FISICA APPLICATA ALLA MEDICINA

Crediti: 
5
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2021/2022
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA APPLICATA (A BENI CULTURALI, AMBIENTALI, BIOLOGIA E MEDICINA) (FIS/07)
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Anno di corso: 
1
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Attività formativa padre: 

Obiettivi formativi

Il modulo di Fisica Applicata alla Medicina intende dare una formazione di base che consiste nella conoscenza e comprensione di principi fisici di base propedeutici per altre importanti discipline del Corso di Laurea, quali Chimica, Biologia, Fisiologia, Biochimica ecc., che sulla fenomenologia fisica si fondano o di essa fanno frequente uso.
Il corso si ripromette altresì di dare i rudimenti concettuali necessari per una comprensione pur sommaria di alcune importanti tecnologie che sempre più di frequente accompagnano l'opera del medico quali ad esempio: centrifughe, endoscopi, microscopi, trasduttori per ecografia a ultrasuoni, raggi laser, apparati radiologici e NMR, rivelatori di radiazione, ecc. In questo senso, il corso il corso si prefigge anche lo scopo di sviluppare l'attitudine dello studente allo studio indipendente ed all'aggiornamento continuo sull'applicazione di tecniche fisiche alla diagnostica ed alla terapia in medicina.
Come ultima finalità, ma forse la più importante, il corso si prefigge di dare allo studente uno stimolo per il raggiungimento di una maggiore confidenza su concetti di uso comune, ma non sempre sufficientemente chiariti dagli studi pregressi, quali: azioni meccaniche tra corpi a contatto, sforzi ed energie in gioco, aspetti dinamici conseguenti a forze elastiche e urti, attriti e aspetti termici e termodinamici, proprietà statiche e dinamiche di fluidi gassosi e liquidi, luce e sue manifestazioni anche in relazione alla struttura dell'occhio e ai suoi difetti fisici, fondamenti dei fenomeni elettrici, magnetici e nucleari, le leggi che governano potenziali e correnti, radiazioni elettromagnetiche e nucleari, perturbazioni indotte nei mezzi attraversati e aspetti di rivelazione e controllo.

Contenuti dell'insegnamento

La prima parte del modulo di Fisica Applicata alla Medicina tratterà la definizione delle principali grandezze fisiche, i sistemi e le unità di misura.
In seguito verranno affrontati i principi fondamentali della meccanica, della dinamica dei fluidi, dell'elettromagnetismo, della termologia, dei fenomeni ondulatori e dell'ottica.
Verranno di volta in volta sottolineate le principali applicazioni e conseguenze sulla fisiologia del corpo umano ed in ambito medico. In particolare, verranno approfonditi aspetti relativi alla biomeccanica, alla circolazione del sangue, all'uso delle radiazioni in diagnostica e terapia medica.

Programma esteso

Grandezze fisiche e loro misura: Misura di una grandezza fisica – Dimensioni – Unità – Errori – Grandezze vettoriali.

Fondamenti della dinamica: Principi della dinamica – Forza, lavoro ed energia – La forza peso – Teorema dell’energia cinetica – Campi di forze conservativi – Energia potenziale – Conservazione dell’energia meccanica – Centro di massa e sue proprietà – Conservazione della quantità di moto – Momento di una forza – Cenni al moto dei corpi rigidi – Le leve e il corpo umano – Fenomeni elastici, legge di Hooke e moduli di elasticità – Flessione e torsione – Elasticità dei vasi sanguigni e delle ossa.

Onde e Acustica: Processi ondosi, equazione d’onda e parametri caratteristici – Interferenza – Diffrazione e principio di Huyghens – Suono e suoi caratteri distintivi – Intensità, sensazione e legge di Weber-Fechner – Effetto Doppler – Ultrasuoni e loro applicazione in campo biomedico.

Fluidostatica e Fluidodinamica: La pressione – Leggi di Stevino, Pascal e Archimede – Pressione atmosferica e barometro di Torricelli – La pressione arteriosa e sua misura – Tensione superficiale e formula di Laplace – Capillarità e legge di Jurin – Embolia gassosa – Portata di un condotto – Liquido ideale e teorema di Bernoulli – Sue implicazioni per la circolazione sanguigna – Liquidi reali e viscosità – Moto laminare e teorema di Poiseuille – Resistenza idraulica – Formula di Stokes e velocità di sedimentazione – Regime turbolento e numero di Reynolds – Cenni sul lavoro cardiaco.

Termologia: Dilatazione termica – Temperatura e calore – Leggi dei gas e temperatura assoluta – Equazione di stato dei gas perfetti e approssimazione per i gas reali – Cenni di teoria cinetica dei gas – Calori specifici – Passaggi di stato e calore latente – Meccanismi di propagazione del calore.

