Insegnamenti

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Docente
MASSIMILIANO PAU (Tit.)
Periodo
Primo Semestre 
Modalità d'Erogazione
Convenzionale 
Lingua Insegnamento
 



Informazioni aggiuntive

Corso Percorso CFU Durata(h)
[70/75]  INGEGNERIA BIOMEDICA [75/00 - Ord. 2014]  PERCORSO COMUNE 10 100

Obiettivi

Obiettivi
L'obiettivo principale del corso di Bioingegneria Meccanica è quello di fornire allo studente gli strumenti di base necessari alla progettazione di dispositivi medici a funzione strutturale. In particolare il corso si focalizza non solo sull’apprendimento di tecniche di calcolo e metodiche di analisi critica di fenomeni biologici al fine del loro inqadramento nel processo progettuale, ma anche sulla comprensione delle criticità legate alla progettazione e sul rapporto tra aspetti prettamente strutturali e fattori legati ai materiali e alle interazioni con le strutture anatomiche.
Conoscenza e capacità di comprensione. Alla fine del corso ci si aspetta che lo studente conosca:
- Le modalità attraverso le quali un dispositivo a funzione strutturale può essere schematizzato e modellato mediante le tecniche proprie della scienza delle costruzioni
- La tecniche di calcolo che consentono di determinare lo stato di sollecitazione al quale è sottoposto un componente
- Le problematiche associate all’esistenza di fenomeni di fatica che sono tipici del funzionamento della maggior parte dei dispositivi medici
- I criteri progettuali alla base di dispositivi quali endoprotesi articolari, protesi vascolari e valvolari cardiache e mezzi di osteosintesi

Capacità di applicare conoscenza e comprensione. Alla fine del corso ci si aspetta che lo studente sia in grado di:
- modellare in modo schematico (mediante sistemi di aste) un componente a funzione strutturale utilizzato in un dispositivo medico, applicando i relativi carichi e vincoli
- determinare le reazioni vincolari, i diagrammi delle azioni interne e le sollecitazioni in ciasun punto della struttura
- analizzare il componente al fine di identificare i punti più critici potenzialmente oggetto di cedimento strutturale
- determinare le condizioni di sicurezza (o di cedimento) in funzione del tipo di materiale utilizzato nel caso di carichi statici o variabili nel tempo

Autonomia di giudizio. Alla fine del corso ci si aspetta che lo studente sia in grado individuare autonomamente e valutare i dati necessari all'identificazione e soluzione di un problema tecnico/scientifico in relazione alla progettazione statica e a fatica di un componente di un dispositivo medico a funzione strutturale
Abilità comunicative. Alla fine del corso ci si aspetta che lo studente abbia acquisito un'adeguata proprietà di linguaggio in relazione ai contenuti del corso, in modo da essere compreso senza fraintendimenti da un interlocutore con conoscenze tecniche adeguate, e da veicolare i concetti essenziali anche verso un interlocutore non tecnicamente competente.
Capacità di apprendimento. Alla fine del corso ci si aspetta che lo studente possieda il bagaglio di conoscenze e le metodologie necessarie ad approfondire autonomamente e nel prosieguo degli studi o della carriera lavorativa la propria preparazione nell’ambito dell'analisi strutturale di dispositivi medici. In particolare lo studente dovrà essere in grado di interpretare le informazioni in proprio possesso al fine di identificare e colmare le proprie lacune con uno studio mirato non solo teorico ma anche della documentazione tecnica a disposizione per uno specifico problema.

Prerequisiti

Lo studente è tenuto a rispettare le propedeuticità indicate dal regolamento didattico del corso di studi ed in particolare per una buona comprensione dei concetti illustrati nel corso sono necessarie conoscenze base di fisica ed analisi matematica con particolare riferimento agli elementi base del calcolo vettoriale, integrale e differenziale, e delle nozioni di forza, momento e lavoro
E’ inoltre desiderabile che gli studenti possiedano dimestichezza con le principali caratteristiche meccaniche dei biomateriali e familiarità con i concetti principali della statica e della geometria delle masse che tipicamente sono forniti nel corso di Fondamenti di Meccanica e Biomeccanica.

