Solutions to common issues in widefield microscopy: vignetting, mosaicing and depth of focus

In this thesis we have developed solutions to common issues regarding widefield microscopes, facing the problem of the intensity inhomogeneity of an image and dealing with two strong limitations: the impossibility of acquiring either high detailed images representative of whole samples or deep 3D objects. First, we cope with the problem of the non-uniform distribution of the light signal inside a single image, named vignetting. In particular we proposed, for both light and fluorescent microscopy, non-parametric multi-image based methods, where the vignetting function is estimated directly from the sample without requiring any prior information. After getting flat-field corrected images, we studied how to fix the problem related to the limitation of the field of view of the camera, so to be able to acquire large areas at high magnification. To this purpose, we developed mosaicing techniques capable to work on-line. Starting from a set of overlapping images manually acquired, we validated a fast registration approach to accurately stitch together the images. Finally, we worked to virtually extend the field of view of the camera in the third dimension, with the purpose of reconstructing a single image completely in focus, stemming from objects having a relevant depth or being displaced in different focus planes. After studying the existing approaches for extending the depth of focus of the microscope, we proposed a general method that does not require any prior information. In order to compare the outcome of existing methods, different standard metrics are commonly used in literature. However, no metric is available to compare different methods in real cases. First, we validated a metric able to rank the methods as the Universal Quality Index does, but without needing any reference ground truth. Second, we proved that the approach we developed performs better in both synthetic and real cases.

Celle ad Ossidi Solidi per Elettrolisi ad Alta Temperatura

Lo scopo di questa tesi è stato la produzione di un elettrolizzatore ad ossidi solidi (SOEC) mediante tecniche economiche e facilmente industrializzabili. Fondamentale a questo scopo è stata la realizzazione di una semicella costituita da un anodo poroso a base di La0.8Sr0.2MnO3-Ce0.8Gd0.2O2-δ (LSM-GDC) ed un elettrolita denso a base di Ce0.8Gd0.2O2-δ (GDC). Le tecniche utilizzate per la produzione di questo sistema sono state il colaggio su nastro e la serigrafia. Anche se generalmente, le celle SOEC vengono prodotte catodo supportate, in questo studio, l’elemento supportante scelto è stato l’anodo poiché questo garantisce una migliore stabilità meccanica all’intera cella. Tale substrato è stato ottenuto mediante colaggio su nastro accoppiato con un metodo innovativo di sinterizzazione denominato sinterizzazione reattiva, processo che prevede la formazione della fase di interesse durante un unico trattamento termico di eliminazione degli additivi organici e consolidamento del manufatto finale. La membrana elettrolitica per l’ottenimento del bilayer anodo-elettrolita, è stata prodotta mediante sia serigrafia che colaggio su nastro. L’accurato studio dell’evoluzione di fase della polvere anodica, l’ottimizzazione della sospensione per colaggio su nastro e dei trattamenti termici hanno permesso l’ottenimento di anodi (fino a dimensioni di 10x10 cm2). Lo studio dei profili di sinterizzazione delle polveri anodica ed elettrolitica e dell’influenza della tecnica di formatura sulla sinterabilità dei layer elettrolitici prodotti hanno inoltre permesso l’ottenimento di una semicella planare costituita da un elettrodo poroso ed una membrana elettrolitica densa adatte per applicazioni SOEC.

Qualifica a Vibrazioni di Componenti Meccanici: Studio e Verifica di una Procedura di Test Tailoring.

