Electrical Impedance Tomography: strategie algoritmiche per il problema inverso

La tomografia ad impedenza elettrica è un metodo di imaging relativamente nuovo che ha suscitato interesse in un ampia gamma di discipline, la sua portabilità, sicurezza e basso costo suggeriscono che potrebbe risolvere diversi problemi clinici. Matematicamente il problema dell'EIT può essere suddiviso in un problema in avanti e uno inverso. Il problema forward, si basa su un'equazione differenziale parziale ellittica, e definisce l'insieme delle tensioni misurate a partire da una distribuzione nota di conducibilità. Il problema inverso è modellato come un problema dei minimi quadrati non lineare, in cui si cerca di ridurre al minimo la differenza tra le tensioni misurate e quelle generate dalla conducibilità ricostruita. Il problema inverso è mal posto e porta ad una soluzione che non dipende con continuità dai dati e quindi le tecniche di ricostruzione richiedono l'introduzione di un termine di regolarizzazione. L'elaborato si concentra sulle strategie algoritmiche per il problema inverso e sulla realizzazione di un'interfaccia grafica in grado di settare i parametri e confrontare velocemente i metodi proposti. Il progetto nella sua visione più ampia vorrebbe utilizzare le strategie algoritmiche proposte per dati ottenuti dal sistema prodotto dall'Università di Bologna nel laboratorio di Ingegneria Cellulare e Molecolare (ICM) di Cesena. I risultati dei test consentono di delineare quali siano gli strumenti migliori per poter arrivare ad una corretta ricostruzione dell'immagine nonché suggerire possibili miglioramenti della configurazione hardware al fine arrivare a risultati sperimentali completi.

Editorial reorganization of an alphabetically ordered collection of short stories: analysis of problems and hypothesis of possible solutions

This paper aims to show, analyze and solve the problems related to the translation of the book with meaning-bond alphabetically ordered chapter titles La vita non è in ordine alfabetico, by the Italian writer Andrea Bajani. The procedure is inevitable for a possible translation of the book, and it is necessary to have a preliminary pattern to follow. After translating the whole book, not only is a revision fundamental, but a restructure and reorganization of the collection may be required, hence, what this thesis offers is a scheme to start from, together with an analysis of the possible problems that may arise, and a useful method to find a solution.

Indagini di tomografia geoelettrica sulle dune costiere della Provincia di Ravenna

Questa tesi Magistrale è frutto di un'attività di ricerca, che consiste nella realizzazione di un'indagine geofisica di tipo geoelettrico (ERT Electrical Resistivity Tomography). Lo scopo è quello di caratterizzare l'idrogeologia di una porzione limitata dell'acquifero freatico costiero ravennate, situato nella Pineta Ramazzotti di Lido di Dante, cercando di apportare nuove conoscenze sulle dinamiche che favoriscono l'ingressione marina (problema di forte attualità)che potrebbero contribuire a migliorare la gestione e la tutela delle risorse idriche. In questo contesto la tesi si pone come obiettivo quello di valutare l'applicabilità del metodo geoelettrico verificando se questo è in grado d'individuare efficacemente l'interfaccia acqua dolce-salata e le strutture presenti nel sottosuolo, in due tipologie di ambiente, con e senza un sistema di dune. I risultati dimostrano che dal punto di vista scientifico, il metodo geoelettrico ha verificato il principio di Ghyben-Herzberg, il quale suppone che vi sia una relazione inversa tra quota topografica e limite superiore della zona satura con acqua salata, inoltre si è riscontrata una certa stagionalità tra i profili acquisiti in momenti diversi (influenzati dalla piovosità). Mentre dal punto di vista tecnologico, il metodo, è di difficile utilizzo negli ambienti di transizione tanto ché chi si occupa professionalmente di questi rilievi preferisce non eseguirli. Questo è dovuto alla mancanza di un protocollo per le operazioni di acquisizione e a causa dell'elevato rumore di fondo che si riscontra nelle misurazioni. Con questo studio è stato possibile calibrare e sviluppare un protocollo, utilizzabile con diverse spaziature tra gli elettrodi, che è valido per l'area di studio indagata. Si è riscontrato anche che l'utilizzo congiunto delle informazioni delle prospezioni e quelle dei rilievi classici (monitoraggio della superficie freatica, parametri chimico-fisici delle acque sotterranee, rilievo topografico e sondaggi geognostici), generino un prodotto finale di semplice interpretazione e di facile comprensione per le dinamiche in atto.

