ECTS - University of Pisa
Scheda programma d'esame
PHYSICS AND MEDICAL STATISTICS
MARIA GIUSEPPINA BISOGNI
Academic year2022/23
CourseMEDICINE AND SURGERY
Code001BF
Credits9
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
FISICA MEDICAFIS/07LEZIONI75
MARIA GIUSEPPINA BISOGNI unimap
ESTHER CIARROCCHI unimap
STATISTICA MEDICAMED/01LEZIONI37
LAURA BAGLIETTO unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Corso Integrato di Fisica e Statistica Medica

Il corso integrato è composto da due moduli: Fisica e  Statistica. Al termine del modulo di Fisica lo studente sarà in grado di comprendere i meccanismi fisici alla base dei problemi medici. Sarà in grado di utilizzare le informazioni quantitative e la modellazione derivata dai fenomeni fisici per comprendere  i sistemi biomedici. Al termine del modulo di Statistica lo studente sarà in grado di applicare il metodo statistico ai dati clinici.   Per ciascuno degli argomenti trattati, lo studente acquisirà i concetti teorici (OBIETTIVO DI APPRENDIMENTO 1).

 
Knowledge

The integrated course is composed of two modules: the Physics module and the Statistics module. At the end of Physics module the student will be able to understand the physics mechanisms underlying the medical problems. He will be able to use the quantitative information and the modeling derived from the physics phenomena to better understand the biomedical systems. At the end of the Statistics module the student will be able to apply statistical method to the clinical data

For each topic of the course, the student will learn the theory (Learning Objective 1).
Modalità di verifica delle conoscenze

FISICA:

  • Per l'accertamento delle conoscenze saranno svolte delle prove scritte in itinere ed esercitazioni numeriche in classe
  • La verifica delle conoscenze sarà oggetto della valutazione dell'elaborato scritto previsto all'inizio di ogni sessione d'esame

STATISTICA:

A conclusione di ciascun argomento, allo studente sarà proposto un questionario online per la verifica delle nozioni teoriche apprese (OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO 1)
Assessment criteria of knowledge

PHYSICS:

The student will be assessed on:

  • his/her ability to solve physics and statistics problems also applied to the biomedical field
  • the ability to model a physics phenomenon and provide for its description in terms of appropriate variables
  • the ability to make statistical analysis of data and in particular of clinical oriented data

Methods:

  • Final oral exam
  • Final written exam
  • Continuous assessment

STATISTICS:

For each topic, the students will be asked to fill an online questionnaire to assess their level of understanding the theory (LEARNING OBEJCTIVE 1).
Capacità

FISICA:

Lo studente sarà in grado di risolvere semplici problemi di fisica applicati alla medicina

STATISTICA:

Per ciascuno degli argomenti trattati, lo studente saprà interpretare i risultati dell’analisi statistica di lavori scientifici pubblicati (OBIETTIVO DI APPRENDIMENTO 2) e saprà applicare i concetti appresi a contesti specifici (OBIETTIVO DI APPRENDIMENTO 3).
Skills

PHYSICS:

  • the student will be able to solve simple physics  problems applied to the medicine

STATISTICS:

For each topic of the course, the student will learn how to interpret a statistical report(Learning OBJECTIVE 2); How to apply the concepts to specific contexts (Learning OBJECTIVE 3).

 
Modalità di verifica delle capacità

FISICA:

  • durante il corso vengono svolte esercitazioni numeriche che prevedono la partecipazione attiva degli studenti
  • vengono assegnati esercizi e test che gli studenti devono risolvere autonomamente e che poi vengono discussi e valutati in sessioni dedicate di autoverifica
  • si incoraggia la comunicazione attiva con il docente tramite scambio di documenti sul forum dedicato agli studenti

STATISTICA:

Saranno proposti una serie di estratti da articoli scientifici pubblicati ed esercizi di cui verranno fornite spiegazioni e dettagliate soluzioni. Alcune delle attività saranno svolte in classe ed altre potranno essere svolte autonomamente dagli studenti.
Assessment criteria of skills

PHYSICS:

  • during the course, numerical exercises are carried out that promote the active participation of the students
  • exercises and tests are assigned that students have to solve autonomously and that are then discussed and evaluated in dedicated self-assessment sessions
  • active communication with the teacher is encouraged through the exchange of documents on the forum dedicated to students

