34801 - BIOELETTROMAGNETISMO LM

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. 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 - principi elementari della dosimetria dei campi elettromagnetici.

Contenuti

Il corso ha lo scopo di fornire le conoscenze di base sui meccanismi d’interazione tra il campo elettromagnetico ed i mezzi utilizzati per la sua propagazione, inclusi i tessuti biologici.

Nella prima parte si trattano le leggi fondamentali dell'elettromagnetismo, a partire dalle equazioni di Maxwell e dalle relazioni costitutive fino al bilancio energetico del campo elettromagnetico, con particolare attenzione verso la radio-frequenza ed le relative applicazioni biomediche. Si mette in evidenza la condizione di massima efficienza dell’energia EM fornita dalle sorgenti per i) il trasferimento d’informazione e/o potenza; ii) conversione in calore. Successivamente vengono introdotte le onde piane come rappresentazioni semplificate del campo EM, utili per comprendere i fenomeni della riflessione e della trasmissione e la legge di propagazione. Vengono introdotti i concetti di vettori sinusoidali e dei fasori associati per rappresentare la polarizzazione di sorgenti e degli utilizzatori e del campo elettromagnetico e vengono forniti gli strumenti matematici per valutarla. Vengono infine caratterizzati i mezzi materiali e in particolare il comportamento dispersivo dei mezzi biologici descritto a partire dai principali fenomeni di polarizzazione.

Viene poi definito il concetto di campo vicino e campo lontano tra sorgente ed utilizzatore, in relazione frequenza utilizzata e vengono messe in evidenze le caratteristiche sostanzialmente diverse delle regioni.

Infine si introducono le grandezze caratteristiche delle antenne per la trasmissione e ricezione di energia ed informazione e i modelli più semplici per la valutazione di interi radiocollegamenti, come la formula di Friis e la relazione del RADAR. Vengono inoltre discussi i concetti fondamentali della dosimetria a radiofrequenza, in relazione alla crescente diffusione di sistemi wireless negli ambienti comunemente frequentati.

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.

Nella seconda parte vengono svolti argomenti utili nelle applicazioni biomediche. Prima di tutto viene considerato un sistema di telemetria per sensori indosabili o impiantabili e vengono discussi i relativi aspetti progettuali.

Successivamente vengono introdotti i principali circuiti e sistemi utilizzati per costruire un apparecchio di 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 UHF.

Sono previste alcune attività di verifica delle conoscenze intermedie, ma non soggette a valutazioni, alcune ore 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.

Syllabus

Di seguito viene fornito un dettaglio analitico di tentative dello svolgimento del programma nelle settimane di lezione per dare conto più in dettaglio degli argomenti trattati.

Settimana 1:

• Introduzione al corso e analisi dallo spettro elettromagnetico. Importanza dei sistemi a radio-frequenza per la terapia, la diagnosi e la telemetria in campo biomedico.
• Obiettivi del corso e programma.
• Prerequisiti e prime interazioni con gli studenti.

  Settimana 2:

• Campi elettromagnetici nel dominio del tempo
• Equazioni di Maxwell.
• Mezzi materiali e relazioni costitutive.
• Condizioni di continuità del campo EM all’interfaccia tra due mezzi

  Settimana 3:

• Campi elettromagnetici sinusoidali
• Equazioni di Maxwell.
• Teorema di Poynting ed altri teoremi fondamentali.
• Analisi dei diversi bilanci energetici del campo EM e condizioni di massima efficienza

  Settimana 4:

• Proprietà di polarizzazione delle sorgenti e dei campi EM e condizioni di massimo trasferimento di potenza
• Mezzi dielettrici e mezzi conduttori in relazione alla frequenza di lavoro
• Concetto di mezzo dispersivo
• Analisi dei mezzi biologici dispersivi modelli matematici e risultati sperimentali a radiofrequenza

  Settimana 5:

• Onde piane uniformi
• Equazioni e caratteristiche generali: vettore di propagazione, impedenza caratteristica dei mezzi.
• Propagazione nei mezzi.
• Riflessione e trasmissione: coefficienti di Fresnel
• Propagazione di onde piane attraverso Strutture a singolo strato e multistrato: caso della trasmessione atraverso il corpo umano

  Settimana 6:

• Test di verifica (senza valutazione individuale
• Esercizi in alula su tutti gli argomenti trattati

  Settimana 7:

• metodi di calcolo del campo a grande distanza
• momento di una sorgente elementare e momento equivalente
• Sorgenti elementari.
• Sorgenti estese.
• Antenne in trasmissione e ricezione

  Settimana 8:

• Grandezze caratteristiche per valutare le prestazioni delle antenne
• Modello circuitale di un canale radio

  Settimana 9:

• Calcolo del budget di un radio-collegamento in aria
• Formula di Friis
• Equazione del RADAR

• Settimana 10:

• Dimensionamento di antenne e relazioni con le lunghezze d’onda
• Dipolo elettromagnetico
• Antenna a loop
• Miniaturizzaizone delle antenne
• Dosimetria del campo elettromagnetico e calcolo del SAR

Settimana 11:

• Principi di funzionamento della Risonanza magnetica nucleare (RMN)

• Equazioni fondamentali dell'NRMN
• Struttura di una apparecchiatura per NMR: Definizione dei blocchi funzionali
• Campo statico B0 e magnete principale.
• Campo a radiofrequenza: analisi circuitale e mediante metodo dei momenti.
• descrizione dei circuiti risonanti e dei metodi di lettura delle risposte analisi circuitale e mediante metodo dei momenti

Settimana 12:

• Campo gradiente e metodi di progetto dei circuiti per il gradiente di campo.

Schemi circuitali e metodi per la rilevazione delle risposte agli impulsi

Testi/Bibliografia

G. Conciauro, L. Perregrini, Fondamenti di onde elettromagnetiche McGraw-Hill Education.

V. Rizzoli Lezioni di campi elettromagnetici. Propagazione libera e antenne

Metodi didattici

Oltre ale lezioni frontali, che prevedono interazioni continue con gli studenti, il corso prevede circa 10 ore dedicate a esercizi applicativi degli argomenti trattati, basati anche sull'uso di simulatori elettromagnetici che contengono i modelli sviluppati nel corso.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Sono previste alcune attività di verifica delle conoscenze intermedie, ma non soggette a valutazioni, alcune ore 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.

L’esame finale è basato su un colloquio orale a partire da domande scritte per le quali lo/la studente(ssa) prepara uno schema di presentazione.

Strumenti a supporto della didattica

Materiale didattico: il materiale didattico presentato a lezione è a disposizione in formato elettronico. 

Per ottenere il materiale didattico: http://campus.unibo.it/

Username e password sono riservati a studenti iscritti all'Università di Bologna.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Alessandra Costanzo