Progettazione e sviluppo di un collimatore multi-slit per un sistema tomografico cone-beam con raggi X di alta energia

L'obiettivo di questo lavoro di tesi consiste nel progettare, realizzare e testare due collimatori multi-slit da applicare ad un sistema tomografico a raggi X con geometria cone-beam, caratterizzato da un voltaggio massimo di 320 kV. I collimatori che verranno realizzati sono un pre-collimatore e un post-collimatore entrambi multi-slit. Il fine ultimo è quello di riuscire ad avere un sistema di collimazione che permetta attraverso due sole tomografie di ottenere la ricostruzione dell'intero campione. L'abbattimento del tempo necessario per eseguire l'analisi costituisce il target su cui si basa questa tesi. Successivamente sulle immagini prodotte mediante questo nuovo sistema di collimazione saranno condotte delle specifiche analisi e i risultati saranno confrontati con quelli ottenuti mediante un sistema di collimazione a singola fenditura, anch'esso progettato in questa tesi e appositamente realizzato.

Il metodo del beam-forming acustico

Nel corso di questa tesi si svilupperà il metodo del Beam-forming acustico, uno dei più semplici algoritmi di elaborazione segnale che permette di isolare spazialmente un suono proveniente da una precisa direzione decisa da noi, creando quindi un microfono super-direzionale orientabile a partire da un array microfonico di caratteristiche note. Inoltre si implementerà in modo pratico l'algoritmo per descrivere il livello sonoro emesso da ogni punto di una sorgente sonora estesa in modo da mappare l'intensità di quest'ultima in un'immagine 2D da sovrapporre all'immagine stessa dell'oggetto. Volendo schematizzare in breve questa tesi, essa è composta da una prima parte teorica contenente gli argomenti che ci servono per descrivere lo spazio acustico e le onde acustiche, una seconda parte riguardante i microfoni e i suoi vari parametri, una terza parte riguardante la teoria sull'elaborazione segnale nel dominio del tempo e delle frequenze e in particolare cenni sulla trasformata di Fourier. Nella parte successiva verranno descritti i due principali metodi di Beam-forming acustico trattando sia gli apparati di misura sia i due algoritmi, facendo sempre riferimento alle parti di teoria necessarie alla spiegazione del metodo. Infine nell'ultima parte della tesi verrà discusso in primo luogo la creazione del microfono virtuale, in particolare parleremo della sua sensibilità in funzione della direzione avvalendoci di uno schema che in letteratura viene denominato Beam-pattern, in secondo luogo parleremo di come creare la mappa 2D dove effettivamente possiamo vedere l'intensità sonora dell'onda proveniente da ogni punto dell'oggetto preso in considerazione.

Sviluppo di un metodo di radioterapia adattativa tramite immagini portali e Cone-Beam CT

Il presente lavoro, svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria dell’Azienda Ospedaliera Universitaria di Parma, consiste nello sviluppo di un metodo innovativo di radioterapia adattativa. Il metodo è stato applicato a pazienti affetti da varie patologie, trattati con tecnica VMAT, (Volumetric Modulated Arc Therapy), altamente conformata al target. Il metodo sviluppato si compone di due fasi: nella prima fase vengono effettuate due analisi su immagini portali, di ricostruzione della dose all'isocentro e l'analisi gamma 2D. Se almeno una di queste fallisce, si interviene con la seconda fase, che vede l'acquisizione della CBCT del paziente e la taratura in densità elettronica della stessa. Si calcola dunque il piano su CBCT, previa operazione di contouring da parte del medico e, infine, si esegue l'analisi gamma 3D sulle matrici di dose calcolate sulla CT e sulla CBCT del paziente, quantificando gli indici gamma sulle strutture PTV, CTV e OAR di interesse clinico. In base ai risultati, se necessario, si può intervenire sul piano di trattamento. Le analisi gamma 2D e 3D sono state svolte avvalendosi di un software toolkit chiamato GADD-23 (Gamma Analysis on 2D and 3D Dose Distributions) implementato e sviluppato appositamente in ambiente Matlab per questo lavoro di tesi; in particolare, la realizzazione di GADD-23 è stata resa possibile grazie all'interazione con due software di tipo open-source, Elastix e CERR, specifici per l’elaborazione e la registrazione di immagini mediche. I risultati ottenuti mostrano come il metodo sviluppato sia in grado di mettere in luce cambiamenti anatomici che alcuni pazienti hanno subìto, di tipo sistematico, in cui è possibile prendere in considerazione una ripianificazione del trattamento per correggerli, o di tipo casuale, sui quali può essere utile condurre l'attenzione del medico radioterapista, sebbene non sia necessario un replanning.

