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Programma del corso di Elaborazione di Dati e Segnali Biomedici 2 (A.A. 2004-2005)

Prof. Giancarlo Filligoi.
Periodo delle lezioni: Aprile-Giugno 2007.
Per il II° anno (II° Ciclo) della Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica e per il 2° modulo del II° anno Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica, delle Telecomunicazioni, Informatica, Meccanica e Nucleare

programma modulo 2 in formato pdf

  1. FILTRI NUMERICI PER SEGNALI BIOMEDICI
    1. Introduzione:
      • Dynamic range e larghezza di banda dei principali segnali bioelettrici;
    2. Trasformata di Fourier, Trasformata di Laplace e Trasformata Z di sequenze:
    3. Funzione di trasferimento in z:
      • poli/zeri nel piano z e risposta in frequenza;
    4. Equazioni alle differenze e relativo diagramma a blocchi;
    5. Filtri ricorsivi e non ricorsivi;
    6. DFT e IDFT:
      • La doppia periodazione tempo-frequenza;
      • Lo zero-padding;
      • Cenni alla FFT;
    7. Filtri a fase lineare:
      • CNES per un filtro FIR;
    8. Progetto di semplici filtri nel piano z:
      • passaggio dai filtri passa-basso a passa-alto e a passa-banda;
    9. Progetto filtri FIR:
      • Metodo del windowing;
      • Metodo del campionamento in frequenza;
      • Equiripple ed extraripple;
    10. Famiglie di filtri IIR:
      • Butterworth, Chebisheff, Ellittici.
    11. La tecnica di filtraggio diretto e inverso a fase nulla (FILTFILT)
  2. ACQUISIZIONE DI IMMAGINI BIOMEDICHE
    1. Cenni ai segnali bidimensionali e relativi concetti matematici
    2. Cenni alle Trasformate di immagini: Trasformata di Fourier
    3. Risonanza Magnetica Nucleare
      • Principi fisici della risonanza magnetica:
        • Il chemical shift e sua rappresentazione nella scala delta, Sommazione degli scan per incremento SNR, Tempi di rilasciamento spin-spin T1 e spin-lattice T2, Acquisizione del FID (Free Induction Decay) e sua Fourier Trasf.
      • Spettroscopia NMR: Cenni agli spettri 1H-NMR, 13C-NMR e 31P-NMR;
      • Magnetic Resonance Imaging
        • Gradienti magnetici e loro utilizzo per la formazione delle immagini
        • Selezione del piano di tomografia
        • Ricostruzione delle immagini con la Back-Projection e la 2-D Fourier Trasf.
        • L'esperimento di NMR secondo la fisica classica
        • Misura dei tempi di rilasciamentoT1 e T2:
          • Sequenza Inversion-recovery (180°-TI – 90°)
          • Esperimento spin-echo (90° - TE/2 – 180°)
        • Esperimento di Carr-Purcell e del Multiplanar Excitation
        • Influenza dei parametri dell'esame NMR sull'intensità e il contrasto dell'immagine
      • Cenni ai problemi costruttivi dei tomografi NMR
      • Influenza sul MRI dei parametri di immagine e delle proprietà tissutali
  3. LA TOMOGRAFIA
    1. Ricostruzione di immagini da proiezioni
      • Tomografie per trasmissione (TAC), Riflessione (radar), Emissione (PET),
        • Immagini a risonanza magnetica (MRI))
      • La trasformata di Radon e sue proprietà
      • L'operatore di Back-projection
      • Il teorema della proiezione
      • La trasformata inversa di Radon
        • Il metodo della back-projection convoluta
        • Il metodo della back-projection filtrata
      • Il filtraggio bidimensionale attraverso la trasformata di Radon
      • Il metodo di ricostruzione dalle proiezioni secondo Fourier
  4. APPLICAZIONI IN NEUROLOGIA
    1. Potenziali evocati:
      • PE transienti e stazionari;
      • Media sincronizzata delle sweep;
      • Stimoli visivi, acustici e somatosensoriali;
    2. Potenziali evocati visivi (PEV)
      • Elaborazione del messaggio sensoriale da parte del sistema visivo;
        • Visione fotopica e scotopica;
        • Acquisizione e pre-elaborazione da parte della retina:
          • coni, bastoncelli, cellule gangliari centro ON e centro OFF;
