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  Laboratorio Interdisciplinare Acustica Biomedica

Laboratorio Interdisciplinare di Acustica Biomedica

LIAB

Introduzione

Lo studio della voce umana è di grande interesse applicativo, non solo nel settore delle telecomunicazioni, dove a partire dagli anni '30 l'analisi e la sintesi vocale sono temi di indagine scientifica, ma anche, più recentemente, in ambito biomedico, dove l’analisi acustica della voce si caratterizza come strumento totalmente non invasivo di supporto e confronto con altre metodiche di indagine clinica.

Grazie allo sviluppo tecnologico ed informatico, lo studio e l'implementazione di parametri caratterizzanti segnali ed immagini vocali di tipo biomedico ha assunto sempre maggiore interesse per medici, foniatri, logopedisti e pazienti, in quanto può fornire un ausilio in molteplici applicazioni: supporto alla diagnosi, valutazione dell’efficacia di trattamenti e di interventi chirurgici, monitoraggio del paziente in fase di riabilitazione, anche tramite l’utilizzo di dispositivi portatili.

Negli ultimi anni, sono state sviluppate tecniche oggettive di analisi di tali segnali, che possono utilmente affiancare la tradizionale analisi soggettiva, basata su scale percettive. Inoltre, recenti tecnologie di imaging ad alta velocità (videochimografia), hanno consentito la visualizzazione dettagliata della vibrazione delle corde vocali durante la fonazione.

Tramite l’istituzione del Laboratorio Interdisciplinare di Acustica Biomedica LIAB, la definizione di protocolli e la condivisione di risorse e data-base potranno consentire la messa a punto di strumenti innovativi, il più possibile non invasivi, di analisi della voce, per la diagnosi veloce e precoce di patologie vocali e neurologiche, nonché di nuove tecnologie per la realizzazione di protesi acustiche.

E’ da sottolineare anche il settore applicativo relativo all’ultrasonografia in ambito diagnostico, che rientra nelle tematiche di interesse del LIAB.

Infine, l’istituzione del LIAB può avere ricadute di rilievo nello studio delle problematiche connesse all’acustica ambientale.

 

Motivazioni

L’esperienza ormai decennale della proponente, a stretto contatto con i clinici ed i ricercatori del settore a livello internazionale (favorito dalla sua presenza quale delegato per l’Italia nel Management Committee dell’Azione europea COST 2103 (Voice Quality Assessment), e dalla serie di convegni MAVEBA su tale tema organizzati dalla proponente) ha messo in evidenza alcune carenze e necessità, che si possono riassumere nella mancanza di un centro specializzato in ambito biomedico (esistono laboratori di acustica finalizzati ad altri obbiettivi), possibilmente collocato presso un’opportuna struttura ospedaliera, che favorisca lo scambio di proposte e risultati, evidenzi criticità, realizzi criteri e standard di analisi, promuova scambi ed incontri fra competenze di ambiti disciplinari diversi, superandone l’inevitabile settorialità. Le principali criticità che si sono rilevate allo stato attuale dello studio della voce umana, si possono riassumere nei punti seguenti:

1.        Mancanza di criteri univoci di definizione dei parametri acustici di interesse clinico;

2.        Mancanza di correlazioni fra parametri acustici percettivi ed oggettivi;

3.        Mancanza di adeguato software, robusto e flessibile, di uso semplice ed automatico da parte anche dell’utente non specializzato;

4.        Mancanza di strumenti portatili per l’analisi acustica in tempo reale, di utilità diagnostica e riabilitativa;

Il LIAB si pone l’obbiettivo di superare tali carenze, con la messa a punto di strumenti innovativi, basato sulle metodiche più recenti di analisi dei segnali ed immagini vocali, ed in grado di superare i limiti del software commerciale esistente, soprattutto in termini di robustezza al rumore, affidabilità e flessibilità. Lo sviluppo di uno strumento dedicato per autodiagnosi e riabilitazione, fornirà un valido supporto, sia al clinico che al paziente.  

 


 

Obiettivi

Grazie al contributo dell’Ente Cassa di Risparmio, nell’anno 2007 è stato possibile avviare alcune attività di ricerca aventi per obbiettivo l’analisi di segnali ed immagini dell’apparato vocale umano in ambito biomedico. Tali ricerche hanno trovato l’interesse e la collaborazione di aziende ospedaliere, clinici e ditte del settore, disponibili a proseguire ed ampliare l’attività anche nel futuro.