I test di qualifica a vibrazioni vengono usati in fase di progettazione di un componente per verificarne la resistenza meccanica alle sollecitazioni dinamiche (di natura vibratoria) applicate durante la sua vita utile. La durata delle vibrazioni applicate al componente durante la sua vita utile (migliaia di ore) deve essere ridotta al fine di realizzare test fattibili in laboratorio, condotti in genere utilizzando uno shaker elettrodinamico. L’idea è quella di aumentare l’intensità delle vibrazioni riducendone la durata. Esistono diverse procedure di Test Tailoring che tramite un metodo di sintesi definiscono un profilo vibratorio da applicare in laboratorio a partire dalle reali vibrazioni applicate al componente: una delle metodologie più comuni si basa sull’equivalenza del danno a fatica prodotto dalle reali vibrazioni e dalle vibrazioni sintetizzate. Questo approccio è piuttosto diffuso tuttavia all’autore non risulta presente nessun riferimento in letteratura che ne certifichi la validità tramite evidenza sperimentalmente. L’obiettivo dell’attività di ricerca è stato di verificare la validità del metodo tramite una campagna sperimentale condotta su opportuni provini. Il metodo viene inizialmente usato per sintetizzare un profilo vibratorio (random stazionario) avente la stessa durata di un profilo vibratorio non stazionario acquisito in condizioni reali. Il danno a fatica prodotto dalla vibrazione sintetizzata è stato confrontato con quello della vibrazione reale in termini di tempo di rottura dei provini. I risultati mostrano che il danno prodotto dalla vibrazione sintetizzata è sovrastimato, quindi l’equivalenza non è rispettata. Sono stati individuati alcuni punti critici e sono state proposte alcune modifiche al metodo per rendere la teoria più robusta. Il metodo è stato verificato con altri test e i risultati confermano la validità del metodo a condizione che i punti critici individuati siano correttamente analizzati.

Environment of radio sources in the vla-cosmos survey

Sebbene studiati a fondo, i processi che hanno portato alla formazione ed alla evoluzione delle galassie così come sono osservate nell'Universo attuale non sono ancora del tutto compresi. La visione attuale della storia di formazione delle strutture prevede che il collasso gravitazionale, a partire dalle fluttuazioni di densità primordiali, porti all'innesco della formazione stellare; quindi che un qualche processo intervenga e la interrompa. Diversi studi vedono il principale responsabile di questa brusca interruzione della formazione stellare nei fenomeni di attività nucleare al centro delle galassie (Active Galactic Nuclei, AGN), capaci di fornire l'energia necessaria a impedire il collasso gravitazionale del gas e la formazione di nuove stelle. Uno dei segni della presenza di un tale fenomeno all'interno di una galassia e l'emissione radio dovuta ai fenomeni di accrescimento di gas su buco nero. In questo lavoro di tesi si è studiato l'ambiente delle radio sorgenti nel campo della survey VLA-COSMOS. Partendo da un campione di 1806 radio sorgenti e 1482993 galassie che non presentassero emissione radio, con redshift fotometrici e fotometria provenienti dalla survey COSMOS e dalla sua parte radio (VLA-COSMOS), si è stimata la ricchezza dell'ambiente attorno a ciascuna radio sorgente, contando il numero di galassie senza emissione radio presenti all'interno di un cilindro di raggio di base 1 Mpc e di altezza proporzionale all'errore sul redshift fotometrico di ciascuna radio sorgente, centrato su di essa. Al fine di stimare la significatività dei risultati si è creato un campione di controllo costituito da 1806 galassie che non presentassero emissione radio e si è stimato l'ambiente attorno a ciascuna di esse con lo stesso metodo usato per le radio sorgenti. I risultati mostrano che gli ammassi di galassie aventi al proprio centro una radio sorgente sono significativamente più ricchi di quelli con al proprio centro una galassia senza emissione radio. Tale differenza in ricchezza permane indipendentemente da selezioni basate sul redshift, la massa stellare e il tasso di formazione stellare specifica delle galassie del campione e mostra che gli ammassi di galassie con al proprio centro una radio sorgente dovuta a fenomeni di AGN sono significativamente più ricchi di ammassi con al proprio centro una galassia senza emissione radio. Questo effetto e più marcato per AGN di tipo FR I rispetto ad oggetti di tipo FR II, indicando una correlazione fra potenza dell'AGN e formazione delle strutture. Tali risultati gettano nuova luce sui meccanismi di formazione ed evoluzione delle galassie che prevedono una stretta correlazione tra fenomeni di AGN, formazione stellare ed interruzione della stessa.

Un modello multicriteriale di supporto alla pianificazione territoriale finalizzato alla classificazione del territorio rurale e alla caratterizzazione dell’Impronta Agro ambientale delle aree agricole periurbane.

