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PHYSICS FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS

Mariarosaria FALANGA PHYSICS FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS

0622900014
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE ED ELETTRICA E MATEMATICA APPLICATA
CORSO DI LAUREA MAGISTRALE
DIGITAL HEALTH AND BIOINFORMATIC ENGINEERING
2022/2023



ANNO CORSO 2
ANNO ORDINAMENTO 2018
SECONDO SEMESTRE
CFUOREATTIVITÀ
432LEZIONE
216ESERCITAZIONE
MICHELE GUIDA T Curriculum
MARIAROSARIA FALANGA Curriculum
Obiettivi
L’INSEGNAMENTO COSTITUISCE UN CORSO AVANZATO DI FISICA APPLICATA ALLE SCIENZE BIOMEDICHE. ESSO INTENDE FORNIRE CONOSCENZE E COMPETENZE SULLE APPLICAZIONI BIOMEDICALI DEGLI EFFETTI DELLA INTERAZIONE DEI SISTEMI BIOLOGICI CON RADIAZIONI, IONIZZANTI, E SOLLECITAZIONI MECCANICHE, ACUSTICHE ED ELETTROMAGNETICHE SIA NEL CAMPO DIAGNOSTICO CHE TERAPEUTICO E, CONGIUNTAMENTE, ALLA VALUTAZIONE DEI RISCHI SANITARI DERIVANTI DALLA ESPOSIZIONE UMANA AGLI AGENTI FISICI INQUINANTI: RADIAZIONI IONIZZANTI, CAMPI E.M. E RUMORE.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE

•FONDAMENTI DELLA INTERAZIONE TRA RADIAZIONI (IONIZZANTI) E LA MATERIA BIOLOGICA
•CARATTERISTICHE DELLE OSCILLAZIONI MECCANICHE IN SISTEMI BIOLOGICI
•PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO DI RILEVANTI APPARECCHIATURE BIOMEDICALI AVANZATE PER LA DIAGNOSTICA E LA TERAPIA.
CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE

•SAPER OPERARE CON GRANDEZZE DOSIMETRICHE.
•SAPER APPLICARE LE CONOSCENZE TEORICHE A SPECIFICI CASI BIOLOGICI
•SAPER VALUTARE ANCHE CON L’AUSILIO DI SEMPLICI PROVE SPERIMENTALI L’IMPATTO BIOLOGICO DEI FENOMENI FISICI ILLUSTRATI DURANTE IL CORSO.
Prerequisiti
PER IL PROFICUO RAGGIUNGIMENTO DEGLI OBIETTIVI PREFISSATI AGLI ALLIEVI SONO RICHIESTI I SEGUENTI PREREQUISITI DI CONOSCENZE E COMPETENZE:
NOZIONI DI FISICA E MATEMATICA ACQUISITE DURANTE IL PRIMO LIVELLO DI STUDI.
Contenuti
UNITA’ DIDATTICA 1 : ELEMENTI DI FISICA ATOMICA E NUCLEARE. RADIOATTIVITÀ E RADIAZIONI ALFA, BETA, E GAMMA.
(lezione/esercitazione/laboratorio: 4/0/0)
-1 (2 HOURS lezione): ELEMENTI DI FISICA ATOMICA E NUCLEARE. ESEMPI
- 2 (2 HOURS lezione): RADIOATTIVITÀ E RADIAZIONI ALFA, BETA, E GAMMA. Esempi
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE
Acquisizione dei concetti di base della fenomenologia caratteristica dei fenomeni nucleari come la radioattività.
CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE
Capacità di distinguere tra le diverse radiazioni ionizzanti, quali alfa, beta e gamma attraverso il loro diverso potere di ionizzazione e di penetrazione attraverso la materia.
Unità didattica 2: RADIOATTIVITÀ AMBIENTALE E INDUSTRIA NON-NUCLEARE. NORM E TENORM.
(lezione/esercitazione/laboratorio: 2/0/0)
-1 (2 ore lezione): RADIOATTIVITÀ AMBIENTALE. INDUSTRIA NON-NUCLEARE. NORM E TENORM.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE
Acquisizione del concetto del NORM
CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE
Capacitò di discernimento dei diversi contesti in cui popolazione e lavoratori sono esposti a radioattività di origine naturale.

