Development of an X-ray spectrometric system and feasibility tests of Silicon Drift Detector for medical and space applications

The thesis work concerns X-ray spectrometry for both medical and space applications and is divided into two sections. The first section addresses an X-ray spectrometric system designed to study radiological beams and is devoted to the optimization of diagnostic procedures in medicine. A parametric semi-empirical model capable of efficiently reconstructing diagnostic X-ray spectra in 'middle power' computers was developed and tested. In addition, different silicon diode detectors were tested as real-time detectors in order to provide a real-time evaluation of the spectrum during diagnostic procedures. This project contributes to the field by presenting an improved simulation of a realistic X-ray beam emerging from a common X-ray tube with a complete and detailed spectrum that lends itself to further studies of added filtration, thus providing an optimized beam for different diagnostic applications in medicine. The second section describes the preliminary tests that have been carried out on the first version of an Application Specific Integrated Circuit (ASIC), integrated with large area position-sensitive Silicon Drift Detector (SDD) to be used on board future space missions. This technology has been developed for the ESA project: LOFT (Large Observatory for X-ray Timing), a new medium-class space mission that the European Space Agency has been assessing since February of 2011. The LOFT project was proposed as part of the Cosmic Vision Program (2015-2025).

A model and an algebra for semi-structured and full-text queries

The need for a convergence between semi-structured data management and Information Retrieval techniques is manifest to the scientific community. In order to fulfil this growing request, W3C has recently proposed XQuery Full Text, an IR-oriented extension of XQuery. However, the issue of query optimization requires the study of important properties like query equivalence and containment; to this aim, a formal representation of document and queries is needed. The goal of this thesis is to establish such formal background. We define a data model for XML documents and propose an algebra able to represent most of XQuery Full-Text expressions. We show how an XQuery Full-Text expression can be translated into an algebraic expression and how an algebraic expression can be optimized.

