INGLESE

Radiazioni ionizzanti e non-ionizzanti
Interazioni radiazioni-materia
Fondamenti di dosimetria
Elementi di effetti radiobiologici
Fisica in diagnostica medica: radiografia a raggi X, tomografia computerizzata, risonanza magnetica, imaging in medicina nucleare, PET, SPECT
Fisica nelle terapie con radiazioni: radioterapie con fasci esterni, terapie con radionuclidi
Basi di simulazioni Monte Carlo dell'interazione radiazione materia per applicazioni mediche

Radiation Detection and Measurement - 4th Edition. Glenn F. Knoll, Wiley, Hoboken 2010. ISBN 9780470131480
An Introduction to Medical Physics (Biological and Medical Physics, Biomedical Engineering) / Editor Muhammed Maqbool. Springer, 2017. eBook ISBN 978-3-319-61540-0
Radiation oncology physics: a handbook for teachers and students. / Editor E. B. Podgorsak. Vienna: International Atomic Energy Agency, 2005. ISBN 92–0–107304–6
Physics in nuclear medicine - 4th ed./ Simon R. Cherry, James A. Sorenson, Michael E. Phelps. Saunders Elsevier, 2012. ISBN 978-1-4160-5198-5

L'obiettivo del corso è fornire conoscenze intermedie sulle applicazioni mediche delle radiazioni ionizzanti nelle tecniche di imaging e terapia, sulla dosimetria e sugli elementi delle simulazioni Monte Carlo in questo campo. Il corso aiuterà gli studenti a sviluppare un pensiero critico in queste aree e a padroneggiare competenze informatiche di base e intermedie per le applicazioni nella fisica medica e in altri settori legati alle radiazioni.

Laurea triennale in Fisica con un corso di Fisica Nucleare

Lezioni frontali, lezioni con implementazione al computer di simulazioni

Esame orale

Nessuna

Interazioni radiazioni-materia di potenziale uso medico
Radiazioni non ionizzanti e ionizzanti, direttamente e indirettamente ionizzanti, decadimenti radioattivi alfa, beta, gamma e processi ad essi correlati (Bremsstrahlung, raggi X caratteristici, conversione interna, emissione Auger); interazioni degli ioni pesanti, stopping power per ioni pesanti, range, curva di Bragg e picco di Bragg; iinterazioni degli elettroni, stopping power radiativo, range estrapolato; interazioni dei fotoni gamma: fotoelettrico, Compton, produzione di coppie e+ e-, sezione d’urto complessiva per I fotoni gamma, coefficienti di attenuazione, coefficienti di attenuazione massici, libero cammino medio; cenni sulle interazioni dei neutroni

Fondamenti di dosimetria
Fluenza di particelle e di energia, Kerma, Cema, Dose assorbita, Dose rate, relazioni di interesse tra grandezze dosimetriche, condizione di equilibrio di particelle cariche, Relative Biological Effectiveness (RBE), Dose equivalente, Dose efficace, unità di misura Gray e Sievert, Linear Energy Transfer (LET), teoria della cavità di Bragg-Gray, principali tipologie di dosimetri in ambito biomedico.

Basi sugli effetti radiobiologici
Definizione di radiobiologia, cenni al ciclo cellulare, 5 R della radiobiologia, pericolosità radiobiologica in funzione del LET, effetto dell'ossigenazione dei tessuti, danno diretto e indiretto da radiazioni, danno somatico e genetico, danni stocastici e deterministici, curve di sopravvivenza cellulare, modello lineare quadratico, esempi di curve dose-risposta, Tumor Control Probability (TCP) e Normal Tissue Complication Probability (NTCP), therapeutic window, dose rate e frazionamento, effetto dell'ossigenazione dei tessuti, cenni a radiosensibilizzanti

