Incontro di orientamento per gli studenti del corso di laurea triennale in Fisica Ricerche in FISICA APPLICATA

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1 Incontro di orientamento per gli studenti del corso di laurea triennale in Fisica Ricerche in FISICA APPLICATA Relatori: Prof. Roberto Bellotti Dott. Tommaso Maggipinto

2 Le ricerche svolte nel Dipartimento di Fisica di Bari nell ambito della FISICA APPLICATA sono molteplici. Referente: Prof. Bellotti o CAD Polmonare o Radiografia in contrasto di fase o Sviluppo di metodi quantitativi per la diagnosi precoce della Malattia di Alzheimer Referente: Prof. Biagi, Dott. T. Maggipinto o Precursori sismici: analisi di anomalie in segnali radio LF/VLF o Studio degli effetti in vivo di esposizione a radiazione elettromagnetica a 1.8 GHz (NIR)

3 Referente: Prof. G. Maggipinto o Fisica Sanitaria Referente: Prof. Schiavulli o Datazione di Reperti Archeologici Tramite Termoluminescenza Referente: Prof. Chiaradia o Telerilevamento Satellitare per il Monitoraggio Ambientale Referente: Prof. Simone, Dott. De Serio, Dott. Gargano, Dott. Giordano o Elettronica digitale e tecniche di acquisizione dati Referente: Dott. Ranieri o CHIPSODIA (CHIP by Silicon On DIAmond) Referente: Prof. De Leo o PET

4 Computer Aided Detection polmonare Il tumore del polmone è la principale causa di morte per neoplasie nei paesi industrializzati. La diagnosi precoce è l obiettivo che la comunità medicoscientifica si prefigge per diminuire la mortalità. Recenti studi dimostrano infatti che la diagnosi precoce con TAC spirale può aumentare la sopravvivenza del 20%.

5 Il CAD polmonare è un sistema automatico di lettura delle TAC. È un valido aiuto nella diagnosi precoce, essendo utilizzato sia come supporto ai radiologi nel refertare le TAC, sia come primo lettore in grado di segnalare le regioni polmonari di potenziale interesse diagnostico. Attualmente è in corso la validazione del CAD del Gruppo MAGIC-5 di Bari. Nella Collaborazione sono stati sviluppati 3 sistemi CAD. Fanno parte della Collaborazione le Sezioni INFN di Torino, Pisa, Bari e Lecce; Università di Pisa, Bari e Lecce.

6 Radiografia in Contrasto di Fase L incidenza della mortalità per tumori ai tessuti molli, come ad esempio i tumori al seno, può essere contrastata con lo sviluppo di tecniche radiografiche che favoriscano la diganosi precoce. Radiografia in Contrasto di Assorbimento (ACI Absorption Contrast Imaging): tecnica largamente usata in ambito ospedaliero per la diagnosi del tumore al seno (mammografia con immagine a contatto); ridotta sensibilità dovuta ai limiti di dose di raggi-x rilasciata al paziente, nocivi per la salute umana. Radiografia in Contrasto di Fase (PCI Phase Contrast Imaging): rende visibili le informazioni trasportate dallo sfasamento φ dei raggi diffusi coerentemente all interno dell organo da esaminare (diffrazione in regime di Fresnel); lo sfasamento dell onda è 1000 volte più sensibile alle variazioni di composizione rispetto all assorbimento nei tessuti umani. Source Sample Detector Permette di aumentare la qualità dell immagine evidenziando i bordi delle strutture rispetto alle tecniche convenzionali a parità di dose rilasciata al paziente, in modo da favorire la diagnosi corretta.

7 Attività in corso Sviluppo di laboratori mammografici per imaging in contrasto di fase all interno di sincrotroni (SYRMEP BeamLine ELETTRA, Trieste) Sviluppo di nuove sorgenti monocromatiche di piccole dimensioni da utilizzare in laboratori ospedalieri (Esperimento BEATS Thomson Scattering Source) Sviluppo di metodi analitici capaci di migliorare la qualità delle immagini ed estrarre informazioni quantitative da esse (Phase Retrieval Imaging) ACI PCI Collaborazioni Il gruppo di Imaging Medicale di Bari (prof. Bellotti) attualmente collabora con: Esperimento BEATS (INFN-sezioni di Bari, Cagliari, Ferrara, Roma1, Pisa, Milano) Istituto di Cristallografia CNR di Bari SYRMEP BeamLine ELETTRA, Trieste TOMCAT BeamLine PSI/ETH, Zurigo

8 Dipartimento Interateneo di Fisica "M. Merlin" Sviluppo di metodi quantitativi per la diagnosi precoce della Malattia di Alzheimer Problematica: Data l'elevata incidenza della malattia è indispensabile creare uno strumento automatico che sia di ausilio per la diagnosi precoce e permetta di effettuare previsioni sui soggetti a rischio denominati Mild Cognitive Impariment (MCI), a partire dall'analisi di immagini di Risonanza Magnetica cerebrale. COLLABORAZIONE Attualmente sono impegnate circa 30 persone tra fisici, medici ed informatici, nelle varie sedi italiane: (1) Dipartimento di Fisica, UNIBA (prof. R. Bellotti) (2) INFN Sezione di Bari esperimento MAGIC-5 (Medical Application on a Grid Infrastructure Connection) (3) Dipartimento di Fisica e INFN Sez. Genova, Torino, Lecce (4) Istituto di Ricovero e Cura a Carattere Scientifico di Brescia Gruppo5 -esperimento MAGIC-5-

9 Attività in Corso -> Sviluppo di strumenti di calcolo e di analisi delle immagini di Risonanza Magnetica cerebrale: - Pre-processing delle immagini: denoising, filtraggio, normalizzazione etc. - Adeguamento database: selezione template di riferimento; Indici di discriminazione tra soggetti Sani e Malati - Estrazione indici quantitativi diagnostici; -> Individuazione di zone rilevanti nell'insorgenza ed evoluzione della malattia: L'ippocampo; - Creazione di uno strumento di segmentazione automatica dell'ippocampo mediante tecniche di classificazione metalearning. Proiezioni MRI Evidenziati gli ippocampi destro e sinistro Gruppo5 -esperimento MAGIC-5-

10 Precursori sismici: analisi di anomalie in segnali radio LF/VLF (Prof. P.F. Biagi, Dott. T. Maggipinto) I precursori sismici sono costituiti da variazioni anomale, in parametri fisici, che si manifestano prima di un terremoto. Di particolare interesse sono i disturbi pre sismici che si manifestano in segnali radio nella banda VLF/LF (very low frequency (3 30 khz) / low frequency ( khz)). La previsione è un aspetto critico: Dove Quando Con quale intensità Con quale probabilità Prima rete Europea di ricevitori

11 Serie temporali non stazionarie: o Analisi Wavelet o Detrended Fluctuation Analysis o Principal Component Analysis o Reti Neurali o.. Partner: Romania, Turchia, Portogallo, Grecia, Austria, Russia, Giappone Progetti: FCRP, FIRB (in corso di valutazione) Possibilità di tesi e di dottorato: metodi di analisi di serie temporali non stazionarie per l individuazione di anomalie.

12 Studio degli effetti in vivo di esposizione a radiazione elettromagnetica a 1.8 GHz (Prof. P.F. Biagi, Dott. T. Maggipinto) Generalmente gli studi in vivo vengono eseguti su animali immobilizzati in piccole gabbie. Lo svantaggio risiede nel fatto che tale condizione di stress può di per se essere causa di comportamenti anomali. Una possibile soluzione è offerta dall utilizzo di una camera riverberante dove si può ricreare un habitat controllato e meno stressante. CST CAD simulation for electromagnetic problems; Up tothz; F.I.T. (finite integration tecnique)

13 SAR = ρ σ 2 E Utilizzo di fantocci più realistici e misure sperimentali di SAR. Simulazioni numeriche di distribuzione del campo e/m in camera riverberante e valutazione del SAR. Partner: Dipartimento Scienze Biomediche Università di Foggia, Policlinico di Bari

