Optimization of x-ray spectra in digital mammography through Monte Carlo simulations

In this work, a Monte Carlo code was used to investigate the performance of different x-ray spectra in digital mammography, through a figure of merit (FOM), defined as FOM = CNR2/(D) over bar (g), with CNR being the contrast-to-noise ratio in image and (D) over bar (g) being the average glandular dose. The FOM was studied for breasts with different thicknesses t (2 cm <= t <= 8 cm) and glandular contents (25%, 50% and 75% glandularity). The anode/filter combinations evaluated were those traditionally employed in mammography (Mo/Mo, Mo/Rh, Rh/Rh), and a W anode combined with Al or K-edge filters (Zr, Mo, Rh, Pd, Ag, Cd, Sn), for tube potentials between 22 and 34 kVp. Results show that the W anode combined with K-edge filters provides higher values of FOM for all breast thicknesses investigated. Nevertheless, the most suitable filter and tube potential depend on the breast thickness, and for t >= 6 cm, they also depend on breast glandularity. Particularly for thick and dense breasts, a W anode combined with K-edge filters can greatly improve the digital technique, with the values of FOM up to 200% greater than that obtained with the anode/filter combinations and tube potentials traditionally employed in mammography. For breasts with t < 4 cm, a general good performance was obtained with the W anode combined with 60 mu m of the Mo filter at 24-25 kVp, while 60 mu m of the Pd filter provided a general good performance at 24-26 kVp for t = 4 cm, and at 28-30 and 29-31 kVp for t = 6 and 8 cm, respectively.

Quantum Monte Carlo study of small aluminum clusters Al-n (n=2-13)

Using fixed node diffusion quantum Monte Carlo (FN-DMC) simulations and density functional theory (DFT) within the generalized gradient approximations, we calculate the total energies of the relaxed and unrelaxed neutral, cationic, and anionic aluminum clusters, Al-n (n = 1-13). From the obtained total energies, we extract the ionization potential and electron detachment energy and compare with previous theoretical and experimental results. Our results for the electronic properties from both the FN-DMC and DFT calculations are in reasonably good agreement with the available experimental data. A comparison between the FN-DMC and DFT results reveals that their differences are a few tenths of electron volt for both the ionization potential and the electron detachment energy. We also observe two distinct behaviors in the electron correlation contribution to the total energies from smaller to larger clusters, which could be assigned to the structural transition of the clusters from planar to three-dimensional occurring at n = 4 to 5.

Monte Carlo Semi-Empirical Model for Si(Li) X-Ray Detector: Differences between Nominal and Fitted Parameters.

A detailed characterization of a X-ray Si(Li) detector was performed to obtain the energy dependence of efficiency in the photon energy range of 6.4 - 59.5 keV. which was measured and reproduced by Monte Carlo (MC) simulations. Significant discrepancies between MC and experimental values were found when lhe manufacturer parameters of lhe detector were used in lhe simulation. A complete Computerized Tomagraphy (CT) detector scan allowed to find the correct crystal dimensions and position inside the capsule. The computed efficiencies with the resulting detector model differed with the measured values no more than 10% in most of the energy range.

Modelización econométrica a través de cadenas de Markov de Monte Carlo (MCMC) en valoración contingente

Doctorado en Análisis Económico. Programa en Análisis Económico Aplicado

Paralelización del algoritmo Monte Carlo Ray Tracing para Comunicaciones Ópticas Submarinas

Máster Universitario en Sistemas Inteligentes y Aplicaciones Numéricas en Ingeniería (SIANI)

Monte Carlo Simulations of Novel Scintillator Detectors and Dosimetry Calculations

