Scheda programma d'esame
MEDICAL PHYSICS LABORATORY
MARIA GIUSEPPINA BISOGNI
Academic year2023/24
CoursePHYSICS
Code104BB
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageEnglish

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
LABORATORIO DI FISICA MEDICA - MODULO AFIS/01LABORATORI90
MARIA GIUSEPPINA BISOGNI unimap
PIETRO CARRA unimap
MATTEO MORROCCHI unimap
VALERIA ROSSO unimap
LABORATORIO DI FISICA MEDICA - MODULO BFIS/01LABORATORI90
PIETRO CARRA unimap
ESTHER CIARROCCHI unimap
MATTEO MORROCCHI unimap
GIANCARLO SPORTELLI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze
  • Lo studente avrà acquisito conoscenze in merito agli strumenti e alle metodologie di interesse in Fisica medica con particolare riferimento alle tecniche di rivelazione e di imaging con radiazioni ionizzanti e ottiche.
  • le conoscenze verranno trasmesse sia tramite lezioni frontali introduttive che tramite l'esecuzione di esperienze didattiche svolte in laboratorio oppure, in situazioni di emergenza quali quelle verificatesi durante l'attuale pandemia da covid-19, tramite analisi di dati sperimentali forniti dal docente.
Knowledge
  • The student will have acquired knowledge about the tools and methodologies of interest in medical physics with particular reference to detection and imaging techniques with ionizing and optical radiation.
  • the knowledge will be transferred both through introductory lectures and through the execution of didactic experiences carried out in the laboratory or, in emergency situations such as those occurred during the covid-19 pandemic, through analysis of experimental data provided by the teacher.
Modalità di verifica delle conoscenze
  • Per l'accertamento delle conoscenze saranno organizzati incontri tra il docente e il gruppo di studenti che eseguono le esperienze di laboratorio e stilano la relazione dell'attivita' sperimentale svolta
  • La verifica delle conoscenze sarà oggetto della valutazione delle relazioni che verra' effettuata durante il colloquio d'esame
Assessment criteria of knowledge

• For the assessment of knowledge, meetings will be organized between the teacher and the group of students who perform the laboratory experiences and draw up the reports of the experimental activities
• The knowledge assessment will be based on the evaluation of the reports 

Capacità
  • Lo studente saprà utilizzare vari software di analisi dei dati sperimentali (matlab, python, root) acquisiti durante le esperienze didattiche oppure forniti dal docente
  • Lo studente sarà in grado di presentare in una relazione scritta i risultati dell'attività sperimentale svolta
Skills
  • The student will be able to use various experimental data analysis software (matlab, python, root) acquired during the teaching experiences or provided by the teacher
  • The student will be able to present the results of the experimental activity in a written report
Modalità di verifica delle capacità
  • Durante le sessioni di laboratorio i dati raccolti verranno analizzati con i software di analisi impiegati (matlab, python, root)
  • Lo studente dovrà preparare e presentare una relazione scritta che riporti le motivazioni, i materiali e i metodi e i risultati delle esperienze didattiche di laboratorio con relativa discussione
Assessment criteria of skills
  • During the laboratory sessions the collected data will be analyzed with the analysis software used (matlab, python, root)
  • The student will have to prepare and present a written report showing the motivations, materials and methods and results of the didactic laboratory experiences with relative discussion
Comportamenti
  • Lo studente potrà acquisire e/o sviluppare sensibilità alle problematiche della fisica applicata alla medicina
  • Lo studente potrà saper gestire responsabilità di far parte di un team sperimentale
  • Saranno acquisite opportune accuratezza e precisione nello svolgere attività di raccolta e analisi di dati sperimentali
Behaviors
  • The student will acquire and / or develop sensitivity to the problems of physics applied to medicine
  • The student will be able to manage responsibilities of being part of an experimental team
  • Appropriate accuracy and precision will be acquired in carrying out experimental data collection and analysis
Modalità di verifica dei comportamenti
  • Durante le sessioni di laboratorio saranno valutati il grado di accuratezza e precisione delle attività svolte
  • Durante il lavoro di gruppo saranno verificate le modalità di definizione delle responsabilità, di gestione e organizzazione delle fasi di esecuzione delle misure, analisi deid ati e stesura delle relazioni
Assessment criteria of behaviors
  • During the laboratory sessions, the degree of accuracy and precision of the activities carried out will be assessed
  • During the team work, the methods of defining responsibilities, managing and organizing the phases of execution of the measures, analysis of the data and drafting of the reports will be verified.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