Diagnostica medica mediante imaging morfologico
Radiografie a raggi X, tubo radiogeno, spettro raggi X di uso medico, imaging morfologico in trasmissione, coefficienti di attenuazione in funzione dell'energia; Computed Tomography, principi base, rivelatori a scintillazione per CT, proiezioni e retroproiezioni, cenni alla filtered back-projection, Hounsfield Units, cenni agli artefatti nelle scansioni CT; cenni all’imaging con Risonanza Magnetica (MRI)

Medicina nucleare e imaging funzionale
Radionuclidi usati in medicina nucleare, struttura di un radiofarmaco, biodistribuzione di un radiofarmaco, rivelazione di fotoni in medicina nucleare, gamma camera, collimatori, scintigrafia, SPECT funzionamento e usi, PET funzionamento e usi, riconstruzione immagini, sinogramma, retroproiezioni; terapie con radioisotopi, imaging funzionale diangostico e per preparazione a terapie, cenni a tecniche di dosimetria interna in medicina nucleare

Panoramica sulle radioterapie
Workflow di radioterapie con fasci di fotoni, imaging diagnostico e treatment planning, contouring di organi e lesioni, cenni tecniche per monitoraggio posizionamento del paziente, tipologie principali di irradiazioni: fascio singolo, doppio, VMAT, IGRT, Cyberknife; Confronto profili di dose tra terapie con fotoni, elettroni, ioni pesanti; uso dello Spread Out Bragg Peak in adroterapia, cenni agli usi e ai tipi di acceleratori usati per adroterapia, cenni alla Proton Boron Capture Therapy (PBCT); Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), funzionamento e uso dei prodotti di reazione per terapia selettiva, stato dell'arte su produzione fasci di neutroni con acceleratori e su farmaci carrier di boro, esempi di simulazioni MC per dosimetria BNCT.

Contenuti computazionali - Basi di simulazione Monte Carlo dell’interazione radiazione-materia
Contenuti teorici: Generalità sui Metodi Monte Carlo, Legge dei grandi numeri, generatori di numeri pseudo casuali, probability density functions; Monte Carlo dell'interazione radiazione-materia, estrazione di eventi di interazione secondo interaction legth, logica di Geant4 per run, event, track, step
Contenuti pratici: Installazione e test funzionamento del toolkit Gate, principali caratteristiche di una simulazione Gate: definizione materiali, geometria, Physiscs List, sorgente, scoring con gli Actors, inizializzazione e run; Implementazione di simulazioni di fascio di particelle monoenergetico che interagisca con volumi regolari di materiali; visualizzazione delle tracce e uso dei range cuts. Implementazione di sorgenti con differenti tipi di particelle ed energie e con rotazioni attorno ad assi, scoring di energia depositata e dose assorbita in volumi, scoring di profili longitudinali delle energie depositate.

English

Ionizing and non-ionizing radiations
Radiation-matter interactions
Fundamentals of dosimetry
Basics of radiobiological effects
Physics in medical diagnostics: X-ray radiography, computed tomography, magnetic resonance imaging, nuclear medicine imaging, PET, SPECT
Physics in radiation therapies: external beam radiotherapies, radionuclide therapies
Basics of Monte Carlo simulation of radiation-matter interaction for medical applications

Radiation Detection and Measurement - 4th Edition. Glenn F. Knoll, Wiley, Hoboken 2010. ISBN 9780470131480
An Introduction to Medical Physics (Biological and Medical Physics, Biomedical Engineering) / Editor Muhammed Maqbool. Springer, 2017. eBook ISBN 978-3-319-61540-0
Radiation oncology physics: a handbook for teachers and students. / Editor E. B. Podgorsak. Vienna: International Atomic Energy Agency, 2005. ISBN 92–0–107304–6
Physics in nuclear medicine - 4th ed./ Simon R. Cherry, James A. Sorenson, Michael E. Phelps. Saunders Elsevier, 2012. ISBN 978-1-4160-5198-5

The aim of the course is to provide intermediate knowledge regarding medical applications of ionizing radiations in imaging and therapy techniques, dosimetry, and elements of Monte Carlo simulations in this field. The course will help students in developing critical thinking in these areas, and to master basic to intermediate computing skills for medical physics applications and other radiation related fields.