Monte Carlo (MC) simulation techniques are becoming very common in the Medical Physicists community. MC can be used for modeling Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) and for dosimetry calculations. 188Re, is a promising candidate for radiotherapeutic production and understanding the mechanisms of the radioresponse of tumor cells "in vitro" is of crucial importance as a first step before "in vivo" studies. The dosimetry of 188Re, used to target different lines of cancer cells, has been evaluated by the MC code GEANT4. The simulations estimate the average energy deposition/per event in the biological samples. The development of prototypes for medical imaging, based on LaBr3:Ce scintillation crystals coupled with a position sensitive photomultiplier, have been studied using GEANT4 simulations. Having tested, in the simulation, surface treatments different from the one applied to the crystal used in our experimental measurements, we found out that the Energy Resolution (ER) and the Spatial Resolution (SR) could be improved, in principle, by machining in a different way the lateral surfaces of the crystal. We have then studied a system able to acquire both echographic and scintigraphic images to let the medical operator obtain the complete anatomic and functional information for tumor diagnosis. The scintigraphic part of the detector is simulated by GEANT4 and first attempts to reconstruct tomographic images have been made using as method of reconstruction a back-projection standard algorithm. The proposed camera is based on slant collimators and LaBr3:Ce crystals. Within the Field of View (FOV) of the camera, it possible to distinguish point sources located in air at a distance of about 2 cm from each other. In particular conditions of uptake, tumor depth and dimension, the preliminary results show that the Signal to Noise Ratio (SNR) values obtained are higher than the standard detection limit.

Monte Carlo-Simulationen zum kritischen Verhalten dünner Ising-Filme

Monte Carlo-Simulationen zum kritischen Verhalten dünnerIsing-Filme Dünne Ising-Filme können als vereinfachtes Modell zurBeschreibung von binären Mischungen oder von Flüssigkeitenin schlitzartigen Kapillaren dienen. Infolge dereingeschränkten Geometrie unterscheidet sich das kritischeVerhalten dieser Systeme signifikant von dem einesBulk-Systems, es kommt zu einem Crossover von zwei- zudreidimensionalem kritischen Verhalten. Zusätzlichverschiebt sich der Phasenübergang in den ungesättigtenBereich, ein Effekt, der als 'capillary condensation'bezeichnet wird. In der vorliegenden Arbeit wurden die kritischenEigenschaften von Ising-Filmen im Rahmen einer MonteCarlo-Simulation untersucht. Zur Verbesserung der Effizienzwurde ein Cluster-Algorithmus verwendet, der um einenGhost-Spin-Term zur Behandlung der Magnetfelder erweitertwar. Bei der Datenanalyse kamen moderneMulti-Histogramm-Techniken zur Anwendung. Für alle untersuchten Schichtdicken konnten kritischeTemperatur und Magnetfeld sehr präzise bestimmt werden. DieSkalenhypothese von Fisher und Nakanishi, die dieVerschiebung des kritischen Punktes gegenüber seinesBulk-Wertes beschreibt, wurde sowohl für Systeme mit freienOberflächen als auch für Systeme mit schwachemOberflächenfeld bestätigt. Der Wert des Gap-Exponenten derOberfläche wurde mit $Delta_1$=0.459(13) in Übereinstimmungmit den Literaturwerten abgeschätzt. Die Observablen Magnetisierung und magnetischeSuszeptibilität sowie deren auf die Oberfläche bezogenenEntsprechungen zeigen kein reines zweidimensionaleskritisches Verhalten. Zu ihrer Beschreibung in der Nähe deskritischen Punktes wurden effektive Exponenten für dieeinzelnen Schichtdicken bestimmt.

Oberflächengebundene flüssigkristalline Polymere in nematischer Lösung - eine Monte Carlo-Untersuchung

