Corso di Bioingegneria Meccanica - (10 CFU, 100 h) - Università di Cagliari

Corso di Bioingegneria Meccanica
                        (10 CFU, 100 h)
                        A.A. 2019-2020

           Docente: Massimiliano Pau
Professore Associato del Settore Scientifico Disciplinare ING-IND/14
       “Progettazione meccanica e Costruzione di Macchine”

 Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali (DIMCM)
      Tel. 070-6755598 (Piazza d'Armi)/6753264 (Lab Monserrato)

                Email: massimiliano.pau@dimcm.unica.it

      Pagina web docente - Blog del corso: http://people.unica.it/pau

Iscrizione al Corso

Compilare il form web che si trova alla
                pagina
https://form.jotformeu.com/92684465088370
              PW: bioingmecc

Orario delle lezioni

                 Orario lezioni               Orario ricevimento studenti (Lab Monserrato)

      Lunedì 17-20 (+pausa lez precedente)                 Mercoledì 10-11
            Martedì 11-13 (puntuale)                        Venerdì 17-18
      Giovedì 17-20 (+pausa lez precedente)        Quando possibile, su appuntamento
      Venerdì 10-12 (+pausa lez precedente)

Lab di Monserrato (1/2)

                                 Laboratori
                                 Ingegneria

                              Metro

        Ingresso cittadella
        (sbarra)

Lab di Monserrato (2/2)

                  Laboratori Ingegneria

       Area Parcheggi

                        Pallone CUS

Organizzazione delle lezioni
Regole generali:
•   Rispetto degli orari, in entrata e in uscita
•   No uso cellulare, no “pasti” durante la lezione (è
    sempre garantita almeno una pausa)
•   Partecipazione attiva ma ordinata

Struttura del corso:
•   Lezioni frontali
•   Seminari tenuti da esperti esterni (almeno 2 nel
    corso del semestre)
•   Esercizi    svolti    alla   lavagna      (con/senza
    partecipazione degli studenti)
•   Esercitazioni da svolgere in aula (il Giovedì)
•   Seminari su «Tecniche quantitative per lo studio
    della postura e del movimento umano»
•   Seminario «Struttura di un lavoro scientifico» (uso
    di banche dati, analisi della letteratura, ecc.)

Organizzazione delle lezioni

  Prova intermedia: Giovedì 7 Novembre 2019 ore 16, Aule 1 e 2

Organizzazione delle lezioni

Organizzazione delle lezioni

Strumenti di comunicazione

                                                  La pagina web docente
                                                               &
                                                 Il blog ufficiale del corso
                                                   http://people.unica.it/pau

                                           • Slides proiettate a lezione
                                           • Eventuali files PDF integrativi
                                           • Avvisi (seminari, corsi)
                                           • Avvisi «last minute»
                                           • Elenco tesi di laurea assegnate
                                           • Report della valutazione studenti
                                           • Prodotti della ricerca

             Il blog è l’unica fonte ufficiale di informazioni per il corso
 unitamente alla pagina web del CdS http://corsi.unica.it/ingegneriabiomedica/

Modalità d’esame
Studenti che scelgono di sostenere l’esame mediante le prove in itinere
(intermedia + finale)

• Prima prova intermedia: solo scritto (esercizi)

• Seconda prova intermedia (finale): scritto (esercizi + quesiti risposta multipla) e
  orale. Sono ammessi alla seconda prova intermedia i soli studenti che
  hanno riportato una votazione maggiore o uguale a 18/30 nella prima
  prova intermedia

• L’orale può essere sostenuto SOLO nella sessione della seconda prova
  (cioè la prima sessione di Gennaio)

Studenti che scelgono di sostenere l’esame durante le sessioni regolari

• Prova scritta (esercizi + quesiti a risposta aperta) e orale. L’ammissione
  all’orale è consentita ai soli studenti che hanno riportato una votazione
  maggiore o uguale a 18/30 nella prova scritta.

