ITALIANO

Il corso introduce i principi fisici dell’interazione tra campi elettromagnetici e mezzi materiali, in regime sia stazionario sia non stazionario, con particolare riferimento ai tessuti biologici: modelli costitutivi e dispersivi, propagazione in mezzi stratificati e lossy, condizioni al contorno e regimi near-field/far-field. Si trattano le grandezze di potenza e SAR, i meccanismi di deposito energetico e gli aspetti di sicurezza/esposizione, collegandoli a scenari applicativi reali.
Il corso offre inoltre una panoramica delle principali applicazioni biomediche dei campi EM, con enfasi sull'imaging a microonde. In particolare, si presentano le equazioni dello scattering elettromagnetico e relative approssimazioni lineari (approcci elementari, es. Born/Rytov a livello introduttivo), le nozioni di risoluzione e condizionamento, e le implicazioni strumentali (antenne/array, calibrazione essenziale, acquisizione e pre-processing dei dati).
Inoltre, il corso presenta i principi di funzionamento e i modelli circuitali delle principali tecnologie di Energy Harvesting per l’alimentazione di dispositivi e sensori wearable ed implantable per applicazioni biomedicali. Vengono descritti i più diffusi circuiti switching per l'interfacciamento tra sorgenti e sensori.

C. A. Balanis, Advanced Engineering Electromagnetics, John Wiley and Sons, 2023.

André Moliton, Basic Electromagnetism and Materials, Springer, 2007.

Slides messe a disposizione dal docente.

Appunti dalle lezioni.

Testi e documenti didattici forniti di volta in volta dal docente.

Il corso mira a fornire allo studente aspetti fisici, formali e progettuali relativi all’interazione tra campi elettromagnetici e tessuti biologici, all’impiego delle tecnologie elettromagnetiche in ambito biomedico, ai sistemi di energy harvesting per dispositivi indossabili/impiantabili, nonché agli aspetti normativi e di sicurezza.

Al termine del corso lo studente avrà raggiunto i seguenti obiettivi formativi:

1. Acquisire conoscenze di base sull’interazione tra campi elettromagnetici e tessuti biologici e comprendere i principi generali di modellazione (continua e circuitale) utili a descrivere scenari biomedici.

2. Orientarsi tra le principali applicazioni biomediche dei campi elettromagnetici, con particolare attenzione all’ipertermia terapeutica e all’imaging a microonde.

3. Acquisire conoscenze sulle normative che regolano i limiti di esposizione e sui metodi di misura per la loro verifica.

4. Acquisire le conoscenze di base sull’utilizzo di sistemi di energy harvesting in applicazioni biomedicali.

5. Comprendere i principi di funzionamento delle interfacce AC/DC e DC/DC tra harvester e carichi.

6. Acquisire le conoscenze e le abilità di base per la modellazione circuitale e la simulazione di sistemi di energy harvesting per applicazioni biomedicali

Il corso richieste solide basi di matematica (analisi, geometria, algebra lineare) e dei fondamenti di elettromagnetismo. È inoltre richiesta la capacità di analizzare e risolvere circuiti elettrici, come da corso di Elettrotecnica.

La principale modalità di svolgimento del corso consiste in lezioni frontali. Si prevede lo svolgimento di esercitazioni e prove pratiche in aula.

La principale modalità di verifica del raggiungimento degli obiettivi formativi consiste in una prova orale sugli argomenti trattati nel corso. Durante la prova orale si prevede anche lo svolgimento di prove pratiche per la verifica delle capacità di risolvere esercizi.

Tutte le diapositive utilizzate saranno rese disponibili in formato PDF.

Descrizione e modellazione dei campi EM nella materia
• Materiali: dielettrici, magnetici, conduttori, semiconduttori.
• Grandezze costitutive e fenomeni di polarizzazione, magnetizzazione, conducibilità.
• Caso statico e dinamico, parametri complessi, relazioni di /Kramers–Kronig
• Dispersione: modelli di Debye (singolo/multiplo polo) e di Cole–Cole.
• Propagazione dispersiva: attenuazione, skin depth, velocità di gruppo e pacchetti d’onda.
Tecniche di stima/misura dei parametri tissutali
• Permittività e conducibilità: sonda coassiale open-ended, cavità risonanti, guida d’onda/linea di trasmissione.
Propagazione in mezzi stratificati e antenne
• Rappresentazione in onde piane e spettro angolare; riflessione/trasmissione (Fresnel), strati multipli; onde evanescenti.
• Problema di irradiazione e caratterizzazione di antenne: impedenza, S-parameters, guadagno, direttività, efficienza, banda, near-field/far-field, pattern.
• Antenne in ambiente dielettrico (tessuti): detuning, matching, perdite
Dosimetria elettromagnetica e sicurezza
• Grandezze di potenza, vettore di Poynting; definizioni di SAR (locale/globale).
• Valutazione del SAR: cenni su metodi numerici (FDTD, FEM) e misure.
• Normative e linee guida internazionali; tecniche di misura ambientale.
Applicazioni biomediche — Imaging a microonde
• Modello diretto (approcci elementari: Born/Rytov).
• Risoluzione e condizionamento; strategie ricostruttive (beamforming vs inversione); aspetti strumentali: antenne/array, calibrazione, acquisizione e pre-processing.
Energy harvesting per sistemi wearable/implantable
• Tecniche di Energy Harvesting per l’alimentazione di dispositivi e sensori elettronici.
• Human Body Energy Harvesting per l’alimentazione di dispositivi e sensori wearable ed implantable per healthcare.
• Kinetic Energy Harvester (KEH) piezoelettrici ed elettromagnetici per lo sfruttamento del movimento del corpo umano.
• Simulazione numerica di circuiti switching per l’alimentazione di dispositivi e sensori biomedici dalla rete elettrica, da batteria o da harvester.
• Tecniche di Maximum Power Point Tracking (MPPT) per sistemi di energy harvesting.