Unità didattica 3: DANNI BIOLOGICI ASSOCIABILI ALLA ESPOSIZIONE A RADIAZIONI IONIZZANTI.
(lezione/esercitazione/laboratorio: 4/0/0)
-1 (2 ore lezione): Interazioni radiazioni ionizzanti con la materia.
-2 (2 ore lezione): effetti biologici delle radiazioni ionizzanti.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE
Acquisizione della fenomenologia di base della interazione della radiazione con la materia
CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE
Saper risolvere semplici calcoli di attenuazione della radiazione gamma mediante diversi spessori di materiale.
Unità didattica 4: DOSIMETRIA, RISCHIO SANITARIO E NORMATIVA,
NAZIONALE/INTERNAZIONALE, VIGENTE.
(lezione/esercitazione/laboratorio: 3/1/0)
-1 (1 ore lezione + 1 ora esercitazione): Radioprotezione e dosimetria. Esempi.
-2 (2 ore di lezione): RISCHIO SANITARIO E NORMATIVA, NAZIONALE/INTERNAZIONALE, VIGENTE.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE
Conoscenza degli elementi scientifici alla base della realizzazione di una normativa atta alla protezione della salute di popolazione e lavoratori.

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE
Capacità di discernimento tra le varie grandezze dosimetriche.

Unità didattica 5: metodi e tecniche per la misurazione del Radon e del fondo ambientale gamma.
(lezione/esercitazione/laboratorio: 0/2/2)
-1 (2 ore esercitazione): metodi e tecniche per la misurazione del Radon in diverse matrici ambientali.
-2 (2 ore di laboratorio): esecuzione pratica di misurazioni di Radon e di fondo ambientale gamma.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE:
acquisizione delle metodiche di base per la misurazione del radon.

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE
Capacità di saper progettare una misura di Radon in un ambiente chiuso.
Unità didattica 6: APPARECCHIATURE BIOMEDICALI:
(lezione/esercitazione/laboratorio: 2/2/0)
-1 (1 ora di lezione + 1 ora di esercitazione): TOMOGRAFIA ASSIALE COMPUTERIZZATA TAC. Esempi di calcolo relativi a semplici strutture.
-2 (1 ora di lezione + 1 ora di esercitazione): RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE RMN. Esempi di calcolo relativi a semplici strutture.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE:
acquisizione della conoscenza dei meccanismi fisici di base della RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE e TOMOGRAFIA ASSIALE COMPUTERIZZATA.
CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE
Saper descrivere a larghe linee gli svantaggi e vantaggi di alcune delle soluzioni tecniche più comuni delle apparecchiature biomedicali illustrate durante il corso.
Unità didattica 7: attività progettuali con gli allievi
(lezione/esercitazione/laboratorio: 0/2/0)
-1 (2 ore di esercitazione): discussione di attività progettuali con gli allievi.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE:
acquisizione dei principali concetti illustrati nel corso a proposito dell’interazione radiazioni ionizzanti e materia biologica.
CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE
Capacità degli studenti di fondere gli strumenti dell’AI, IoT, Machine Learning agli argomenti discussi per realizzare progetti individuali innovativi.


Unità didattica 8: TEORIA DELLE ONDE MECCANICHE
(ore lezione/esercitazione/laboratorio 6/2/0)
- 1 (2 ore lezione): RICHIAMI SULLA TEORIA DELLE ONDE MECCANICHE, proprietà; - 2 (2 ore lezione): EQUAZIONI DELLE ONDE MECCANICHE; POLARIZZAZIONE;
- 3 (2ore lezione): condizioni al contorno; RIFLESSIONE E TRASMISSIONE; esempi
- 4 (2 ore esercitazione): esercizi riguardanti le onde meccaniche e la loro propagazione
conoscenze e capacità di comprensione: comprensione delle proprietà delle onde meccaniche e delle equazioni che le descrivono
conoscenze e capacità di comprensione applicate: Saper applicare la teoria delle onde meccaniche a risolvere semplici problemi fisici

