Corso di laurea magistrale in Fisica

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.

L'insegnamento si propone di fornire le 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 è possibile utilizzare strumentazione avanzata per operare misure di precisione. Queste attività sono precedute da lezioni 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 sono 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.

Conoscenza e capacità di comprensione

Sarà richiesta la conoscenza e la comprensione delle 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

Sarà richiesta la capacità di scegliere tra le nozioni apprese a lezione quelle appropriate per affrontare con spirito critico le esperienze di laboratorio durante l'insegnamento e le diverse situazioni che si incontreranno nell’ambito della futura professione. In particolare 

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

Autonomia di giudizio.

Sarà acquisito 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, sarà richiesta l'analisi critica del metodo di misura utilizzato al fine di individuare le possibili sorgenti di incertezze sistematiche e la capacità di discutere e difendere le strategie adottate.

Abilità comunicative.

Sarà richiesta l'acquisizione e l'utilizzo di adeguata terminologia tecnico-scientifica specifica, per poterla utilizzare nelle discipline oggetto del Corso di Studi e nell’ambito della futura professione. 

Capacità di apprendimento.

Le conoscenze e le competenze acquisite consentiranno di approfondire l’approccio scientifico all’attività sperimentale e alla successiva analisi, permettendo la loro applicazione in autonomia nelle discipline oggetto del Corso di Studi e in diversi ambiti della pratica professionale. 

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

L'insegnamento 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 di attività in laboratorio, tipicamente suddivise in sessioni di 4 ore ciascuna. Le studentesse e gli studenti sono distribuiti in gruppi da 2 a 4 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 da ciascun gruppo; 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.

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:

• positività al COVID-19
• residenza all’estero se impossibilitati a rientrare in Italia a fronte di limitazioni agli spostamenti internazionali 

è garantita la possibilità di svolgere l’esame a distanza, secondo una delle modalità previste dall’Ateneo.

Nelle relazioni è valutata la capacità del gruppo 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.