STATISTICS:

Exercises with the solutions will be provided. Some will be discussed in class, others will be solved independently by the student.
Comportamenti

FISICA:

  • Lo studente potrà acquisire e/o sviluppare sensibilità alle problematiche della fisica applicata alla medicina
  • Saranno acquisite accuratezza e precisione nello svolgere attività di raccolta e analisi di dati sperimentali

STATISTICA:

Allo studente sarà richiesto di seguire attivamente le lezioni frontali e svolgere autonomamente le attività assegnate.
Behaviors

PHYSICS:

  • The student can acquire and/or develop sensitivity to the problems  applied to medicine
  • Accuracy and precision will be acquired in the collection and analysis of experimental data

STATISTICS:

The student will be asked to be actively involved in the classes and perform the assignments.
Modalità di verifica dei comportamenti

FISICA:

  • Durante le sessioni di esame saranno valutati il grado di accuratezza e precisione delle attività svolte

STATISTICA:

Durante il corso verranno proposte prove di autovalutazione.
Assessment criteria of behaviors

PHYSICS:

  • During the examination sessions, the degree of accuracy and precision of the activities carried out will be evaluated

STATISTICS:

During the course, self-assessment tests will be proposed.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

FISICA:

  • Linguaggio elementare degli insiemi
  • Elementi di logica
  • Operazioni con numeri naturali, interi, razionali, reali
  • Disuguaglianze e relative regole di calcolo; proprieta' delle potenze
  • Algebra elementare, equazioni e disequazioni algebriche di primo e secondo grado
  • Elementi di trigonometria
  • Funzioni elementari: potenze, polinomi, radici, esponenziali, logaritmi
  • Funzioni trigonometriche fondamentali

STATISTICA:

Nessuno
Prerequisites

PHYSICS:

  • Elementary language of sets
  • Elements of logic
  • Operations with natural, integer, rational, real numbers
  • Inequalities and related calculation rules; properties of the powers
  • Elementary algebra, equations and algebraic inequalities of first and second degree
  • Elements of trigonometry
  • Elementary functions: powers, polynomials, roots, exponentials, logarithms
  • Basic trigonometric functions

STATISTICS:

None
Indicazioni metodologiche

FISICA:

  • Le lezioni frontali sono svolte con ausilio di lucidi e/o slides
  • Le esercitazioni numeriche in aula sono svolte alla lavagna
  • Gli studenti hanno accesso a un portale di elearning dal quale e' possibile scaricare i lucidi, gli appunti delle lezioni teoriche e tutti gli esercizi svolti in classe
  • La comunicazione docente-studenti avviene a fine lezione, attraverso il portale di elearning, per email e a ricevimento su appuntamento
  • Vengono organizzate prove intermedie durante il corso per valutare l'apprendimento graduale delle diverse parti del corso

STATISTICA:

La teoria sarà esposta durante le lezioni frontali (OBIETTIVO DI APPRENDIMENTO 1).

Le lezioni teoriche saranno corredate dalla presentazione e discussione di esempi specifici tratti dalla letteratura medica (OBIETTIVO DI APPRENDIMENTO 2).

Saranno proposti una serie di esercizi di cui verranno fornite dettagliate soluzioni (OBIETTIVO DI APPRENDIMENTO 3).
Teaching methods

PHYSICS:

  • Lectures are carried out with the help of transparencies and / or slides
  • The numerical exercises in the classroom are carried out on the blackboard
  • Students have access to an e-learning portal from which it is possible to download the slides, the notes of the theoretical lessons and all the exercises done in class
  • Teacher-student communication takes place at the end of the lesson, through the e-learning portal, by e-mail and by appointment
  • Intermediate tests are organized during the course to evaluate the gradual learning of the different parts of the course

STATISTICS:

The theory will be presented through lectures (LEARNING ONJECTIVE 1).During the lectures the teacher will present and discuss examples taken from the medical literature (LEARNING ONJECTIVE 2).A number of exercises with the solutions will be available to students. Some will be discussed in class (LEARNING ONJECTIVE 3).
Programma (contenuti dell'insegnamento)

FISICA MEDICA

Richiami di matematica

  1. Rappresentazione funzionale e grafica dei processi e rappresentazione dei dati sperimentali.
  2. calcolo differenziale e trigonometria.

