Bioingegneria

La bioingegneria è importante per la medicina perché fornisce strumenti e metodologie che possono supportare il medico nella diagnosi, nel monitoraggio di particolari parametri e nella comprensione di determinati problemi, mediante l’uso di modelli matematici. In generale è quel settore che va a integrare le conoscenze e i metodi dell’ingegneria con le problematiche della medicina cioè l’applicazione di modelli matematici e tecnologie al modello medico biologico.

Essendo un’integrazione, una caratteristica fondamentale è la multidisciplinarità. Questo perché chi si occupa di bioingegneria non è solo l’ingegnere, ma di fatto, proprio per le sue applicazioni è necessario integrare saperi provenienti dalla biologia, dalla medicina e dalla fisica. Quindi questa disciplina integra conoscenze che provengono da ambiti diversi, al fine di studiare problemi medico biologici e naturalmente di fornire soluzioni a questi problemi.

Da una parte quindi, ci aiuta a comprendere alcuni processi fisico biologici, dall’altra parte fornisce strumenti, apparecchiature e sistemi che supportano gli operatori sanitari alla diagnosi, nella terapia e nella riabilitazione. La bioingegneria non si focalizza solo a livello macro, ma è suddivisa in diverse discipline interessanti i livelli micro, pertanto dalle cellule fino a raggiungere i tessuti, gli organi e i livelli più elevati.

La bioingegneria non è recente, questa è presente da diverso tempo nell’ambito della medicina, ma negli ultimi decenni, grazie allo sviluppo e alla conoscenza di nuove tecnologie, si è potuto produrre modelli molto importanti che hanno determinato progressi notevoli, pensate alle tecniche di imaging.

Pensiamo banalmente agli stent, device utilizzati quotidianamente nella pratica clinica, ma anche il robot da Vinci, chirurgia assistita da computer utilizzata per interventi non invasivi dove si deve agire su zone estremamente ridotte. Usato per la prima volta dalla INTUITIVE SURGICAL nel 1998, dal 2003 è prodotto in maniera esclusiva e conitnuativa. Questa è la diffusione del robot in ambito europeo(dati aggiornati al 2007).

Ci sono diversi settori che fatto riferimento alla bioingegneria. Ad esempio i biosensori, l’elaborazione di segnali ed immagini biomediche, la bioinformatica e la biologia computazionale, la biomeccanica, la biorobotica, cioè tutte queste discipline si occupano di problemi diversi portando determinate tecnologie.

Per esempio i biosensori studiano il design di dispositivi in grado di misurare grandezza biologiche di interesse; misure che vengono effettutate per scopi diagnostico-terapeutici includono dispositivi classici come termometri e misuratori di pressione e quelli più avanzati per esempio pet e dispositivi nucleari. Ad esempio nell’immagine nella slide è rappresentato un sensore a reti che viene utilizzato per l’elettrocorticografia, una metodica invasiva che consente di rilevare i potenziali cerebrali. Generalmente quando facciamo l’EEG utilizziamo degli elettrodi di superficie non invasivi; durante gli interventi chirurgici può essere necessario effettuare un’elettrocorticografia dove vengono ad essere applicati dei microaghi che penetrano la corteccia consentendo di effettuare una misura più invasiva e precisa rispetto all’EEG.

Generalmente i dati e le grandezze acquisite tramite un biosensore, come i biopotenziali elettrici, vengono sottoposti ad elaborazione e da qui nascono due discipline differenti che sono l’elaborazione di segnali e l’imaging biomedico, tecnologie che attraverso algoritmi implementati su calcolatore, consentono di interpretare dati acquisiti e di rilevare informazioni di interesse.

Altro settore è la bioinformatica e e la biologia computazionale che si occupano di rilevare delle informazioni riguardo i sistemi biologici e nello specifico, la biologia computazionale, va ad applicare determinati modelli per capire come avvengono a livello macro specifici processi biologici. Invece la bioinformatica è più a livello molecolare e in questa si individuano la genomica, la proteomica, la trascrittomica. Noi non vedremo nulla di questo a meno che non decidiate di fare qualcosa per il progetto.