Performance analysis of reconstruction algorithms for breast microwave imaging

The problem of localizing a scatterer, which represents a tumor, in a homogeneous circular domain, which represents a breast, is addressed. A breast imaging method based on microwaves is considered. The microwave imaging involves to several techniques for detecting, localizing and characterizing tumors in breast tissues. In all such methods an electromagnetic inverse scattering problem exists. For the scattering detection method, an algorithm based on a linear procedure solution, inspired by MUltiple SIgnal Classification algorithm (MUSIC) and Time Reversal method (TR), is implemented. The algorithm returns a reconstructed image of the investigation domain in which it is detected the scatterer position. This image is called pseudospectrum. A preliminary performance analysis of the algorithm vying the working frequency is performed: the resolution and the signal-to-noise ratio of the pseudospectra are improved if a multi-frequency approach is considered. The Geometrical Mean-MUSIC algorithm (GM- MUSIC) is proposed as multi-frequency method. The performance of the GMMUSIC is tested in different real life computer simulations. The performed analysis shows that the algorithm detects the scatterer until the electrical parameters of the breast are known. This is an evident limit, since, in a real life situation, the anatomy of the breast is unknown. An improvement in GM-MUSIC is proposed: the Eye-GMMUSIC algorithm. Eye-GMMUSIC algorithm needs no a priori information on the electrical parameters of the breast. It is an optimizing algorithm based on the pattern search algorithm: it searches the breast parameters which minimize the Signal-to-Clutter Mean Ratio (SCMR) in the signal. Finally, the GM-MUSIC and the Eye-GMMUSIC algorithms are tested on a microwave breast cancer detection system consisting of an dipole antenna, a Vector Network Analyzer and a novel breast phantom built at University of Bologna. The reconstruction of the experimental data confirm the GM-MUSIC ability to localize a scatterer in a homogeneous medium.

Ottimizzazione e validazione di un protocollo di acquisizione dati per un sistema di impedenziometria

Il seguente progetto di tesi si basa sull’ottimizzazione del protocollo impiegato da un impedenziometro per l’analisi spettrale della pelle, con l’obiettivo di individuare la presenza di un tumore. Il lavoro è poi proseguito con la validazione dello strumento per mezzo di un lavoro di misura su resistenze semplici e impedenze complesse.

Metodi di valutazione diretta ed indiretta della conducibilità idraulica verticale dei terreni sciolti Esempi applicativi nella Alta e Bassa Pianura Friulana

