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Física Médica

El objetivo de este curso es introducir el campo de aplicación de la Física Avanzada (Física de Partículas y Sistemas Complejos) en el área de la Física Médica.

Los sub-módulos incluídos en el módulo de Física Médica son:

GEANT4

Objetivo

  • Introducir el uso de GEANT4 y el método de Monte Carlo aplicado al transporte de partículas.

Acompañamiento Docente

Este módulo contará con la orientación de:
+ Francisco García, Helsinki Institute of Physics.

Acompañados de un equipo de consultoría:
+ Arturo Sánchez, LAPP.
+ Javier Solano, UNI.
+ José Antonio López, UCV.

Pre-requisites/Co-requisites

Calendario

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Estructura de la clases

  • Each session is a self-contained module
  • A set of questions, videos, exercises and reading are proposed at the end of each session for individual work

Evaluaciones

TBA

Programa y objetivos de aprendizaje semanales

Semana 1 (4 hours): Tema (I)

  1. Clase 1

    • What is GEANT4
    • Monte Carlo Method
    • Montecarlo Method Particle Transport
    • GEANT4 Toolkit – Clases & Structure
    • GEANT4 – Hands-on

  2. Clase 2

    • What is GEANT4
    • Montecarlo Method Particle Transport
    • A bit about C++
    • Definition of a simulation model
    • Main components of a model
    • GEANT4 – Hands-on

Física Nuclear

Objetivo General: Presentar y discutir la física nuclear que resulta o tiene el potencial de ser útil en biomedicina.

Objetivos Específicos:

  • Presentar los medios y métodos que generan campos de radiación.
  • Introducir la manera de cuantificar y detectar campos de radiación para su manejo.
  • Introducir los aspectos básicos del transporte de radiación en la materia.
  • Analizar la manera en la que la energía se deposita en la materia.

Acompañamiento Docente

Este módulo contará con la orientación de:
+ Rafael Martín, UCV.

Acompañados de un equipo de consultoría:
+ José Antonio López, UCV.
+ Miguel Martín, UCV.

Calendario

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Estructura de la clases

  • Each session is a self-contained module
  • A set of questions, videos, exercises and reading are proposed at the end of each session for individual work

Evaluaciones

TBA

Programa y objetivos de aprendizaje semanales

Semana 1 (4 hours): Tema (I)

  1. Clase 1

    • Aceleradores lineales de electrones y protones (incluye radiación de frenado).
    • Aceleradores circulares de iones (incluye radiación de frenado).
    • Cantidades empleadas en la descripción de los campos de radiación.
    • Atenuación y transporte de haces de fotones.
    • Poderes de frenado y transporte de partículas cargadas.

  2. Clase 2

    • Distribución de la dosis absorbida para fotones, electrones e iones pesados.
    • Detectores de radiación de uso clínico y determinación de la dosis absorbida.
    • Reacciones nucleares, inducidas y expontáneas.
    • Uso terapéutico y contaminación por neutrones.
    • Radioisótopos empleados en medicina y su producción en base a reactores y aceleradores.

Radiobiología

Objetivos:

  • Presentar y discutir los aspectos básicos de la interacción de la radiación ionizante con la materia viva como un conjunto de sistemas auto-organizados a varias escalas que emplean los ácidos nucleicos para el registro y transporte de la información fundamental requerida en su desarrollo y evolución.
  • Presentar y discutir los métodos empleados para cuantificar los efectos resultantes de esa interacción en función de la radiación a considerar y así poder hacer predicciones sobre su evolución, con especial énfasis en los efectos sobre los ácidos nucleicos como las substancias que contienen la información básica.
  • Analizar cómo estos efectos pueden ser empleados para establecer métodos en el tratamiento y diagnóstico de patologías, particularmente aquellas de naturaleza neoplásica, así como también el desarrollo de criterios para proteger sistemas vivos de los efectos de la radiación.

Acompañamiento Docente

Este módulo contará con la orientación de:
+ Roxana Gajardo, UCV.
+ José Antonio López, UCV.
+ Rafael Martín, UCV.

Acompañados de un equipo de consultoría:
+ nombre, Institución.