Ottica: Riflessione e rifrazione – Riflessione totale e fibra ottica – Sistema ottico, fuochi e potere diottrico – Diottro sferico – Lenti sottili e costruzione delle immagini – Microscopio composto – Potere risolutivo – L’occhio come sistema diottrico – Principali ametropie dell'occhio e loro correzione mediante lenti – Aspetti ondulatori della luce – La luce laser.

Elettricità, magnetismo e correnti elettriche: Cariche elettriche e legge di Coulomb – Campo elettrico – Lavoro del campo elettrico e potenziale elettrostatico – Campo dipolare – Cenni su fibra muscolare ed elettrocardiogramma – Teorema di Gauss e sue applicazioni - Intensità di corrente – Cenni sulla struttura elettronica di isolanti, conduttori metallici e semiconduttori – La legge di Ohm – Resistenze in serie e parallelo – Forza elettromotrice – Effetto termico della corrente – Conduzione elettrica nei liquidi – Passaggio della corrente nel corpo umano – Effetto termoionico e fotoelettrico – Campo magnetico e sua azione su correnti e magneti – Tensione e corrente alternata – Impedenza – Onde elettromagnetiche.

Radiazioni: Richiami sulla struttura dell’atomo e del nucleo – Isotopi instabili e radiazione alfa, beta, gamma – Legge del decadimento radioattivo e vita media – Applicazioni biomediche dei radioisotopi - Raggi x (produzione, proprietà e meccanismi di assorbimento nella materia) - L'immagine radiologica - Cenni su TAC, PET, SPECT e NMR - Cenni di radioprotezione.

Bibliografia

Appunti di lezione.

Bersani, Bettati, Biagi, Capozzi, Feroci, Lepore, Mita, Ortalli, Roberti, Viglino, Vitturi: Fisica biomedica, Ed. Piccin Nuova Libraria (Padova).

Scannicchio: Fisica Biomedica, Ed. EdiSES (Napoli).

Celasco: Lineamenti di Fisica Medica, Ed. E.C.I.G. (Genova).

Metodi didattici

Le lezioni si svolgeranno in presenza, nel rispetto degli standard di sicurezza, salvo ulteriori disposizioni dovute all’eventuale perdurare dell’emergenza sanitaria. Il materiale didattico sarà depositato sulla specifica piattaforma ad accesso riservato agli studenti (Elly) e comprenderà presentazioni iconografiche, audio-video di supporto o videoregistrazione delle lezioni.
Durante le lezioni verranno illustrati e commentati gli argomenti contenuti nel programma del modulo. L'enfasi sarà posta sulle applicazioni dei principi fisici fondamentali alla biologia ed alla medicina, e si forniranno esempi di come l'applicazione di tali principi possa portare a formulare previsioni quantitative su fenomeni fisiologici e patologici.
In alcuni casi selezionati, verrà illustrata la dimostrazione di principi fisici di base, allo scopo di introdurre gli studenti alla pratica del pensiero logico e del metodo sperimentale.
Su base volontaria, gli studenti potranno partecipare ad attività di laboratorio volte alla verifica sperimentale di leggi fisiche fondamentali.

Modalità verifica apprendimento

L'accertamento del raggiungimento degli obiettivi previsti dal modulo prevede una prova scritta di 1 ora, consistente in parte in quesiti a risposta aperta su argomenti trattati nel corso. In questo modo, verrà accertata la conoscenza e la comprensione, da parte dello studente, sia dei principi teorici che delle loro conseguenze in campo medico e biologico.
La prova scritta prevederà anche la risoluzione di uno o più problemi, per verificare il raggiungimento dell'obiettivo della capacità di applicare le conoscenze acquisite ad una situazione simulata di interesse biologico o medico.
La valutazione degli elaborati, espressa in trentesimi, attribuirà lo stesso peso alle risposte ai quesiti a risposta aperta ed ai problemi proposti. Sarà consentito l'utilizzo di calcolatori, ma non di testi scritti o di supporti informatici.
Qualora a causa del perdurare dell'emergenza sanitaria fosse necessario adottare la modalità a distanza per gli esami di profitto, si procederà come segue:
prova scritta strutturata condotta a distanza (via Teams e Elly). La prova si compone di 30 domande a scelta multipla sui contenuti del corso (testi di riferimento + documenti caricati in Elly durante lo svolgimento del corso). Non è prevista penalità per le risposte non corrette.
Il voto finale, comunicato successivamente alla prova scritta direttamente in Esse3, corrisponderà alla media aritmetica delle valutazioni ottenute nella prova scritta, espressa in trentesimi.
Gli Studenti con DSA/BSE devono preventivamente contattare Le Eli-che: supporto per studenti con disabilità, D.S.A., B.E.S. (https://sea.unipr.it/it/servizi/le-eli-che-supporto-studenti-con-disabil...).