Nel corso del tempo, nell’ambito dell’idrogeologia sono state sviluppate diverse tecniche per la determinazione conducibilità idraulica (K). Negli ultimi decenni sempre maggiori sforzi sono stati compiuti per integrare le tecniche geofisiche a questo specifico settore di ricerca; in particolare le metodologie geoelettriche sono state fonte di molteplici studi per la determinazione indiretta di K. Su questa idea è stato impostato il lavoro presentato in questo elaborato di tesi. Ciò che questo propone è infatti l’esecuzione di test in campo che prevedono il monitoraggio time lapse con tecnologia ERT (Electrical Resistivity Tomography) di un tracciante salino iniettato nel terreno. Il fine ultimo è quello di poter sviluppare una tecnica indiretta per la stima della conducibilità idraulica verticale dei terreni sciolti. Le immagini tomografiche, realizzate in sequenza nel tempo, premettono la visualizzazione l’avanzamento del plume basso resistivo in movimento nel terreno (causato dalla salamoia iniettata). Un successivo confronto grafico fra queste permette di quantificare lo spostamento nel tempo, in modo da calcolare in seguito la velocità di infiltrazione del tracciante, e in ultimo stimare la K del terreno in analisi. I risultati ottenuti con tale metodologia sperimentale, opportunamente elaborati tramite specifici software, sono stati confrontati, dove possibile, con i valori forniti dall’impiego di altre tecniche più tradizionali, in modo da poter valutare la bontà del dato ottenuto. Le aree studio individuate per condurre tali sperimentazioni ricadono all’interno del territorio regionale del Friuli Venezia Giulia, in particolare nell’area di Alta e Bassa pianura friulana. La strumentazione (resistivimetro multicanale VHR X612-EM della MAE-Molisana Apparecchiature Elettroniche) e il software (Res2dinv) per la raccolta e l’elaborazione delle immagini tomografiche sono stati gentilmente messi a disposizione dalla società Geomok s.r.l. del Dott. Geol. Mocchiutti (Udine) con la cui collaborazione è stato realizzato questo elaborato di tesi.

Fatigue Design Challenges of Transition Pieces from Decommissioned Platforms for Offshore Wind Energy

All structures are subjected to various loading conditions and combinations. For offshore structures, these loads include permanent loads, hydrostatic pressure, wave, current, and wind loads. Typically, sea environments in different geographical regions are characterized by the 100-year wave height, surface currents, and velocity speeds. The main problems associated with the commonly used, deterministic method is the fact that not all waves have the same period, and that the actual stochastic nature of the marine environment is not taken into account. Offshore steel structure fatigue design is done using the DNVGL-RP-0005:2016 standard which takes precedence over the DNV-RP-C203 standard (2012). Fatigue analysis is necessary for oil and gas producing offshore steel structures which were first constructed in the Gulf of Mexico North Sea (the 1930s) and later in the North Sea (1960s). Fatigue strength is commonly described by S-N curves which have been obtained by laboratory experiments. The rapid development of the Offshore wind industry has caused the exploration into deeper ocean areas and the adoption of new support structural concepts such as full lattice tower systems amongst others. The optimal design of offshore wind support structures including foundation, turbine towers, and transition piece components putting into consideration, economy, safety, and even the environment is a critical challenge. In this study, fatigue design challenges of transition pieces from decommissioned platforms for offshore wind energy are proposed to be discussed. The fatigue resistance of the material and structural components under uniaxial and multiaxial loading is introduced with the new fatigue design rules whilst considering the combination of global and local modeling using finite element analysis software programs.

Electrical spectroscopy of rubrene bulk and thin film crystals

One of the most diffused electronic device is the field effect transistor (FET), contained in number of billions in each electronic device. Organic optoelectronics is an emerging field that exploits the unique properties of conjugated organic materials to develop new applications that require a combination of performance, low cost and processability. Organic single crystals are the material with best performances and purity among the variety of different form of organic semiconductors. This thesis is focused on electrical and optical characterization of Rubrene single crystal bulk and thin films. Rubrene bulk is well known but for the first time we studied thin films. The first Current-voltage characterization has been performed for the first time on three Rubrene thin films with three different thickness to extract the charge carriers mobility and to assess its crystalline structure. As results we see that mobility increase with thickness. Field effect transistor based on Rubrene thin films on $SiO_2$ have been characterize by current-voltage (I-V) analyses (at several temperatures) and reveals a hopping conduction. Hopping behavior probably is due to the lattice mismatch with the substrate or intrinsic defectivity of the thin films. To understand effects of contact resistance we tested thin films with the Transmission Line Method (TLM) method. The TLM method revealeds that contact resistance is negligible but evidenced a Schottky behavior in a limited but well determined range of T. To avoid this effect we carried out annealing treatment after the electrode evaporation iswe performed a compete I-V characterization as a function of in temperature to extract the electronic density of states (DOS) distribution through the Space Charge Limited Current (SCLC) method. The results show a DOS with an exponential trenddistribution, as expected. The measured mobility of thin films is about 0.1cm^2/Vs and it increases with the film thickness. Further studies are necessary to investigate the reason and improve performances. From photocurrent spectrum we calculated an Eg of about 2.2eV and both thin films and bulk have a good crystal order. Further measurement are necessary to solve some open problems