Unità didattica 9: TEORIA DELLE ONDE ACUSTICHE
(ore lezione/esercitazione/laboratorio 4/2/0)
- 1 (2 ore lezione): RICHIAMI SULLA TEORIA DELLE ONDE ACUSTICHE, proprietà; - 2 (2 ore lezione): EQUAZIONI DELLE ONDE ACUSTICHE; PROPRIETA’, PITCH; MODI NORMALI; EFFETTO DOPPLER
- 3 (2 ore esercitazione): esercizi sull’effetto Doppler ; applicazioni biomedicali;
conoscenze e capacità di comprensione: comprensione delle proprietà delle onde Acustiche e delle equazioni che le descrivono; comprensione dell'effetto Doppler
conoscenze e capacità di comprensione applicate: Saper applicare la teoria delle onde acustiche a risolvere semplici problemi fisici sull’effetto Doppler
Unità didattica 10: TEORIA DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE; Vibrometria Laser
(ore lezione/esercitazione/laboratorio 5/3/0)
- 1 (2 ore lezione): RICHIAMI SULLA TEORIA DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE, proprietà; - 2 (2 ore lezione): EQUAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE IN MEZZI OMOGENEI E ISOTROPI; INTERAZIONE CON LA MATERIA; TEORIA DEL RAGGIO E LEGGI DI SNELL
- 3 (1 ora lezione+ 1 ora esercitazione): PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO DI UN VIBROMETRO LASER; Esempi
- 4 (2 ore esercitazione): APPLICAZIONE AL SISTEMA CARDIO-CIRCOLATORIO. APPLICAZIONE AL SISTEMA VOCALE E FONAZIONE.
conoscenze e capacità di comprensione: comprensione delle proprietà delle onde elettromagnetiche e delle equazioni che le descrivono; comprensione della teoria del raggio e delle leggi di Snell
conoscenze e capacità di comprensione applicate: Saper applicare la teoria delle onde elettromagnetiche a risolvere semplici problemi fisici.

Unità didattica 11: attività progettuali con gli allievi
(lezione/esercitazione/laboratorio: 0/2/0)
-1 (2 ore di esercitazione): discussione di attività progettuali con gli allievi.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE:
acquisizione dei principali concetti illustrati nel corso a proposito delle onde meccaniche acustiche e elettromagnetiche e loro applicazioni in ambito medicale e diagnostico
CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE
Capacità degli studenti di fondere gli strumenti dell’AI, IoT, Machine Learning agli argomenti discussi per realizzare progetti individuali innovativi.
Metodi Didattici
LO SVOLGIMENTO DEL CORSO È ARTICOLATO IN ATTIVITA' DIDATTICA DI LEZIONI FRONTALI (PARTE TEORICA, ESERCITATIVA/PROGETTUALE E DI LABORATORIO, DI ALMENO 16 ORE, DELLA DURATA COMPLESSIVA DI 48 ORE (6 CFU), SUDDIVISE IN 12 SETTIMANE, SVOLTE IN AULA ANCHE CON L’AUSILIO DI MATERIALE MULTIMEDIALE ED ESPERIMENTI DI LABORATORIO.
Verifica dell'apprendimento
LA VERIFICA AL TERMINE DEL CORSO È FINALIZZATA A VALUTARE NEL SUO COMPLESSO LE CONOSCENZE E LA COMPRENSIONE DA PARTE DEGLI ALLIEVI DEI CONCETTI PRESENTATI AL CORSO E LA CAPACITÀ DI UTILIZZARE TALI CONOSCENZE IN APPLICAZIONI BIOMEDICALI DI INTERESSE .
TALE ACCERTAMENTO È EFFETTUATO CON LA SEGUENTE MODALITA’:
•ATTIVITA’ PROGETTUALE
•COLLOQUIO ORALE
DURANTE IL COLLOQUIO ORALE IL CANDIDATO ILLUSTRERA’ LA SUA ATTIVITIA’ PROGETTUALE E SI VALUTERA’ LA CONOSCENZA ACQUISITA DEGLI ARGOMENTI DEL CORSO, LA PROPRIETÀ NELL’UTILIZZO DEL LINGUAGGIO SCIENTIFICO E LA CAPACITÀ DI ESPOSIZIONE E DI SINTESI.
LA VALUTAZIONE FINALE COMPLESSIVA E’ ESPRESSA QUANTITATIVAMENTE IN TRENTESIMI, LA LODE PUÒ ESSERE ATTRIBUITA DALLA COMMISSIONE ESAMINATRICE AGLI ALLIEVI CHE DIMOSTRINO OTTIME CAPACITÀ ANALITICHE.
Testi
APPUNTI DALLE LEZIONI E MATERIALE MULTIMEDIALE IN PIATTAFORMA.
LIBRI DI TESTO CONSIGLIATI:
PARTE I:
AA.VV. 2010. "RADIATION BIOLOGY: A HANDBOOK FOR TEACHERS AND STUDENTS", IAEA TRAINING COURSE SERIES 42, INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY IAEA, WIEN, 2010.
C. POLVANI, 1993. "ELEMENTI DI RADIOPROTEZIONE, ENEA, ROMA , 1993.
PARTE II:
LETTURA ELEMENTARE CONSIGLIATA PER INCOMINCIARE:
F S CRAWFORD, 1972. "ONDE ED OSCILLAZIONI" LA FISICA DI BERKELEY, VOL. 3, ZANICHELLI, BOLOGNA, 1972.
HALLIDAY, D., RESNICK, R., & WALKER, J. (2013). FUNDAMENTALS OF PHYSICS. JOHN WILEY & SONS.

