Axion-like particles and the 3.5 keV line in 4D string models

This work is focused on axions and axion like particles (ALPs) and their possible relation with the 3.55 keV photon line detected, in recent years, from galaxy clusters and other astrophysical objects. We focus on axions that come from string compactification and we study the vacuum structure of the resulting low energy 4D N=1 supergravity effective field theory. We then provide a model which might explain the 3.55 keV line through the following processes. A 7.1 keV dark matter axion decays in two light axions, which, in turn, are transformed into photons thanks to the Primakoff effect and the existence of a kinetic mixing between two U(1)s gauge symmetries belonging respectively to the hidden and the visible sector. We present two models, the first one gives an outcome inconsistent with experimental data, while the second can yield the desired result.

Ottimizzazione di un sistema di calcolo Voxel dosimetry e implementazione di grandezze radiobiologiche per MRT

Il presente lavoro di tesi nasce in seguito all’esperienza di tirocinio svolta presso l’Arcispedale Santa Maria Nuova di Reggio Emilia. Fulcro di questo lavoro è lo sviluppo di un sistema di pianificazione della dose per il trattamento dei pazienti sottoposti a Molecular Radionuclide Therapy (MRT). Presso tale struttura ospedaliera è già stato sviluppato uno strumento che si appoggia all’ambiente di lavoro Matlab per il calcolo dosimetrico. Tale programma è chiamato VoxelMed. Si tratta di uno strumento di calcolo che lavora al così detto voxel-level, tecnica di sviluppo recente che permette il calcolo della dose assorbita all’interno di un paziente in modo più dettagliato rispetto ai metodi di calcolo basati unicamente sulla stima media per organo, tipicamente impiegati in dosimetria tradizionale. Parte del lavoro di tesi consiste nell’implementare nuove modalità di calcolo ed aggiungere ulteriori accorgimenti all’attuale versione di VoxelMed. In VoxelMed è stata poi integrata ex-novo una componente di calcolo di misure radiobiologiche, in particolare della BED. La dose assorbita non è infatti un parametro sufficiente per valutare gli effetti della radiazione sui tessuti, a parità di tipo ed energia della radiazione gli effetti possono essere molto variabili. La BED è il parametro che tiene conto della risposta del tessuto sano o cancerogeno alla radiazione. Parte del lavoro è stato svolto sperimentalmente, tramite misure con fantocci acquisiti o preparati ad hoc. In particolare si sono utilizzati diverse tipologie di fantocci, per effettuare protocolli di calibrazione dei sistemi di acquisizione, misure di curve di effetto di volume parziale e test finali di verifica. Per un ulteriore verifica delle prestazioni di calcolo si sono effettuate misurazioni su un gruppo di pazienti e si sono confrontati i risultati con quelli ottenuti dal software maggiormente utilizzato nella pratica clinica, OLINDA/EXM.

Valutazione della qualità delle immagini e della dose in multi-slice computed tomography per l'ottimizzazione dei protocolli clinici che impiegano sistemi di modulazione automatica

In questo studio ci siamo proposti di investigare i sistemi di modulazione automatica della dose sui sistemi TC Multislice (Automatic Exposure Control – AEC) da tre diversi produttori, aventi differenti indicatori di qualità delle immagini. Il presente lavoro è stato svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria dell’Azienda Ospedaliera Universitaria - Policlinico Sant’Orsola-Malpighi di Bologna e consiste in un’analisi quantitativa della dose impiegata durante esami di Tomografia Computerizzata Multi-Slice (TCMS) e delle rispettive immagini radiologiche. Le immagini sono state acquisite con : GE LightSpeed VCT 64 e GE LightSpeed 16 (AEC AutomA 3D longitudinale e angolare), Siemens Sensation 16 (AEC CARE Dose 4D combinato), Philips Brilliance 16 e iCT 64 (separati in AEC ZDOM longitudinale e AEC DDOM angolare). Le acquisizioni TCMS sono state effettuate a differenti kV e mA di riferimento, al fine di investigarne gli effetti sulla modulazione, impiegando algoritmi di ricostruzione standard presenti su ogni macchina. Due fantocci antropomorfi simulanti la zona del torace e dell’addome sono stati utilizzati per simulare un paziente standard posizionato come in un esame clinico di routine ; a questo proposito, sono stati impiegati protocolli elicoidali standard con e senza modulazione. Sono inoltre stati testati differenti valori di indice di qualità delle immagini. Il profilo dei mA lungo la lunghezza è stato ottenuto utilizzando ImageJ, un programma open source comunemente utilizzato per l’elaborazione di immagini; i mAs sono stati normalizzati ad un fattore che tiene conto delle differenti geometrie e delle filtrazioni dei diversi scanner tomografici analizzati nell’esperienza. Il rumore è stato valutato tramite la scelta di determinate ROI (Region Of Interest) localizzate in aree il più possibili uniformi disponibili lungo i fantocci. Abbiamo registrato che una variazione del Noise Index o dei mAs di riferimento a seconda della tipologia di macchina analizzata risulta in uno shift dei profili di dose; lo stesso si è verificato quando sono stati cambiato kV o mA nella scout di acquisizione. Sistemi AEC longitudinali e combinati hanno mostrato profili di mAs normalizzati simili tra loro, con valori elevati evidenziati nella zona delle spalle e zona pelvi; sono state osservate differenze del 30-40% tra i differenti scanner tomografici. Solo in un caso di macchina analizzata si è verificato un comportamento opposto rispetto alle altre due tipologie di macchina in esame. A dispetto della differente natura dei sistemi AEC, i risultati ottenuti dai protocolli combinati e longitudinali sono simili tra loro. Il rumore presente nelle immagini è aumentato ad un livello accettabile e la sua uniformità lungo la direzione di scan è migliorata.

