ricerche in fisica applicata e interdisciplinare · 2011-04-13 · g in wettzell e g-pisa, che sono...

RICERCHE IN FISICA APPLICATA E INTERDISCIPLINARE Maria Giuseppina Bisogni

Congresso Dipartimento di Fisica “E. Fermi” 11/04/2011

Interdisciplinare

Struttura della Materia

Fisica delle Particelle Elementari

Sommario

!  Rivelatori a stato solido per radiografia digitale !  Software per analisi automatica immagini mediche

!  Sorgenti innovative di radiazione

!  Nanoparticelle per applicazioni biomedicali !  Proprietà superficiali e d’interfaccia di film polimerici !  Tecniche a microonde per il trattamento di materiali

!  Gyrolaser !  Acustica Applicata

11/04/2011 M. G. Bisogni, Congresso Dipartimento di Fisica “E. Fermi”

Rivelatori a Semiconduttore per Radiografia Digitale

A.Stefanini e Collaboratori applicazione dei rivelatori a stato solido sviluppati in ambito HEP alla Radiografia Digitale:

! Double Sided Microstrip Silicon Detectors "  Coincidenza temporale tra due strip

ortogonali poste su due facce di un cristallo di Si

!  Si e GaAs Pixel Detector "  MEDIPIX Collaboration "  17 istituzioni accademiche e

laboratori di ricerca internazionali "  V. Rosso per UNIPI e INFN Pisa "  http://medipix.web.cern.ch/MEDIPIX/

May 13 2008

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X-RAY

VDET Detector ALEPH M. Giorgi e Collaboratori

B-layer Pixel Detector ATLAS L. Rossi e collaboratori


Alcune Immagini…

Transaxial

Coronal

Sagittal

1 mm

60 µm


Silicon Photo Multipliers - SiPM

!  Principio di funzionamento: !  Microcelle Avalanche Photo Diodes operanti in

Geiger Mode; ciascuna dotata di una resistenza di quenching e connesse in parallelo. Il segnale in uscita e’ la somma dei segnali delle microcelle colpite.

!  Principali caratteristiche !  Alto guadagno(~ 106), bassa tensione(~ 50V),

risposta lineare con il flusso di fotoni , risoluzione temporale (60 ps (!) for blue light), compatti, insensibili ai campi magnetici

!  Applicazioni: !  Calorimetry, Astrophysics, Particle Tracking, Medical Imaging

!  Several producers: !  Hamamatsu, FBK-irst (AdvanSid), SensL,

Zecotek

I SiPM e la PET

!  SiPM Applicati alla Positron Emission Tomography A. Del Guerra e Collaboratori

Progetto DASiPM (Development and Application of SiPM)

INFN-CSNV – 2005-2010 PROGETTO MEMS INFN_FBK-irst(Trento)

#  Produzione e caratterizzazione di SiPM ottimizzati nella regione 400-500 nm #  Produzione di matrici di SiPM

SiPM Applications: #  Medical Imaging: small animal PET demonstrator #  Astroparticle: TOF SipM module # High Energy Physics: tracking calorimeter w scintillating fibers

Sezioni di: Bari, Bologna, Pisa, Perugia,Trento


1.2 cm

4.8 cm

1 cm

Annihilation gamma Front side

Back side

Sezioni di: Bari, Pisa, Perugia,Torino

4D-MPET Detector module

Package JLCC a 68 pin (!2.5 cm di lato)

M.G. Bisogni, G. Borgese, G. Magazzu’, N. Marino, A. Del Guerra (DIFI) F. Baronti, L. Fanucci, R. Roncella, S. Saponara (DIIT)


4D-MPET Detector module

Progetti in corso: 4DMPET 2011-2013(INFN) ENVISION TOF-PET adroterapia 2010-2013(FP7) Hadronphysics 3 2011-2014(FP7) COST PET-MRI2011-2015 (FP7) Progetti sottomessi: PRIN2009 2 anni FIRB2010 PROGRAMMA "FUTURO IN RICERCA” 3 anni


Software di Analisi di Immagini Mediche

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Fonte: PubMed

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M.E. Fantacci, A. Retico, N. Camarlinghi, I. Gori, M. Barattini

CAD per la rivelazione automatica dei noduli polmonari

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Collaborazione MAGIC-5, INFN CSN5

!  Negli ultimi 15 anni: trials clinici con TAC a bassa dose e strato sottile su popolazione a rischio elevato (età ed abitudine al fumo) !  U.S. National Lung Screening Trial

(NLST) - più di 53000 soggetti !  Lung cancer trial results show

mortality benefit with low-dose CT. Twenty percent fewer lung cancer deaths seen among those who were screened with low-dose spiral CT than with chest X-ray

!  Necessario il CAD: 300-400 immagini molto rumorose da analizzare per ogni singola TAC.