• L’orale può essere sostenuto SOLO nella stessa sessione in cui si è
  riportata la votazione sufficiente allo scritto

Alcune statistiche

 • A.A. 2018-19

 • Iscritti alla prima prova intermedia: 102

 • Hanno consegnato il compito: 88

 • Sufficienti alla prima prova intermedia: 58 (66%)

 • Dei 58 che hanno superato la prova intermedia, 50 hanno sostenuto la
   seconda prova finale a Gennaio

 • Hanno superato l’esame 48. Quindi quasi la metà degli studenti ha
   concluso il percorso alla prima data utile

 • Altri 17 studenti hanno superato lo scritto nella seconda sessione di
   Gennaio e altri 10 in quella di Febbraio

 • Complessivamente, alla chiusura della sessione invernale, risultavano 75
   scritti sufficienti (73% degli iscritti)

La Meccanica nel corso
di Ing. Biomedica a Cagliari

  •   Laboratorio di Analisi del Movimento (a scelta 2 CFU)

  •   Altri corsi dal CdS in Ing. Meccanica….(Elementi di disegno tecnico,
      Disegno tecnico industriale, Meccanica Applicata, Controlli Non Distruttivi)

Possibile Laurea Magistrale in Ing. Meccanica?
Dal 2016-17, sono cambiati i requisiti curricolari per l'iscrizione alla Laurea Magistrale in
Ingegneria Meccanica.

•   30 CFU per le attività formative di base (matematica, fisica e chimica),

•   24 CFU nei settori caratterizzanti ICAR e ING-IND

Gli studenti di Biomedica acquisiscono 15 CFU nei settori richiesti (corrispondenti ai
corsi di Fondamenti di Meccanica e Bioingegneria Meccanica), che possono aumentare
fino a 21 se si sceglie di sostenere l'esame di Fluidodinamica.

Tuttavia, con una opportuna scelta degli esami ST (12 crediti a disposizione) è abbastanza
semplice arrivare a conseguire i 24 CFU necessari.

E' consigliabile che fra gli esami a scelta lo studente inserisca l'insegnamento di Macchine e
Sistemi Energetici (90 ore, 9 CFU) presente nell'offerta formativa del corso di laurea in
ingegneria chimica (3° anno, 1° semestre) che consente di acquisire le competenze
necessarie di Termodinamica, Macchine a Fluido e Sistemi Energetici. Con i 9 CFU di
questo insegnamento e i 15 curricolari si arriva a soddisfare il requisiti minimi richiesti.

L'ideale sarebbe poi che gli studenti sostenessero anche l'insegnamento di Disegno
Tecnico (dall'A.A. 2016-2017 è presente in offerta formativa anche un corso da 3 crediti al
primo anno, primo semestre, oltre al corso da 6 crediti del secondo anno).

La Meccanica all'interno dei C.L. di Biomedica

La Meccanica all'interno dei C.L. di Biomedica

Bioingegneria Meccanica al PoliTO

La Meccanica all'interno dei C.L. di Biomedica

Obiettivi del corso
Il corso si propone di fornire conoscenze di base per quanto concerne le
problematiche legate alle fasi di progettazione e realizzazione dei
dispositivi medici con particolare riferimento a quelli aventi funzioni
strutturali.
Sono in generale oggetto di interesse per il
corso:

• Strutture anatomiche che sopportano
  carichi (ad es. articolazioni degli arti inferiori)

• Dispositivi medici propriamente detti
  (endoprotesi articolari, protesi vascolari e
  valvolari cardiache, mezzi di osteosintesi, ecc.)

• Altre strutture che non sono strettamente
  classificate come dispositivi medici ma che
  svolgono funzioni ausiliarie in riabilitazione, nel
  trattamento di problematiche ortopediche ecc.

