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PORTALE DELLA DIDATTICA

Electromagnetic fields and biological tissues: effects and medical applications

01OVBOQ, 01OVBOV, 01OVBPE

A.A. 2019/20

Course Language

English

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Electronic Engineering - Torino
Master of science-level of the Bologna process in Computer Engineering - Torino
Master of science-level of the Bologna process in Nanotechnologies For Icts - Torino/Grenoble/Losanna

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 40.5
Esercitazioni in aula 19.5
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Vecchi Giuseppe Professore Ordinario ING-INF/02 40.5 0 0 0 8
Teaching assistant
Espandi

Context
SSD CFU Activities Area context
ING-INF/02 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2018/19
Il corso è insegnato in inglese (si invita a consultare soprattutto la scheda in inglese). Il corso è incentrato sugli effetti più importanti dei campi elettromagnetici non-ionizzanti sui tessuti biologici ed in particolare umani. Si considerano sia i campi utilizzati intenzionalmente come mezzo terapeutico o diagnostico, sia quelli presenti nell’ambiente per effetto delle attività umane, e la normativa relativa all’esposizione a tali campi. Viene fatta una panoramica che comprende risultati recenti sia su effetti scientificamente studiati sia su prospettive terapeutiche in sperimentazione.
The course is taught in English. The course analyzes the most relevant known effects of non-ionizing electromagnetic fields on biological tissues, with emphasis on humans. Both high- and low-frequency fields will be considered, for diagnostics (e.g. MRI) and therapy, as well as the fields to which we are exposed to (e.g. radio broadcasting, etc.); recommendations and regulations for such exposure will be analyzed. The scenario will extend up to recent results on studied effects and presently experimental therapeutic applications.
Conoscenza della panoramica dei risultati scientifici noti; Abilità a comprendere le principali prospettive applicative, le problematiche tecnologiche, le normative e raccomandazioni.
Knowledge of the scenario of known scientific results; Ability to understand the main perspectives and technological issues of present clinical and future applications, the regulations and recommendations.
Matematica di base (laurea triennale); fisica di base, nozioni di elementari di fisica sulle grandezze elettriche e magnetiche; Elettrotecnica/Teoria dei circuiti.
University (undergraduate) calculus; basic physics including elementary notions on electric, magnetic and electromagnetic fields; circuit theory.
- Richiami ed integrazioni sulla caratterizzazione del campo elettromagnetico (EM); - Caratterizzazione del campo EM nei mezzi materiali e caratterizzazione elettromagnetica macroscopica dei tessuti biologici. - Bilancio energetico per il campo elettromagnetico; - Regime di bassa frequenza (campo quasi-statico) e di alta frequenza (onde elettromagnetiche). - Panoramica degli effetti scientificamente riconosciuti dei campi elettromagnetici (EM): effetti non-termici e termici noti; interazioni cellulari non-termiche a bassa frequenza. - Effetti termici: il campo come sorgente termica a bassa e alta frequenza, penetrazione dei campi; bio-heat equation. - Principali usi diagnostici e terapeutici in uso clinico dei campi EM: MRI; elettrobisturi e ablazione, ipertermia per la terapia del cancro. - Campi EM ambientali: principali sorgenti, normativa e raccomandazioni. - Effetti terapeutici e diagnostici emergenti e futuri attualmente in sperimentazione.
Review of fundamentals of electromagnetic (EM) field characterization. The EM field in material bodies, macroscopic EM characterization of biological tissues. Energy balance for EM field. Low-frequency (quasi-static) and high-frequency (wave) regimes. Overview of scientifically recognized bio effects of non-ionizing EM fields: non-thermal and thermal effects. Non-thermal cell response (low-frequency). Thermal effects: the EM field as a heat source, low and high frequency regimes; bio-heat equation. Most important clinical applications of EM fields: MRI, EEG; electrosurgery and RF ablation; hyperthermia for cancer treatment. Man-made environment EM fields: relevant sources, exposure regulations and recommendations. Emerging and future therapeutic and diagnostic applications of EM fields.
Il corso è strutturato in lezioni (ca 40h) e sessioni di “problem solving” (ca 20h). Con cadenza circa bi-settimanale vengono proposti problemi e compiti da svolgere; questi sono strutturati per 1) consentire il controllo dell’apprendimento; 2) analizzare aspetti applicativi del materiale teorico presentato nelle lezioni; 3) ottenere informazioni pratiche e sensibilità numerica su alcune applicazioni. Le esercitazioni assistite ed i problemi assegnati durante il corso rappresentano un punto chiave del percorso di apprendimento. È previsto l’uso di strumenti/ambienti software. Laboratorio opzionale su progetti speciali.
The course is delivered in the form of lectures (classes) and problem-solving sessions. Problems/tasks are assigned about every 15days; they are intended for 1) allowing retention testing; 2) learning application of presented theory; 3) gaining orders of magnitude and issues of typical applications. A key component of the learning activity are problem-solving classes and home assignments. The use of specialized simulation software tools is anticipated as an instruction support and/or for hands-on experience. Optional lab on special projects.
L'apprendimento si avvarrà di dispense relative agli argomenti svolti a lezione ed alcuni articoli scientifici; il materiale viene reso disponibile attraverso il portale della didattica. Il materiale fornito è l’unico necessario per ottenere gli obiettivi di apprendimento attesi e superare l’esame. Verrà inoltre reso disponibile un elenco di ulteriori libri consigliati (non indispensabili durante il corso, utili per chi desiderasse ulteriori approfondimenti).
The learning will be supported by handouts made available by the instructor, via the didattica web portal. Other materials, including scholarly journal articles and other relevant sources will also be made available. The provided handouts are enough for preparing to the final exam. Bibliographical indications will be given for "probing further".
Modalità di esame: prova scritta; elaborato scritto individuale;
L’esame può essere sostenuto in due modi alternativi. Valutazione basata sugli assignments consegnati durante il corso.  Richiede la consegna puntuale e completa degli assignment.  Gli assignments devono essere svolti in forma strettamente individuale (richiesta dichiarazione legale). Gli assignment consegnati verranno valutati e formerano il voto finale.  Voto massimo raggiungibile: nessuna limitazione. I criteri di valutazione includeranno anche differenze/similarità tra sottomissioni individuali, e le discussioni in aula durante le ore dedicate al problem solving. Esame Standard: prova scritta sul problem solving; la prova è basata su esercizi molto simili a quelli svolti durante il corso. Non è consentito alcun materiale didattico durante lo svolgimento, ma il testo contiene le formule utili (per evitare inutili sforzi mnemonici). Durata: 2h.
Exam: written test; individual essay;
Grading can be achieved in two alternative ways. A- Evaluation by grading of submitted assignments. - Requires submission of all assignments, in complete form, by the indicated deadlines. - Assignments must be carried out individually. Assignment papers will be graded and result in the final grade. - Max score achievable: 30L (no limit). Grading criteria will also include difference between papers submitted by different persons; it will also consider discussions during carrying out of the assigned tasks in class. Exam in standard form: written test on problem solving; the test will propose problems similar to those assigned during the course, and questions on the lectures (as reported in the provided class material). The exam material encompasses all topics listed in the Syllabus above. The test is closed-book (no material allowed), but useful formulas are provided with exam text (to avoid unnecessary mnemonic efforts); the formulas are taken from the course handouts. Duration: 2hrs.


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