- Docente: Alessandra Costanzo
- Crediti formativi: 6
- SSD: ING-INF/02
- Lingua di insegnamento: Italiano
- Modalità didattica: Convenzionale - Lezioni in presenza
- Campus: Cesena
- Corso: Laurea Magistrale in Ingegneria biomedica (cod. 9243)
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
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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