Un esempio
Molte delle strutture di interesse ingegneristico possono essere immaginate come
il risultato dell’assemblaggio di elementi ‘trave’, ciascuno dei quali è caratterizzato
dall’avere una dimensione predominante rispetto alle altre due

                                                 Nel passaggio dalla realtà fisica
                                                 alla modellazione si effettuano
                                                 alcune semplificazioni

Un altro esempio...

                      Carico

                      Vincolo

Si schematizza come…

              Carico
                                 Informazioni in uscita:

                                 1. Valori delle sollecitazioni in
                                    tutti i punti della struttura

                                 2. Identificazione delle regioni
                                    maggiormente sollecitate
                                    (“punti critici”)

                                 3. Se sto verificando: resiste?

                                 4. Se sto progettando: che
                                    materiale uso? Che forma e
                                    dimensioni per le sezioni?
                                    Che geometria?

                       Vincolo

Per poter progettare e verificare le strutture protesiche è
necessario padroneggiare alcuni strumenti di base tipici della
Scienza delle Costruzioni

(anche se poi nel «mondo reale» si utilizzano strumenti più complessi
adatti alla complessità del problema biologico)

La scienza delle costruzioni è una disciplina fisico-ingegneristica che
si occupa di costruire e realizzare modelli fisico-matematici utili a
descrivere il comportamento statico e dinamico di un manufatto o
delle sue componenti strutturali quando sottoposto ad azioni
esterne

Programma del corso: Parte 1

•   Richiami di statica del corpo rigido, sistemi vincolati. Condizioni di equilibrio del punto
    materiale e del corpo rigido.

•   Vincoli semplici e combinati. Sistemi labili, isostatici e iperstatici

•   Determinazione delle Reazioni vincolari in strutture isostatiche

•   Determinazione delle Azioni interne in strutture isostatiche

•   Geometria delle aree: baricentro di una sezione, momenti statici, momenti di inerzia

•   Stati di tensione in elementi monodimensionali (travi): trazione, flessione, taglio,
    torsione.

•   Rappresentazione degli stati tensionali mediante i Cerchi di Mohr

•   Studio e risoluzione della deformata elastica di una struttura mediante il metodo della
    linea elastica

•   Risoluzione di strutture iperstatiche mediante il principio dei lavori virtuali.

•   L’instabilità elastica: il fenomeno del carico di punta

Programma del corso: Parte 2

1. Concetti introduttivi sulla progettazione dei dispositivi medici

2. Comportamento meccanico di Materiali e Biomateriali, prove
   tecnologiche (durezza, trazione)

3. Tecniche analitiche di progetto e verifica STATICA di
   componenti a funzione strutturale. Il concetto di coefficiente di
   sicurezza. Criteri di resistenza per materiali duttili e fragili

4. Tecniche analitiche di progetto e verifica A FATICA di
   componenti a funzione strutturale. L’approccio alla Wohler. I
   fattori che influiscono sulla vita a fatica di un componente. I
   criteri di sicurezza

5. Endoprotesi a funzione strutturale: ossee (anca, ginocchio, spalla),
   vascolari, valvolari

6. Cenni sulle tecniche di osteosintesi

Programma del corso: Analisi del Movimento Umano

 1) Introduzione e concetti generali

 • Cenni di anatomia, fisiologia e biomeccanica degli
   arti inferiori Il ciclo del passo. Eventi chiave e
   suddivisione in fasi/sottofasi

 • Parametri spaziali e temporali del cammino:
   lunghezza e larghezza passo, velocità, cadenza

 • Effetto della velocità sulle fasi del cammino

 • Il cammino nel bambino, nell’adulto e nell’anziano

 • Cammino overground e su treadmill: analogie e
   differenze

 • Il movimento degli arti superiori nel cammino

 • Il consumo energetico durante la locomozione

Programma del corso: Analisi del Movimento Umano
 2) Il cammino patologico

 Le patologie che conducono ad alterazioni nel cammino

 I segni clinici delle alterazioni nel cammino a livello delle
 articolazioni di caviglia, ginocchio e anca

