Llicenciatura en Biologia (3361)

Tècniques Avançades d'Imatge en Biomedicina(12310) 

Identificació de l'assignatura

L’assignatura Tècniques Avançades d’imatge en Biomedicina és una de les assignatures troncals de quart curs de la llicenciatura en Biologia. S’impartirà en 60 hores, de les quals 25 seran teòriques i 35, pràctiques.

Coordinació i professorat

El coordinador i responsable de l’assignatura és el Dr. Emili Martinez Miralles. També participaran en la docència els doctors Arrate Mallabiabarena i Xavier Perich Alsina.

Per desenvolupar alguns temes es comptarà amb la presència de professionals de reconegut prestigi com a professors invitats.  

Objectius generals

El projecte docent de l’assignatura pretén:

-Proporcionar a l'estudiant tant els fonaments teòrics bàsics com les competències i habilitats pràctiques que li permetin acostar-se al diagnòstic per la imatge, entesa com una eina per a l’estudi de l’anatomia i la fisiologia in vivo.

-Transmetre a l'estudiant curiositat envers el diagnòstic per la imatge, fer que gaudeixi estant en contacte amb aquesta especialitat i estimular el seu ús en la recerca.

-Implicar l’estudiant en el seu propi aprenentatge per tal que desenvolupi una metodologia científica adient, a partir de l’aprenentatge basat en problemes i dotant-lo d’eines per desenvolupar en un futur una tasca investigadora qualificada.  

Objectius específics

Els estudiants tindran a la seva disposició els objectius específics de l’assignatura dins el Campus Global.  

Desenvolupament de l’assignatura

Una part de la docència pràctica es farà a les aules de la Facultat i una altra, a les instal·lacions clíniques de CRC Mar i l'Hospital del Mar.  

Avaluació dels aprenentatges

L’avaluació de l’assignatura es farà segons les normes generals de la Facultat, seguint els criteris següents:

Contingut teòric: 6 punts             

Prova d’elecció múltiple: 3,6 punts           

Preguntes curtes: 2,4 punts

Contingut pràctic: 4 punts           

Avaluació contínua: 2 punts           

Article científic: 2 punts

Nota: Qualsevol tipus de còpia implica la no-superació de l’assignatura en la convocatòria en curs.  

Contingut teòric

Tema 1. Nocions fonamentals de física de radiacions aplicables a l’obtenció d’imatges 

Durada: 4 hores.

Coneixements previs requerits a l'estudiant: naturalesa de la radiació electromagnètica; teoria de les ones EM (matemàtica i física).

1.1 Recordatori de física i radiacions

L’univers com a integral de matèria i energia.

-L’àtom com a unitat bàsica

-Estructura de l’àtom. El model atòmic de Bohr: nucli i escorça

-Estructura dels àtoms plurielectrònics

-Les forces fonamentals. L’equivalència massa-energia

-La dualitat corpuscle-ona

1.2 La matèria

Les partícules elementals.

-Característiques de les partícules

-Electró, protó, neutró i altres partícules

L’energia d’enllaç.

Estabilitat nuclear.

Models nuclears.

1.3 L’energia

Formes d'energia.

-La radiació electromagnètica

-Naturalesa de la radiació electromagnètica

-Espectre

-El fotó

Mesura de l’energia. Concepte d’electró volt (eV)

1.4 Isòtops i radioactivitat

L’ordenació de la matèria

-Concepte d’element. La taula periòdica

-Nombre atòmic i nombre màssic

-Concepte d’isòtop

-Concepte de radionúclid

Radioactivitat

-La radioactivitat com a fenomen tendent a l’estabilitat

*Radioactivitat natural. Les sèries radioactives a la natura

*Radioactivitat artificial. Sistemes de producció

-Característiques físiques dels isòtops

-Característiques químiques dels isòtops

-Tipus de desintegració radioactiva

*Radioactivitat alfa

*Radioactivitat beta

*Emissió de radiació gamma

*Captura electrònica

Magnituds que caracteritzen un radionúclid.

-Tipus de desintegració

-L’energia característica

-Vida mitjana física. Període de semidesintegració i constant de semidesintegració

-Vida mitjana biològica 

Magnituds radiològiques.

