Obiettivi Formativi

Al termine del corso, lo studente dovrà essere capace di: · descrivere e discutere i concetti di base e i principi della statistica medica, inclusa la definizione di variabile e dataset, i principali metodi descrittivi numerici e grafici, formulazione di un quesito e la verifica di un’ipotesi statistica, · applicare e interpretare in modo appropriato i metodi statistici in campo medico, · formulare ipotesi per la ricerca scientifica di base e clinica, · riassumere analisi dei dati e risultati in report scritti, · spiegare gli strumenti computazionali per la soluzione di problemi derivanti dall’analisi di sequenze biologiche (DNA, RNA), · analizzare ed affrontare problemi di base di biologia molecolare, · descrivere e discutere la fenomenologia e le leggi fisiche alla base dei processi fisiopatologici umani e del funzionamento delle strumentazioni mediche 

Learning Goals

​​​​​​​After completion of the course, the student should be able to: · describe and discuss basic concepts and principles of biostatistics, including definitions of variables and dataset, as well as the fundamentals of descriptive statistics, hypothesis testing and methods for analyzing data, · apply and appropriately interpret statistical methods in the medical and health related fields, · formulate clinical and basic science research questions,  · summarize data analysis and findings in a written report, · account for computational tools aimed at solving problems deriving from the analysis of biological sequences (DNA, RNA), · analyze and solve basic problems of molecular biology, · describe and discuss phenomenology and physical laws underlying human physiopathological processes and the functioning of medical instruments.

Metodi didattici

Presentazioni ed esercitazioni pratiche in aula. La frequenza alle lezioni è obbligatoria. Le attestazioni di frequenza dei singoli Corsi Integrati verranno rilasciate a seguito del raggiungimento di almeno il 75% di presenza, purché il numero di ore frequentate non sia inferiore al 50% per singola disciplina.

Teaching Methods

Lectures and classroom activities. Attendance is mandatory. The attendance records of each Integrated Course will be issued following the achievement of at least 75% attendance, as long as the hours attended for each discipline within the Integrated Course are not less than 50%.

Prerequisiti

Conoscenze di base di matematica.

Prerequisites

​​​​​​​Basic knowledge of mathematics.

Verifiche dell'apprendimento

La verifica dell’apprendimento sarà effettuata secondo calendario didattico con esame finale (voto in trentesimi) che accerti la preparazione del candidato. La valutazione della preparazione finale terrà conto dell’impegno dimostrato durante il corso delle lezioni, del grado di preparazione raggiunto, della proprietà di linguaggio in relazione agli argomenti trattati e delle capacità espositive. Verrà valutata insufficiente una preparazione con lacune grossolane in uno o più argomenti trattati; la sufficienza prevede la conoscenza non frammentaria degli argomenti. In particolare, l'accertamento della preparazione in Medical Physics avverrà tramite prova scritta (test a risposta multipla, domande a risposta aperta, problemi), mentre quella in Bioinformatics e Medical Statistics avverrà tramite prova orale. Prove in itinere scritte saranno previste per seguire l’apprendimento progressivo di Medical Physics.

Assessment

Assessment will be carried out according to teaching calendar through a final exam (score out of thirty) that verifies the candidate's knowledge level. The evaluation of the final preparation will take into account the commitment shown during the all didactic activity period, the level of preparation, the use of proper language in relation to topics and presentation skills. Preparation will be valued at insufficient level if there will be gaps in one or more topics; the achievement of sufficiency will require a not fragmented knowledge of topics. In detail, the parts of the exam related to Medical Physics will be written (multiple-choice questions, open questions, problems), whereas Bioinformatics and Medical Statistics will be oral. In itinere written tests will be provided to follow the progressive learning of Medical Physics.