Statistical properties of Radio Halos and the re-acceleration model

Galaxy clusters occupy a special position in the cosmic hierarchy as they are the largest bound structures in the Universe. There is now general agreement on a hierarchical picture for the formation of cosmic structures, in which galaxy clusters are supposed to form by accretion of matter and merging between smaller units. During merger events, shocks are driven by the gravity of the dark matter in the diffuse barionic component, which is heated up to the observed temperature. Radio and hard-X ray observations have discovered non-thermal components mixed with the thermal Intra Cluster Medium (ICM) and this is of great importance as it calls for a “revision” of the physics of the ICM. The bulk of present information comes from the radio observations which discovered an increasing number of Mpcsized emissions from the ICM, Radio Halos (at the cluster center) and Radio Relics (at the cluster periphery). These sources are due to synchrotron emission from ultra relativistic electrons diffusing through µG turbulent magnetic fields. Radio Halos are the most spectacular evidence of non-thermal components in the ICM and understanding the origin and evolution of these sources represents one of the most challenging goal of the theory of the ICM. Cluster mergers are the most energetic events in the Universe and a fraction of the energy dissipated during these mergers could be channelled into the amplification of the magnetic fields and into the acceleration of high energy particles via shocks and turbulence driven by these mergers. Present observations of Radio Halos (and possibly of hard X-rays) can be best interpreted in terms of the reacceleration scenario in which MHD turbulence injected during these cluster mergers re-accelerates high energy particles in the ICM. The physics involved in this scenario is very complex and model details are difficult to test, however this model clearly predicts some simple properties of Radio Halos (and resulting IC emission in the hard X-ray band) which are almost independent of the details of the adopted physics. In particular in the re-acceleration scenario MHD turbulence is injected and dissipated during cluster mergers and thus Radio Halos (and also the resulting hard X-ray IC emission) should be transient phenomena (with a typical lifetime <» 1 Gyr) associated with dynamically disturbed clusters. The physics of the re-acceleration scenario should produce an unavoidable cut-off in the spectrum of the re-accelerated electrons, which is due to the balance between turbulent acceleration and radiative losses. The energy at which this cut-off occurs, and thus the maximum frequency at which synchrotron radiation is produced, depends essentially on the efficiency of the acceleration mechanism so that observations at high frequencies are expected to catch only the most efficient phenomena while, in principle, low frequency radio surveys may found these phenomena much common in the Universe. These basic properties should leave an important imprint in the statistical properties of Radio Halos (and of non-thermal phenomena in general) which, however, have not been addressed yet by present modellings. The main focus of this PhD thesis is to calculate, for the first time, the expected statistics of Radio Halos in the context of the re-acceleration scenario. In particular, we shall address the following main questions: • Is it possible to model “self-consistently” the evolution of these sources together with that of the parent clusters? • How the occurrence of Radio Halos is expected to change with cluster mass and to evolve with redshift? How the efficiency to catch Radio Halos in galaxy clusters changes with the observing radio frequency? • How many Radio Halos are expected to form in the Universe? At which redshift is expected the bulk of these sources? • Is it possible to reproduce in the re-acceleration scenario the observed occurrence and number of Radio Halos in the Universe and the observed correlations between thermal and non-thermal properties of galaxy clusters? • Is it possible to constrain the magnetic field intensity and profile in galaxy clusters and the energetic of turbulence in the ICM from the comparison between model expectations and observations? Several astrophysical ingredients are necessary to model the evolution and statistical properties of Radio Halos in the context of re-acceleration model and to address the points given above. For these reason we deserve some space in this PhD thesis to review the important aspects of the physics of the ICM which are of interest to catch our goals. In Chapt. 1 we discuss the physics of galaxy clusters, and in particular, the clusters formation process; in Chapt. 2 we review the main observational properties of non-thermal components in the ICM; and in Chapt. 3 we focus on the physics of magnetic field and of particle acceleration in galaxy clusters. As a relevant application, the theory of Alfv´enic particle acceleration is applied in Chapt. 