Physics bachelor degree with a Nuclear Physics course

Lectures, lessons with computer-based simulation implementation

Oral exam

Nessuna

Radiation-matter interactions with potential medical application
Non-ionizing and ionizing radiation, directly and indirectly ionizing radiation, radioactive decays: alpha, beta, gamma and related processes (Bremsstrahlung, characteristic X-rays, internal conversion, Auger emission); interactions of heavy ions, stopping power for heavy ions, range, Bragg curve and Bragg peak; interactions of electrons, radiative stopping power, extrapolated range; interactions of gamma photons: photoelectric effect, Compton scattering, pair production (e⁺e⁻), total cross-section for gamma photons, attenuation coefficients, mass attenuation coefficients, mean free path; overview of neutron interactions.

Fundamentals of Dosimetry
Particle and energy fluence, Kerma, Cema, absorbed dose, dose rate, relevant relationships among dosimetric quantities, charged particle equilibrium condition, Relative Biological Effectiveness (RBE), equivalent dose, effective dose, units of measurement Gray and Sievert, Linear Energy Transfer (LET), Bragg-Gray cavity theory, main types of dosimeters used in biomedical applications.

Basics of Radiobiological effects
Definition of radiobiology, overview of the cell cycle, the 5 R’s of radiobiology, radiobiological hazard in relation to LET, effects of tissue oxygenation, direct and indirect radiation damage, somatic and genetic damage, stochastic and deterministic effects, cell survival curves, linear-quadratic model, examples of dose-response curves, Tumor Control Probability (TCP) and Normal Tissue Complication Probability (NTCP), therapeutic window, dose rate and fractionation, oxygenation effects, introduction to radiosensitizers.

Medical diagnostics with morphological imaging
X-ray radiography, X-ray tube, medical X-ray spectra, transmission morphological imaging, energy-dependent attenuation coefficients; Computed Tomography: basic principles, scintillation detectors for CT, projections and back-projections, overview of filtered back-projection, Hounsfield Units, overview of CT scan artifacts; introduction to Magnetic Resonance Imaging (MRI) imaging.

Nuclear Medicine and functional imaging
Radionuclides used in nuclear medicine, principle of radiopharmaceuticals, biodistribution of radiopharmaceuticals, photon detection in nuclear medicine, gamma camera, collimators, scintigraphy, SPECT: operation and applications, PET: operation and applications, image reconstruction, sinogram, back-projection; radioisotope therapies, functional imaging for diagnostics and treatment planning, overview of internal dosimetry techniques in nuclear medicine.

Overview of Radiotherapy techniques
Radiotherapy workflow with photon beams, diagnostic imaging and treatment planning, contouring of organs and lesions, overview of techniques for patient positioning monitoring, main irradiation types: single beam, dual beam, VMAT, IGRT, CyberKnife; comparison of dose profiles for photon, electron, and heavy ion therapies; use of Spread Out Bragg Peak in hadron therapy, overview of uses and types of accelerators in hadron therapy, introduction to Proton Boron Capture Therapy (PBCT); Boron Neutron Capture Therapy (BNCT): mechanism and use of reaction products for selective therapy, current state of neutron beam production via accelerators and boron carrier drugs, examples of Monte Carlo simulations for BNCT dosimetry.

Computational content – Basics of Monte Carlo simulation of radiation-matter interaction
Theoretical content: Overview of Monte Carlo methods, law of large numbers, pseudo-random number generators, probability density functions; Monte Carlo simulation of radiation-matter interaction, sampling of interaction events based on interaction length, Geant4 logic: run, event, track, step
Practical content: Installation and testing of GATE toolkit, key features of a GATE simulation: material definitions, geometry, Physics List, source, scoring with Actors, initialization and run; implementation of simulations with monoenergetic particle beams interacting with regular material volumes; visualization of tracks and use of range cuts. Implementation of sources with various particle types and energies with rotational motion, scoring of deposited energy and absorbed dose in volumes, scoring of longitudinal energy deposition profiles.