Realizzazione di un data-set ad alta risoluzione (30 secondi d'arco) di precipitazioni mensili su un'area ad orografia complessa (Trentino Alto-Adige)

In questa tesi si presenta la realizzazione di un data-set ad alta risoluzione (30 secondi d'arco) di precipitazioni mensili (per il periodo 1921-2014), per la regione del Trentino-Alto Adige. Esso è basato su una densa rete di stazioni con osservazioni di lunga durata, sottoposte ai necessari controlli di qualità. La tecnica di interpolazione si basa sull'assunzione che la configurazione spazio-temporale del campo di una variabile meteorologica su una certa area possa essere descritta con la sovrapposizione di due campi: i valori normali relativi a un periodo standard (1961-1990), ossia le climatologie, e le deviazioni da questi, ossia le anomalie. Le due componenti possono venire ricostruite tramite metodologie diverse e si possono basare su data-set indipendenti. Per le climatologie bisogna avere un elevato numero di stazioni (anche se disponibili per un lasso temporale limitato); per le anomalie viceversa la densità spaziale ha un rilievo minore a causa della buona coerenza spaziale della variabilità temporale, mentre è importante la qualità dei dati e la loro estensione temporale. L'approccio utilizzato per le climatologie mensili è la regressione lineare pesata locale. Per ciascuna cella della griglia si stima una regressione lineare pesata della precipitazione in funzione dell'altitudine; si pesano di più le stazioni aventi caratteristiche simili a quelle della cella stessa. Invece le anomalie mensili si ricavano, per ogni cella di griglia, grazie a una media pesata delle anomalie delle vicine stazioni. Infine la sovrapposizione delle componenti spaziale (climatologie) e temporale (anomalie) consente di ottenere per ogni nodo del grigliato una serie temporale di precipitazioni mensili in valori assoluti. La bontà dei risultati viene poi valutata con gli errori quadratici medi (RMSE) e i coefficienti di correlazione di Pearson delle singole componenti ricostruite. Per mostrare le potenziali applicazioni del prodotto si esaminano alcuni casi studio.

Valutazione delle prestazioni di processori a basso consumo energetico in applicazioni parallele

In questo lavoro di tesi sono state impiegate le librerie grafiche OpenGL ES 2 per eseguire calcoli paralleli sulla GPU del Raspberry Pi. Sono stati affrontati e discussi concetti riguanrdati il calcolo parallelo, stream processing, GPGPU e le metriche di valutazione di algoritmi paralleli. Sono inoltre descritte le potenzialita e le limitazioni derivanti dall'impiego di OpenGL per implementare algoritmi paralleli. In particolare si e fatto riferimento all'algoritmo Seam Carving per il restringimento di immagini, realizzando e valutando una implementazione parallela di questo sul Raspberry Pi.

Tomographic 3D reconstruction through linear inversion for breast microwave imaging

In the present thesis we address the problem of detecting and localizing a small spherical target with characteristic electrical properties inside a volume of cylindrical shape, representing female breast, with MWI. One of the main works of this project is to properly extend the existing linear inversion algorithm from planar slice to volume reconstruction; results obtained, under the same conditions and experimental setup are reported for the two different approaches. Preliminar comparison and performance analysis of the reconstruction algorithms is performed via numerical simulations in a software-created environment: a single dipole antenna is used for illuminating the virtual breast phantom from different positions and, for each position, the corresponding scattered field value is registered. Collected data are then exploited in order to reconstruct the investigation domain, along with the scatterer position, in the form of image called pseudospectrum. During this process the tumor is modeled as a dielectric sphere of small radius and, for electromagnetic scattering purposes, it's treated as a point-like source. To improve the performance of reconstruction technique, we repeat the acquisition for a number of frequencies in a given range: the different pseudospectra, reconstructed from single frequency data, are incoherently combined with MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) method which returns an overall enhanced image. We exploit multi-frequency approach to test the performance of 3D linear inversion reconstruction algorithm while varying the source position inside the phantom and the height of antenna plane. Analysis results and reconstructed images are then reported. Finally, we perform 3D reconstruction from experimental data gathered with the acquisition system in the microwave laboratory at DIFA, University of Bologna for a recently developed breast-phantom prototype; obtained pseudospectrum and performance analysis for the real model are reported.

