MEDICAL PHYSICS

Il taglio di questo corso è di tipo applicativo e interdisciplinare.

Esso vuole illustrare quali sono i concetti di base che che il Fisico Medico (sia operante nel campo della Ricerca che nel campo clinico della professione di Fisico Medico Oepsedaliero o esprto delle radiaioni (ex Esperto di Radioproteziobe) deve conoscere.

Verranno descritti i concetti teorici che stanno alla base dei concetti di dose (macroscopica e microscopica) depositata in un mezzo materiale e dei suoi effetti.

Il corso ha l'obiettivo di introdurre allo studente alcuni aspetti fondamentali in Fisica Medica legati sia ad aspetti di tipo ospedaliero (utili per chi, quindi, vuole intraprendere la carriera dello Specialista in Fisica Medica o dello Specialista in Radioprotezione) che per chi vuole approfondire le tematiche di base della Fisica Medica anche in prospettiva di una carriera da ricercatore.

Verrano illustrate le caratteristiche principali del ruolo del Fisico Medico e quelle che devono essere le sue competenze principali anche in funzione della recente normativa (Legge 101/2020).
Il corso tratterà  quindi gli aspetti fondamentali e in concetti basilari della dosimetria di assoluta delle radiazioni ionizzanti. Verranno analizzate le base teoriche della teoria della dosimetria, l'uso e l'applicazione dei principali rivelatori e, infine, verrà discussa l'applicazione pratica dei protocolli internazionali oggi adoperati nella pratica clinica.

Gli obbiettivi formativi specifici di questo corso sono:

1. Comprendere le basi della normativa vigente che regolano le attività del Fisico Medico Ospedaliero e dell'Esperto di Radioprotezione secondo la nuova normativa
2. Realizzare criticamente le applicazioni dela fisica legate alla medicina anche in relazione al ruolo del Fisico Medico e del Ricercatore nel campo delle fisica medica
3. Comprendere delle basi teroriche fondamentali della dosimetria delle radiazioni ionizaanti 
4. Comprendere le caratteristiche fondamentali di un dosimetro e della dosimetria assoluta e relativa delle radiazioni ionizzanti
5. Comprendere le caratteristiche dei rivelatori a ionizzazione per dosimetria assoluta
6. Dare una panoramica dei controlli di qualità delle sorgenti di radiazioni X e dei compiti del fisico medico ad essi relativi
7. Analizzare dei protocolli internazionali per la misura della dose assoluta di fasci di radiazione X, di fotoni di alta energia e di protoni e ioni
8. Comprendere i concetti di micro- e nano-dosimetria, delle misure microdosimetriche e delle sue applicazioni nella moderna radioterapia

Inoltre, in riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze trasversali:

Conoscenza e capacità di comprensione:

• Comprensione critica degli sviluppi più avanzati della Fisica Moderna sia negli aspetti teorici che di laboratorio e delle loro interconnessioni, anche in campi interdisciplinari.
• Capacità di comprensione della relazione tra l'interazione di una radiozione ionizzante con la materia e i suoi effetti fisici e biologici indotti
• Conoscenza dei principali elementi di base della dosimetria 
• Conoscenza e comprensione del ruolo di un rivelatore nella misura della dose
• Capacità di misurare e analizzare una radiazione ionizzante e di determinarne le sue caratteristiche principali in relazione alle applicazioni in Fisica Medica
• Capacità di comprendere le interazioni tra discipline diverse come fisica nuclerae, biologia, fisica dei rivelatori.

Capacità di applicare conoscenza:

• Capacità di applicare le conoscenze acquisite per la descrizione dei fenomeni fisici utilizzando con rigore il metodo scientifico.
• Capacità di progettare semplici esperimenti ed effettuare l'analisi dei dati sperimentali ottenuti in tutte le aree di interesse della Fisica Medica, incluse quelle con implicazioni biologiche
• Capacità di comprendere qualitativamente gli effetti di una adiazione ionizzante di caratteristica diversa
• Capacità di applicare linguaggi di analisi dati di base (Matlab, Python) per lo studio e la interpretazione dei dati acquisiti nel corso delle esperienze pratiche

Autonomia di giudizio:

• Capacità di collegare i oncetti di base del rilacio di energia nella materia con i concetti fondaentali della dosimetria clinica e della microdosimetria
• Capacità di ragionamento critico.
• Capacità di individuare i metodi più appropriati per analizzare criticamente, interpretare ed elaborare i dati sperimentali.
• Capacità di valutare l'accuratezza delle misure, la linearità delle risposte strumentali, la sensibilità e selettività delle tecniche utilizzate.