-Concepte d’irradiació i atenuació de la radiació

-Blindatge i capacitat de penetració

-Unitats internacionals

1.5 Interacció de la radiació amb la matèria

Interacció de partícules carregades amb la matèria:

-Teoria clàssica de les col·lisions

-Pèrdua radioactiva

-Relació energia-abast. Interacció de partícules alfa

-Interacció de partícules beta

Interacció de la radiació electromagnètica amb la matèria.

-Ionització alfa i beta

-Efecte fotoelèctric

-Efecte Comptom

-Producció de parells

-Radiació de frenat

-Interacció dels neutrons. Fissió nuclear i reactors nuclears

Característiques importants de la radiació:

-Atenuació

-Capacitat de penetració

-Taxes d’exposició

-Dosimetria i efectes biològics

Tema 2.  La radiologia simple

Durada: 4 hores

2.1. Història i generalitats

Les ones electromagnètiques i l’obtenció d’imatges:

-De la càmera fosca a la radiologia digital passant per la fotografia

-La radiografia com a paradigma de la imatge planar

2.2.  Elements per a l’obtenció d’una imatge radiològica

Origen de la radiació electromagnètica. El tub de raigs X. 

-El feix de raigs X

-Kilovoltatge i mil·liamperatge

-El temps d’exposició

-La quantitat de radiació com a concepte

-La distància focal

-Problemes amb la radiació difusa. Efectes de la radiació dispersa sobre la imatge

Receptor de la radiació. La placa radiogràfica.

-La placa radiogràfica com a receptor dels raigs X i sistema d’imatge

-Base, revestiments  i emulsions

-La química de les sals de plata. Tipus d’emulsions. Sensibilitat, contrast i mida del gra

-Xassís. Tipus de xassís

-Pantalles de reforç. Fòsfor i terres rares

-La lluita contra la radiació dispersa: els col·limadors, els filtres i les graelles antidifusores

-Exposició radiogràfica. Tècnica radiogràfica

Obtenció de la imatge. De la imatge latent a la imatge radiogràfica.

-El maneig de les plaques

-Els sistemes de revelatge

-Llum de seguretat

-Efectes d’una manipulació incorrecta. Identificació d’artefactes 

2.3. La imatge radiogràfica. Claus d’interpretació

Factors que configuren la imatge radiogràfica.

-Interacció dels raigs X amb la matèria

*Atenuació

*Absorció

-Concepte de densitat radiogràfica

*La densitat del metall

*La densitat de l'aigua

*La densitat de l'aire

*La densitat del greix

Claus per a la interpretació de la imatge.

-Acostament a la imatge planar. La radiologia com a representació en 2D d’un volum en 3D

-Valoració de les densitats

-La radiologia com una qüestió de contrastos

*El concepte de contrast

*El signe de la silueta

*Contrastos radiològics 

2.4. Altres sistemes radiològics

Imatges que no empren la placa radiogràfica.

-Receptors electrònics

-La imatge assistida electrònicament

-Pantalles de fòsfor

-Pantalles per a radiologia digital

-Intensificadors d’imatge

-Els receptors de semiconductors

-La imatge digital 

-Sistemes de subtracció digital

Tema 3.  La tomografia axial computada 

Durada: 2 hores

3.1. Concepte de tomografia

La tomografia com a representació d’un volum

-La TC com a paradigma de la imatge tomogràfica

-Acostament a les tècniques tomogràfiques i a les reconstruccions volumètriques.

3.2. Bases teòriques de la TC

Funcionament esquemàtic de la TC.

Sistemes de reconstrucció de la imatge.

-La retroprojecció

-Els filtres

-La reconstrucció iterativa

3.3. La  interpretació dels talls tomogràfics

Tomografia i anatomia seccional.

-Concepte d’axial, sagital i coronal

-Gruix i altres característiques dels talls tomogràfics

-El concepte del volum parcial

Millora electrònica del contrast.

-Les finestres

Les unitats Hounsfield com un acostament a la composició tissular.

Sistemes de hard copy.