Introduzione

  1. Grandezze fisiche, misurazioni, incertezze.

Cinematica

  1. Cinematica del punto materiale: velocità media, velocità istantanea, accelerazione. Moto in caduta libera.
  2. Algebra vettoriale: somma, differenza, scomposizione dei vettori. Moto di un proiettile. Moto parabolico. Prodotto scalare e vettoriale.

Dinamica

  1. Dinamica: le tre leggi del moto di Newton. Reazioni vicolari. Forza peso e gravità. Piano inclinato. Forza di attrito. Fzorza elastica.
  2. Moto circolare: cinematica e dinamica. Interazione gravitazionale. Satelliti artificiali.
  3. Lavoro ed Energia. Energia cinetica. Energia potenziale. Energia totale meccanica. Legge di conservazione dell'energia meccanica. Forze conservative e non conservative.
  4. Quantità di moto. Conservazione della quantità di moto. Impulso. Forze impulsive. Urti elastici in una dimensione. Urti anelastici. Moto del Centro di massa 
  5. Quantità angolari. Momento di inerzia. Momento torcente. Momento angolare. Dinamica rotazionale. Energia cinetica rotazionale. Conservazione del momento angolare.

Statica

  1. Condizioni di equilibrio. Problemi di statica del corpo rigido. Elementi di Biomeccanica

Fluidi

  1. Densità assoluta e densità relativa. Pressione. Principio di Pascal. Legge di Archimede. Equazione di continuità. Equazione di Bernoulli. Viscosità. Equazione di Poiseuille. Resistenza idraulica.Tensione superficiale e capillarità. Il sistema cardiocircolatorio.

Vibrazioni e onde

  1. Il moto armonico. Il pendolo semplice. Movimento armonico smorzato. Onde longitudinali e trasversali. Intensità. 

Acustica

  1. Intensità del suono: il decibel. L'orecchio e la sua risposta. Effetto Doppler. Ultrasuoni e applicazioni in medicina.

Calorimetria e Termodinamica

  1. L'equilibrio termico e il principio zero della termodinamica. Termometri.Temperatura assoluta. Leggi dei gas perfetti. Equazione di stato. teoria cinetica dei gas perfetti.
  2. Calore come trasferimento di energia. Energia interna e calore specifico. Metabolismo umano. L'esperienza di Joule. Calorimetria e cambiamenti di stato. Calore latente. Meccanismi di trasporto del calore. Termoregolazione degli animali a sangue caldo.
  3. Trasformazioni termodinamiche. La prima legge della termodinamica. Trasformazioni cicliche e ciclo di Carnot. La seconda legge della termodinamica. Macchine termiche e frigorifere. Entropia e secondo principio. Entalpia ed energia libera.

Elettrostatica

  1. Fenomeni elettrostatici. la carica elettrica. Forza di Coulomb tra cariche puntiformi. Campo elettrico. Campo elettrico e conduttori. Teorema di Gauss.
  2. Potenziale elettrico. Energia potenziale elettrostatica. Linee equipotenziali. Unità di misura dell'elettronvolt. Esempi di potenziali generati da sistemi e distribuzioni di cariche. Capacità e condensatori. Condensatori in serie e in parallelo. Dielettrici.

Circuiti elettrici

  1. Generatori elettrici. L'intensità della corrente elettrica. Legge di Ohm. Resistenza e Resistività. Potenza. Effetto Joule. Corrente alternata. Leggi di Kirchhoff
  2. Circuiti RC.

Magnetismo

  1. Magneti e campi magnetici. Forze magnetiche. Forza di Lorentz. Filo coonduttore attraversato da corrente. Solenoide. Legge di Ampere. Momento di dipolo magnetico.
  2. Induzione elettromagnetica: cenni.
  3. Onde elettromagnetiche: cenni

Ottica

  1. Riflessione e rifrazione. Legge di Snell. Lenti sottili.
  2. Interferenza e diffrazione.
  3. Strumenti ottici. Microscopio.
  4. Occhio umano. Difetti visivi

Fisica della salute

  1. Fisica nucleare e radioattività.
  2. Produzione di raggi X e gamma.
  3. Interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia.
  4. Effetti delle radiazioni ionizzanti sulla materia biologica.
  5. Principi di dosimetria e radioprotezione dalle RI.

