FISICA INFORMATICA E STATISTICA MEDICA - canale 4

Obiettivi formativi

• FISICA

  L’obiettivo principale, oltre la naturale rivisitazione del metodo scientifico in termini di linguaggio, modelli e rappresentazione dei fenomeni meccanici, termici, elettromagnetici e le implicazioni quantomeccaniche a livello atomico e nucleare, è rappresentato dalla consapevole appropriazione da parte dell’allievo delle capacità descrittive e predittive della fisica applicata a fenomeni propri dei sistemi biologici. È obiettivo specifico l’acquisizione di principi fisici di base delle principali tecniche diagnostiche e terapeutiche il cui impiego occupa un ruolo di crescente rilevanza nella medicina moderna. I temi di maggiore interesse sono la meccanica dei fluidi con cenni alle implicazioni emodinamiche, la meccanica ondulatoria con specifici sviluppi relativi al suono, alla funzione uditiva ed all’impiego degli ultrasuoni in medicina, l’ottica della visione, l’interazione radiazione-materia con particolare riguardo alle radiazioni ionizzanti, la loro generazione, il loro impiego, gli effetti biologici con elementi di dosimetria e radioprotezione.

  Il settore scientifico-disciplinare di riferimento è il FIS/07 (Fisica Applicata).

• INFORMATICA

  Obiettivo del corso è l’acquisizione di metodi per l’analisi di sequenze e strutture biologiche e per la ricerca in database biologici (es. geni, sequenze, domini funzionali). Partendo da sequenze primarie di acidi nucleici o proteine è possibile ipotizzarne la funzione, la storia evolutiva e la struttura. Gli strumenti utilizzati per raggiungere questi obiettivi sono i database pubblici e i programmi di analisi e visualizzazione.

  1. Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding): Gli studenti acquisiranno una conoscenza sui metodi per l’analisi di sequenze biologiche e per la ricerca in database biologici. In particolare approfondiranno la ricerca su database di sequenze, di domini, ed una buona familiarità con i database pubblici e i programmi di analisi e visualizzazione. Infine gli studenti potranno acquisire gli strumenti di base per l'analisi del trascrittoma.
  2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding): identificare gli strumenti idonei per manipolare i dati ed estrare la conoscenza sottostante; risolvere problemi attraverso l'uso di software opportuni in ambito bioinformatico.
  3. Autonomia di giudizio (making judgements): Attraverso le esercitazioni guidate, gli studenti acquisiranno le competenze di base necessarie per affrontare l'analisi di nuove sequenze biologiche, ipotizzandone la funzione, studiare il trascrittoma.
  4. Abilità comunicative (communication skills): lo studente acquisirà le necessarie abilità comunicative e di appropriatezza espressiva nell'impiego del linguaggio tecnico nell'ambito generale dell’analisi dei dati biologici.
  5. Capacità di apprendimento (learning skills): il corso si propone, come obiettivo, di fornire allo studente le necessarie metodologie di base teoriche e pratiche per poter affrontare e risolvere autonomamente problemi nell’ambito dell’analisi dei dati biologici.
• STATISTICA MEDICA

  Il corso si propone di introdurre lo studente ai principi elementari della ricerca in medicina, dove l’oggetto di studio non è un singolo individuo ma un collettivo.

  Gli studenti acquisiranno la capacità di comprendere anche articoli di letteratura con esempi concreti applicati alla pratica clinica

  Lo studente acquisirà la conoscenza delle principali tematiche di statistica medica di interesse per il corso di laurea. In particolare acquisirà conoscenze dei principali modelli e teoremi di statistica medica e di applicarli correttamente alla descrizione qualitativa e quantitativa di casi reali mediante verifica delle ipotesi.

  Lo studente, inoltre, acquisirà capacità di ampliare ed approfondire le tematiche di statistica medica e le sue applicazioni in modo autonomo.

Prerequisiti richiesti

• FISICA

  Argomenti dei programmi di Matematica e Fisica previsti per la prova di ammissione.

• INFORMATICA

  Nessuno.

• STATISTICA MEDICA

  Conoscenze base di matematica tipiche dei programmi delle scuole superiori.

Frequenza lezioni

• FISICA

  Obbligatoria.

• INFORMATICA

  Frequenza obbligatoria

• STATISTICA MEDICA

  Obbligatoria

Contenuti del corso

• FISICA

  Grandezze fisiche e loro misura - Grandezze fisiche, unità e sistemi di misura, equazioni dimensionali. Strumenti di misura. Errori sistematici ed errori casuali. Media e deviazione standard. Relazioni funzionali e rappresentazioni grafiche. Grandezze scalari e vettoriali. Operazioni tra vettori.

