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Ingegneria del sistema neuromuscolare

07IKDMV

A.A. 2022/23

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 54
Esercitazioni in laboratorio 6
Tutoraggio 6
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Mesin Luca Professore Associato ING-INF/06 48 0 0 0 7
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-INF/06 6 B - Caratterizzanti Ingegneria biomedica
2022/23
Scopo del corso è l'acquisizione di metodologie di studio e interpretazione del sistema neuromuscolare. In particolare, lo studente imparerà metodi di acquisizione del segnale EMG e di elaborazione avanzati (in Matlab). Tali metodi vengono applicati nell'ambito di un progetto, che prevede lo studio della letteratura, la scelta/implementazione di un protocollo sperimentale, l'elaborazione dei dati raccolti e la loro interpretazione/discussione.
The aim of the course is the acquisition of techniques for the investigation of the neuromuscular system. Specifically, the student will learn advanced EMG signal acquisition and processing methods (in Matlab). These methods are applied as part of a project, which involves the study of scientific literature, the choice / implementation of an experimental protocol, the processing of the collected data and their interpretation / discussion.
Il sistema neuromuscolare può essere investigato acquisendo ed elaborando diversi segnali (soprattutto bioelettrici, ma anche meccanici, ecografici,…) da cervello, muscoli e nervi, durante la loro attività, volontaria o stimolata. Lo studente acquisirà varie conoscenze relative ai diversi metodi per la misura, l’elaborazione e la simulazione di segnali che sono stati proposti nella letteratura scientifica. Un ampio spettro di applicazioni sarà anche illustrato. Inoltre, lo studente apprenderà importanti competenze per la pianificazione e implementazione di un protocollo sperimentale, l’elaborazione dei dati acquisiti e l’interpretazione dei risultati.
The neuromuscular system can be investigated recording and processing different signals (often bioelectric signals, but also others concerning kinematics, kinetics, metabolism, or ultrasound images,…) from the brain, muscles and nerves, during their activity, which could be either voluntary or stimulated. The student will get knowledge on different methods for the acquisition, processing and simulation of different signals. A wide range of applications will be also discussed. Moreover, the student will gain important competences for the design and implementation of experimental protocols, the processing of the measured data and the interpretation of the results.
Per una proficua frequentazione del corso, si consiglia di aver acquisito le nozioni principali di corsi di base di Analisi Matematica, Fisica e Analisi dei Segnali.
Elements of mathematical analysis, physics and signal processing
1. Richiami di concetti di fisica, elettrotecnica, elettronica 2. Richiami di concetti di fisiologia neuromuscolare e di controllo motorio 3. Contrazione muscolare volontaria e stimolata 4. Il segnale elettromiografico (EMG): generazione, simulazione ed elaborazione 5. Valutazione della conduzione dei nervi motori: tecnica del collision block e stima del blocco di conduzione in nervi motori 6. Crosstalk: tecniche per la sua valutazione e riduzione 7. Riflessi muscolari 8. Applicazioni in ergonomia, sindrome del tunnel carpale, stima delle manifestazioni mioelettriche di fatica, controllo della postura, ostetricia, masticazione, studio dei crampi e controllo di protesi 9. Principal Component Analysis (PCA) e Independent Component Analysis (ICA): applicazione alla decomposizione del segnale EMG in contributi di singola unità motoria 10. Introduzione alla trasformata wavelet. Applicazione di tecniche per lo studio di segnali non stazionari e di metodi di classificazione. 11. Metodi avanzati di elaborazione del segnale multicanale: stima delle regioni attive e applicazione di tecniche di flusso ottico per la valutazione dell’anatomia muscolare. 12. Brain Computer Interface basata sul Motor Related Cortical Potential Ai punti precedenti sarà dedicato un tempo indicativamente paritario, coprendo complessivamente circa l’80% del corso. Il tempo rimanente sarà dedicato al supporto alla preparazione di una tesina relativa a temi attinenti il corso che ogni studente sceglierà. Verrà illustrato come si svolge una ricerca bibliografica e come si prepara un rapporto scientifico. Inoltre, verrà fornito supporto per l’implementazione di algoritmi e l’elaborazione di segnali.
