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PORTALE DELLA DIDATTICA

Meccanica applicata ai sistemi biomedici

02IKKMV

A.A. 2018/19

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 45
Esercitazioni in laboratorio 15
Tutoraggio 18
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Ferraresi Carlo Professore Ordinario ING-IND/13 39 0 15 0 17
Collaboratori
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/13 6 C - Affini o integrative Attività formative affini o integrative
2018/19
I sistemi fisiologici sono in generale molto più complessi dei sistemi tecnologici e possiedono parametri che non sempre possono essere definiti in modo certo. Scopo di questo insegnamento è mostrare come, tramite un approccio meccanico ai sistemi fisiologici, si può giungere a definire modelli matematici di varia complessità che consentono l’identificazione e l’analisi funzionale di tali sistemi, al fine di una comprensione più approfondita dei meccanismi che li regolano e dello studio di una possibile interazione tra essi e i sistemi tecnologici.
Physiological systems are in general much more complex than technological systems and often their characteristics cannot be determined in a certain way. Aim of this course is to show that, by means of a mechanical approach to physiological systems, it is possible to define mathematical models of various complexity, able to identify and analyse the functionality of such systems, for a more in-depth comprehension of the governing mechanisms and for the study of a possible human-machine interaction.
Conoscenza dei meccanismi di funzionamento di alcuni importanti sistemi fisiologici e biomedici; capacità di descrivere tali meccanismi tramite adeguati modelli matematici. Capacità di utilizzare definiti strumenti matematici per la simulazione e l’analisi funzionale dei sistemi fisiologici e biomedici proposti.
Knowledge of the functioning mechanisms of some important physiological and biomedical systems; ability to describe these mechanisms through appropriate mathematical models. Ability to use defined mathematical tools for the simulation and functional analysis of the proposed physiological and biomedical systems.
Conoscenze di base di meccanica applicata e teoria dei controlli.
Basic knowledge of applied mechanics and control theory.
- Richiami sulla struttura del corpo umano: terminologia, sistemi di riferimento, movimenti, articolazioni. - Biomeccanica del movimento umano: esempi con modelli semplificati, modellazione secondo strutture articolate a corpi rigidi. - Cinematica dei sistemi articolati multicorpo: matrici di orientamento e posizionamento, angoli di Eulero, determinazione di velocità e accelerazioni in una struttura cinematica seriale, analogie con sistemi fisiologici. - Dinamica dei sistemi multicorpo: analisi con equazioni cardinali o con metodi energetici, applicazione a sistemi fisiologici. - Meccanica delle strutture muscolo-scheletriche: modellazione come strutture cinematiche parallele, analisi cinematica e dinamica, determinazione delle azioni muscolari. - Analisi cinematica e dinamica della deambulazione umana: caratteristiche della deambulazione, determinazione delle caratteristiche fisico-geometriche dei segmenti corporei, determinazione delle azioni nelle articolazioni, tecniche per il rilievo sperimentale della cinematica e delle forze sul piede. - Apparato muscolare: conformazione dei muscoli, aspetti meccanici della contrazione muscolare, modelli e loro applicazione. - Dispositivi di ausilio, ortesi, protesi esterne: classificazione, tipologia dei componenti, progettazione funzionale e strutturale. - Sistema respiratorio: fisiologia, ciclo respiratorio, modelli di meccanica del respiro, respiratori artificiali volumetrici e pressometrici.
Human body structure: terminology, reference systems, movements, joints. Biomechanics of human movement: simple models, modelling as rigid-body articulated structures. Kinematics of multi-body articulated systems: orientation and pose matrices, Euler angles, determination of velocities and accelerations in a serial kinematic structure, analogies with physiological systems. Dynamics of multi-body systems: analysis with Newton-Euler equations or with energetic methods, application to physiological systems. Mechanics of musculoskeletal structures: modelling as parallel kinematic structures, kinematic and dynamic analysis, determination of muscle forces. Kinematic and dynamic analysis of human gait: characteristics of gait, determination of physical and geometric data of body segments, determination of joint forces and moments, techniques for experimental surveying of movement and external forces. Muscle mechanics: physiological aspects, mechanical characteristics, mechanical models and their application. Orthoses and external prostheses: classification, typologies, functional and structural analysis and design. Respiratory system: Physiology, respiratory cycle, models of breathing mechanics, volumetric and pressurometric artificial respirators.