fondamenti di interazione radiazione-materia

Prerequisites

fundamentals of radiation-matter interaction

Indicazioni metodologiche
  • lezioni frontali, con ausilio di slides
  • in laboratorio si formano gruppi, si usano gli strumenti del laboratorio didattico sotto la supervisione dei docenti oppure si analizzano dati messi a disposizione dai docenti
  • portale moodle 
  • ausilio per l'uso della strumentazione fornito da personale di supporto o da codocenti
  • dal sito di elearning del corso e' possibile scaricare materiali didattici, comunicare con i docenti, formare di gruppi di lavoro
  • l' interazione tra studente e docente avviene tramite ricevimenti, uso della posta elettronica o di altri strumenti di comunicazione (piattaforma Msteams)
  • presenza di prova intermedia alla fine del modulo I
  • uso parziale le di lingue diverse dall'italiano
Teaching methods
  • frontal lectures, with the aid of slides
  • in the laboratory groups are formed, the tools of the didactic laboratory are used under the supervision of the teachers or data are analyzed made available by the teachers
  • moodle/elearning portal
  • aid for the use of the instrumentation provided by support staff or by co-teachers
  • from the elearning site of the course it is possible to download teaching materials, communicate with teachers, form working groups
  • the interaction between student and teacher takes place through receptions, use of e-mail or other communication tools (Msteams platform)
  • presence of intermediate test at the end of module I
  • partial use of languages other than Italian
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Programma:

Sorgenti e rivelatori di radiazione ionizzante

  1. Spettroscopia gamma con rivelatori NaI(Tl)
    1. Acquisizione e analisi di spettri di sorgenti radioattive con rivelatore a NaI(Tl)
    2. Misura dell’accettanza geometrica del rivelatore
    3. Misura del coefficiente di attenuazione di rame e alluminio a varie energie della radiazione gamma
    4. Stima dell’attivita’ di sorgenti radioattive
  2. Proprieta’ generali dei rivelatori in Si per la rivelazione di radiazione ionizzante e caratteristiche dell’elettronica ad essi associata
    1. Misura del di rumore di una catena elettronica
    2. Misura di efficienza di un rivelatore
    3. Acquisizione ed analisi di spettri di sorgenti con rivelatori di Si
  3. Determinazione della qualita’ di fasci di raggi X prodotti da macchine radiogene di uso medico
    1. Riproducibilita’ dell’output di un tubo RX
    2. Misura della dose misurata da una camera a ionizzazione in funzione di corrente anodica, tempo di esposizione e kVp
    3. Misura dell’accettanza geometrica
    4. Misura dell’HVL a diversi valori di kVp
    5. Osservazione e quantificazione dell’effetto “tacco”
  4. Fotomoltiplicatori al silicio (SiPM)
    1. Curva caratteristica corrente-tensione
    2. Misura del guadagno
    3. Misura del dark count rate
    4. Misura del cross talk
    5. Tempo di carica e scarica
    6. Spettri con scintillatori e sorgenti radioattive

 

Principi e Tecniche di Imaging

  1. Caratterizzazione di sistemi di imaging a raggi x
    1. Formazione dell'immagine, contrasto e rapporto segnale/rumore
    2. Funzioni di trasferimento
    3. Caratteristiche dei rivelatori
    4. Equalizzazione delle immagini
    5. Risoluzione spaziale del rivelatore: misura della PSF e della MTF
    6. Caratterizzazione del rumore del rivelatore
    7. Misura dell'efficienza e misura della detective quantum efficiency di un rivelatore
    8. Caratterizzazione della sorgente di raggi X: misura dello spot size

 

  1. Studio della tecnologia PET. Caratterizzazione di vari rivelatori PET basati su cristalli scintillatori di materiali diversi (LYSO, BGO, YAP, GAGG) e matrici segmentate. Caratterizzazione dei dati letti da fototubi sensibili alla posizione
    1. Caratteristiche degli spettri energetici e temporali dei vari materiali scintillanti
    2. Sistemi di acquisizione
    3. Tecniche di calibrazione
  1. Caratterizzazione di un sistema di imaging ottico basato su rivelatore CCD
    1. Misura del rumore della CCD
    2. Misura della risoluzione spaziale del sistema di imaging
    3. Misura della quantità di luce raccolta in funzione dell’f/number dell’obiettivo
    4. Esempi di fotoluminescenza di materiali comuni
    5. Analisi di immagini di imaging a luminescenza Cerenkov (CLI)

