Micromed SRL (Mogliano Veneto, TV), Regione Veneto

16 16 DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE PER ANALISI DI COERENZA DI TRACCIATI EEG Ente finanziatore: Regione Veneto Funzione Coerenza Autospettro 1 Autospettro 2

17 17 DIMOSTRAZIONE: SOFTWARE PER ANALISI TEMPO FREQUENZA DI POTENZIALI EVOCATI Ente finanziatore: Micromed SRL (Mogliano, TV)

18 18 Enti finanziatori: MIUR COFIN-2002 Potenziali evocati uditivi USO IN AUDIOMETRIA FREQUENZIALE CLINICA DEI POTENZIALI EVOCATI DA TONI MODULATI ANALISI DI SPETTRO SISTEMA Assieme all’EEG di fondo c’e’ anche attività evocata dallo stimolo ?

19 19 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 SSR a 40 Hz, 15 risposte impulsive

20 20 Gene Network da dati di microarray di DNA... 020406080 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 0 10 20...

21 21 Cluser analysis dei dati di microarray di DNA (software public-domain Genesis, Università di Graz)

22 22 Imaging PET della cinetica del glucosio nel muscolo 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...

23 23 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, …)

24 24 Imaging MRI dell’emodinamica cerebrale Si usa un agente di contrasto esogeno paramagnetico (gadolinio, che fa per noi da “spia” dell’emodinamica) 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)

25 25 Volume ematicoFlusso ematico paziente con stenosi carotidea destra Esempio: STUDIO DELL’EMODINAMICA CEREBRALE MRI CON TRACCIANTE ESOGENO (GADOLINIO) MODELLO

26 26 RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche 3. Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia 4. Riabilitazione e funzione motoria 5. Information & Communication Technology nella Sanità

27 27 3. ELABORAZIONE E ANALISI DI IMMAGINI PER DIAGNOSTICA IN OFTALMOLOGIA

28 28 Analisi di immagini corneali 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)

29 29 Analisi di immagini retiniche Ente finanziatore: Nidek Technologies SOGGETTI AFFETTI DA SOSPETTE RETINOPATIE ( ipertensione, diabete) Lesioni vascolari non vascolari Analisi dell’immagine. Tre fasi: 1. Riconoscimento 2. Classificazione 3. Misura della gravità della lesione FOTOGRAFIA DELLA RETINA OTTENUTA CON FUNDUS CAMERA

30 30 Lesioni vascolari: identificazione misura VESSEL TRACKING PROFILE TRACKING SPLINE SMOOTHING 3 PASSI

31 31 RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia 4. Riabilitazione e funzione motoria 5. Information & Communication Technology nella Sanità

32 32 4. RIABILITAZIONE E FUNZIONE MOTORIA

33 33 STUDIO ED APPLICAZIONE DI TECNICHE PER LA MOBILITY ASSESSMENT GAIT analysis con diversi protocolli Bioingegneria del Movimento

34 34 Ricostruzione della cinematica articolare attraverso il tracking di marker incollati sulla pelle del soggetto. DIMOSTRAZIONE: GAIT ANALYSIS CON TECNICA STEREOFOTOGRAMMETRICA

35 35 SVILUPPO DI UN ALGORITMO AUTOMATICO DI CORREZIONE DEGLI ARTEFATTI DI PELLE IN STEREOFOTOGRAMMETRIA PER L’IDENTIFICAZIONE DEI PARAMETRI CINEMATICI DEGLI ARTI INFERIORI. Implementazione dell’algoritmo di correzione per ridurre l’artefatto di pelle in stereofotogrammetria. In evidenza l’aderenza del modello (blu) alla cinematica del segmento osseo (nero). Visualizzazione dei vettori artefatto di pelle per la coscia.

36 36 Simulazione FEM del movimento di flesso- estensione dell’anca per diversi soggetti/geometrie della gamba. MODELLI 3D FEM DEL MOVIMENTO DEI TESSUTI MOLLI NEGLI ARTI INFERIORI STUDIO MODELLI DI CONTROLLO MOTORIO

37 37 RICERCHE PRESENTATE Modelli per lo studio della cinetica di farmaci Metodi di elaborazione ed analisi di dati, segnali e immagini biomediche e applicazioni diagnostiche Elaborazione e analisi di immagini per diagnostica in oftalmologia Riabilitazione e funzione motoria 5. Information & Communication Technology nella Sanità

38 38 5. INFORMATION & COMMUNICATION TECHNOLOGY NELLA SANITÀ

39 39 Gestione telematica di pazienti diabetici Enti finanziatori : Unione Europea (Vth Framework) Scopo Migliorare: l’efficacia della terapia qualità dell’assistenza a pazienti diabetici costo della gestione dei pazienti CONTROLLO METABOLICO NEL DIABETE MELLITO: CRUCIALE PER LIMITARE LE COMPLICANZE Tecnologie dell’informazione + Metodi di analisi serie temporali = SERVIZIO DI TELEMEDICINA

40 40 Progettazione di sistemi informativi sanitari Enti finanziatori : Provincia Autonoma di Bolzano MEDfolder gestione anagrafica, registrazione eventi, prestazioni, parametri vitali, esami di laboratorio, … MEDviewer MEDdatalink acquisizione dati, tracciati, immagini da apparecchiature elettromedicali, strumenti per la misura, filtri digitali, overlay vettoriali.

41 41 Sviluppo cartella clinica anestesiologica MEDintra Sistema per la gestione di dati clinici relativi all‘ attività anestesiologica, nelle sue tre fasi principali:  Fase preoperatoria  Fase intraoperatoria  Fase postoperatoria Progettazione di un sistema di riconoscimento automatico degli artefatti in sala operatoria dati acquisiti da differenti apparecchiature (monitor, respiratori, pompe di infusione) Enti finanziatori : Provincia Autonoma di Bolzano