4 where we report the most important results from calculations we have done in the framework of the re-acceleration scenario. In this Chapter we show that a fraction of the energy of fluid turbulence driven in the ICM by the cluster mergers can be channelled into the injection of Alfv´en waves at small scales and that these waves can efficiently re-accelerate particles and trigger Radio Halos and hard X-ray emission. The main part of this PhD work, the calculation of the statistical properties of Radio Halos and non-thermal phenomena as expected in the context of the re-acceleration model and their comparison with observations, is presented in Chapts.5, 6, 7 and 8. In Chapt.5 we present a first approach to semi-analytical calculations of statistical properties of giant Radio Halos. The main goal of this Chapter is to model cluster formation, the injection of turbulence in the ICM and the resulting particle acceleration process. We adopt the semi–analytic extended Press & Schechter (PS) theory to follow the formation of a large synthetic population of galaxy clusters and assume that during a merger a fraction of the PdV work done by the infalling subclusters in passing through the most massive one is injected in the form of magnetosonic waves. Then the processes of stochastic acceleration of the relativistic electrons by these waves and the properties of the ensuing synchrotron (Radio Halos) and inverse Compton (IC, hard X-ray) emission of merging clusters are computed under the assumption of a constant rms average magnetic field strength in emitting volume. The main finding of these calculations is that giant Radio Halos are naturally expected only in the more massive clusters, and that the expected fraction of clusters with Radio Halos is consistent with the observed one. In Chapt. 6 we extend the previous calculations by including a scaling of the magnetic field strength with cluster mass. The inclusion of this scaling allows us to derive the expected correlations between the synchrotron radio power of Radio Halos and the X-ray properties (T, LX) and mass of the hosting clusters. For the first time, we show that these correlations, calculated in the context of the re-acceleration model, are consistent with the observed ones for typical µG strengths of the average B intensity in massive clusters. The calculations presented in this Chapter allow us to derive the evolution of the probability to form Radio Halos as a function of the cluster mass and redshift. The most relevant finding presented in this Chapter is that the luminosity functions of giant Radio Halos at 1.4 GHz are expected to peak around a radio power » 1024 W/Hz and to flatten (or cut-off) at lower radio powers because of the decrease of the electron re-acceleration efficiency in smaller galaxy clusters. In Chapt. 6 we also derive the expected number counts of Radio Halos and compare them with available observations: we claim that » 100 Radio Halos in the Universe can be observed at 1.4 GHz with deep surveys, while more than 1000 Radio Halos are expected to be discovered in the next future by LOFAR at 150 MHz. This is the first (and so far unique) model expectation for the number counts of Radio Halos at lower frequency and allows to design future radio surveys. Based on the results of Chapt. 6, in Chapt.7 we present a work in progress on a “revision” of the occurrence of Radio Halos. We combine past results from the NVSS radio survey (z » 0.05 − 0.2) with our ongoing GMRT Radio Halos Pointed Observations of 50 X-ray luminous galaxy clusters (at z » 0.2−0.4) and discuss the possibility to test our model expectations with the number counts of Radio Halos at z » 0.05 − 0.4. The most relevant limitation in the calculations presented in Chapt. 5 and 6 is the assumption of an “averaged” size of Radio Halos independently of their radio luminosity and of the mass of the parent clusters. This assumption cannot be released in the context of the PS formalism used to describe the formation process of clusters, while a more detailed analysis of the physics of cluster mergers and of the injection process of turbulence in the ICM would require an approach based on numerical (possible MHD) simulations of a very large volume of the Universe which is however well beyond the aim of this PhD thesis. On the other hand, in Chapt.8 we report our discovery of novel correlations between the size (RH) of Radio Halos and their radio power and between RH and the cluster mass within the Radio Halo region, MH. In particular this last “geometrical” MH − RH correlation allows us to “observationally” overcome the limitation of the “average” size of Radio Halos. Thus in this Chapter, by making use of this “geometrical” correlation and of a simplified form of the re-acceleration model based on the results of Chapt. 5 and 6 we are able to discuss expected correlations between the synchrotron power and the thermal cluster quantities relative to the radio emitting region. This is a new powerful tool of investigation and we show that all the observed correlations (PR − RH, PR − MH, PR − T, PR − LX, . . . ) now become well understood in the context of the re-acceleration model. In addition, we find that observationally the size of Radio Halos scales non-linearly with the virial radius of the parent cluster, and this immediately means that the fraction of the cluster volume which is radio emitting increases with cluster mass and thus that the non-thermal component in clusters is not self-similar.