Italian

The course introduces the physical principles of interactions between electromagnetic fields and material media, in both steady-state and time-varying regimes, with particular focus on biological tissues: constitutive and dispersive models, propagation in layered and lossy media, boundary conditions, and near-field/far-field regimes. It covers power metrics and SAR, energy-deposition mechanisms, and safety/exposure aspects, linking them to real-world application scenarios.
The course also offers an overview of the main biomedical applications of EM fields, with emphasis on microwave imaging. In particular, scattering equations are presented along with their linearization arinsing from elementary approaches, e.g., Born/Rytov, at an introductory level. The notions of resolution and conditioning, and instrumental considerations (antennas/arrays, essential calibration, data acquisition, and pre-processing) are briefly addressed as well.
In addition, the course presents the operating principles and circuit models of the main energy-harvesting technologies for powering wearable and implantable biomedical devices and sensors. It describes the most common switching converters for interfacing between sources and sensors.

C. A. Balanis, Advanced Engineering Electromagnetics, John Wiley and Sons, 2023.

André Moliton, Basic Electromagnetism and Materials, Springer, 2007.

Slides provided by the teacher.

Notes from the lectures

Texts and educational documents provided from time to time by the teacher

The course aims to provide students with the physical, formal, and design foundations of electromagnetic field–biological tissue interactions; the use of electromagnetic technologies in biomedicine; energy-harvesting systems for wearable and implantable devices; and related regulatory and safety aspects.

By the end of the course, students will have achieved the following learning outcomes:

1. Acquire foundational knowledge of interactions between electromagnetic fields and biological tissues and understand general modeling principles (continuum and circuit-level) for describing biomedical scenarios.
2. Navigate the main biomedical applications of electromagnetic fields, with particular emphasis on therapeutic hyperthermia and microwave imaging.
3. Gain knowledge of regulations governing exposure limits and of measurement methods for their verification.
4. Acquire basic knowledge of the use of energy-harvesting systems in biomedical applications.
5. Understand the operating principles of AC/DC and DC/DC interface circuits between harvesters and loads.
6. Acquire basic skills for circuit modeling and simulation of energy-harvesting systems for biomedical applications.

The course requires a solid foundation in mathematics (calculus, geometry, and linear algebra) and in the fundamentals of electromagnetism. Knowledge and ability to solve electrical circuits as provided in the Electrical Engineering course
are also required.

The main method of carrying out the course consists of frontal lessons. It is planned to carry out exercises and practical tests in the classroom.

The main method of verifying the achievement of the training objectives consists in an oral exam on the topics covered in the course. During the oral exam, practical tests will also be carried out to verify the ability to solve exercises.

All the slides used during lessons will be made available in PDF.

Description and modeling of EM fields in matter
• Materials: dielectrics, magnetic materials, conductors, semiconductors.
• Constitutive quantities and phenomena of polarization, magnetization, conductivity.
• Static and dynamic cases; complex parameters; Kramers–Kronig relations.
• Dispersion: Debye models (single/multiple pole) and Cole–Cole models.
• Dispersive propagation: attenuation, skin depth, group velocity and wave packets.
Techniques for estimating/measuring tissue parameters
• Permittivity and conductivity: open-ended coaxial probe, resonant cavities, waveguide/transmission line.
Propagation in stratified media and antennas
• Plane-wave representation and angular spectrum; reflection/transmission (Fresnel), multilayer media; evanescent waves.
• Radiation problem and antenna characterization: impedance, S-parameters, gain, directivity, efficiency, bandwidth, near-field/far-field, pattern.
• Antennas in dielectric environments (tissues): detuning, matching, losses.
Electromagnetic dosimetry and safety
• Power quantities, Poynting vector; definitions of SAR (local/global).
• SAR evaluation: notes on numerical methods (FDTD, FEM) and measurements.
• International standards and guidelines; environmental measurement techniques.
Biomedical applications — Microwave imaging
• Forward model (elementary approaches: Born/Rytov).
• Resolution and conditioning; reconstruction strategies (beamforming vs. inversion); instrumental aspects: antennas/arrays, calibration, acquisition and pre-processing.
Energy harvesting for wearable/implantable systems
• Energy-harvesting techniques for powering electronic devices and sensors.
• Human Body Energy Harvesting for powering wearable and implantable devices and sensors for healthcare.
• Kinetic Energy Harvesters (KEH), piezoelectric and electromagnetic, for exploiting human-body motion.
• Numerical simulation of switching circuits for powering biomedical devices and sensors from the mains, from batteries, or from harvesters.
• Maximum Power Point Tracking (MPPT) techniques for energy-harvesting systems.