In particolare, è stato stipulato un accordo di collaborazione scientifica con l’A.O.U. E.Meyer, fra il Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni e l’A.O.U.Meyer.

Le Cliniche Otorinolaringoiatriche, Dip. Scienze Otorinolaringologiche, Università degli Studi di Milano e Università degli Studi di Brescia, hanno espresso interesse a collaborare all’iniziativa.

In base a questi primi risultati promettenti, ed alle motivazioni di cui sopra, nel 2008 è stato istituito il Laboratorio Interdisciplinare di Acustica Biomedica, che svolgerà le seguenti funzioni principali:

1.      Coordinamento e ricerca.

2.      Raccolta ed elaborazione segnali e immagini dell’apparato fonatorio umano, anche in relazione ad altri parametri fisiologici.

3.      Sviluppo di metodologie e tecnologie biomediche dedicate.

4.      Promozione di convegni, workshop, meeting specialistici a livello sia nazionale che internazionale.

5.      Promozione di corsi, seminari, scuole, a carattere interdisciplinare, per sviluppare figure professionali altamente qualificate ed al tempo stesso con conoscenze non solo settoriali.

6.      Istituzione ed organizzazione di corsi di aggiornamento.

7.      Stesura e pubblicazione di testi scientifici, specialistici ma interdisciplinari.

8.      Contatti con l’industria biomedica del settore.

 

Attività

L’attività del LIAB, caratterizzata da costante aggiornamento, può essere articolata secondo lo schema seguente:

·        Sviluppo di un sistema multimediale di analisi delle patologie dell’apparato fonatorio, tramite la definizione dei parametri acustici di interesse clinico e loro stima mediante tecniche robuste ed efficienti di analisi del segnale, e di elaborazione di immagini laringoscopiche e videochimografiche, per screening e classificazione di patologie. Verranno inoltre definiti e costruiti modelli di simulazione per testare le tecniche di analisi sviluppate. I risultati saranno anche confrontati con quanto ottenuto con i software commerciali più diffusi.

Particolare attenzione sarà posta alla visualizzazione di parametri, indici, spettrogrammi, con l’ausilio di  grafici ed immagini di facile lettura, anche in relazione con l’eventuale realizzazione di un sistema di autodiagnosi e screening.

·        Implementazione real-time degli algoritmi di analisi e realizzazione di dispositivo portatile per autovalutazione. Il sistema prevede l’utilizzo di un dispositivo che registri la voce del paziente, ne faccia l’analisi in tempo reale mostrando a video il risultato, e comprenda la possibilità di gestire un metodo per archiviare i dati in modo omogeneo e trasmetterli ad un server di raccolta e smistamento.

·          Analisi di segnali acustici reali (neonati, adulti disfonici, operati, trattati farmacologicamente, con disturbi cognitivi, ecc.) e valutazione di possibili correlazioni fra i risultati ottenuti (anche con riferimento a set normativi, da individuare) ed i test diagnostici percettivi e soggettivi forniti dal medico.

·          Studio delle possibili relazioni esistenti fra parametri acustici ed altri parametri fisiologici.

·          Studio di segnali biomedici di tipo ultrasonografico

·          Diffusione dei risultati mediante seminari, corsi, convegni, pubblicazioni, ecc.

   


 

Risultati attesi 

Tramite il LIAB, la definizione di protocolli e la condivisione di risorse e data-base potranno consentire la messa a punto di strumenti, il più possibile non invasivi, di analisi della voce, per la diagnosi veloce e precoce di patologie vocali e neurologiche, assolutamente innovativi.

Uno dei punti di forza del laboratorio sarà infatti il continuo scambio di idee, informazioni e proposte fra i settori coinvolti, che consentirà l’aggiornamento costante delle metodiche e della strumentazione, sulla base delle effettive esigenze cliniche.

La realizzazione di un dispositivo portatile per auto-monitoraggio e riabilitazione, consentirà di migliorare la qualità della vita per un’ampia categoria di pazienti, inclusi quelli affetti da patologie di tipo neurologico (epilessia, depressione, post-ictus ed altro).

Sia l’industria tecnologica che quella farmaceutica possono trarre vantaggio dall’attività svolta presso questo Laboratorio, da un lato con la diffusione sul mercato di nuovo software e strumentazione, e dall’altro con la possibilità di testare periodicamente in modo accurato ed oggettivo i risultati di trattamenti farmacologici applicati a  pazienti disfonici o con disturbi neurologici.