Beam Halo Monitor: il nuovo rivelatore di alone del fascio per l'esperimento CMS a LHC

In questa tesi sono le descritte le fasi progettuali e costruttive del Beam Halo Monitor (BHM), un rivelatore installato sull'esperimento CMS, durante il primo lungo periodo di shutdown di LHC, che ha avuto luogo tra il 2013 ed il 2015. BHM è un rivelatore ad emissione di luce Cherenkov ed ha lo scopo di monitorare le particelle di alone prodotte dai fasci di LHC, che arrivano fino alla caverna sperimentale di CMS, ad ogni bunch crossing (25 ns). E' composto da 40 moduli, installati alle due estremità di CMS, attorno alla linea di fascio, ad una distanza di 1.8 m da questa. Ciascun modulo è costituito da un cristallo di quarzo, utilizzato come radiatore ed un fotomoltiplicatore. Sono descritte in maniera particolare le prove eseguite sui moduli che lo compongono: la caratterizzazione dei fotomoltiplicatori ed i test di direzionalità della risposta. Queste costituiscono la parte di lavoro che ho svolto personalmente. Inoltre sono descritte le fasi di installazione del rivelatore nella caverna sperimentale, a cui ho preso parte ed alcuni test preliminari per la verifica del funzionamento.

Surface cloud radiative forcing from broadband radiation measurements on the Antarctic plateau

Surface based measurements systems play a key role in defining the ground truth for climate modeling and satellite product validation. The Italian-French station of Concordia is operative year round since 2005 at Dome C (75°S, 123°E, 3230 m) on the East Antarctic Plateau. A Baseline Surface Radiation Network (BSRN) site was deployed and became operational since January 2006 to measure downwelling components of the radiation budget, and successively was expanded in April 2007 to measure upwelling radiation. Hence, almost a decade of measurement is now available and suitable to define a statistically significant climatology for the radiation budget of Concordia including eventual trends, by specifically assessing the effects of clouds and water vapor on SW and LW net radiation. A well known and robust clear sky-id algorithm (Long and Ackerman, 2000) has been operationally applied on downwelling SW components to identify cloud free events and to fit a parametric equation to determine clear-sky reference along the Antarctic daylight periods (September to April). A new model for surface broadband albedo has been developed in order to better describe the features the area. Then, a novel clear-sky LW parametrization, based on a-priori assumption about inversion layer structure, combined with daily and annual oscillations of the surface temperature, have been adopted and validated. The longwave based method is successively exploited to extend cloud radiative forcing studies to nighttime period (winter). Results indicated inter-annual and intra-annual warming behaviour, i.e. 13.70 W/m2 on the average, specifically approaching neutral effect in summer, when SW CRF compensates LW CRF, and warming along the rest of the year due prevalentely to CRF induced on the LW component.

Set up of a procedure for correlation analysis between current discharge and dose delivery in a pulsed power plasma device for medical application

This thesis work aims to find a procedure for isolating specific features of the current signal from a plasma focus for medical applications. The structure of the current signal inside a plasma focus is exclusive of this class of machines and a specific analysis procedure has to be developed. The hope is to find one or more features that shows a correlation with the dose erogated. The study of the correlation between the current discharge signal and the dose delivered by a plasma focus could be of some importance not only for the practical application of dose prediction but also for expanding the knowledge anbout the plasma focus physics. Vatious classes of time-frequency analysis tecniques are implemented in order to solve the problem.

