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PORTALE DELLA DIDATTICA

Strumentazione biomedica e sicurezza

01VJJMA

A.A. 2023/24

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Collaboratori
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-INF/06 8 B - Caratterizzanti Ingegneria biomedica
2022/23
L'insegnamento ha come obiettivo fornire le conoscenze base relative al panorama normativo europeo, ai principali aspetti di sicurezza elettrica in ambito ospedaliero, alle metodiche ed ai problemi tipici del prelievo di biopotenziali ed ai principi di funzionamento e di corretta gestione dei principali tipi di apparecchi elettromedicali di tipo diagnostico e terapeutico.
This course aims at presenting the basic knowledge relative to: a) the european regulations that apply to medical devices; b) the main issues of electrical safety within hospitals; c) methodologies and problems relative to the detection of biopotentials, and d) the working principles and management methods of the most important and common pieces of medical electrical equipment.
Al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di valutare il livello di rischio al quale pazienti ed operatori sono esposti a causa dell’uso di strumentazione biomedica ed individuare le misure di prevenzione e protezione in grado di contenerlo; inoltre, per tutte le tipologie di apparecchi elettromedicali considerate, lo studente dovrà conoscere i principi di funzionamento, il grado di evoluzione tecnologica, i rischi specifici associati all’apparecchio considerato e le misure di prevenzione e protezione in grado di contenerli. Lo studente dovrà inoltre essere in grado di affrontare una prima fase di progettazione a blocchi della strumentazione trattata tenendo conto degli aspetti funzionali e di sicurezza applicabili. Infine, lo studente conoscerà il panorama normativo europeo e le norme generali, collaterali e particolari relative alla strumentazione trattata.
Biomedical instrumentation At the end of the course, students will be able to evaluate the risk taken by patients and operators when using electrical medical equipment and to identify the protection and prevention measures that allow for risk reduction. Moreover, for each specific typology of medical electrical equipment considered, students will know the working principles, the degree of technological evolution, associated risks, and appropriate prevention and protection measures. Students will be able to face the design of the instruments presented within the course at a block-diagram level, considering functional and safety issues. Finally, students will know the basics of the European regulations on medical devices as well as general, collateral, and particular requirements of the instruments presented. Medical images Knowledge on the physical principles of medical imaging. Knowledge of the structure and technology of the devices for medical imaging. Knowledge of the diagnostic potentialities of each device and of its intrinsic limitations. Knowledge of the criticalities of each device also in relation to its acquisition and maintenance. Considering a specific medical imaging device, the student will be able to detail the degree of technological development and the corresponding market segment of the device. Furthermore, using the acquired knowledge on the technology, regulations and device market, the student will be able to draft technical documents for buying imaging devices. This course contributes to the development of autonomous judgement during the laboratory assignments. This course contributes to improve communication skills, both written and oral, through laboratories. This course contributes to provide students with tools for continuous learning, requiring the consultancy of web sites of the main producers of imaging devices. This activity is aimed to illustrate how it is possible, through the internet, to obtain the documentation for a preliminary market analysis of the technological state-of-the-art.
Lo studente deve avere una buona conoscenza degli argomenti trattati nei corsi di fisica, elettrotecnica, elettronica e fisiologia con elementi di anatomia umana.
Biomedical instrumentation Students must be familiar with the arguments presented in the courses of physics, electric circuits, electronics, and physiology with elements of human anatomy. Medical images Students must be familiar with physics and electronics. The knowledge of the Medical Device Directive 93/42 and of the 47/2007 directive is an important prerequisite. Moreover, students must be familiar with the working principles of devices for biopotential detection and electrical stimulation with low and high energy. Moreover, students are supposed to know how to solve simple electrical circuits, and, finally, they should be familiar with the physiology of the most important organs and systems of the human body.
