Multicentre study for a robust protocol in single-voxel spectroscopy: quantification of MRS signals by time-domain fitting algorithms

Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) is an advanced clinical and research application which guarantees a specific biochemical and metabolic characterization of tissues by the detection and quantification of key metabolites for diagnosis and disease staging. The "Associazione Italiana di Fisica Medica (AIFM)" has promoted the activity of the "Interconfronto di spettroscopia in RM" working group. The purpose of the study is to compare and analyze results obtained by perfoming MRS on scanners of different manufacturing in order to compile a robust protocol for spectroscopic examinations in clinical routines. This thesis takes part into this project by using the GE Signa HDxt 1.5 T at the Pavillion no. 11 of the S.Orsola-Malpighi hospital in Bologna. The spectral analyses have been performed with the jMRUI package, which includes a wide range of preprocessing and quantification algorithms for signal analysis in the time domain. After the quality assurance on the scanner with standard and innovative methods, both spectra with and without suppression of the water peak have been acquired on the GE test phantom. The comparison of the ratios of the metabolite amplitudes over Creatine computed by the workstation software, which works on the frequencies, and jMRUI shows good agreement, suggesting that quantifications in both domains may lead to consistent results. The characterization of an in-house phantom provided by the working group has achieved its goal of assessing the solution content and the metabolite concentrations with good accuracy. The goodness of the experimental procedure and data analysis has been demonstrated by the correct estimation of the T2 of water, the observed biexponential relaxation curve of Creatine and the correct TE value at which the modulation by J coupling causes the Lactate doublet to be inverted in the spectrum. The work of this thesis has demonstrated that it is possible to perform measurements and establish protocols for data analysis, based on the physical principles of NMR, which are able to provide robust values for the spectral parameters of clinical use.

Numerical simulation of interdigitated back contact hetero-junction solar cells

The goal of this thesis is the application of an opto-electronic numerical simulation to heterojunction silicon solar cells featuring an all back contact architecture (Interdigitated Back Contact Hetero-Junction IBC-HJ). The studied structure exhibits both metal contacts, emitter and base, at the back surface of the cell with the objective to reduce the optical losses due to the shadowing by front contact of conventional photovoltaic devices. Overall, IBC-HJ are promising low-cost alternatives to monocrystalline wafer-based solar cells featuring front and back contact schemes, in fact, for IBC-HJ the high concentration doping diffusions are replaced by low-temperature deposition processes of thin amorphous silicon layers. Furthermore, another advantage of IBC solar cells with reference to conventional architectures is the possibility to enable a low-cost assembling of photovoltaic modules, being all contacts on the same side. A preliminary extensive literature survey has been helpful to highlight the specific critical aspects of IBC-HJ solar cells as well as the state-of-the-art of their modeling, processing and performance of practical devices. In order to perform the analysis of IBC-HJ devices, a two-dimensional (2-D) numerical simulation flow has been set up. A commercial device simulator based on finite-difference method to solve numerically the whole set of equations governing the electrical transport in semiconductor materials (Sentuarus Device by Synopsys) has been adopted. The first activity carried out during this work has been the definition of a 2-D geometry corresponding to the simulation domain and the specification of the electrical and optical properties of materials. In order to calculate the main figures of merit of the investigated solar cells, the spatially resolved photon absorption rate map has been calculated by means of an optical simulator. Optical simulations have been performed by using two different methods depending upon the geometrical features of the front interface of the solar cell: the transfer matrix method (TMM) and the raytracing (RT). The first method allows to model light prop-agation by plane waves within one-dimensional spatial domains under the assumption of devices exhibiting stacks of parallel layers with planar interfaces. In addition, TMM is suitable for the simulation of thin multi-layer anti reflection coating layers for the reduction of the amount of reflected light at the front interface. Raytracing is required for three-dimensional optical simulations of upright pyramidal textured surfaces which are widely adopted to significantly reduce the reflection at the front surface. The optical generation profiles are interpolated onto the electrical grid adopted by the device simulator which solves the carriers transport equations coupled with Poisson and continuity equations in a self-consistent way. The main figures of merit are calculated by means of a postprocessing of the output data from device simulation. After the validation of the simulation methodology by means of comparison of the simulation result with literature data, the ultimate efficiency of the IBC-HJ architecture has been calculated. By accounting for all optical losses, IBC-HJ solar cells result in a theoretical maximum efficiency above 23.5% (without texturing at front interface) higher than that of both standard homojunction crystalline silicon (Homogeneous Emitter HE) and front contact heterojuction (Heterojunction with Intrinsic Thin layer HIT) solar cells. However it is clear that the criticalities of this structure are mainly due to the defects density and to the poor carriers transport mobility in the amorphous silicon layers. Lastly, the influence of the most critical geometrical and physical parameters on the main figures of merit have been investigated by applying the numerical simulation tool set-up during the first part of the present thesis. Simulations have highlighted that carrier mobility and defects level in amorphous silicon may lead to a potentially significant reduction of the conversion efficiency.