 

Syllabus

Program:

Lab I: Ionizing radiation sources and detectors

1.Gamma spectroscopy with NaI (Tl) detectors
Acquisition and analysis of spectra of radioactive sources with NaI (Tl) detector
Measurement of the geometric acceptance of the detector
Measurement of the attenuation coefficients of copper and aluminum at various gamma radiation energies
Estimate of the activity of radioactive sources and efficiency of the detector
2.General properties of Si detectors for the detection of ionizing radiation and characteristics of the electronics associated with them
Measurement of the noise of an electronic chain
Measurement of efficiency of a detector
Acquisition and analysis of source spectra with Si detectors
3.Determination of the quality of X-ray beams produced by x-ray machines for medical use
Reproducibility of the output of an X-ray tube
Measurement of the dose measured by an ionization chamber as a function of anodic current, exposure time and kVp
Measurement of geometric acceptance
Measurement of HVL at different kVp values
Observation and quantification of the "heel" effect
4.Silicon photomultipliers (SiPM)
Current-voltage characteristic curve
Gain measurement
Dark count rate measurement
Cross talk measurement
Charging and discharging time
Spectra with scintillators and radioactive sources

lab II: Imaging principles and techniques

1.Characterization of x-ray imaging systems
Image formation, contrast and signal / noise ratio
Transfer functions
Detector features
Equalization of images
Spatial resolution of the detector: measurement of PSF and MTF
Detector noise characterization
Measurement of the efficiency and measurement of the detective quantum efficiency of a detector
Characterization of the X-ray source: measurement of the spot size

2. Study of PET technology. Characterization of various PET detectors based on scintillating crystals of different materials (LYSO, BGO, YAP, GAGG) and segmented matrices. Characterization of data read by position-sensitive phototubes. Characteristics of the energy and temporal spectra of various scintillating materials. Acquisition systems. Calibration techniques.

3.Characterization of an optical imaging system based on a CCD detector
CCD noise measurement
Measurement of the spatial resolution of the imaging system
Measurement of the amount of light collected as a function of the lens f / number
Examples of photoluminescence of common materials
Cerenkov Luminescence Imaging Image Analysis (CLI)

Bibliografia e materiale didattico

G.F. Knoll, Radiation detection and measurement, J.Wiley & Sons, New York; H. E. Jhons, J.R. Cunningham, The Physics of radiology, C.C. Thomas, Springfield; S. Webb, The Physics of Medical Imaging, Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia; J. Beutel, H.L. Kundel, R.L. Van Metter, Handbook of Medical Imaging, SPIE Press, Bellingham, Whashington, USA; Materiale didattico fornito dai docenti.

Bibliography

G.F. Knoll, Radiation detection and measurement, J.Wiley & Sons, New York; H. E. Jhons, J.R. Cunningham, The Physics of radiology, C.C. Thomas, Springfield; S. Webb, The Physics of Medical Imaging, Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia; J. Beutel, H.L. Kundel, R.L. Van Metter, Handbook of Medical Imaging, SPIE Press, Bellingham, Whashington, USA; Tutorials and support material provided by the teacher.

Indicazioni per non frequentanti

E' fortemente consigliata la frequenza

Non-attending students info

attendance is strongly suggested

Modalità d'esame
  • L'esame è costituito da una prova orale per ciascun modulo in cui verranno discussi gli elaborati scritti (relazioni) relativi alle esperienze didattiche svolte. Le relazioni dovranno essere consegnate ai docenti con largo anticipo prima della data dell'esame per permettere agli stessi di formulare un giudizio completo.
  • La prova orale è non superata se:
    la prova non è superata se il candidato mostra di non essere in grado di esprimersi in modo chiaro e di usare la terminologia corretta oppure se il candidato non risponde correttamente almeno  alla parte piú basilare del corso oppure se non e' in grado di spiegare e giustificare il contenuto delle relazioni scritte.
Assessment methods
  • The exam consists of an oral session for each lab module in which the written reports relating to the didactic experiences will be discussed. The reports must be delivered to the teachers well in advance before the exam date to allow them to make a complete evaluation.
  • The oral exam is not passed if: if the candidate shows that he/she is unable to express himself clearly and to use the correct terminology; or if the candidate does not answer correctly at least to the most basic part of the course or if he/she is unable to explain and justify the content of the written reports.
Updated: 17/09/2023 19:30