La ricerca proposta si pone l’obiettivo di definire e sperimentare un metodo per un’articolata e sistematica lettura del territorio rurale, che, oltre ad ampliare la conoscenza del territorio, sia di supporto ai processi di pianificazione paesaggistici ed urbanistici e all’attuazione delle politiche agricole e di sviluppo rurale. Un’approfondita disamina dello stato dell’arte riguardante l’evoluzione del processo di urbanizzazione e le conseguenze dello stesso in Italia e in Europa, oltre che del quadro delle politiche territoriali locali nell’ambito del tema specifico dello spazio rurale e periurbano, hanno reso possibile, insieme a una dettagliata analisi delle principali metodologie di analisi territoriale presenti in letteratura, la determinazione del concept alla base della ricerca condotta. E’ stata sviluppata e testata una metodologia multicriteriale e multilivello per la lettura del territorio rurale sviluppata in ambiente GIS, che si avvale di algoritmi di clustering (quale l’algoritmo IsoCluster) e classificazione a massima verosimiglianza, focalizzando l’attenzione sugli spazi agricoli periurbani. Tale metodo si incentra sulla descrizione del territorio attraverso la lettura di diverse componenti dello stesso, quali quelle agro-ambientali e socio-economiche, ed opera una sintesi avvalendosi di una chiave interpretativa messa a punto allo scopo, l’Impronta Agroambientale (Agro-environmental Footprint - AEF), che si propone di quantificare il potenziale impatto degli spazi rurali sul sistema urbano. In particolare obiettivo di tale strumento è l’identificazione nel territorio extra-urbano di ambiti omogenei per caratteristiche attraverso una lettura del territorio a differenti scale (da quella territoriale a quella aziendale) al fine di giungere ad una sua classificazione e quindi alla definizione delle aree classificabili come “agricole periurbane”. La tesi propone la presentazione dell’architettura complessiva della metodologia e la descrizione dei livelli di analisi che la compongono oltre che la successiva sperimentazione e validazione della stessa attraverso un caso studio rappresentativo posto nella Pianura Padana (Italia).

Measurement of k(892)*0 resonance production in p-pb collisions with the alice experiment at the lhc

̀ qui presentato lo studio della produzione della risonanza K∗0 in collisioni p-Pb con l’esperimento ALICE presso LHC. L’elaborato si compone di una introduzione sulla natura del fenomeno studiato: la formazione del Quark Gluon Plasma (QGP), uno stato della materia fortemente interagente ad alte temperatura e densità d’energia. Vengono descritte le segnature studiate ai fini di identificare il suddetto fenomeno, riportando come esempio concreto i risultati sperimentali. Successivamente l’acceleratore di particelle, LHC, e l’esperimento, ALICE, vengono brevemente introdotti. Più in dettaglio ven- gono descritti i rivelatori di ALICE effettivamente usati per l’analisi, a cui sono dedicate sezioni approfondite. Viene infine introdotta l’analisi e le sue motivazioni. Il metodo utilizzato e lo studio degli errori da associare alla misura sono illustrati in ogni loro passo e supportati dai risultati ottenuti. La discussione finale dei risultati include il confronto con i risultati preceden- temente ottenuti da ALICE in collisioni pp e Pb-Pb e da altri esperimenti.

La narrazione spettacolare. Nuove forme dello storytelling: dai testi narrativi al teatro.

Il lavoro di tesi parte da un presupposto di osservazione empirica. Dopo aver rilevato la ricorrenza da parte di registi teatrali del panorama internazionale all’adattamento di testi non drammatici, ma narrativi per la scena, si è deciso di indagare come la natura narrativa dei testi di partenza si adatti, permanga o muti nel passaggio dal medium narrativo a quello spettacolare. La tesi si suddivide in tre parti. Nella parte intitolata “Della metodologia” (un capitolo), viene illustrato il metodo adottato per affrontare l’analisi degli spettacoli teatrali. Facendo riferimento alla disciplina semiotica teatrale, si è definito l’oggetto empirico di studio come testo spettacolare/performance text. La seconda parte della tesi, “Della comparazione dei modelli comunicativi”, (due capitoli), procede nella definizione: 1) dell’elemento teorico da indagare nei testi spettacolari, ovvero, la “narratività”; 2) dei modelli comunicativi della narrazione e dello spettacolo teatrale e delle loro intersezioni o differenze. Nella terza parte della tesi, “Della critica”, (due capitoli), vengono analizzate alcune delle opere del regista Jurij Ljubimov (Russia), Eimuntas Nekrošius (Lituania), Alvis Hermanis (Lettonia). La scelta è ricaduta sulle opere di questi registi in base a una considerazione: 1) culturale: si è deliberatamente circoscritta la sfera di indagine alla produzione teatrale russa e post-sovietica; 2) estetica: è stato osservato che la linea registica inaugurata da Jurij Ljubimov va permeando l’attività registica di registi più giovani come Nekrošius e Hermanis; 3) statistica: Ljubimov, Nekrošius, Hermanis hanno scelto di mettere in scena testi non drammatici con una elevata frequenza. La tesi è corredata da un’ampia appendice iconografica. Per l’analisi dei testi spettacolari si è fatto riferimento alla visione degli spettacoli in presa diretta in Italia e all’estero.

