ECTS - University of Pisa
Il corso fornisce le basi fisiche delle tecniche diagnostiche in radiologia (principalmente con raggi X), in medicina nucleare con radioisotopi emettitori di singolo fotone e di positroni, e delle tecniche usate in radioterapia.
The student who succesfully completes the course will be able to demonstrate a solid knowledge of the physics principles and techniques of medical imaging and radiotherapy. In particular the student will be able to demonstrate advanced knowledge in the field of radioactive decay, X-ray radiology, nuclear medicine imaging, image reconstructing techniques and radiotherapy.
Le conoscenze verranno verificate durante la prova d'esame.
During the oral the student will be assessed on the competence of the basic physics phenomena that are at the basis of nuclear imaging, of the physical properties of the detectors that are necessary with ionizing radiation and of the technology as used in medical imaging and radiotherapy.
Methods:
Al termine del corso gli studenti saranno in grado di riconoscere le basi teoriche dei processi fisici rilevanti per la radiologia e la medicina nucleare, i principi di funzionamento, le prestazioni ed i limiti dei sistemi di rivelazione per la diagnostica con radiazioni ionizzanti e per la radioterapia.
Le capacità verranno verificate durante la prova d'esame.
Gli studenti saranno in grado di applicare sperimentalmente le conoscenze acquisite e di condurre gli esperimenti con sistemi di imaging con radiazioni ionizzanti previsti nel corso di laboratorio.
I comportamenti verranno verificati in forma teorica durante la prova d'esame.
Conoscenza di base delle interazioni radiazione-materia e dei principi di funzionamento dei rivelatori di radiazioni ionizzanti.
Delivery: face to face
Learning activities:
Attendance: Advised
Teaching methods:
Radioattività e decadimenti radioattivi: Decadimenti beta, alfa e gamma. Equazioni di Bateman e Equilibrio secolare.
Interazioni delle radiazioni ionizzanti con la materia. Interazioni delle particelle cariche: collisioni inelastiche di particelle cariche pesanti, elettroni e positroni; Bremsstrahlung; scattering elastico. Range e potere frenante. Interazioni dei Fotoni: assorbimento fotoelettrico, scattering coerente e incoerente, produzione di coppie. Attenuazione massica e coefficienti di assorbimento.
Introduzione alle immagini biomediche.
Radiografia: Principi fisici; tubi a raggi X; fattori che influenzano la formazione di una immagine radiografica. Radiografia analogica, lastre radiografiche e schermi di rinforzo. Caratterizzazione delle immagini radiografiche. Sistemi CR (Computed Radiography). Radiografia digitale e relativa strumentazione: CCD, flat panel a conversione indiretta, flat panel a conversione diretta, semiconduttori cristallini, imaging con conteggio del singolo fotone. Mammografia digitale (DM): strumentazione commerciale e di ricerca. CESM (Contrast Enhanced Spectral Mammography). Imaging a raggi X con contrasto di fase.
Tomografia computerizzata (CT): Principi dell'imaging tomografico, integrali di linea, unità Hounsfield, generazioni di tomografi CT. Parametri di acquisizione e di ricostruzione. CT spirale e CT spirale multistrato. Strumentazione: tubi a raggi X, rivelatori, elettronica, sistemi di acquisizione e metodi di ricostruzione. Criteri di valutazione dosimetrici e di imaging, artefatti. Endoscopia virtuale. Strumentazione e software di ricerca in CT.
Tomosintesi digitale: principi, strumentazione, principali applicazioni (breast e lung) e confronti con DM e CT.
Risonanza Magnetica Nucleare: principi fisici, imaging, spettroscopia.
Ecografia e Augmented Reality Ultrasound.
Medicina Nucleare: SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography): strumentazione, modalità di acquisizione e formazione delle immagini. Introduzione alla PET (Positron Emission Tomography).
Introduzione alla radioterapia. Curve dose-profondità. Basi fisiche e biologiche degli effetti biologici della radiazioni ionizzanti. Cenni di radiobiologia. Curve dose-effetto. TCP e NTCP. Radioterapia con fasci di fotoni: convenzionale, conformazionale, IMRT, strumentazione. Dosimetria in Radioterapia. Istogrammi dose-volume. Brachiterapia.
Radioactivity. Decay by beta, alfa and gamma emissions. Decay of radioactivity. Bateman equations; secular equilibrium.
Ionizing radiation interactions with matter. Charged Particle Interactions: inelastic collisions of heavy charged particles, electrons and positrons; bremsstrahlung, elastic scattering. Ranges and stopping power. Photon interactions: photoelectric absorption, coherent and incoherent scattering, pair production. Mass Attenuation and absorption coefficients.
Introduction to biomedical imaging.
Radiography: Physical principles; X-ray tubes; factors affecting the formation of a radiographic image. Analog radiography, screen-film systems. Characterization of radiographic images. Computed radiography. Digital radiography and related instrumentation: CCD, indirect conversion flat panel, direct conversion flat panel, crystalline semiconductors, imaging with single photon counting. Digital mammography (DM): commercial and research instrumentation. CESM (Contrast Enhanced Spectral Mammography). Phase contrast X-ray imaging.
Computed Tomography (CT): Principles of tomographic imaging, line integrals, Hounsfield units, generations of CT tomographs. Acquisition and reconstruction parameters. Spiral CT and multislice spiral CT. Instrumentation: X-ray tubes, detectors, electronics, acquisition systems and reconstruction methods. Dosimetric and imaging evaluation criteria, artifacts. Virtual endoscopy. Research instrumentation and software in CT.
Digital tomosynthesis: principles, instrumentation, main applications (breast and lung) and comparisons with DM and CT.
Nuclear Magnetic Resonance: Physical principles, imaging, spectroscopy.
Ultrasound and Augmented Reality Ultrasound.
Nuclear Medicine: SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography): instrumentation, acquisition modes and image formation. Introduction to PET (Positron Emission Tomography).
Introduction to radiotherapy. Dose-depth curves. Physical and biological basis of the biological effects of ionizing radiation. Basics of radiobiology. Dose-effect curves. TCP and NTCP. Radiotherapy with photon beams: conventional, conformational, IMRT (Intensity Modulated RadioTheraphy), instrumentation. Dosimetry in Radiotherapy. Dose-volume histograms. Brachytherapy.
Slides delle lezioni, dispense e lavori scientifici distribuiti durante il corso.
E. Fermi, Nuclear Physics, The University of Chicago Press
G.F. Knoll, Radiation detetion and measurement, Wiley & Sons.
A. Brahme, Comprehensive Biomedical Physics, Elsevier.
S. Webb, The physics of medical imaging, CRC Press.
S. Webb, The physics of three-dimentional radiation theraphy, CRC Press.
Slides and papers distributed during the lectures.
E. Fermi, Nuclear Physics, The University of Chicago Press
G.F. Knoll, Radiation detetion and measurement, Wiley & Sons.
A. Brahme, Comprehensive Biomedical Physics, Elsevier.
S. Webb, The physics of medical imaging, CRC Press.
S. Webb, The physics of three-dimentional radiation theraphy, CRC Press.
L'esame consisterà in una prova orale sugli argomenti trattati nel corso.