Stochastic local volatility model for fx markets

Questa tesi verte sullo studio di un modello a volatilità stocastica e locale, utilizzato per valutare opzioni esotiche nei mercati dei cambio. La difficoltà nell'implementare un modello di tal tipo risiede nella calibrazione della leverage surface e uno degli scopi principali di questo lavoro è quello di mostrarne la procedura.

Pattern recognition methods for EMG prosthetic control

In this work we focus on pattern recognition methods related to EMG upper-limb prosthetic control. After giving a detailed review of the most widely used classification methods, we propose a new classification approach. It comes as a result of comparison in the Fourier analysis between able-bodied and trans-radial amputee subjects. We thus suggest a different classification method which considers each surface electrodes contribute separately, together with five time domain features, obtaining an average classification accuracy equals to 75% on a sample of trans-radial amputees. We propose an automatic feature selection procedure as a minimization problem in order to improve the method and its robustness.

Long-period oscillations in GPS Up time series. Study over the European/Mediterranean area

The surface of the Earth is subjected to vertical deformations caused by geophysical and geological processes which can be monitored by Global Positioning System (GPS) observations. The purpose of this work is to investigate GPS height time series to identify interannual signals affecting the Earth’s surface over the European and Mediterranean area, during the period 2001-2019. Thirty-six homogeneously distributed GPS stations were selected from the online dataset made available by the Nevada Geodetic Laboratory (NGL) on the basis of the length and quality of the data series. The Principal Component Analysis (PCA) is the technique applied to extract the main patterns of the space and time variability of the GPS Up coordinate. The time series were studied by means of a frequency analysis using a periodogram and the real-valued Morlet wavelet. The periodogram is used to identify the dominant frequencies and the spectral density of the investigated signals; the second one is applied to identify the signals in the time domain and the relevant periodicities. This study has identified, over European and Mediterranean area, the presence of interannual non-linear signals with a period of 2-to-4 years, possibly related to atmospheric and hydrological loading displacements and to climate phenomena, such as El Niño Southern Oscillation (ENSO). A clear signal with a period of about six years is present in the vertical component of the GPS time series, likely explainable by the gravitational coupling between the Earth’s mantle and the inner core. Moreover, signals with a period in the order of 8-9 years, might be explained by mantle-inner core gravity coupling and the cycle of the lunar perigee, and a signal of 18.6 years, likely associated to lunar nodal cycle, were identified through the wavelet spectrum. However, these last two signals need further confirmation because the present length of the GPS time series is still too short when compared to the periods involved.

Direct Kinematics of Underactuated Cable-Driven Parallel Robots: Sensitivity to Redundant Measurements

Underactuated cable-driven parallel robots (UACDPRs) shift a 6-degree-of-freedom end-effector (EE) with fewer than 6 cables. This thesis proposes a new automatic calibration technique that is applicable for under-actuated cable-driven parallel robots. The purpose of this work is to develop a method that uses free motion as an exciting trajectory for the acquisition of calibration data. The key point of this approach is to find a relationship between the unknown parameters to be calibrated (the lengths of the cables) and the parameters that could be measured by sensors (the swivel pulley angles measured by the encoders and roll-and-pitch angles measured by inclinometers on the platform). The equations involved are the geometrical-closure equations and the finite-difference velocity equations, solved using the least-squares algorithm. Simulations are performed on a parallel robot driven by 4 cables for validation. The final purpose of the calibration method is, still, the determination of the platform initial pose. As a consequence of underactuation, the EE is underconstrained and, for assigned cable lengths, the EE pose cannot be obtained by means of forward kinematics only. Hence, a direct-kinematics algorithm for a 4-cable UACDPR using redundant sensor measurements is proposed. The proposed method measures two orientation parameters of the EE besides cable lengths, in order to determine the other four pose variables, namely 3 position coordinates and one additional orientation parameter. Then, we study the performance of the direct-kinematics algorithm through the computation of the sensitivity of the direct-kinematics solution to measurement errors. Furthermore, position and orientation error upper limits are computed for bounded cable lengths errors resulting from the calibration procedure, and roll and pitch angles errors which are due to inclinometer inaccuracies.