Oberflächengebundene flüssigkristalline Polymere innematischer Lösung - eine Monte Carlo-Untersuchung In der vorliegenden Arbeit wurde ein System vonoberflächengebundenen flüssigkristallinen Polymeren innematischer Lösung mittels Monte Carlo-Simulationen imNpT-Ensemble untersucht. Dabei wurden die Lösungsmittelteilchen und Polymerteilchen durchweiche abstoßende Ellipsoide des Durchmessers sigma_s undder Länge sigma_l modelliert. Darüber hinaus wirktenzwischen Teilchen innerhalb einer Kette zusätzliche Bondlängen- und Bondwinkelpotentiale. Die Kopfenden der Ketten waren mit ihren Mittelpunkten auf einen kubischen Gitter in der Oberfläche fixiert und wechselwirkten nicht mit den übrigen Teilchen. Für die Simulation kam ein neuartiger 'Configurationalbiased Monte Carlo'-Algorithmus zum Einsatz, mit dem esmöglich war, die Simulation stark zu beschleunigen. Dieswurde erreicht, indem die Bindungen einer Polymerkette entfernt und die ehemaligen Kettenteilchen somit zu Lösungsmittelteilchen werden. Aus den Lösungsmittelteilchen wurde dann durch das Ziehen neuer Bindungen eine neue Kette generiert, über deren Annahme dann eine Metropolisabfrage entschied. In den Simulationen sollte untersucht werden, inwieweit esmöglich ist durch Variation der Pfropfdichte einer auf eineglatte Wand aufgebrachten Polymerbürste die Richtung derOrientierung des sie quellenden Lösungsmittels zu einflussen. Neben Systemen ohne Ketten wurden Systeme mit Pfropfdichtenbis zu sigma = 0.84/sigma_s^2 über mehrere Millionen MonteCarlo-Schritte simuliert. Mit den durchgeführten Simulationen konnte gezeigt werden,daß ein Phasenübergang zwischen einer Phase mit flachentlang den Wänden ausgerichteten Teilchen und einer Phasemit Teilchen, deren Orientierung nicht parallel zur Wand ist, existiert.Dieser Phasenübergang tritt im hier betrachteten System beieiner Pfropfdichte von sigma = 0.13/sigma_s^2 auf. Weiterhin konnte bei hohen Pfropfdichten (sigma >=0.8/sigma_s^2) eine Phase mit einer Ausrichtung derLösungsmittelteilchen senkrecht zur Grundfläche gefundenwerden, obwohl die Ketten auch bei diesen Pfropfdichten nicht senkrecht stehen und die Bürste und das Lösungsmittel entkoppeln.

Monte Carlo-Simulationen zum Adsorptionsverhalten von Homo- und Copolymerlösungen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit demAdsorptionsverhalten von Homo- und Blockopolymeren anglatten Wänden im guten Lösungsmittel. Zur Modellierung wirddabei ein vergröbertes Kugel-Feder-Modell benutzt, das diePolymere als Kette von effektiven Monomeren auffasst.Benachbarte Monomere einer Kette werden durch einBindungspotential aneinander gekoppelt; zusätzlich wird eineVolumenausschlusswechselwirkung zwischen allen Monomeren derLösung berücksichtigt. Das Lösungsmittel wird dabei implizitdurch diese effektiven Potentiale berücksichtigt, wobei dieLösungsmittelqualität über die Temperatur geregelt wird.Während das System in z-Richtung durch zwei ebene Wändebegrenzt wird, von denen eine attraktiv mit den Monomerenwechselwirkt, werden in x- und y-Richtung periodischeRandbedingungen vorgegeben. Die Bewegung der Polymereerfolgt durch Monte Carlo-Simulationen im räumlichenKontinuum, welche auf (großkanonischen) Configurational BiasMonte Carlo-Algorithmen sowie lokalen Monomerverschiebungenund Reptationsbewegungen basieren.Über verschiedene Auswertemethoden werden anhand vonEinzelkettensimulationen die (modellabhängige)Adsorptionsschwelle - welche durch Simualtionen derAdsorption aus der Lösung bestätigt wird - sowie der(universelle) Crossoverexponent - dessen gefundener Wertsehr gut mit den neusten analytischen Berechnungenübereinstimmt - bestimmt. Bei der Simulation derBlockcopolymere bilden sich bei niedrigerOberflächenbelegungsdichte pilzartige Konformationen('mushroom'-Bereich), bei hoher OberflächenbelegungsdichtePolymerbürsten ('brush'-Bereich). Die theoretischenVorhersagen für den jeweiligen Bereich werden von denSimulationen im Wesentlichen gut wiedergegeben.