- Il panorama normativo europeo: direttiva dispositivi medici 93/42, 47/2007, IEC601-1 (cenni), collaterali e particolari. - Sicurezza elettrica in ambito ospedaliero: suddivisione degli apparecchi elettromedicali in classi e tipi (I, II, III, B, BF, CF); macroshock per contatto diretto ed indiretto, interruttore magnetotermico, interruttore differenziale, impianto di messa a terra; microshock, nodo equipotenziale, uso di strumentazione di tipo CF. - Prelievo di biopotenziali: caratteristiche del front-end, interferenza di rete (CMRR finito, asimmetria elettrodi, accoppiamenti capacitivi), scelta dei valori desiderati di resistenza di ingresso e CMRR. Una generica catena di amplificazione per biopotenziali. - Il segnale elettrocardiografico: cenni di elettrofisiologia cardiaca, il ciclo elettrocardiografico e sua suddivisione, derivazioni agli arti, aumentate e toraciche. Gli artefatti tipici dell’elettrocardiografia. Esempio di catena di amplificazione ECG. Elettrocardiografia dinamica (Holter): problematiche tecnologiche ed utilità clinica. - Il segnale elettroencefalografico: generazione del segnale e sue caratteristiche, suddivisione in bande. Utilità clinica del segnale EEG. sistemi di elettrodi (il sistema 10-20), sistemi di elettrodi per EEG ad alta risoluzione. Gli artefatti tipici dell’elettroencefalografia: esempi di tracciati corrotti dai diversi tipi di artefatti. Catena di amplificazione del segnale EEG. Cenni all’interpretazione del segnale EEG. Analisi nel dominio delle frequenze. Cenni alla soluzione del problema inverso per la localizzazione delle sorgenti. - Potenziali evocati somatosensoriali, visivi ed uditivi: metodi di eccitazione e prelievo, cenni alla tecnica dell’averaging. - Lampade scialitiche: le diverse tipologie di lampade scialitiche, costituzione, rischi associati all’uso delle lampade scialitiche. La norma particolare specifica. Manutenzione e verifiche preventive. - Apparecchi per elettrochirurgia: principi di funzionamento, evoluzione dello stadio di uscita e rischi legati all’uso dello strumento, monitor paziente e monitor di elettrodo. Un moderno elettrobisturi: analisi delle prestazioni. Elettrobisturi utilizzati in chirurgia mini-invasiva:problematiche e soluzioni. La norma particolare specifica e le linee guida. Manutenzione e verifiche periodiche. - Defibrillatore – cardioversore: principi di funzionamento, dimensionamento del circuito di scarica, monitoraggio dell’energia ceduta. La norma particolare specifica e le linee guida. Manutenzione e verifiche periodiche. - Pompe di infusione: principi di funzionamento, le diverse tipologie di pompa di infusione. La norma particolare specifica. Manutenzione e verifiche periodiche. - Preparatori per emodialisi: principi di funzionamento e problematiche specifiche. I principali rischi per operatori e pazienti. Costituzione di un preparatore “tipo”. La norma particolare specifica. Sistemi di allarme e sicurezza. Manutenzione e verifiche periodiche.
Biomedical instrumentation - European regulations on medical devices: Medical Device Directive 93/42, 47/2007, general requirements for medical electrical equipment (IEC 601 -1), collateral and particular requirements. - Electrical safety in healthcare facilities: classes and types of medical electrical equipment (I, II, III, B, BF, CF); direct and indirect macroshock, thermal-magnetic circuit breaker, differential circuit breaker, protective earth plant; microshock, equipotential node, CF electrical equipment. - Biopotential detection: front-end characteristics, line interference (finite CMRR, electrode unbalance, capacitive couplings), desired values of input impedance and CMRR. Typical biopotential amplifier chain. - Electrocardiographic signal: short outline of cardiac electrophysiology, ECG cycle and its components, limb leads, augmented leads, thoracic leads. Typical artifacts. ECG amplifier chain. Dynamic ECG (Holter): technical issues and clinical utility. - Electroencephalographic signal: signal generation and characteristics, subdivision in frequency bands. Clinical relevance of EEG signal. Different montages: the 10-20 system, montages for high resolution EEG. Typical artifacts in electroencephalography: examples of signals affected by different artifacts. EEG amplifier chain. Short outline of signal interpretation. Frequency domain analysis. - Somatosensory, auditory, and visual evoked potentials: eliciting and detection methods. Averaging technique. - Surgical lamps: different typologies of surgical lamps, different structures, associated risks. Particular requirements. Maintenance and preventive tests. - Electrosurgery units: working principles, evolution of the output stage and risks associated to the use of ESUs, patient monitor and electrode monitor. Analysis of the features of a modern electro-surgical unit. ESUs in minimally invasive surgery: specific problems and solutions. Particular requirements and specific guidelines. Maintenance and preventive tests. - Cardioverter ? defibrillator: working principles, design of the discharge circuit, monitoring of the energy delivered. Particular requirements and specific guidelines. Maintenance and preventive tests. - Infusion pumps: working principles, different typologies of infusion pumps. Particular requirements. Maintenance and preventive tests. - Systems for hemodialysis: working principles and specific issues. Main risks for patients and operators. Block diagram of a typical unit. Alarm and safety systems. Particular requirements. Maintenance and preventive tests. Medical images The course describes the most widely used devices for medical imaging, starting from the physical principles upon which they are based on. Therefore, for each class of devices, the student will be first introduced to the properties of each kind of energy used to obtain the image. Secondly, the student will analyze the technologies that, taking advantage of each type of energy-matter interaction, allow the clinicians to perform diagnostic imaging. The main topics are: - Introduction to medical imaging (2h) - Planar radiological devices (8h) - Devices for computed tomography and tomosynthesis (8h) - Nuclear medicine, scintigraphy, PET and SPECT devices (8h) - Ultrasonography and Doppler flowmetry (8h) - Devices for magnetic resonance imaging (10h) - Diagnostic applications (2h) - Regulations and device dimensioning (4h)
L'insegnamento è articolato in lezioni frontali ed esercitazioni di calcolo in aula. Le lezioni frontali costituiscono circa i due terzi del corso le esercitazioni il terzo rimanente.