Sviluppo e analisi di un algoritmo parallelo di riconoscimento di oggetti in immagini

Implementazione sequenziale e parallela dell'algoritmo Evolution Constructed feature per il riconoscimento di oggetti in immagini. Analisi dei risultati ottenuti dall'algoritmo tramite la precision e la recall. Confronto dei tempi di esecuzione delle due versioni dell'algoritmo al fine di valutare gli effettivi guadagni ottenuti tramite la parallelizzazione.

Experimental set up and characterization of a prototype for breast microwave imaging

Nella presente tesi è stato sviluppato un sistema di acquisizione automatico finalizzato allo studio del breast microwave imaging. Le misure sono state eseguite in configurazione monostatica, in cui viene acquisito un segnale da diverse posizioni lungo il perimetro dell’area di indagine. A questo scopo, è stato installato un motore ad alta precisione che permette la rotazione del fantoccio e l’esecuzione automatica delle misure da un numero di posizioni fissato. Per automatizzare il processo di acquisizione, è stato inoltre sviluppato appositamente un software in ambiente LabView. Successivamente, è stata eseguita una intensa sessione di misure finalizzate alla caratterizzazione del sistema sviluppato al variare delle condizioni di misura. Abbiamo quindi utilizzato dei fantocci di tumore di diverse dimensioni e permittività elettrica per studiare la sensibilità della strumentazione in condizione di mezzo omogeneo. Dall’analisi delle ricostruzioni multifrequenza effettuate tramite diversi algoritmi di tipo TR-MUSIC sul range di frequenze selezionato, abbiamo notato che il tumore è ricostruito correttamente in tutti gli scenari testati. Inoltre, abbiamo creato un ulteriore fantoccio per simulare la presenza di una disomogeneità nel dominio di imaging. In questo caso, abbiamo studiato le performances del sistema di acquisizione al variare della posizione del tumore, le cui caratteristiche sono state fissate, e della permittività associata al fantoccio. Dall’analisi dei risultati appare che le performances di ricostruzione sono condizionate dalla presenza della disomogeneità, in modo particolare se il tumore è posizionato all’interno di essa. Infine, abbiamo studiato delle performance di due algoritmi di ricostruzione 3D: uno di essi è basato sulla sovrappo- sizione tomografica e sfrutta metodi di interpolazione, l’altro si basa sull’utilizzo di un propagatore 3D per il dipolo Hertziano in approssimazione scalare.

A framework for cyber-physical system simulation

In these last years, systems engineering has became one of the major research domains. The complexity of systems has increased constantly and nowadays Cyber-Physical Systems (CPS) are a category of particular interest: these, are systems composed by a cyber part (computer-based algorithms) that monitor and control some physical processes. Their development and simulation are both complex due to the importance of the interaction between the cyber and the physical entities: there are a lot of models written in different languages that need to exchange information among each other. Normally people use an orchestrator that takes care of the simulation of the models and the exchange of informations. This orchestrator is developed manually and this is a tedious and long work. Our proposition is to achieve to generate the orchestrator automatically through the use of Co-Modeling, i.e. by modeling the coordination. Before achieving this ultimate goal, it is important to understand the mechanisms and de facto standards that could be used in a co-modeling framework. So, I studied the use of a technology employed for co-simulation in the industry: FMI. In order to better understand the FMI standard, I realized an automatic export, in the FMI format, of the models realized in an existing software for discrete modeling: TimeSquare. I also developed a simple physical model in the existing open source openmodelica tool. Later, I started to understand how works an orchestrator, developing a simple one: this will be useful in future to generate an orchestrator automatically.

