Enhancing the efficiency of solar concentrators by controlled optical aberrations

The diameters of traditional dish concentrators can reach several tens of meters, the construction of monolithic mirrors being difficult at these scales: cheap flat reflecting facets mounted on a common frame generally reproduce a paraboloidal surface. When a standard imaging mirror is coupled with a PV dense array, problems arise since the solar image focused is intrinsically circular. Moreover, the corresponding irradiance distribution is bell-shaped in contrast with the requirement of having all the cells under the same illumination. Mismatch losses occur when interconnected cells experience different conditions, in particular in series connections. In this PhD Thesis, we aim at solving these issues by a multidisciplinary approach, exploiting optical concepts and applications developed specifically for astronomical use, where the improvement of the image quality is a very important issue. The strategy we propose is to boost the spot uniformity acting uniquely on the primary reflector and avoiding the big mirrors segmentation into numerous smaller elements that need to be accurately mounted and aligned. In the proposed method, the shape of the mirrors is analytically described by the Zernike polynomials and its optimization is numerically obtained to give a non-imaging optics able to produce a quasi-square spot, spatially uniform and with prescribed concentration level. The freeform primary optics leads to a substantial gain in efficiency without secondary optics. Simple electrical schemes for the receiver are also required. The concept has been investigated theoretically modeling an example of CPV dense array application, including the development of non-optical aspects as the design of the detector and of the supporting mechanics. For the method proposed and the specific CPV system described, a patent application has been filed in Italy with the number TO2014A000016. The patent has been developed thanks to the collaboration between the University of Bologna and INAF (National Institute for Astrophysics).

Synthese und Charakterisierung von multivalenten kationischen Tensiden und Polymeren

Der Einsatz von den Polyelektrolytkomplexen von DNA / RNA mit Polykationen oder Lipiden in der Gen-Therapie ist für Wissenschaftler von besonderem Interesse, da sie als Träger für den Transport von genetischem Material in lebende Zellen fungieren können. Interessant ist auch die Komplexbildung aus Gadolinium und Polykation, hier können die stabil gebildeten Aggregate als Kontrastmittel zur Anwendung in der Magnetresonanztomographie eingeführt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, strukturdefinierte, positiv geladene, polyvalente sperminanaloge Polymere zu synthetisieren. Durch die polyelektrolytische Natur erlauben solche Polymere die Komplexierung von mehr Gadolinium-Polyoxometalaten und wären deshalb sehr gut als Kontrastmittel geeignet. Aufbauend auf den Vorarbeiten, wurde insbesondere die Komplexbildung von kationischem Polymer mit der Green Fluorescent Protein DNA in physiologischem Salzgehalt untersucht. Die Beschreibung der Synthese im Rahmen dieser Arbeit zeigt, dass es mit dem entwickelten Syntheseprinzip, also unter Einsatz von orthogonaler Schutzgruppenchemie und funktionaler Transformation gelungen ist, durch einfache nukleophile Substitution die Kopplung der Elementareinheiten zu komplexeren, auch ionischen Tensiden durchzuführen. Die Komplexierung von Gadolinium-Polyoxometalat mit kationisch geladenem Polymer in reinem Wasser und in physiologischem Salzgehalt hat gezeigt, dass bei einem Ladungsverhältnis von ungefähr 2:1 stabile sphärische Komplexe gebildet werden. HeLa-Zellen zeigen keine hohe Empfindlichkeit gegenüber Polykation-POM-Komplexen, da deren toxische Wirkung nur einen Anteil toter Zellen von maximal 24 % zur Folge hatte. Die Bildqualität einer MRT-Aufnahme der gebildeten Polykation-POM-Komplexe wurde im Vergleich zu den reinen Gadolinium-Polyoxometalat-Lösungen erheblich verbessert. Die Komplexierung von DNA mit dem im Überschuss vorliegenden kationisch geladenen Polymer wurde mittels Rasterkraftmikroskopie, statischer sowie dynamischer Lichtstreuung untersucht. Die Molmasse und Größe der Polykation-DNA-Komplexe geben eindeutige Hinweise darauf, dass sich in physiologischer Salzlösung Multi-Ketten-Komplexe bilden. Neben der Untersuchung der Polymer-Komplexe wurde eine Reihe neuartiger multivalenter kationischer Tenside hergestellt, wobei ihre Eigenschaften beispielsweise mit Tensid B (C12N4), Tensid C (EG8N4) und Tensid F (EG8C12N4) in wässriger Lösung bei verschiedener Salzkonzentration im Vordergrund stehen.