Implementation of a VLSI amplifier interfaced with biomedical sensors for ultra wide band data transmission

This thesis presents a CMOS Amplifier with High Common Mode rejection designed in UMC 130nm technology. The goal is to achieve a high amplification factor for a wide range of biological signals (with frequencies in the range of 10Hz-1KHz) and to reject the common-mode noise signal. It is here presented a Data Acquisition System, composed of a Delta-Sigma-like Modulator and an antenna, that is the core of a portable low-complexity radio system; the amplifier is designed in order to interface the data acquisition system with a sensor that acquires the electrical signal. The Modulator asynchronously acquires and samples human muscle activity, by sending a Quasi-Digital pattern that encodes the acquired signal. There is only a minor loss of information translating the muscle activity using this pattern, compared to an encoding technique which uses astandard digital signal via Impulse-Radio Ultra-Wide Band (IR-UWB). The biological signals, needed for Electromyographic analysis, have an amplitude of 10-100μV and need to be highly amplified and separated from the overwhelming 50mV common mode noise signal. Various tests of the firmness of the concept are presented, as well the proof that the design works even with different sensors, such as Radiation measurement for Dosimetry studies.

Il modello di Kaluza: unificazione tra gravità ed elettromagnetismo

Una teoria di unificazione ha il notevole compito di fornire un modello in grado di unificare le forze fondamentali della natura in una sola. Storicamente uno dei primi tentativi è rappresentato dal modello di Kaluza, che propone una formulazione unificata di gravità ed elettromagnetismo. In 4 dimensioni il campo gravitazionale e il campo elettromagnetico sono entità nettamente separate. Tale dualismo può essere superato estendendo la teoria della Relatività Generale ad uno spaziotempo a 5 dimensioni. Se alle consuete 4 si aggiunge una quinta dimensione spaziale, allora si dimostra che la gravità e l’elettromagnetismo possono essere visti come la manifestazione di un unico campo di forza, che è interpretabile in termini della geometria dello spaziotempo a 5 dimensioni. Nonostante i suoi intrinseci limiti, il modello di Kaluza rappresenta comunque un punto di partenza per molte altre teorie di campo unificato più moderne e a più di 5 dimensioni. L'obiettivo è di sviluppare le linee fondamentali del modello di Kaluza. Preliminarmente si riportano i risultati principali dell'elettromagnetismo e della Relatività Generale, dato che il modello si formula a partire da questi. Si stabilisce la condizione di cilindro, secondo cui le quantità fisiche non subiscono variazioni nella quinta dimensione. Si ipotizza un ansatz per il tensore metrico 5D e si scrivono le equazioni di campo unitario e della geodetica, come estensioni a 5 dimensioni di quelle in 4. Si dimostra che il campo unitario in 4 dimensioni si separa nel campo scalare costante, nel campo elettromagnetico e nel campo gravitazionale. Le componenti quadridimensionali della geodetica 5D riconducono a quella 4D e alle leggi del moto 4D in presenza dei campi gravitazionale ed elettromagnetico. Inoltre si interpreta la carica elettrica come la quinta componente della velocità covariante 5D.