Performance Analysis of 5G based Positioning in Railway Applications

Rail transportation has significant importance in the future world. This importance is tightly bounded to accessible, sustainable, efficient and safe railway systems. Precise positioning in railway applications is essential for increasing railway traffic, train-track control, collision avoidance, train management and autonomous train driving. Hence, precise train positioning is a safety-critical application. Nowadays, positioning in railway applications highly depends on a cellular-based system called GSM-R, a railway-specific version of Global System for Mobile Communications (GSM). However, GSM-R is a relatively outdated technology and does not provide enough capacity and precision demanded by future railway networks. One option for positioning is mounting Global Navigation Satellite System (GNSS) receivers on trains as a low-cost solution. Nevertheless, GNSS can not provide continuous service due to signal interruption by harsh environments, tunnels etc. Another option is exploiting cellular-based positioning methods. The most recent cellular technology, 5G, provides high network capacity, low latency, high accuracy and high availability suitable for train positioning. In this thesis, an approach to 5G-based positioning for railway systems is discussed and simulated. Observed Time Difference of Arrival (OTDOA) method and 5G Positioning Reference Signal (PRS) are used. Simulations run using MATLAB, based on existing code developed for 5G positioning by extending it for Non Line of Sight (NLOS) link detection and base station exclusion algorithms. Performance analysis for different configurations is completed. Results show that efficient NLOS detection improves positioning accuracy and implementing a base station exclusion algorithm helps for further increase.

Indagine delle proprietà statistiche di serie temporali di posizione applicata al caso della stazione permanente GPS della base Mario Zucchelli in Terra Vittoria (Antartide)

Da ormai sette anni la stazione permanente GPS di Baia Terranova acquisisce dati giornalieri che opportunamente elaborati consentono di contribuire alla comprensione della dinamica antartica e a verificare se modelli globali di natura geofisica siano aderenti all’area di interesse della stazione GPS permanente. Da ricerche bibliografiche condotte si è dedotto che una serie GPS presenta molteplici possibili perturbazioni principalmente dovute a errori nella modellizzazione di alcuni dati ancillari necessari al processamento. Non solo, da alcune analisi svolte, è emerso come tali serie temporali ricavate da rilievi geodetici, siano afflitte da differenti tipologie di rumore che possono alterare, se non opportunamente considerate, i parametri di interesse per le interpretazioni geofisiche del dato. Il lavoro di tesi consiste nel comprendere in che misura tali errori, possano incidere sui parametri dinamici che caratterizzano il moto della stazione permanente, facendo particolare riferimento alla velocità del punto sul quale la stazione è installata e sugli eventuali segnali periodici che possono essere individuati.

Sicurezza nelle reti di sensori wireless UWB: generazione di chiavi simmetriche da parametri fisici

Le reti di oggetti intelligenti costituiscono una realtà che si sta affermando nel mondo quotidiano. Dispositivi capaci di comunicare tra loro, oltre che svolgere la propria funzione primaria, possono comporre una nuvola che faccia riferimento al legittimo proprietario. Un aspetto fondamentale di questo scenario riguarda la sicurezza, in particolar modo per garantire una comunicazione protetta. Il soddisfacimento di questo requisito è fondamentale anche per altri punti come l'integrità dell'informazione condivisa e l'autenticazione. Lo strumento più antico e tutt'ora adatto alla riservatezza di una comunicazione è costituito dalla crittografia. Una tecnica crittografica è schematicamente composta da un algoritmo che, a seconda di una chiave e del messaggio in ingresso, restituisce in uscita un messaggio cifrato, il crittogramma. Questo viene poi inviato e al legittimo destinatario che, essendo in possesso della chiave e dell'algoritmo, lo converte nel messaggio originale. L'obiettivo è rendere impossibile ad un utente malevolo - non dotato di chiave - la ricostruzione del messaggio. L'assunzione che l'algoritmo possa essere noto anche a terze parti concentra l'attenzione sul tema della chiave. La chiave deve essere sufficientemente lunga e casuale, ma soprattutto deve essere nota ai due utenti che intendono instaurare la comunicazione. Quest'ultimo problema, noto come distribuzione della chiave, è stato risolto con il sistema RSA a chiave pubblica. Il costo computazionale di questa tecnica, specialmente in un contesto di dispositivi non caratterizzati da grandi potenze di calcolo, suggerisce però la ricerca di strade alternative e meno onerose. Una soluzione promettente ed attualmente oggetto di studio sembra essere costituita dalle proprietà del canale wireless. Un ponte radio è caratterizzato da una funzione di trasferimento che dipende dall'ambiente in cui ci si trova e, per il teorema di reciprocità, risulta essere lo stesso per i due utenti che l'hanno instaurato. Oggetto della tesi è lo studio ed il confronto di alcune delle tecniche possibili per estrarre una chiave segreta da un mezzo condiviso, come quello del canale wireless. Si presenterà il contesto in cui verrà sviluppato l'elaborato. Si affronteranno in particolare due casi di interesse, costituiti dalla attuale tecnologia di propagazione del segnale a banda stretta (impiegata per la maggior parte delle trasmissioni senza fili) per passare a quella relativamente più recente della banda Ultra-larga (UWB). Verranno poi illustrate delle tecniche per ottenere stringhe di bit dai segnali acquisiti, e saranno proposti dei metodi per la loro correzione da eventuali discordanze. Saranno infine riportate le conclusioni sul lavoro svolto e le possibili strade future.

