Nell’ambito del Dipartimento diversi aspetti della Fisica applicata sono oggetto di sviluppo, in particolare l’Acustica Ambientale e la Fisica Medica.
Acustica Ambientale
L’Acustica Ambientale si occupa dei fenomeni di generazione e propagazione nell’ambiente dei suoni con attenzione a quelli che possono provocare danni alla salute. Studia metodi per l’identificazione delle sorgenti, la riduzione della loro emissione, i modelli di propagazione e l’isolamento dei soggetti esposti. L’utilizzo di strumenti innovativi, quali una acoustic camera con 112 microfoni o metodi di apprendimento automatico per la classificazione delle sorgenti, pongono la ricerca in questo campo all’avanguardia e permettono di affrontare anche tematiche quali il rumore portuale, attualmente non caratterizzato.
Fisica Medica
La ricerca in Fisica Medica si occupa di sviluppare la strumentazione e le metodologie di analisi necessarie per avere sistemi sempre più all’avanguardia. Un sistema di imaging è composto da un elemento sensibile alla radiazione seguito dalla relativa elettronica di lettura e acquisizione dei segnali (DAQ), e dal software di processamento e ricostruzione delle immagini. Per sviluppare dei prototipi che superino lo stato dell’arte si devono utilizzare componenti ad alte prestazioni, integrarli e ottimizzarli tra loro. Anche l’utilizzo di tecniche innovative per l’analisi delle immagini permette il miglioramento delle prestazioni di un sistema di imaging, e consente avanzamenti nella diagnostica e nella terapia.
Tutte le competenze necessarie per questi sviluppi sono presenti tra i ricercatori di Fisica Medica del Dipartimento:
- Imaging nucleare, e PET in particolare: studi su scintillatori, partendo dalla caratterizzazione delle proprietà di risoluzione spaziale, temporale ed energetica dei materiali scintillanti fino alla valutazione delle diverse strutture dei cristalli (segmentate, continue e composite per la rivelazione della profondità di interazione) e sulle caratteristiche dei fotorivelatori in silicio e dall’ottimizzazione delle loro proprietà. Un modulo per PET a tempo di volo dotato di elaborazione del segnale potenziata da rete neurale on-chip e caratterizzato da una CTR <200 ps, una risoluzione spaziale intrinseca <1 mm e una risoluzione energetica del 11% è stato sviluppato nell’ambito del progetto UTOFPET, un progetto europeo Horizon 2020. Gli studi del modulo PET proseguiranno, per valorizzarne le caratteristiche e grazie anche sulla sua scalabilità, si prevede di sviluppare sistemi che verranno applicati nell’imaging di piccoli animali, e nel total-body PET.
- In stretta collaborazione con utenti finali, quali ad esempio l’Istituto di Fisiologia Clinica del CNR (IFC), l’AOUP, la Fondazione Toscana “Gabriele Monasterio” o società high-tech internazionali, si sviluppano sistemi di imaging multimodale, come la PET/TAC preclinica. Questa attività, altamente interdisciplinare, comprende anche lo sviluppo di software come algoritmi di ricostruzione di immagini 3D (algoritmo iterativi come la ML-EM per la PET e analitico come la retroproiezione filtrata per la TAC) e gli strumenti di acquisizione e calibrazione dati che sono necessari per le applicazioni finali. Il gruppo collabora anche alle applicazioni cliniche o precliniche finali durante la preparazione e l’esecuzione degli esperimenti. Parte di queste attività sono svolte nell’ambito del nodo italiano Multi-Modal Molecular Imaging di Eurobioimaging, che è un ERIC (European Research Infrastructure Consortium) che fornisce accesso a servizi avanzati per la ricerca biologica e biomedica. Si sta inoltre lavorando all’installazione, in collaborazione con aziende private e la AOUP, di un sistema trimodale PET-MR-EEG (progetto EU FP7 TRIMAGE).
- Sistemi per l’imaging 2D e 3D con raggi X, basati su rivelatori a semiconduttore (Si e CdTe) a pixel bump-bondati all’ASIC Timepix4 e letti da un sistema di acquisizione dedicato. Questo sistema è stato sviluppato nell’ambito della collaborazione internazionale MEDIPIX, di cui fa parte l’INFN. Questo sistema verrà applicato sia nell’ambito pre-clinico sia in quello clinico in collaborazione con altri Dipartimenti universitari, IFC e AOUP su applicazioni quali dosimetria e imaging spettrale 2D e 3D.
