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.

Misure sperimentali su sistemi wireless per la localizzazione indoor

Tesi sperimentale, basata sulla configurazione di un sistema wireless per la localizzazione indoor e l'uso di esso per fare misure.

Misure sperimentali per il monitoraggio e la sorveglianza di aree e strutture mediante reti di sensori wireless

Studio e realizzazione di una rete Wireless Sensor Network per il monitoraggio ambientale di area archeologica. Trasmissione dati raccolti su server tcp. Misure sperimentali su rete di sensori radar UWB per la localizzazione di un target in ambiente indoor

Human respiration rate estimation using ultra-wideband distributed cognitive radar system

It has been shown that remote monitoring of pulmonary activity can be achieved using ultra-wideband (UWB) systems, which shows promise in home healthcare, rescue, and security applications. In this paper, we first present a multi-ray propagation model for UWB signal, which is traveling through the human thorax and is reflected on the air/dry-skin/fat/muscle interfaces. A geometry-based statistical channel model is then developed for simulating the reception of UWB signals in the indoor propagation environment. This model enables replication of time-varying multipath profiles due to the displacement of a human chest. Subsequently, a UWB distributed cognitive radar system (UWB-DCRS) is developed for the robust detection of chest cavity motion and the accurate estimation of respiration rate. The analytical framework can serve as a basis in the planning and evaluation of future measurement programs. We also provide a case study on how the antenna beamwidth affects the estimation of respiration rate based on the proposed propagation models and system architecture

Valutazione sperimentale della stabilita motoria tramite misure inerziali in soggetti con esito di ictus

L’ictus rappresenta una delle principali cause di invalidità poiché compromette la deambulazione, incrementando l’incidenza di cadute nei soggetti colpiti. Lo studio della stabilità motoria è fondamentale per l’identificazione dei soggetti a rischio di caduta. I diversi indicatori clinici attualmente utilizzati negli ospedali non sono in grado di fornire una valutazione quantitativo predittiva della stabilità della deambulazione. Lo scopo di questa tesi è indagare una serie di misure sperimentali e valutarne il possibile utilizzo ad integrazione o sostituzione di scale cliniche per l’analisi della stabilità motoria e la prevenzione del rischio di cadute. Analizzando il segnale di accelerazione del centro di massa corporeo di 33 soggetti post stroke sono stati ottenuti gli indici strumentali di interesse. Il corpo centrale di questa tesi consiste nell'analisi statistica condotta tramite modelli di regressione lineare che mettono in correlazione parametri clinici (acquisiti per mezzo di test e questionari) e indici strumentali. Lo studio presente ha reso note importanti correlazioni tra parametri clinici e strumentali, che permettono di affermare l’utilità di tali indici strumentali per una valutazione dei soggetti a rischio di caduta.

Analysis of cone-beam ct dose in image-guided radiation therapy for brain and prostate cancer patients via gpu-based Monte Carlo simulations

La radioterapia guidata da immagini (IGRT), grazie alle ripetute verifiche della posizione del paziente e della localizzazione del volume bersaglio, si è recentemente affermata come nuovo paradigma nella radioterapia, avendo migliorato radicalmente l’accuratezza nella somministrazione di dose a scopo terapeutico. Una promettente tecnica nel campo dell’IGRT è rappresentata dalla tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT). La CBCT a kilovoltaggio, consente di fornire un’accurata mappatura tridimensionale dell’anatomia del paziente, in fase di pianificazione del trattamento e a ogni frazione del medisimo. Tuttavia, la dose da imaging attribuibile alle ripetute scansioni è diventata, negli ultimi anni, oggetto di una crescente preoccupazione nel contesto clinico. Lo scopo di questo lavoro è di valutare quantitativamente la dose addizionale somministrata da CBCT a kilovoltaggio, con riferimento a tre tipici protocolli di scansione per Varian OnBoard Imaging Systems (OBI, Palo Alto, California). A questo scopo sono state condotte simulazioni con codici Monte Carlo per il calcolo della dose, utilizzando il pacchetto gCTD, sviluppato sull’architettura della scheda grafica. L’utilizzo della GPU per sistemi server di calcolo ha permesso di raggiungere alte efficienze computazionali, accelerando le simulazioni Monte Carlo fino a raggiungere tempi di calcolo di ~1 min per un caso tipico. Inizialmente sono state condotte misure sperimentali di dose su un fantoccio d’acqua. I parametri necessari per la modellazione della sorgente di raggi X nel codice gCTD sono stati ottenuti attraverso un processo di validazione del codice al fine di accordare i valori di dose simulati in acqua con le misure nel fantoccio. Lo studio si concentra su cinquanta pazienti sottoposti a cicli di radioterapia a intensità modulata (IMRT). Venticinque pazienti con tumore al cervello sono utilizzati per studiare la dose nel protocollo standard-dose head e venticinque pazienti con tumore alla prostata sono selezionati per studiare la dose nei protocolli pelvis e pelvis spotlight. La dose media a ogni organo è calcolata. La dose media al 2% dei voxels con i valori più alti di dose è inoltre computata per ogni organo, al fine di caratterizzare l’omogeneità spaziale della distribuzione.

