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PORTALE DELLA DIDATTICA

Biomeccanica e biodinamica sperimentale/Biomeccanica del sistema cardiovascolare (Biomeccanica del sistema cardiovascolare)

01NZRMV

A.A. 2019/20

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica - Torino

Mutua

03MQFMV

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 30
Esercitazioni in aula 20
Esercitazioni in laboratorio 10
Tutoraggio 20
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Morbiducci Umberto
Biomeccanica del sistema cardiovascolare
Professore Ordinario ING-IND/34 33 0 1 0 9
Audenino Alberto
Biomeccanica e biodinamica sperimentale
Professore Ordinario ING-IND/34 30 0 0 0 9
Morbiducci Umberto Professore Ordinario ING-IND/34 33 0 1 0 9
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/34 6 B - Caratterizzanti Ingegneria biomedica
2018/19
L'insegnamento, obbligatorio per tutti gli studenti che scelgono l'indirizzo Bioingegneria industriale,si compone di due moduli: Biomeccanica e biodinamica sperimentale e Biomeccanica del sistema cardiovascolare Biomeccanica e biodinamica sperimentale il modulo ha il fine di presentare le principali metodologie sperimentali in campo biomeccanico con riferimento alla scelta dei sensori, all¿impostazione della strumentazione di acquisizione e all¿analisi dei dati sperimentali. Particolare attenzione viene rivolta all¿analisi tensionale e/o deformativa con riferimento alla caratterizzazione di protesi ortopediche ed alle misure di accelerazione sul corpo umano in senso lato. Vengono proposte, come esempi, applicazioni riguardanti il campo della ricerca, l'ambito clinico, l'ambito dello sport e della medicina del lavoro; vengono organizzate esercitazioni pratiche sul campo e in laboratorio. Biomeccanica del sistema cardiovascolare Il modulo ha il fine di presentare le tecniche correntemente utilizzate in ambito cardiovascolare per lo studio di fenomeni bio-fluidodinamici e biomeccanici di interesse per la fisiopatologia cardiovascolare, la chirurgia e i dispositivi biomedici impiantabili. Esso ha lo scopo di fornire gli strumenti teorici, numerici e sperimentali per la descrizione e la comprensione dei fenomeni fluidodinamici che avvengono nel sistema circolatorio (grandi vasi arteriosi, vene, microcircolazione), e nei principali dispositivi biomedici.
Cardiovascular System Biomechanics The module of Cardiovascular system biomechanics is designed to provide the students with cognitive elements currently used in the study of transport and biomechanical phenomena in the cardiovascular system, which are particularly important in cardiovascular physiopathology, cardiovascular surgery and implantable devices. The course has as objective to give the theoretical, numeric and experimental basis required to understand fluid dynamics phenomena in the circulatory system (large arteries, veins, microcirculations) and in biomedical devices.
Biomeccanica e biodinamica sperimentale Calcolo errori sistematici e di precisione: errori di: accuratezza, isteresi, ripetibilità, non linearità, di zero, di sensibilità. Derive e stabilità termica. Processo di calibrazione statica di un sistema di misura. La sperimentazione su processi dinamici: errori relativi alla misura di quantità variabili nel tempo. Comportamento dinamico dei sistemi di misura, definizione di ordine del sistema sensore e condizionatore di segnale. Errori legati alla trasmissione dei segnali; connessioni a terra, interferenza elettromagnetica sui cavi, schermatura. Cenni di diafonia sulle linee brevi con modello capacitivo ed induttivo. Scelta di un sistema di acquisizione dei dati: individuazione delle specifiche di un sistema per la conversione analogico digitale. Misura sperimentale ed analisi delle funzioni di risposa in frequenza: estrazione di parametri modali caratteristici del sistema. Principali sensori con e senza contatto per il rilievo di: spostamento, velocità, accelerazione, forza, pressione, flusso, temperatura. Rilievo puntuale ed a pieno campo dello stato deformativo e tensionale su solidi sollecitati: fotoelasticità ed analisi termoelastica delle tensioni. Il corso si pone l¿obiettivo di fornire allo studente la capacità di impostare un¿attività sperimentale, mediante opportuna scelta dei sensori, del sistema di acquisizione e della procedura di prova, con specifico riferimento all¿ambito biomeccanico. Il senso critico e l¿autonomia di giudizio costituiscono caratteristiche irrinunciabile da trasmettersi ad ogni studente. Nello specifico, per conseguire tali finalità vengono proposte esercitazioni ¿aperte¿ in cui sifocalizza l¿attenzione verso il risultato sperimentale, mentre non viene definita a priori la scelta dei sensori, del sistema di acquisizione e della procedura di prova più opportuna. Le abilità comunicative vengono sviluppate particolarmente in laboratorio, nel quale viene svolta attività sperimentale che richiede agli studenti di lavorare in gruppo e di confrontarsi con i compagni per l¿individuazione delle procedure più idonee. Pur utilizzando sostanzialmente un solo software commerciali per l¿acquisizione dei dati, l¿insegnamento fornisce agli studenti nozioni sufficienti per confrontare prodotti differenti esistenti sul mercato anche in ottica di un aggiornamento continuo. Agli studenti viene inoltre richiesto di elaborare alcune tesine relative alle