- Imaging a Risonanza Magnetica, in collaborazione con l’IRCCS Stella Maris e con il suo Centro Ricerche IMAGO7, dove sono presenti tomografi a campo clinico e a campo ultra-alto che operano sull’uomo. La ricerca prevede: lo sviluppo di diversi metodi di imaging, attraverso l’esplorazione di vari settori, come ad esempio la costruzione di rivelatori (bobine RF), lo sviluppo di sequenze di impulsi, l’elaborazione dei dati, l’analisi delle immagini, la modellazione computazionale, lo sviluppo di algoritmi di classificazione, e infine l’applicazione nell’uomo, sia per studi di neuroscienze che per la comprensione dei meccanismi fisiopatologici di diverse malattie.
- Sviluppo e validazione clinica di tecniche di analisi basate sull’intelligenza artificiale, compresi approcci di machine learning e deep learning, che trovano implementazione in diagnostica e in terapia. Le attuali sfide tecnologiche includono diversi metodi di data mining, segmentazione di immagini, strategie per l’annotazione, l’analisi e l’armonizzazione dei dati, l’identificazione di informazioni quantitative nelle immagini, al fine di realizzare sistemi intelligenti per applicazioni dosimetriche, di diagnosi assistita da computer e terapia guidata dalle immagini.
- Sistemi PET dedicati alla verifica dei piani di trattamento in radioterapia con particelle cariche, collaborando con l’INFN e con i principali centri italiani ed europei per la sperimentazione dei sistemi PET e per lo sviluppo di nuova strumentazione oltre lo stato dell’arte. I sistemi sviluppati vengono impiegati per studi di base (DoPET) e per studi clinici: un trial clinico è in corso al CNAO utilizzando INSIDE, un sistema che include un sistema in-beam PET per osservare le modifiche morfologiche subite dalla massa tumorale durante la terapia e, se necessario, aggiornare il piano di trattamento. INSIDE è una collaborazione tra il Dipartimento di Fisica, INFN e CNAO.
- Le reazioni nucleari che avvengono nel paziente durante l’erogazione di un piano di trattamento in radioterapia con particelle cariche sono anche oggetto di ricerca, puntando a misurare le sezioni d’urto di frammentazione nucleare. Questo studio avviene nell’ambito di una collaborazione internazionale, FOOT, composta da 15 istituzioni e finanziata dall’INFN. FOOT è un esperimento composto da diversi sotto-rivelatori, e il gruppo di Fisica Medica coordina le attività sperimentali del rivelatore dedicato all’identificazione di frammenti nucleari carichi. L’esperimento prenderà dati nei laboratori del GSI in Germania e del CNAO di Pavia. Per le applicazioni di adroterapia e gli esperimenti correlati il gruppo fa parte della Biophysics International Collaboration con sede presso GSI.
- Sviluppo di nuove tecnologie per la radioterapia e in particolare per la radioterapia FLASH, una tecnica molto avanzata, in cui la dose di radiazione (qualche Gy) viene erogata in frazioni di secondo, a differenza della radioterapia convenzionale in cui il trattamento viene suddiviso in più sedute della durata di alcuni minuti. Nella modalità FLASH, a parità di efficacia sul tessuto tumorale, si è osservata una notevole diminuzione della tossicità del trattamento nel tessuto sano attraversato dalla radiazione e ciò consentirebbe di curare tumori fino ad oggi non trattabili. Numerosi studi sono in corso per traslare in modo efficace e sicuro questo effetto radiobiologico nella pratica clinica. Per questo è stato creato il Centro Pisano Multidisciplinare sulla Ricerca e Implementazione Clinica della Flash Radiotherapy che unisce competenze multidisciplinari di Università di Pisa, AOUP, CNR–Istituto Neuroscienze, e INFN. Il gruppo di Fisica Medica ha avuto un ruolo di primo piano nella fondazione del centro ed è attualmente coinvolto nello sviluppo di nuova strumentazione e protocolli dosimetrici necessari per la misura accurata della dose di radiazione in regimi ultraintensi.
