Docente/i: Sabina Merlo  

Denominazione del corso: Optoelettronica biomedica
Codice del corso: 502987
Corso di laurea: Bioingegneria
Sede: Pavia
Settore scientifico disciplinare: ING-INF/06
L'insegnamento è caratterizzante per: Bioingegneria
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): 45
Esercitazioni (ore/anno in aula): 0
Attività pratiche (ore/anno in aula): 0

Materiale didattico consigliato

Copie delle trasparenze usate a lezione sono fornite dal docente a tutti gli studenti che frequentano il corso. Chi non frequenta, può contattare docente via e-mail.

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

Modalità di verifica dell'apprendimento

L’esame consiste in una prova scritta a libri chiusi.