Software zur automatischen Tumordiagnose in der funktionalen MRT der weiblichen Brust

In den westlichen Industrieländern ist das Mammakarzinom der häufigste bösartige Tumor der Frau. Sein weltweiter Anteil an allen Krebserkrankungen der Frau beläuft sich auf etwa 21 %. Inzwischen ist jede neunte Frau bedroht, während ihres Lebens an Brustkrebs zu erkranken. Die alterstandardisierte Mortalitätrate liegt derzeit bei knapp 27 %.rnrnDas Mammakarzinom hat eine relative geringe Wachstumsrate. Die Existenz eines diagnostischen Verfahrens, mit dem alle Mammakarzinome unter 10 mm Durchmesser erkannt und entfernt werden, würden den Tod durch Brustkrebs praktisch beseitigen. Denn die 20-Jahres-Überlebungsrate bei Erkrankung durch initiale Karzinome der Größe 5 bis 10 mm liegt mit über 95 % sehr hoch.rnrnMit der Kontrastmittel gestützten Bildgebung durch die MRT steht eine relativ junge Untersuchungsmethode zur Verfügung, die sensitiv genug zur Erkennung von Karzinomen ab einer Größe von 3 mm Durchmesser ist. Die diagnostische Methodik ist jedoch komplex, fehleranfällig, erfordert eine lange Einarbeitungszeit und somit viel Erfahrung des Radiologen.rnrnEine Computer unterstützte Diagnosesoftware kann die Qualität einer solch komplexen Diagnose erhöhen oder zumindest den Prozess beschleunigen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer vollautomatischen Diagnose Software, die als Zweitmeinungssystem eingesetzt werden kann. Meines Wissens existiert eine solche komplette Software bis heute nicht.rnrnDie Software führt eine Kette von verschiedenen Bildverarbeitungsschritten aus, die dem Vorgehen des Radiologen nachgeahmt wurden. Als Ergebnis wird eine selbstständige Diagnose für jede gefundene Läsion erstellt: Zuerst eleminiert eine 3d Bildregistrierung Bewegungsartefakte als Vorverarbeitungsschritt, um die Bildqualität der nachfolgenden Verarbeitungsschritte zu verbessern. Jedes kontrastanreichernde Objekt wird durch eine regelbasierte Segmentierung mit adaptiven Schwellwerten detektiert. Durch die Berechnung kinetischer und morphologischer Merkmale werden die Eigenschaften der Kontrastmittelaufnahme, Form-, Rand- und Textureeigenschaften für jedes Objekt beschrieben. Abschließend werden basierend auf den erhobenen Featurevektor durch zwei trainierte neuronale Netze jedes Objekt in zusätzliche Funde oder in gut- oder bösartige Läsionen klassifiziert.rnrnDie Leistungsfähigkeit der Software wurde auf Bilddaten von 101 weiblichen Patientinnen getested, die 141 histologisch gesicherte Läsionen enthielten. Die Vorhersage der Gesundheit dieser Läsionen ergab eine Sensitivität von 88 % bei einer Spezifität von 72 %. Diese Werte sind den in der Literatur bekannten Vorhersagen von Expertenradiologen ähnlich. Die Vorhersagen enthielten durchschnittlich 2,5 zusätzliche bösartige Funde pro Patientin, die sich als falsch klassifizierte Artefakte herausstellten.rn

