Image quality and dose evaluation of filtered back projection versus iterative reconstruction algorithm in multislice computed tomography.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico Sant'Orsola-Malpighi di Bologna. Lo studio si è concentrato sul confronto tra le tecniche di ricostruzione standard (Filtered Back Projection, FBP) e quelle iterative in Tomografia Computerizzata. Il lavoro è stato diviso in due parti: nella prima è stata analizzata la qualità delle immagini acquisite con una CT multislice (iCT 128, sistema Philips) utilizzando sia l'algoritmo FBP sia quello iterativo (nel nostro caso iDose4). Per valutare la qualità delle immagini sono stati analizzati i seguenti parametri: il Noise Power Spectrum (NPS), la Modulation Transfer Function (MTF) e il rapporto contrasto-rumore (CNR). Le prime due grandezze sono state studiate effettuando misure su un fantoccio fornito dalla ditta costruttrice, che simulava la parte body e la parte head, con due cilindri di 32 e 20 cm rispettivamente. Le misure confermano la riduzione del rumore ma in maniera differente per i diversi filtri di convoluzione utilizzati. Lo studio dell'MTF invece ha rivelato che l'utilizzo delle tecniche standard e iterative non cambia la risoluzione spaziale; infatti gli andamenti ottenuti sono perfettamente identici (a parte le differenze intrinseche nei filtri di convoluzione), a differenza di quanto dichiarato dalla ditta. Per l'analisi del CNR sono stati utilizzati due fantocci; il primo, chiamato Catphan 600 è il fantoccio utilizzato per caratterizzare i sistemi CT. Il secondo, chiamato Cirs 061 ha al suo interno degli inserti che simulano la presenza di lesioni con densità tipiche del distretto addominale. Lo studio effettuato ha evidenziato che, per entrambi i fantocci, il rapporto contrasto-rumore aumenta se si utilizza la tecnica di ricostruzione iterativa. La seconda parte del lavoro di tesi è stata quella di effettuare una valutazione della riduzione della dose prendendo in considerazione diversi protocolli utilizzati nella pratica clinica, si sono analizzati un alto numero di esami e si sono calcolati i valori medi di CTDI e DLP su un campione di esame con FBP e con iDose4. I risultati mostrano che i valori ricavati con l'utilizzo dell'algoritmo iterativo sono al di sotto dei valori DLR nazionali di riferimento e di quelli che non usano i sistemi iterativi.

Performance evaluation of detector for digital radiography

Lo scopo di questo lavoro è la caratterizzazione fisica del flat panel PaxScan4030CB Varian, rivelatore di raggi X impiegato in un ampio spettro di applicazioni cliniche, dalla radiografia generale alla radiologia interventistica. Nell’ambito clinico, al fine di una diagnosi accurata, è necessario avere una buona qualità dell’immagine radiologica mantenendo il più basso livello di dose rilasciata al paziente. Elemento fondamentale per ottenere questo risultato è la scelta del rivelatore di radiazione X, che deve garantire prestazioni fisiche (contrasto, risoluzione spaziale e rumore) adeguati alla specifica procedura. Le metriche oggettive che misurano queste caratteristiche sono SNR (Signal-to-Noise Ratio), MTF (Modulation Transfer Function) ed NPS (Noise Power Spectrum), che insieme contribuiscono alla misura della DQE (Detective Quantum Efficiency), il parametro più completo e adatto a stabilire le performance di un sistema di imaging. L’oggettività di queste misure consente anche di mettere a confronto tra loro diversi sistemi di rivelazione. La misura di questi parametri deve essere effettuata seguendo precisi protocolli di fisica medica, che sono stati applicati al rivelatore PaxScan4030CB presente nel laboratorio del Centro di Coordinamento di Fisica Medica, Policlinico S.Orsola. I risultati ottenuti, conformi a quelli dichiarati dal costruttore, sono stati confrontati con successo con alcuni lavori presenti in letteratura e costituiscono la base necessaria per la verifica di procedure di ottimizzazione dell’immagine radiologica attraverso interventi sul processo di emissione dei raggi X e sul trattamento informatico dell’immagine (Digital Subtraction Angiography).