1. Summary of concepts of physics and electronics 2. Elements of physiology of the neuromuscular system and of the motor control 3. Voluntary and electrically stimulated muscle contraction 4. The electromyogram (EMG): generation, simulation and processing 5. Evaluation of conduction of the action potentials in motor nerves: collision block technique and the estimation of conduction block in motor nerves 6. Crosstalk: methods to estimate and reduce it 7. Reflexes 8. Applications in ergonomy, carpal tunnel syndrome, estimation of the myoelectric manifestations of fatigue, control of posture, obstetrics, mastication, muscle cramps and control of a prosthesis 9. Principal Component Analysis (PCA) and Independent Component Analysis (ICA): application to surface EMG decomposition 10. Introduction to wavelet transform. Applications of methods for the analysis of non-stationary signals and classification. 11. Advanced methods for the processing of multichannel surface EMG: estimation of active regions and application of optical flow techniques to study muscle anatomy 12. Brain Computer Interface based on the Motor Related Cortical Potential To each of the topics listed above, it is provided approximately equal weight. During the course, support will be also given to the students for the preparation of a small report. Some lectures will be devoted to teaching how to make a good literature review and how to produce a good report. Moreover, support will be given for the implementation of algorithms and their application to signals.
Sustainable development goals: 3 - ensure health and well-being for all and for all ages
Sustainable development goals: 3 - ensure health and well-being for all and for all ages
Oltre alle lezioni in aula, ci saranno alcune esercitazioni in cui gli studenti (divisi in gruppi di lavoro) svolgeranno attività inerenti un progetto di loro scelta: ricerca bibliografica sul tema selezionato, progetto di un protocollo sperimentale, raccolta ed elaborazione di dati.
In addition to the lessons, there will be some tutorials and exercises in which the students (split into working groups) will train with activities concerning a project: preparation of a small review on the selected topic, design of an experiment, data collection and processing.
Verranno fornite le presentazioni su cui si basano le lezioni e alcuni articoli scientifici per approfondire. Il libro di testo del corso è il seguente: L. Mesin, Neuromuscular System Engineering, 2019, ISBN: 9788892361881 Un testo aggiuntivo che copre buona parte dei temi discussi a lezione è il seguente: Merletti R, Parker PA (editors). Electromyography: Physiology, engineering and non invasive applications, IEEE Press / J Wiley, USA, 2004.
The slides presented during the lessons and some scientific papers will be given. The textbook of the couse is the following: L. Mesin, Neuromuscular System Engineering, 2019, ISBN: 9788892361881 A further book covering most of the topics of the course is the following: Merletti R, Parker PA (editors). Electromyography: Physiology, engineering and non invasive applications, IEEE Press / J Wiley, USA, 2004.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale in gruppo;
Exam: Compulsory oral exam; Group project;
L'esame consiste di una prova orale, con domande sui temi del corso (con la possibilità di consultare il libro di testo) e di una presentazione orale di un progetto di gruppo, che prevede una ricerca bibliografica di un tema di interesse nella letteratura scientifica, il progetto di un protocollo sperimentale, la raccolta e l'elaborazione di dati. In particolare, l'esame accerterà le conoscenze acquisite dallo studente relative ai diversi metodi per la misura, l’elaborazione e la simulazione dei diversi segnali che sono descritti durante il corso. Inoltre, sarà valutata la conoscenza delle varie applicazioni discusse a lezione. Sarà anche valutata la capacità di pianificare un protocollo sperimentale, elaborare i dati acquisiti e interpretare i risultati, con particolare riferimento al progetto di gruppo, che permetterà anche di testare la capacità dello studente di fare un aggiornamento continuo, tramite la consultazione di articoli scientifici recenti. Il voto finale è definito come somma della valutazione del progetto (massimo 20 punti) e dell'orale (massimo 10 punti + eventuale lode).
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: Compulsory oral exam; Group project;
L'esame consiste di una prova orale, con domande sui temi del corso (con la possibilità di consultare il libro di testo) e di una presentazione orale di un progetto di gruppo, che prevede una ricerca bibliografica di un tema di interesse nella letteratura scientifica, il progetto di un protocollo sperimentale, la raccolta e l'elaborazione di dati. In particolare, l'esame accerterà le conoscenze acquisite dallo studente relative ai diversi metodi per la misura, l’elaborazione e la simulazione dei diversi segnali che sono descritti durante il corso. Inoltre, sarà valutata la conoscenza delle varie applicazioni discusse a lezione. Sarà anche valutata la capacità di pianificare un protocollo sperimentale, elaborare i dati acquisiti e interpretare i risultati, con particolare riferimento al progetto di gruppo, che permetterà anche di testare la capacità dello studente di fare un aggiornamento continuo, tramite la consultazione di articoli scientifici recenti. Il voto finale è definito come somma della valutazione del progetto (massimo 20 punti) e dell'orale (massimo 10 punti + eventuale lode).
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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