Contenuti

Nella prima parte del corso vengono introdotti i concetti relativi all’analisi cinematica delle strutture, alla loro classificazione e alla schematizzazione delle situazioni reali con particolare riferimento ai dispositivi medici a funzione strutturale. Successivamente viene esaminata la statica dei corpi rigidi, il calcolo delle azioni interne e delle sollecitazioni. Nella seconda sono discussi i concetti di “dispositivo medico”, di “biocompatibilità”, e introdotti i principi della progettazione. Successivamente si affronta lo studio delle tecniche analitiche di progettazione statica e a fatica, con esempi applicativi realistici riguardanti dispositivi biomedici a prevalente funzione strutturale per i quali sono proposte alcune analisi semplificate.Infine sono presi in esame in maniera particolareggiata alcuni dispositivi medici di largo impiego (protesi vascolari e valvolari, stent endovascolari, dispositivi di osteosintesi, endoprotesi articolari di anca e ginocchio) per ciascuno dei quali sono valutate le caratteristiche ed i principi di funzionamento, le modalità costruttive, i materiali impiegati nonchè vantaggi e svataggi derivanti dal loro impiego.
Articolazione del corso:
1.1) Analisi cinematica del corpo rigido vincolato: 8 ore
1.2) Reazioni vincolari ed azioni interne: 10 ore
1.3) Stati di sforzo e di deformazione: legge di Hooke e cerchi di Mohr: 8 ore
1.4) Geometria delle aree: 4 ore
1.5) I casi di De Saint Venant: travi soggette ad azione normale, flessionale, di taglio e di torsione: 12 ore
1.6) Equazione della linea elastica: 4 ore
1.7) Applicazioni del Principio dei Lavori virtuali 4 ore
2.1) Richiami sui biomateriali e concetto di biocompatibilità. Cenni sui principi generali della progettazione dei dispositivi medici, i test di biocompatibilità: 4 ore
2.2) La normativa UNI-EN 10093 relativa alla “Valutazione biologica dei dispositivi medici”: 4 ore
2.3) Le proprietà meccaniche dei materiali, le prove meccaniche di trazione e durezza. Progetto e verifica statica di componenti metallici per uso biomedico. I Criteri di resistenza (massima tensione normale, massima tensione tangenziale, massima energia di distorsione, Coulomb) I fenomeni di contatto e usura Esercizi su dimensionamento e verifica di elementi metallici : 10 ore
2.4) Il fenomeno della fatica: cenni storici, l'approccio classico (alla Wohler) l'approccio della meccanica della frattura. Parametri fondamentali nelle sollecitazioni a fatica: valor medio e valore alterno, rapporto di sollecitazione, rapporto di ampiezza. Le prove sperimentali per la determinazione delle caratteristiche a fatica dei materiali metallici: la macchina di Moore. Costruzione del diagramma S-N. Il diagramma di Wohler semplificato. Il metodo dello sforzo nella progettazione a fatica. Il concetto di limite di fatica e di limite di fatica corretto. Ruolo dello stato superficiale, della temperatura, dell'affidabilità della dimensione e della presenza di intagli nel ridurre il limite di fatica. Fatica in presenza di valor medio. Il diagramma di Haigh, costruzione ed applicazione. Esempi pratici di progettazione e verifica a fatica di elementi metallici: 10 ore
2.5) Le endoprotesi articolari: struttura delle ossa e principi di artrologia: 2 ore
2.6) L’articolazione di ginocchio e la protesi totale di ginocchio (con esercitazione): 4 ore
2.7) L’articolazione di anca e la protesi totale d’anca (con esercitazione): 4 ore
2.8) Le protesi vascolari (richiami di anatomia e fisiologia del sistema circolatorio, le patologie, protesi biologiche e sintetiche): 4 ore
2.9) Le protesi valvolari (richiami di anatomia e fisiologia del cuore, le patologia che prevedono l’impianto di p.v., valvole meccaniche e biologiche: 4 ore
2.10) Gli stent endovascolari: 2 ore
2.11) I mezzi di osteosintesi: 2 ore

Metodi Didattici

Il corso si basa su un approccio didattico tradizionale (lezioni frontali) integrata da frequenti esercitazioni svolte integralmente in aula dagli allievi con il supporto del docente. Sono, inoltre, previsti seminari tenuti da esperti o altri docenti provenienti da realtà cliniche locali o nazionali.
Gli argomenti delle lezioni sono tipicamente proposti attraverso la proiezione di slides (fornite agi studenti lezione per lezione attraverso le pagine web del docente) successivamente espanse, laddove necessario, mediante spiegazioni alla lavagna. Gli esercizi esemplificativi sono svolti integralmente alla lavagna. Alcuni argomenti vengono integrati dalla proiezione di video che illustrano, per esempio, lo svolgimento di alcune prove di laboratorio o la procedura chirurgica associata ai dispositivi endoprotesici oggetto del corso.
In tutte le lezioni sono previsti momenti di scambio tra docente e allievi, mirate a stimolare l’analisi critica o ad evidenziare possibili difficoltà nella comprensione degli argomenti trattati.