Mixed-domain simulation and hybrid wafer-level packaging of RF-MEMS devices for wireless applications

In questa tesi verranno trattati sia il problema della creazione di un ambiente di simulazione a domini fisici misti per dispositivi RF-MEMS, che la definizione di un processo di fabbricazione ad-hoc per il packaging e l’integrazione degli stessi. Riguardo al primo argomento, sarà mostrato nel dettaglio lo sviluppo di una libreria di modelli MEMS all’interno dell’ambiente di simulazione per circuiti integrati Cadence c . L’approccio scelto per la definizione del comportamento elettromeccanico dei MEMS è basato sul concetto di modellazione compatta (compact modeling). Questo significa che il comportamento fisico di ogni componente elementare della libreria è descritto per mezzo di un insieme limitato di punti (nodi) di interconnessione verso il mondo esterno. La libreria comprende componenti elementari, come travi flessibili, piatti rigidi sospesi e punti di ancoraggio, la cui opportuna interconnessione porta alla realizzazione di interi dispositivi (come interruttori e capacità variabili) da simulare in Cadence c . Tutti i modelli MEMS sono implementati per mezzo del linguaggio VerilogA c di tipo HDL (Hardware Description Language) che è supportato dal simulatore circuitale Spectre c . Sia il linguaggio VerilogA c che il simulatore Spectre c sono disponibili in ambiente Cadence c . L’ambiente di simulazione multidominio (ovvero elettromeccanico) così ottenuto permette di interfacciare i dispositivi MEMS con le librerie di componenti CMOS standard e di conseguenza la simulazione di blocchi funzionali misti RF-MEMS/CMOS. Come esempio, un VCO (Voltage Controlled Oscillator) in cui l’LC-tank è realizzato in tecnologia MEMS mentre la parte attiva con transistor MOS di libreria sarà simulato in Spectre c . Inoltre, nelle pagine successive verrà mostrata una soluzione tecnologica per la fabbricazione di un substrato protettivo (package) da applicare a dispositivi RF-MEMS basata su vie di interconnessione elettrica attraverso un wafer di Silicio. La soluzione di packaging prescelta rende possibili alcune tecniche per l’integrazione ibrida delle parti RF-MEMS e CMOS (hybrid packaging). Verranno inoltre messe in luce questioni riguardanti gli effetti parassiti (accoppiamenti capacitivi ed induttivi) introdotti dal package che influenzano le prestazioni RF dei dispositivi MEMS incapsulati. Nel dettaglio, tutti i gradi di libertà del processo tecnologico per l’ottenimento del package saranno ottimizzati per mezzo di un simulatore elettromagnetico (Ansoft HFSSTM) al fine di ridurre gli effetti parassiti introdotti dal substrato protettivo. Inoltre, risultati sperimentali raccolti da misure di strutture di test incapsulate verranno mostrati per validare, da un lato, il simulatore Ansoft HFSSTM e per dimostrate, dall’altro, la fattibilit`a della soluzione di packaging proposta. Aldilà dell’apparente debole legame tra i due argomenti sopra menzionati è possibile identificare un unico obiettivo. Da un lato questo è da ricercarsi nello sviluppo di un ambiente di simulazione unificato all’interno del quale il comportamento elettromeccanico dei dispositivi RF-MEMS possa essere studiato ed analizzato. All’interno di tale ambiente, l’influenza del package sul comportamento elettromagnetico degli RF-MEMS può essere tenuta in conto per mezzo di modelli a parametri concentrati (lumped elements) estratti da misure sperimentali e simulazioni agli Elementi Finiti (FEM) della parte di package. Infine, la possibilità offerta dall’ambiente Cadence c relativamente alla simulazione di dipositivi RF-MEMS interfacciati alla parte CMOS rende possibile l’analisi di blocchi funzionali ibridi RF-MEMS/CMOS completi.