3.4. Altres imatges basades en la TC

Estudis simples i amb contrast.

-Millora de la imatge amb contrastos orals i endovenosos

-Artefactes induïts per contrast

Estudis dinàmics amb la TC espiral

-Estudis en mode “cine”

-Reconstruccions volumètriques

3.5. Avantatges i limitacions de la TC

Tema 4. L’ecografia

Durada: 1 hora.

4.1. Consideracions globals sobre la imatge a partir del so

-Els ultrasons a la natura

4.2. Base teòrica dels ultrasons

-Comportament de les ones sòniques

-Transmissió del so

-Reflexió i atenuació dels ultrasons 

4.3. Sistemes productors i detectors d’ones sòniques

-Sistemes generadors/receptors d’ultrasons

-La imatge tomo-ecogràfica a temps real

-La interfase sònica com a moduladora de la imatge

-La imatge per efecte Doppler. Acostament al flux

4.4. Interpretació de la imatge

-Orientació de plànols

-Identificació d’estructures

-Valoració de fluxos

4.5. Avantatges i limitacions dels ultrasons

Tema 5. Ressonància magnètica nuclear

Durada: 2 hores

5.1. Bases físiques i principis bàsics

-Magnetització i precessió nuclear

-Ones de radiofreqüència

-Fenòmens de relaxació. Vectors

-Codificació del senyal. Fase i freqüència

5.2.  L'obtenció d'imatge per RM

Seqüències.

-Spin-echo

-Contrast T1, DP, T2I

-Inversió-recuperació

-Gradient echo

-Seqüències ràpides

Equipament.

-Imants

-Gradients

-Bobines

Imatge en RM.

-Factors de qualitat

-Tipus d'adquisicions

-Angiografia i fluxos per RM

-Reconstruccions

-Productes de contrast

-Espectroscòpia

Realització de la prova.

-Col·locació, centratge i immobilització

-Programació de seqüències

-Impressió i arxiu

5.3.  Interpretació de la imatge per RM

-Orientació

-Identificació de plànols

-Caracterització tissular

-Artefactes

5.4.  Avantatges, limitacions i contraindicacions de l'RM

Tema 6. Estudis isotòpics

Durada: 6 hores

Coneixements previs requerits a l'estudiant i vistos a Física de primer curs: nocions elementals de física fonamental; l’estructura atòmica; el sistema periòdic; elements estables i inestables, i el fenomen de la radioactivitat.

6.1 . Isòtops emissors gamma i isòtops emissors de positrons

Acostament als isòtops utilitzats en biomedicina.

-Consideracions sobre aquests isòtops

Sistemes per a l’obtenció d’isòtops:

-Depuració en centrals nuclears, generadors i ciclotrons

-Els generadors isòtops emissors gamma de generador

-El ciclotró:

*Isòtops emissors gamma de ciclotró

*Isòtops emissors de positrons

6.2.  Detecció de la radiació. Sistemes de detecció i mesura de la radiació amb finalitat d’imatge

Interacció de la radiació amb la matèria que  possibilita el comptatge.

Factors que afecten la detecció: taxes de comptatge i distància.

-Sistemes bàsics de detecció

-Sistemes d’ionització i de centelleig

-Cristalls d'INA Tl  i cristalls de BGO o LSO per la PET

-Semiconductors

-Centelleig beta

-Sistemes complexos

La gammacàmera.

-Característiques

*Comptatge

*Obtenció d’imatge

*Eficiència

El tomògraf de positrons:

-Característiques de construcció. La PET i la micro-PET

-Comptatge

-Obtenció d’imatge

-Eficiència

Els comptadors de pou.

Els sistemes fotogràfics.

6.3. Bases fisiològiques dels estudis amb isòtops

Radiotraçadors.

-Concepte de radiotraçador 

*El radiotraçador com a variant químicament idèntica d’un compost actiu

*Mecanismes d’actuació dels radiotraçadors

-Propietats químiques

-Vida mitjana biològica

-Vida mitjana efectiva

Marcatge.