esperienze di laboratorio in cui devono essere motivate le scelte progettuali effettuate, riportando e commentando anche i risultati ottenuti conseguentemente a errori di impostazioni, sintetizzando le principali nozioni acquisite. Biomeccanica del sistema cardiovascolare Conoscenza e capacità di comprensione: Conoscenze relative alle strutture fluidodinamiche che caratterizzano la emodinamica in distretti cardiovascolari in condizioni fisiologiche e alle grandezze emodinamiche di interesse clinico, alla fisiopatologia della circolazione sanguigna e all’ausilio che la meccanica dei fluidi fornisce alla clinica, alla progettazione dei dispositivi medici e alla loro valutazione. Conoscenze relative alla definizione di modelli emodinamici complessi di tipo personalizzato, come strumento di ausilio di tipo diagnostico/prognostico. Conoscenze relative ai metodi in silico per lo studio della meccanica dei fluidi biologici. Conoscenze degli strumenti computazionali per l’analisi della fluidodinamica indotta da impianto di sostituti funzionali per il sistema cardiovascolare. Comprensione delle problematiche connesse alla emodinamica locale e alla insorgenza e sviluppo di patologie della parete vascolare. Capacità di applicazione della conoscenza acquisita allo studio in silico della emodinamica locale su modelli vascolari patient-specific. Capacità di applicare conoscenza e comprensione: L'insegnamento contribuisce a sviluppare l’analisi critica, l'autonomia di giudizio e la capacità di proporre soluzioni innovative da parte degli studenti mediante una frequente attività di laboratorio orientata alla applicazione pratica delle nozioni introdotte a lezione Risultati di apprendimento attesi: Conoscenze relative alle strutture fluidodinamiche che caratterizzano la emodinamica in distretti cardiovascolari in condizioni fisiologiche e alle grandezze emodinamiche di interesse clinico, alla fisiopatologia della circolazione sanguigna e all’ausilio che la meccanica dei fluidi fornisce alla clinica, alla progettazione dei dispositivi medici e alla loro valutazione. Conoscenze relative alla definizione di modelli emodinamici complessi di tipo personalizzato, come strumento di ausilio di tipo diagnostico/prognostico. Conoscenze relative ai metodi in silico per lo studio della meccanica dei fluidi biologici. Conoscenze degli strumenti computazionali per l’analisi della fluidodinamica indotta da impianto di sostituti funzionali per il sistema cardiovascolare. Comprensione delle problematiche connesse alla emodinamica locale e alla insorgenza e sviluppo di patologie della parete vascolare. Capacità di applicazione della conoscenza acquisita allo studio in silico della emodinamica locale su modelli vascolari patient-specific. L'insegnamento contribuisce a sviluppare l’analisi critica, l'autonomia di giudizio e la capacità di proporre soluzioni innovative da parte degli studenti mediante una frequente attività di laboratorio orientata alla applicazione pratica delle nozioni introdotte a lezione
Cardiovascular System Biomechanics Knowledge on fluid dynamics structures characterizing the hemodynamics in cardiovascular districts in physiological conditions; Knowledge on hemodynamic quantities of clinical interest; Knowledge on physiopathology on blood circulation and on the support given by fluid dynamics to clinical needs, devices design and their evaluation; Knowledge on in silico methods to study biological fluid mechanics and dynamics; Knowledge on the definition and scope of personalized complex hemodynamic models, and use of such models to support diagnosis/prognosis (personalized medicine approach); Knowledge on computational tools to analyze the fluid dynamics generated by implants of functional substitutes of the cardiovascular system. Understanding on the problems related to local hemodynamics and the onset and progression of arterial wall pathologies. Ability to apply the acquired knowledge to the study of local hemodynamics in silico by using patient-specific vascular models. The course contributes to develop critical thinking, autonomy in the assessments and to propose innovative solutions from the student through a frequent laboratory activity, oriented to the practical applications of the acquired knowledge.
Biomeccanica e biodinamica sperimentale Analisi ed elaborazione di segnali biomedici. Nozioni di meccanica strutturale con riferimento al calcolo tensionale e deformativo. Bioingegneria meccanica Biomeccanica del sistema cardiovascolare Conoscenze di base di matematica, fisica, informatica e di bioingegneria meccanica, come già appreso nel Corso di laurea triennale in Ingegneria Biomedica. Conoscenze di meccanica dei fluidi, con particolare riferimento alla biomeccanica dei fluidi.
Cardiovascular System Biomechanics Basic knowledge of mathematics, physics, informatics, and mechanical engineering as learned in the 3-year program of Biomedical Engineering. Basic knowledge of biomechanics. Basic knowledge of fluid mechanics and biofluid mechanics.