La proponente auspica che le ricerche condotte presso il LIAB possano consentire, in un futuro non lontano, di analizzare e trattare molti dei più comuni disordini e menomazioni del linguaggio, e poiché la comunicazione verbale è fondamentale per le interazioni fra individui, gli effetti positivi di tali strumenti saranno di grande portata.

 

La proposta di istituzione del LIAB, per le sue caratteristiche di interdisciplinarietà, offre la possibilità di innescare utili percorsi formativi per giovani ricercatori, sul tema dell’analisi acustica della voce in ambito biomedico.

Seminari, cicli di lezioni, corsi di perfezionamento dedicati ad un’utenza mista medico-ingegneristica-psicologica, potrebbero consentire la costituzione di una base culturale comune per lo sviluppo multidisciplinare di tale ricerca.

Si potrebbero anche costituire o coinvolgere gruppi di ricerca nazionali e/o internazionali (ad es. l’Azione COST 2103 di cui la proponente è delegato nazionale per l’Italia), con l’obbiettivo di mettere a punto un data base unificato ed un sistema basato sul web per l’analisi in tempo reale della voce.

Infine, il contatto con l’industria del settore potrebbe favorire l’inserimento di giovani qualificati in attività lavorative specifiche.

   

Partecipanti

Il LIAB si basa sulla cooperazione fra bioingegneri, medici e fisici, con competenze diversificate ma altamente qualificate, anche sulla base di accordi di collaborazione fra DET e AOU Meyer.

Il gruppo di bioingegneria si occuperà della realizzazione, gestione e messa a punto della strumentazione del laboratorio, sia per le componenti hardware che software. In collaborazione con fisici e clinici seguirà le fasi di acquisizione dati e successiva elaborazione. Si occuperà inoltre della realizzazione di un dispositivo portatile per acquisizione, analisi e monitoraggio in tempo reale della voce, di utilità per il clinico e per il paziente. Con le altre componenti, promuoverà e organizzerà incontri e corsi di qualificazione, seminari e convegni.

La componente medica locale svolgerà la sua attività prevalentemente presso l’Ospedale Pediatrico E.Meyer di Firenze, con particolare riguardo agli aspetti di definizione di protocolli di acquisizione ed analisi del pianto neonatale, anche in relazione ad altri parametri fisiologici.

I dati di pazienti adulti saranno forniti da altre componenti cliniche che collaborano con la proponente, operanti negli ospedali di Milano e Brescia, con le quali saranno anche concordati idonei protocolli di acquisizione ed analisi.

Il gruppo di Fisica, in cooperazione con quello di Ingegneria, si occuperà delle metodiche di acquisizione ed analisi di segnali ed immagini, della modellistica, delle ricerche metodologiche e delle possibili interazioni con il settore ambientale.

Nella fase iniziale di avvio delle attività del LIAB, i partecipanti sono:

 

Facoltà di Ingegneria, Firenze

1.        Claudia Manfredi - Responsabile del progetto: Dipartimento Elettronica e Telecomunicazioni (DET)

2.        Prof. Ing. G. Biffi Gentili: Direttore DET

3.        Prof. Ing. A. Corvi: Bioingegneria Mecccanica (Dip. Mecc. Tecn. Ind.)

4.        Ing. L.Bocchi, Ing. F.Dori, Ing. E.Iadanza, Dott. M.Calisti: Gruppo di Bioingegneria Elettronica ed Informatica del DET

 

Facoltà di Medicina e Chirurgia, Firenze - Dipartimento di Pediatria

1.        Prof. G. Donzelli

2.        Dott. L.Spaccaterra

 

Altre sedi ospedaliere

1.        Dott. Cantarella, Ospedale Maggiore Policlinico Mangiagalli e Regina Elena, Fondazione IRCCS, Milano

2.        Dott. Peretti, Clinica Otorinolaringoiatrica, Spedali Civili di Brescia

 

Facoltà S.M.F.N. - Dipartimento di Fisica

1.        Prof. Bruscaglioni

2.        Dott. Zaccanti

 

Successivamente, la proponente si auspica che la collaborazione si possa estendere sia a livello locale che nazionale ed internazionale ad altri partecipanti.

 

 

 

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