Conoscenza di base delle interazioni radiazione-materia e dei principi di funzionamento dei rivelatori di radiazioni ionizzanti.

Introduzione alle immagini biomediche: imaging morfologico e funzionale; immagini fisiche e parametriche; immagini digitali; parametri di qualità delle immagini (risoluzione spaziale, contrasto rapporto segnale-rumore); rappresentazione e formati. Il fenomeno della radioattività. Decadimenti radioattivi e attività. Il decadimento beta: considerazioni energetiche. Il processo di Electronic Capture. Lo spettro beta. Vita media del decadimento beta. Il decadimento alfa: considerazioni energetiche. Effetto Tunnel:barriera rettangolare. Effetto Tunnel: barriera nucleare. Vita media del decadimento alfa. Legge di Geiger-Nuttal. Decadimento gamma. Decadimenti radioattivi e l'equazioni di Bateman. Equilibrio secolare. L'imaging funzionale. Il Tecnezio 99m e la medicina nucleare. I rivelatori di radiazione per la medicina nucleare. I collimatori in medicina nucleare. Risoluzione spaziale e sensibilita'. I fotorivelatori: PMT,PSMT, Fotodettori a stato solido. Tomografia ad emissione di positroni(PET). Produzione dei radioisotopi beta+ emettenti. IL Ciclotrone. Il range del positrone e annichilazione nel tessuto. Il positronio. Risoluzione spaziale in PET. Scintillatori e loro proprietà per la PET. Risoluzione Temporale ed Energetica. L'indice di rifrazione dello scintillatore. Geometria dei tomografi PET. Correzioni e Normalizzazioni. Attenuazione e Scattering. NEC. PET a tempo di volo (TOFPET). Formazione delle immagini radiografiche. Produzione dei raggi X. Caratteristiche dei fasci di raggi X. Influenza della scattering Compton sulla formazione delle immagini radiografiche. Radiografia tradizionale, digitalizzazione delle immagini radiografiche analogiche e radiografia digitale. Sistemi CR e DR per radiografia digitale. Screening mammografico, mammografia digitale e strumentazione innovativa per mammografia digitale. Dall'imaging radiografico all'imaging tomografico. Principi dell’imaging tomografico. Tomografia Computerizzata, numero CT. Metodi e parametri per l’acquisizione e la ricostruzione delle immagini tomografiche. Concetti di base dei metodi di ricostruzione: Funzione oggetto e funzione immagine; esempio di funzione oggetto nel caso di CT, PET e SPECT; definizione formale di dispositivo di imaging come sistema lineare; point spread function. Problemi diretti e problemi inversi; esempi di problemi inversi in tomografia. Approccio analitico e approccio iterativo alla ricostruzione di immagini da proiezioni. Ricostruzione analitica. Definizioni: integrale di linea e trasformata di Radon in 2D (geometria parallel-beam); sinogramma. Teorema della Sezione Centrale. Inversione della trasformata di Fourier 2D da dati campionati su una griglia radiale; ricostruzione diretta di Fourier (DFR) e retroproiezione filtrata (FBP). FBP: filtro a rampa; frequenza di taglio; espressione analitica del filtro a rampa nel dominio spaziale; presenza di valori negativi nel sinogramma filtrato e implicazioni. Retroproiezione e suo significato geometrico; aliasing da sottocampionamento angolare; significato fisico dei valori negativi nell’immagine ricostruita. Algoritmo BPF e deconvoluzione. Confronto di FBP e BPF. Ricostruzione analitica di proiezioni divergenti; trasformazioni di coordinate; fattori di peso; ridondanza parziale e metodi di correzione; finestra di Parker; minimo intervallo angolare per ricostruzione esatta. Ricostruzione 3D: CT elicoidale per scanner single slice mediante interpolazione lineare lungo z. Definizione di trasformata di Radon in Rn. Integrali su iperpiani. Ricostruzione CT in geometria cone-beam circolare. Condizione di sufficienza di Tuy-Smith. Metodo di Feldkamp-Davis-Kress. Conseguenze della non esattezza del metodo FDK. Ricostruzione 3D PET: single slice rebinning. Sensibilità vs. accettanza angolare per LOR inclinate. Ricostruzione iterativa. Impostazione del problema diretto; rappresentazione dei dati: vettore immagine, vettore proiezione; matrice del sistema. Esempio: immagine 2x2 con matrice di sistema non singolare. Matrici sparse e metodi iterativi per l’inversione della matrice del sistema; sistemi sottodeterminati e sovradeterminati; metodo di Kaczmarz o ART. Ricostruzione statistica per imaging in emissione: metodo ML-EM; soluzione di prova e generazione del temine di correzione; formula di loop (senza derivazione). Analogie tra tomografia e pianificazione del piano di trattamento in radioterapia. Pianificazione diretta e inversa. Inverse planning in IMRT. Funzione costo, ricerca del minimo globale, cenno sull’algoritmo di Simulated Annealing. Ottimizzazione fisica e ottimizzazione biologica. Esempi di artefatti e tecniche di correzione: indurimento spettrale in CT, correzione di attenuazione PET mediante CT, artefatti da disallineamento geometrico in micro-CT, correzione di artefatti da movimenti di tipo periodico: gating prospettico e retrospettivo. Metodi ed algoritmi di image processing. Tomosintesi. Valutazione delle proprietà di imaging dei sistemi diagnostici. Sistemi di Computer Aided Detection. Esempio di lung CAD. Web/cloud-based services. Problema dosimetrico in CT. Analisi del rumore e delle proprietà di imaging in CT ricostruite con ASIR. Endoscopia virtuale. Imaging multimodale. Introduzione alla radioterapia. Richiami di interazioni radiazione-materia e curve dose-profondità. Cenni di radiobologia. Radioterapia con elettroni e fotoni. Il LINAC. Piani di trattamento. Fonti di errore. Dosimetria. Adroterapia. Monitoraggio PET in adroterapia. BNCT. Imaging molecolare. Prospettive di medicina personalizzata.

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.

AA.VV., Ionizing Radiation detectors for Medical imaging, A. del Guerra Ed., World Scientific

S. Webb, The physics of medical imaging, CRC Press

S. Webb, The physics of three-dimentional radiation theraphy, CRC Press

Esame orale.