FISICA E STATISTICA

Crediti: 
8
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

I moduli di Fisica e Statistica si propongono di fornire allo studente una preparazione di base sulla comprensione dei principi fisici fondamentali e l’acquisizione della logica del pensiero statistico e della sua applicazione nella pratica reale. L'esposizione degli argomenti sarà orientata a problemi concreti di analisi e di ricerca in particolar modo tratti dalla letteratura medica. Le lezioni forniranno gli strumenti necessari, matematici, statistici e fisici, per affrontare argomenti di crescente complessità propedeutici anche ad altre importanti discipline del Corso di Laurea, quali Chimica, Biologia, Fisiologia, Biochimica, ecc., che della fenomenologia fisica e dei metodi statistici di analisi fanno ampio uso.
Il corso si ripromette altresì di fornire i rudimenti concettuali necessari per una comprensione, pur sommaria, di alcune importanti tecnologie che sempre più frequentemente accompagnano l'opera del medico, del radiologo e dello specialista quali ad esempio: centrifughe, endoscopi, microscopi, trasduttori per ecografia, sistemi laser, apparati radiologici, NMR, rivelatori di radiazioni, ecc. In questo senso, il corso si prefigge anche lo scopo di sviluppare l'attitudine dello studente allo studio autonomo e all'aggiornamento continuo sulle nuove tecnologie fisiche che trovano applicazioni nella diagnostica e nella terapia in campo medico e biologico. Come ultima finalità, forse la più importante, il corso si prefigge di fornire 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 e a distanza, sforzi ed energie in gioco, aspetti dinamici conseguenti a forze elastiche e urti, attriti e aspetti termici e termodinamici, proprietà statiche e dinamiche dei fluidi, 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 corpuscolari, perturbazioni indotte nei mezzi attraversati e aspetti di rivelazione e controllo.
Verrà data particolare enfasi anche al ragionamento statistico, all'interpretazione e al processo decisionale, a tale fine si insisterà più sulla comprensione concettuale che sul calcolo meccanico, anche alla luce dell'ampia scelta di software disponibile per l'analisi. La teoria verrà esplicitata mediante esercizi pratici e casi didattici.
Il modulo di informatica mira a fornire allo studente una conoscenza, teorica, di informatica di base sulle tecnologie oggi disponibili. Al termine del corso lo studente deve essere in grado di conoscere le caratteristiche di base del computer, le potenzialità della rete per quel
che riguarda la condivisione delle risorse e dei dati, accedere ai programmi di più comune utilizzo per la scrittura e l’inserimento dati, simulando l’accesso e l’aggiornamento di dati su database, la compilazione dei moduli, ecc., descrivere le possibili applicazioni dei PC in medicina per quanto riguarda l’acquisizione e l’analisi di segnali ed immagini, la gestione di reparto, il supporto nella decisione clinica e la didattica.
L’obiettivo finale del corso sarà pertanto che lo studente apprenda il “saper fare” oltre che “il conoscere”.

Contenuti dell'insegnamento

Il Corso Integrato di Fisica e Statistica comprende tre moduli: Fisica, Statistica e Informatica. I contenuti sono dettagliati di seguito:

FISICA:
Il corso tratterà gli aspetti più importanti della fisica di base, partendo dalla definizione delle principali grandezze fisiche e dei sistemi di unità di misura fino ad arrivare ai contenuti più complessi che stanno alla base della diagnostica per immagini e della radioterapia.
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.

STATISTICA:
La prima parte del corso introdurrà lo studente alla logica della pianificazione statistica e del disegno sperimentale. Verranno introdotti o richiamati i concetti di calcolo delle probabilità e calcolo combinatorio che serviranno nel seguito del corso. In questa fase verranno trattate le principali distribuzioni di probabilità tra cui la distribuzione binomiale, la distribuzione di Poisson e le distribuzioni Normale e Normale standard.
Nella seconda parte del corso verranno affrontati i metodi della statistica descrittiva. Verrà mostrato come riconoscere la tipologia dei dati e come riassumerli in opportuni indici. Lo studente apprenderà come calcolare le misure di posizione (media, mediana, moda), variabilità (varianza, deviazione standard), il coefficiente di variazione (CV) , i percentili e il loro uso.
Nella parte finale del corso verrano trattati i principi generali dell’ inferenza statistica. Verrano introdotti concetti di distribuzione campionaria, errore di I e II tipo, potenza di un test e curva operativa. Verranno quindi trattati: test parametrici - test t di Student, ANOVA a 1 e 2 criteri di classificazione; test non parametrici: - test di Wilcoxon, test di Mann-Whitney, test di Kruskal-Wallis, test di Friedman, test della mediana, test chi-quadrato,
test esatto di Fisher.