Caratterizzazione fisica di apparati per tomosintesi digitale della mammella

In questo lavoro di tesi sono state studiate le caratteristiche di una macchina per tomosintesi Fujifilm AMULET Innovality in uso presso l'Istituto Scientifico Romagnolo per lo Studio e la Cura dei Tumori (I.R.S.T.) di Meldola. Le valutazioni sono state fatte utilizzando diversi fantocci, uno dei quali costruito durante il lavoro di tesi. Per la valutazione delle immagini di mammografia digitale e di tomosintesi sono state seguite le linee guida della International Electrotechnical Commission (IEC) e della European Reference Organisation for Quality Assured Breast Screening and Diagnostic Services (EUREF). Per lo studio delle mammografie digitali sono stati valutati, utilizzando i software COQ e ImageJ, i parametri di NPS, MTF e DQE. Per lo studio delle immagini di tomosintesi sono stati appositamente sviluppati degli algoritmi in linguaggio Java, integrati poi all'interno del software COQ. Il programma sviluppato ha permesso di valutare ASF, MTF, NPS e omogeneità delle immagini ricostruite.

Microincapsulazione di nanoparticelle di argento tramite tecnica spray-freeze-drying

Per limitare gli effetti tossici delle Ag-NPs, si è pensato che esse possano essere utilizzate in forma di microincapsulati, in quanto le microcapsule possono avere una certa velocità di rilascio sotto specifiche condizioni. Incapsulando quindi le Ag-NPs, posso ottenere un rilascio controllato di esse, in modo da ottenere una concentrazione di esse utile allo scopo per cui vengono impiegate, evitando un sovradosaggio che non porterebbe alcun beneficio ma solo a una maggior probabilità di causare effetti tossici.

Investigation of gold-based catalysts for liquid phase oxidation of glucose to glucaric acid

Glucaric acid (GA) is one of the building block chemicals derived from sugar biomass with higher added value. Nowadays, GA is produced by oxidation of glucose (Glu) with either stoichiometric oxidants (HNO3), or by means of electrochemical or biochemical synthesis. However, these processes show drawbacks from either the environmental or economic viewpoint. For this reason, gold nanoparticles (Au NPs) supported on activated carbon (AC) have been studied as catalysts for the oxidation of Glu, using O2 as oxidant in the presence of a base. Using sol immobilization technique, Au NPs have been supported on AC following different experimental procedures. UV-Vis spectroscopy, XRD, TEM and TG analysis were utilized in the characterization of the catalysts. The operational conditions were optimized obtaining 24% of yield of GA, 37% to GO and 27% to byproducts in 1 h, 1000 rpm, 10 bar of O2 and Glu:Au:NaOH molar ratio of 1000:1:3000. Under such conditions, catalysts show relatively high Glu conversion (≥82%) with different GA yields. GO+GA yield is around 58-61%. Therefore, the oxidation reaction was performed at 15 min where Au/AC PVA0 reached the highest yield of GA (16%) and Au/AC PVA2.4 gave the lowest (8%). It is evident that the presence of PVA influences to a higher degree the reaction rate than the Au NPs size. Hence, the effect of different heat treatments where applied for the removal of PVA: washing with water at 60℃ or heat treatment (120-250℃) with Air/H2. Washing treatment and heat treatment at 120℃ with Air/H2 may have resulted in the mildest treatments for the removal of PVA. Finally, two different supports have been used in order to study the effect of metal-support interaction in the immobilization of Au NPs: ZrO2 and AC. Au/AC catalyst demonstrated a higher conversion of GO to GA at short reaction times (15.1% yield GA) compared to Au/ZrO2 (2.4% yield GA).

Supported metal nanoparticles for sustainable green catalytic processes

Preformed Au nanoparticles supported on activated carbon and TiO2 were synthesised by sol-immobilisation. Polyethylene glycol, polyvinyl pyrrolidone and polyvinyl alcohol were used as stabilisers for the gold nanoparticles at different polymer/Au wt/wt ratios for each polymer. The effect of polymer/Au wt/wt ratios was investigated on (i) the average nanoparticle size, (ii) catalytic activity for two reactions, 4-nitrophenol reduction and glucose oxidation to glucaric acid. 4-nitrophenol reduction is recognised as a model reaction for nanomaterial catalytic activity tests; glucose oxidation to glucaric acid is a reaction that is traditionally carried out with concentrated nitric acid, for which alternative reaction pathways are looked for in an effort to reduce its environmental impact. The catalysts were characterised from the nanoparticle synthesis by colloidal method by means of UV-vis spectroscopy and DLS analysis, to the immobilisation step by XRD and TEM. The effect of the polymer:Au wt/wt ratio on nanoparticle size depends on the polymer nature, and point out the need to optimise supported nanoparticle synthesis protocols in the future depending on the type of stabiliser. The catalytic tests revealed that the polymers interact with Au nanoparticles through different active sites. Activated carbon (AC) and TiO2 were compared as supports for Au nanoparticles stabilised by PVA at PVA/Au 0,65 wt/wt. AC-supported Au NPs were the most active for glucose oxidation while TiO2-stabilised Au NPs were five times more active in 4-nitrophenol reduction that AC-supported NPs. Hence support and stabiliser are important parameters that should be optimised in order to achieve high catalytic activity for a given reaction.