Programma del Corso

------------------------------------------------------------ Modulo: 8095/1 - MEDICAL PHYSICS ------------------------------------------------------------ Grandezze fisiche e unità di misura. Sistema Internazionale. Analisi dimensionale. Accuratezza e precisione di una misura. Errori. - Meccanica. Sistema di riferimento. Grandezze cinematiche. Moto uniformemente accelerato e circolare uniforme. Corpo rigido. Baricentro. Leggi della dinamica. Statica e dinamica del corpo umano. Tipi di leva. Articolazioni degli arti. Lavoro. Energia cinetica e potenziale. Teorema lavoro energia cinetica. Deformazione ed elasticità nelle strutture corporee. - Meccanica dei fluidi. Densità e pressione. Leggi di Pascal e di Archimede, e applicazioni in medicina. Liquidi ideali e reali. Teorema di Bernoulli e legge di Poiseuille con esempi. Moto laminare e turbolento; numero di Reynolds. Resistenza idrostatica. Modelli fisici del sistema cardio-circolatorio. Viscosità; trasporto in regime viscoso. Sedimentazione, elettroforesi, centrifugazione e applicazioni medico-laboratoristiche. Tensione superficiale; tensioattivi. Legge di Laplace. Modelli di alveolo polmonare e apparato respiratorio. Capillarità. - Termologia, termodinamica e cenni di teoria cinetica. Stati fisici (solido, liquido e gassoso). Trasformazioni di stato. Principi della termodinamica. Termoregolazione del corpo umano. Trasformazioni termodinamiche e cicli termodinamici. Conduzione, convezione e irraggiamento del calore. Diffusione e filtrazione. Osmosi. - Fenomeni ondulatori. Caratteristiche delle onde. Produzione, propagazione e ricezione di onde sonore nell'uomo. Intensità sonora; intervalli e soglie di udibilità e di dolore; interpretazione delle curve audiometriche. Ultrasuoni e loro applicazioni in medicina. Radiazioni elettromagnetiche. Fotoni, spettro elettromagnetico. - Ottica. Leggi della riflessione e rifrazione, con applicazioni alla medicina. Diottri e lenti. Fuoco, potere convergente di una lente e potere di accomodamento dell'occhio, potere di risoluzione. Lenti sottili; aberrazioni delle lenti e dell'occhio e correzioni. Fluorescenza e applicazioni biomediche. - Fenomeni elettrici e magnetici. Carica elettrica, forze elettrostatiche e campo elettrico. Potenziale elettrico e dipolo elettrico. Correnti elettriche, potenza e differenza di potenziale. Potenziali d'azione. ECG ed EEG. Legge di Ohm. Effetto Joule. Isolante, conduttore, conduzione elettrica e potenza dissipata. Condensatore, capacità di un conduttore isolato. Corrente continua e alternata, effetti sul corpo umano. Campo magnetico e onde elettromagnetiche, con applicazioni biomediche. - Radiazioni ionizzanti. Effetti fotoelettrico e Compton, generazione di coppie. Legge di Lambert. Sorgenti radioattive, decadimenti alfa e beta, emissione di p, n, raggi X e gamma. Attività. Applicazioni in medicina nucleare. Funzionamento delle macchine radiogene. Dosimetria. Esposizione, dose assorbita, equivalente di dose, fattore di qualità ed efficacia biologica relativa. Danni da radiazione in funzione del tipo di esposizione. Principi fisici delle tecniche di diagnostica per immagini: radiografia e tomografia computerizzata, risonanza magnetica, scintigrafia, SPECT e PET. ------------------------------------------------------------ Modulo: 8095/2 - MEDICAL STATISTICS ------------------------------------------------------------ - Il ruolo della Statistica in Medicina. Statistica Descrittiva ed inferenziale. Campione e popolazione statistica. Definizione di database. Unita statistiche: La definizione di variabile. Il ruolo delle variabili. I tipi di variabile. Variabili quantitative, discrete e continue. Variabili qualitative, nominali e ordinali. Variabili dicotomiche. Metodi Esplorativi e Descrittivi Numerici. Presentazione dei dati. Frequenza assoluta, relativa, cumulativa. Distribuzioni di frequenza. Tabelle di contingenza. Misure di tendenza centrale (media, mediana, moda, quantili). Misure di variabilità (range, varianza, deviazione standard e coefficiente di variazione). Studio della forma di una distribuzione (asimmetria). Metodi Esplorativi e Descrittivi Grafici. Rappresentazioni grafiche. Istogramma, diagramma a scatola (box plot), grafico a barre, grafico a torta. Introduzione al calcolo delle probabilità. Legge della Somma, Legge del Prodotto e principio delle probabilità composte. Test diagnostici: Sensibilita’ e Specificita’. Curve ROC. Elementi di statistica inferenziale. Verifica delle ipotesi. Test Parametrici e non parametrici.Test t di Student per campioni indipendenti ed appaiati. L'analisi della varianza (ANOVA). Tabelle di contingenza: Test Chi-quadro. Correlazione e regressione lineare semplice. Introduzione alla regressione logistica. Elementi di analisi di sopravvivenza. La statistic medica nel disegno e analisi degli studi clinici. Potenza e numerosita’ campionaria. Fattori di confondimento e bias. - Lettura critica di una pubblicazione scientifica. ------------------------------------------------------------ Modulo: 8095/3 - BIOINFORMATICS ------------------------------------------------------------ Bioinformatics Introduzione all’informatica, ai sistemi di calcolo, all’algoritmica, ai linguaggi di programmazione. Introduzione alla big data analysis e all’intelligenza artificiale (machine learning). Introduzione: elementi di biologia molecolare, banche dati biologiche. Introduzione alla programmazione in bioinformatica (Python): struttura del linguaggio Python, interprete Python, tipi e contenitori di tipi, costrutti per il controllo del flusso del programma, funzioni, moduli, biopython Analisi di sequenze: formati di sequenze, confronti, pattern matching, algoritmo BLAST, allineamento multiplo, costruzione di un albero filogenetico.