Photonen-Aufkonversion in Nanokapseln

Die vorliegende Dissertation zeigt eine erfolgreiche Verknüpfung der Triplett-Triplett-Annihilations-Aufkonversion (TTA-UC) mit möglichen biologischen Anwendungen. Die Grundlage für solche Anwendungen ist ein Transfer der TTA-UC aus seinem üblicherweise verwendeten organischen Medium in eine wässrige Umgebung. Um diesen Transfer zu realisieren, wurden, unter Anwendung der Technik des Miniemulsionsprozesses, in Wasser dispergierte Nanokapseln herstellt. Der Kern dieser Nanokapseln besteht aus einem flüssigen hydrophoben Medium (meist Hexadekan oder Phenylheptadekan), in dem die zur TTA-UC notwendigen Farbstoffe gelöst sind. Dieser flüssige Kern ist vollständig von einer festen Polymerhülle umschlossen und somit isoliert von seiner wässrigen Umgebung. Es wurden insgesamt drei Generationen solcher Nanokapseln hergestellt, die sich hauptsächlich im Herstellungsprozess, aber auch beim Material von Kern und Hülle unterscheiden. Mittels dieser Variationen konnten die Nanokapseln in Bezug auf Effizienz, Anregungswellenlänge und Sauerstoffempfindlichkeit optimiert werden. Bei der ersten Generation wurde die radikalische Miniemulsionspolymerisation zur Kapselbildung verwendet. Die zweite Generation wurde durch die Kombination des Lösungsmittelverdampfungsprozesses mit dem Miniemulsionsprozess entwickelt und liefert somit eine alternative Möglichkeit der Kapselbildung unter milden Reaktionsbedingungen, was eine uneingeschränkte Auswahl der UC-Farbstoffpaare ermöglicht. Durch den Einsatz unterschiedlicher Sensitizer konnte die Anregungswellenlänge der TTA-UC in den roten und in den nahen Infrarot-Bereich des sichtbaren Spektrums verschoben werden. Diese Verschiebung ist im biologischen Anwendungsbereich von enormer Bedeutung, da dort eine Überlappung mit dem natürlichen optischen Fenster von menschlicher Haut und Gewebe stattfindet. Dies reduziert die Streuung der Anregungsquelle im zu untersuchende Medium und ermöglicht hohe Eindringtiefen. Mit den Kapseln der zweiten Generation wurde zum ersten Mal TTA-UC in lebenden HeLa-Zellen (Krebszellen) und MSCs (Mesenchymale Stammzellen) nachgewiesen. Die verzögerte Fluoreszenz aus den Zellen wurde mit biologischen Standardverfahren, sowohl mit der Durchflusszytometrie (FACS) als auch am cLSM nachgewiesen. Besondere Vorteile gegenüber direkter Fluoreszenz konnten bei der Bildgebung von Zellen erreicht werden. Die relativ energiearme Anregungswellenlänge und die dazu anti-Stokes verschobene, detektierte verzögerte UC-Fluoreszenz lieferte eine bessere Bildqualität und eine sehr geringe Phototoxizität der Zellen. Die Kapseln der dritten Generation zeichnen sich durch ihre anorganische, tetraedrisch verknüpfte SiO2-Hülle aus und wurden mittels einer Grenzflächenreaktion (Sol-Gel-Prozess) in Miniemulsion hergestellt. Diese Kapseln weisen im Vergleich zu den Polymernanokapseln eine bessere UC-Effizienz auf und sind zusätzlich stabiler und robuster.

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).

Bone images from dual-energy subtraction chest radiography in the detection of rib fractures

To assess the sensitivity and image quality of chest radiography (CXR) with or without dual-energy subtracted (ES) bone images in the detection of rib fractures.

Susceptibility-weighted imaging of the brain: Does gadolinium administration matter?

Susceptibility-weighted MR imaging (SWI) is usually obtained without administration of intravenous gadolinium (Gd). However, it is occasionally necessary to perform SWI after Gd is injected. The effects of Gd on SWI have not been systematically examined. The aim of this prospective study was to investigate whether performing SWI after Gd would influence the diagnostic image quality, parenchymal signal and vascular enhancement. An additional aim is to suggest potential future applications for Gd-enhanced SWI.

