Fisica e tecniche delle immagini biomediche (2013/2014)

Corso a esaurimento (attivi gli anni successivi al primo)

Codice insegnamento
4S000644
Crediti
6
Coordinatore
Pasquina Marzola
Settore disciplinare
FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE
Lingua di erogazione
Italiano
L'insegnamento è organizzato come segue:
Attività Crediti Periodo Docenti
Elementi di ottica e fisica atomica e nucleare 3 I semestre Claudia Daffara
Tecniche di imaging 3 I semestre Pasquina Marzola

Orario lezioni

I semestre
Attività Giorno Ora Tipo Luogo Note
Elementi di ottica e fisica atomica e nucleare mercoledì 17.30 - 19.30 lezione Aula L dal 2-ott-2013  al 27-nov-2013
Elementi di ottica e fisica atomica e nucleare giovedì 16.30 - 19.30 lezione Aula H dal 3-ott-2013  al 28-nov-2013
Tecniche di imaging lunedì 9.30 - 12.30 lezione Aula H dal 16-dic-2013  al 31-gen-2014
Tecniche di imaging mercoledì 17.30 - 19.30 lezione Aula L dal 4-dic-2013  al 31-gen-2014
Tecniche di imaging giovedì 16.30 - 19.30 lezione Aula H dal 5-dic-2013  al 31-gen-2014

Obiettivi formativi

Programma sintetico:
Prima Parte: Basi fisiche delle tecniche di Imaging Biomedico
Ottica: Equazione delle onde: onde meccaniche e onde elettromagnetiche.
Fisica Moderna: Proprietà corpuscolari e ondulatorie della radiazione e della material. Fisica atomica. Fisica del Nucleo.
Seconda Parte: Tecniche di Imaging
Imaging ad ultrasuoni.
Tomografia. Raggi X, Tomografia Assiale Computerizzata. Tecniche di Medicina Nucleare (PET e SPECT).
Tomografia a Risonanza Magnetica.
Microscopia.

Programma

Modulo:
-------
Prima parte
Ottica
- Onde: equazione delle onde, onde piane, onde sferiche, onde armoniche, principio di sovrapposizione, interferenza, onde stazionarie, dispersione, intensità.
- Riflessione e rifrazione delle onde: proprietà cinematiche e dinamiche, riflessione totale.
- Onde meccaniche: onde sonore, intensità, impedenza, effetto Doppler
- Onde elettromagnetiche: equazioni di Maxwell e propagazione di onde e.m., intensità dell’onda e.m., effetto Doppler, propagazione in un mezzo, dispersione, indice di rifrazione, spettro e.m., sorgenti di onde e.m, interazione radiazione-materia, polarizzazione, sorgente puntiforme, onde sferiche.
- Ottica ondulatoria: riflessione e rifrazione delle onde e.m. (intensità, polarizzazione, variazione di fase), principio di Huygens-Fresnel. Interferenza, sorgenti coerenti, laser, limite di sorgente puntiforme, esperimento di Young, interferenza su lamine sottili, sorgenti incoerenti, diffusione, interferometro di Michelson. Diffrazione (in campo lontano): fenditura, apertura circolare, disco opaco, diffusione da più centri. Limite di risoluzione lenti. Reticolo di diffrazione. Diffrazione X
- Ottica geometrica: leggi della riflessione e trasmissione; riflessione totale interna. Specchi, prismi, lenti sottili. Criterio di Raylegh. Strumenti ottici e formazione immagini.
- Microscopia: microscopia ottica e elettronica, confocale, microscopio a scansione a effetto tunnel.