Course Syllabus

------------------------------------------------------------ Modulo: 8095/1 - MEDICAL PHYSICS ------------------------------------------------------------ Physical quantities and units of measurement. International System. Dimensional analysis. Accuracy and precision of a measurement. Errors. - Mechanics. Reference system. Kinematic quantities. Uniformly accelerated and circular motion. Rigid body. Center of gravity. Laws of dynamics. Statics and dynamics of the human body. Types of leverage. Articulations of the limbs. Work. Kinetic and potential energy. Work - kinetic energy theorem. Deformation and elasticity in body structures. - Fluid mechanics. Density and pressure. Pascal and Archimedes laws, and applications in medicine. Ideal and real liquids. Bernoulli's theorem and Poiseuille's law with examples. Laminar and turbulent motion; Reynolds number. Hydrostatic resistance. Physical models of the cardio-circulatory system. Viscosity; transport in viscous regime. Sedimentation, electrophoresis, centrifugation and medical-laboratory applications. Surface tension; surfactants. Laplace's law. Models of pulmonary alveolus and respiratory system. Capillarity. - Thermology, thermodynamics and elements of kinetic theory. Physical states (solid, liquid and gas). State transformations. Principles of thermodynamics. Thermoregulation of the human body. Thermodynamic transformations and thermodynamic cycles. Conduction, convection and heat radiation. Diffusion and filtration. Osmosis. - Wave phenomena. Wave characteristics. Production, propagation and reception of sound waves in humans. Sound intensity; intervals and thresholds of audibility and pain; interpretation of audiometric curves. Ultrasound and their applications in medicine. Electromagnetic radiation. Photons, electromagnetic spectrum. - Optics. Laws of reflection and refraction, with applications to medicine. Diopters and lenses. Focus, convergent power of a lens and power of accommodation of the eye, power of resolution. Thin lenses; lens and eye aberrations and corrections. Fluorescence and biomedical applications. - Electrical and magnetic phenomena. Electric charge, electrostatic forces and electric field. Electric potential and electric dipole. Electric currents, power and potential. Action potentials. ECG and EEG. Ohm's law. Joule effect. Insulator, conductor, electrical conduction and dissipated power. Capacitor, capacity of an insulated conductor. Continuous and alternating current, effects on the human body. Magnetic field and electromagnetic waves, with biomedical applications. - Ionizing radiations. Photoelectric and Compton effects, pair generation. Lambert's law. Radioactive sources, alpha and beta decays, emission of p, n, X and gamma rays. Activity. Applications in nuclear medicine. Operation of X-ray machines. Dosimetry. Exposure, absorbed dose, dose equivalent, quality factor and relative biological efficacy. Radiation damage depending on the type of exposure. Physical principles of imaging techniques: radiography and computed tomography, magnetic resonance, scintigraphy, SPECT and PET. ------------------------------------------------------------ Modulo: 8095/2 - MEDICAL STATISTICS ------------------------------------------------------------ - The role of statistics in medicine. Descriptive and inferential statistics. Sample and population. Database definition. -Variables: Definition of variable. Variable types. Quantitative variables, discrete and continuous. Qualitative variables, nominal and ordinal. Dichotomous Variables. Exploratory and descriptive numerical methods. Presentation of data. Absolute, relative, cumulative frequency. Frequency distributions. Contingency tables. Measures of central tendency (mean, median, mode, quantiles). Measures of variability (range, variance, standard deviation and coefficient of variation). Study of the shape of a distribution (asymmetry). Graphical Methods. Graphics: Histogram, box plots, bar graph, pie chart. Probability. Operation on events and probability. Diagnostic tests: Sensitivity and Specificity. ROC curves, Elements of Statistical Inference. Hypothesis testing. Parametric and nonparametric tests. Student's t test for independent and dependent samples. Analysis of variance (ANOVA). Contingency Tables: The Chi-Square Test.Correlation and Simple linear regression. Introduction into logistic regression and Survival analysis. Biostatistics in Study Design and analysis. Power and Sample Size. Confounders and Bias. Critical appraisal of scientific articles. ------------------------------------------------------------ Modulo: 8095/3 - BIOINFORMATICS ------------------------------------------------------------ Bioinformatics Introduction to computer science, computing systems, algorithmics, programming languages. Introduction to big data analysis and artificial intelligence (machine learning). Introduction: basics of molecular biology, biological data banks. Introduction to programming in bioinformatics (Python): structure of Python programming language, Python interpreter, types and type containers, constructs for program flow control, functions, modules, biopython. Sequence analysis: sequence formats, sequence comparisons, pattern matching, BLAST algorithm, multiple sequence alignment, building a phylogenetic tree.