Study of the inter-annual variability of particle vertical fluxes in two moorings in the Ross Sea (Antarctica)

The most ocean - atmosphere exchanges take place in polar environments due to the low temperatures which favor the absorption processes of atmospheric gases, in particular CO2. For this reason, the alterations of biogeochemical cycles in these areas can have a strong impact on the global climate. With the aim of contributing to the definition of the mechanisms regulating the biogeochemical fluxes we have analyzed the particles collected in the Ross Sea in different years (ROSSMIZE, BIOSESO 1 and 2, ROAVERRS and ABIOCLEAR projects) in two sites (mooring A and B). So it has been developed a more efficient method to prepare sediment trap samples for the analyses. We have also processed satellite data of sea ice, chlorophyll a and diatoms concentration. At both sites, in each year considered, there was a high seasonal and inter-annual variability of biogeochemical fluxes closely correlated with sea ice cover and primary productivity. The comparison between the samples collected at mooring A and B in 2008 highlighted the main differences between these two sites. Particle fluxes at Mooring A, located in a polynia area, are higher than mooring B ones and they happen about a month before. In the mooring B area it has been possible to correlate the particles fluxes to the ice concentration anomalies and with the atmospheric changes in response to El Niño Southern Oscillations. In 1996 and 1999, years subjected to La Niña, the concentrations of sea ice in this area have been less than in 1998, year subjected to El Niño. Inverse correlation was found for 2005 and 2008. In the mooring A area significant differences in mass and biogenic fluxes during 2005 and 2008 has been recorded. This allowed to underline the high variability of lateral advection processes and to connect them to the physical forcing.

Manufacturing and characterization of amorphous silicon alloys passivation layers for silicon hetero-junction solar cells

Nel presente lavoro di tesi magistrale sono stati depositati e caratterizzati film sottili (circa 10 nm) di silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), studiando in particolare leghe a basso contenuto di ossigeno e carbonio. Tali layer andranno ad essere implementati come strati di passivazione per wafer di Si monocristallino in celle solari ad eterogiunzione HIT (heterojunctions with intrinsic thin layer), con le quali recentemente è stato raggiunto il record di efficienza pari a 24.7% . La deposizione è avvenuta mediante PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition). Tecniche di spettroscopia ottica, come FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) e SE (spettroscopic ellipsometry) sono state utilizzate per analizzare le configurazioni di legami eteronucleari (Si-H, Si-O, Si-C) e le proprietà strutturali dei film sottili: un nuovo metodo è stato implementato per calcolare i contenuti atomici di H, O e C da misure ottiche. In tal modo è stato possibile osservare come una bassa incorporazione (< 10%) di ossigeno e carbonio sia sufficiente ad aumentare la porosità ed il grado di disordine a lungo raggio del materiale: relativamente a quest’ultimo aspetto, è stata sviluppata una nuova tecnica per determinare dagli spettri ellisometrici l’energia di Urbach, che esprime la coda esponenziale interna al gap in semiconduttori amorfi e fornisce una stima degli stati elettronici in presenza di disordine reticolare. Nella seconda parte della tesi sono stati sviluppati esperimenti di annealing isocrono, in modo da studiare i processi di cristallizzazione e di effusione dell’idrogeno, correlandoli con la degradazione delle proprietà optoelettroniche. L’analisi dei differenti risultati ottenuti studiando queste particolari leghe (a-SiOx e a-SiCy) ha permesso di concludere che solo con una bassa percentuale di ossigeno o carbonio, i.e. < 3.5 %, è possibile migliorare la risposta termica dello specifico layer, ritardando i fenomeni di degradazione di circa 50°C.