Procedural and dosimetric aspects in peripheral angiography using CO2 as contrast medium

Lo scopo di questa tesi è lo studio degli aspetti procedurali e dosimetrici in angiografie periferiche che utilizzano la CO2 come mezzo di contrasto. La tecnica angiografica consiste nell’imaging radiologico di vasi sanguigni tramite l’iniezione di un mezzo di contrasto, e il suo uso è in costante incremento a causa dell’aumento di pazienti con malattie vascolari. I mezzi di contrasto iodati sono i più comunemente utilizzati e permettono di ottenere immagini di ottima qualità, ma presentano il limite di una elevata nefrotossicità. La CO2 è considerata un’interessante alternativa al mezzo iodato, per la sua acclarata biocompatibilità, soprattutto per pazienti con elevati fattori di rischio (diabete e/o insufficienza renale). Il suo utilizzo presenta comunque alcuni aspetti problematici, dovuti allo stato gassoso e al basso contrasto intrinseco rispetto alla soluzione iodata. Per quest’ultimo motivo si ritiene generalmente che l’utilizzo della CO2 comporti un aumento di dose rispetto ai mezzi di contrasto tradizionali. Il nostro studio, effettuato su diversi apparati radiologici, ha dimostrato che i parametri di emissione radiologica sono gli stessi per i protocolli di angiografia tradizionale, con iodio, e quelli che utilizzano CO2. Questa evidenza suggerisce che i protocolli CO2 operino solo sul trattamento delle immagini ottenute e non sulla modalità di acquisizione, e dal punto di vista dosimetrico l’angiografia con CO2 è riconducibile all’angiografia tradizionale. L’unico fattore che potrebbe portare a un effettivo incremento di dose al paziente è un allungamento dei tempi di scopia e di procedura, che andrebbe verificato con una campagna di misure in ambito clinico. Sulla base della stessa evidenza, si ritiene che la visualizzazione della CO2 possa essere ulteriormente migliorata attraverso l’ottimizzazione dei parametri di emissione radiologica (kVp, frame rate e durata degli impulsi) attualmente predisposti per l’uso di mezzi di contrasto iodati.

Novel materials for direct X-ray detectors based on semiconducting organic polymers

Conventional inorganic materials for x-ray radiation sensors suffer from several drawbacks, including their inability to cover large curved areas, me- chanical sti ffness, lack of tissue-equivalence and toxicity. Semiconducting organic polymers represent an alternative and have been employed as di- rect photoconversion material in organic diodes. In contrast to inorganic detector materials, polymers allow low-cost and large area fabrication by sol- vent based methods. In addition their processing is compliant with fexible low-temperature substrates. Flexible and large-area detectors are needed for dosimetry in medical radiotherapy and security applications. The objective of my thesis is to achieve optimized organic polymer diodes for fexible, di- rect x-ray detectors. To this end polymer diodes based on two different semi- conducting polymers, polyvinylcarbazole (PVK) and poly(9,9-dioctyluorene) (PFO) have been fabricated. The diodes show state-of-the-art rectifying be- haviour and hole transport mobilities comparable to reference materials. In order to improve the X-ray stopping power, high-Z nanoparticle Bi2O3 or WO3 where added to realize a polymer-nanoparticle composite with opti- mized properities. X-ray detector characterization resulted in sensitivties of up to 14 uC/Gy/cm2 for PVK when diodes were operated in reverse. Addition of nanoparticles could further improve the performance and a maximum sensitivy of 19 uC/Gy/cm2 was obtained for the PFO diodes. Compared to the pure PFO diode this corresponds to a five-fold increase and thus highlights the potentiality of nanoparticles for polymer detector design. In- terestingly the pure polymer diodes showed an order of magnitude increase in sensitivity when operated in forward regime. The increase was attributed to a different detection mechanism based on the modulation of the diodes conductivity.

La digitalizzazione del processo costruttivo: la strategia Building Information Modeling and Management (BIMM) applicata ad un caso di studio di edilizia scolastica.

