Ricerca Tecnologica (CSN5)

 

Coordinatore: Piernicola Oliva
Telefono: 079 / 229485 – 320/4329030
Mail: oliva@uniss.it

 


FISICA APPLICATA ALLA MEDICINA

Bruno Golosio – golosio@unica.it
Viviana Fanti – viviana.fanti@ca.infn.it
Piernicola Oliva – oliva@uniss.it

La ricerca tecnologica ed applicata è coordinata a livello italiano dalla Commissione Nazionale Scientifica 5.

 

Diagnostica per immagini
La Sezione di Cagliari è da sempre impegnata nell’utilizzo di raggi X per diagnostica medica. Nella radiologia convenzionale, il gruppo ha competenze nella caratterizzazione delle sorgenti a raggi X e dei rivelatori, sia per imaging planare (in proiezione), sia nell’imaging tridimensionale (tomografia assiale computerizzata, TAC).
La Sezione di Cagliari si dedica anche allo sviluppo di tecniche di ricostruzione ed elaborazione delle immagini biomedicali.

Oltre all’imaging convenzionale, in cui si sfrutta l’assorbimento dei raggi X da parte della materia, il gruppo lavora da anni sull’imaging in contrasto di fase, in cui si sfruttano le proprietà ondulatorie dei raggi X e il differente sfasamento di tali onde da parte di differenti materiali, per produrre immagini.

Oltre ai tubi a raggi X, il gruppo opera su sorgenti di alta brillanza, come sincrotroni o sorgenti a Compton inverso, lavorando alla caratterizzazione di tali sorgenti ed alle loro possibili applicazioni medicali.
La Sezione di Cagliari lavora nell’analisi di immagini da risonanza magnetica (MRI), alla ricerca di biomarker per patologie del neurosviluppo o neurodegenerative. La MRI si basa sul processo fisico della risonanza magnetica nucleare; anch’essa permette di ottenere immagini tridimensionali e, rispetto alla TAC, è capace di discriminare meglio i tessuti molli, e ha il vantaggio di non utilizzare radiazioni ionizzanti.
La PET è una tecnica, basata sulla somministrazione al paziente di sostanze radioattive legate a opportune molecole biologiche, che fornisce importanti informazioni funzionali. Il radiofarmaco più utilizzato, ad esempio, è basato su uno zucchero che si accumula nei tumori e permette di diagnosticare le lesioni in uno stadio molto precoce. Il gruppo di Cagliari è coinvolto in progetti su rivelatori innovativi per PET.

In figura: esempio di una mappa delle regioni maggiormente discriminanti tra pazienti affetti da disturbo delle spettro autistico e controlli in risonanza magetica, valutate utilizzando tecniche di machine learning.

 

Simulazione dell’interazione radiazione-materia e dosimetria
Molte tecniche di imaging biomedicale sono basate su processi di interazione della radiazione con la materia e/o su processi di decadimento di nuclei radioattivi. Conoscere questi processi è fondamentale per la progettazione di sistemi di imaging, per lo sviluppo dei software di ricostruzione e analisi delle immagini e per le stime di dose erogata ai pazienti. La Sezione di Cagliari si occupa dello sviluppo e dell’applicazione di software di simulazione dei processi di interazione della radiazione con la materia e dei processi di decadimento, utilizzando il metodo Monte Carlo, basato sul campionamento casuale dei possibili risultati di ogni evento.

Radioterapia
La radioterapia consiste nell’utilizzo di radiazioni ionizzanti per il trattamento di tessuti malati, soprattutto tumori. Per ridurre la dose erogata ai tessuti sani e per massimizzare quella depositata nei tumori, sono state sviluppate tecniche avanzate, basate sull’uso di differenti tipi di radiazione. Cagliari partecipa a progetti di radioterapia innovativa, in collaborazione con le strutture sanitarie e centri di ricerca internazionali.

Neuroscienze
Il campo di ricerca delle neuroscienze è un ambito interdisciplinare, a cui anche i fisici contribuiscono grazie alle loro competenze sulle reti neurali artificiali e sui modelli di segnale neurale da un lato, e sulle tecniche sperimentali (ad esempio la risonanza magnetica funzionale e le registrazioni elettrofisiologiche) dall’altro.
Una delle grandi sfide della ricerca nei prossimi decenni, su cui è impegnato anche il gruppo di Cagliari, sarà quella di cercare di capire come le funzioni cognitive di alto livello, come quelle associate al linguaggio e al ragionamento, sono legate alla trasmissione dei segnali tra i neuroni del nostro cervello. Questa attività di ricerca è importante non solo perché ci aiuta a capire come funziona il nostro cervello, ma anche perché può aiutarci nello studio dei disturbi neurologici e nella ricerca di tecniche di diagnosi e terapia di questi disturbi.