  Richiami di meccanica e nozioni di Biomeccanica - Cinematica. Moto circolare e moto armonico. Quantità di moto. Principi della dinamica. Lavoro. Energia. Potenza e rendimento. Momento. Statica. Elasticità. Statica fisiologica. Fratture ossee (generalità).

  Richiami sui fluidi e applicazioni nei sistemi biologici – Densità. Viscosità. Pressione idrostatica. Statica dei fluidi. Legge di Stevino. Principio di Pascal. Principio di Archimede. Fleboclisi. Trasfusione. Prelievo. Drenaggio. Dinamica dei liquidi ideali. Teorema di Bernoulli. Aneurisma e stenosi. Liquidi reali. Relazione di Poiseuille. Resistenza idraulica. Sfigmomanometria.

  Termometria e termoregolazione - Temperatura e calore. Misura della temperatura. Scale termometriche. Termometri clinici. Principio di equivalenza. Calore specifico. Equilibrio termico. Passaggi di stato. Trasmissione del calore. Bilancio energetico nel corpo umano. Potenza metabolica basale.

  I fenomeni elettrici e bioelettrici – Cariche e campi elettrici. Capacità e condensatori. Corrente elettrica. Leggi di Ohm. Circuiti elementari. Effetto Joule. Circuiti RC. Pacemaker. Defibrillatore. Rischi connessi all'uso dell'elettricità

  Onde e radiazioni – Fenomeni ondulatori. Periodo e frequenza. Ampiezza ed energia. Onde meccaniche. Il suono. Intensità del suono. Pressione sonora e decibel. Curve isofoniche. Fonendoscopio. Ultrasuoni in medicina. Le onde elettromagnetiche. Lo spettro elettromagnetico. Occhio e visione a colori. Le radiazioni in diagnostica e in terapia. Diagnostica con raggi X. Radioisotopi e medicina nucleare. Radioterapia. Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti. Cenni di dosimetria e radioprotezione.

• INFORMATICA

  Il corso è organizzato in lezioni che prevedono una base teorica affiancata a esercitazioni i per l’apprendimento dell’uso di programmi di analisi e visualizzazione dei risultati.

  PROGRAMMA

  1. Introduzione
  2. Allineamento Pairwise e Multiplo
  3. Banche Dati Biologiche: Banche Dati Generali, Banche Dati Speciali
  4. Strumenti per l'analisi del Trascrittoma: Microarray, Next Generation Sequencing, Analisi del trascrittoma: Biomarcatori
• STATISTICA MEDICA

  Il disegno sperimentale
  Misura e errori
  La variabilità dei dati biologici, clinici e di laboratorio
  Carattere statistico delle osservazioni. Raccolta, classificazione, trasformazione e rappresentazione grafica dei dati.

  Presentazione di una casistica; tabelle di contingenza;
  Distribuzioni di frequenza; istogrammi; diagrammi a scatola e baffi.
  Indici di posizione: le medie (aritmetica, geometrica, armonica), moda, mediana, quartili, percentili
  Indici di variabilità: intervallo di variazione, devianza, varianza, deviazione standard, coefficiente di variazione

  Introduzione alle distribuzioni di probabilità
  Applicazione in campo biomedico della probabilità: teorema di Bayes.
  Test diagnostici: Sensibilità, specificità e valori predittivi
  Distribuzione normale (o di Gauss). La variabile normale standardizzata e sua distribuzione di probabilità

  Problemi generali e metodi di campionamento, errori di campionamento.
  Stima dei parametri di una popolazione: Intervalli di confidenza di medie

  Test di significatività statistica: ipotesi nulla, errore di I e II tipo, livello di significatività, valore P e potenza di un test statistico
  Scelta dei test statistici. Test parametrici e non parametrici per dati indipendenti e dipendenti.
  Test z e test t su una media campionaria
  Test t di Student per dati appaiati e per dati non appaiati
  Analisi della varianza ad uno o due criteri di classificazione (ANOVA per dati appaiati e non appaiati). Test di Student-Newman-Keuls per confronti multipli
  Test non parametrici per dati non appaiati (test sulla somma dei ranghi) et per dati appaiati (test dei ranghi con segno di Wilcoxon). Test di Kruskal-Wallis. Test di Friedman
  Test del Chi-quadro
  Correlazione e regressione
  Misure di associazione: Odds Ratio e Rischio Relativo

Testi di riferimento

• FISICA

  Scannicchio D., Fisica Biomedica, EdiSES, 2013
  Davidson R.C., Metodi Matematici per un Corso introduttivo di Fisica ‐ EdiSes, 2013
  Appunti forniti dal docente

• INFORMATICA
  • Anna Tramontano “Bioinformatica”, Zanichelli
  • Krane, Raymer. “Fondamenti di Bioinformatica” Pearson
  • Jambeck, Gibas “Developing Bioinformatics Computer Skills, O'Reilly
  • Pascarella-Paiardini “Bioinformatica” Zanichelli
• STATISTICA MEDICA
  • BIOSTATISTICA, M. Pagano - K. Gauvreau, Editore: Idelson-Gnocchi
  • LE BASI DELLA STATISTICA per scienze Bio-Mediche, Swinscow TDV, Campbell MJ, Editore Minerva Medica

Programmazione del corso

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

• FISICA

  La valutazione delle conoscenze acquisite viene realizzata in due fasi: una prova scritta seguita da un colloquio.

