93913 - BIOELECTROMAGNETISM

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2021/2022

Conoscenze e abilità da conseguire

Lo studente, al termine del corso, conosce i principali fenomeni legati alla propagazione libera e guidata delle onde elettromagnetiche ed alla loro interazione con i diversi mezzi materiali. Successivamente si dedica allo studio dei meccanismi di interazione tra i campi elettromagnetici ed i sistemi biologici e relativi modelli teorici. Vengono forniti gli strumenti per valutare il bilancio energetico del campo elettromagnetico correlato a diversi tipi di applicazioni bio-mediche come la trasmissione di energia e dati, a scopo di telemetria o la conversione del calore per applicazioni terapeutiche. Lo studente acquisisce le conoscenze di base su: - principali fenomeni di propagazione dei campi elettromagnetici. - meccanismi di interazione dei campi elettromagnetici con i diversi mezzi materiali per diverse frequenze di lavoro. - meccanismi di interazione tra campi elettromagnetici e sistemi biologici: comportamento dispersivo. - principi elementari della dosimetria dei campi elettromagnetici.

Contenuti

Il corso intende fornire agli studenti le conoscenze per comprendere l’interazione tra i campi elettromagnetici ed i mezzi materiali, in particolare i tessuti biologici, e come queste siano i meccanismi di base per diverse applicazioni della bioingegneria.

Nella prima parte verranno introdotte le leggi fondamentali dell'elettromagnetismo, il concetto di onde piane uniformi e le leggi della propagazione nei materiali omogenei e non omogenei e la loro caratterizzazione attraverso la propagazione EM

Verranno poi introdotti i mezzi dispersivi e spiegati i meccanismi di polarizzazione dei mezzi e le relative frequenze a cui tali fenomeni si manifestano.

Nella seconda parte del corso si approfondirà lo studio della tecnica e degli apparati della Risonanza Magnetica Nucleare. Gli studenti potranno così vedere un'applicazione esemplificativa di diversi concetti dell'elettromagnetismo, a partire dai campi statici fino alle frequenze in banda VHF.

Successivamente si tratteranno le nozioni di campo lontano, di antenna e di grandezze caratteristiche della radiazione per fornire agli studenti i concetti fondamentali della dosimetria a radiofrequenza e a microonde e le tecniche di telemetria.

Infine si confronteranno i concetti di circuito a costanti concentrate e a costanti distribuite, a fondamento della modellazione dei fenomeni della bioelettricità e della trasmissione dei segnali elettrici nel corpo umano.

Sono previste alcune attività di laboratorio software in cui gli studenti faranno pratica con la simulazione elettromagnetica e costruiranno semplici modelli per caratterizzare l'interazione tra campi elettromagnetici e tessuti biologici. In seguito vengono descritti in dettaglio gli argomenti trattati a gruppi ed i tempi previsti per ogni gruppo.

INTRODUZIONE (2)
Bioelectromagnetism, bioelectricity, bioelectromagnetics.
Classificazione dei campi EM e dei meccanismi di interazione con i diversi mezzi.

ELETTROMAGNETISMO DI BASE (24)
Campi elettromagnetici nel dominio del tempo:
- Equazioni di Maxwell.
- Mezzi materiali e relazioni costitutive.
- Discontinuità.
- Leggi di conservazione.

Campi elettromagnetici sinusoidali:
- Equazioni di Maxwell.
- Teorema di Poynting ed altri teoremi fondamentali.
- Polarizzazione del campo elettromagnetico.
- Mezzi dielettrici.
- Mezzi conduttori.

Onde piane uniformi:
- Equazioni e caratteristiche generali.
- Propagazione nei mezzi.
- Riflessione e trasmissione.
- Propagazione di onde piane attraverso uno strato e più strati.


RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE (16)

Principi di funzionamento
Equazioni fondamentali dell'NMI
Struttura di una apparecchiatura per NMR
Campo statico B0 e magnete principale.
Campo gradiente e metodi di progetto per campi a bassa frequenza..
Campo a radiofrequenza B1: analisi circuitale e mediante metodo dei momenti.

ANTENNE e DOSIMETRIA (12)
Sorgenti elementari.
Sorgenti estese.
Grandezze caratteristiche della radiazione.
Schiere d'antenna.
Elementi di dosimetria.

CIRCUITI e TRASMISSIONE DEI SEGNALI (6)
Circuiti a costanti concentrate.
Circuiti a costanti distribuite.
Linee di trasmissione e modellazione di fenomeni biologici.

Testi/Bibliografia

1) Perregrini, Conciauro Fondamenti di onde elettromagnetiche – Mc Graw Ill

2) Electromagnetic analysis and design in magnetic resonance imaging / Jianming Jin

Metodi didattici

presentazioni power point; sessioni di verifica della comprensione degli argomenti attraverso lavori di gruppo; lezioni a cura degli studenti con metodi di teach back.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso una prova orale preceduta da una prova scritta in cui lo studente viene invitato a preparare uno schema di risposte a tre quesiti relativi al programma. Durante questa prova non è ammesso l'uso di libri, appunti, calcolatrici, supporti elettronici.

La prova scritta mira ad accertare le abilità acquisite nel mettere in evidenza gli aspetti fondamentali degli argomenti trattati e di risolvere i problemi nell'ambito delle tematiche affrontate. La prova orale segue la prova scritta e mira ad approfondire la verifica dell'acquisizione delle conoscenze previste dal programma del corso. Il voto finale è espresso in trentesimi e tiene conto dei risultati ottenuti in entrambe le prove.

Strumenti a supporto della didattica

Personal computer, Cadence AWR, CST Microwave studio

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Alessandra Costanzo