Biomeccanica del sistema cardiovascolare TEORIA: - Richiami di meccanica dei fluidi. - La meccanica cardiaca e dei vasi sanguigni. - Il moto in regime oscillatorio e pulsatile, la teoria di Dean; la teoria di Womersley. - Il flusso in vasi collassabili, il moto dei fluidi in presenza di biforcazioni e grandi curvature, la sollecitazione alla parete dei vasi, la reologia dei fluidi non newtoniani, la reologia del sangue nella microcircolazione. - Modelli emodinamici di tipo image-based: dalle immagini cliniche alla ricxostruzione di modelli tridimensionali di distretti cardiovascolari. - Introduzione all’uso del metodo dei Volumi Finiti per la fluidodinamica computazionale. - Approccio multiscala a problemi biofluidodinamici complessi. - Il budget di incertezza nella emodinamica computazionale. – Patologie della parete vascolare e emodinamica locale: l’ipotesi emodinamica. – Indici di valutazione della fluidodinamica locale in distretti vascolari (biforcazioni, curvature, stenosi), con particolare riferimento alla interazione flusso-parete vascolare. LABORATORI: Ricostruzione di geometrie 3D di distretti vascolari a partire da immagini cliniche. Emodinamica computazionale personalizzata nei grandi vasi: integrazione di immagini cliniche e dei metodi della fluidodinamica computazionale
Cardiovascular System Biomechanics THEORY - Fluid mechanics compendium - Cardiac and vascular mechanics - Fluid motion under oscillatory and pulsatile conditions. Dean theory, Womersley theory - Fluid dynamics in compliant vessels, fluid motion in presence of bifurcations and large curvatures, vessel wall deformation, non-Newtonian rheology, microcirculation blood rheology - Image-based hemodynamic models: from clinical images to the reconstruction of three-dimensional models of cardiovascular districts - Introduction to the finite volume methods for computational fluid dynamics - Multiscale approach to complex biofluidynamics problems - Uncertainty in computational hemodynamics - Vascular disease and deranged hemodynamics: the hemodynamic hypothesis - Metrics for the evaluation of local fluid dynamics in vascular districts (bifurcations, curvature, stenosis), with particular reference to the interaction between flow and vascular wall LAB: - Reconstruction of 3D geometries of vascular segments from clinical imaging - Personalized computational hemodynamics in large arteries: integration of clinical imaging into a finite volume-based CFD framework
Lezioni in aula con proiezione di slides e uso della lavagna Esercitazioni in laboratorio a gruppi (2) con uso di codici commerciali e open source di fluidodinamica computazionale e software open source dedicati alla ricostruzione di modelli anatomici tridimensionali. Lezioni frontali (40 ore) + laboratori (20 ore). Sono previste ore di tutoraggio libero (10 ore) tutoraggio in laboratorio (10 ore). La frequenza ai laboratori è non obbligatoria per poter accedere all’esame finale. Gli argomenti oggetto delle attività di laboratorio sono tuttavia materia di esame.
Lessons in class with slides projection and blackboard. Labs activities (2 different groups) focusing on commercial/open source CFD codes e sw open source for 3D modeling reconstruction from medical imaging. Frontal lessons (40 h) + Labs (20 h). Tutoring (10 h) plus tutoring in Lab (10 h) are also delivered. Attending Labs is not mandatory to take the final examination, but the arguments presented as labs activities are matter of examination.
Slide, articoli e testi del laboratorio forniti dal docente. Dati e immagini cliniche forniti durante le sessioni di laboratorio. Codice Virtual Modeling ToolKit (VMTK) per impratichirsi nellricostruzione di modelli 3D di distretti vascolari a partire da immagini cliniche. Manuali ed esempi base di applicazione dei codici CFD utilizzati in laboratorio.
Slides, articles and laboratory assignments provided by the teacher. Data and images provided during lab sessions. Virtual Modeling ToolKit (VMTK) code for 3D geometries reconstruction of vascular districts. CFD codes tutorials.
Modalità di esame: prova scritta;
L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale del corso e la capacità di applicare la teoria ed i relativi metodi di calcolo alla soluzione di esercizi. Le valutazioni sono espresse in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. Il voto finale verrà calcolato sommando i seguenti punteggi: - esame scritto: fino a 18/32 punti - discussione orale dell’elaborato scritto, per confermare la valutazione - nel caso in cui il voto finale sarà pari a 32 verrà assegnata la Lode. L'esame scritto consiste in un numero da 2 a 5 domande aperte e/o a risposta multipla relative a aspetti teorici e pratici, che dovranno mettere in evidenza il livello di conoscenza e autonomia raggiunto dall’allievo. La durata della prova scritta è di massimo 1.5 ore. Durante lo svolgimento dell'esame non è consentito tenere e consultare quaderni, libri, fogli con esercizi, formulari, calcolatrici.
Exam: written test;
The final mark will be obtained as the sum of the three following scores: - Written examination: up to 18/32 points - Oral discussion on written examination, to confirm the evaluation obtained - In the case the final mark is equal to 32, the “Laude” will be assigned. The written examination will include from 2 to 5 open questions and/or multiple answers, focusing on practical and theoretical aspects, formulted in order to establish the level of knowledge and autonomy reached by the student. The written examination will have a duration of 1.5hours max. During the written examination, any book, notebook, device etc is not allowed.


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