Fisica e tecniche delle immagini biomediche (2014/2015)

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 sem. Claudia Daffara
Tecniche di imaging 3 I sem. Pasquina Marzola

Orario lezioni

I sem.
Attività Giorno Ora Tipo Luogo Note
Elementi di ottica e fisica atomica e nucleare lunedì 8.30 - 11.30 lezione Aula H  
Elementi di ottica e fisica atomica e nucleare mercoledì 16.30 - 18.30 lezione Aula F  
Elementi di ottica e fisica atomica e nucleare giovedì 16.30 - 19.30 lezione Aula I  

Obiettivi formativi

Modulo:
-------
- Prima Parte: Basi fisiche delle tecniche di imaging biomedico.
Ottica: teoria ondulatoria, onde meccaniche e onde elettromagnetiche, strumentazione ottica. Fisica moderna: proprietà corpuscolari e ondulatorie della radiazione e della materia, principi della meccanica quantistica. Fisica atomica. Fisica del nucleo.

- Seconda Parte: Tecniche di imaging biomedico
Imaging ad ultrasuoni. Tomografia. Raggi X, Tomografia Assiale Computerizzata. Tecniche di Medicina Nucleare (PET e SPECT). Tomografia a Risonanza Magnetica. Imaging ottico. Microscopia.

Programma

Modulo:
-------

I° MODULO: Elementi di ottica e fisica atomica e nucleare
------

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.

II MODULO: Tecniche di imaging
------

- 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. 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.


-Microscopia ottica ed elettronica.

Modalità d'esame

Modulo:
-------

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 sull’argomento specifico e poste domande sull’intero programma del corso.

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.

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

Statistiche esiti
Esiti Esami Esiti Percentuali Media voti Deviazione Standard
Positivi 100.0% 28 0
Respinti --
Assenti --
Ritirati --
Annullati --
Distribuzione degli esiti positivi
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 30 e Lode
0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 50.0% 50.0% 0.0% 0.0% 0.0%

Valori relativi all'AA 2014/2015 calcolati su un totale di 2 iscritti. I valori in percentuale sono arrotondati al numero intero più vicino.