Monte-Carlo-Simulationen zum Phasen- und Keimbildungsverhalten von Polymerlösungen

Das Phasenverhalten und die Grenzflächeneigenschaften vonPolymeren in superkritischer Lösung werden anhand einesvergröberten Kugel-Feder-Modells für das ReferenzsystemHexadekan-CO2 untersucht. Zur Bestimmung der Parameter imPotential setzt man die kritischen Punkte von Simulation undExperiment gleich. Wechselwirkungen zwischen beidenKomponenten werden durch eine modifizierteLorentz-Berthelot-Regel modelliert. Die Übereinstimmung mitden Experimenten ist sehr gut - insbesondere kann dasPhasendiagramm des Mischsystems inklusive kritischer Linienreproduziert werden. Ein Vergleich mit numerischenStörungsrechnungen (TPT1) liefert eine qualitativeÜbereinstimmung und Hinweise zur Verbesserung derverwendeten Zustandsgleichung. Aufbauend auf diesen Betrachtungen werden die Frühstadiender Keimbildung untersucht. Für das Lennard-Jones-Systemwird zum ersten Mal der Übergang vom homogenen Gas zu einemeinzelnen Tropfen im endlichen Volumen direkt nachgewiesenund quantifiziert. Die freie Energie von kleinen Clusternwird mit einem einfachen, klassischen Nukleationsmodellbestimmt und nach oben abgeschätzt. Die vorgestellten Untersuchungen wurden durch eineWeiterentwicklung des Umbrella-Sampling-Algorithmusermöglicht. Hierbei wird die Simulation in mehrereSimulationsfenster unterteilt, die nacheinander abgearbeitetwerden. Die Methode erlaubt eine Bestimmung derFreien-Energie-Landschaft an einer beliebigen Stelle desPhasendiagramms. Der Fehler ist kontrollierbar undunabhängig von der Art der Unterteilung.

Monte-Carlo-Simulationen zum Phasenverhalten binärer Polymerbürsten

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Strukturbildung im schlechten Lösungsmittel bei ein- und zweikomponentigen Polymerbürsten, bei denen Polymerketten durch Pfropfung am Substrat verankert sind. Solche Systeme zeigen laterale Strukturbildungen, aus denen sich interessante Anwendungen ergeben. Die Bewegung der Polymere erfolgt durch Monte Carlo-Simulationen im Kontinuum, die auf CBMC-Algorithmen sowie lokalen Monomerverschiebungen basieren. Eine neu entwickelte Variante des CBMC-Algorithmus erlaubt die Bewegung innerer Kettenteile, da der bisherige Algorithmus die Monomere in Nähe des Pfropfmonomers nicht gut relaxiert. Zur Untersuchung des Phasenverhaltens werden mehrere Analysemethoden entwickelt und angepasst: Dazu gehören die Minkowski-Maße zur Strukturuntersuchung binären Bürsten und die Pfropfkorrelationen zur Untersuchung des Einflusses von Pfropfmustern. Bei einkomponentigen Bürsten tritt die Strukturbildung nur beim schwach gepfropften System auf, dichte Pfropfungen führen zu geschlossenen Bürsten ohne laterale Struktur. Für den graduellen Übergang zwischen geschlossener und aufgerissener Bürste wird ein Temperaturbereich bestimmt, in dem der Übergang stattfindet. Der Einfluss des Pfropfmusters (Störung der Ausbildung einer langreichweitigen Ordnung) auf die Bürstenkonfiguration wird mit den Pfropfkorrelationen ausgewertet. Bei unregelmäßiger Pfropfung sind die gebildeten Strukturen größer als bei regelmäßiger Pfropfung und auch stabiler gegen höhere Temperaturen. Bei binären Systemen bilden sich Strukturen auch bei dichter Pfropfung aus. Zu den Parametern Temperatur, Pfropfdichte und Pfropfmuster kommt die Zusammensetzung der beiden Komponenten hinzu. So sind weitere Strukturen möglich, bei gleicher Häufigkeit der beiden Komponenten bilden sich streifenförmige, lamellare Muster, bei ungleicher Häufigkeit formt die Minoritätskomponente Cluster, die in der Majoritätskomponente eingebettet sind. Selbst bei gleichmäßig gepfropften Systemen bildet sich keine langreichweitige Ordnung aus. Auch bei binären Bürsten hat das Pfropfmuster großen Einfluss auf die Strukturbildung. Unregelmäßige Pfropfmuster führen schon bei höheren Temperaturen zur Trennung der Komponenten, die gebildeten Strukturen sind aber ungleichmäßiger und etwas größer als bei gleichmäßig gepfropften Systemen. Im Gegensatz zur self consistent field-Theorie berücksichtigen die Simulationen Fluktuationen in der Pfropfung und zeigen daher bessere Übereinstimmungen mit dem Experiment.