Ricerca >> Gruppo di Ingegneria dei Sistemi e Bioingegneria
 

 

Componenti Ruolo Tel. e-mail
 Francesco Amato
 P.O. Bioingegneria Elettronica ed Informatica  0961 369-4082  amato@unicz.it
 Carlo Cosentino
 R.U. Automatica  0961 369-4051  carlo.cosentino@unicz.it
 Alessio Merola
 R.U. Automatica  0961 369-4386  merola@unicz.it
 Maria Francesca Spadea
 R.U. Bioingegneria Elettronica ed Informatica  0961 369-4335  mfspadea@unicz.it
 
 Luca Salerno
 Post-Doc 0961-369-4196  l.salerno@unicz.it
 Mariaconcetta Bilotta
 Dottoranda  0961-369-4196  m.bilotta@unicz.it
 Domenico Colacino
 Dottorando  0961 369-4196  colacino@unicz.it
Salvatore Scaramuzzino
  Dottorando  0961-369-4196  s.scaramuzzino@unicz.it
Paolo Zaffino
 Dottorando  0961 369-4196  p.zaffino@unicz.it
 

Parole chiave
Bioingegneria
Biomeccatronica
Elaborazione di immagini mediche
Radioterapia e chirurgia guidata da immagini
Systems Biology
Teoria dei Sistemi e dei Controlli Automatici

Expertise
Ricostruzione di reti di regolazione genica da dati high-throughput
Modellistica matematica ed analisi di sistemi biologici su scala molecolare e cellulare
Progettazione e prototipazione di dispositivi biomeccatronici
Analisi di bioimmagini
Metodologie per radioterapia guidata da immagini mediche
Dispositivi elettronici di interfacciamento cervello-computer (BCI)

Principali interessi di ricerca
Il gruppo di Ingegneria dei Sistemi e Bioingegneria (ISB) è coordinato dal Prof. Francesco Amato, con la collaborazione dei Dott. Cosentino, Merola e Spadea. I componenti del gruppo hanno competenze scientifiche in diversi ambiti della Bioingegneria e dell’Ingegneria dei Sistemi, di seguito si riporta una panoramica delle principali linee di ricerca.


Systems Biology

Il Gruppo ISB lavora da diversi anni nel campo della Systems Biology, focalizzandosi principalmente sui seguenti argomenti:

  • Algoritmi per la ricostruzione di reti di regolazione genica: uno degli obiettivi principali dell’epoca post-genomica consiste nella scoperta delle reti di interazione di geni e proteine, che regolano la gran parte delle funzioni cellulari. Abbiamo sviluppato nuove tecniche, basate sull’identificazione di sistemi dinamici, per ricostruire reti geniche di interazione funzionale a partire da dalla misura dell’espressione dei singoli geni in esperimenti di tipo high-throughput (quali ad es., cDNA microarrays).

  • Modellistica matematica di sistemi biologici su scala molecolare e cellulare: l’utilizzo di modelli matematici sta diventando sempre più importante e diffuso nella ricerca biomedica; essi forniscono un mezzo altamente conveniente ed economico per investigare il comportamento di sistemi complessi (mediante sperimentazione in silico, ossia mediante simulazione). Il nostro gruppo si occupa sia dello sviluppo di tali modelli che della loro analisi mediante metodologie proprie della teoria dei sistemi dinamici e del controllo. Scopo ultimo è quello di fornire ai ricercatori biomedici un supporto nella comprensione dei meccanismi fisiopatologici delle malattie tumorali e del differenziamento cellulare.

 



Radioterapia e chirurgia guidata da immagini

L’attività di ricerca riguarda l’implementazione e la validazione di metodi e tecniche innovativi per la radio-chirurgia assistita da calcolatore, con particolare attenzione all’ambito della radioterapia con fotoni e con adroni. Più nel dettaglio, le aree tematiche coperte dal gruppo ISB possono essere così schematizzate:
  • Metodologie basate sulla localizzazione optoelettronica per il posizionamento del paziente in radiochirurgia e neuro-chirurgia;
  • Ricostruzione di superfici per analisi di posizione e morfologiche;
  • Approcci basati su reti neurali per la modellizzazione di eventi fisiologici;
  • Studi di tecniche di imaging tomografico decodificate lungo la dimensione temporale;
  • Elaborazione e fusione di immagini mediche;
  • Implementazione di algoritmi per il calcolo della dose in tempo reale

