ECTS - University of Pisa
Scheda programma d'esame
PHYSICS AND MEDICAL STATISTICS
VALERIA ROSSO
Academic year2023/24
CourseMEDICINE AND SURGERY
Code001BF
Credits9
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
FISICA MEDICAFIS/07LEZIONI75
MATTEO MORROCCHI unimap
VALERIA ROSSO unimap
STATISTICA MEDICAMED/01LEZIONI37.50
MARCO FORNILI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Corso Integrato di Fisica e Statistica Medica

Il corso integrato è composto da due moduli: Fisica Medica e Statistica Medica. Al termine del modulo di Fisica Medica lo studente sarà in grado di comprendere i meccanismi fisici alla base di alcuni problemi medici. Sarà in grado di utilizzare le informazioni quantitative derivate dai fenomeni fisici per modellizzare i sistemi biomedici. Al termine del modulo di Statistica Medica lo studente sarà in grado di comprendere l’applicazione dei metodi statistici ai dati clinici. Per ciascuno degli argomenti trattati, lo studente acquisirà i concetti teorici.
Knowledge

The integrated course is composed of two modules: the Physics module and the Statistics module. At the end of the 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 biomedical systems. At the end of the Statistics module, the student will be able to apply statistical methods to the clinical data.

For each topic of the course, the student will learn the theory.
Modalità di verifica delle conoscenze

FISICA MEDICA:

 Per l'accertamento delle conoscenze degli argomenti trattati nel corso saranno svolte prove scritte in itinere.

STATISTICA MEDICA:

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

MEDICAL PHYSICS:

For the assessment of the knowledge, written tests will be performed.

MEDICAL STATISTICS:

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

FISICA MEDICA:

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

STATISTICA MEDICA:

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

MEDICAL PHYSICS:

The student will be able to solve simple physics  problems applied to medicine

MEDICAL STATISTICS:

For each topic of the course, the student will learn how to interpret a statistical report and how to apply the concepts to specific contexts.
Modalità di verifica delle capacità

FISICA MEDICA:

Durante il corso verranno svolte esercitazioni numeriche che prevedono la partecipazione attiva degli studenti. Verranno inoltre assegnati problemi di fisica che gli studenti dovranno risolvere autonomamente e che poi verranno discussi in classe. Saranno previste sessioni periodiche di autoverifica.

 Si incoraggia la comunicazione attiva con il docente anche tramite le principali piattaforme on-line.

STATISTICA MEDICA:

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

MEDICAL 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.

MEDICAL STATISTICS:

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

FISICA MEDICA:

Lo studente potrà acquisire e/o sviluppare sensibilità alle problematiche della fisica applicata alla medicina anche tramite la soluzione di esercizi numerici proposti a lezione che sviluppano le capacità di problem solving.

STATISTICA MEDICA:

Gli studenti saranno incoraggiati a svolgere attività autonoma e di gruppo per l’approfondimento degli argomenti proposti e lo svolgimento delle attività di verifica in itinere.
Behaviors

MEDICAL PHYSICS:

The student can acquire and/or develop sensitivity to the problems applied to medicine, also through the solution of numerical exercises that will increase the problem solving skills.

MEDICAL STATISTICS:

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

FISICA MEDICA:

Durante le sessioni di esame, che consistono nella soluzione di problemi di fisica medica, saranno valutate le capacita’ di schematizzare i problemi proposti e di elaborare soluzioni.

STATISTICA MEDICA:

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

MEDICAL PHYSICS:

During the examination sessions, consisting in the solution of medical physics problems, the capability to analyze the proposed problem and elaborate a solution will be evaluated.

MEDICAL STATISTICS:

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

FISICA MEDICA: Nessuno

STATISTICA MEDICA: Nessuno
Prerequisites

MEDICAL PHYSICS: None

MEDICAL STATISTICS: None
Indicazioni metodologiche

FISICA MEDICA:

Le lezioni frontali, che prevedono elementi di teoria ed esercizi numerici, sono svolte anche con ausilio di slides

Le esercitazioni numeriche in aula possono essere svolte alla lavagna oppure con l'ausilio di supporti elettronici

Gli studenti hanno accesso a un portale di elearning dal quale e' possibile scaricare le slides, gli appunti delle lezioni teoriche e tutti gli esercizi svolti in classe

La comunicazione docente-studenti avviene durante o 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 MEDICA:

La teoria sarà esposta durante le lezioni frontali.

Le lezioni teoriche saranno corredate dalla presentazione e discussione di esempi specifici tratti dalla letteratura medica.

Saranno proposti una serie di esercizi di cui verranno fornite dettagliate soluzioni.
Teaching methods

MEDICAL 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 or with electrical devices.

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

MEDICAL STATISTICS:

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

FISICA MEDICA

Richiami di matematica

  • 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
  • Funzioni elementari: potenze, polinomi, radici, esponenziali, logaritmi
  • Funzioni trigonometriche fondamentali
  • Rappresentazione funzionale e grafica dei processi e rappresentazione dei dati sperimentali.

Introduzione

  • Grandezze fisiche, misurazioni, incertezze.

