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Giuseppe Baldazzi

Ricercatore confermato

Dipartimento di Fisica e Astronomia

Settore scientifico disciplinare: FIS/07 FISICA APPLICATA (A BENI CULTURALI, AMBIENTALI, BIOLOGIA E MEDICINA)

Temi di ricerca

Parole chiave: Radiologia Multi-Energy con fasci monocromatici Rivelatori della radiazione X e gamma Coefficiente di assorbimento lineare dei raggi X Rivelatori a Scintillazione Silicon Drift Detectors (SDD) Spettrometria dei raggi X Fotomoltiplicatori sensibili alla posizione Raggi X quasi-monocromatici Application Specific Integrated Circuit (ASIC) Dosimetria del paziente Rivelatori a stato solido Proton radius puzzle Fisica degli atomi muonici HERMES ASI MIssion TESEUS ESA Mission Nanosatellite

Ricerca nel settore della Fisica delle Radiazioni, dei Rivelatori per impieghi medicali, industriali e spaziali e delle Apparecchiature dell'Area Radiologica:
a.    sviluppo di un tomografo multi-energy a fasci quasi-monocromatici per lo studio dello sviluppo tumorale e delle metastasi;
b.    sviluppo di una Camera Compton (evoluzione della gamma-camera) per applicazioni in Medicina Nucleare (Esperimento XDXL dell'INFN di cui referente locale) e in Astrofisica (Esperimento LOFT dell'ESA);
c.    studio di fattibilità per due rivelatori, uno di grandi dimensioni (LAD) e un monitor su largo campo (WFM) per satellite ESA (Esperimento LOFT);
d.    sviluppo di una SPECT camera con nuovi scintillatori (LaBr3) e fotomoltiplicatori position-sensitive dedicata allo studio di nuovi radio farmaci "intelligenti" per il trasporto in situ di nanoparticelle;
e.    caratterizzazione radiologica dei tessuti biologici sani e patologici;
f.    spettrometria dei raggi X applicata alla diagnostica medica;
g.    effetti biologici, dosimetria e microdosimetria delle radiazioni ionizzanti e non ionizzanti (N.I.R.).

Links:
- Teacher WEB Site: http://www.unibo.it/faculty/giuseppe.baldazzi
- Research Synthesis (search for baldazzi): http://amsacta.unibo.it/
- Direct Research link: http://amsacta.unibo.it/cgi/search/simple?q=baldazzi&_action_search=Search&_action_search=Search&_order=bytitle&basic_srchtype=ALL&_satisfyall=ALL
- Link AGILE: http://www.iasfbo.inaf.it/activities/agile/
- Link AGILE: http://agile.rm.iasf.cnr.it/
- Link LOFT: http://www.iasfbo.inaf.it/activities/loft/
- Link LOFT: http://www.isdc.unige.ch/loft/
- Link SCINTIRAD Experiment: http://www.bo.infn.it/scintirad/

Keywords:
- X and gamma radiation Detectors
- Quasi-monochromatic X-rays
- Multi-Energy monochromatic beams Radiology
- X-ray Linear Absorption Coefficient
- Silicon Drift Detectors (SDD)
- Application Specific Integrated Circuit (ASIC)
- Scintillation Detectors
- Position-Sensitive Photomultiplier
- Quasi-monochromatic X-rays
- X-ray Spectrometry
- Patient Dosimetry


MULTI ENERGY CT

Presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Bologna da tempo attivo un gruppo di ricerca che ha come scopo lo sviluppo di nuovi apparati per l'imaging diagnostico in medicina.
In particolare, stato realizzato ed operativo uno scanner per la Tomografia Computerizzata (Multy-Energy Computed Tomography - MECT) per piccoli animali (adattato anche per alcuni studi clinici) basato su di un'innovativa sorgente che genera due o tre di fasci di raggi X quasi-monocromatici con energie selezionabili.

Il tomografo a fasci quasi-monocromatici si fonda sulle proprietà dei cristalli a mosaico altamente orientati di grafite pirolitica che consentono di monocromatizzare il fascio di raggi X uscenti da un tubo radiogeno convenzionale mediante la diffrazione di Bragg riducendo l'intensit del fascio a circa 1/7 - 1/10 di quella iniziale. L'intensit che si ottiene non ancora sufficiente a soddisfare tutte le esigenze cliniche ma consente di effettuare ricerca su piccoli animali o su arti nonch in mammografia.
La radiologia diagnostica si sta orientando verso l'utilizzo di radiazione monocromatica e tutte le grandi aziende produttrici hanno sviluppato sistemi in cui si utilizzano due fasci X con diversi kVp e opportuna filtrazione, in modo da operare in dual energy (mammografia, angiografia, densitometria ossea e anche CT). Tuttavia i fasci sono ancora ampiamente policromatici. La facility da noi realizzata attualmente l'unica al mondo in grado di realizzare la tomografia con uno, due o tre fasci quasi-monocromatici. Nella bibliografia relativa ai lavori di caratterizzazione fin qui svolti abbiamo dimostrato che la MECT in grado di evidenziare il mezzo di contrasto iodato con una sensibilità dieci volte maggiore rispetto a un angiografo commerciale. Inoltre, utilizzando due fasci quasi-monocromatici, sono applicabili algoritmi quali Alvarez-Macovsky per la soppressione di un tessuto (similmente alle tecnica di RM con la sequenza inversion recovery). Metodica che abbiamo perfezionato con l'introduzione di un terzo fascio per l'eliminazione del cosiddetto "errore di proiezione". Infine la tecnica consente la visualizzazione (imaging) del numero atomico e della densit efficaci dei tessuti, potenzialmente in grado di distinguere - in alcuni specifici casi - la patologia dal tessuto sano.