Altro settore è la telemedicina che riguarda l’applicazione di tecnologie di informatica e telecomunicazioni in ambito medico sanitario, consentendo il monitoraggio di pazienti a distanza o la collaborazione di due medici a distanza. Altra applicazione è lo screening, quando per esempio il paziente non può accedere a delle strutture specifiche, o ancora per monitorare trattamenti terapeutici e riabilitativi.

All’interno della telemedicina di parla del mobile health, ci sono diverse app che consentono di monitorare il nostro stile di vita e i parametri vitali. Con il mobile health si sfrutta questa tecnologia; in figura vedete un progetto realizzato da un’università americana, un dsipositivo che misura la saturazione di O2 collegata ad un mobile che invia i dati ad un server centrale.

Altro ambito è l’ingegneria della riabilitazione che si occupa di creare tecnologie e metodiche che possano garantire il ripristino e il recupero di funzionalità motorie in individui che hanno avuto ictus o patologie spinali. Questo è un braccio robotico ad esempio.

Oggi si parla di interfaccia cervello computer, sistemi elettronici che consentono di acquisire l’attività cerebrale del soggetto e quindi basate su tecniche elettroencefalografiche, mentre il paziente esegue una determinata azione. Il paziente indossa una cuffia di elettrodi, immagina di muovere la mano o il piede e questa immaginazione determina variazione elettroencefalografiche. Questi segnali vengono rilevati ed elaborati e una volta riconosciuto cosa il soggetto sta pensando si generano dei segnali di controllo o di comando che possono essere utilizzati per diverse applicazioni.

Pensate ai paraplegici, le comuni sedie a rotelle hanno un joystick per comandare la sedia, con queste interfacce possiamo immaginare di andare diritto e il sistema riconosce questa intenzione e comanda la sedia a rotelle oppure nei pazienti affetti da SLA questi sistemi possono fornire la possibilità di comunicare. Come si vede nei telefilm americani. Con queste interfacce si decodifica la volontà dell’utente; non si legge nel pensiero, ma gli stati mentali sono associati a variazione dei segnali elettrico-cerebrali che vengono acquisiti.

Un sistema di elaborazione può essere schematizzato cosi: abbiamo una serie di dati che riguardano uno specifico problema e che sono gli input, in uscita abbiamo una soluzione a questo problema ovvero gli output. Il sistema di elaborazione elabora i dati in input, per ricavare informazioni utili per aumentare la conoscenza del problema; posso memorizzare quei dati possono comunicarli ad altri pc. Quindi voi nell’ambito dell’informatica conoscete questa tipologia di sistema. In ambito biomedico esistono apparecchiature appositamente progettate che effettuano misure e raccolgono dati e dopo averli modificati li trasmettono all’elaboratore per visualizzarle, stamparle e usarle.

Prima di definire le caratteristiche di queste apparecchiature dobbiamo dire che cos’è la misura in ambito biomedico. L’obiettivo di un sistema di misura è di monitorare una grandezza e di studiare come varia per capire come si genera e per avere informazioni sulla sorgente che genera questa grandezza. Un esempio è la temperatura, per poter capire il livello di umidità. In ambito biomedico si monitora una grandezza per motivi diagnostici, per esempio se un paziente ha una tachicardia voi potete misurare la pressione arteriosa, per comprendere i processi fisiologici, quindi possiamo effettuare analisi e indagini per aumentare le conoscenze riguardo quel fenomeno.

Le misure biomediche rappresentano una classe particolare perché sono misure con diverse criticità ovvero la variabilità individuale nonché da quella interindividuale; è difficile, inoltre, in medicina, riconoscere dei valori patologici franchi, a differenza di altri campi dell’ingegneria dove definiamo una soglia al di sopra del quale quel valore non mi sta più bene. In medicina questo non può succedere, infatti si fanno degli studi per valutare quali valori devono essere di riferimento.