Stochastic dynamics on infinite and finite transport capacity networks: an operatorial approach

Nella tesi viene studiata la dinamica stocastica di particelle non interagenti su network con capacita di trasporto finita. L'argomento viene affrontato introducendo un formalismo operatoriale per il sistema. Dopo averne verificato la consistenza su modelli risolvibili analiticamente, tale formalismo viene impiegato per dimostrare l'emergere di una forza entropica agente sulle particelle, dovuta alle limitazioni dinamiche del network. Inoltre viene proposta una spiegazione qualitativa dell'effetto di attrazione reciproca tra nodi vuoti nel caso di processi sincroni.

Investigation of spectral stability of X-ray tubes by simulations and experimental spectrum measurements

L'obiettivo di questo lavoro è quello di analizzare la stabilità di uno spettro raggi X emesso da un tubo usurato per analisi cardiovascolari, in modo da verificare il suo comportamento. Successivamente questo tipo di analisi sarà effettuata su tubi CT. Per raggiungere questo scopo è stato assemblato un particolare set-up con un rivelatore al germanio criogenico in modo da avere la miglior risoluzione energetica possibile ed alcuni particolari collimatori così da ridurre il flusso fotonico per evitare effetti di pile-up. Il set-up è stato costruito in modo da avere il miglior allineamento possibile nel modo più veloce possibile, e con l'obiettivo di rendere l'intero sistema portabile. Il tubo usato è un SRM Philips tube per analisi cardiovascolari; questa scelta è stata fatta in modo da ridurre al minimo i fattori esterni (ottica elettromagnetica, emettitori) e concentrare l'attenzione solo sugli effetti, causati dalle varie esposizioni, sull'anodo (roughness e bending) e sul comportamento di essi durante il surriscaldamento e successivo raffreddamento del tubo. I risultati mostrano come durante un'esposizione alcuni fattori di usura del tubo possono influire in maniera sostanziale sullo spettro ottenuto e quindi alterare il risultato. Successivamente, nell'elaborato, mediante il software Philips di ricostruzione e simulazione dello spettro si è cercato di riprodurre, variando alcuni parametri, la differenza riscontrata sperimentalmente in modo da poter simulare l'instabilità e correggere i fattori che la causano. I risultati sono interessanti non solo per questo esperimento ma anche in ottica futura, per lo sviluppo di applicazioni come la spectral CT. Il passo successivo sarà quello di spostare l'attenzione su un CT tube e verificare se l'instabilità riscontrata in questo lavoro è persiste anche in una analisi più complessa come quella CT.

Embodied computation and life: building blocks for open-ended evolution

Il presente lavoro si propone di sviluppare una analogia formale tra sistemi dinamici e teoria della computazione in relazione all’emergenza di proprietà biologiche da tali sistemi. Il primo capitolo sarà dedicato all’estensione della teoria delle macchine di Turing ad un più ampio contesto di funzioni computabili e debolmente computabili. Mostreremo quindi come un sistema dinamico continuo possa essere elaborato da una macchina computante, e come proprietà informative quali l’universalità possano essere naturalmente estese alla fisica attraverso questo ponte formale. Nel secondo capitolo applicheremo i risultati teorici derivati nel primo allo sviluppo di un sistema chimico che mostri tali proprietà di universalità, ponendo particolare attenzione alla plausibilità fisica di tale sistema.

The arcuate fasciculus: an along-tract analysis with white matter probabilistic tractography

Il cervello umano è composto da una rete complessa, formata da fasci di assoni, che connettono le diverse aree cerebrali. Il fascio arcuato collega l’area imputata alla com- prensione del linguaggio con quella dedicata alla sua produzione. Il fascio arcuato è presente in entrambi gli emisferi cerebrali, anche se spesso è utilizzato prevalente- mente il sinistro. In questa tesi sono state valutate, in un campione di soggetti sani, le differenze tra fascio arcuato destro e sinistro, utilizzando la trattografia, metodica avanzata e non invasiva che permette la ricostruzione della traiettoria delle fibre con immagini RM (Risonanza Magnetica) pesate in diffusione. A questo scopo ho utilizzato un algoritmo probabilistico, che permette la stima di probabilità di connessione della fibra in oggetto con le diverse aree cerebrali, anche nelle sedi di incrocio con fibre di fasci diversi. Grazie all’implementazione di questo metodo, è stato possibile ottenere una ricostruzione accurata del fascio arcuato, an- che nell’emisfero destro dove è spesso critica, tanto da non essere possibile con altri algoritmi trattografici. Parametrizzando poi la geometria del tratto ho diviso il fascio arcuato in venti seg- menti e ho confrontato i parametri delle misure di diffusione, valutate nell’emisfero destro e sinistro. Da queste analisi emerge un’ampia variabilità nella geometria dell’arcuato, sia tra diversi soggetti che diversi emisferi. Nell’emisfero destro l’arcuato incrocia maggiormente fibre appartenenti ad altri fasci. Nell’emisfero sinistro le fibre dell’arcuato sono più compatte e si misura anche una maggiore connettività con altre aree del cervello coinvolte nelle funzioni linguistiche. Nella seconda fase dello studio ho applicato la stessa metodica in due pazienti con lesioni cerebrali, con l’obiettivo di testare il danno del fascio arcuato ipsilaterale alla lesione e stimare se nell’emisfero controlaterale si innescassero meccanismi di plastic- ità strutturale. Questa metodica può essere implementata, in un gruppo di pazienti omogenei, per identificare marcatori RM diagnostici nella fase di pianificazione pre- chirurgica e marcatori RM prognostici di recupero funzionale del linguaggio.

Caratterizzazione della Risposta Idrologica alle Precipitazioni nella Zona d’Innesco di un Debris Flow in Area Dolomitica (Bacino di Pezovico, Cortina d’Ampezzo, BL)

Il presente lavoro riguarda lo studio delle colate detritiche, fenomeno che rappresenta un importante argomento di studio sia per la sua caratterizzazione e analisi a livello scientifico che per attuare una corretta pianificazione e gestione del territorio. Nell’ambiente alpino, ed in particolare nell’area Dolomitica, le colate detritiche rappresentano un fenomeno complesso, le cui caratteristiche di velocità ed intensità, congiuntamente alla difficile previsione temporale, determinano l’alto grado di pericolosità che espone a rischi elevati infrastrutture e persone. Il monitoraggio delle colate detritiche assume quindi una notevole importanza nella determinazione delle condizioni idrologiche e morfologiche che inducono la generazione e la propagazione di tali fenomeni. Il presente lavoro ha come obiettivo la caratterizzazione della risposta idrologica nella zona d’innesco di un canale detritico, localizzato nella Conca Ampezzana. La caratterizzazione è stata definita attraverso l’analisi dei dati ottenuti dal monitoraggio eseguito mediante una stazione di rilevamento appositamente progettata e realizzata.

Fabrication of a New Multifunctional Interface Between La,Sr manganite and C60

In questo lavoro abbiamo sperimentato due modi diversi per ottenere un monolayer di C60 su La,Sr manganite (LSMO): desorbendo C60 da un campione di 5nm cresciuto su un substrato di LSMO e crescendo, sempre su LSMO, sei campioni di C60 a diversi spessori nominali. Il campione desorbito è stato analizzato mediante misure STS ed STM, mentre i campione cresciuti a diversi spessori sono stati misurati mediante non-cntact AFM. Ciò che è emerso in entrambi i casi è che le molecole di C60 non interagiscono con il substrato di LSMO. Nel primo caso infatti si è visto che è stato desorbito quasi tutto il C60 presente sul campione; la superficie della manganite risulta solo parzialmente ricoperta da molecole di C60. Nel secondo caso invece si nota che il C60 cresce formando isole che arrivano a ricoprire la superficie di LSMO solo per film dallo spessore nominale superiore a 30nm.