Validazione sperimentale di un modello ray tracing in ambienti indoor

Il trattato sottolinea quanto sia indispensabile avere un confronto fra le simulazioni numeriche effettuate col metodo Ray Tracing e le campagne di misure sperimentali. Sebbene le simulazioni numeriche comportino un impiego di tempo e risorse oneroso, una volta impostate risultano molto versatili e rapide nell'apportare cambiamenti ai relativi settaggi e ambiente di propagazione.

Determinazione sperimentale della minima attivita rivelabile dei calibratori di attivita dei radionuclidi

I calibratori di attività dei radionuclidi sono strumenti fondamentali per la pratica diagnostica e terapeutica in Medicina Nucleare. Il loro ruolo principale è quello di quantificare accuratamente l’attività dei radiofarmaci somministrata ai pazienti, vengono pertanto progettati per avere una accuratezza di misura ottimale per attività relativamente alte. Lo scopo di questo studio è stato quello di determinare il livello di minima attività rivelabile (o Minimum Detectable Activity, MDA) di diversi modelli di calibratori di attività, al fine di estendere l’utilizzo di questi strumenti ad altre applicazioni. E’ stata quindi eseguita un’estesa campagna di misure sperimentali sui principali modelli di calibratori commercialmente distribuiti. Le modalità di misura della MDA sviluppate sono basate su un adattamento delle tecniche di riferimento per altri tipi di strumenti; tali tecniche, non solo rispondono all’obiettivo immediato, ma hanno permesso di dimostrare che è possibile una determinazione generalizzata della MDA di questa classe di apparecchiature. I risultati che verranno presentati sono stati ottenuti con una metodologia indipendente dal tipo di apparecchiatura e sono basati su misurazioni che possono essere replicate in ogni laboratorio.

Taratura di un calibratore di attività per radionuclidi emettitori di positroni a brevissimo tempo di dimezzamento

I calibratori di attività sono strumenti fondamentali in medicina nucleare, utilizzati da ogni struttura al fine di quantificare l’attività di radiofarmaco da somministrare al paziente. L'accurata taratura di questi strumenti richiederebbe la disponibilità di sorgenti di riferimento certificate per ciascun radionuclide di interesse; tuttavia vi è una importante serie di casi in cui questo metodo non è praticabile a causa delle caratteristiche del radionuclide, come ad esempio il brevissimo tempo di dimezzamento. Lo scopo di questo studio è stato determinare il fattore di taratura per un radioisotopo PET a brevissimo tempo di dimezzamento, il 11C, per il quale non sono commercialmente reperibili delle sorgenti certificate, eseguendo un’accurata misura dell’efficienza di rivelazione di un moderno rivelatore per spettrometria allo specifico valore di energia di 511 keV dei fotoni di annichilazione. Lo strumento utilizzato è un nuovo rivelatore a CZT (tellururo di cadmio-zinco), il Kromek GR1, un rivelatore compatto che opera a temperatura ambiente, caratterizzato da una interessante risoluzione energetica e da una efficienza di rivelazione contenuta, quest’ultima adeguata per l’analisi di campioni che hanno un’attività relativamente elevata, come di frequente accade nei siti di produzione dei nuclidi radioattivi. Le misure sperimentali sono state eseguite cercando di ottimizzare ogni passaggio al fine di minimizzare le incertezze, in modo da ottenere una stima accurata del fattore di taratura, secondo una modalità tracciabile ad uno standard accreditato NIST e riproducibile per qualunque altro radioisotopo PET. Potranno quindi essere constatati i fattori di taratura noti di altri radionuclidi e successivamente stimati i fattori per radioisotopi sperimentali anche mediante diversi modelli di calibratori.