Decreased Detection of Hypovascular Liver Tumors With MDCT in Obese Patients: A Phantom Study

The purpose of this article is to assess the impact of large patient size on the detection of hypovascular liver tumors with MDCT and the effect of a noise filter on image quality and lesion detection in obese patients.

[Strategies for reducing the CT radiation dose]

The rapid technical advances in computed tomography have led to an increased number of clinical indications. Unfortunately, at the same time the radiation exposure to the population has also increased due to the increased total number of CT examinations. In the last few years various publications have demonstrated the feasibility of radiation dose reduction for CT examinations with no compromise in image quality and loss in interpretation accuracy. The majority of the proposed methods for dose optimization are easy to apply and are independent of the detector array configuration. This article reviews indication-dependent principles (e.g. application of reduced tube voltage for CT angiography, selection of the collimation and the pitch, reducing the total number of imaging series, lowering the tube voltage and tube current for non-contrast CT scans), manufacturer-dependent principles (e.g. accurate application of automatic modulation of tube current, use of adaptive image noise filter and use of iterative image reconstruction) and general principles (e.g. appropriate patient-centering in the gantry, avoiding over-ranging of the CT scan, lowering the tube voltage and tube current for survey CT scans) which lead to radiation dose reduction.

Blue Light versus Green Light Autofluorescence: Lesion Size of Areas with Geographic Atrophy

Blue-light fundus autofluorescence (FAF) imaging is currently widely used for assessing dry age-related macular degeneration (ARMD). However, at this wavelength, the fovea appears as circular zone of marked hypofluorescence, due to the absorption of macular pigment (MP). This dark spot could be misinterpreted as an atrophic area and could lead to difficulties in identifying small, central changes. The purpose of the study was to analyze differences in image quality, FAF patterns, and lesion size, when using conventional blue-light (Λ(1) = 488 nm) and green-light (Λ(2) = 514 nm) FAF.

Diagnostic accuracy of pulmonary CT angiography at low tube voltage: intraindividual comparison of a normal-dose protocol at 120 kVp and a low-dose protocol at 80 kVp using reduced amount of contrast medium in a simulation study

The purpose of this study was to simulate pulmonary emboli (PE) and image quality at low tube energy and reduced contrast material volume in normal-dose pulmonary CT angiography (CTA) images and to analyze the diagnostic accuracy with normal- and low-dose pulmonary CTA.

A review of full-body radiography in nontraumatic emergency medicine

This paper reports on the application of full-body radiography to nontraumatic emergency situations. The Lodox Statscan is an X-ray machine capable of imaging the entire body in 13 seconds using linear slit scanning radiography (LSSR). Nontraumatic emergency applications in ventriculoperitoneal (VP) shunt visualisation, emergency room arteriography (ERA), detection of foreign bodies, and paediatric emergency imaging are presented. Reports show that the fast, full-body, and low-dose scanning capabilities of the Lodox system make it well suited to these applications, with the same or better image quality, faster processing times, and lower dose to patients. In particular, the large format scans allowing visualisation of a greater area of anatomy make it well suited to VP shunt monitoring, ERA, and the detection of foreign bodies. Whilst more studies are required, it can be concluded that the Lodox Statscan has the potential for widespread use in these and other nontraumatic emergency radiology applications.

How reliable and safe is full-body low-dose radiography (LODOX Statscan) in detecting foreign bodies ingested by adults?