Requisitos:

  • Tipos de radiación ionizante (directa/indirecta)
    • Descripción de procesos de transferencia de energía
    • Dosis
    • LET
  • Probabilidades
    • Promedio, desviación
    • Proceso de Bernoulli
    • Distribución binomial
    • Distribución Normal y Estándar normal
    • Distribución de Poisson

Calendario

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Estructura de la clases

  • Each session is a self-contained module
  • A set of questions, videos, exercises and reading are proposed at the end of each session for individual work

Evaluaciones

TBA

Programa y objetivos de aprendizaje semanales

Semana 1 (4 hours): Tema (I)

  1. Clase 1

    • Estructura de la célula como sistema de organelos
    • Ciclo celular
    • Dogma central de la biología molecular
    • Regulación
    • Reparacion del DNA
    • Mutaciones, Aberraciones
    • Organización de los tejidos: compartimientos jerárquicos o flexibles
    • Crecimiento de poblaciones celulares
    • Crecimiento tumoral: descripción y modelos
    • Daño celular
      • Fases del daño celular (física, química y biológica)
      • Descripción, tiempos, etc
      • Daño celular directo e indirecto
      • Calidad de la dosis
    • Modelos de daño celular por radiación
      • Letalidad, probabilidades de supervivencia, carácter estocástico del daño
      • Muerte y muerte reproductiva
      • Mecanismos de muerte celular: mitótica, apoptosis, autofagia, senescencia
      • Efectos Bystander y abscopales
      • Curvas de supervivencia in vitro
      • Fracción de supervivencia
      • Radiosensibilidad/radioresistencia
      • Radioresistencia de varios organismos: rayos cósmicos, evolución, etc.
      • Modelos empíricos: blanco único, blanco múltiple, lineal-cuadrático
      • Dosis única vs fraccionamiento
      • Probabilidad de control tumoral

  2. Clase 2

    • Clasificación del daño celular
      • Mención breve a la variación de la resistencia a lo largo del ciclo celular
      • Daño potencialmente letal
      • Daño subletal
      • Las 4 R
      • Efecto de tasa de dosis
    • Efecto del oxígeno
      • OER
      • Reoxigenacióń
    • LET y RBE
      • Factores que influyen en la RBE: LET, Dosis, Fraccionamiento y Tasa de dosis, Sistema biológico
      • Efecto LET
      • LET y OER
    • Dosis efectiva
    • Sindrome de radiación aguda
    • Efectos estocásticos y determinísticos
    • Protección radiológica
    • Dosis equivalente

Protección radiológica

Acompañamiento Docente

Este módulo contará con la orientación de:
+ Miguel Martín, UCV.

Acompañados de un equipo de consultoría:
+ José Antonio López, UCV.

Calendario

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Estructura de la clases

  • Each session is a self-contained module
  • A set of questions, videos, exercises and reading are proposed at the end of each session for individual work

Evaluaciones

TBA

Programa y objetivos de aprendizaje semanales

Semana 1 (4 hours): Tema (I)

  1. Clase 1

    • Conceptos básicos de protección radiológica.
      • Cantidades dosimétricas y unidades. Límites de dosis: Ocupacional y público. Zonas controladas y zonas supervisadas. Optimización de la protección radiológica, principios ALARA (As Low As Reasonably Achievable) y AHAN (Asigh As Needed). Niveles de referencia.
      • Elementos de protección radiológica: Distancia, tiempo de exposición y barreras. Propieddades de penetración de las radiaciones. Capas Hemireductoras, HVL (Half Value layer) y Decireductoras, TVL (tenth Value Layer). Factores de transmisisón de radiaciones ionizantes.
    • Requerimientos generales de blindaje en instalaciones médicas.
      • Metas del diseño del blindaje: Dosis objetivo, distancia al objetivo, factores de ocupación y de uso. Estiomación de la carga de trabajo de la instalación. Barreras primarias y secundarias. Haz primario, radiación dispersa por el paciente y radiación de fuga.
      • Uso de simulación de Montecarlo en la estimación de la transmisión de barreras. Ecuación de Archer.
      • Distribuciones de dosis

  2. Clase 2

    • Ejemplos de cálculo de blindaje en instalaciones de radioterapia
      • Acelerador lineal (LINAC) con energía menor a 10 MeV.
      • Acelerador lineal (LINAC) con energía superior a 10 MeV.
      • Tomoterapia
    • Ejemplos de cálculo de blindaje en instalaciones de diagnóstico por imágenes
      • Tomografía computarizada
      • Instalación para medicina nuclear. PET/CT

Imágenes médicas

Objetivos

  • Conocer los principios físicos en la generación de imágenes médicas
  • Entender los principios básicos de la reconstrucción tomográfica y la gneración de imágenes tridimensionales
  • Conocer los métodos de detección de las señales en las imágenes médicas y sus características de calidad: contraste, resolución y ruido en la imagen
  • Conocer de métodos generales de procesamiento de imágenes. Filtraje, Espacio de Fourier, segemntación de imágenes
  • Conocer de los métodos más relevantes de registro y fusión de imágenes médicas

Acompañamiento Docente

Este módulo contará con la orientación de:
+ Miguel Martín, UCV.

