Docente/i: Sabina Merlo  

Denominazione del corso: Optoelettronica biomedica
Codice del corso: 502987
Corso di laurea: Bioingegneria
Settore scientifico disciplinare: ING-INF/06
Crediti formativi: CFU 6
Sito web del corso: http://www-3.unipv.it/merlo/optobio.html

Obiettivi formativi specifici

L’obiettivo del corso è quello di fare conoscere allo studente la rilevanza e le potenzialità dell’optoelettronica per diagnostica, terapia e monitoraggio in campo biomedico. Al termine del corso lo studente avrà una conoscenza generale di sorgenti, rivelatori, fibre ottiche. Conoscerà il principio di funzionamento dei laser e i meccanismi di interazione fra radiazione laser e tessuti biologici. Avrà acquisito conoscenze relative alla sicurezza laser. Conoscerà il principio di funzionamento e la struttura a blocchi di strumenti e sensori ottici già impiegati in campo biomedico o in fase di avanzata sperimentazione. Saprà affrontare l’analisi critica di alcune tematiche di ricerca nel settore dell’optoelettronica biomedica, grazie a seminari specifici e approfondimenti individuali e/o di gruppo che verranno discussi in classe. Saprà presentare queste tematiche con caratteristiche fortemente interdisciplinari, ad un pubblico con formazione di base diversa (medici e ingegneri).

Programma del corso

La luce
La doppia natura della luce, ondulatoria e corpuscolare Parametri caratteristici della luce come onda elettromagnetica : frequenza, lunghezza d’onda, velocità, ampiezza, polarizzazione. Energia dei fotoni. Spettro della radiazione elettromagnetica, con particolare riferimento alle regioni UV, Visibile, IR. Sorgenti di luce. Modelli: ottica a raggi, elettromagnetico, ottica quantistica

Interazione fra radiazione ottica e materia
Fenomeni di base relativi agli effetti dei mezzi sulla radiazione: riflessione, rifrazione, diffusione, riflessione totale, dispersione, diffrazione, assorbimento. Spettri di assorbimento di tessuti biologici.

Fluorescenza
Fluorofori. Spettri di assorbimento e di emissione. Stokes shift. Marcatori fluorescenti per sensori. Quenching. Photobleaching. FRET. Parametri di fluorescenza.

Laser
Principi di funzionamento: fenomeni coinvolti - assorbimento, emissione spontanea, emissione stimolata; definizione di mezzo assorbitore e amplificatore; inversione di popolazione e mezzo attivo; pompaggio ottico ed elettrico; laser a tre livelli e a quattro livelli; laser come oscillatore - mezzo attivo con reazione positiva; mezzi attivi e lunghezza d’onda di emissione. Proprietà dei fasci laser. Emissione continua ed impulsata: definizione di energia, potenza media e di picco, frequenza di ripetizione di impulsi, densità di energia, densità di potenza (irradianza, (W/m2)), brillanza (radianza, (W/(sr m2)). Tipi di laser (con interesse medico): a gas (CO2, N2, eccimeri); a stato solido (Rubino, Nd:YAG, Ho:YAG).

Sorgenti di luce a semiconduttore
Confronto fra diodi laser e LED.

Fotorivelatori
Effetto fotoelettrico interno ed esterno. Fotorivelatori ad elemento singolo: fotodiodi, fotomoltiplicatori. Rivelatori ad immagine: vidicon, CCD, CMOS. Termografia all’infrarosso.

Fibre ottiche
Fibre ottiche: principio di funzionamento, fibre monomodali, fibre multimodali. Fasci di fibre ottiche per trasporto di immagini. Applicazione nel campo del beam delivery ed in endoscopia.

Cenni su interferometri e telemetri
Principio di funzionamento dell'interferometro laser. Schema di Michelson. Schema in fibra ottica. Principio di funzionamento dei telemetri laser:triangolazione, tempo di volo, modulazione di fase. Applicazioni: Laser scanner – Optical tracking (in Ortopedia).

Meccanismi di interazione fra radiazione laser e tessuti biologici
Fenomeni di base relativi agli effetti della radiazione laser sui tessuti. &lowast Interazione fotochimica &lowast Interazione termica &lowast Fotoablazione &lowast Ablazione per induzione di plasma &lowast Fotodisgregazione

Sensori ottici
Sensori ottici di parametri fisici e biochimici, per diagnostica e monitoraggio. Biosensori ottici: definizione, classificazione, studio di configurazioni importanti (ELISA,SPR, etc.) Sensori a fibra ottica.

Tecniche ottiche per monitoraggio e diagnostica

• Microscopia ottica
• Microscopia a fluorescenza
• Spettrofotometria
• Citometria a flusso.
• Tomografia ottica coerente.
• Flussimetria laser Doppler.
• Ossimetria impulsata.

La normativa laser in ambiente medicale
Presentazione delle norme CEI in vigore: norma CEI EN 60825-1 - sicurezza laser - e norma CEI EN 60825-8 - guida all’utilizzatore in ambiente medico.

Prerequisiti

Conoscenze di elettronica di base e di fisica generale con particolare riferimento alle onde elettromagnetiche. Conoscenze di base di strumentazione biomedica, relativamente soprattutto alle problematiche di interazione fra strumentazione elettronica e sistemi biologici. Conoscenze elementari di fisiologia umana.

Tipologia delle attività formative

Lezioni (ore/anno in aula): 39
Esercitazioni (ore/anno in aula): 8
Attività pratiche (ore/anno in aula): 2

Materiale didattico consigliato

Tuan Vo-Dinh, editor. Biomedical Photonics. CRC Press, 2003. Per consultazione.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L’esame consiste in una prova scritta e in una prova orale. E’ ammesso alla prova orale solo chi abbia superato la prova scritta con almeno 15/30. Durante lo svolgimento del corso verrà svolta una prova in itinere, il cui esito positivo dispenserà lo studente dall’obbligo della prova scritta, purché l’esame venga completato entro l’inizio del semestre successivo. Lo studente potrà inoltre approfondire una tematica di suo interesse da concordare con il docente, che porterà ad una presentazione in aula di tipo seminariale, da svolgersi durante l'ultima settimana del corso. L’esito positivo di questa attività dispenserà lo studente dalla prova orale.