Geometry of BV quantization and Mathai-Quillen formalism

Il formalismo Mathai-Quillen (MQ) è un metodo per costruire la classe di Thom di un fibrato vettoriale attraverso una forma differenziale di profilo Gaussiano. Lo scopo di questa tesi è quello di formulare una nuova rappresentazione della classe di Thom usando aspetti geometrici della quantizzazione Batalin-Vilkovisky (BV). Nella prima parte del lavoro vengono riassunti i formalismi BV e MQ entrambi nel caso finito dimensionale. Infine sfrutteremo la trasformata di Fourier “odd" considerando la forma MQ come una funzione definita su un opportuno spazio graduato.

CT perfusion image processing: analysis of liver tumors

Perfusion CT imaging of the liver has potential to improve evaluation of tumour angiogenesis. Quantitative parameters can be obtained applying mathematical models to Time Attenuation Curve (TAC). However, there are still some difficulties for an accurate quantification of perfusion parameters due, for example, to algorithms employed, to mathematical model, to patient’s weight and cardiac output and to the acquisition system. In this thesis, new parameters and alternative methodologies about liver perfusion CT are presented in order to investigate the cause of variability of this technique. Firstly analysis were made to assess the variability related to the mathematical model used to compute arterial Blood Flow (BFa) values. Results were obtained implementing algorithms based on “ maximum slope method” and “Dual input one compartment model” . Statistical analysis on simulated data demonstrated that the two methods are not interchangeable. Anyway slope method is always applicable in clinical context. Then variability related to TAC processing in the application of slope method is analyzed. Results compared with manual selection allow to identify the best automatic algorithm to compute BFa. The consistency of a Standardized Perfusion Index (SPV) was evaluated and a simplified calibration procedure was proposed. At the end the quantitative value of perfusion map was analyzed. ROI approach and map approach provide related values of BFa and this means that pixel by pixel algorithm give reliable quantitative results. Also in pixel by pixel approach slope method give better results. In conclusion the development of new automatic algorithms for a consistent computation of BFa and the analysis and definition of simplified technique to compute SPV parameter, represent an improvement in the field of liver perfusion CT analysis.

Ricostruzione di flussi veicolari su scala regionale: analisi dei dati disponibili

Si mostra l’evoluzione di un modello fisico-matematico atto alla ricostruzione dei fussi nell’intera regione Emilia Romagna partendo da due sorgenti di dati: dati sparsi con bassa risoluzione spaziale senza errore e dati distribuiti in tutta la regione con percentuale rispetto alla totalità di autoveicoli ignota. Si descrive l’elaborazione dei dati e l’evoluzione del modello nella sua storicità fino ad ottenere un buon risultato nella ricostruzione dei fussi. Inoltre si procede ad analizzare la natura dei dati e la natura del problema per ottenere una buona soluzione in grado di descrivere il sistema e per essere facilmente estesa ad altre regioni. Dopo aver definito un metodo di validazione si confrontano svariati risultati di modelli differenti mostrando un’evoluzione nella ricerca di un modello che risolva il problema con tempi computazionali accettabili in modo da ottenere un sistema real-time.

Ricostruzione di flussi veicolari su scala regionale: progettazione e implementazione di un modello

Si mostrano i passi seguiti nello sviluppo di un modello matematico e simulativo che mira a ricostruire il campo di flusso veicolare della rete stradale della regione Emilia Romagna. Si descrivono le fonti di dati utilizzate per la ricostruzione: dispositivi GPS a bassa capillarità e spire induttive su strada; si discute delle caratteristiche dei dati e dei problemi intrinseci e contingenti da cui sono affetti, nonché delle metodologie adottate nel tentativo di risolvere questi problemi. Si illustra l’idea centrale alla base delle ricostruzioni, e si descrive un criterio di validazione del modello. Si mostrano i risultati dei vari algoritmi ideati, ognuno affiancato dal parametro di validità, evidenziando quale metodo produca risultati migliori. Si conclude discutendo delle potenzialità del modello in termini di applicabilità in altre regioni o zone geografiche.

