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Laboratorio di fisica sanitaria

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Biomedical Physics Laboratory

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Anno accademico 2020/2021

Codice attività didattica
MFN1345
Docenti
Prof. Vincenzo Monaco (Titolare del corso)
Prof. Roberto Sacchi (Titolare del corso)
Dott. Anna Vignati
Corso di studio
008510-101 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica Nucleare e Subnucleare e Biomedica
008510-102 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica Biomedica
Anno
1° anno
Tipologia
A=Di base
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Erogazione
Mista
Lingua
Italiano
Frequenza
Obbligatoria
Tipologia esame
Orale
Tipologia unità didattica
corso
Prerequisiti

Nozioni di base di struttura della materia, dei meccanismi di interazione della radiazione con la materia e di tecniche di analisi statistica dei dati trattate nei corsi del triennio.

Basic knowledge of atomic, solid state physics, of the interaction mechanisms of radiation with matter and of statistical data analysis, as provided by the courses of the triennium.
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Sommario del corso

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Obiettivi formativi

Il corso si propone di fornire agli studenti nozioni fondamentali sulle tecniche di rivelazione di radioisotopi e misure di attività in matrici ambientali e su alcune moderne tecniche diagnostiche utilizzate in medicina tramite attività di laboratorio nelle quali gli studenti possono utilizzare strumentazione avanzata per operare misure di precisione. Queste attività sono precedute da lezioni erogate a distanza in cui vengono affrontati gli aspetti fondamentali sui quali tali tecniche si basano, i principi di funzionamento della strumentazione utilizzata e le tecniche di misura e di analisi dei dati raccolti. In particolare verranno trattate le tecniche di spettroscopia gamma con rivelatori al germanio iperpuro, misure rilassometriche con risonanza magnetica nucleare e ricostruzione tomografica di immagini con raggi X e risonanza magnetica.

This course aims at providing the basics on the experimental techniques for the detection of radioisotopes and the measurement of their activity in environmental samples and on the modern diagnostic techniques in medicine through laboratory activities where the students make use of advanced instrumentations for precision measurements. These activities are preceded by online lessons where the physics principles on which the techniques are based are reviewed, together with the operating principles of the instrumentation and the measurement and data analysis procedures. In particular, the laboratory activity will focus on gamma ray spectroscopy with HPGE, relaxometric measurements with nuclear magnetic resonance  and image reconstruction through magnetic resonance and X-ray computed tomography.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e capacità di comprensione

Il corso fornisce una solida preparazione relativamente ad alcune tecniche sperimentali nell’ambito della fisica sanitaria e della diagnostica medica. In particolare, lo studente acquisirà

  • nozioni fondamentali di fisica delle interazioni radiazione materia e di risonanza magnetica nucleare;
  • nozioni fondamentali di tecniche di analisi e ricostruzione del segnale;
  • la conoscenza delle principali caratteristiche della radioattività ambientale;
  • i principi di funzionamento di rivelatori HPGE e dei relativi sistemi di acquisizione dei segnali; 
  • la conoscenza dei principi di ricostruzione delle immagini tramite misure di NMR;
  • la conoscenza degli algoritmi di retroproiezione e di filtraggio per la ricostruzione di immagini dalle proiezioni.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Il corso di laboratorio mira a fornire agli studenti le capacità per applicare con spirito critico le nozioni studiate in aula attraverso diverse misure con strumenti di precisione.

In particolare, gli studenti acquisiranno

  • capacità di osservare ed interpretare i segnali, ottenere i dati sperimentali e ricavare le quantità di interesse attraverso una corretta trattazione statistica;
  • capacità di utilizzare strumentazione tecnologicamente avanzata per le misure di laboratorio;
  • capacità di analizzare e interpretare le immagini ricostruite, individuare artefatti ed applicare filtri di correzione;
  • capacità di produrre un report completo e dettagliato delle attività sperimentali svolte.

Knowledge and understanding

The teaching will provide solid skills with experimental techniques in the field of medical diagnostics and health physics. In particular, students will acquire knowledge and understanding of

  • the physics of the interaction of radiation with matter and of the nuclear magnetic resonance; 
  • the basics on signal reconstruction and analysis techniques;
  • the main features of the environmental radioactivity;
  • the functional principles of HPGE detectors and of their acquisition systems;
  • the principles of image reconstruction techniques via NMR measurements;
  • the backprojection and filtering algorithms for the reconstruction of images from projections.

Applying knowledge and understanding

The laboratory activity aims at providing the skills for applying with a critical attitude the concepts studied to a set of measurements with high precision instrumentation. In particular, students will acquire the ability

  • to observe and interpret signals from a detector, obtain experimental data out of it and determine the quantities of interest through a proper statistical data analysis;
  • to use technologically advanced instrumentation for laboratory measurements;
  • to analyze and interpret the reconstructed images, identify artefacts and apply correction filters;
  • to produce a detailed and exhaustive written report of the laboratory activities.