Programma di Statistica:

Introduzione alla statistica

Studi di intervento e studi osservazionali.

Statistica descrittiva.

Teoria della probabilità e distribuzioni teoriche

Teoria della stima e test di significatività

Tabelle di contingenza e test chi quadrato.

Analisis of variance.

Regressione lineare e correlazione

Rischio cumulativo e odds ratio. Regressione logistica.

Misurazioni cliniche ed accuratezza diagnostica

Cenni all'analisi di sopravvivenza.
Syllabus

PHYSICS:

mathematics

  1. Functional and graphic representation of processes and of experimental data.
  2. differential calculus and trigonometry.

Introduction

  1. Physical quantities, measurements, uncertainties.

Kinematics

  1. Kinematics of the material point: average velocity, instantaneous velocity, acceleration. Free fall.
  2. Vector algebra: sum, difference, decomposition of vectors. Motion of a bullet. Parabolic motion. Scalar and vector product.

Dynamics

  1. Dynamics: Newton's three laws of motion. Weight and gravity. Constraint reactions. Friction force. Elastic force.
  2. Circular motion: kinematics and dynamics. Universal gravitational force. Artificial satellites.
  3. Work and Energy. Kinetic energy. Potential energy. Total energy. Conservative  fand non-conservative forces. Energy conservation.
  4. Quantity of momentum. Conservation of momentum. Impulse. Elastic scattering in one dimension. Inelastic scattering. Center of mass.
  5. Rotational motion. Angular quantities. Torque. Angular momentum. Inertial Momentum. Rotational dynamics. Rotational kinetic energy. Conservation of angular momentum.

Statics

  1. Equilibrium Conditions. Rigid Body Statics. Elements of Biomechanics

Fluids

  1. Absolute density and relative density. Pressure. Pascal's principle. Archimedes' law. Continuity equation. Bernoulli equation. Viscosity. Poiseuille equation. Hydraulic Resistance. Surface tension and capillarity. Cardiovascular system.

Vibrations and waves

  1. The harmonic motion. The simple pendulum. Damped harmonic motion. Longitudinal and transverse waves. Intensity.

Acoustics

  1. Intensity of sound: the decibel. The ear and its response. Doppler effect. Ultrasound and applications in medicine.

Calorimetry and Thermodynamics

  1. Thermal equilibrium and the zero principle of thermodynamics. Thermometers.Absolute temperature. Laws of perfect gases. Kinetic theory of perfect gases.
  2. Heat as energy transfer. Internal energy and specific heat. Human metabolism. Joule's Experience. Calorimetry and state changes. Latent heat. Heat transport mechanisms. Thermoregulation of warm-blooded animals
  3. Thermodynamic transformations. The first law of thermodynamics. Cyclic transformations and Carnot cycle. The second law of thermodynamics. Thermal and refrigeration machines. Entropy and the second principle. Enthalpy and free energy.

Electrostatics

  1. Electric charge. Coulomb force. Electric field. Electric field and conductors. Gauss's theorem.
  2. Electric potential. Electrostatic potential energy. Equipotential lines. The unit of measurement of the electronvolt. Examples of potentials. Capacities and capacitors. Capacitors in series and in parallel. Dielectrics.

Electrical circuits

  1. Electrical generators. The intensity of electric current. Ohm's law. Resistence and Resistivity. Power. Kirkhhof's laws. Alternating current. 
  2. RC circuits.

Magnetism

  1. Magnets and magnetic fields. Magnetic forces. Lorentz force. Conductive wire crossed by current. Solenoid. Ampere's law. Magnetic dipole moment.
  2. Electromagnetic induction: outline.
  3. Electromagnetic waves: outline.

Geometric optics

  1. Reflection and refraction. Snell's law. Thin lenses.
  2. Interference and diffraction.
  3. Optical instruments. Microscope.
  4. Human eye and corrective lenses. Visual defects

Health Physics

  1. Nuclear Physics and Radioactivity.
  2. X-rays and gamma-ray production.
  3. Interaction of ionizing radiation with matter.
  4. Effects of ionizing radiation on biological matter.
  5. Principles of RI Dosimetry and Radiation Protection.