Studio della relazione tra concentrazione di ozono e temperatura dell'aria per l'elaborazione di scenari futuri

Questo lavoro nasce dall’intento di dare un’indicazione sul legame esistente tra la temperatura e la concentrazione di ozono. La correlazione, rintracciata sui dati osservati, è stata poi utilizzata allo scopo di elaborare proiezioni di evoluzioni future. Lo studio si è concentrato su un’area piuttosto ristretta della provincia di Parma, selezionata per la buona disponibilità di dati, sia di temperatura che di ozono, ma anche per la sua rappresentatività, dimostrata, delle caratteristiche dell’Emilia Romagna. Sulla base della scelta della stazione di misura di ozono sono state individuate tre località nelle vicinanze per avere dati di temperatura sia osservati sia provenienti da downscaling statistico. Proprio per quest’ultimo dataset sono stati elaborati scenari di temperatura per il periodo 2021-2050, rispetto al trentennio climatologico di riferimento 1961-1990, applicando il metodo di regionalizzazione statistica a cinque modelli globali. Le anomalie stagionali sono poi state date in ingresso a un generatore climatico in grado di produrre serie sintetiche giornaliere per il punto in esame. Un modello appositamente creato, ispirato al metodo di campionamento casuale stratificato, ha sfruttato sia queste informazioni sul futuro andamento della temperatura, sia la relazione trovata su dati osservati, per la costruzione di un set di concentrazioni di ozono previste per lo stesso trentennio futuro. Confrontando dal punto di vista statistico queste distribuzioni con quelle ricostruite per i periodi 1961-1990 e 2001-2012 si è valutato l’andamento della concentrazione di ozono. La conclusione più evidente a cui si giunge è la conferma del fatto che la situazione attuale dell’inquinamento da ozono nell’area di studio è decisamente più critica rispetto a quella che il modello ha ricostruito per il trentennio passato. La distribuzione dei valori di concentrazione di ozono degli ultimi dodici anni è invece molto più simile ormai al set di proiezioni previste per il futuro. Quello che potrà succedere a livello dell’inquinamento da ozono nel prossimo trentennio climatologico in Emilia Romagna dipende da quale modello si rivelerà più veritiero riguardo alla proiezione futura di temperatura: è infatti possibile che tutto rimanga molto simile alla situazione attuale o che si verificherà un ulteriore aumento, aggravando una situazione già critica.

Studio di fattibilità della produzione diretta di tc-99m mediante ciclotrone

Le caratteristiche del 99mTc e la possibilità per gli ospedali di produrlo in loco quotidianamente grazie ai generatori, hanno reso questo radioisotopo il più utilizzato della fisica medica: è richiesto in circa l’80% delle procedure di medicina nucleare con circa 7 milioni di somministrazioni all’anno in Europa e 8 milioni negli USA. Inoltre il campo di applicabilità del 99mTc è molto vasto: viene infatti utilizzato per scintigrafie ossee, epatiche, renali, celebrali, tiroidee e per il controllo della funzionalità epatica. A causa del notevole incremento dell’insorgenza di patologie oncologiche e dell’aumento della popolazione, la richiesta di 99mTc è sempre cresciuta negli anni ed è ancora destinata a crescere nei prossimi; l’unico fattore attenuante è lo sviluppo di altre tecniche di diagnostica funzionale come la PET ( Positron Emission Tomography ). Nonostante la creazione del 99mTc da generatori di 99Mo sia ancora oggi il metodo di produzione più efficiente, si sta ponendo recentemente la necessità di ricercare nuove tecniche di produzione dell’isotopo per soddisfare le grandi quantità richieste dal mercato globale. Questo accade perché malgrado l’utilizzo del 99mTc sia in forte crescita, la produzione di 99Mo è destinata a diminuire in quanto necessita di reattori nucleari: gli ingenti costi delle moderne centrali e le elevate quantità di scorie prodotte, stanno guidando la politica mondiale verso una denuclearizzazione che renderà in pochi anni impossibile soddisfare la richiesta di 99Mo della medicina nucleare. Questo lavoro di tesi si colloca in questo contesto, cioè nella ricerca di un metodo alternativo per la produzione di 99mTc: l’irraggiamento con protoni di un target di 100Mo arricchito, in un ciclotrone ad uso medicale. L’obbiettivo che si vuole raggiungere è fornire una stima attendibile su tale produzione, valutare la qualità dell’isotopo e mettere in luce eventuali problematiche riscontrabili.