Inoltre si interagisce con soggetti umani quindi tra il sensore e la sorgente possono esserci interazioni biochimiche, fisiologiche ma anche la condizione psicologica può inficiare la misura. Altra problematica è data dal fatto che le grandezze sono molto basse in termini di ampiezza quindi non sempre la strumentazione riesce a individuarle, oppure possono essere contaminate da rumori provenienti dall’esterno, dal nostro organismo che impediscono la corretta misura del segnale. Le misure biomediche non sono immediate come in altri settori ma ci sono una serie di problematiche per fare in modo che il valore misurato sia rappresentativo della realtà e non falsato.

Prima di poter collegare il sensore per il nostro dispositivo al calcolatore è necessario introdurre un ulteriore strumentazione che consenta di trattare il segnale, ovvero un blocco a valle del dispositivo che misura, il quale elabora il segnale eliminando il disturbo e le variazioni che non sono d’interesse.

La strumentazione è costituita da un dispositivo detto anche sensore che serve a misurare la grandezza, un blocco che si occupa di elaborare e trattare il segnale per eliminare tutte le problematiche di misura; infine il nostro elaboratore estrae e utilizza il dato, potendolo visualizzare e memorizzare.

Come possono essere classificate le misure biomediche:

  • Invasive e non invasive;

Non invasive quando vengono effettuate senza creare traumi, quindi in maniera superficiale o esterna; nelle invasive tutte le volte che non ci troviamo nelle condizioni precedenti, anche se in generale l’invasività è minima. Alcune grandezze possono essere misurate in maniera diversa, per esempio nel caso della GC c’è il metodo minimamente invasivo che è quello della termodiluizione però sono stati sviluppati anche dei metodi non invasivi.

Altra classificazione che riguarda le misure biomediche è quella che le suddivide le misure in

  • dirette ed indirette;

nelle dirette il dispositivo di misura collegato al paziente, da un valore diretto come nel caso della temperatura. Nella misura indiretta il valore che voglio ricercare non è facilmente valutabile per cui si misurano grandezze affini facilmente misurabili e attraverso formule matematiche si ricava la grandezza d’interesse.

Altra classificazione è la suddivisione

  • in attiva e passiva.

Nell’attiva il segnale viene emesso dalla stessa apparecchiatura come nel caso dell’ecografo con gli ultrasuoni. I segnali passivi vengono originati da noi come nel caso della termografia; i corpi ad una temperatura superiore allo 0 assoluto emettono radiazioni infrarosse. Con specifici dispositivi ovvero termocamere sensibili a queste radiazioni si possono rilevare le temperature del corpo. Sono utilizzate nelle indagini su edifici storici per valutare l’umidità. In ambito biomedico è possibile ricavare informazioni tra due aree diverse.

Inoltre le misure biomediche possono essere classificate in base alla grandezza misurata, quindi stessa tecnica di misura. Il principio di trasmissione è il principio su cui si basa l’apparecchiatura per rilevare la misura.

In generale, i dati che ricaviamo dalle misure quando variano in funzione del tempo e dello spazio vengono definiti segnali. Un segnale è una grandezza che descrive come questi fenomeni variano al variare del tempo e dello spazio consentendoci di avere informazioni relative al processo di genesi delle grandezze. La misura si riferisce alla tecnica per conoscere una grandezza. Una volta determinata, la rappresentazione di questa grandezza si chiama segnale, dalla quale possiamo riconoscere la sorgente d’origine. I segnali biomedici rappresentano variazioni di grandezze generate dal nostro organismo, di conseguenza possiamo avere informazioni sullo stato di salute e di malattia. Possiamo classificare i segnali in:

  • basali ed evocati.

Un segnale basale viene generato dall’organismo senza nessuna interazione con l’esterno, come nel caso del segnale EEG o la temperatura. Grandezze che normalmente il nostro organismo genera. Ovviamente parliamo di un segnale che varia al variare nel tempo. Gli evocati derivano dall’interazione del nostro organismo con l’esterno, perché siamo stimolati come nel caso delle immagini diagnostiche.

Altra classificazione dipende dalle caratteristiche della grandezza misurata, cioè :

  • tempo varianti,
  • spazio varianti,
  • tempo e spazio varianti,

a seconda che cambino in base al tempo, allo spazio e alla correlazione tempo-spazio.

 

 

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