CAD per la rivelazione automatica dei noduli polmonari

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CAD input

CAD output

Il VBNACAD è basato su: 1. Segmentazione del

polmone/pleura 2. Identificazione delle

regioni d’interesse 3. Classificazione

mediante VBNA (Voxel Based Neural Approach)

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ROI

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Risultati MAGIC-5 lung CAD sul database pubblico LIDC (consensus a 2 radiologi): sensibilità 80% a 4 FP/scan. Lavori in corso: validazione clinica.

Altre applicazioni : CT da screening oncologico, esposizione a polveri sottili/amianto, enfisema, immagini da tomosintesi (possibilità di screening a dose più bassa della CT?). Contatti : Bracco Imaging SpA, General Electric, vari ospedali italiani + cantonale di Ginevra (sviluppi OsiriX).

Sorgenti di Radiazione X Monocromatica

!  Risparmio di dose con fascio monocromatico P. Delogu, U. Bottigli, M. Endrizzi (Uni Siena)

Imaging con fasci coerenti

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10.0 m! 5.4 m!

quadrupoles!dipoles!

Photoinjector! solenoid!RF sections!

RF deflector!collimator!

25º!

25º!

BEATS SPARC @ INFN Lab Nazionali Frascati (LNF)

Laser 800nm, 7 J, (Ti:Sapphire, 6 ps) Elettroni 30-150 MeV 1 nC Single-bunch

Electron beam collision

Laser pulse X-rays

Sorgente Thomson

PLASMONX


asia

usa

europa

Panorama Internazionale

Nanoparticelle e Medicina

!  Bio-sensori ! Antigen detection, shape

recognition

!  Diagnostica ! Marker tumorali, In vitro

& in vivo imaging

!  Terapia !  agenti antitumorali

!  Drug delivery !  photoactivation

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Applicazioni Biomediche

! Oggi si usano Quantum Dots (QD) e biomolecole(BM). Problemi: photobleaching (BM), tossicita’ (QD), blinking, autofluorescenza cellulare.

!  NC: no photobleaching, no blinking, no autofluorescenza cellulare (UP Conversion UPC). Possibile risoluzione spaziale confrontabile con spettroscopia a 2-fotoni.

!  Collaborazioni esterne per applicazioni (IIT, CNR, CNRS, Univ. Sfax, Clemson Univ…): !  Funzionalizzazione !  Studi tossicita’ !  Applicazioni biologiche (multiplexed imaging, FRET…)

Yb,Tm:BaYF %Pump=970nm

Nanostrutture metalliche

!  Nanoparticelle NABLA ! Produzione con ablazione laser ! Stabili in acqua, non citotossiche

Fundamental Research

#ave $ 20nm

Nd:YAG 25ps 15mJ 1064nm Produzione in Au

F. Giammanco, P. Marsili, A. Simonelli, M. Tiberi

Applicazioni Biomediche !  Agenti battericidi !  Diagnosi e terapia dei tumori

!  Marcatori di cellule tumorali migliori dei coloranti o dei dots di semiconduttore

!  Biocompatibili e non citotossiche per le cellule umane !  Facile funzionalizzarle con molecole che le mascherano

(per aumentare la permanenza nel sistema circolatorio) o che riconoscono agenti o molecole biologiche specifici

!  I tessuti tumorali sono molto più permeabilidi quelli sani e cioè un vantaggio per il trasporto mirato delle AuNP. Successivamente, l’irraggiamento può essere utilizzato per la distruzione delle cellule maligne.

Progetto “NABLA”-

Nanoparticelle Metalliche prodotte per Ablazione

Laser Dip.Fisica-UNIPI, ISC-CNR

Firenze, Dip.Chimica-UNIFI

1 febbraio 2011-31 gennaio 2013-Resp.F.Giammanco)

Decreto 4508 del 1/09/2010 della Regione Toscana

(Fondi PAR FAS 2007-2013 Linea di azione 1.1.a.3)

Ring Lasers are the best performing absolute rotation sensors. They are commonly used to measure rotations with respect to the “fixed” stars by means of the well known Sagnac Effect: the round-trip time difference of two counter propagating beams in a rotating frame is an inertial measurement of rotation

Università di Pisa Università di Napoli

Politecnico di Torino

INFN Pisa, Padova

Technische Universität München

Geodätisches Observatorium Wettzell

University of Canterbury

Applicazioni dei Gyrolaser ad alta sensibilita’

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A.  Di Virgilio, N. Beverini, G. Carelli,J. Belfi, F. Bosi, B. Bouhadef E. Maccioni , M. Allegrini , G. Cella, R. Passaquieti, F. Stefani

10!9 !10!8rad / Hz

Improving the performances of VIRGO mirrors suspensions. Requested angular resolution:

Experimental apparatus Perimeter = 5.60 m, Area = 1.96 m2

Optical cavity Q = 1.1x1011

Mean mirror reflectivity ! 0.99996

Learn about gyrolasers toward future applications in Seismology, Geodesy, General relativity...