-Concepte de traçador marcat

-Radiotraçadors marcats amb emissors gamma

-Sistemes de marcatge

-Les possibilitats del tecneci

-Substàncies marcades amb iode

-Altres tipus de marcatge

Els radiofàrmacs marcats amb positrons 

-Síntesi de molècules orgàniques emissores

 -Les possibilitats de l'11 carboni

6.4. Els estudis amb imatge

Imatges planars i estudis estàtics.

-Forma de presentació

-Matrius i escales de colors

-Windowing i presentació no lineal

-Filtres

-Anàlisi quantitativa. Les àrees d’interès i la subtracció de fons

-Qualificació absoluta i relativa

Estudis dinàmics.

-Generació de corbes activitat/temps

-Imatges paramètriques

Tomografia per emissió de fotó únic (SPECT)

-Definició de SPECT

-Aproximació teòrica a l’SPECT

-Sistemes de reconstrucció d’imatge

*Retroprojecció

*Filtres

*Reconstrucció iterativa

-Obtenció de dades primigènies. Correcció d’atenuació i correcció de scatter

-Interpretació i qualificació de les imatges de SPECT

Tomografia per emissió de positrons  (PET)

-Definició de PET

-Aproximació teòrica a la PET

-Obtenció de dades primigènies. Correcció d’atenuació i correcció de la coincidència aleatòria

-Sistemes de reconstrucció d’imatge

*Retroprojecció

*Filtres

*Reconstrucció iterativa

-Interpretació i quantificació de les imatges de PET

*Estudi compartimental i modelització (Modeling)

-Imatges no tomogràfiques de positrons

*Autoradiografia amb positrons

Tema 7.  Nocions bàsiques de radioprotecció

Durada: 2 hores

7.1. Recordatori dels efectes biològics de les radiacions ionitzants

Radiosensibilitat.

Efectes estocàstics i no estocàstics.

Efectes genètics.

Resposta orgànica a la radiació.

Contaminació i irradiació.

7.2. Fonts de radiació naturals i artificials i riscos derivats

Acostament racional a la problemàtica de la radiació en la societat del nostre temps.

7.3. Principis bàsics de protecció radiològica

Pautes de treball.

-Distància

-Temps

-Blindatges

Delimitació d’àrees.

Dosimetries. Sistema de limitació de dosis.

Legislació.

Tema 8. Fotografia científica

Durada: 1 hora

8.1. Acostament a la fotografia científica

8.2. Fotografia química

Bases de la fotografia química.

Equipament fotogràfic.

-La càmera rèflex de 35 mm

-Objectius

-Sistemes de magnificació de la imatge

-La il·luminació i el flaix anular

Pel·lícules:

-Sistemes negatiu/paper i diapositives

8.3. Fotografia digital

Consideracions sobre la fotografia digital.

-Píxels i vòxels

-Capacitat de resolució de la fotografia digital

-Dimensions de les imatges

Característiques dels principals equips de fotografia digital.

Comentaris sobre programes de tractament d’imatge digital.

-Programes comercials: Adobe PhotoShop

8.4. Avantatges i desavantatges de cada un dels sistemes

Tema 9. Recursos de processament de la imatge microscòpica

Durada: 3 hores

9.1.  Recursos del maquinari (o hardware): el microscopi com a component

Diferents tipus de font microscòpica.

-Fotons, llum ultraviolada i electrons

-El làser

-Microscopis especials: iònic i ambiental

-Microradiografia

-Imatges òptiques tractades: polarització, contrast de fases, contrast d’interferència i camp fosc

-Microscòpia aplicada a l’anàlisi d’elements: energia dispersiva de raigs X. Tècniques de difracció d’electrons.

Diferents senyals microscòpics.

-Colorants estequiomètrics i no estequiomètrics

-Metalls de tinció contínua i discreta

-Senyals radioactius

-Senyals tractats (anàlisi d’elements)

Càmeres analògiques i digitals aplicades a l’estudi microscòpic.