  La prova scritta consiste di domande a scelta multipla, domande aperte e problemi sugli argomenti trattati a lezione con particolare attenzione a quelli riguardanti le applicazioni della fisica alla medicina. Le risposte alle domande e le soluzioni devono essere opportunamente commentate e giustificate.

  La prova orale consiste nella discussione dello svolgimento della prova scritta e, insieme ai colleghi degli altri moduli del Corso Integrato, su argomenti delle tre discipline. Generalmente si tratta di 3 domande su altrettanti argomenti delle 3 discipline.

• STATISTICA MEDICA

  Prova scritta con 5 domande a risposta multipla (2 punti per risposta esatta, 10/30) e 5 esercizi (4 punti per esercizio, 20/30)

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

• FISICA

  Esempio Prova Scritta

  1	Se il momento risultante agente su una massa è nullo, è necessariamente nulla anche la risultante delle forze che agiscono su tale massa?
  	A – si	C – dipende dalla densità
  	B – no	D – dipende dalla massa
  2	La dose consigliata di un certo medicinale è di 30 gocce al giorno, che corrispondono a 3 milligrammi di principio attivo. Sapendo che la concentrazione del principio attivo è di 2,5 milligrammi per millilitro, qual è il volume di una goccia?
  	A – 0,04 millilitri	C – 0,12 millilitri
  	B – 0,06 millilitri	D – 0,25 millilitri
  3	L’indice di massa corporea BMI (Body Mass Index) di un individuo è il rapporto tra il peso, espresso in kg, e il quadrato dell’altezza, espressa in metri. Si consideri un uomo adulto di peso 80 kg con un BMI pari a 30. Dopo una dieta dimagrante il BMI del soggetto, che ha perso N kg, si riduce a 24. Quale delle seguenti affermazioni è corretta?
  	A – 13 < N ≤ 15	C – 17 < N ≤ 19
  	B – 15 < N ≤ 17	D – 19 < N ≤ 21
  4	In condizioni di riposo la portata volumica QV dell’aorta è tipicamente di 3,5 l/minuto e la frequenza cardiaca è di 70 pulsazioni/minuto. Calcolare in tali condizioni la massa MS di sangue (rS = 1.05 103 kg/m3) che viene immessa nell’aorta ad ogni pulsazione:
  	A – 52 g	C – 5,2 kg
  	B – 5,2 g	D – 0,052 g
  Esercizio 1 Un’arteria di raggio r = 2,5 mm è parzialmente bloccata da una placca. Nella regione ostruita il raggio effettivo è reff = 1,8 mm e la velocità media del sangue è v = 50 cm/s. Calcolare: La velocità media u del sangue nella regione non ostruita La pressione equivalente Peq dovuta all’energia cinetica del sangue nella regione ostruita
  Esercizio 2 Ad un paziente viene somministrato un radiofarmaco contenente Iodio 131 (tempo di dimezzamento pari a 8.02 giorni). a. Quale è la vita media del radioisotopo? b. Il paziente deve rimanere nei locali della medicina nucleare per almeno 48 ore. Di quanto si sarà ridotta in percentuale l’attività iniziale?
  Quesito - Descrivere brevemente UNO dei seguenti argomenti: Le leve del corpo umano La misura indiretta della pressione arteriosa con lo sfigmomanometro Le onde meccaniche e le onde elettromagnetiche percepibili dall’uomo

• STATISTICA MEDICA

  1) In due gruppi uno trattato ed uno controllo rispettivamente di 15 e 17 pazienti e medie di 20 e 30 è stata trovata una t di Student pari a 1,52.

  Il valore tabulato nella tavola della distribuzione t per alfa=0,05 è di 2,04.

  Quale delle seguenti affermazioni è vera.

  a. Il test è significativo

  b. il gruppo trattato è migliore del controllo

  c. la differenza tra i due gruppi è casuale

  d. Il valore P è < 0,05

  e. esiste una differenza reale tra i due gruppi

   

  2) Ripetendo 20 volte la determinazione del glucosio il valore medio è risultato 1,25 g/L con una deviazione standard di 0,052 g/L. Calcolare Il coefficiente di variazione: