Mammografia digitale: confronto tra qualità immagine in relazione alle curve di acquisizione dosimetriche

Il presente lavoro è stato svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria dell’Azienda USL della Romagna, Presidio Ospedaliero di Ravenna e consiste nella validazione del dato dosimetrico visualizzato su due apparecchiature per mammografia digitale e nel confronto tra qualità immagine di diverse curve di acquisizione in funzione della dose e della post-elaborazione. Presupposto per l’acquisizione delle immagini è stata la validazione del dato dosimetrico visualizzato sui mammografi, tramite misura diretta della dose in ingresso con strumentazione idonea, secondo protocolli standard e linee guida europee. A seguire, sono state effettuate prove di acquisizione delle immagini radiografiche su due diversi fantocci, contenenti inserti a diverso contrasto e risoluzione, ottenute in corrispondenza di tre curve dosimetriche e in funzione dei due livelli di post-elaborazione delle immagini grezze. Una volta verificati i vari passaggi si è proceduto con l’analisi qualitativa e quantitativa sulle immagini prodotte: la prima valutazione è stata eseguita su monitor di refertazione mammografica, mentre la seconda è stata effettuata calcolando il contrasto in relazione alla dose ghiandolare media. In particolare è stato studiato l’andamento del contrasto cambiando le modalità del software Premium View e lo spessore interposto tra la sorgente di raggi X ed il fantoccio, in modo da simulare mammelle con grandezze differenti.

Approcci innovativi per future simulazioni HPC verso l'exascale computing con applicazioni alla fisica dei materiali

In questo lavoro di tesi sono state evidenziate alcune problematiche relative alle macchine exascale (sistemi che sviluppano un exaflops di Potenza di calcolo) e all'evoluzione dei software che saranno eseguiti su questi sistemi, prendendo in esame principalmente la necessità del loro sviluppo, in quanto indispensabili per lo studio di problemi scientifici e tecnologici di più grandi dimensioni, con particolare attenzione alla Material Science, che è uno dei campi che ha avuto maggiori sviluppi grazie all'utilizzo di supercomputer, ed ad uno dei codici HPC più utilizzati in questo contesto: Quantum ESPRESSO. Dal punto di vista del software sono state presentate le prime misure di efficienza energetica su architettura ibrida grazie al prototipo di cluster EURORA sul software Quantum ESPRESSO. Queste misure sono le prime ad essere state pubblicate nel contesto software per la Material Science e serviranno come baseline per future ottimizzazioni basate sull'efficienza energetica. Nelle macchine exascale infatti uno dei requisiti per l'accesso sarà la capacità di essere energeticamente efficiente, così come oggi è un requisito la scalabilità del codice. Un altro aspetto molto importante, riguardante le macchine exascale, è la riduzione del numero di comunicazioni che riduce il costo energetico dell'algoritmo parallelo, poiché in questi nuovi sistemi costerà di più, da un punto di vista energetico, spostare i dati che calcolarli. Per tale motivo in questo lavoro sono state esposte una strategia, e la relativa implementazione, per aumentare la località dei dati in uno degli algoritmi più dispendiosi, dal punto di vista computazionale, in Quantum ESPRESSO: Fast Fourier Transform (FFT). Per portare i software attuali su una macchina exascale bisogna iniziare a testare la robustezza di tali software e i loro workflow su test case che stressino al massimo le macchine attualmente a disposizione. In questa tesi per testare il flusso di lavoro di Quantum ESPRESSO e WanT, un software per calcolo di trasporto, è stato caratterizzato un sistema scientificamente rilevante costituito da un cristallo di PDI - FCN2 che viene utilizzato per la costruzione di transistor organici OFET. Infine è stato simulato un dispositivo ideale costituito da due elettrodi in oro con al centro una singola molecola organica.

Teoria dei giochi ed evoluzione La selezione naturale

La tesi fornisce una chiave di lettura del rapporto che si instaura tra la biologia e la matematica, nello specificio nell'analisi della Teoria dell'Evoluzione proposta da Charles Darwin e del processo di Selezione Naturale attraverso l'utilizzo di modelli matematici forniti dalla Teoria dei giochi e la Teoria dei giochi Evolutivi.

Cyclotron production of 11^C: experimental assessment of saturation yield and validation with Monte Carlo simulation

Nell'ambito della Fisica Medica, le simulazioni Monte Carlo sono uno strumento sempre più diffuso grazie alla potenza di calcolo dei moderni calcolatori, sia nell'ambito diagnostico sia in terapia. Attualmente sono disponibili numerosi pacchetti di simulazione Monte Carlo di carattere "general purpose", tra cui Geant4. Questo lavoro di tesi, svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico "S.Orsola-Malpighi", è basato sulla realizzazione, utilizzando Geant4, di un modello Monte Carlo del target del ciclotrone GE-PETtrace per la produzione di C-11. Nel modello sono stati simulati i principali elementi caratterizzanti il target ed il fascio di protoni accelerato dal ciclotrone. Per la validazione del modello sono stati valutati diversi parametri fisici, tra i quali il range medio dei protoni nell'azoto ad alta pressione e la posizione del picco di Bragg, confrontando i risultati con quelli forniti da SRIM. La resa a saturazione relativa alla produzione di C-11 è stata confrontata sia con i valori forniti dal database della IAEA sia con i dati sperimentali a nostra disposizione. Il modello è stato anche utilizzato per la stima di alcuni parametri di interesse, legati, in particolare, al deterioramento dell'efficienza del target nel corso del tempo. L'inclinazione del target, rispetto alla direzione del fascio di protoni accelerati, è influenzata dal peso del corpo del target stesso e dalla posizione in cui questo é fissato al ciclotrone. Per questo sono stati misurati sia il calo della resa della produzione di C-11, sia la percentuale di energia depositata dal fascio sulla superficie interna del target durante l'irraggiamento, al variare dell'angolo di inclinazione del target. Il modello che abbiamo sviluppato rappresenta, dunque, un importante strumento per la valutazione dei processi che avvengono durante l'irraggiamento, per la stima delle performance del target nel corso del tempo e per lo sviluppo di nuovi modelli di target.

La risposta cellulare ai diversi tipi di radiazione tramite espressione genica e radiobiologia sistemica

Questo progetto ha confrontato gli effetti indotti da diversi tipi di radiazioni, diversa intensità delle dosi, diverso rateo di dose su sistemi cellulari differenti. In particolare sono stati seguiti due studi differenti, finalizzati all’indagine degli effetti e dei meccanismi indotti da trattamenti radioterapici su cellule in coltura. Nel primo studio -EXCALIBUR- sono stati investigati i meccanismi di induzione e trasmissione del danno a basse dosi di radiazioni, in funzione della qualità della radiazione (raggi gamma e protoni) e della dose. Cellule di glioblastoma umano (T98G) sono state irraggiate con raggi gamma e protoni a due diverse dosi (0,25 Gy e 2 Gy); in questo studio è stata valutata e analizzata la variazione di espressione genica rilevata utilizzando la tecnologia dei microarray. Per mezzo dell’analisi statistica, con due software diversi, si è osservato come nelle cellule irraggiate si attivino i geni legati alla senescenza cellulare; questo risultato è significativo, visto che potrebbe rappresentare una prospettiva terapeutica interessante per molte neoplasie. Il secondo studio –Plasma Focus- ha lo scopo di ampliare le applicazioni nel settore medicale di una sorgente radiante che produce raggi X ad altissimo rateo di dose (plasma focus). In questo studio, l’attenzione è stata posta sulla preparazione dei campioni biologici per l’irraggiamento. Cellule di adenocarcinoma mammario (MCF7) sono state coltivate in laboratorio e posizionate all’interno di appositi portacampioni pronte per essere irraggiate con raggi X ad alto e a basso rateo di dose. Per mezzo della microscopia ottica e della citometria a flusso in fluorescenza, si è osservato come un rateo di dose elevato provochi danni cellulari superiori. L’analisi quantitativa ha mostrato che, nelle cellule trattate con il plasma focus, il 18% risulti danneggiato rispetto al 7% delle cellule di controllo; con i raggi X convenzionali risulta danneggiato l'8% di cellule, rispetto al 3% delle cellule di controllo.

Parallelizzazione e rinormalizzazione numerica

I processori multi core stanno cambiando lo sviluppo dei software in tutti i settori dell'informatica poiché offrono prestazioni più elevate con un consumo energetico più basso. Abbiamo quindi la possibilità di una computazione realmente parallela, distribuita tra i diversi core del processore. Uno standard per la programmazione multithreading è sicuramente OpenMP, il quale si propone di fornire direttive semplici e chiare per lo sviluppo di programmi su sistemi a memoria condivisa, fornendo un controllo completo sulla parallelizzazione. Nella fisica moderna spesso vengono utilizzate simulazioni al computer di sistemi con alti livelli di complessità computazionale. Si ottimizzerà un software che utilizza l'algoritmo DMRG (Density Matrix Renormalization Group), un algoritmo che consente di studiare reticoli lineari di sistemi a molti corpi, al fine di renderlo più veloce nei calcoli cercando di sfruttare al meglio i core del processore. Per fare ciò verrà utilizzata l'API OpenMP, che ci permetterà in modo poco invasivo di parallelizzare l'algoritmo rendendo così più veloce l'esecuzione su architetture multi core.

Valutazione di un sistema di recupero di immagini dermatologiche

Questa tesi si inserisce in un progetto di ricerca fra il gruppo di Matematica della Visione del Prof. Ferri e CA-MI S.r.l. volto a progettare un sistema di recupero di immagini mediante il quale un dermatologo potrà acquisire l’immagine di una lesione e recuperare da un database classificato le immagini più somiglianti. Il concetto stesso di “somiglianza” è formalmente realizzato da una parte dell’omologia persistente (funzioni di taglia). Questa tesi utilizza tali metodi al fine di ottenere una combinazione ottimale dei diversi classificatori che si ottengono utilizzando la modularità intrinseca nella teoria. A questo scopo vengono impiegati due modelli e diversi metodi numerici.

Relazione tra scavi in sotterraneo e deformazioni di versante in terreni argillosi

Lo scavo di un tunnel in ammassi rocciosi comporta una ridistribuzione degli stress nell’intorno del foro e induce spesso deformazioni della superficie che si traducono frequentemente in movimenti verticali verso il basso. In letteratura esistono soluzioni analitiche in grado di quantificare gli stress e la subsidenza indotti da uno scavo in sotterraneo. Tali soluzioni funzionano però solo per semplici casi. Al fine di valutare i risultati delle soluzioni analitiche e poter considerare modelli di materiale che si avvicinano maggiormente al comportamento reale del terreno, gli stress e le deformazioni indotte vengono spesso analizzati attraverso modellazioni numeriche. Tali modellazioni vengono svolte di norma tramite l’utilizzo di codici numerici bidimensionali alle differenze finite o agli elementi finiti. L’utilità di un approccio modellistico è particolarmente evidente nel caso dello studio degli spostamenti indotti in un versante dallo scavo di un tunnel. In questi casi le analisi numeriche mostrano che se si considera un versante ideale costituito da materiale elastico, lo scavo provoca spostamenti che tendono a convergere verso il tunnel. Se si considera invece un versante costituito da materiale elasto-plastico, lo scavo, in alcuni casi, può causare uno spostamento verso valle e verso il basso dell’intero versante. Si è voluto quindi indagare il complesso rapporto tra scavo e deformazioni utilizzando un approccio modellistico. A tale scopo è stato condotto uno studio sul tipo di deformazioni che avvengono in un versante teorico, interessato da scavo, a partire da differenti condizioni di stabilità iniziale e considerando tunnel di diverse dimensioni e contropressioni. I versanti considerati nelle modellazioni riproducono le condizioni tipiche dei versanti appenninici argillosi, caratterizzati da basso angolo di attrito interno, geometrie relativamente poco inclinate e coesione fortemente variabile. I risultati ottenuti sono stati successivamente testati analizzando un caso reale di interazione scavo-deformazione relativo a un versante appenninico costituito da Argille a Palombini.

Analisi di facies e stratigrafia dei depositi tardo-quaternari della Pianura Padana centrale

La ricostruzione dettagliata dell’architettura stratigrafica e delle facies delle successioni tardo-quaternarie sepolte al di sotto delle pianure alluvionali moderne sta assumendo un’importanza crescente come strumento per le ricostruzioni paleoambientali e paleoclimatiche e per la correlazione dei sistemi deposizionali continentali e costieri, finalizzata alla caratterizzazione geometrica di corpi sedimentari che rappresentano potenziali serbatoi. Un impulso significativo verso la caratterizzazione dell’architettura stratigrafica dei depositi tardo-quaternari del Bacino Padano è stato fornito, negli ultimi quindici anni, da un’intensa campagna di perforazioni operata dal Servizio Geologico, Sismico e dei Suoli di Regione Emilia-Romagna, nell’ambito della realizzazione della Carta geologica d’Italia in scala 1:50.000. Tuttavia, per ottenere un numero sufficiente di informazioni stratigrafiche è necessario un dataset molto esteso e le perforazioni (sondaggi a carotaggio continuo) presentano costi estremamente elevati. I limiti operativi delle descrizioni dei sondaggi a carotaggio continuo possono essere superati utilizzando metodi indiretti che si basano sullo sfruttamento delle proprietà geotecniche dei depositi tardo-quaternari. In questo lavoro di tesi l’analisi delle caratteristiche geotecniche delle prove CPTU è stata sfruttata per caratterizzare le associazioni di facies della Pianura Padana centrale. Una dettagliata analisi dei log stratigrafici e, in particolare, delle curve di resistenza delle prove CPTU inserite nelle sezioni, la costruzione di sezioni stratigrafiche e un meticoloso lavoro di correlazione basato su 19 datazioni radiometriche, ha rivelato una serie di paleosuoli (inceptisuoli) impilati nei 50-60 m più superficiali della successione tardo-quaternaria della Pianura Padana centrale; questi paleosuoli rappresentano l’unico marker stratigrafico all’interno di una successione costituita prevalentemente da depositi argillosi uniformi. L’analisi delle caratteristiche geotecniche di alcuni paleosuoli e dei loro rapporti con la channel belt del Fiume Po risulta fondamentale per comprendere l’evoluzione recente del Bacino Padano e le caratteristiche geometriche dei corpi sedimentari finalizzata allo sfruttamento di potenziali risorse fluide sotterranee.

Provenienza del materiale parentale e qualità dei suoli della Pianura Padana centrale

Questo lavoro cerca di identificare elementi che confermino una provenienza univoca del sedimento della Pianura Padana centrale e di verificarne la qualità tramite analisi

La programmazione lineare intera e i suoi sviluppi

La tesi si occupa della programmazione lineare in particolare nel caso in cui le variabili coinvolte o alcune di esse sono obbligate ad assumere valori interi.

Petrografia e geochimica delle vulcaniti del Monte dei Porri di Salina (Isole Eolie)

E’ stata indagata dal punto di vista stratigrafico, geochimico e petrografico la successione di vulcaniti appartenenti alle formazioni Rocce di Barcone (Tufi Grigi dei Porri o Grey Porri Tuffs – GPT), Punta Sallustro, Punta di Megna e Serro dello Sciarato (Lucchi et al., 2013a, b), riferibili all’Epoca Eruttiva 5 (~70 - 57 ka) dell’evoluzione vulcanologica dell’isola Salina (isole Eolie), durante la quale si realizza l’edificazione della porzione medio-basale dello stratocono del Monte dei Porri. Attraverso un approccio basato sull’integrazione e correlazione di metodologie stratigrafiche, petrografiche e geochimiche si è giunti ad una ricostruzione dei meccanismi eruttivi, deposizionali e petrogenetici che sottendono la successione di eventi vulcanici responsabili dell’edificazione dello stratocono suddetto. Utilizzando l’analisi di litofacies si è giunti, anche attraverso le correlazioni stratigrafiche estese sull’isola di Lipari, alla definizione di cinque unità eruttive (EU1-EU5), rappresentanti il riferimento stratigrafico per la campionatura necessaria per caratterizzarle sia petrograficamente che geochimicamente. Il significato vulcanologico delle EU1-5 ha permesso di evidenziare che il Monte dei Porri è costituito, in larga parte, da un’articolata alternanza di depositi da caduta e da correnti piroclastiche (formati sia da pomici che da scorie), alla quale si intercalano colate laviche; all’interno dell’unità i prodotti analizzati evidenziano composizione dei magmi da trachi-dacitica (EU1), a basaltica e andesitico basaltica (EU2), a francamente andesitico basaltica (EU3); quest’ultima composizione caratterizza la EU4 (che evolve anche verso termini andesitici), e la EU5. In conclusione, l’integrazione di tutti i dati (stratigrafici, petrografici e geochimici) permette di affermare che l’attività vulcanica responsabile della messa in posto delle EU1-5 cominci con una fase di apertura del condotto eruttivo (fase esplosiva pliniana) accompagnata dall’emissione dei magmi più evoluti (EU1), residenti al top di una camera magmatica zonata. Ad essa presumibilmente segue il coinvolgimento dei livelli più profondi del reservoir magmatico dove risiedono i magmi più mafici (EU2 e EU3). La ripresa dell’attività vulcanica (dopo una stasi durante il quale i magmi mafici evolvono verso composizioni mediamente evolute) vede infatti l’emissione di prodotti andesitici (EU4) seguita da magmi meno evoluti (EU5) che porta ad un progressivo svuotamento del sistema.