INFORMATICA:
Introduzione all'Informatica e all'uso dei computer
Concetti Generali sui principi di funzionamento:
Analisi funzionale della struttura di un elaboratore
Hardware: CPU Memorie Dispositivi I/O
Sistema binario e operatori Booleani
L'informazione (testo, numeri, immagini, suoni, ...) e la sua rappresentazione digitale
Software: Software di base e sistemi operativi. Software applicativo. Cenni su programmi e algoritmi
Reti di calcolatori: Reti locali e reti geografiche. Internet e sue applicazioni
Classificazione funzionale dei programmi applicativi: Presentazione di programmi applicativi per l'elaborazione di testi, presentazioni, fogli elettronici, programmi
Utilizzo della rete Internet (navigazione, posta elettronica)
Concetti generali sul rapporto Informatica e Medicina
Introduzione alla sicurezza informatica, riferimenti di legge e concetti generali, e cenni alla firma digitale

Programma esteso

FISICA:
Introduzione ai fenomeni fisici – Grandezze fisiche e leggi fisiche – Il metodo sperimentale – Unità di misura fondamentali e derivate – Equazioni dimensionali – Sistemi di unità di misura – Sistema internazionale – Rappresentazione delle leggi fisiche. – Incertezze ed errori – propagazione degli errori – Grandezze vettoriali.
– Fondamenti della dinamica: Principi della dinamica – Forza, lavoro ed energia – 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 – Onde stazionarie – Risonanza – Diffrazione e principio di Huyghens – Suono e suoi caratteri distintivi – 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 e Termodinamica: Dilatazione termica – Temperatura ecalore – 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 – Primo e secondo principio della termodinamica – Macchine termiche e rendimento – Entropia e disordine.
– Ottica: Riflessione e rifrazione – Riflessione totale e fibra ottica – Diottro sferico – Lenti sottili, specchi 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 – La gabbia di Faraday – Capacità elettrica e condensatore – 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 – Legge di Biot-Savart – Teorema della circuitazione di Ampère – Solenoide – Induzione elettromagnetica – Tensione e corrente alternata – Impedenza – Onde elettromagnetiche.
– Radiazioni: Struttura dell’atomo e del nucleo – Numeri quantici, orbitali elettronici e transizioni – Isotopi instabili e radiazione alfa, beta, gamma – Legge del decadimento radioattivo e vita media – Rivelazione delle Testo radiazioni – Applicazioni biomediche dei radioisotopi - Raggi x (produzione, proprietà e meccanismi di assorbimento nella materia) - L'immagine radiologica. Cenni su Tomografia assiale computerizzata (TAC), PET, SPECT e RMN. Cenni di R

Bibliografia

FISICA:
1) Bersani, Bettati, Biagi, Capozzi, Feroci, Lepore, Mita, Ortalli, Roberti, Viglino, Vitturi:
Fisica biomedica, Ed. Piccin Nuova Libraria (Padova).
2) Scannicchio: Fisica Biomedica, Ed. EdiSES (Napoli).
3) Celasco: Lineamenti di Fisica Medica, Ed. E.C.I.G. (Genova).
4) Appunti delle lezioni.

STATISTICA:
1) Appunti delle lezioni.
2) Stanton A. Glantz: Statistica per discipline Bio-mediche - ed. McGraw- Hill.
3) Sidney Siegel, N. John Castellan Jr.: - Statistica non parametrica - ed. McGraw-Hill.
4) Risorse e link da Internet.

INFORMATICA:
1) D. Sciuto, G. Buonanno, W. Fornaciari, L. Mari: Introduzione ai sistemi informatici, Ed. Mc Graw Hill, 2004.
2) Appunti delle lezioni.

Metodi didattici

FISICA:
Durante le lezioni frontali verranno illustrati e commentati gli argomenti contenuti nel programma deil modulo. L'enfasi sarà posta sulle applicazioni dei principi fisici fondamentali in campo biomedico, 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.

STATISTICA:
Durante le lezioni frontali verranno illustrati e commentati gli argomenti contenuti nel programma del modulo. Al termine della teoria relativa ad ogni argomento seguiranno esercizi che ne illustreranno l’applicazione in pratica. Verrà descritto il procedimento e l’esecuzione passo passo dei calcoli necessari. Verrà inoltre mostrato sia lo svolgimento manuale, sia la soluzione ottenuta mediante l’utilizzo di apposito software. Verranno particolarmente incoraggiati l’utilizzo del software statistico open source “R” e del software libero Epi Info.

INFORMATICA:
Durante la lezione frontale verranno commentati gli argomenti contenuti nel programma del modulo. La lezione avrà un approccio interattivo con l’utilizzo di supporti audiovisivi, incoraggerà la discussione in aula con gli studenti, e le elaborazioni di gruppo ed individuali.

Modalità verifica apprendimento

L'accertamento del raggiungimento degli obiettivi previsti dai moduli di Fisica e Statistica prevede due prove scritte, consistenti principalmente 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.
L'accertamento del raggiungimento degli obiettivi previsti dal modulo di Informatica prevede una prova scritta, consistente principalmente in quesiti a risposta multipla su argomenti trattati nel corso. Verranno inserite anche alcune domande a risposta aperta per accertare la conoscenza e la comprensione, da parte dello studente, sia dei principi teorici che delle loro conseguenze. La prova scritta potrà prevederà anche la risoluzione di uno o più problemi pratici, per verificare il raggiungimento dell'obiettivo della capacità di applicare le conoscenze acquisite ad una situazione simulata di interesse medico.
La valutazione collegiale degli elaborati attribuirà lo stesso peso alle risposte ai quesiti a risposta aperta ed ai problemi proposti.