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Coronavirus: aggiornamenti per la comunità universitaria / Coronavirus: updates for UniTo Community
Oggetto:
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Laboratorio di fisica sanitaria

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Biomedical Physics Laboratory

Oggetto:

Anno accademico 2022/2023

Codice attività didattica
MFN1345
Docenti
Prof. Vincenzo Monaco (Titolare del corso)
Prof. Roberto Sacchi (Titolare del corso)
Dott. Anna Vignati (Titolare del corso)
Prof. Roberto Cirio (Titolare del corso)
Corso di studio
008510-101 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica Nucleare e Subnucleare e Biomedica
008510-102 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica Biomedica
Anno
1° anno
Periodo
Primo semestre
Tipologia
A=Di base
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Obbligatoria
Tipologia esame
Orale
Prerequisiti

Nozioni di base di struttura della materia, dei meccanismi di interazione della radiazione con la materia e di tecniche di analisi statistica dei dati trattate nei corsi del triennio.

Basic knowledge of atomic, solid state physics, of the interaction mechanisms of radiation with matter and of statistical data analysis, as provided by the courses of the triennium.
Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

Il corso si propone di fornire agli studenti nozioni fondamentali sulle tecniche di rivelazione di radioisotopi e misure di attività in matrici ambientali e su alcune moderne tecniche diagnostiche utilizzate in medicina tramite attività di laboratorio nelle quali gli studenti possono utilizzare strumentazione avanzata per operare misure di precisione. Queste attività sono precedute da lezioni erogate a distanza in cui vengono affrontati gli aspetti fondamentali sui quali tali tecniche si basano, i principi di funzionamento della strumentazione utilizzata e le tecniche di misura e di analisi dei dati raccolti. In particolare verranno trattate le tecniche di spettroscopia gamma con rivelatori al germanio iperpuro, misure rilassometriche con risonanza magnetica nucleare e ricostruzione tomografica di immagini con raggi X e risonanza magnetica.

This course aims at providing the basics on the experimental techniques for the detection of radioisotopes and the measurement of their activity in environmental samples and on the modern diagnostic techniques in medicine through laboratory activities where the students make use of advanced instrumentations for precision measurements. These activities are preceded by online lessons where the physics principles on which the techniques are based are reviewed, together with the operating principles of the instrumentation and the measurement and data analysis procedures. In particular, the laboratory activity will focus on gamma ray spectroscopy with HPGE, relaxometric measurements with nuclear magnetic resonance  and image reconstruction through magnetic resonance and X-ray computed tomography.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e capacità di comprensione

Lo/a Studente/ssa dovrà conoscere e comprendere le nozioni fondamentali necessarie per descrivere, quantificare e utilizzare alcune tecniche sperimentali nell’ambito della fisica sanitaria e della diagnostica medica. Tali nozioni comprendono:

  • la fisica delle interazioni radiazione materia e di risonanza magnetica nucleare;
  • le principali caratteristiche della radioattività ambientale;
  • i principi di funzionamento di rivelatori HPGE e dei relativi sistemi di acquisizione dei segnali; 
  • i principi di ricostruzione delle immagini tramite misure di NMR;
  • gli algoritmi di retroproiezione e di filtraggio per la ricostruzione di immagini dalle proiezioni.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Lo/a Studente/ssa dovrà saper scegliere tra le nozioni apprese a lezione quelle appropriate per affrontare con spirito critico le esperienze di laboratorio durante il corso e le diverse situazioni che incontrerà nell’ambito della futura professione. In particolare, gli studenti

  • osserveranno e interpreteranno i segnali, otterranno i dati sperimentali e ricaveranno le quantità di interesse attraverso una corretta trattazione statistica, determinando l’incertezza sui risultati ottenuti;
  • utilizzeranno strumentazione tecnologicamente avanzata per le misure di laboratorio;
  • analizzeranno e interpreteranno le immagini ricostruite, individueranno artefatti ed applicheranno filtri di correzione;
  • produrranno un report completo e dettagliato delle attività sperimentali svolte.

Autonomia di giudizio.

Lo/a Studente/ssa dovrà acquisire un buon grado di autonomia nella scelta della strumentazione adatta ad una specifica attività sperimentale, nel suo corretto utilizzo e nell’impostazione dell’analisi sperimentale. Inoltre, lo/a Studente/ssa dovrà analizzare criticamente il metodo di misura utilizzato al fine di individuare le possibili sorgenti di incertezze sistematiche e dovrà mostrare una buona capacità di discussione delle strategie adottate.