La ripartizione approssimativa delle ore fra le varie attività è:
Lezioni frontali: 74 ore
Esercitazioni:20 ore
Seminari: 6 ore

Verifica dell'apprendimento

In accordo con quanto previsto dai regolamenti didattici di facoltà e del corso di studi, agli studenti che frequentano le lezioni è consentito sostenere l’esame di profitto attraverso due prove, una delle quali è calendarizzata circa a metà del corso (prova intermedia) ed una immediatamente dopo la sua conclusione (prova finale).
In questo caso, la prova intermedia è scritta (durata 3 ore) e la prova finale scritta (3 ore) e orale (30 minuti). Le parti scritte degli esami sono composte da esercizi e, in misura marginale, da quesiti teorici aperti o a risposta multipla. Gli esercizi tipicamente prevedono la progettazione o la verifica (statica o a fatica) di una struttura riproducente un componente di un macchinario per riabilitazione o un dispositivo protesico.
Possono accedere alla prova finale, che riguarda unicamente gli argomenti svolti nella seconda metà del corso, gli studenti che hanno riportato una votazione di almeno 18/30 alla prova intermedia. Il colloquio orale può essere sostenuto solo dagli studenti che hanno riportato una votazione di almeno 18/30 alla prova scritta finale. Agli studenti che hanno fallito la prima prova intermedia è consentito sostenere (solo nel primo appello utile della sessione susseguente la fine del corso) una prova di recupero che integra la prova finale.
Gli studenti non frequentanti devono sostenere una prova scritta ed un colloquio orale che possono spaziare su tutti gli argomenti trattati nel corso. Alla prova orale possono accedere solo gli studenti che hanno riportato una votazione di almeno 18/30 alla prova scritta.

La valutazione è definita in modo analitico sulla base della percentuale di correttezza di ogni risposta (alla quale è associato un punteggio fisso comunicato al candidato sul testo della prova scritta, sulla base del livello di difficoltà).

Lo studente è stimolato ad andare al di là del semplice studio finalizzato alla risoluzione di un esercizio, applicandosi su problemi che richiedono la capacità di passare dal concetto astratto alla sua applicazione pratica. Allo studente è sempre chiesto di motivare la risposta fornita, o mediante il procedimento matematico di calcolo, o mediante un commento chiaro. Un tale approccio alla stesura del compito rende possibile l'accertamento delle competenze e della capacità di applicarle a semplici problemi, in funzione del livello raggiunto, ma permette anche di valutare le capacità comunicative e l'autonomia di giudizio.


Il numero di appelli nelle sessioni ordinarie è definito in accordo con il regolamento di Facoltà. Nelle sessioni straordinarie è garantito almeno un appello per sessione. In circostanze eccezionali possono essere richiesti appelli ulteriori per motivate ragioni.

Testi

[1] A.Bernasconi et. al. ”Fondamenti di costruzione di macchine”, McGraw-Hill;
[2] F.P.Beer, et. al. “Meccanica dei solidi: Elementi di scienza delle costruzioni”, McGraw-Hill;
[3] Flaccavento: Esercizi di scienza delle costruzioni completamente risolti, Libreria tecnica editrice V. G. [4] Minola: Scienza delle Costruzioni - Esercizi - PLV, Linea Elastica, Instabilità, Città Studi Ed.
[5] R. Pietrabissa “Biomateriali per protesi ed organi artificiali”, Patron Ed.
[6] C. Di Bello “Biomateriali (introduzione allo studio dei biomateriali per uso biomedico)”, Patron ed.
[7] J. Shigley et al. “Progetto e costruzione di macchine”, McGraw Hill
[8] R.C. Juvinall e K.M. Marshek “Fondamenti della progettazione dei componenti delle macchine”, ETS Pisa
[9] E. Franceschini e C. Petrassi, “Protesi ed endoprotesi in chirurgia vascolare”, Ed. Aracne

Slides fornite dal docente attraverso il proprio sito web istituzionale, articoli reperiti presso riviste scientifiche specializzate

Altre Informazioni

Agli studenti vengono fornite, settimanalmente, le slides proiettate dal docente durante le lezioni. Durante il corso il docente dedica settimanalmente non meno di 2h alla risoluzione guidata in aula di esercizi simili a quelli che saranno successivamente proposti in sede d'esame.Tutto il materiale utilizzato durante il corso (inclusi PDF relativi a norme o a casi di studio) è reso disponibile agli studenti nel rispetto delle norme a protezione del diritto d'autore.

Questionario e social

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