Studio dell’effetto stabilizzante del polivinil alcool su catalizzatori di oro nanostrutturati

La preparazione di nanoparticelle (NPs) metalliche risulta complessa a causa di diversi parametri operativi in grado di modificare le proprietà del prodotto finale, per questo la ricerca di nuove strategie sintetiche atte a controllare morfologia e geometria di questi sistemi costituisce uno dei temi di maggior interesse scientifico per la chimica della catalisi. La tecnica di sol immobilization permette di ottenere catalizzatori nanostrutturati composti da nanoparticelle stabilizzate da polimeri e depositate su un materiale che funga da supporto. La possibilità di preparare polimeri con proprietà specifiche, ha aperto l’opportunità di sfruttare questi sistemi per modellare le caratteristiche delle nanoparticelle e la loro attività catalitica. In particolare, in quest’attività di ricerca è stato studiato, attraverso una reazione modello, in che modo il peso molecolare ed il grado di idrolisi degli stabilizzanti polimerici a base di poli-vinilalcol, possono influenzare la morfologia e l’attività delle nanoparticelle di oro.

Studio computazionale DFT e TD-DFT dei dimeri della Rodamina-B

L’oggetto di questo elaborato è lo studio computazionale, a livello della teoria del funzionale della densità (DFT) e della sua formulazione dipendente dal tempo (TD-DFT), dei dimeri della molecola di rodamina-B, parallelo allo sviluppo di una procedura di tuning ottimale del funzionale CAM-B3LYP. Questa molecola, che assume notevole rilevanza nei sistemi light harvesting grazie alle sue proprietà fotochimiche di emissione nel visibile, è impiegata nella sintesi di nanoparticelle (NPs) fluorescenti in ambito di diagnostica medica e bio-imaging, che sfruttano il fenomeno di trasferimento di energia per risonanza (FRET). Per via della notevole importanza che questa molecola riveste nell’ambito della fotochimica, essa è stata oggetto di esperimenti del gruppo di ricerca del laboratorio di biofotonica e farmacologia “Nanochemistry and Bioimaging”, che collabora con il gruppo di chimica computazionale dell’area chimico/fisica del Dipartimento. La dimerizzazione della rodamina all’interno delle NPs può innescare canali di self-quenching che abbassano la resa quantica di fluorescenza, pregiudicando l’efficienza dei dispositivi: l’obiettivo dello studio è la caratterizzazione dei dimeri, in solventi e con controioni diversi, impiegando dei modelli molecolari, per identificarne le specie più stabili e descrivere la fotofisica degli stati elettronici eccitati. Il carattere generalmente charge-transfer (CT) di questi stati elettronici richiede un “tuning ottimale” della metodologia computazionale DFT/TD-DFT per una descrizione quantitativa accurata.

Sintesi assistita al microonde di nanoparticelle Au/Pt per applicazioni catalitiche

Negli ultimi decenni la necessità di salvaguardare l’ambiente ha portato ad un importante sviluppo dei processi catalitici con particolare attenzione agli aspetti di sostenibilità e impatto ambientale. Le nanoparticelle metalliche, note per le ottime proprietà catalitiche, ricoprono un ruolo fondamentale nel settore della catalisi. Al fine di innescare effetti sinergici e ottenere catalizzatori più performanti, la ricerca si sta orientando verso lo studio di nanoparticelle bimetalliche o multicomponente. Questo lavoro di tesi presenta la sintesi di nanoparticelle di Au, Pt e AuPt applicabili in catalisi e preparate mediante un processo a basso impatto ambientale assistito da microonde. Un’estesa caratterizzazione chimicofisica dei prodotti (DLS/ELS, UV-VIS, ICP-OES, XRD; TEM-EDS) ha consentito di ottimizzare le sintesi rispetto a distribuzione granulometrica, stabilità colloidale, resa di reazione e composizione di fase. Per AuPt NPs si sono sviluppate due preparazioni finalizzate all’ottenimento di diverse nanostrutture, core-shell e leghe. Infine, le prestazioni catalitiche dei campioni preparati sono state valutate mediante idrogenazione di 4-nitrofenolo (4-NP) a 4-amminofenolo (4-AP) in presenza di NaBH4, una reazione modello utilizzata per testare l'attività catalitica di nanometalli. Il campione in lega, Au97.5Pt2.5, e il campione core-shell, Au90@Pt10, hanno evidenziato effetti sinergici positivi con una migliore attività catalitica rispetto ai monometalli.