Abilità comunicative.

Lo/a Studente/ssa dovrà far uso della terminologia tecnico-scientifica specifica in modo adeguato, per poterla utilizzare nelle discipline oggetto del Corso di Studi e nell’ambito della professione. 

Capacità di apprendimento.

Le conoscenze e le competenze acquisite consentiranno allo/a Studente/ssa di approfondire l’approccio scientifico all’attività sperimentale e alla successiva analisi, permettendogli di applicarli in autonomia nelle discipline oggetto del Corso di Studi e in diversi ambiti della pratica professionale. 

Knowledge and understanding

The Student must know and understand the basic notions necessary to describe, quantify and use some experimental techniques in the field of health physics and medical diagnostics. These notions include:

  • the physics of radiation-matter interactions and nuclear magnetic resonance;
  • the main characteristics of environmental radioactivity;
  • the working principles of HPGE detectors and related signal acquisition systems;
  • the principles of image reconstruction through NMR measurements;
  • the back projection and filtering algorithms for the reconstruction of images from projections.

Ability to apply knowledge and understanding

The Student must be able to choose the appropriate concepts from the notions learned in class. This will allow him to deal with the laboratory experiences during the course and the different situations he/she will encounter in the future profession with a critical spirit. In particular, the Students

  • will observe and interpret the signals, obtain the experimental data and derive the quantities of interest through a correct statistical treatment, evaluating the uncertainty of the results obtained;
  • will use technologically advanced instrumentation for laboratory measurements;
  • will analyze and interpret the reconstructed images, identifying artifacts and applying correction filters;
  • will produce a complete and detailed report of the experimental activities carried out.

Autonomy of judgment.

The Student must acquire a good degree of autonomy in choosing the equipment suitable for a specific experimental activity, in its correct use and in setting up the experimental analysis. Furthermore, the Student must critically analyze the measurement method used in order to identify the possible sources of systematic uncertainties and must show a good ability to discuss the strategies adopted.

Communication skills.

The Student must adequately use of the specific technical-scientific terminology, in order to be able to use it in the disciplines covered by the next courses of the Corso di Studi and within the future profession.

Learning ability.

The knowledge and skills acquired will allow the Student to deepen the scientific approach to the experimental activity and subsequent analysis, allowing him to apply them independently in the disciplines covered by the next courses of the Corso di Studi and in different areas of his/her professional practice.

Oggetto:

Programma

Introduzione all'analisi dei segnali nel dominio delle frequenze

  • Proprietà di serie e integrali di Fourier, teorema della convoluzione, funzioni a banda limitata e teorema del campionamento, aliasing
  • Trasformate di Fourier finite, proprietà di ciclicità, convoluzione, errori di wraparound e zero padding
  • Trasformate di Fourier in 2D

Spettroscopia gamma con rivelatori al germanio iperpuro (HPGe)

  • Proprietà dei semiconduttori intrinseci e drogati, la giunzione pn, rivelatori a semiconduttore
  • Caratteristiche dei rivelatori HPGe e del sistema di acquisizione dati
  • Meccanismi di interazione dei fotoni con il cristallo e caratteristiche dello spettro del multicanale, metodo per la calibrazione del rivelatore e per le misure di attività
  • Caratteristiche dei decadimenti radioattivi, radioattività ambientale. Introduzione all'attività di laboratorio.

Rilassometria e ricostruzione di immagini con Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)

  • Principi di funzionamento e determinazione dei parametri operativi di un apparato NMR.
  • Sequenze di spin-echo e inversion-recovery per misura dei tempi di rilassamento T1 e T2.
  • Dipendenza dei tempi di rilassamento dalla dinamica molecolare
  • Uso di gradienti per ricostruzione di immagini in NMR. Scelta dei parametri delle sequenze per ottimizzazione del contrasto.

Ricostruzione di immagini dalle proiezioni e la tomografia a raggi X

  • Trasformata di Radon, sinogramma, teorema della proiezione di Fourier 
  • Retroproiezione e retroproiezione filtrata, algorimi numerici, filtri di ricostruzione
  • Applicazioni alla tomografia a raggi X: artefatti di ricostruzione, numeri Hounsfield, energia efficace, calibazione assoluta
  • principali caratteristiche degli scanner medicali

Introduction to signal analysis in the frequency domain

  • Properties of Fourier series and integrals, convolution theorem, sampling theorem, aliasing
  • Finite Fourier Transform and its properties, 2D Fourier transforms. 