Influenza della conservazione delle olive sulla qualita dell'olio vergine prodotto

Il primo scopo di questo progetto sperimentale è stato quello di valutare la qualità chimica e sensoriale di oli vergini d’oliva ottenuti da olive conservate per tempi diversi prima della loro lavorazione. Spesso, infatti, quando le olive arrivano in frantoio, la loro trasformazione può essere ritardata a causa della ridotta capacità di lavorazione degli impianti rispetto alla quantità di prodotto da lavorare. Il tempo e le modalità di conservazione delle drupe risultano fattori molto importanti ai fini della qualità organolettica dell’olio prodotto. Per questa finalità sono state acquistate olive di due diverse varietà (Correggiolo e Canino) e divise in due aliquote. La prima aliquota di ogni partita di olive è stata franta al momento della consegna (tempo 0), la seconda invece è stata stoccata in condizioni non ideali di conservazione ed umidità per 7 giorni (varietà Correggiolo) e 15 giorni (varietà Canino), quindi franta. Per tutti i campioni sono stati valutati i parametri di qualità stabiliti dal Reg. CEE n. 2568/91 e successive modifiche: acidità libera e numero di perossidi con valutazioni titrimetriche, estinzioni specifiche nell'ultravioletto mediante spettrofotometria, determinazione gascromatografica degli alchil esteri degli acidi grassi ed analisi sensoriale secondo “Panel test”. Sono stati inoltre valutati parametri compositivi che attualmente non sono contemplati nei regolamenti ufficiali: il profilo qualitativo e quantitativo gascromatografico in digliceridi e quello in componenti volatili (SPME). I risultati ottenuti per i campioni ottenuti da olive “fresche” e da olive conservate per tempi diversi sono stati comparati con i limiti di legge che definiscono l'appartenenza alle categorie merceologiche degli oli di oliva vergini (extravergine, vergine o lampante) e, per i parametri non normati, sono state valutate le principali differenze in relazione alla qualità del prodotto. Il secondo scopo del progetto è stato quello di valutare la possibilità di una rapida discriminazione di oli d’oliva caratterizzati da differenti concentrazioni di alchil esteri degli acidi grassi mediante Riflettometria nel Dominio del Tempo (TDR, Time Domain Reflectometry). Il metodo chimico proposto dal Reg. UE n. 61/2011 risulta, infatti, lungo e dispendioso prevedendo una separazione preparativa seguita da analisi gascromatografica. La TDR si presenta, invece, come un metodo alternativo rapido, economico e non distruttivo per la valutazione e discriminazione degli oli d’oliva sulla base di questo parametro qualitativo.

Analisi di algoritmi per reti di sensori radar uwb basati su misure sperimentali

In un sistema radar è fondamentale rilevare, riconoscere e cercare di seguire il percorso di un eventuale intruso presente in un’area di osservazione al fine ultimo della sicurezza, sia che si consideri l’ambito militare, che anche quello civile. A questo proposito sono stati fatti passi avanti notevoli nella creazione e sviluppo di sistemi di localizzazione passiva che possano rilevare un target (il quale ha come unica proprietà quella di riflettere un segnale inviato dal trasmettitore), in modo che esso sia nettamente distinto rispetto al caso di assenza dell’intruso stesso dall’area di sorveglianza. In particolare l’ultilizzo di Radar Multistatico (ossia un trasmettitore e più ricevitori) permette una maggior precisione nel controllo dell’area d’osservazione. Tra le migliori tecnologie a supporto di questa analisi vi è l’UWB (Ultra Wide-Band), che permette di sfruttare una banda molto grande con il riscontro di una precisione che può arrivare anche al centimetro per scenari in-door. L’UWB utilizza segnali ad impulso molto brevi, a banda larga e che quindi permettono una risoluzione elevata, tanto da consentire, in alcune applicazioni, di superare i muri, rimuovendo facilmente gli elementi presenti nell’ambiente, ossia il clutter. Quindi è fondamentale conoscere algoritmi che permettano la detection ed il tracking del percorso compiuto dal target nell’area. In particolare in questa tesi vengono elaborati nuovi algoritmi di Clustering del segnale ricevuto dalla riflessione sull’intruso, utilizzati al fine di migliorare la visualizzazione dello stesso in post-processing. Infine questi algoritmi sono stati anche implementati su misure sperimentali attuate tramite nodi PulsOn 410 Time Domain, al fine ultimo della rilevazione della presenza di un target nell’area di osservazione dei nodi.