Acompañados de un equipo de consultoría:
+ José Antonio López, UCV.

Calendario

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Estructura de la clases

  • Each session is a self-contained module
  • A set of questions, videos, exercises and reading are proposed at the end of each session for individual work

Evaluaciones

TBA

Programa y objetivos de aprendizaje semanales

Semana 1 (4 hours): Tema (I)

  1. Clase 1

    • Física de los rayos X
      • Generación.Radiación de frenado y radiación característica.
      • Interacción con la materia. Efecto fotoeéctrico, dispersión de rayleigh y efecto Compton. Atenuación de los rayos X, ley de Lambert-Beer y coeficiente deatenuación lineal másico
      • Generación de la imagen. Detección analógica y digital.
    • Equipos especiales.
      • Mamografía. Convencional y Tomosíntesis.
      • Fluoroscopía.
    • Tomografía computarizada o tomografía de transmisión.
      • Proyecciones y transformada de Radon.
      • Colección de datos (senograma) y teorema de la sección central.
      • Reconstrucción de la imagen tomográfica. Retroproyección simple y filtrada. Muestreo del espacio de Fourier de la imagen.
      • Tomografía helicoidal multidetector. Definición de paso ("pitch"). Interpolación entre cortes
    • Medicina Nuclear y tomografía de emisión
      • Estabilidad nuclear y decaimiento radiactivo. Tipos de decaimeinto, actividad y tiempo de media vida. Medición de actividad y marcaje de radiofármacos.
      • Formación de la imagen en medicina nuclear. Cámara plana o de Anger y sus características. Detectores de radiación gamma.
      • Equipos de tomografía por emisión, SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) y PET (Positron Emission Tomography). Equipos híbridos; SPECT-CT y PET-CT

  2. Clase 2

    • Resonancia Magnética Nuclear
      • Física del magnetismo nuclear. Momento angular del núcleo. El momento magnético nuclear, teorema de Wigner-Eckhart. Niveles de energía magnético-nucleares, efecto Zeeman nuclear. Equilibrio termodinámico y magnetización nuclear. Tendencia al equilibrio termodinámico: tiempos de relajación longitudinal y transversal.
      • Ecuaciones de Bloch y resonancia magnética nuclear. Rotación de la maghnetización bajo la condición de resonancia. Detección de la señal y decaimiento libre de inducción. La secuencia de Eco de Espín y estimación del tiempo de relajación transversal. Inversión y saturación de la magnetización, estimación del tiempo de relajación longitudinal. La difusión molecular y su efecto en la aternuación del eco. Espectroscopía por resonancia magnética nuclear.
      • Generación de la imagen de resonancia magnética. Gradiente de campo magnético. Codificación espacial, definición de corte y muestreo del espacio de Fpurier de la imagen. Secuencias de generación de imágenes, la secuencia de Eco de Espín y sus parámetros. Manejo del contraste intrínseco: ponderada en T1, ponderada en T2 y densidad de espín. Técnicas rápidas basadas en el muestreo eficiente del espacio de Fourier de la imagen.
      • Aplicaciones avanzadas de la resonancia magnética por imágenes. Espectroscopía in vivo. Difusión aparente, curtosis aparente y tensor de difusión. Resonancoia magnética funcional o fMRI. Imágenes de perfusión. Equipos híbridos: PET-MRI

Semana 2 (2 horas)

  1. Clase 3
    • Procesamieento de imágenes médicas
      • El estándar DICOM, metadata y su uso. Imágens 2D, 3D y 4D
      • Información en la imagen. Histograma de niveles digitales. Filtros de imagen. Nociones de morfología matemática.
      • Segmentación de imágenes. Métodos basados en el histograma. Métodos estadísticos.
    • Registro y fusión de imágenes médicas.
      • Multimodalidad en las imágenes médicas
      • Principios generales del registro de imágenes. Transformaciones espaciales, medida de similitud y proceso de optimización del registro
      • Medidas de similitud mediante marcas anatómicas o externas (fiduciales). Métodos de registro con marcas.
      • Medidas de información. Entropía en la imagen. Información mutua y distancia de Kullback-Leibler
      • Registro rígido. Tipos de transformaciones espaciales.
      • Registro no rígido. Transformaciones mediante splines. Transformaciones mediante modelos deformables. Transformaciones mediante atractores y demons

Proyecto Física Médica

TBA