Esperimento “G-Pisa”

Applicazioni di G-Pisa

!  Geodesia: osservazione della rotazione terrestre ! G ubicato in Wettzell, è molto vicino alle sensibilità

necessarie per entrare nel ‘Reference Frame’ di Very Large Base Interferometer (VLBI). G in Wettzell è il sensore di rotazione assoluta più sensibile al mondo.

!  Geofisica: inserimento nella rete di sismografi !  secondo alcuni sismologhi di levatura internazionale,

come William H. K. Lee e Heiner Igel, un array mondiale di 100 sensori giroscopici di alta sensibilità potrebbe essere integrato nella rete dei sismografi per lo studio e la misurazione dei terremoti


Prima Osservazione di una onda di Rayleigh dopo un forte terremoto

G in Wettzell e G-Pisa, che sono orientati a 90 gradi uno rispetto a l’altro, hanno osservato l’onda prodotta dal recente catastrofico terremoto del Giappone. G in Wettzell ha osservato l’onda di Love, G-Pisa l’onda di Rayleigh. Il primo” burst” in coincidenza con le onde P non è osservato dall’apparato di Wettzell

Aumentare shelf life: alta barriera ai gas, assorbimento di sostanze indesiderate, barriera UV, rilascio anti-ossidanti e anti-microbici, resistenza alla sterilizzazione

Ridurre impatto ambientale: film più sottili, biodegradabili ma più resistenti

Smart packaging & plastic electronics: dispositivi anti-contraffazione e anti-taccheggio, sensori di temperatura/ umidità, /luce/stato di conservazione, etichette intelligenti.

Cristallizzazione superficiale (immagine AFM nel PET )

Film polimerici a strati con diverse funzionalità Effetti di adsorbimento/ interfaccia

film polimerici, PE e PET

Misuratore permeabilità (spin off)

Innovazione nel packaging P. Rolla, M. Lucchesi, S. Capaccioli, Daniele Prevosto ,Massimiliano Labardi (CNR-IPCF)

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The Rock Wettability is a key factor for Enhanced Oil Recovery as it determines the distribution of oil and water phases within pores

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Surface physics: Superhydrophobic/Superhydrophilic Surfaces

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Pirolisi/ Cracking/Depolimerizzazione a microonde e/o con plasma

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In Italia: 47 comuni hanno più di 100.000

abitanti e di questi 12 ne hanno più di 250.000. Modellizzazione 3D di agglomerati

significa costi e tempi di calcolo elevati!

27 Stati membri 164 agglomerati 122 370 218 abitanti

Più di 1000 città in tutta Europa

Entro il 2007: mappe acustiche di tutti gli agglomerati con più di 250.000 abitanti

Entro Giugno 2012: mappe acustiche di tutti gli agglomerati con più di 100.000 abitanti

Test:

Mappatura di Pisa (< 100.000 abitanti)

Run Time: 3 settimane con un normale PC solo per la mappa del rumore stradale

Meno di 3 giorni con il Cluster del Centro Interdipartimentale Information Technology Center (ITC)

Velocizzare!

Rappresentazione di una realtà complessa:

Direttive comunitarie impongono:

Modellizzazione del rumore urbano da sorgenti di trasporto e industriali G. Licitra, P. Gallo, M. Cerchiai, D. Palazzuoli, R. Zei, E. Ascari,

L. Nencini, M. Chetoni, R. Ranoisio, L. Teti (DIFI UNIPI, CNR, Uni Siena, ARPAT), F. Fidecaro

Rumore da impianti eolici $  Studio dei meccanismi di

propagazione del rumore in funzione dell'orografia e delle condizioni meteorologiche del sito

$  Definizione di procedure di monitoraggio del rumore eolico

$  Implementazione di modelli di simulazione del rumore eolico

KUNDT

FEM

ADRIENNE

SPB CPX

Studio di pavimentazioni stradali innovative e del rumore di rotolamento

Conclusioni

!  Ricerca di base !  Ricerca applicata !  Technology Transfer !  Finanziamenti !  Persone


Acknowledgments

A. Stefanini, A. Del Guerra, V. Rosso, U. Bottigli, M. E. Fantacci, A. Retico, N. Camarlinghi, N. Belcari, P. Delogu, A. Toncelli, M. Tonelli, F. Giammanco, G. Licitra, A. Di Virgilio, G. Carelli, P. Rolla, S. Capaccioli, F. Forti, G. Batignani, F. Fidecaro e tutto il gruppo!


ricerche in fisica applicata e interdisciplinare · 2011-04-13 · g in wettzell e g-pisa, che sono...

Documents