Analisi dei parametri vegetazionali e dei caratteri funzionali di specie guida come strumenti di studio di comunità prative

Lo studio condotto si propone l’approfondimento delle conoscenze sui processi di evoluzione spontanea di comunità vegetali erbacee di origine secondaria in cinque siti all’interno di un’area protetta del Parco di Monte Sole (Bologna, Italia), dove, come molte aree rurali marginali in Italia e in Europa, la cessazione o riduzione delle tradizionali pratiche gestionali negli ultimi cinquant’anni, ha determinato lo sviluppo di fitocenosi di ridotto valore floristico e produttivo. Tali siti si trovano in due aree distinte all’interno del parco, denominate Zannini e Stanzano, selezionate in quanto rappresentative di situazioni di comunità del Mesobrometo. Due siti appartenenti alla prima area e uno appartenente alla seconda, sono gestiti con sfalcio annuale, i rimanenti non hanno nessun tipo di gestione. Lo stato delle comunità erbacee di tali siti è stato valutato secondo più punti di vista. E’ stata fatta una caratterizzazione vegetazionale dei siti, mediante rilievo lineare secondo la metodologia Daget-Poissonet, permettendo una prima valutazione relativa al numero di specie presenti e alla loro abbondanza all’interno della comunità vegetale, determinando i Contributi Specifici delle famiglie principali e delle specie dominanti (B. pinnatum, B. erectus e D. glomerata). La produttività è stata calcolata utilizzando un indice di qualità foraggera, il Valore Pastorale, e con la determinazione della produzione di Fitomassa totale, Fitomassa fotosintetizzante e Necromassa. A questo proposito sono state trovate correlazioni negative tra la presenza di Graminacee, in particolare di B. pinnatum, e i Contributi Specifici delle altre specie, soprattutto a causa dello spesso strato di fitomassa e necromassa prodotto dallo stesso B. pinnatum che impedisce meccanicamente l’insediamento e la crescita di altre piante. E’ stata inoltre approfonditamente sviluppata un terza caratterizzazione, che si propone di quantificare la diversità funzionale dei siti medesimi, interpretando le risposte della vegetazione a fattori globali di cambiamento, sia abiotici che biotici, per cogliere gli effetti delle variazioni ambientali in atto sulla comunità, e più in generale, sull’intero ecosistema. In particolare, nello studio condotto, sono stati proposti alcuni caratteri funzionali, cosiddetti functional traits, scelti perché correlati all’acquisizione e alla conservazione delle risorse, e quindi al trade-off dei nutrienti all’interno della pianta, ossia: Superficie Fogliare Specifica, SLA, Tenore di Sostanza Secca, LDMC, Concentrazione di Azoto Fogliare, LNC, Contenuto in Fibra, LFC, separato nelle componenti di Emicellulosa, Cellulosa, Lignina e Ceneri. Questi caratteri sono stati misurati in relazione a tre specie dominanti: B. pinnatum, B. erectus e D. glomerata. Si tratta di specie comunemente presenti nelle praterie semi-mesofile dell’Appennino Settentrionale, ma caratterizzate da differenti proprietà ecologiche e adattative: B. pinnatum e B. erectus sono considerati competitori stress-toleranti, tipicamente di ambienti poveri di risorse, mentre D. glomerata, è una specie più mesofila, caratteristica di ambienti produttivi. Attraverso l’analisi dei traits in riferimento alle diverse strategie di queste specie, sono stati descritti specifici adattamenti alle variazioni delle condizioni ambientali, ed in particolare in risposta al periodo di stress durante l’estate dovuto a deficit idrico e in risposta alla diversa modalità di gestione dei siti, ossia alla pratica o meno dello sfalcio annuale. Tra i caratteri funzionali esaminati, è stato identificato LDMC come il migliore per descrivere le specie, in quanto più facilmente misurabile, meno variabile, e direttamente correlato con altri traits come SLA e le componenti della fibra. E’ stato quindi proposto il calcolo di un indice globale per caratterizzare i siti in esame, che tenesse conto di tutti questi aspetti, riunendo insieme sia i parametri di tipo vegetativo e produttivo, che i parametri funzionali. Tale indice ha permesso di disporre i siti lungo un gradiente e di cogliere differenti risposte in relazione a variazioni stagionali tra primavera o autunno e in relazione al tipo di gestione, valutando le posizioni occupate dai siti stessi e la modalità dei loro eventuali spostamenti lungo questo gradiente. Al fine di chiarire se le variazioni dei traits rilevate fossero dovute ad adattamento fenotipico dei singoli individui alle condizioni ambientali, o piuttosto fossero dovute a differenziazione genotipica tra popolazioni cresciute in siti diversi, è stato proposto un esperimento in condizioni controllate. All’interno di un’area naturale in UK, le Chiltern Hills, sono stati selezionati cinque siti, caratterizzati da diverse età di abbandono: Bradenham Road MaiColtivato e Small Dean MaiColtivato, di cui non si conosce storia di coltivazione, caratterizzati rispettivamente da vegetazione arborea e arbustiva prevalente, Butterfly Bank 1970, non più coltivato dal 1970, oggi prateria seminaturale occasionalmente pascolata, Park Wood 2001, non più coltivato dal 2001, oggi prateria seminaturale mantenuta con sfalcio annuale, e infine Manor Farm Coltivato, attualmente arato e coltivato. L’esperimento è stato condotto facendo crescere i semi delle tre specie più comuni, B. sylvaticum, D. glomerata e H. lanatus provenienti dai primi quattro siti, e semi delle stesse specie acquistati commercialmente, nei cinque differenti tipi di suolo dei medesimi siti. Sono stati misurati quattro caratteri funzionali: Massa Radicale Secca (DRM), Massa Epigea Secca (DBM), Superficie Fogliare Secca (SLA) e Tenore di Sostanza Secca (LDMC). I risultati ottenuti hanno evidenziato che ci sono significative differenze tra le popolazioni di una stessa specie ma con diversa provenienza, e tra individui appartenenti alla stessa popolazione se fatti crescere in suoli diversi. Tuttavia, queste differenze, sembrano essere dovute ad adattamenti locali legati alla presenza di nutrienti, in particolare N e P, nel suolo piuttosto che a sostanziali variazioni genotipiche tra popolazioni. Anche per questi siti è stato costruito un gradiente sulla base dei quattro caratteri funzionali analizzati. La disposizione dei siti lungo il gradiente ha evidenziato tre gruppi distinti: i siti più giovani, Park Wood 2001 e Manor Farm Coltivato, nettamente separati da Butterfly Bank 1970, e seguiti infine da Small Dean MaiColtivato e Bradenham Road MaiColtivato. L’applicazione di un indice così proposto potrebbe rivelarsi un utile strumento per descrivere ed indagare lo stato della prateria e dei processi evolutivi in atto, al fine di meglio comprendere e dominare tali dinamiche per proporre sistemi di gestione che ne consentano la conservazione anche in assenza delle tradizionali cure colturali.