L’obiettivo della tesi è quello di fare una panoramica sulla strategia BIM e quindi sulla digitalizzazione del processo costruttivo. Grazie alla analisi di un caso di studio, altro obiettivo è quello di analizzare e valutare la metodologia BIM 4D/5D, ossia la gestione dei tempi e dei costi di realizzazione dell’opera. Nella prima fase si affronta il tema del BIM, con una analisi sull’evoluzione degli strumenti di elaborazione e rappresentazione digitale del progetto architettonico, su come questi strumenti si differenzino sia dal punto di vista operativo che concettuale rivoluzionando il flusso di lavoro odierno. Quindi, partendo da un’analisi che e ritrae l’estrema frammentazione del settore delle costruzioni, si va ad analizzare come il BIM aumenti e favorisca la collaborazione delle parti interessate, armonizzando l’intero processo costruttivo dell’opera. Si prosegue con l'esame della diffusione e del livello di maturità degli strumenti BIM, di come i privati e le amministrazioni pubbliche, a livello mondiale, stiano spingendo per favorire l’adozione della metodologia BIM. Inoltre si analizzano le dinamiche dell’interoperabilità, delle metodologie e protocolli di interscambio dati, che sono un elemento chiave per il successo del BIM per via dei numerosi strumenti, specializzati nelle varie discipline del settore edile. Nella terza parte, dedicata al Project Management di un caso di studio, si verifica la bontà delle metodologie teorizzate attraverso la realizzazione di un modello virtuale in Revit. Dal modello realizzato dal laureando sono estrapolate le informazioni necessarie alla gestione, e tramite il software STRVison CPM, si elaborano i principali documenti per la progettazione e gestione del cantiere: il CM, il CME, i tempi operativi, il cronoprogramma Gantt. Obbiettivo è constatare l’effettivo livello di maturità della strategia BIM 4D e 5D e la reale possibilità di un impiego capillare nel panorama italiano del settore delle costruzioni.

Analisi preliminare dei risultati di TC perfusionale effettuata su tessuto polmonare sano

Le ultime ricerche in campo oncologico sulle cure antitumorali sono indirizzate verso una categoria definita target therapy. In particolare tra le più promettenti, le terapie antiangiogenetiche, il cui scopo primario è quello di limitare l’apporto di sangue al tumore. In questo contesto la Tomografia Computerizzata (TC) perfusionale rappresenta un’importante tecnica di imaging radiologico in grado, teoricamente, di fornire misure quantitative, che permettano una valutazione, anche precoce, della risposta alle terapie antiangiogenetiche. I principali problemi aperti in questo campo riguardano la standardizzazione dei protocolli di acquisizione e di elaborazione delle sequenze perfusionali, che determinano la scarsa riproducibilità dei risultati intra- ed inter-paziente, non consentendone l’uso nella pratica clinica. In letteratura sono presenti diversi studi riguardanti la perfusione dei tumori polmonari, ma vi sono pochi studi sull’affidabilità dei parametri perfusionali calcolati. Questa Tesi si propone di analizzare, quantificare e confrontare gli errori e l’affidabilità dei parametri perfusionali calcolati attraverso la TC perfusionale. In particolare, vengono generate delle mappe di errore ed effettuati dei confronti di diverse regioni del polmone sano. I risultati ottenuti dall’analisi dei casi reali sono discussi al fine di poter definire dei livelli di affidabilità dei parametri perfusionali e di quantificare gli errori che si commettono nella valutazione dei parametri stessi. Questo studio preliminare consentirà, quindi, un’analisi di riproducibilità, permettendo, inoltre, una normalizzazione dei valori perfusionali calcolati nella lesione, al fine di effettuare analisi intra- ed inter-paziente.

Applications of advanced and dual energy computed tomography in proton therapy

This thesis focuses on advanced reconstruction methods and Dual Energy (DE) Computed Tomography (CT) applications for proton therapy, aiming at improving patient positioning and investigating approaches to deal with metal artifacts. To tackle the first goal, an algorithm for post-processing input DE images has been developed. The outputs are tumor- and bone-canceled images, which help in recognising structures in patient body. We proved that positioning error is substantially reduced using contrast enhanced images, thus suggesting the potential of such application. If positioning plays a key role in the delivery, even more important is the quality of planning CT. For that, modern CT scanners offer possibility to tackle challenging cases, like treatment of tumors close to metal implants. Possible approaches for dealing with artifacts introduced by such rods have been investigated experimentally at Paul Scherrer Institut (Switzerland), simulating several treatment plans on an anthropomorphic phantom. In particular, we examined the cases in which none, manual or Iterative Metal Artifact Reduction (iMAR) algorithm were used to correct the artifacts, using both Filtered Back Projection and Sinogram Affirmed Iterative Reconstruction as image reconstruction techniques. Moreover, direct stopping power calculation from DE images with iMAR has also been considered as alternative approach. Delivered dose measured with Gafchromic EBT3 films was compared with the one calculated in Treatment Planning System. Residual positioning errors, daily machine dependent uncertainties and film quenching have been taken into account in the analyses. Although plans with multiple fields seemed more robust than single field, results showed in general better agreement between prescribed and delivered dose when using iMAR, especially if combined with DE approach. Thus, we proved the potential of these advanced algorithms in improving dosimetry for plans in presence of metal implants.