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Programma

Introduzione all'analisi dei segnali nel dominio delle frequenze

  • Proprietà di serie e integrali di Fourier, teorema della convoluzione, funzioni a banda limitata e teorema del campionamento, aliasing
  • Trasformate di Fourier finite, proprietà di ciclicità, convoluzione, errori di wraparound e zero padding
  • Trasformate di Fourier in 2D

Spettroscopia gamma con rivelatori al germanio iperpuro (HPGe)

  • Proprietà dei semiconduttori intrinseci e drogati, la giunzione pn, rivelatori a semiconduttore
  • Caratteristiche dei rivelatori HPGe e del sistema di acquisizione dati
  • Meccanismi di interazione dei fotoni con il cristallo e caratteristiche dello spettro del multicanale, metodo per la calibrazione del rivelatore e per le misure di attività
  • Caratteristiche dei decadimenti radioattivi, radioattività ambientale. Introduzione all'attività di laboratorio.

Rilassometria e ricostruzione di immagini con Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)

  • Principi di funzionamento e determinazione dei parametri operativi di un apparato NMR.
  • Sequenze di spin-echo e inversion-recovery per misura dei tempi di rilassamento T1 e T2.
  • Dipendenza dei tempi di rilassamento dalla dinamica molecolare
  • Uso di gradienti per ricostruzione di immagini in NMR. Scelta dei parametri delle sequenze per ottimizzazione del contrasto.

Ricostruzione di immagini dalle proiezioni e la tomografia a raggi X

  • Trasformata di Radon, sinogramma, teorema della proiezione di Fourier 
  • Retroproiezione e retroproiezione filtrata, algorimi numerici, filtri di ricostruzione
  • Applicazioni alla tomografia a raggi X: artefatti di ricostruzione, numeri Hounsfield, energia efficace, calibazione assoluta
  • principali caratteristiche degli scanner medicali

Introduction to signal analysis in the frequency domain

  • Properties of Fourier series and integrals, convolution theorem, sampling theorem, aliasing
  • Finite Fourier Transform and its properties, 2D Fourier transforms. 

Gamma spectroscopy with High Purity Germanium detectors (HPGe) 

  • Propoerties of intrinsic and doped semiconductors, the pn junction, semiconductor detectors
  • Main features of an HPGe detector and of the data acquisition system
  • Interaction mechanisms of photons and features of the MCA spectra, procedure for the detector calibration and for the measurement of the activity
  • Radioactive decays and environmental radioactivity. Introduction to the laboratory activity.

Relaxometry and image reconstruction with Nulcear Magnetic Resonance (NMR)

  • Priniciples of Nuclear Magnetic Resonance and determination of operational parameters of a NMR instrument.
  • Spin-echo and inversion-recovery sequences and measurements of relaxation times T1 and T2.
  • Dependence of relaxation times on molecular dynamics.
  • Use of gradients for image reconstruction in NMR. Optimization of the contrast through proper choice of the sequence parameters.

Image reconstruction from projections and the X-ray tomography 

  • Radon transform and the sinogram, the Fourier slice theorem 
  • Filtered backprojection: numerical algorithms and reconstruction filters
  • X-ray tomography: reconstruction artefacts, Hounsfield numbers, effective energy, absolute calibration.
  • Main features of the medical CT scanners

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Modalità di insegnamento

Il corso si divide in 26 ore di lezioni erogate a distanza in cui sono affrontati i principi fisici, le tecniche sperimentali e gli algoritmi di ricostruzione, seguite da 34 ore per studente di attività in laboratorio, tipicamente suddivise in gruppi di 4 ore. Gli studenti sono distribuiti in gruppi da 2 o 3 persone per svolgere le attività sperimentali nei tempi pianificati dal calendario di occupazione della strumentazione. Il lavoro di preparazione delle relazioni viene svolto in modo autonomo dai gruppi; sono comunque organizzati su richiesta incontri per chiarimenti durante la stesura degli elaborati.

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. E' invece obbligatoria la frequenza in laboratorio per almeno il 70% delle ore previste.

The teaching is organized as follows:

  • 26 hours of online lectures aimed at presenting the physics principles, the experimental methods and the reconstruction techniques;
  • 34 hours of laboratory activities per student. The students will be divided in working groups of 2 or 3 to carry out the activities following a planning of use of the instrumentation.

The preparation of the reports is done independently by each group; however meetings are organized upon request to provide explanations during writing.

The participation to the classroom lectures is not compulsory. Attendance to the laboratory activity is mandatory for at least 70% of the time planned.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento si basa sulla valutazione delle relazioni delle attività di laboratorio, redatte da ciascun gruppo, e sull'esito di una prova di esame orale individuale (effettuato in presenza o a distanza).