Variabilità spaziale dei parametri di modelli afflussi-deflussi

L’invarianza spaziale dei parametri di un modello afflussi-deflussi può rivelarsi una soluzione pratica e valida nel caso si voglia stimare la disponibilità di risorsa idrica di un’area. La simulazione idrologica è infatti uno strumento molto adottato ma presenta alcune criticità legate soprattutto alla necessità di calibrare i parametri del modello. Se si opta per l’applicazione di modelli spazialmente distribuiti, utili perché in grado di rendere conto della variabilità spaziale dei fenomeni che concorrono alla formazione di deflusso, il problema è solitamente legato all’alto numero di parametri in gioco. Assumendo che alcuni di questi siano omogenei nello spazio, dunque presentino lo stesso valore sui diversi bacini, è possibile ridurre il numero complessivo dei parametri che necessitano della calibrazione. Si verifica su base statistica questa assunzione, ricorrendo alla stima dell’incertezza parametrica valutata per mezzo di un algoritmo MCMC. Si nota che le distribuzioni dei parametri risultano in diversa misura compatibili sui bacini considerati. Quando poi l’obiettivo è la stima della disponibilità di risorsa idrica di bacini non strumentati, l’ipotesi di invarianza dei parametri assume ancora più importanza; solitamente infatti si affronta questo problema ricorrendo a lunghe analisi di regionalizzazione dei parametri. In questa sede invece si propone una procedura di cross-calibrazione che viene realizzata adottando le informazioni provenienti dai bacini strumentati più simili al sito di interesse. Si vuole raggiungere cioè un giusto compromesso tra lo svantaggio derivante dall’assumere i parametri del modello costanti sui bacini strumentati e il beneficio legato all’introduzione, passo dopo passo, di nuove e importanti informazioni derivanti dai bacini strumentati coinvolti nell’analisi. I risultati dimostrano l’utilità della metodologia proposta; si vede infatti che, in fase di validazione sul bacino considerato non strumentato, è possibile raggiungere un buona concordanza tra le serie di portata simulate e osservate.

Lesion detection and classification in breast cancer: evaluation of approaches based on morphological features, tracer kinetic modelling and semi-quantitative parameters in MR functional imaging (DCE-MRI)