 Cammino supportato da ausili (bastone, stampelle,
 deambulatore)

 Il cammino nell’amputato

 3) Gli strumenti per l’analisi del cammino

 L’analisi visiva

 Le scale di valutazione

 I sistemi di motion capture

 Piattaforme di forza, Elettrogoniometri, Baropodometria,
 Elettromiografia di superficie, Accelerometri e Giroscopi

Programma del corso: Analisi del Movimento Umano
4) L’analisi tridimensionale del cammino con la
stereofotogrammetria optoelettronica

Principi del metodo, le telecamere e la calibrazione
dello spazio del laboratorio

Le fasi della gait analysis: preparazione del paziente,
markerizzazione, standing e walking

Tracking ed elaborazione dei dati

La reportistica

5) Interpretazione di dati di Gait Analysis nel
cammino patologico

Osteoartrosi di anca e ginocchio

Paralisi Cerebrale Infantile

Sclerosi Multipla

Malattia di Parkinson

Il materiale didattico
• Non esiste un libro che abbracci tutti gli argomenti del corso
• Per ogni argomento sono forniti uno più riferimenti bibliografici e le slides
proiettate a lezione (ma è bene studiare dai libri!!!!)
• Tutti i testi sono disponibili presso la biblioteca della facoltà

Elenco testi consigliati:

Per la prima parte (fino alla prova intermedia)
1.   Bernasconi et al. “Fondamenti di costruzione di macchine” McGraw-Hill

2.   Beer et al. «Meccanica dei Solidi» McGraw-Hill

Per la seconda parte

1.   Pietrabissa “Biomateriali per protesi ed organi artificiali”, Patron Ed.

2.   Di Bello “Biomateriali (introduzione allo studio dei biomateriali per uso biomedico)”, Patron ed.

3.   Shigley et al. “Progetto e costruzione di macchine”
                                                       ”, McGraw-Hill

4.   Juvinall e Marshek “Fondamenti della progettazione dei componenti delle macchine”, ETS Pisa

5.   Franceschini e C. Petrassi, “Protesi ed endoprotesi in chirurgia vascolare”, Ed. Aracne

Programma dettagliato: parte 1

Programma dettagliato: parte 1

Programma dettagliato: parte 1

Programma dettagliato: parte 2

Programma dettagliato: parte 2

Tematiche di ricerca
in ambito biomeccanico

Il laboratorio di Ergonomia Industriale e Biomeccanica

                                 Laboratorio di “Biomeccanica
                                  ed Ergonomia Industriale”
                                      Dipartimento di Ingegneria Meccanica,
                                              Chimica e dei Materiali

                                  Attività di ricerca: Analisi della Postura e del
                                 Movimento in campo Ergonomico, Clinico, e della
                                             Biomeccanica dello Sport

                                 Attività didattica: Corso di Laurea in Ingegneria
                                  Biomedica (moduli “Fondamenti di Meccanica e
                              Biomeccanica”, “Bioingegneria Meccanica”, “Laboratorio
                                             di Analisi del Movimento”)

Il Illaboratorio
       laboratorio di
                   di Ergonomia  Industriale
                      Ergonomia Industriale ee Biomeccanica
                                             Biomeccanica

Temi di ricerca e collaborazioni

                                   Centro Regionale
                             per la diagnosi e la cura della
            A.O. Brotzu             Sclerosi Multipla

Il laboratorio di Ergonomia Industriale e Biomeccanica

                                              Baropodometria elettronica statica e dinamica
                                                      (Tekscan, Zebris, RS-Scan)

               Analisi della postura seduta                                       Sensori inerziali indossabili
                  (Tekscan Conformat)                                                  (BTS G-Sensor)

Il laboratorio di Ergonomia Industriale e Biomeccanica

                                        Accelerometri triassiali
                                          Actigraph GTX3+

     Valutazione della forza di presa
        (Dinamometro Dynex-1)