Gamma spectroscopy with High Purity Germanium detectors (HPGe) 

  • Propoerties of intrinsic and doped semiconductors, the pn junction, semiconductor detectors
  • Main features of an HPGe detector and of the data acquisition system
  • Interaction mechanisms of photons and features of the MCA spectra, procedure for the detector calibration and for the measurement of the activity
  • Radioactive decays and environmental radioactivity. Introduction to the laboratory activity.

Relaxometry and image reconstruction with Nulcear Magnetic Resonance (NMR)

  • Priniciples of Nuclear Magnetic Resonance and determination of operational parameters of a NMR instrument.
  • Spin-echo and inversion-recovery sequences and measurements of relaxation times T1 and T2.
  • Dependence of relaxation times on molecular dynamics.
  • Use of gradients for image reconstruction in NMR. Optimization of the contrast through proper choice of the sequence parameters.

Image reconstruction from projections and the X-ray tomography 

  • Radon transform and the sinogram, the Fourier slice theorem 
  • Filtered backprojection: numerical algorithms and reconstruction filters
  • X-ray tomography: reconstruction artefacts, Hounsfield numbers, effective energy, absolute calibration.
  • Main features of the medical CT scanners

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Modalità di insegnamento

Il corso si divide in 26 ore di lezioni erogate in presenza (salvo aggiornamenti sui provvedimenti adottati da UniTo e disponibili sul sito "Disposizioni per chi studia e lavora in UniTo" https://www.unito.it/ateneo/gli-speciali/coronavirus-aggiornamenti-la-comunita-universitaria/disposizioni-chi-studia-e) in cui sono affrontati i principi fisici, le tecniche sperimentali e gli algoritmi di ricostruzione, seguite da 34 ore per studente di attività in laboratorio, tipicamente suddivise in gruppi di 4 ore. Gli studenti sono distribuiti in gruppi da 2 o 3 persone per svolgere le attività sperimentali nei tempi pianificati dal calendario di occupazione della strumentazione. Il lavoro di preparazione delle relazioni viene svolto in modo autonomo dai gruppi; sono comunque organizzati su richiesta incontri per chiarimenti durante la stesura degli elaborati.

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. E' invece obbligatoria la frequenza in laboratorio per almeno il 70% delle ore previste.

The teaching is organized as follows:

  • 26 hours of lectures in person (subject to updates on the measures adopted by UniTo and available on the website "Disposizioni per chi studia e lavora in UniTo" https://www.unito.it/ateneo/gli-speciali/coronavirus-aggiornamenti-la-comunita-universitaria/disposizioni-chi-studia-e) aimed at presenting the physics principles, the experimental methods and the reconstruction techniques;
  • 34 hours of laboratory activities per student. The students will be divided in working groups of 2 or 3 to carry out the activities following a planning of use of the instrumentation.

The preparation of the reports is done independently by each group; however meetings are organized upon request to provide explanations during writing.

The participation to the classroom lectures is not compulsory. Attendance to the laboratory activity is mandatory for at least 70% of the time planned.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento si basa sulla valutazione delle relazioni delle attività di laboratorio, redatte da ciascun gruppo, e sull'esito di una prova di esame orale individuale in presenza (salvo aggiornamenti sui provvedimenti adottati da UniTo e disponibili sul sito ""Disposizioni per chi studia e lavora in UniTo" https://www.unito.it/ateneo/gli-speciali/coronavirus-aggiornamenti-la-comunita-universitaria/disposizioni-chi-studia-e).

Agli studenti e alle studentesse che rientrino in una delle condizioni di seguito riportate, autocertificate nella fase di prenotazione all’appello:
residenza fuori Regione
situazione di fragilità
positività al COVID-19
è garantita la possibilità di svolgere l’esame a distanza, secondo una delle modalità previste dall’Ateneo, avuto anche riguardo alle specifiche esigenze degli studenti e delle studentesse con disabilità e con disturbi specifici dell’apprendimento.