-Aplicacions al microscopi òptic

-Aplicacions als microscopis electrònics de transmissió, de scanning, iònics i ambientals

9.2. Recursos de programari (o software): la quantificació dels senyals microscòpics

-Bases de la quantificació dels senyals microscòpics

-Morfometria i estereologia. Mètodes automàtics i semiautomàtics

-Anàlisi d’imatge

-Eines complementàries del maquinari i diferents programes aplicats a la quantificació morfològica

-Models estàndard i exemples pràctics de quantificació microscòpica

-Reconstruccions tridimensionals d’estructures microscòpiques

9.3. Recursos del programari: el tractament digital i els models matemàtics aplicats a la imatge microscòpica

-Tractament digital dels senyals òptics

-Tractament digital dels senyals electrònics

-Definició d'RDI (regions d’interès) en l’anàlisi morfològica quantitativa digital

-Sistemes de filtres digitals (de Reimer, de Sobel, de Roberts, de Laplace, de connectivitat, intensificador de contorns, intensificador de contrast de connectivitat)

-MIA: Multiple Image Alignment (reconstrucció integrada d'imatges microscòpiques)

-EFI: Extended Foccused Imaging (ajustament integrat dels plans focals)

-Anàlisi fractal i transformacions de Fourier

-Exemples d’aplicació en materials biològics i biomedicina

-Exemples d’aplicació a l’anàlisi de materials i aplicacions industrials

 

Contingut pràctic

Totes les pràctiques es faran en quatre grups de 15 estudiants, excepte la pràctica núm. 3, en què seran dos grups de 30 components.

Pràctica 1. Acostament a una instal·lació radiològica

Durada: 2 hores

Lloc: Servei de Radiodiagnòstic de l’Hospital del Mar.

Coneixements teòrics previs: tema 2.

Objectiu: proporcionar un primer contacte amb l’estructura física d’un servei de diagnòstic per la imatge.

Desenvolupament: veure la distribució de les sales, l’utillatge que hi trobem i la feina assistencial que s’hi desenvolupa.

Pràctica 2. Obtenció de la imatge radiogràfica

Durada: 3 hores

Lloc: Servei de Radiodiagnòstic de l’Hospital del Mar.

Coneixements teòrics previs: tema 2.

Objectiu: obtenir imatges radiogràfiques.

Desenvolupament: aquesta pràctica es farà al Servei de Radiodiagnòstic de l'Hospital del Mar i consistirà en l'obtenció de diverses imatges radiogràfiques sobre objectes inerts, amb especial incidència en la metodologia, pas a pas, i en els possibles factors que influeixen en la qualitat d’una radiografia. Es considera primordial la comprensió dels mecanismes d’obtenció de la imatge i els conceptes de volums i densitats.

Pràctica 3. Seminaris de lectura de plaques i exploracions radiològiques

Durada: 4 hores (dues sessions de 2 hores).

Lloc: aulari de la UPF.

Coneixements teòrics previs: tema 2.

Objectiu: acostament a l’aplicació pràctica del diagnòstic per la imatge al món de la biomedicina.

Desenvolupament: aquesta pràctica es farà en dues sessions a l'aulari i consistirà en la presentació de diverses exploracions radiològiques tant en homes com en animals d’experimentació, amb discussió pràctica sobre els diferents conceptes estudiats a les classes teòriques.

Pràctica 4.  Acostament a l’ecografia

Durada: 2 hores.

Lloc: Servei de Radiodiagnòstic de l’Hospital del Mar.

Objectiu: observació pràctica del comportament del senyal ecogràfic.

Coneixements teòrics previs: tema 4.

Desenvolupament: aquesta pràctica es farà en grups reduïts al Servei de Radiodiagnòstic de l'Hospital del Mar i consistirà en l'obtenció de diverses imatges ecogràfiques d'un voluntari, amb especial incidència en la metodologia, pas a pas, i en els avantatges i inconvenients de la imatge ecogràfica.

Pràctica 5. Acostament a les tècniques radioisotòpiques

Durada: 6 hores (tres sessions de 2 hores).

Lloc: Servei de Radiodiagnòstic de l’Hospital del Mar.

Objectiu: proporcionar un primer contacte de l'estudiant amb la medicina nuclear.

Coneixements teòrics previs: tema 6.