Tematiche di ricerca
Ergonomia: (anche con Department of Industrial & Systems Engineering, Virginia Tech, USA)

• Studio delle modificazioni indotte nell'equilibrio statico negli ambienti di lavoro (VV.FF)
• Studio del comfort negli operatori di gru portuali (in collaborazione con CENTRALABS, Porto Canale Cagliari, Gioia Tauro)
• Effetto del trasporto di carichi nei bambini in età scolare (equilibrio, interazione piede-terreno, forze di trascinamento)
• Analisi del comfort e dell’affaticamento in lavoratori costretti per lunghi turni a posture sedute (ARST, ASPO Olbia)
• Impiego di sensori inerziali indossabili per la caratterizzazione del rischio biomeccanico in operatori destinati alla
movimentazione manuale di merci

Analisi del movimento in ambito clinico: (anche con Dipartimento Bioingegneria Politecnico di Milano, Centro
Sclerosi Multipla Cagliari, A.O. Brotzu, Dipartimento Scienze Mediche UniCa, FISE)

• Studio dell’equilibrio e dell'interazione piede-terreno in pazienti affetti da sindromi di origine genetica (Down, Ehlers-Danlos)
• Effetto di protocolli riabilitativi assistiti da cavallo in pazienti affetti da Sclerosi Multipla
• Studio dell'equilibrio e dell'interazione piede-terreno in soggetti obesi
• Studio dell'equilibrio, del cammino e del movimento in pazienti affetti da Sclerosi Multipla
• Studio dell'equilibrio, del cammino e del movimento in pazienti affetti da Malattia di Parkinson
• Impiego della realtà virtuale (parzialmente e totalmente immersiva) nella riabilitazione delle patologie neurologiche

Biomeccanica dello sport: (anche con CONI Sardegna, Cagliari Calcio, Virtus Cagliari e altre società sportive)

• Studio di equilibrio e interazione piede-terreno in condizioni statiche e dinamiche per differenti discipline sportive
• Effetto della fatica sulle capacità di equilibrio statico (calcio, ginnastica rtmica, danza)
• Monitoraggio della potenza espressa da un nuotatore nel corso di uno sprint massimale
• Effetto dell'attività fisica su postura, cammino e sit-to-stand in soggetti anziani

Gait analysis

Per esempio...

Per esempio...

Per esempio...

Impiego della baropodometria elettronica
per lo studio delle pressioni plantari durante
alcuni movimenti tipici del basket

Per esempio...

Per esempio...

Per esempio...
    Effetto dell'affaticamento nella corsa a piedi nudi (Is Curridoris, Cabras)

Per esempio...

Impiego di sistemi per l'analisi
delle pressioni corporee (studio
della postura seduta)

Operatori di Gru

Conducenti di autobus

Per esempio...

Monitoraggio delle prestazioni
nel nuoto (AquaPower)

Per esempio...

Valutazione cammino mediante
sensori inerziali e piattaforma
baropodometrica

Sensori inerziali

Tesi di Laurea

•   Esistono diversi tipi di tesi di laurea: sperimentali, progettuali, compilative. Sono
    valutate in 30esimi come gli esami

•   Per le tesi compilative, il punteggio massimo in sede di laurea è pari a 25

•   QUALUNQUE DOCENTE della facoltà può essere relatore di tesi, ma chiaramente le
    tematiche trattate devono essere attinenti al corso di studi

•   Le tesi possono essere svolte anche in azienda e/o all’estero. Occorre comunque
    sempre disporre di un relatore interno al CCS che funge da presentatore e garante del
    lavoro

•   E’ buona norma raccogliere informazioni sulle tematiche di ricerca sviluppate dai diversi
    docenti con largo anticipo.

•   E’ buona norma chiedere la tesi quando lo studente dispone di un ragionevole tempo per
    lavorarci con una certa continuità

Tesi di Laurea

  2018: 24 tesi   2019: 13 tesi (per ora)