        • Profilo del campo visivo a DOG (Difference of Gaussians) delle
          • cellule gangliari X e del Corpo Genicolato Laterale
        • Trasformazione topologica dell’immagine visiva dalla Retina alla Corteccia:
          • orientamento, dominanza oculare, frequenza spaziale;
        • Rappresentazione retinotopica;
        • Tipi di stimoli visivi usati per i PEV;
        • Parametri dello stimolo che influenzano la forma del PEV;
        • Metodi di analisi dei PEV transienti e stazionari;
        • Problematiche di progetto di un sistema computerizzato per l’acquisizione dei PEV;
    3. Potenziali evocati acustici
      • Tipi di stimoli acustici;
      • Risposte a latenza breve, a latenza breve e onde lente;
      • Potenziali Cocleari Microfonici (CM), Potenziali di Sommazione (SP), Attività Post-sinaptica (AP);
      • Acoustic Brainstem Response (ABR o BAEP)
      • Risposta Evocata Corticale (CER);
      • Applicazioni dei BAEP
    4. Cenni sui potenziali Evocati somatosensoriali (SEP)
      • Cenni alle vie anatomo-fisiologiche della sensibilità;
      • Tipi di stimoli meccanici, termici ed elettrici;
    5. Problemi bioingegneristici dei sistemi di acquisizione ed elaborazione di PE:
      • Tecnica dell’averaging come filtro COMB;
      • Relazione tra numero di sweep e rapporto SNR
      • Metodi di presentazione dei risultati:
    6. Elettroretinogramma (ERG)
      • ERG da flash per lo stimolo di coni e bastoncelli
        • Standard della American EEG society per gli stimoli:
          • Stimolazione dei soli coni o dei soli bastoncelli o di entrambi;
        • Filtraggio 0,2-500 Hz e 100-500 Hz:
          • Onda a, onda b, potenziali oscillatori
      • ERG da pattern (PERG) per l’analisi delle componenti neuronali post-recettoriali
        • Pattern ON-OFF
        • Pattern Reversal;
        • Parametri dello stimolo che influenzano i PERG:
          • Luminanza media dello stimolo;
          • Dimensione del campo visivo stimolato;
          • Contrasto;
          • Frequenza spaziale (“Effetto tuning” ad 1-4 cicli/grado)
          • Frequenza temporale: Transient PERG e steady-state PERG
    7. ElettroMioGramma (EMG) nella diagnostica neurologica:
      • Registrazioni ad ago e di superficie
    8. Analisi del Campo Visivo (CV)
      • Le vie visve;
      • Lesioni delle vie ottiche e deficit visivi ;
      • Campimetria statica e dinamica;
      • Metodo del tangent screen e implementazione su pC:
        • Il problema della risoluzione dell’esame campimetrico
      • Strategia di campionamento adattativo dell'immagine;
        • OPTONET: Reti Neurali in neurooftalmologia;
      • Cenni alla campimetria cromatica
  5. APPLICAZIONI IN FISIOLOGIA UMANA
    1. Studio del sistema muscolare
      • Cenni di anatomo-fisiologia dei muscoli: Fibre lente e veloci, sarcomeri, Actina-miosina e ATP, *-motoneuroni; unità motorie;
      • Potenziali elettromiografici di singola fibra (sfEMG) e di superficie (sEMG);
      • Approccio lineare e stazionario allo studio dell’EMG:
      • Parametri in frequenza e nel tempo per l'analisi del sEMG;
      • Metodi non lineari di analisi del sEMG:
        • La RQA (Recurrence Quantification Analysis) e le mappe di ricorrenza
        • La sincronizzazione delle unità motorie
    2. Anatomo-fisiologia del controllo corticale del movimento:
      • Corteccia sensitiva e corteccia motoria
    3. Mappe Cerebrali e Movement Related Macro-Potentials MRBM:
      • Il problema dell'interpolazione spaziale;
      • Le scale dei colori
    4. Le mappe di densità di corrente (Source Current Density SCD)
      • L’Operatore Laplaciano:
      • Effetti di filtraggio passa-alto spaziale;
    5. Uso di modelli della testa:
      • Modello sferico, ellissoidale e modello realistico basato su MRI

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