Validazione preliminare del modello dinamico di un turboalbero aeronautico

Il bisogno di creare dei metodi per l’identificazione delle performance e strumenti di diagnosi è sempre maggiore nelle turbomacchine. Le case costruttrici di motori, in generale, sono guidate dalle richieste del mercato e da normative sempre più severe, e ricercano quindi da un lato, sempre migliori prestazioni come ad esempio la diminuzione dei consumi e, dall’altro, l’abbattimento degli agenti inquinanti. In ambito industriale si ha l’esigenza di rendere più rapidi i tempi di progettazione e sviluppo dei motori per l’abbattimento dei costi di progettazione e per minimizzare il tempo di commercializzazione. Ecco perché entra in gioco, ed assume importanza, l’uso della simulazione numerica che fornisce informazioni utili sia in fase di verifica, che in fase di progetto di tutti i componenti del motore, anche quelli che sarebbero difficilmente accessibili per misure sperimentali. Al contempo i calcolatori moderni diventano facilmente e rapidamente sempre più potenti riducendo così i tempi di calcolo, e ciò ha consentito l’uso di tecniche numeriche che prima sarebbero risultate impensabili da utilizzare. Per mezzo dell’uso di codici di tipo bi o tri-dimensionale è possibile conoscere e valutare i valori delle grandezze termodinamiche del fluido che attraversa il motore punto per punto. Questi metodi presentano un elevata accuratezza ma hanno anche lo svantaggio di richiedere un elevato costo computazionale con conseguente aumento dei tempi di calcolo. In più hanno bisogno di molti dati di input per il modello matematico, e dipendono fortemente dalle condizioni iniziali e dalle condizioni al contorno. Nasce quindi l'esigenza di un ambiente di sviluppo che consenta una modellazione semplificata degli elementi costituenti il motore, ed un rapido interfacciamento con modelli locali più sofisticati. Inoltre, se si vogliono ottimizzare dei parametri relativi all’impianto globale oppure se si desidera avere un quadro generale delle prestazioni del motore è sufficiente usare modelli 0-D e 1-D per i vari componenti del motore. Sono stati svolti molti studi concentrati sullo sviluppo di strumenti capaci di supportare operazioni di pianificazione e/o per validare analisi di diagnosi.

Advanced aspects of radiation protection in the use of particle accelerators in the medical field

In this work, the well-known MC code FLUKA was used to simulate the GE PETrace cyclotron (16.5 MeV) installed at “S. Orsola-Malpighi” University Hospital (Bologna, IT) and routinely used in the production of positron emitting radionuclides. Simulations yielded estimates of various quantities of interest, including: the effective dose distribution around the equipment; the effective number of neutron produced per incident proton and their spectral distribution; the activation of the structure of the cyclotron and the vault walls; the activation of the ambient air, in particular the production of 41Ar, the assessment of the saturation yield of radionuclides used in nuclear medicine. The simulations were validated against experimental measurements in terms of physical and transport parameters to be used at the energy range of interest in the medical field. The validated model was also extensively used in several practical applications uncluding the direct cyclotron production of non-standard radionuclides such as 99mTc, the production of medical radionuclides at TRIUMF (Vancouver, CA) TR13 cyclotron (13 MeV), the complete design of the new PET facility of “Sacro Cuore – Don Calabria” Hospital (Negrar, IT), including the ACSI TR19 (19 MeV) cyclotron, the dose field around the energy selection system (degrader) of a proton therapy cyclotron, the design of plug-doors for a new cyclotron facility, in which a 70 MeV cyclotron will be installed, and the partial decommissioning of a PET facility, including the replacement of a Scanditronix MC17 cyclotron with a new TR19 cyclotron.

Valutazione sperimentale del campo aerodinamico prodotto da rasaerba industriali: correlazione tra parametri geometrici delle lame

Il presente elaborato tratta dell’analisi dell’incertezza caratterizzante le misure sperimentali per la portata in massa del flusso d’aria generato dalla rotazione di una generica lama da rasaerba, eseguite attraverso l’impiego di un’apposita strumentazione sperimentale. Una campagna di sperimentazione è stata avviata dal Laboratorio di Aerodinamica sperimentale dell’Università di Bologna, in collaborazione con l’azienda Global Garden Products, dedicata alla valutazione delle prestazioni aerodinamiche, in termini di portata d’aria elaborata, di lame da rasaerba. Un’apposita apparecchiatura sperimentale è stata messa a punto, progettata per permettere il calcolo della portata in massa d’aria, elaborata da una generica lama, a partire dall’acquisizione di misure di pressione. Un’analisi dimensionale è stata applicata al modello teorico, finalizzata alla definizione di un coefficiente adimensionale di portata. Parallelamente alla definizione del metodo di sperimentazione si è proceduto alla caratterizzazione metrologica dello stesso, in termini di precisione, giustezza e accuratezza delle misure ottenibili. Nell’ambito dell’analisi dell’incertezza di misura metodologica è stata effettuata, in primo luogo, una caratterizzazione delle misure realizzate dal trasduttore di pressione impiegato nella sperimentazione. Successivamente il risultato ottenuto è stato impiegato nella definizione, a differenti livelli di ripetizione, dell’incertezza di misura, propria del metodo di sperimentazione impiegato per misurare la portata elaborata da una generica lama. L’esame dei risultati sperimentali ottenuti rivela come la strumentazione impiegata sia adeguata al compito per assolvere il quale essa è stata sviluppata.