CARATTERIZZAZIONE DI TESSUTI SANI E TUMORALI

In collaborazione con la Sezione di Cancerologia del Dipartimento di Patologia Sperimentale dell'Università di Bologna si sta eseguendo la caratterizzazione radiologica di tessuti patologici rispetto ai corrispondenti tessuti sani. Il Team del Laboratorio di Cancerologia, diretto dal Prof. Lollini, ha esperienza di modelli in vivo per lo studio di tumori umani e murini accresciuti su topi e mette a disposizione vari modelli murini di crescita tumorale per gli studi sui tessuti biologici. Lo stabulario "stabilimento autorizzato" sia per l'allevamento che per la sperimentazione. Tutti i progetti di sperimentazione vengono sottoposti per l'autorizzazione al Comitato Etico Scientifico dell'Universit di Bologna e successivamente inviati al Ministero dell'Istruzione, Università e Ricerca (MIUR).
Il lavoro consiste nella determinazione sperimentale - mediante una facility messa a disposizione dall'Istituto INAF-IASF di Bologna - delle curve dei coefficienti di attenuazione lineare dei tessuti prelevati da topi appena sacrificati. Attraverso tecniche statistiche possibile - in alcuni casi - distinguere i tessuti patologici da quelli sani attraverso i loro coefficienti di attenuazione. In questi casi la tecnica MECT sar certamente di elezione per il riconoscimento della patologia mediante il solo imaging radiologico. Il lavoro in corso e ha gi prodotto diversi risultati di interesse.

ESPERIMENTO XDXL (DELL'INFN
) ED ESPERIMENTO LOFT (DELL'ESA)


La collaborazione nazionale XDXL si propone di sviluppare apparati per la rivelazione di raggi X o gamma basati su rivelatori a deriva di silicio (SDD) di grande area (gli stessi utilizzati nell'Esperimento Alice a LHC) che, unitamente all'impiego di architetture innovative - in particolare utilizzando l'effetto Compton per la rivelazione di raggi gamma - possono determinare un salto di qualit nella strumentazione attualmente utilizzata per la ricerca e le applicazioni mediche, sia che si tratti di astronomia e astrofisica su satellite (All Sky monitor e Timing alle energie dei raggi X, telescopio gamma basato su Camera Compton), che di medicina diagnostica (Camera Compton come avanzamento della Anger Camera).
In pratica in corso di sviluppo una Camera Compton per le applicazioni in Medicina Nucleare che si propone come sostituto della Anger Camera per la sua maggiore efficienza di rivelazione (non utilizza il collimatore che riduce pesantemente l'efficienza delle tradizionali gamma-camera) e soprattutto, consentir di utilizzare radionuclidi gamma-emettitori con energie molto pi elevate (fino a 600 keV) rispetto ai 140 keV emessi dal 99mTc sui quali sono calibrate le gamma-camera odierne.
Al progetto partecipa anche l'U.O. di Padova ed previsto che il prototipo venga caratterizzato presso il Laboratorio PET del Laboratori Nazionali di Legnaro con cui l'U.O. di Bologna collabora strettamente.

Il "calorimetro" si basa su avanzati fotomoltiplicatori position-sensitive a 256 anodi (Hamamatsu H9500) la cui elettronica di lettura - realizzata mediante otto ASIC di tipo VA32HDR11 - è in corso di sviluppo. Per il readout dei rivelatori SDD si sta invece sviluppando un ASIC dedicato. Gli SDD costituiranno il "tracker" della Camera Compton.