Desenvolupament: les pràctiques es faran al Servei de Medicina Nuclear de CRC Mar i consistiran a:

1. Efectuar comptatges amb l’instrumental a l’abast i obtenir imatges utilitzant phantomes adients.

2. Practicar el marcatge isotòpic de substàncies amb iode i tecneci i fer-ne el control de qualitat.

3. Comentar imatges obtingudes en pacients, amb especial incidència a compondre els mecanismes fisiopatològics que les suporten.

Pràctica 6.  Fotografia científica

Durada: 6 hores (tres sessions de 2 hores).

Lloc: aulari de la UPF.

Objectiu: apropar l’estudiant a l’obtenció d’imatges fotogràfiques amb finalitat científica.

Coneixements teòrics previs: tema 8.

Desenvolupament: aquesta pràctica consistirà en l’obtenció de diverses fotografies químiques amb sistemes macro i digitals amb diferents sistemes de càmeres durant les dues primeres sessions. La tercera sessió es dedicarà a comentar els resultats, incidint especialment en els errors metodològics i en la manera de corregir-los.

Pràctica 7. Pràctiques de microscòpia

Durada: 4 hores (dues sessions de 2 hores).

Lloc: aulari de la UPF.

Objectiu: manipulació informàtica sobre imatges de microscòpia.

Coneixements teòrics previs: tema 9.

Desenvolupament: aquesta pràctica consistirà en el tractament informàtic de diverses preparacions histològiques (Sessió 1, Morfometria. Sessió 2, Tractament digital i anàlisi d’imatge).

Pràctica 8. Elaboració d'un article científic basat en el diagnòstic per la imatge

Durada: 8 hores a lliure disposició.

Coneixements teòrics previs: es farà un cop acabat el temari teòric.

Objectiu: l’objectiu general d’aquesta pràctica és integrar els coneixements tant teòrics com pràctics en un treball sobre un tema escollit per l'estudiant que impliqui fer un esforç de síntesi i de recerca bibliogràfica.

Desenvolupament: aquesta tasca es farà en forma de treball escrit, que serà tutoritzat per un dels professors de l’assignatura. Es posarà èmfasi en l’aprenentatge del maneig de la bibliografia i en la capacitat de síntesi.

Bibliografia

Atesa la naturalesa de la matèria donada, no es disposa de llibres de referència. Per tant, la major part de la bibliografia es proporcionarà als estudiants en forma de fotocòpies de capítols de llibres o de publicacions que considerem d’interès. Inclourà:

MINISTERIO DE SANIDAD Y CONSUMO. Colección de Sanidad Ambiental. Protección Radiológica, Parte 1. Conceptos generales. Madrid: Publicaciones del Ministerio de Sanidad y Consumo. Secretaría General y Técnica, 1988.

BUSHONG, Stewart C. Manual de radiología para técnicos. 6a. ed. Madrid: Harcourt-Mosby, 1999.

GÁRATE ROJAS, Manuel. Fundamentos de técnica radiográfica. 4a. ed. Badalona: Agfa Medical, 1988.

DIVERSOS AUTORS. Fundamentos de la imagen radiográfica. Madrid: Kodak Ediciones, 1986.

SCHILD, Hans H. La resonancia nuclear magnética hecha fácil… bueno, o casi. Scherind Diagnóstico.

MINISTERIO DE SANIDAD Y CONSUMO. Colección de Sanidad Ambiental. Protección Radiológica. Parte IV. Medicina nuclear. Madrid: Publicaciones del Ministerio de Sanidad y Consumo. Secretaría General y Técnica, 1988.

HENKIN, Robert E. i d'altres. Nuclear Medicine. Part II. The Scientific Basis of Nuclear Medicine. St. Louis Mosby, 1996. Pàg. 41-508.

MAISEY, M. i d'altres. Atlas of Clinical Positron Emission Tomography. Nova York: Oxford University Press Inc., 1999. Pàg. 3-50.

Radiación. Dosis, efectos y riesgos. Madrid: Publicaciones del Consejo de Seguridad Nuclear, 1989. [Programa de l'ONU per al Medi Ambient]. Llicenciatura en Biologia