The diagnosis, grading and classification of tumours has benefited considerably from the development of DCE-MRI which is now essential to the adequate clinical management of many tumour types due to its capability in detecting active angiogenesis. Several strategies have been proposed for DCE-MRI evaluation. Visual inspection of contrast agent concentration curves vs time is a very simple yet operator dependent procedure, therefore more objective approaches have been developed in order to facilitate comparison between studies. In so called model free approaches, descriptive or heuristic information extracted from time series raw data have been used for tissue classification. The main issue concerning these schemes is that they have not a direct interpretation in terms of physiological properties of the tissues. On the other hand, model based investigations typically involve compartmental tracer kinetic modelling and pixel-by-pixel estimation of kinetic parameters via non-linear regression applied on region of interests opportunely selected by the physician. This approach has the advantage to provide parameters directly related to the pathophysiological properties of the tissue such as vessel permeability, local regional blood flow, extraction fraction, concentration gradient between plasma and extravascular-extracellular space. Anyway, nonlinear modelling is computational demanding and the accuracy of the estimates can be affected by the signal-to-noise ratio and by the initial solutions. The principal aim of this thesis is investigate the use of semi-quantitative and quantitative parameters for segmentation and classification of breast lesion. The objectives can be subdivided as follow: describe the principal techniques to evaluate time intensity curve in DCE-MRI with focus on kinetic model proposed in literature; to evaluate the influence in parametrization choice for a classic bi-compartmental kinetic models; to evaluate the performance of a method for simultaneous tracer kinetic modelling and pixel classification; to evaluate performance of machine learning techniques training for segmentation and classification of breast lesion.

Stima dei parametri di modelli idrologici mediante ottimizzazione dell’utilità

Tradizionalmente, l'obiettivo della calibrazione di un modello afflussi-deflussi è sempre stato quello di ottenere un set di parametri (o una distribuzione di probabilità dei parametri) che massimizzasse l'adattamento dei dati simulati alla realtà osservata, trattando parzialmente le finalità applicative del modello. Nel lavoro di tesi viene proposta una metodologia di calibrazione che trae spunto dell'evidenza che non sempre la corrispondenza tra dati osservati e simulati rappresenti il criterio più appropriato per calibrare un modello idrologico. Ai fini applicativi infatti, può risultare maggiormente utile una miglior rappresentazione di un determinato aspetto dell'idrogramma piuttosto che un altro. Il metodo di calibrazione che viene proposto mira a valutare le prestazioni del modello stimandone l'utilità nell'applicazione prevista. Tramite l'utilizzo di opportune funzioni, ad ogni passo temporale viene valutata l'utilità della simulazione ottenuta. La calibrazione viene quindi eseguita attraverso la massimizzazione di una funzione obiettivo costituita dalla somma delle utilità stimate nei singoli passi temporali. Le analisi mostrano come attraverso l'impiego di tali funzioni obiettivo sia possibile migliorare le prestazioni del modello laddove ritenute di maggior interesse per per le finalità applicative previste.

Semi-synthetic bile acids as novel drug candidate in liver diseases: physico-chemical characterization and HPLC-ES-MS/MS methods for their quali-quantitative analysis in different experimental animal models

The physico-chemical characterization, structure-pharmacokinetic and metabolism studies of new semi synthetic analogues of natural bile acids (BAs) drug candidates have been performed. Recent studies discovered a role of BAs as agonists of FXR and TGR5 receptor, thus opening new therapeutic target for the treatment of liver diseases or metabolic disorders. Up to twenty new semisynthetic analogues have been synthesized and studied in order to find promising novel drugs candidates. In order to define the BAs structure-activity relationship, their main physico-chemical properties (solubility, detergency, lipophilicity and affinity with serum albumin) have been measured with validated analytical methodologies. Their metabolism and biodistribution has been studied in “bile fistula rat”, model where each BA is acutely administered through duodenal and femoral infusion and bile collected at different time interval allowing to define the relationship between structure and intestinal absorption and hepatic uptake ,metabolism and systemic spill-over. One of the studied analogues, 6α-ethyl-3α7α-dihydroxy-5β-cholanic acid, analogue of CDCA (INT 747, Obeticholic Acid (OCA)), recently under approval for the treatment of cholestatic liver diseases, requires additional studies to ensure its safety and lack of toxicity when administered to patients with a strong liver impairment. For this purpose, CCl4 inhalation to rat causing hepatic decompensation (cirrhosis) animal model has been developed and used to define the difference of OCA biodistribution in respect to control animals trying to define whether peripheral tissues might be also exposed as a result of toxic plasma levels of OCA, evaluating also the endogenous BAs biodistribution. An accurate and sensitive HPLC-ES-MS/MS method is developed to identify and quantify all BAs in biological matrices (bile, plasma, urine, liver, kidney, intestinal content and tissue) for which a sample pretreatment have been optimized.