14 Fisica sanitaria Prof. G. Maggipinto Aspetti di radioprotezione connessi con la realizzazione ed esercizio di un ciclotrone per produrre di radiofarmaci (fluoro 18 per la PET) Tecniche e metodi di valutazione della qualità dell immagine in correlazione con le dosi ai pazienti Taratura di fasci di acceleratori lineari per applicazioni mediche Collaborazioni: ITEL, Policlinico, Oncologico, General Electric

15 Datazione di Reperti Archeologici Tramite Termoluminescenza Prof. L. Schiavulli La tecnica utilizza i reperti da datare come dosimetri ambientali che, assorbendo energia dai decadimenti degli isotopi radioattivi presenti nel reperto stesso e nel terreno circostante, sottoposti a riscaldamento restituiscono parte dell energia sotto forma di fotoni (Termoluminescenza, TL). Il segnale di TL sarà proporzionale alla dose α,β, assorbita nel corso del tempo (Paleodose) L età del reperto è data dalla relazione: Età = Paleodose Dose annua La dose annua può essere valutata con TLD o misure dirette di U,Th e K presenti sia nel reperto che nel terreno circostante (ICP-Massa e/o spettrometria α e ).

16 Grazie a finanziamenti ottenuti dalla FCRP e dall INFN, con l esperimento RIDAGMA, è in fase di studio la presenza di un eventuale disequilibrio nelle catene radioattive di Th e U, come ad esempio la possibile fuga del Radon, e in modo da ottenere una maggiore precisione nel calcolo della dose annua e, quindi, dell età del reperto. Le metodologie applicate in questo studio, la spettrometria α e, potranno essere applicate anche in altri campi quale, ad esempio, la radio-ecologia Sono stati datati reperti di differente età: Medioevali: Castello di Bova (Reggio Calabria), Siponto (Foggia) Neolitici: Vari siti in provincia di Foggia e in località Santa Barbara a Polignano Collaborazioni: Dr.ssa A. Tunzi della Soprintendenza per i beni Archeologici della Puglia Prof. M.Martini Università Milano-Bicocca Prof. A.Geniola Università di Bari Prof. A. Coscarella Università della Calabria Prof. C. Laganara Università di Bari

17 TELERILEVAMENTO SATELLITARE PER IL MONITORAGGIO AMBIENTALE Docente: Prof.ssa Maria Teresa Chiaradia Il Gruppo di Telerilevamento del Dipartimento Interateneo di Fisica di Bari (DIF) opera da più di dieci anni nel campo della Geomatica e dell Earth Observation da satellite, in stretta collaborazione con il CNR-ISSIA, Istituto di Studi su Sistemi Intelligenti per l'automazione di Bari, e con Geophysical Applications Processing - GAP srl, spin-off del Politecnico di Bari aderente al Distretto Aerospaziale Pugliese. Il Gruppo di Telerilevamento di Bari propone tesi di laurea inerenti lo sviluppo e/o l applicazione di metodologie satellitari innovative per il monitoraggio ambientale, nei seguenti settori: Telerilevamento radar satellitare (per il monitoraggio di frane, subsidenze, terremoti) Telerilevamento con sensori passivi multi- ed iper-spettrali (per analisi di qualità delle acque) Modellistica meteorologica ad elevata risoluzione, per la previsione e prevenzione del rischio ambientale (incendi boschivi, rischio idrogeologico, inquinamento dell'aria). Le tesi di laurea prevedono un periodo di tirocinio aziendale presso le strutture dello spin-off GAP srl consentendo dimaturare competenze spendibilisul mercato del lavoro (settore aerospaziale). Dipartimento Interateneo di Fisica, Università degli Studi e Politecnico di Bari Geophysical Applications Processing (GAP) srl