OBJECTIVE: Foreign body ingestion is common and potentially lethal. This study evaluates the use of low-dose Statscans (LODOX) in emergency departments. DESIGN: This comparative cross-sectional study retrospectively assessed 28 289 digital chest x-rays and 2301 LODOX scans performed between 2006 and 2010 at a tertiary emergency centre. The radiographic appearance, image quality and location of ingested foreign bodies were evaluated in standard digital chest and LODOX radiography. The mean irradiation (μSv) and cumulative mean radiation dose per patient with the ingested foreign body were calculated according to literature-based data, together with the sensitivity and specificity for each modality. RESULTS: A total of 62 foreign bodies were detected in 39 patients, of whom 19 were investigated with LODOX and 20 with conventional digital chest radiography. Thirty-three foreign bodies were located in the two upper abdominal quadrants, 21 in the lower quadrants-which are not visible on conventional digital chest radiography-seven in the oesophagus and one in the bronchial system. The sensitivity and specificity of digital chest radiography were 44.4% and 94.1%, respectively, and for the LODOX Statscan 90% and 100%, respectively. The calculated mean radiation dose for LODOX investigations was 184 μS, compared with 524 μS for digital chest radiography. CONCLUSIONS: LODOX Statscan is superior to digital chest radiography in the diagnostic work-up of ingested foreign bodies because it makes it possible to enlarge the field of view to the entire body, has higher sensitivity and specificity, and reduces the radiation dose by 65%.

Graph-Based Multi-Surface Segmentation of OCT Data Using Trained Hard and Soft Constraints

Optical coherence tomography (OCT) is a well-established image modality in ophthalmology and used daily in the clinic. Automatic evaluation of such datasets requires an accurate segmentation of the retinal cell layers. However, due to the naturally low signal to noise ratio and the resulting bad image quality, this task remains challenging. We propose an automatic graph-based multi-surface segmentation algorithm that internally uses soft constraints to add prior information from a learned model. This improves the accuracy of the segmentation and increase the robustness to noise. Furthermore, we show that the graph size can be greatly reduced by applying a smart segmentation scheme. This allows the segmentation to be computed in seconds instead of minutes, without deteriorating the segmentation accuracy, making it ideal for a clinical setup. An extensive evaluation on 20 OCT datasets of healthy eyes was performed and showed a mean unsigned segmentation error of 3.05 ±0.54 μm over all datasets when compared to the average observer, which is lower than the inter-observer variability. Similar performance was measured for the task of drusen segmentation, demonstrating the usefulness of using soft constraints as a tool to deal with pathologies.

Comparison of contrast-enhanced multi-station MR angiography and digital subtraction angiography of the lower extremity arterial disease

PURPOSE: To compare diagnostic accuracy of multi-station, high-spatial resolution contrast-enhanced MR angiography (CE-MRA) of the lower extremities with digital subtraction angiography (DSA) as the reference standard in patients with symptomatic peripheral arterial occlusive disease. MATERIALS AND METHODS: Of 485 consecutive patients undergoing a run-off CE-MRA, 152 patients (86 male, 66 female; mean age, 71.6 years) with suspected peripheral arterial occlusive disease were included into our Institutional Review Board approved study. All patients underwent MRA and DSA of the lower extremities within 30 days. MRA was performed at 1.5 Tesla with a single bolus of 0.1 mmol/kg body weight of gadobutrol administered at a rate of 2.0 mL/s at three stations. Two readers evaluated the MRA images independently for stenosis grade and image quality. Sensitivity and specificity were derived. RESULTS: Sensitivity and specificity ranged from 73% to 93% and 64% to 89% and were highest in the thigh area. Both readers showed comparable results. Evaluation of good and better quality MRAs resulted in a considerable improvement in diagnostic accuracy. CONCLUSION: Contrast-enhanced MRA demonstrates good sensitivity and specificity in the investigation of the vasculature of the lower extremities. While a minor investigator experience dependence remains, it is standardizable and shows good inter-observer agreement. Our results confirm that the administration of Gadobutrol at a standard dose of 0.1 mmol/kg for contrast-enhanced runoff MRA is able to detect hemodynamically relevant stenoses. Use of contrast-enhanced MRA as an alternative to intra-arterial DSA in the evaluation and therapeutic planning of patients with suspected peripheral arterial occlusive disease is well justified. J. Magn. Reson. Imaging 2013;37:1427-1435. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.