I terremoti storici hanno fatto più danni nella parte nord-occidentale di Bologna: ricerca di una spiegazione geofisica per questo fenomeno

Dallo studio della sismicità storica della città di Bologna (Guidoboni e Boschi, 2003) emerge che la maggior parte dei danni causati dai terremoti è concentrata nella parte Nord e Nord-Ovest della città, a nord delle attuali vie S. Donato e S. Isaia. In questo lavoro abbiamo studiato la risposta sismica in diversi siti del centro storico di Bologna, per capirne il comportamento in caso di terremoto e verificare se i risultati fossero compatibili con i dati storici. È stata effettuata una campagna di misure geofisiche: 52 con tecnica passiva a stazione singola HVSR per misurare le frequenze di amplificazione dei sottosuoli (47 all’interno delle mura), 5 in array per misurare l’andamento delle velocità delle onde di taglio nel sottosuolo (tutte all’interno delle mura). 22 delle 47 misure H/V mostrano amplificazione nell’intervallo di frequenze tra 1 e 10 Hz, quello di interesse per le strutture del centro storico. Le cause di queste amplificazioni si ipotizzano essere un livello ghiaioso a circa 10-15 m di profondità (Fiori, 2002) in approfondimento da centro città verso est, e un livello sabbioso a circa 10 m di profondità (Amorosi, 2014). Le misure in array, invece, indicano sostanzialmente che l’estremità orientale della città storica ha rigidezze maggiori a profondità maggiori di 50 m. Il dato derivante dalla sismologia storica, in sintesi, non pare essere completamente supportato da evidenze geologiche o geofisiche: la risposta sismica all’interno delle mura di Bologna varia leggermente da punto a punto, ma senza mostrare trend applicabili ad estese macroaree. Solo l’estremo Nord-Est della città ha un comportamento amplificativo più omogeneo (amplificazione a 1-3 Hz) in linea con la geologia locale, che presenta livelli marcatamente ghiaiosi sotto i 15 m di profondità. La variabilità geologica e di risposta sismica locale è stata verificata essere molto maggiore fuori dalle mura di cinta della città.

Comparison of radiobiological effects induced by ultra-high and standard dose rate of x-rays on a radio-resistant cell line

Radiotherapy (RT) has recently evolved with the emergence of heavy ion radiations or new fractionation schemes of photon therapy, which modify the dose rate of treatment delivery. The aim of the present study was then to evaluate the in vitro influence of a ultra-high dose rate comparing them with standard dose rate. In this regard, a radioresistant SK-MEL-28 cell line were irradiated with x-ray in order to have a total dose of 2 and 4 Gy, at two different dose rate. The ultra-high dose rate is a specific property of the dense plasma focus (DPF) device, which has pulsed operation and thus gives short and highly energetic pulses of multiple types of rays and particles, in this case, we focused our study on the influence of X-rays. While a low dose rate is obtained with conventional X-ray tube. In this study it results that a ultra-high dose rate enhances radiosensitivity of melanoma cells while reducing the adhesion, proliferation and migration ability of cells.

Study of the calibration method of pressure-velocity probes and its application in a field of progressive plane waves

This dissertation presents a calibration procedure for a pressure velocity probe. The dissertation is divided into four main chapters. The first chapter is divided into six main sections. In the firsts two, the wave equation in fluids and the velocity of sound in gases are calculated, the third section contains a general solution of the wave equation in the case of plane acoustic waves. Section four and five report the definition of the acoustic impedance and admittance, and the practical units the sound level is measured with, i.e. the decibel scale. Finally, the last section of the chapter is about the theory linked to the frequency analysis of a sound wave and includes the analysis of sound in bands and the discrete Fourier analysis, with the definition of some important functions. The second chapter describes different reference field calibration procedures that are used to calibrate the P-V probes, between them the progressive plane wave method, which is that has been used in this work. Finally, the last section of the chapter contains a description of the working principles of the two transducers that have been used, with a focus on the velocity one. The third chapter of the dissertation is devoted to the explanation of the calibration set up and the instruments used for the data acquisition and analysis. Since software routines were extremely important, this chapter includes a dedicated section on them and the proprietary routines most used are thoroughly explained. Finally, there is the description of the work that has been done, which is identified with three different phases, where the data acquired and the results obtained are presented. All the graphs and data reported were obtained through the Matlab® routine. As for the last chapter, it briefly presents all the work that has been done as well as an excursus on a new probe and on the way the procedure implemented in this dissertation could be applied in the case of a general field.