Dielectric relaxation in biological materials

The study of dielectric properties concerns storage and dissipation of electric and magnetic energy in materials. Dielectrics are important in order to explain various phenomena in Solid-State Physics and in Physics of Biological Materials. Indeed, during the last two centuries, many scientists have tried to explain and model the dielectric relaxation. Starting from the Kohlrausch model and passing through the ideal Debye one, they arrived at more com- plex models that try to explain the experimentally observed distributions of relaxation times, including the classical (Cole-Cole, Davidson-Cole and Havriliak-Negami) and the more recent ones (Hilfer, Jonscher, Weron, etc.). The purpose of this thesis is to discuss a variety of models carrying out the analysis both in the frequency and in the time domain. Particular attention is devoted to the three classical models, that are studied using a transcendental function known as Mittag-Leffler function. We highlight that one of the most important properties of this function, its complete monotonicity, is an essential property for the physical acceptability and realizability of the models. Lo studio delle proprietà dielettriche riguarda l’immagazzinamento e la dissipazione di energia elettrica e magnetica nei materiali. I dielettrici sono importanti al fine di spiegare vari fenomeni nell’ambito della Fisica dello Stato Solido e della Fisica dei Materiali Biologici. Infatti, durante i due secoli passati, molti scienziati hanno tentato di spiegare e modellizzare il rilassamento dielettrico. A partire dal modello di Kohlrausch e passando attraverso quello ideale di Debye, sono giunti a modelli più complessi che tentano di spiegare la distribuzione osservata sperimentalmente di tempi di rilassamento, tra i quali modelli abbiamo quelli classici (Cole-Cole, Davidson-Cole e Havriliak-Negami) e quelli più recenti (Hilfer, Jonscher, Weron, etc.). L’obiettivo di questa tesi è discutere vari modelli, conducendo l’analisi sia nel dominio delle frequenze sia in quello dei tempi. Particolare attenzione è rivolta ai tre modelli classici, i quali sono studiati utilizzando una funzione trascendente nota come funzione di Mittag-Leffler. Evidenziamo come una delle più importanti proprietà di questa funzione, la sua completa monotonia, è una proprietà essenziale per l’accettabilità fisica e la realizzabilità dei modelli.

Mission synthesis of sine-on-random excitations for accelerated vibration qualification testing

In most real-life environments, mechanical or electronic components are subjected to vibrations. Some of these components may have to pass qualification tests to verify that they can withstand the fatigue damage they will encounter during their operational life. In order to conduct a reliable test, the environmental excitations can be taken as a reference to synthesize the test profile: this procedure is referred to as “test tailoring”. Due to cost and feasibility reasons, accelerated qualification tests are usually performed. In this case, the duration of the original excitation which acts on the component for its entire life-cycle, typically hundreds or thousands of hours, is reduced. In particular, the “Mission Synthesis” procedure lets to quantify the induced damage of the environmental vibration through two functions: the Fatigue Damage Spectrum (FDS) quantifies the fatigue damage, while the Maximum Response Spectrum (MRS) quantifies the maximum stress. Then, a new random Power Spectral Density (PSD) can be synthesized, with same amount of induced damage, but a specified duration in order to conduct accelerated tests. In this work, the Mission Synthesis procedure is applied in the case of so-called Sine-on-Random vibrations, i.e. excitations composed of random vibrations superimposed on deterministic contributions, in the form of sine tones typically due to some rotating parts of the system (e.g. helicopters, engine-mounted components, …). In fact, a proper test tailoring should not only preserve the accumulated fatigue damage, but also the “nature” of the excitation (in this case the sinusoidal components superimposed on the random process) in order to obtain reliable results. The classic time-domain approach is taken as a reference for the comparison of different methods for the FDS calculation in presence of Sine-on-Random vibrations. Then, a methodology to compute a Sine-on-Random specification based on a mission FDS is presented.