STATISTICS:

Introduction to medical statistics.

Intervention studies and observational studies.

Descriptive statistics.

Theory of probability and probability distributions.

Estimates and significance tests.

Frequency tables and chi squared test.

Analysis of variance.

Linear regression and correlation.

Cumulative risk and odds ratio. Logistic regression.

Clinical measures and diagnostic accuracy.

Elements of survival analysis.
Bibliografia e materiale didattico

Testi consigliati:

Fisica Medica

Giancoli – FISICA con fisica moderna – terza edizione – Casa Editrice Ambosiana

David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker- Fondamenti di Fisica – sesta edizione- Casa Editrice Ambrosiana

M. G. Bisogni, Dispende del corso scaricabili da  https://elearning.med.unipi.it/course/view.php?id=771

Statistica Medica:

Il materiale del corso verrà distribuito a lezione e pubblicato sul portale elearning.

Testi consigliati:

Medical Statistics at a Glance, 4th Edition - Aviva Petrie, Caroline Sabin- WILEY Blackwell

Introduzione alla Statistica Medica. Martin Bland. Apogeo Education - Maggioli Editore.
Bibliography

PHYSICS:

GIANCOLI – FISICA con fisica moderna – III edizione – Casa Editrice Ambosiana. DAVID HALLIDAY, ROBERT RESNICK, JEARL WALKER- Fondamenti di Fisica – VI ed. - Casa Editrice Ambrosiana.

Slides, Notes and exercises will be provided on the internet platform e-learning https://elearning.med.unipi.it/course/view.php?id=771

STATISTICS:

Slides, Notes and exercises will be provided on the internet platform e-learningIl.

Suggested texbook:

Medical Statistics at a Glance, 4th Edition - Aviva Petrie, Caroline Sabin- WILEY Blackwell

Introduzione alla Statistica Medica. Martin Bland. Apogeo Education - Maggioli Editore.

 
Indicazioni per non frequentanti

La frequenza del corso e' obbligatoria.
Non-attending students info

Attendance to the course is mandatory.
Modalità d'esame

Fisica e Statistica Medica e' un corso integrato. L'esame dei due moduli va sostenuto contestualmente. Gli appelli dei due moduli sono pertanto fissati nelle stesse date. Il voto finale viene determinato in base alla media ponderata dei voti conseguiti nell'esame dei rispettivi moduli.

FISICA:

La prova di Fisica puo' essere sia scritta che orale (a discrezione del docente). In entrambe le modalita' viene richiesto allo studente di risolvere alcuni esercizi numerici su argomenti relativi al programma svolto. 

STATISTICA:

La prova d’esame consisterà di 5 esercizi ciascuno composto di tre domande: la prima relativa alla comprensione della teoria (domanda a) e le altre due (domanda b e domanda c), di difficoltà crescente, alla sua applicazione. Sarà inoltre inclusa una domanda relativa alla comprensione di un breve testo statistico tratto da un articolo scientifico.Il voto d’esame sarà così composto:Fino a 10 punti per le domande di teoria (domande a) Fino a 20 punti per gli esercizi a svolgimento (domande b e c) 2 punti per la domanda relativa alla comprensione del testo tratto dal lavoro scientificoIl voto finale massimo raggiungibile è pari ad un totale di 32 che corrisponde al 30 e lode.
Assessment methods

PHYSICS:

The attained level of knowledge of the studets will the assessed through mid course tests.

STATISTICS:

The exam will consist of 5 exercises each with three questions: the first question will assess the level of understanding of the theory (question a) and the other two will assess the ability of the student to apply the theory (questions b and c). The exam will also include one questions about the interpretation of a short text from a scientific article.The exam will be marked as follows:- Up to 10 points for the theory questions (questions a) – Up to 12 points for the application questions (questions b and v)- 2 points for the question relating to the understanding of the text taken from the scientific articleThe maximum final mark achievable is equal to a total of 32 which corresponds to 30 cum laude
Note

RICEVIMENTO STUDENTI

I docenti ricevono su appuntamento preso via e-mail o per telefono.

 
Notes

The teachers receive by appointment arranged by e-mail or by phone.
Updated: 02/09/2022 12:22