Codice insegnamento

4S009836

Docenti

Pasquina Marzola, Alessandro Daducci

Coordinatore

Pasquina Marzola

Crediti

6

Lingua di erogazione

Inglese

Settore Scientifico Disciplinare (SSD)

FIS/07 - FISICA APPLICATA (A BENI CULTURALI, AMBIENTALI, BIOLOGIA E MEDICINA)

Periodo

Secondo semestre dal 7 mar 2022 al 10 giu 2022.

Orario Lezioni Moodle Seminari 0

Obiettivi formativi

Il corso si propone di fornire agli studenti le basi per la comprensione della costruzione delle immagini biomediche nelle moderne tecniche di imaging medico. Conoscenza e capacità di comprensione. Al termine del corso, lo studente dovrà dimostrare di poter descrivere i principi fisici alla base delle moderne tecniche diagnostiche (ultrasuoni, raggi-X, medicina nucleare, tomografia a risonanza magnetica e imaging ottico). Conoscenze applicate e capacità di comprensione. In particolare, alla fine del corso lo studente dovrà dimostrare di aver compreso i principi alla base della qualità delle immagini e del contrasto, della risoluzione spaziale e temporale e di avere una buona conoscenza delle applicazioni cliniche e biologiche dei diversi metodi. Autonomia di giudizio. Lo studente dovrà inoltre dimostrare di essere in grado di progettare ed eseguire un semplice progetto volto ad acquisire dati con un vero sistema di acquisizione, ad esempio un tomografo a risonanza magnetica, di ricostruire le immagini a partire dai dati grezzi ottenuti e di visualizzare correttamente le immagini risultanti. Abilità comunicative. Lo studente dovrà mostrare di essere in grado di presentare in maniera appropriata le conoscenze apprese durante il corso in modo tale che persone qualificate nel campo possano comprendere. Capacità di apprendere. Lo studente avrà le basi sufficienti per essere in grado in maniera autonoma di leggere e comprendere lavori scientifici nel campo, ed esporre i principali risultati.

Programma

Theory
- Ultrasound Imaging
Mechanical and electromagnetic waves. Reflection and refraction of waves: total reflection. Mechanical waves: sound waves, intensity, impedance, Doppler effect. Ultrasounds (US). Production and detection of US: Piezoelectric materials, Transducers. Propagation speed. Interaction of US with matter: reflection, refraction, scattering. Attenuation of ultrasounds. The dB. Block diagram of an ultrasound system. Properties of the ultrasound beam. Spatial resolution. Operation in A mode and B mode. Diagnostic use of the Doppler effect. Contrast Agents for US. Advanced applications.
- X-rays Imaging
Electromagnetic waves, em spectrum. Production of X-rays. X-ray spectrum, Bremsstrahlung effect, continuous spectrum and characteristic spectrum. Radiation-matter interaction: scattering Rayleigh, scattering Compton, photoelectric effect, pairs production. X-ray attenuation. Linear attenuation coefficient of biological tissues. Formation of Radiological image. Contrast. Tomographic reconstruction (back projection reconstruction). Computed tomography (CT) 1st, 2nd, 3rd generation machines. 4th generation machines and spiral computed tomography (Spiral CT). Block diagram of CT equipment. The detector of X-rays: photographic plates, ionization chambers, scintillators, photomultipliers. Contrast Agents for X-Rays Imaging. Advanced applications.
- Nuclear Medicine
Introduction to physics of the nucleus. Properties of the nucleus. Stable and radioactive atoms. Radioactive decay. Alpha decay. Beta-decay. Radiopharmaceuticals. G-Camera, collimators. SPECT and PET. Block diagram of the experimental apparatus. Applications.
-Magnetic Resonance Imaging
Spin and nuclear magnetism. Nuclear magnetic resonance. Energy levels of a spin system in a magnetic field and transitions. The population of energy levels. Magnetization vector and Bloch equations. Precession motion of magnetization. Rotating reference system. T1 and T2 relaxation. The effect of a radiofrequency pulse on the magnetization: rotation of the magnetization. Soft and hard pulses. Free induction decay. Spin-echo. The introduction of the gradient to obtain spatial information. The imaging sequences. Block diagram of a Magnetic Resonance Tomograph. Diffusion-weighted techniques: the Stejskal and Tanner sequence. Diffusion tensor imaging. Contrast agents in MRI. Perfusion Imaging with intrinsic and exogenous contrast. Arterial Spin Labeling. Applications.
-Optical Imaging
Propagation of light in biological tissues: absorption and scattering. Law of Lambert-Beer. Absorption coefficient. Optical characteristics of biological tissues. The window of tissue transparency. Elastic scattering in the Rayleigh and Mie approximation. Fluorescence and bioluminescence emission.

Laboratory
Guided laboratory sessions will be provided in order to practice firsthand some of the techniques introduced in the theory.

Bibliografia

Modalità d'esame

Colloquio orale in cui lo studente dovrà dimostrare di comprendere un articolo scientifico nel campo e di presentarne i principali risultati.