Nelle relazioni è valutata la capacità del gruppo di studenti di adottare le procedure appropriate per la strumentazione di laboratorio, la capacità di interpretare e giustificare sia i metodi sia i risultati ottenuti, il corretto utilizzo dei metodi di analisi statistica dei dati e la capacità di sintesi e di utilizzo di un corretto linguaggio scientifico. La relazione può essere redatta sia in italiano sia in inglese e deve essere consegnata in formato elettronico almeno una settimana prima del primo appello di esame disponibile. La valutaione finale, espressa in 30-esimi, è comune a tutti i partecipanti del gruppo e mantiene la sua validità anche per gli appelli successivi.

Nella prova orale si verifica la capacità di esporre e giustificare le tecniche sperimentali utilizzate in laboratorio nonché la conoscenza dei principi fisici, delle tecniche sperimentali e degli algoritmi di ricostruzione trattati a lezione. La valutazione della prova orale è espressa in 30-esimi.

Il voto finale è ottenuto come valore medio della valutazione delle relazioni presentate e della prova orale.

The learning evaluation is based on the examination of the reports of the laboratory activities, written by each group, and on the outcome of an oral exam of each student (in person or remotely).

The evaluation of the reports aims at verifying the ability in using the correct procedures for the use of the instrumentation, in interpreting and justifying both the methods and the results obtained, in applying the correct the statistical methods for the data analysis and in summairizing it with the correct scientific terminology. The report can be written in Italian or English language and must be handed in electronic format at least one week before the first session of oral exams. The grade, expressed in in thirtieths, which keeps its validity for all the following sessions of oral exams, is common to all the participants of the group.

The oral exam is aimed at verifying the ability of the student in explaining and justifying the experimental techniques used in the laboratory activity and the knowledge of the physics principles, experimental techniques and reconstruction algorithms discussed in the lectures. The grade of the oral exam is expressed in thirtieths.

The final grade of the exam is the average of the grades of the reports and of the oral exam.

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Testi consigliati e bibliografia

 

K.Debertin,  R.G.Helmer, Gamma and X-ray spectrometry with semiconductor detectors, North-Holland, 1988, ISBN: 9780444871077

Rafael C. Gonzalez and Richard E. Woods, Digital Image Processing 4th Edition,  Pearson,  ISBN: 9780133356724
Url: http://www.imageprocessingplace.com

Avinash C. Kak, Malcolm Slaney, Principles of Computerized Tomographic Imaging, SIAM, ISBN: 978-0-89871-494-4
Url: http://www.slaney.org/pct/

Jiang Hsieh, Computed Tomography Principles, Design, Artifacts, and Recent Advances 2nd Edition, Wiley, ISBN: 978-0-470-56353-3
Url: http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-0470563532.html

R.K.Hobbie, B.J.Roth, Intermediate Physics for Medicine and Biology 5th edition, Springer, ISBN: 978-3-319-12682-1
Url: http://www.springer.com/la/book/9783319126814

JT Bushberg, JA Seibert, EM Leidholdt and JM Boone, The Essential Physics of Medical Imaging, Third Edition, Lippincott, Williams and Wilkins, Baltimore, ISBN: 9780781780575 
Url: https://shop.lww.com/Essential-Physics-of-Medical-Imaging/p/9780781780575

Robert W. Brown, et. al., Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design, 2nd Edition, Wiley, ISBN: 978-0-471-72085-0
Url: http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-0471720852.html

S. Webb, The Physics of Medical Imaging, CRC Press , ISBN: 9781439822081
Url: https://www.crcpress.com/The-Physics-of-Medical-Imaging/Webb/p/book/9781439822081

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Note

Viste le circostanze eccezionali legati all’emergenza Covid19, le lezioni potrebbero essere erogate parzialmente o totalmente a distanza. In entrambi i casi, tutto il materiale delle lezioni verrà reso disponibile online.

Rimane invece in presenza l’attività di laboratorio, nel rispetto delle prescrizioni previste dall’emergenza sanitaria.

 

Due to the public health emergency (Covid19), lessons might be delivered entirely or partially remotely. In both cases, all course material will be provided via remote delivery modalities.

The laboratory activity will be maintained in person, respecting all health emergency rules.

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Orario lezioniV

GiorniOreAula
Lunedì14:00 - 16:00Aula Verde Dipartimento di Fisica
Martedì11:00 - 13:00Aula Verde Dipartimento di Fisica
Giovedì11:00 - 13:00Aula Avogadro Dipartimento di Fisica

Lezioni: dal 23/09/2019 al 22/11/2019

Registrazione
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    Ultimo aggiornamento: 18/06/2020 10:54
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