RADIATION PHYSICS FOR MEDICAL APPLICATIONS
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2022/2023
- Docente
- PAOLO CARDARELLI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- FIS/07
Obiettivi formativi
- Questo corso affronta i processi fisici alla base della produzione, interazione con la materia e rivelazione di radiazioni ionizzanti, nell’ambito di interesse della Fisica applicata alla Medicina.
L’obiettivo principale è quello di fornire le basi teoriche e gli strumenti fondamentali per proseguire con attività di ricerca o con un ulteriore percorso formativo di specializzazione in Fisica Medica.
Le principali conoscenze acquisite dallo studente saranno:
Comprensione dei processi fisici responsabili dell'emissione di radiazioni ionizzanti da sorgenti naturali ed artificiali. Comprensione delle modalità di interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia, in particolare dei fenomeni coinvolti nelle applicazioni medicali: interazioni con tessuti biologici e funzionamento dei rivelatori per radiazioni. Definizione e utilizzo delle grandezze dosimetriche. Conoscenza dei metodi e della strumentazione per la rivelazione delle radiazioni: spettroscopia e dosimetria. Introduzione alla simulazione Monte Carlo per il trasporto di radiazione e dosimetria applicata alla pratica clinica.
Durante il corso verranno assegnate varie esercitazioni da svolgere autonomamente che permetteranno allo studente di affrontare in modo indipendente problemi legati all’applicazione dei concetti di fondamentali affrontati a lezione.
In particolare, il corso si propone di sviluppare le seguenti abilità:
- effettuare efficaci predizioni rapide dei risultati approssimati di processi o esperimenti che coinvolgono radiazioni ionizzanti in ambito medicale;
- modellizzare analiticamente e produrre previsioni del funzionamento di apparati sperimentali che includono sorgente, interazione con campioni e rivelatori di radiazione, tramite strumenti di calcolo numerico (es. Python, Matlab);
- selezionare dei metodi di misura e rivelatori più opportuni in base all’applicazione spettroscopica o dosimetrica di interesse;
- valutare l’energia depositata in un mezzo da parte di un campo di radiazione e acquisire padronanza dei concetti dosimetrici fondamentali. Prerequisiti
- Fisica classica, elementi di struttura della materia e di fisica dello stato solido, elementi di meccanica quantistica, elementi di relatività, elementi di fisica nucleare. Interazione radiazione-materia.
Contenuti del corso
- 1. Produzione di radiazioni ionizzanti [10h]
Radioisotopi e decadimenti radioattivi, tubo a raggi X e sorgenti di bremsstrahlung, cenni di radiazione di sincrotrone
2. Revisione dei processi di interazione radiazione-materia rilevanti per le applicazioni di fisica medica [12h]
Interazione radiazione-materia in materiali e tessuti biologici di interesse medico, nel campo energetico dell'imaging a raggi X (10-100 keV), medicina nucleare (0,1-1 MeV) e radioterapia (0,1-10 MeV).
3. Dosimetria [8 h]
Quantità e unità dosimetriche: fluenza, flusso, esposizione e Roentgen, dose assorbita e Gray, Kerma. Elementi di dosimetria di radioprotezione: fattore di qualità, dose efficace ed equivalente, effetti biologici delle radiazioni
4. Rilevatori di radiazioni e dosimetri [10 h]
Rivelatori per spettroscopia raggi X / gamma, camere di ionizzazione e contatori geiger, dosimetria calorimetrica, dosimetria chimica, dosimetria su film, dosimetria a scintillazione (TLD), dosimetria a stato solido
5. Introduzione al metodo Monte Carlo per la simulazione del trasporto di radiazioni [10 h]
Introduzione alle tecniche Monte Carlo e panoramica dei principali codici (Geant4, EGSnrc, MCNP ..).
Attività pratiche ed esempi
6. Dosimetria nella pratica clinica [4 h] Metodi didattici
- Il corso è organizzato nel seguente modo: 1) lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso; 2) esercitazioni numeriche finalizzate all'autovalutazione dell'apprendimento; 3) simulazioni introduttive all'uso di specifici codici Monte Carlo per il trasporto delle radiazioni; 4) Seminari da parte di fisici medici ospedalieri, visita a struttura ospedaliera e esperienza sulla pratica dosimetrica clinica
Modalità di verifica dell'apprendimento
- Durante il corso verranno assegnati problemi ed esercitazioni allo scopo di verificare progressivamente la comprensione degli argomenti affrontati a lezione. L'esame finale consisterà in una prova orale, nella quale verranno discussi gli argomenti trattati per verificare la comprensione e la capacità di applicazione delle conoscenze acquisite a problemi concreti.
Testi di riferimento
- E.B. Podgorsak, Radiation Physics for Medical Physicists, Springer-Verlag (3rd Edition, 2016).
F.H. Attix, "Introduction to radiological physics and radiation dosimetry", John Wiley & Sons (1986).
J. P. Gibbons, F. M. Khan, "Khan's The Physics of Radiation Therapy", Wolters Kluwer (5th Edition, 2014)