 
Sviluppo di dispositivi biomeccatronici
 
Il gruppo ISB si occupa dello sviluppo di innovativi strumenti biomeccatronici attraverso un forte approccio interdisciplinare che, integrando i contributi delle differenti discipline della bioingegneria dell'automatica, dell'elettronica e della meccanica, permette di ampliare le possibilità diagnostiche e terapeutiche fornite dalla strumentazione attuale.
Un esempio di tale approccio è fornito dall’attività di sviluppo di sistemi di controllo robusto ed efficiente dal punto di vista energetico per attuatori a cedevolezza variabile. Il vantaggio nell’utilizzo di questa classe di attuatori deriva dalle loro caratteristiche dinamiche, che sono confrontabili con quelle del muscolo umano, con importanti possibili ricadute sullo sviluppo di dispositivi meccatronici diagnostici e terapeutici, sempre più leggeri, efficienti e sicuri.
Ulteriori attività di ricerca del gruppo nell’area biomeccatronica, hanno riguardato la progettazione e la prototipazione di un dispositivo meccatronico per chirurgia minimamente invasiva in grado di alleviare alcune limitazioni dello strumentario laparoscopico convenzionale, relative sia a problemi ergonomici che alla percezione del chirurgo all'interno del teatro operatorio.



Dispositivi elettronici per Brain-Computer Interface

Le Interfacce Cervello Computer (BCI) sono promettenti mezzi di comunicazione sostitutivi per le persone con gravi disabilità motorie, in quanto consentono di comunicare e interagire con il mondo esterno, senza l'utilizzo di muscoli. Infatti, attraverso l’identificazione della modulazione dell'attività cerebrale indotta volontariamente dall'utente che viene rilevata attraverso l’elaborazione dell’elettroencefalogramma (EEG), la ricerca BCI ha mostrato nell'ultimo decennio la possibilità di una comunicazione anche in assenza della contrazione muscolare. Tuttavia, allo stato dell'arte, i sistemi BCI non sono largamente utilizzati fuori dai laboratori, a causa della loro bassa affidabilità e velocità, del costo elevato e della loro configurazione e calibrazione che richiede supporto tecnico.
Il nostro gruppo sta sviluppando un sistema BCI integrato, facile da usare, di piccole dimensioni e che non richiede un personal computer. Questa attività di ricerca è svolta nel contesto del progetto BrIndiSys (Brain-computer interface devices to support individual autonomy in locked-in individuals), finanziato da ARISLA (Agenzia di Ricerca per la Sclerosi Laterale Amiotrofica).

Il sistema è basato sull’acquisizione e l’elaborazione dei segnali EEG (caratteristica P300) per generare specifici segnali attuatori finalizzati alla comunicazione e alle applicazioni domotiche. Algoritmi di elaborazione del segnale, ben definiti e testati, sono stati implementati su una piattaforma FPGA integrata per estrarre e identificare le caratteristiche dei segnali che sono successivamente tradotte in comandi.


Teoria dei sistemi e del controllo automatico

Le attività di ricerca del gruppo ISB nei diversi ambiti applicativi della bioingegneria si fondano su una solida e rigorosa base scientifica costituita dai contributi metodologici sviluppati dal gruppo nell'ambito della Teoria dei Sistemi e del Controllo.
Il gruppo ISB ha concepito alcune metodologie inerenti la stima del dominio di attrazione per la classe di sistemi nonlineari quadratici. Tale stima, che fornisce una misura delle perturbazioni ammissibili sullo stato del sistema in presenza delle quali è possibile mantenere un desiderato punto operativo, ha interessanti risvolti applicativi, ad es., nell'analisi di robustezza della condizione di tumor dormancy in modelli compartimentali quadratici delle interazioni tumore-sistema immunitario.
Ulteriori contributi riguardano l’analisi di stabilità e la stabilizzazione a tempo finito di sistemi quadratici. In ragione della natura pratica del concetto di Stabilità a tempo finito, tali contributi hanno trovato applicazione nel contesto delle strategie di controllo ottimo di svariate tipologie di sistemi, quali ad es. attuatori pneumatici, sistemi biologici, agro-ecosistemi.