Nelle relazioni è valutata la capacità del gruppo di studenti di adottare le procedure appropriate per la strumentazione di laboratorio, la capacità di interpretare e giustificare sia i metodi sia i risultati ottenuti, il corretto utilizzo dei metodi di analisi statistica dei dati e la capacità di sintesi e di utilizzo di un corretto linguaggio scientifico. La relazione può essere redatta sia in italiano sia in inglese e deve essere consegnata in formato elettronico almeno una settimana prima del primo appello di esame disponibile. La valutazione finale, espressa in 30-esimi, è comune a tutti i partecipanti del gruppo e mantiene la sua validità anche per gli appelli successivi.

Nella prova orale si verifica la capacità di esporre e giustificare le tecniche sperimentali utilizzate in laboratorio nonché la conoscenza dei principi fisici, delle tecniche sperimentali e degli algoritmi di ricostruzione trattati a lezione. La valutazione della prova orale è espressa in 30-esimi.

Il voto finale è ottenuto come valore medio della valutazione delle relazioni presentate e della prova orale.

The learning evaluation is based on the examination of the reports of the laboratory activities, written by each group, and on the outcome of an oral exam of each student in person ((subject to updates on the measures adopted by UniTo and available on the website "Disposizioni per chi studia e lavora in UniTo" https://www.unito.it/ateneo/gli-speciali/coronavirus-aggiornamenti-la-comunita-universitaria/disposizioni-chi-studia-e).

Students in one of the following conditions, self-certified when signing up to the exam:
residence outside the region
situation of fragility
positivity to COVID-19
the possibility of taking the remote exam is guaranteed, according to one of the methods provided by the University, also having regard to the specific needs of students with disabilities and specific learning disabilities.

The evaluation of the reports aims at verifying the ability in using the correct procedures for the use of the instrumentation, in interpreting and justifying both the methods and the results obtained, in applying the correct the statistical methods for the data analysis and in summairizing it with the correct scientific terminology. The report can be written in Italian or English language and must be handed in electronic format at least one week before the first session of oral exams. The grade, expressed in in thirtieths, which keeps its validity for all the following sessions of oral exams, is common to all the participants of the group.

The oral exam is aimed at verifying the ability of the student in explaining and justifying the experimental techniques used in the laboratory activity and the knowledge of the physics principles, experimental techniques and reconstruction algorithms discussed in the lectures. The grade of the oral exam is expressed in thirtieths.

The final grade of the exam is the average of the grades of the reports and of the oral exam.

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

 

K.Debertin,  R.G.Helmer, Gamma and X-ray spectrometry with semiconductor detectors, North-Holland, 1988, ISBN: 9780444871077

Rafael C. Gonzalez and Richard E. Woods, Digital Image Processing 4th Edition,  Pearson,  ISBN: 9780133356724
Url: http://www.imageprocessingplace.com

Avinash C. Kak, Malcolm Slaney, Principles of Computerized Tomographic Imaging, SIAM, ISBN: 978-0-89871-494-4
Url: http://www.slaney.org/pct/

Jiang Hsieh, Computed Tomography Principles, Design, Artifacts, and Recent Advances 2nd Edition, Wiley, ISBN: 978-0-470-56353-3
Url: http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-0470563532.html

R.K.Hobbie, B.J.Roth, Intermediate Physics for Medicine and Biology 5th edition, Springer, ISBN: 978-3-319-12682-1
Url: http://www.springer.com/la/book/9783319126814

JT Bushberg, JA Seibert, EM Leidholdt and JM Boone, The Essential Physics of Medical Imaging, Third Edition, Lippincott, Williams and Wilkins, Baltimore, ISBN: 9780781780575 
Url: https://shop.lww.com/Essential-Physics-of-Medical-Imaging/p/9780781780575

Robert W. Brown, et. al., Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design, 2nd Edition, Wiley, ISBN: 978-0-471-72085-0
Url: http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-0471720852.html

S. Webb, The Physics of Medical Imaging, CRC Press , ISBN: 9781439822081
Url: https://www.crcpress.com/The-Physics-of-Medical-Imaging/Webb/p/book/9781439822081



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Orario lezioniV

GiorniOreAula
Lunedì14:00 - 16:00Aula Wick Dipartimento di Fisica
Mercoledì11:00 - 13:00Aula Informatica G Dipartimento di Fisica

Lezioni: dal 27/09/2022 al 09/11/2022

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    Ultimo aggiornamento: 05/10/2022 15:59
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