Vengono svolte circa 45 ore di lezione in aula. Le lezioni ad anni alterni vengono videoregistrate e messe a disposizione degli studenti sulla pagina web del Corso. Vengono inoltre svolte attività di modellazione numerica e simulazione al Laboratorio Informatico, per complessive 15 ore. Di tali attività è richiesta la stesura di una relazione scritta, che deve essere caricata sulla pagine web prima dell’esame.
Approximately 45 hours of classroom lectures are held. Lectures in alternate years are videotaped and made available to students on the course web page. Numerical modeling and simulation activities are also carried out at the Information Laboratory, for a total of 15 hours. The results shall be described in a written report, that shall be uploaded on the webpage before the exam.
L’intero programma è coperto da note e dispense fornite dal docente e caricate sulla pagina web. Per approfondimenti: - Legnani G., Palmieri G., “Fondamenti di Meccanica e Biomeccanica del Movimento”, Città Studi. - LegnaniG., Palmieri G., Fassi I., "Introduzione alla biomeccanica dello sport", Città Studi.
All contents are covered by lecture notes provided by the teacher and uploaded on the webpage. Auxiliary textbooks: - Legnani G., Palmieri G., “Fondamenti di Meccanica e Biomeccanica del Movimento”, Città Studi. - LegnaniG., Palmieri G., Fassi I., "Introduzione alla biomeccanica dello sport", Città Studi.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Elaborato scritto prodotto in gruppo;
L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale e la capacità di applicare la teoria ed i relativi metodi di modellazione matematica alla simulazione e allo studio dei sistemi fisiologici e biomedici presentati nel corso. L’esame consiste in una prova scritta di quattro domande a risposta aperta sugli argomenti del programma ed ha lo scopo di valutare il livello di conoscenza e le competenze attese. Una delle domande si riferisce specificamente alle attività svolte nel laboratorio informatico. La durata della prova è di due ore. Durante lo svolgimento dell'esame non è consentito tenere e consultare quaderni, libri, fogli con appunti, smartphone o altro materiale. L’elaborato deve essere svolto sui fogli distribuiti per l’occasione. Ad ogni domanda deve essere fornita una risposta completa e sintetica, che deve essere contenuta in una singola pagina. Le valutazioni sono espresse in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. Il punteggio assegnato alle singole domande è proporzionato alla difficoltà delle stesse; la votazione massima è di 30/30. Particolare riguardo è rivolto alla chiarezza notazionale e logica delle risposte fornite dallo studente, che permette di ottenere la lode. I risultati dell’esame vengono comunicati sul portale della didattica, insieme alla data in cui gli studenti possono visionare il compito e chiedere chiarimenti.
Exam: Written test; Group essay;
The exam is aimed at ascertaining the knowledge of the topics listed in the official syllabus and the ability to apply the theory and related methods of mathematical modeling to the simulation and study of physiological and biomedical systems presented in the course. The exam consists of a written test of four open-ended questions on the topics of the syllabus and aims to assess the level of knowledge and skills expected. One of the questions refers specifically to the activities carried out in the computer lab. The duration of the test is two hours. During the exam it is not allowed to keep and consult notebooks, books, sheets with notes, smartphones or other material. The work must be done on the sheets distributed for the occasion. For each question a complete and concise answer must be provided, which must be contained in a single page. The evaluations are expressed in thirtieths and the exam is passed if the score is at least 18/30. The score assigned to the individual questions is proportionate to the difficulty of the same; the maximum mark is 30/30. Particular attention is given to the notational and logical clarity of the answers provided by the student, which allows to obtain the praise (laude). The results of the exam are communicated on the teaching portal, together with the date on which the students can view the work and request clarification.


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