93913 - BIOELECTROMAGNETISM

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

I

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
Bioelettromagnetismo, bioelettricità.
Classificazione dei campi EM e dei meccanismi di interazione con i diversi mezzi.

ELETTROMAGNETISMO DI BASE
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.

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

RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE
Principi di funzionamento.
Equazioni fondamentali dell'NMI.
Struttura di una apparecchiatura per NMR.
Campo magnetico 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.

Testi/Bibliografia

1) Perregrini, Conciauro Fundamentals of electromagnetic waves - 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  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

Consulta il sito web di Giacomo Paolini