Pubblicazioni rilevanti più recenti
  • Salerno L, Cosentino C, Merola A, Bates DG, and Amato F. Validation of a model of the GAL regulatory system via robustness analysis of its bistability characteristics. BMC Systems Biology 7:39, 2013.
  • F. Amato, D. Colacino, C. Cosentino, A. Merola, Robust and Optimal Tracking Control for Manipulator Arm Driven by Pneumatic Muscle Actuators, Proceedings of the 7th IEEE International Conference on Mechatronics (ICM 2013), February 27 - March 1, 2013, Vicenza, Italy.
  • Spadea MF, Verburg J, Baroni G, Seco J. Dosimetric Assessment of a Novel Metal Artifact Reduction Method in CT Images. J Appl Clin Med Phys. 2013 Jan 7;14(1).
  • F. Amato, R. Ambrosino, C. Cosentino, G. De Tommasi, A. Merola. Stabilization of impulsive quadratic systems over polytopic sets. Nonlinear Analysis: Hybrid Systems 7(1):16-27, 2013.
  • F. Amato, D. Colacino, C. Cosentino, A. Merola, Optimal Guaranteed Cost Control of a Biomimetic Robot Arm, Proceedings of the fourth IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics, June 24-27, 2012, Roma, Italy.
  • C. Cosentino, L. Salerno, A. Passanti, A. Merola, D.G. Bates, F. Amato, Structural Bistability of the GAL Regulatory Network and Characterization of its Domains of Attraction. Journal of Computational Biology 19(2): 148-162, 2012.
  • C. Cosentino and D.G. Bates. Feedback Control in Systems Biology. CRC Press, Ottobre 2011. ISBN 9781439816905.
  • D.G. Bates and C. Cosentino, Validation and invalidation of systems biology models using robustness analysis, IET Systems Biology 5(4):229–244, 2011.
  • Spadea MF, Tagaste B, Riboldi M, Preve E, Alterio D, Piperno G, Garibaldi C, Orecchia R, Pedotti A, Baroni G. Intra-Fraction Setup Variability: IR Optical Localization vs. X-Ray Imaging in a Hypofractionated Patient Population. Radiat Oncol. 2011 Apr 15;6:38.
  • F. Amato, F. Calabrese, C. Cosentino, A. Merola, Stability analysis of nonlinear quadratic systems via polyhedral Lyapunov functions, Automatica 47(3) 2011, 614–617.
  • F. Montefusco, C. Cosentino, F. Amato, CORE-Net: Exploiting Prior Knowledge and Preferential Attachment to Infer Biological Interaction Networks, IET Systems Biology 4(5): 296-310, 2010.
  • F. Amato, R. Ambrosino, C. Cosentino, G. De Tommasi, Input-Output Finite-Time Stabilization of Linear Systems, Automatica 46(9) 2010, 1558–1562.
  • Spadea MF, Baroni G, Gierga DP, Turcotte JC, Chen GTY, Sharp GC. Evaluation and Commissioning of a Surface Based System for Respiratory Sensing in 4DCT. J Appl Clin Med Phys. 2010 Dec 4;12(1):162-169.
  • Spadea MF, Peroni M, Riboldi, Baroni G, Preve E, Chen G, Sharp G. Uncertainties in Lung Motion Prediction Relying on External Surrogate: a 4DCT Study in Regular vs. Irregular Breathers. Technol Cancer Res Treat. 2010 Jun; 9(3): 307-316.
  • F. Amato, M. Ariola, C. Cosentino, Finite-Time Stability of Linear Time-Varying Systems: Analysis and Controller Design, IEEE Transactions on Automatic Control 55(4) 2010, 1003–1008.
 

Principali collaborazioni internazionali
University of Warwick - Prof. Declan Bates
Systems Biology Ireland - University College Dublin - Prof. Boris Kholodenko
Harvard University - Prof. Gregory Sharp

 

L’Ateneo Magna Graecia di Catanzaro è stato fra i primi in Italia ad adottare il nuovo modello organizzativo dettato dalla legge 30 Dicembre 2010 n. 240, che prevede una profonda rimodulazione dell’intero sistema universitario incentrata, fra l’altro, proprio sul ruolo dei Dipartimenti, ai quali sono attribuiti i compiti di organizzazione della ricerca scientifica e delle attività didattiche e formative. Il Dipartimento di Medicina Sperimentale e Clinica nasce il 28 Settembre del 2011 dalla volontà di 50 ricercatori appartenenti ad aree scientifico-disciplinari apparentemente lontane di mettere insieme le loro risorse  e competenze scientifiche per sviluppare una comune attività di ricerca di base, clinica e traslazionale volta allo studio epidemiologico, fisiopatologico, diagnostico e terapeutico della patologia oncologica, dismetabolica e vascolare.
Bando di Concorso per una borsa di studio Fondazione Pezcoller
Bando di Concorso per una borsa di studio Fondazione Pezcoller
 
Annual Report 2014
 
Medical Research Council
Post doctoral Training Appt - on Cancer Biology. Special focus : micro - RNA and metabolism
 
M.R.C. Post Doctoral training Appt - on Cancer Biology
 
Novartis BioCamp Italia 2014 15-17 dicembre 2014
Novartis BioCamp Italiam 2014 15-17 dicembre 2014
 
Nomina Prof. Ennio Carbone
Nomina Prof. Ennio Carbone componente Consiglio Direttivo Nazionale della Società Italiana di Immunologia, Immunologia Clinica ed Allergologia (SIICA)
 
Progetto Erasmus Mundus SECRET
Finanziato Progetto Erasmus Mundus (SECRET)
 
lezione magistrale in memoria di Chiara d'Onofrio
lezione magistrale in memoria di Chiara D'Onofrio 17 gennaio 2014
 
Bandi di concorso Premi 2014 ANL
Bandi di concorso Premi ANL
 
lavoro Nature Nanotechnology
Pubblicato lavoro su Nature Nanotechnology
 
Accademia Nazionale dei Lincei
Pubblica selezione a due borse di studio biennali post dottorato
 
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