18 TELERILEVAMENTO RADAR SATELLITARE Sviluppo, implementazione ed applicazione sul campo di tecnologie interferometriche multitemporali per la generazione di Modelli Digitali del Terreno ad alta risoluzione ed il rilevamento di movimenti millimetrici precursori di fenomeni di frana e di instabilità dei pendii, fenomeni di subsidenza, etc., in aree ad elevato rischio idrogeologico. Dipartimento Interateneo di Fisica, Università degli Studi e Politecnico di Bari Geophysical Applications Processing (GAP) srl

19 TELERILEVAMENTO NEL VIS/NIR Telerilevamento satellitare con sensori ottici multi- ed iper-spettrali ad altissima risoluzione (Quickbird, MERIS, MODIS, Landsat) per il monitoraggio dello stato di salute di ecosistemi marini e del loro grado di eutrofizzazione. Misure in situ di parametri di chimici e biofisici di qualità dell'aria e delle acque. Dipartimento Interateneo di Fisica, Università degli Studi e Politecnico di Bari Geophysical Applications Processing (GAP) srl

20 TELERILEVAMENTO METEOROLOGICO Servizi di previsione meteorologica ad elevata risoluzione attraverso modellistica numerica. Sviluppo ed applicazione di modelli numerici per la previsione e prevenzione del rischio ambientale (incendi boschivi, rischio idrogeologico, inquinamento dell'aria). Elaborazione dati meteo-climatologici. Dipartimento Interateneo di Fisica, Università degli Studi e Politecnico di Bari Geophysical Applications Processing (GAP) srl

21 ELETTRONICA DIGITALE E TECNICHE DI ACQUISIZIONE DATI Prof. Simone, Dott. Giordano, Dott. De Serio Obiettivi: si intende fornire allo studente conoscenze di base di elettronica ed informatica per l acquisizione dati. Elementi di progettazione per reti combinatorie e sequenziali. Utilizzo del CAD elettronico per il disegno e la simulazione di circuiti. Utilizzo di integrati programmabili (PROM, PLD, FPGA) e micro-controllori. Architettura degli elaboratori, bus e protocolli di comunicazione per la trasmissione dei dati. Conversione di segnali: ADC e DAC. Sviluppo software in C, C++, C#, LabView per il controllo mediante PC di dispositivi esterni e acquisizione dati. Trattamento e rappresentazione dei dati, utilizzo di ROOT.

22 Sviluppo di sistemi di acquisizione dati in LabView con controllo da PC con schede PCI + Terminal Block multi-purpose stand-alone su Micro-controllori della famiglia PIC16F

23 Meccanica robotizzata per la microscopia di precisione ad alta velocità in emulsione nucleare Risoluzione 20cm 2 /h ~ 0.3µm Controller di movimentazione PCI per la gestione tramite computer degli assi motorizzati XYZ

24 Acquisizione ed elaborazione di immagini mediante sensori CMOS e vision-processor di ultima generazione Grabbing 2D FIR-Filtering Equalization Binarization 315 µm 395 µm

25 Sviluppo di sistemi di acquisizione in standard VME per: acquisizione dati monitoring ON-Line analisi dati OFF-Line di sensori per luce visibile, raggi X e raggi γ ADC-TDC VME NaI + PM CsI + PinDiode CVD Diamond sensor per UV

26 Simulatore CAD per circuiti elettronici per la progettazione di front-end ORCAD 16.3 Realizzazione e test di prototipi a tecnologia ibrida mv ns

27 APPLICAZIONI E TESI DI LAUREA Test e caratterizzazione di sensori per radiazione e/m nel vis/uv/x/gamma Sviluppo di elettronica di front end Meccanica robotizzata per la microscopia di precisione in emulsione nucleare. Acquisizione ed elaborazione di immagini mediante sensori CMOS e vision-processor. Monitoring e controllo remoto di sensori per la rivelazione di condizioni ambientali. Elettronica di read-out e acquisizione dati da sensori.