Biomedical instrumentation The course consists of frontal lectures and exercise sessions. Lectures are approximately two thirds of the course and exercise sessions approximately one third. Medical images The course is organized in frontal lessons, class exercises, and laboratory activities. The laboratories are four, involve groups of four students and are distributed during the course delivery. It is necessary to deliver a report of each lab assignment. The lab activities focus on supplementary analyses of the theoretical notions learned during the lessons, specifically for what concerns the regulations and the technological upgrades of the different medical imaging devices. The class exercises are aimed to analyze in more details some aspects of technological and energetic dimensioning of the studied imaging devices.
I docenti metteranno a disposizione degli studenti il materiale presentato a lezione e durante le esercitazioni in aula ed eventuale altro materiale per approfondimenti. Parte del programma è contenuto nella dispensa: Bioingegneria elettronica e sicurezza, Prof. Marco Knaflitz, edita da Levrotto & Bella.
Biomedical instrumentation Handouts and other resources will be available. Part of the teaching program may be found in Bioingegneria elettronica e sicurezza, Prof. Marco Knaflitz, edita da Levrotto & Bella. Medical images Slides provided by the teacher and recently published scientific papers on specific techniques. Book recommended: "Bioimmagini", Valli e Coppini, Collana di Ingegneria Biomedica, Patron Editore.
Modalità di esame: Prova scritta in aula tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
Exam: Computer-based written test in class using POLITO platform;
La prova d'esame intende verificare la capacità degli studenti di svolgere esercizi di calcolo simili a quelli trattati durante le esercitazioni. L'esame comprende una prima parte consistente in quindici domande a risposta guidata ed in una seconda parte consistente in tre domande a risposta libera. Alla prima parte, che ha la durata di 15 minuti, sono attribuiti 9 punti che derivano dal moltiplicare per 9/15 il punteggio ottenuto come segue: ogni risposta corretta incrementa il totale di 1 punto, ogni risposta errata comporta la sottrazione di 0,25 punti ed ogni risposta non data non è considerata. Alla seconda parte, che dura 60 minuti, sono attribuiti 24 punti, sino a 8 per ogni esercizio. Lo studente che non supera la soglia di 6/15 nella prima parte o quella di 12/24 nella seconda parte è riprovato. Il voto finale viene determinato sommando al punteggio riportato nella prima parte il punteggio ottenuto sommando i tre voti riportati negli esercizi della seconda parte. In questo modo il massimo punteggio ottenibile è pari a 33. La somma dei 4 contributi viene approssimata all’intero più vicino. Se il voto così determinato è maggiore di 30,5 allo studente viene assegnata la lode. Nel corso della prova non è consentita la consultazione di appunti, testi a stampa o qualunque altro materiale.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Computer-based written test in class using POLITO platform;
Biomedical instrumentation The exam aims at verifying the student capability of solving exercises similar to those presented during the exercise sessions. The final exam is written and comprises two different parts: a first part consisting of 15 closed response questions and a second part consisting of 3 exercises. The first part lasts 15 minutes and corresponds up to 9 points that are obtained by multiplying by 9/15 the score obtained as follows: each right answer increases the score by 1 point, each wrong answer decreases the score by 0,25 points, each question without an answer does not modify the score. The second part lasts 60 minutes and corresponds up to 24 points, up to 8 pointsfor each exercise. Students are required to be over the threshold of 6/15 points relative to the first part and 12/24 points relative to the second part. The final score is obtained by summing the results of the first and the second part. It is then possible to reach 33 points. If the final score is higher than 30.5 the exam is passed with Laude. During the exam students are not allowed to use handouts, textbooks or any other material. Medical images The final exam aims at evaluating the student capability of solving exercises similar to those presented during the exercise sessions and to critically elaborate the theoretical concepts presented during the lessons. The written exam consists of four open questions, each of which is evaluated up to 8 points. The exam lasts 60 minutes. The lab reports, which summarize the group project, corrected and discussed, are overall evaluated up to 6 points. The final mark is calculated summing the four better marks among the five marks (four questions and the lab reports score). If the final score is higher than 30.5 the exam is passed with Laude. During the exam students are not allowed to use handouts, textbooks or any other material.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
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