Abilità comunicative:

• Capacità di comprendere un lavoro scientifico specifico sui temi trattati nel corso ed esporno in modo rigoroso illustrandone i risultati anche in riferimento alla letteratura più recente
• Capacità di esporre oralmente, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati.

Il corso sarà tenuto in lingua inglese; Esso consisterà in una combinazione di lezioni tenute in aula (o in remoto) e nella esecuzione di alcune attività di laboratorio relative ad alcuni temi fondamentali in fisica medica. Tail attvità di laboratorio saranno organizzate in accordo con gli studenti.

Le attività sperimentali riguarderanno:

• La misura della dose rilasciata da una sorgente radiattiva usando una camera a ionizzazione assoluta
• La misura di spettri microdosimetrici utilizzando microdosimetri a stato-solido
• Controlli di qualità di tubi a Raggi X ai sensi della normativa vigente
• Altre attività sperimentali potenziali saranno discusse all'interno del corso

Qualora le circostanze dovesserlo richiederlo, le modalità di insegnamento potrebbero cambiare e saranno adottate soluzioni in remoto che comunque non pregiudicheranno gli insegnamenti che il corso si prefigge di dare

Basi della interazione della radiazione con la materia; Basi sul funzionamento di base dei rivelatori di radiazione ionizzante.

4/6 ore per settimana; La frequenza è obbligatoria.

Le attività sperimentali verranno programmate in accordo con gli studenti

1. Interazione della radiazione ionizzante con la materia
   1. Concetti generali
   2. Interazione dei fotoni, elettroni e particelle cariche con la materia
   3. Le basi del trasferimento di energia nella materia e loro connessione con la dose assorbita e le applicazioni più importanti in fisica medica 
   4. Processi stocastici e non stocastici
       
2. Generazione e uso della radiazione X
   1. Principio di funzionamento di un "Tubo a Raggi-X"
   2. Proprietà fisiche e dosimetriche di un fascio di X generatoto
       
3. Concetti generali sulla generazione delle immagini e sulle loro caratteristiche in diagnostica medica
4. Radioterapia
   1. Concetti generali
   2. Approcci innovativi in radioterapia
   3. La radioterapia "FLASH": evidenze biologiche e approcci dosimetrici 
       
5. Dosimetria delle Radiazioni ionizzanti
   1. Le quantità che descrivono le interazioni della radiazione ionizzante con la materia
      1. Il KERMA
      2. L'esposizione
      3. Relazione tra KERMA, fluenza, dose ed esposizione per un fascio di fotoni
      4. Dose assorbita nel caso delle radiazioni direttamente e indirettamente ionizzanti
      5. Esempi di energia impartita, energia trasferita e energia netta trasferita
   2. L'equilibrio di radiazione e di particelle cariche
      1. L'equilibrio di radiazione
      2. L'equilibrio di particelle cariche
      3. L'uso dell'equilibrio di particelle cariche per la misura della esposizione
      4. Relazione tra la dose assorbita e l'esposizione
      5. Casi nei quali l'equilibrio di particelle cariche non è verificato: equilibrio transiente di particelle cariche
          
6. Teoria della cavità
   1. La teoria della cavità di Bragg-Gray
   2. La teoria della cavità di Bragg-Gray nella derivazione di Spencer e Attix
   3. La teoria della cavità di Spencer e Burlin
   4. Il teorea di Fano
   5. Calcolo della dose assorbito da un fascio di particelle cariche:
      1. La dose in uno spessore di materiale "sottile"
      2. La dose media in un uno spessore di materile "più spesso"
      3. Il contributo dello scattering and del backscattering degli elettroni
      4. Relazione ra la dose assorbita e la profondità di penetrazione in un mezzo
          