Cinematica

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

Dinamica

  • Dinamica: le tre leggi del moto di Newton. Reazioni vincolari. Forza peso e gravità. Piano inclinato. Forza di attrito. La deambulazione. Forza elastica.
  • Moto circolare: cinematica e dinamica. Interazione gravitazionale. Satelliti artificiali.
  • Sistemi non inerziali ed effetti sull’uomo.
  • Lavoro ed Energia. Energia cinetica. Energia potenziale. Energia totale meccanica. Legge di conservazione dell'energia meccanica. Forze conservative e non conservative.
  • Quantità di moto. Conservazione della quantità di moto. Impulso. Forze impulsive. Urti elastici in una dimensione. Urti anelastici. Moto del Centro di massa
  • Quantità angolari. Momento di inerzia. Momento torcente. Momento angolare. Dinamica rotazionale. Energia cinetica rotazionale. Conservazione del momento angolare.

Statica

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

Fluidi

  • 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. Moto in fluidi viscosi. La sedimentazione. La centrifuga analitica.

Vibrazioni e onde

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

Acustica

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

Calorimetria e Termodinamica

  • L'equilibrio termico e il principio zero della termodinamica. Termometri.Temperatura assoluta. Leggi dei gas perfetti. Equazione di stato.
  • Calore come trasferimento di energia. Energia interna e calore specifico. Metabolismo umano e apporto calorico degli alimenti. L'esperienza di Joule. Calorimetria e cambiamenti di stato. Calore latente. Meccanismi di trasporto del calore. Termoregolazione degli animali a sangue caldo.
  • 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

  • Fenomeni elettrostatici. La carica elettrica. Forza di Coulomb tra cariche puntiformi. Campo elettrico. Campo elettrico e conduttori. Teorema di Gauss.
  • Potenziale elettrico. Energia potenziale elettrostatica. Superfici equipotenziali. Esempi di potenziali generati da sistemi e distribuzioni di cariche. Capacità e condensatori. Condensatori in serie e in parallelo. Dielettrici.Il defibrillatore cardiaco. L’elettroforesi

Circuiti elettrici

  • Generatori elettrici. L'intensità della corrente elettrica. Legge di Ohm. Resistenza e Resistività. Potenza. Effetto Joule. Corrente alternata. Leggi di Kirchhoff. La conduzione nelle cellule nervose. Gli effetti della corrente elettrica sul corpo umano.
  • Circuiti RC. Il pacemaker.

Magnetismo

  • Magneti e campi magnetici. Forze magnetiche. Forza di Lorentz. Moto di cariche in campi elettrici e magnetici. Il ciclotrone. Lo spettrometro di massa. Filo conduttore attraversato da corrente. Solenoide. Legge di Ampere. Momento di dipolo magnetico.
  • Induzione elettromagnetica: cenni.
  • Onde elettromagnetiche: cenni

Ottica

  • Riflessione e rifrazione. Legge di Snell. Lenti sottili.
  • Interferenza e diffrazione.
  • Strumenti ottici. Microscopio.
  • Occhio umano. Difetti visivi

 

STATISTICA MEDICA:

  • Introduzione alla statistica medica
  • Studi di intervento e studi osservazionali in medicina
  • Statistica descrittiva
  • Teoria della probabilità e distribuzioni teoriche di probabilità
  • Teoria della stima e test di significatività
  • Test chi-quadrato
  • Analisi della varianza
  • Regressione lineare e correlazione
  • Rischio relativo e odds ratio, regressione logistica
  • Accuratezza diagnostica
  • Cenni di analisi della sopravvivenza
Syllabus

MEDICAL 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. Signal transmission in neural cells. Effect of the current in the human body.
  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.

MEDICAL STATISTICS:

  • Introduction to medical statistics
  • Intervention studies and observational studies in medicine
  • Descriptive statistics
  • Probability theory and theoretical probability distributions
  • Estimation theory and significance testing
  • Chi-square test
  • Analysis of variance
  • Linear regression and correlation
  • Relative risk and odds ratio, logistic regression
  • Diagnostic accuracy
  • Elements of survival analysis
Bibliografia e materiale didattico

Testi consigliati:

FISICA MEDICA:

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

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

Dispense del corso scaricabili da elearning

STATISTICA MEDICA:

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

Testi consigliati:

A. Petrie, C. Sabin - Medical statistics at a glance - Wiley Blackwell 

M. Bland - Statistica medica - Maggioli

M. Pagano, K. Gauvreau - Biostatistica - Idelson-Gnocchi
Bibliography

MEDICAL 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

MEDICAL STATISTICS:

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

Suggested texbook:

A. Petrie, C. Sabin - Medical statistics at a glance - Wiley Blackwell 

M. Bland - An introduction to medical statistics - Oxford University Press

M. Pagano, K. Gauvreau, H. Mattie - Principles of biostatistics - CRC Press
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 MEDICA:

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

STATISTICA MEDICA:

Prova scritta con 4 o 5 esercizi numerici sugli argomenti svolti nel corso
Assessment methods

Physics and Statistics are scheduled in the same dates and the exams of the two modules must be carried out at the same time. The final grade will be calculated as the weighted mean of the grades obtained in the two modules.

MEDICAL PHYSICS:

The exams can be oral or written (according to the professor). In both the modalities the student will be asked to solve numerical exercises.

MEDICAL STATISTICS:

Written test with 4 or 5 numerical exercises on the topics covered in the course
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: 21/12/2023 23:52