 

FISICA APPLICATA AI BENI CULTURALI
Piernicola Oliva – oliva@uniss.it

Sui beni culturali, la Sezione di Cagliari utilizza da lunghi anni tecniche di caratterizzazione elementale come la XRF (X-Ray Fluorescence), in cui si fruttano le emissioni caratteristiche di atomi ionizzati per identificare gli elementi presenti in un campione e le loro concentrazioni.
Tuttavia l’XRF presenta alcune limitazioni, dovute alla bassa energia dei raggi X emessi. Per alcuni elementi tale energia è così bassa che i raggi X sono completamente assorbiti (dal materiale stesso, dall’aria o dalla finestra del rivelatore) prima che possano essere rivelati. Per altri elementi, anche se i raggi X emessi hanno energia sufficiente ad essere rivelati, la loro attenuazione fa si che sia difficile ottenere informazioni quantitative affidabili. Per questo l’XRF è considerata una tecnica di indagine di superficie.
Una possibile alternativa per la caratterizzazione elementale è la spettroscopia muonica. In questa tecnica gli elettroni atomici sono sostituiti da muoni negativi. I fotoni emessi dalla diseccitazione di tali atomi hanno energie ~200 volte maggiori di quelle della fluorescenza X, non subiscono autoassorbimento e sono perfettamente rilevabili,  permettendo caratterizzazioni elementali anche in profondità e anche per basse concentrazioni. Le misure vengono eseguite presso il Rutherford Appleton Laboratory (UK).

In figura: un atomo muonico, il setup sperimentale al RAL e un fammento nuragico in bronzo.

 

 

TIMESPOT
Responsabile nazionale: Adriano Lai, INFN Cagliari, adriano.lai@ca.infn.it
Sito web: https://web.infn.it/timespot/

Gli esperimenti ai collider si apprestano a fronteggiare la sfida dell’alta luminosità, che pone requisiti tecnologici nuovi, specialmente riguardo alle tecniche di rivelazione dei vertici e di tracciatura. Questi consistono nell’elevata risoluzione spaziale, già tipica dei rivelatori di vertice (50-100 µm), che però va ora accoppiata ad una resistenza a flussi di radiazione di alcuni 1016 neutroni da 1 MeV equivalenti per cm2 ed alla possibilità di una misura del tempo ad alta risoluzione (<50 ps) a livello del singolo pixel. Quest’ultimo requisito è necessario per combattere l’elevato pile-up generato dall’alta luminosità che pone grandi complicazioni all’esatta identificazione dei vertici e ricostruzione degli eventi. Oltre a ciò, l’elevato flusso di dati in uscita dal rivelatore (dell’ordine di Tbits/s) obbliga ad una riduzione precoce dei dati e possibilmente all’utilizzo di tecniche di ricostruzione real-time.

Il progetto TIMESPOT (acronimo per TIME and SPace real-time OPerating Tracker) è stato finanziato dalla CSN5 per gli anni 2018-2020 con un budget di circa 1 milione di euro. Obiettivo finale del progetto è realizzare un apparato tracciatore dimostrativo (telescopio con almeno 4-5 piani di tracciatura) che integri sensori 3D (silicio e diamante) ad alta risoluzione spaziale e temporale, elettronica integrata per lettura di matrici di sensori e misura del tempo per ogni pixel in tecnologia CMOS 28 nm, sistemi di calcolo che realizzino algoritmi di ricostruzione in tempo reale.

Il progetto riunisce 10 Sezioni INFN (Bologna, Cagliari, Ferrara, Firenze, Genova, Milano, Padova, Perugia, Torino, Trento) e molti tra i massimi esperti INFN nei diversi settori di attività interessati. Esso prova a spingersi oltre il limite attuale delle tecniche di tracciatura già percorribili, per preparare la nuova generazione di esperimenti ai collider ad alta luminosità.

In figura: modello del sensore 3D ad alta risoluzione temporale  attualmente in fabbricazione