28 CHIPSODIA (CHIP by Silicon On DIAmond) Finalità: Realizzazione e caratterizzazione di dispositivi SoD (Silicon on Diamond) INFN: Bari Firenze Perugia IIT (Istituto Italiano di Tecnologia Genova) IMM (Istituto di Microelettronica e Microsistemi-Bologna) Responsabile locale dell attività: A. RANIERI

29 Motivazioni La tecnologia Silicon on Insulator (SOI) è utilizzata da alcuni anni nella componentistica elettronica (applicazioni militari e costosa) La ricerca è ora volta ad applicare il concetto SOI alla rivelazione di particelle Scopo dell esperimento: combinare i vantaggi della tecnologia SOI e le proprietà estreme del diamante: 1. tolleranza alla radiazione, 2. bassa costante dielettrica, 3. altissima resistività elettrica e 4. alta diffusività termica

30 Obiettivi Step 1: realizzazioni di giunzioni SOD (Si on Diamond) con tecniche Laser e suo miglioramento Step 2: elettronica di readout integrata su un rivelatore con caratteristiche superiori per: Dissipazione termica Potenza dissipata Radiation hardness Possibili applicazioni: Innovativo rivelatore per High Energy Physics Campo biomedicale

31 Attività di ricerca e argomenti di tesi 1. studio e simulazione di architettura di Front-End per il readout di un rivelatore a Diamante a. studio dei parametri di accoppiamento tra il Silicio per il readout e il rivelatore (ottimizzazione delle caratteristiche d'ingresso del FE) 2. Studio della tecnologia da utilizzare per il bonding b. apertura di VIA per contattare il sensore e il Front-End (tecnica TSV Through Silicon Via) c. Thinning, metalizzazioni e saldatura

32 Attività di ricerca e argomenti di tesi realizzazione di un prototipo di ASIC in tecnologia CMOS Deep Sub-Micron misure sotto fascio delle prestazioni del sistema integrato ASIC su Si e rivelatore al Diamante Studio del danno da irraggiamento Proposta di spin-off

33 The AX-PET collaboration Bari, Cagliari, CERN, Michigan, Ohio, Oslo, Rome, Tampere, Valencia, Zurich

34 Standard radial concept The 3D PET cameras New 3D axial HPD-PET concept PMT p Many rings of crystal photodetector blocks radially displaced Lc =1.5-3cm Arrays of long (Lc~10-20 cm) crystal bars read out at both sides by segmented HPDs Concept made possible by CERN development of rectangular segmented 5 HPDs with integrated self-triggering electronics C. Joram, Hybrid Photodiodes, Nucl. Phys. B (Proc. Supp.) 7(1999) 407. E. Chesi et al. A segmented Hybrid Photon Detector with integrated auto-autotriggering front-end electronics for a PET scanner, Nucl. Instr. & Meth. A564 (2006)

35 Multimodality imaging: prostate cancer diagnosis and follow up by TOF-PET & MRI/MRS INFN Bari-Roma-Catania-Genova Why do we need a dedicated multimodality system dedicated to prostate imaging? Potential design concept for prostate-specific PET Imaging Background issue: the role of TOF-PET PET TOF design concept The role of MRI and MRS Multimodality challenge(s) Silicon Photomultipliers (SiPm) Summary and outlook

36 exp. TOPEM Gr.V Italian National Institute of Health ISS Rome, Coordinamento University of Bari and INFN-Bari Scintillatori, Elettronica di readout Raffaele De Leo (10%) Antonio Ranieri (20%) Giuseppe De Robertis (20%) Flavio Loddo (20%) Ricercatore Poliba (30%) Physics Department, University la Sapienza, Rome Magneti, caratterizzazione SiPM University of Catania and INFN-Catania Reperimento SiPM S. Majewski, J Proffit Jefferson Lab, Newport News, USA

37 Molecular Imaging Modalities CT Tissue Density, Z A µm Unique!! Ultrasound A F Structure Optical (Bioluminescence, fluorescence) 0.1 mm Doppler Topography µm to mm ~10 3 cells quantitative A M MRI A F M H Concentration 0.1 mm BOLD, DCE β-galactocidase 0.1 µmole H / µmole 31 P F M Radiotracer ~1-2 mm <10-12 mole = quantitative PET/SPECT