7. Elementi fondamentali della dosimetria sperimentale
   1. I concetti di "dosimetria" e "dosimetro"
   2. Interpretazione di una misura dosimetrica
   3. Caratteristiche generali di un dosimetro
   4. I dosimetri più comuni utilizzzati in Fisica Medica
      1. La camera a ionizzazione
      2. I rivelatori a stato solido passivi e attivi
      3. Nuovi rivelatori per dosimetria assoluta e relativa
          
8. L'uso delle camere a ionizzazione in dosimetria
   1. Misure di carica e corrente
   2. Ionizzazione ed eccitazione
   3. Effetti di saturazione e ricombinazione ionica
   4. Passaggio dalla carica misurata alla dose assorbita applicando le teorie della cavità
       
9. Protocolli internazionali per la misura della dose assorbita in condizioni cliniche
   1. Formalismo
   2. Implementazione
   3. Strumentazione
   4. Calibrazione delle camere a ionizzazione
       
10. Dosimetria assoluta di un fascio clinico di protoni e ioni
    1. Considerazioni generali
    2. Strumentazione dosimetrica
    3. Parametri fisici che caratterizzano il fascio
    4. Determinazione della dose assorbita in acqua
    5. Dosimetria di riferimento nei fasci clinici adoperati dall'utente finale
        
11. Microdosimetry
    1. Il significato della microdosimetria
    2. Esempi della necessità di valutazioni microdosimetriche
    3. Quantità stocastiche e non stocastiche e loro connessione con la microdosimetria e la dosimetria
    4. I principali approcci microdosimetrici
    5. Le distribuzioni di LET e i loro limiti
    6. Connessione tra la distribuzione del LET e il danno biologico
    7. Radial profile approach
    8. L'approccio basato sulla "struttura di traccia"
    9. L'uso del metodo Monte Carlo in microdosimetria

12. Textbooks

    1. F.H. Attix - Introduction to radiological physics and radiation dosimetry, Wiley-VCH Verlag edition

    2. H. Johns and J. R. Cunninghan - The physics of radiology - Charles Thomas publisher

    3. G.F.Knoll - Radiation detection and measurements - John Wiley & Sons, Inc.

    4. Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy: An International Code of Practice for Dosimetry Based on Standards of Absorbed Dose to Water

       TECHNICAL REPORTS SERIES No. 398 INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, VIENNA, 2000

1. F.H. Attix - Introduction to radiological physics and radiation dosimetry, Wiley-VCH Verlag edition

2. H. Johns and J. R. Cunninghan - The physics of radiology - Charles Thomas publisher

3. G.F.Knoll - Radiation detection and measurements - John Wiley & Sons, Inc.

4. Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy: An International Code of Practice for Dosimetry Based on Standards of Absorbed Dose to Water

   TECHNICAL REPORTS SERIES No. 398 INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, VIENNA, 2000

The final exam will be organised in:

1. The discussion on one specific experimental activity performed during the class and discussed with the students or
2. The critical discussion on a specific scientific publication on one of the topics discussed during the course  
3. General questions on what is discussed during the classes

During the exams the Student may expect at least:

• One question on the radiation-matter interaction processes
• One question on some basic concept related to the dosimetry
• One question related to the microdosimetry
• One question on the practical measure of the absorbed dose

Different elements will be evaluated during the examination and all of them will concur in the final vote. The following elements will be particularly evaluated:

1. The level of details the students is able to introduce also in the case of simple questions
2. The language properties: a proper scientific language is expected when the concepts are described
3. The ability of the student to make connections between the different topics discussed during the courses

Learning assessment may also be carried out on line, should the conditions require it. (La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.)

1. The principles and the main characteristics of the interaction of the radiation with the matter
2. Calculate the absorbed dose of a gamma beam of given energy and flux in a given material
3. Calculate the absorbed dose of a proton beam of given energy and flux in a given material
4. Definition of LET and Stopping power
5. Definition of the most important dosimetric quantities
6. Explanations and discussion of the experiment performed during the course