Laplace operator on finite graphs and a network diffusion model for the progression of the Alzheimer disease

Nella tesi viene descritto il Network Diffusion Model, ovvero il modello di A. Ray, A. Kuceyeski, M. Weiner inerente i meccanismi di progressione della demenza senile. In tale modello si approssima l'encefalo sano con una rete cerebrale (ovvero un grafo pesato), si identifica un generale fattore di malattia e se ne analizza la propagazione che avviene secondo meccanismi analoghi a quelli di un'infezione da prioni. La progressione del fattore di malattia e le conseguenze macroscopiche di tale processo(tra cui principalmente l'atrofia corticale) vengono, poi, descritte mediante approccio matematico. I risultati teoretici vengono confrontati con quanto osservato sperimentalmente in pazienti affetti da demenza senile. Nella tesi, inoltre, si fornisce una panoramica sui recenti studi inerenti i processi neurodegenerativi e si costruisce il contesto matematico di riferimento del modello preso in esame. Si presenta una panoramica sui grafi finiti, si introduce l'operatore di Laplace sui grafi e si forniscono stime dall'alto e dal basso per gli autovalori. Al fine di costruire una cornice matematica completa si analizza la relazione tra caso discreto e continuo: viene descritto l'operatore di Laplace-Beltrami sulle varietà riemanniane compatte e vengono fornite stime dall'alto per gli autovalori dell'operatore di Laplace-Beltrami associato a tali varietà a partire dalle stime dall'alto per gli autovalori del laplaciano sui grafi finiti.

Algoritmi per la stima del rumore nella ricostruzione di immagini

In questa tesi viene analizzato un metodo di regolarizzazione nel quale il problema di regolarizzazione è formulato come un problema di ottimizzazione vincolata. In questa formulazione è fondamentale il termine noto del vincolo, parametro per il quale dipende la bontà della ricostruzione, che corrisponde ad una stima della norma del rumore sul dato. Il contributo della tesi è l'analisi di un algoritmo proposto per stimare il rumore in applicazioni di image deblurring utilizzando la decomposizione in valori singolari dell'operatore che descrive il blur. Sono stati fatti numerosi test per valutare sia i parametri dell'algoritmo di stima che l'efficacia della stima ottenuta quando è inserita nel termine noto del vincolo del problema di ottimizzazione per la ricostruzione dell'immagine.

The Feynman-Kac formula and applications to PDEs

The thesis presents a probabilistic approach to the theory of semigroups of operators, with particular attention to the Markov and Feller semigroups. The first goal of this work is the proof of the fundamental Feynman-Kac formula, which gives the solution of certain parabolic Cauchy problems, in terms of the expected value of the initial condition computed at the associated stochastic diffusion processes. The second target is the characterization of the principal eigenvalue of the generator of a semigroup with Markov transition probability function and of second order elliptic operators with real coefficients not necessarily self-adjoint. The thesis is divided into three chapters. In the first chapter we study the Brownian motion and some of its main properties, the stochastic processes, the stochastic integral and the Itô formula in order to finally arrive, in the last section, at the proof of the Feynman-Kac formula. The second chapter is devoted to the probabilistic approach to the semigroups theory and it is here that we introduce Markov and Feller semigroups. Special emphasis is given to the Feller semigroup associated with the Brownian motion. The third and last chapter is divided into two sections. In the first one we present the abstract characterization of the principal eigenvalue of the infinitesimal generator of a semigroup of operators acting on continuous functions over a compact metric space. In the second section this approach is used to study the principal eigenvalue of elliptic partial differential operators with real coefficients. At the end, in the appendix, we gather some of the technical results used in the thesis in more details. Appendix A is devoted to the Sion minimax theorem, while in appendix B we prove the Chernoff product formula for not necessarily self-adjoint operators.