ALCUNI CAPITOLI SELEZIONATI DA:
E. OTT, 2002 “CHAOS IN DYNAMICAL SYSTEMS”, CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS; 2 EDIZIONE (22 AGOSTO 2002)
P. CASTELLINI, E P TOMASINI AND GM REVEL, 2001 “LASER BASED MEASUREMENT” IN “ENCYCLOPAEDIA OF VIBRATION” (EDITED BY SIMON G BRAUN ET AL.) (LONDON: ACADEMIC).
PER APPROFONDIRE:
PARTE I:
GUIDA DOMENICO; GUIDA MICHELE; CUOMO ALBINA; GUADAGNUOLO DAVIDE; SIERVO VINCENZO. 2013. "ASSESSMENT AND MAPPING OF RADON-PRONE AREAS ON A REGIONAL SCALE AS APPLICATION OF A HIERARCHICAL ADAPTIVE AND MULTI-SCALE APPROACH FOR THE ENVIRONMENTAL PLANNING. CASE STUDY OF CAMPANIA REGION, SOUTHERN ITALY". WSEAS TRANSACTIONS ON SYSTEMS. VOL. 12. PAG.105-120, 2013.
JULIE A. REISZ, NIDHI BANSAL, JIANG QIAN, WEILING ZHAO, AND CRISTINA M. FURDUI. 2014. "EFFECTS OF IONIZING RADIATION ON BIOLOGICAL MOLECULES—MECHANISMS OF DAMAGE AND EMERGING METHODS OF DETECTION". FORUM REVIEW ARTICLE. ANTIOXIDANTS & REDOX SIGNALING
VOLUME 21, NUMBER 2, 2014, DOI: 10.1089/ARS.2013.5489.
PARTE II:
G BUCCHERI , E DE LAURO E, S DE MARTINO, M FALANGA, EXPERIMENTAL STUDY OF SELF-OSCILLATIONS OF THE TRACHEA–LARYNX TRACT BY LASER DOPPLER VIBROMETRY, BIOMEDICAL PHYSICS & ENGINEERING EXPRESS 2 (5), 055009, 2016.

LIN, C.D., FALANGA, M., DE LAURO, E., DE MARTINO, S., VITIELLO, G., BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL MECHANISMS UNDERLYING THE HEART AND THE BRAIN DIALOG, AIMS BIOPHYSICS, 2021, 8(1), PP. 1–33.
Altre Informazioni
LA LINGUA DI INSEGNAMENTO È L’INGLESE.
  BETA VERSION Fonte dati ESSE3 [Ultima Sincronizzazione: 2024-08-21]