Regularization methods for the solution of a nonlinear least-squares problem in tomography

In this work we study a polyenergetic and multimaterial model for the breast image reconstruction in Digital Tomosynthesis, taking into consideration the variety of the materials forming the object and the polyenergetic nature of the X-rays beam. The modelling of the problem leads to the resolution of a high-dimensional nonlinear least-squares problem that, due to its nature of inverse ill-posed problem, needs some kind of regularization. We test two main classes of methods: the Levenberg-Marquardt method (together with the Conjugate Gradient method for the computation of the descent direction) and two limited-memory BFGS-like methods (L-BFGS). We perform some experiments for different values of the regularization parameter (constant or varying at each iteration), tolerances and stop conditions. Finally, we analyse the performance of the several methods comparing relative errors, iterations number, times and the qualities of the reconstructed images.

Anisotropic seismic tomography with the reversible jump Markov chain Monte Carlo

The established isotropic tomographic models show the features of subduction zones in terms of seismic velocity anomalies, but they are generally subjected to the generation of artifacts due to the lack of anisotropy in forward modelling. There is evidence for the significant influence of seismic anisotropy in the mid-upper mantle, especially for boundary layers like subducting slabs. As consequence, in isotropic models artifacts may be misinterpreted as compositional or thermal heterogeneities. In this thesis project the application of a trans-dimensional Metropolis-Hastings method is investigated in the context of anisotropic seismic tomography. This choice arises as a response to the important limitations introduced by traditional inversion methods which use iterative procedures of optimization of a function object of the inversion. On the basis of a first implementation of the Bayesian sampling algorithm, the code is tested with some cartesian two-dimensional models, and then extended to polar coordinates and dimensions typical of subduction zones, the main focus proposed for this method. Synthetic experiments with increasing complexity are realized to test the performance of the method and the precautions for multiple contexts, taking into account also the possibility to apply seismic ray-tracing iteratively. The code developed is tested mainly for 2D inversions, future extensions will allow the anisotropic inversion of seismological data to provide more realistic imaging of real subduction zones, less subjected to generation of artifacts.

A Multilevel Gradient Method for Optimization Problems

I problemi di ottimizzazione di dimensione finita di larga scala spesso derivano dalla discretizzazione di problemi di dimensione infinita. È perciò possibile descrivere il problema di ottimizzazione su più livelli discreti. Lavorando su un livello più basso di quello del problema considerato, si possono calcolare soluzioni approssimate che saranno poi punti di partenza per il problema di ottimizzazione al livello più fine. I metodi multilivello, già ampiamente presenti in letteratura a partire dagli anni Novanta, sfruttano tale caratteristica dei problemi di ottimizzazione per migliorare le prestazioni dei metodi di ottimizzazione standard. L’obiettivo di questa tesi è quello di implementare una variante multilivello del metodo del gradiente (MGM) e di testarlo su due diversi campi: la risoluzione delle Equazioni alle Derivate Parziali la ricostruzione di immagini. In questo elaborato viene illustrata la teoria dello schema multilivello e presentato l’algoritmo di MGM utilizzato nei nostri esperimenti. Sono poi discusse le modalità di utilizzo di MGM per i due problemi sopra presentati. Per il problema PDE, i risultati ottenuti mostrano un ottimo comportamento di MGM rispetto alla implementazione classica ad un livello. I risultati ottenuti per il problema di ricostruzione di immagini, al contrario delle PDEs, evidenziano come MGM sia efficace solo in determinate condizioni.