Fisica Moderna
- Proprietà corpuscolari e ondulatorie della radiazione e della materia: fotone, radiazione termica di corpo nero, teoria di Planck, effetto fotoelettrico, effetto Compton, produzione di coppie. Onde di materia di De Broglie, pacchetto d’onde.
- Principio di indeterminazione, funzione d’onda, equazione di Schroedinger, stati liberi e stati legati, quantizzazione dei livelli di energia. Effetto tunnel.
- Fisica atomica: elettroni legati nell’atomo, modello dell’atomo di Bohr e atomo di idrogeno quantistico, righe spettrali, numeri quantici. Momento angolare orbitale, momento angolare intrinseco di spin, magnetismo atomico. Quantizzazione spaziale ed esperimento di Stern-Gerlach, risonanza magnetica nucleare, spettro dei raggi X emessi dagli atomi, effetto Bremstrahlung, spettro continuo e spettro caratteristico.
- Fisica del nucleo: diffusione di Rutherford. Interazione forte. Proprietà del nucleo. Spin e magnetismo nucleare. Equivalenza massa energia. Decadimento radioattivo. Decadimento alfa. Decadimento beta.

Seconda Parte
Imaging ad ultrasuoni
Onde meccaniche. Ultrasuoni. Il dB. Velocità di propagazione. Interazione ultrasuoni materia: riflessione, rifrazione, scattering. Attenuazione degli ultrasuoni. Principio di funzionamento della ecografia. Schema a blocchi di un ecografo. Materiali piezoelettrici. Trasduttore. Proprietà del fascio di ultrasuoni. Risoluzione spaziale. Funzionamento in A-mode e B-mode. Utilizzo diagnostico dell’effetto doppler.
Imaging a raggi X
Generazione dei raggi X, Interazione radiazione-materia. Attenuazione dei raggi X. Coefficiente di attenuazione lineare dei tessuti. Formazione dell’immagine radiologica. Contrasto.
Ricostruzione tomografica (backprojection reconstruction). Tomografia computerizzata a raggi x. Macchine di 1°, 2°, 3° generazione. Macchine di 4° generazione e tomografia computerizzata spirale (Spiral CT). Schema a blocchi di una apparecchiatura. Rivelatori di raggi x. Lastre fotografiche, camere a ionizzazione, scintillatori, fotomoltiplicatori.
Tecniche di medicina nucleare
Atomi stabili e radioattivi. Radiofarmaci. Gamma camera, collimatori. SPECT e PET. Schema a blocchi dell’apparato sperimentale. Applicazioni.
Tomografia a risonanza magnetica
Tomografia a Risonanza magnetica. Lo spin. Livelli energetici di un sistema di spin in un campo magnetico e transizioni. Popolazione dei livelli energetici. Vettore magnetizzazione ed Equazioni semiclassiche di Bloch . Moto di precessione della magnetizzazione. Sistema di riferimento ruotante. Rilassamento T1e T2. Impulso di r.f. e rotazione della magnetizzazione. Free Induction Decay. Sequenze 90°-FID, Spin-echo. L’introduzione del gradiente per ottenere informazione spaziale. Le sequenze di Imaging. Schema a blocchi del Tomografo a Risonanza Magnetica.
Tecniche di Imaging Ottico
Propagazione della luce nei tessuti biologici: assorbimento e scattering. Legge di Lambert Beer. Coefficiente di assorbimento. Caratteristiche ottiche dei tessuti biologici. Finestra di trasparenza dei tessuti. Scattering elastico nell’approssimazione di Rayleigh e di Mie. Emissione di Fluorescenza e di bioluminescenza.

Testi consigliati:
1) The basics of MRI, JP Hornak, http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/.
2) Bushberg JT, The essential physics of medical imaging, Lippincott Williams & WilkinsGuy
3) Hendee RW, Ritenour ER, Medical imaging physics, Wiley-Liss
4) Guy C, Ffytche D, An Introduction to the principles of medical imaging, Imperial College Press.

Modalità d'esame

Modulo:
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L'esame consisterà in una prova orale in cui il candidato esporrà una delle tecniche di Imaging studiate, eventualmente con l'aiuto di una presentazione PowerPoint. Durante l'esposizione allo studente potranno essere chiesti chiarimenti e dettagli da parte della commissione.

Statistiche per i requisiti di trasparenza (Attuazione Art. 2 del D.M. 31/10/2007, n. 544)

I dati relativi all'AA 2013/2014 non sono ancora disponibili