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Biomedical Imaging


Academic year 2023/2024

Course ID
BIO0242 Pds 308-BIDD
Walter Dastrù
Giuseppe Ferrauto
Francesca Reineri
Enzo Terreno
Degree course
[0101M22] Molecular Biotechnology
1st year
Teaching period
Second semester
Related or integrative
Course disciplinary sector (SSD)
CHIM/03 - general and inorganic chemistry
Formal authority
Type of examination
Written and oral
Type of learning unit

Sommario del corso


Course objectives

The overarching goal of the course is giving to the students the fundamental knowledge for the comprehension of the main diagnostic in vivo imaging techniques. In particular, this module wil offer the basics and the main preclinical anc clinica applications of Magnetic Resonance Imaging (MRI), Optical Imaging (OI), Ultrasound imaging (US), and Photoacoustic Imaging (PAI).

L'obiettivo principale del corso è fornire agli studenti le conoscenze fondamentali per la comprensione delle principali tecniche di imaging diagnostico in vivo. In particolare, questo modulo offrirà le basi e le principali applicazioni precliniche e cliniche della Risonanza Magnetica (MRI), dell'Imaging Ottico (OI), dell'Imaging ad Ultrasuoni (US) e dell'Imaging Fotoacustico (PAI).


Results of learning outcomes

At the end of the course, the student should know:

  • how the main MRI sequences work
  • the main parameters of the sequences and should be able to modify these parameters in order improve MR images
  • which different contrast agents can be used for MRI and their effect on images
  • which information can be obtained about different pathologies, using MRI-MRS techniques.
  • the main optical methodologies for in vivo imaging
  • the properties of fluorescent proteins
  • how to exploit energy transfer methodologies (FRET, BRET)
  • the photo-physical properties of a fluorescent agent
  • the features of Ultrasound imaging and the US contrast agents
  • the chemico-physical basis of Photoacoustic effect and the application for generation of medical images
  • which information can be obtained about different pathologies, using PAI
  • the properties of both endogenous and exogenous PAI contrast agents

Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà conoscere:

  • il funzionamento delle principali sequenze MRI
  • i parametri di acquisizione delle sequenze e modificarli per migliorare la qualità delle immagini
  • l'azione delle principali categorie di agenti di contrasto
  • quali informazioni possono essere ricavate, mediante le tecniche MRI-MRS, riguardo diverse patologie
  • le principali metodologie di imaging ottico in vivo
  • le proprietà e l'uso delle proteine fluorescenti
  • come utilizzare le metodologie di trasferimento di energia (FRET, BRET)
  • le caratteristiche foto-fisiche di un agente fluorescente
  • le caratteristiche dell'imaging a Ultrasuoni e degli agenti di contrasto per questa tecnica
  • le basi chimico-fisiche dell'effetto fotoacustico e la sua applicazione nella generazione di immagini mediche
  • quali informazioni sulle diverse patologie si possono ottenere applicando l'imaging fotoacustico 
  • le proprietà degli agenti di contrasto endogeni ed esogeni


  • Image construction using magnetic field gradients
  • Different pulse sequences for MRI
  • What is contrast in MRI and how can be enhanced (without contrast agents). repetition time (TR) and echo time (TE) parameters.
  • Paramagnetic contrast agents (T1 and T2 CAs)
  • CEST and smart contrast agents (pH responsive agents).
  • In vivo Magnetic Resonance Spectroscopy of heteronuclei (13C-MRS, 31P-MRS, 19F-MRS)
  • In vivo MRS for treatment response and detection of disease (13C hyperpolarized CAs)
  • Diffusion MRI: a biomarker for early detection of treatment response in cancer disease
  • Basics of optics and electromagnetic radiations
  • Photoluminescence
  • In vivo optical imaging methodologies
  • Fluorescent proteins and Bioluminescence
  • Exogenous fluorescent probes
  • Basics of ultrasound
  • Ultrasound imaging
  • Contrast agents for Ultrasound imaging
  • Physical basics of Photoacoustic effect
  • PA imaging (PAI)
  • PA contrast probes: endogenous and exogenous agents


  • Principi di formazione dell'immagine in MRI mediante gradienti di campo magnetico
  • Sequenze di impulso
  • Il contrasto nelle immagini MRI, come può essere variato (parametri TR e TE).
  • Agenti di contrasto paramagnetici in MRI
  • Agenti di contrasto CEST, agenti responsivi di pH
  • Spettroscopia NMR in vivo: spettri di eteronuclei (13C, 19F, 31P)
  • Spettroscopia NMR in vivo per il rilevamento precoce dell'efficienza di un trattamento terapeutico e per la diagnosi (agenti di contrasto iperpolarizzati)
  • Diffusion MRI
  • Principi base di ottica e radiazioni elettromagnetiche
  • Fotoluminescenza
  • Metodologie di imaging ottico in vivo
  • Proteine fluorescenti e Bioluminescenza
  • Sonde fluorescenti esogene
  • Principi base degli ultrasuoni
  • Imaging a ultrasuoni
  • Agenti di contrasto per imaging a ultrasuoni
  • Basi fisiche dell'effetto fotoacustico
  • imaging fotoacustico (PAI)
  • Agenti di contrasto endogeni ed esogeni in imaging fotoacustico

Course delivery

The Course will consist of lectures (22h) and practical classes (2h).


Il corso consiste in lezioni frontali (22h) e esercitazioni pratiche(2h) 


Learning assessment methods

Knowledge acquisition will be assessed by either an oral or written examination in which students will be asked questions about the main topics of the course. The use of correct terminology and clarity of the exposition will be also evaluated.


La preparazione dello studente verrà verificata con un esame orale o scritto. Nel corso dell'esame verrà valutata, oltre alla conoscenza della materia anche l'uso della corretta terminologia e la chiarezza dell'esposizione degli argomenti. 


Support activities

During the course students can count on a teacher for support with any questions/problems, one afternoon a week, upon making an appointment.


Durante tutta la durata del corso gli studenti potranno contare sul supporto dei docenti per ogni domanda/problema, un pomeriggio alla settimana, previo appuntamento. 

Suggested readings and bibliography


  • Joseph P. Hornak website:
  • Hashemi. R.H.; Bradley, Jr. W.G.; Lisanti, C.J. MRI. The Basics.
  • Weishaupt, D.; Köchli, V.D.; Marincek, B. How Does MRI Work?
  • For Photoacoustic module reviews and links to didattic websites will be provided, in addition to slides



Students are required to register for the course both on campusnet ( and on the Moodle ( platform.

The didactic material will be present on both platforms.


Teaching Modules

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    Last update: 23/05/2023 11:00
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