Optimal sites for orthodontic mini-implant placement assessed by cone beam computed tomography

OBJECTIVES: To determine (1) the optimal sites for mini-implant placement in the maxilla and the mandible based on dimensional mapping of the interradicular spaces and cortical bone thickness and (2) The effect of age and sex on the studied anatomic measurements. MATERIAL AND METHODS: The cone beam computed tomography images of 100 patients (46 males, 54 females) divided into two age groups (13-18 years), and (19-27 years) were used. The following interradicular measurements were performed: (1) Buccolingual bone thickness; (2) Mesiodistal spaces both buccally and palatally/lingually; and (3) Buccal and palatal/lingual cortical thicknesses. RESULTS: In the maxilla, the highest buccolingual thickness existed between first and second molars; the highest mesiodistal buccal/palatal distances were between the second premolar and the first molar. The highest buccal cortical thickness was between the first and second premolars. The highest palatal cortical thickness was between central and lateral incisors. In the mandible, the highest buccolingual and buccal cortical thicknesses were between the first and second molars. The highest mesiodistal buccal distance was between the second premolar and the first molar. The highest mesiodistal lingual distance was between the first and second premolars. The highest lingual cortical thickness was between the canine and the first premolar. The males and the older age group had significantly higher buccolingual, buccal, and palatal cortical thicknesses at specific sites and levels in the maxilla and the mandible. CONCLUSIONS: A clinical guideline for optimal sites for mini-implant placement is suggested. Sex and age affected the anatomic measurements in certain areas in the maxilla and the mandible.

Morphology of the nasopalatine canal and dental implant surgery: a radiographic analysis of 100 consecutive patients using limited cone-beam computed tomography

To analyze the dimensions and anatomic characteristics of the nasopalatine canal and the corresponding buccal bone plate of the alveolar process, using limited cone-beam computed tomography (CBCT) imaging.

Cardiovascular changes after PMMA vertebroplasty in sheep: the effect of bone marrow removal using pulsed jet-lavage

Clinically, the displacement of intravertebral fat into the circulation during vertebroplasty is reported to lead to problems in elderly patients and can represent a serious complication, especially when multiple levels have to be treated. An in vitro study has shown the feasibility of removing intravertebral fat by pulsed jet-lavage prior to vertebroplasty, potentially reducing the embolization of bone marrow fat from the vertebral bodies and alleviating the cardiovascular changes elicited by pulmonary fat embolism. In this in vivo study, percutaneous vertebroplasty using polymethylmethacrylate (PMMA) was performed in three lumbar vertebrae of 11 sheep. In six sheep (lavage group), pulsed jet-lavage was performed prior to injection of PMMA compared to the control group of five sheep receiving only PMMA vertebroplasty. Invasive recording of blood pressures was performed continuously until 60 min after the last injection. Cardiac output and arterial blood gas parameters were measured at selected time points. Post mortem, the injected cement volume was measured using CT and lung biopsies were processed for assessment of intravascular fat. Pulsed jet-lavage was feasible in the in vivo setting. In the control group, the injection of PMMA resulted in pulmonary fat embolism and a sudden and significant increase in mean pulmonary arterial pressure. Pulsed jet-lavage prevented any cardiovascular changes and significantly reduced the severity of bone marrow fat embolization. Even though significantly more cement had been injected into the lavaged vertebral bodies, significantly fewer intravascular fat emboli were identified in the lung tissue. Pulsed jet-lavage prevented the cardiovascular complications after PMMA vertebroplasty in sheep and alleviated the severity of pulmonary fat embolism.

Whole brain radiotherapy with a conformational external beam radiation boost for lung cancer patients with 1-3 brain metastasis: a multi institutional study

To determine the outcome of patients with brain metastasis (BM) from lung cancer treated with an external beam radiotherapy boost (RTB) after whole brain radiotherapy (WBRT).

Assessment of right ventricular systolic function: Comparison between cardiac magnetic resonance derived ejection fraction and pulsed-wave tissue Doppler imaging of the tricuspid annulus

Systolic right ventricular (RV) function is an important predictor in the course of various congenital and acquired heart diseases. Its practical determination by echocardiography remains challenging. We compared routine assessment of lateral tricuspid annular systolic motion velocity (TV(lat), cm/s) using pulsed-wave tissue Doppler imaging from the apical 4-chamber view with cardiac magnetic resonance (CMR) as reference method.

Effect of beam hardening on arterial enhancement in thoracoabdominal CT angiography with increasing patient size: an in vitro and in vivo study

To assess the effect of beam hardening on arterial enhancement in thoracoabdominal computed tomographic (CT) angiography in various body sizes in a phantom and in a clinical study.

Incidental maxillary sinus findings in orthodontic patients: a radiographic analysis using cone-beam computed tomography (CBCT)

To determine the frequency of incidental maxillary sinus findings using cone-beam computed tomography (CBCT) images made for orthodontic purposes.