La collaborazione di INFN con INAF/IASF di Bologna e con INAF/IASF di Roma, nell'ambito del Progetto XDXL, ha portato alla presentazione all'Agenzia Spaziale Europea del Progetto LOFT che stato valutato positivamente dall'ESA (Programma ESA's Cosmic Vision, Tema Matter under extreme conditions) e che si trova ora nella fase di assessment (della durata di 18 mesi) assieme ad altri tre progetti. LOFT comunque considerato il leading project (URL: http://loft.iasf-roma.inaf.it/). Si tratta di un progetto tutto italiano che vede per un'ampia partecipazione internazionale: Olanda, Gran Bretagna, Germania, Spagna, Svizzera, Irlanda, Turchia, Grecia e Repubblica Ceca. Sono coinvolti anche Stati Uniti e Brasile.
Tale Progetto dovr portare alla realizzazione di un Satellite interamente basato sulla tecnologia dei rivelatori (circa 20 m2 di SSD) e, di conseguenza, dell'ASIC che viene ora sviluppata sotto la sigla XDXL. Anche la Camera Compton completa presenta un grande interesse per le applicazioni spaziali: essa pu operare come telescopio per i raggi gamma cosmici nel range 100 keV - 1 MeV.


SPETTROMETRIA DEL FASCIO RX DIAGNOSTICO

Lo S.E.V. ed il KERMA in aria, con cui si soliti caratterizzare qualitativamente e quantitativamente il fascio diagnostico, sono ormai inadeguati agli scopi dell'imaging moderno per il loro carattere di misure integrali. Ne segue un'ampia tolleranza nella scelta del fascio da utilizzare in un determinato esame radiologico. Per le moderne tecniche di diagnosi e terapia con utilizzo di raggi X sarebbe di grande ausilio la conoscenza dello spettro della radiazione impiegata al fine di poterlo modulare con opportuni filtri (composti di differenti strati di terre rare con diverse energie di K-edge) al fine di ridurre la dose al paziente ottimizzando nel contempo l'imaging. Inoltre la conoscenza dello spettro costituirebbe un deciso miglioramento per la dosimetria del fascio e i controlli di qualit con possibilit di ricaduta industriale (due Aziende sono interessate allo sviluppo e al brevetto delle tecnologie qui descritte).

La prima tecnica proposta consiste nel far interagire il fascio di raggi X primario su di un opportuno target eseguendo la spettrometria dei fotoni diffusi, principalmente per effetto Compton, in uno stretto cono attorno ad un angolo di 90. Viene successivamente effettuata - via software - la ricostruzione dello spettro del fascio primario invertendo la matrice di scattering determinata sperimentalmente.
Sono stati sviluppati tre prototipi - e un altro si trova ora in fase di caratterizzazione sperimentale - per lo studio di diverse tipologie di rivelatori (Fig. 7-8). Il software per effettuare la ricostruzione dello spettro del fascio primario ed eseguire il dei dati sperimentali mediante equazione parametrica semiempirica dello spettro di bremsstrahlung completamente operativo.

Il secondo strumento in via di sviluppo consente la spettrometria real-time durante il normale utilizzo dell'apparato radiologico. Per realizzare tale obiettivo si utilizzano le informazioni provenienti da tre sorgenti: 1) un sistema esposimetrico appositamente sviluppato che viene montato all'uscita della guaina del tubo RX, prima del gruppo dei collimatori, e intercetta una piccola sezione (normalmente inutilizzata) del fascio; 2) le forme d'onda di tensione e 3) di corrente anodica prelevate dall'inverter del sistema radiologico. Tali informazioni vengono utilizzate come parametri per un software di simulazione dello spettro RX. Il metodo completamente operativo e funzionante a livello sperimentale presso il Dipartimento di Fisica dell'Universit di Bologna.
Una card dosimetrica, dotata di microchip, potrebbe essere utilizzata per registrare registrare - oltre allo spettro dei RX mediante il quale stato svolto l'esame - il distretto anatomico interessato, la dimensione del FOV e la distanza sorgente-paziente (che possono essere misurate automaticamente) ed eventualmente altre informazioni aggiuntive. Se il cittadino venisse dotato di un tale strumento diverrebbe possibile una precisa ripetibilit dell'esame diagnostico oltre alla dosimetria del paziente.

Links:
- Teacher WEB Site: http://www.unibo.it/faculty/giuseppe.baldazzi
- Research Synthesis (search for baldazzi): http://amsacta.unibo.it/
- Direct Research link: http://amsacta.unibo.it/cgi/search/simple?q=baldazzi&_action_search=Search&_action_search=Search&_order=bytitle&basic_srchtype=ALL&_satisfyall=ALL
- Link AGILE: http://www.iasfbo.inaf.it/activities/agile/
- Link AGILE: http://agile.rm.iasf.cnr.it/
- Link LOFT: http://www.iasfbo.inaf.it/activities/loft/
- Link LOFT: http://www.isdc.unige.ch/loft/
- Link SCINTIRAD Experiment: http://www.bo.infn.it/scintirad/

Keywords:
- X and gamma radiation Detectors
- Quasi-monochromatic X-rays
- Multi-Energy monochromatic beams Radiology
- X-ray Linear Absorption Coefficient
- Silicon Drift Detectors (SDD)
- Application Specific Integrated Circuit (ASIC)
- Scintillation Detectors
- Position-Sensitive Photomultiplier
- Quasi-monochromatic X-rays
- X-ray Spectrometry
- Patient Dosimetry

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