Ricerche in FISICA APPLICATA - Dipartimento Interateneo di Fisica

Incontro di orientamento per gli studenti
del corso di laurea triennale in Fisica
Ricerche in FISICA APPLICATA
Relatori: Prof. Roberto Bellotti
Dott. Tommaso Maggipinto
FISICA APPLICATA (A BENI CULTURALI,
AMBIENTALI, BIOLOGIA E MEDICINA)
Approccio altamente multidisciplinare con
coinvolgimento di differenti aspetti della
ricerca in ambito fisico.
Attivazione della Scuola di Specializzazione in Fisica Medica
I posti saranno 3-5
Si sta cercando di ottenere borse industriali e si è in attesa di una risposta dal Ministero per
sapere se è possibile fare il bando già a luglio con partenza della scuola a settembre.
Temi:
Medicina Nucleare,
Diagnostica per immagini,
Radioprotezione,
Fisica dell'Ambiente
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)
Referente: Dott. T. Maggipinto
o Fisica Sanitaria
Referente: Dott. Lattanzi
o Modellistica molecolare
Referente: Prof. Schiavulli
o Datazione di Reperti Archeologici Tramite Termoluminescenza
Referente: Dott. Paticchio, Prof. D’Erasmo, Prof. Valentini
o Tecniche nucleari applicate allo studio della radiazione ambientale
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
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%.
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.
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.
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.
Source
Sample
Detector
Attività in corso
✔ Sviluppo di laboratori mammografici per imaging in
contrasto di fase all’interno di sincrotroni (SYRMEP
BeamLine – ELETTRA, Trieste)
ACI
PCI
✔ 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)
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
Dipartimento Interateneo di Fisica "M. Merlin"
Sviluppo di metodi quantitativi
per la diagnosi precoce della Malattia di Alzheimer
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.
Problematica:
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-
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
Indici di discriminazione tra soggetti Sani e Malati
riferimento;
- 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 meta-
learning.
Gruppo5 -esperimento MAGIC-5-
Proiezioni MRI
Evidenziati gli
ippocampi
destro e sinistro
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 (30 – 300 kHz)).
Prima rete Europea di ricevitori
La previsione è un aspetto critico:
 Dove
 Quando
 Con quale intensità
 Con quale probabilità
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
Possibilità di tesi e di dottorato: metodi di
analisi di serie temporali non stazionarie
per l’individuazione di anomalie.
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 to THz;
 F.I.T. (finite integration tecnique)
σ 2
SAR = E
ρ
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, Università Cattolica del Sacro Cuore
Fisica sanitaria
Dott. T. 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
Gianluca Lattanzi ([email protected])
Modellistica molecolare
La modellistica molecolare consente di studiare le proprietà
conformazionali di macromolecole, tra cui quelle biologiche.
Le tecniche si avvalgono dell’uso massiccio del calcolo parallelo
e richiedono un’adeguata conoscenza della meccanica statistica.
Tematiche di ricerca attuali:
• Studio delle interazioni tra farmaci e proteine (Dip.
Farmaco-Chimico, UniBa)
• Studio dei polimeri organici (Dip. Chimica, UniBa)
• Studio della struttura delle proteine (SISSA, Trieste)
• Studio delle proprietà strutturali delle membrane
biologiche (University College Dublin, Rep. of Ireland e
University of Texas at Austin)
Corso a scelta proposto:
Tecniche di Simulazione Molecolare (4 CFU)
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,𝛾
assorbita nel corso del tempo (Paleodose)
L’età del reperto è data dalla relazione:
Paleodose
Età =
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 𝛾).
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 𝛾, 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
RadioEcologia
Tecniche nucleari applicate allo studio della
radiazione ambientale
(G.D’Erasmo,V.Paticchio,A.Valentini)
RadioEcologia
Fondo ambientale ( radiazione γ ) ottenuto con un Germanio Iperpuro
RadioEcologia
Misure con tecniche standard e innovative e realizzazione di un
database dei campi di radiazione ionizzante a cui è esposta la
popolazione del territorio.
Tecniche e rivelatori :
 Camere a ionizzazione
 Contatori proporzionali
 Spettrometri α,β,γ (semiconduttori,scintillatori,rivelatori a
gas)
 etc…
RadioEcologia
Cosa vogliamo sviluppare
 Rivelatori a nanotubi di carbonio (CNT) per intrappolare
aeriformi e particolato atmosferico.
RadioEcologia
Spettrometria ad alta risoluzione e ad alta sensibilità delle
radiazioni ionizzanti dedicate al controllo e monitoraggio
della radioattività ambientale
Questa attività e’ complementare alla precedente
ed e’ motivata da:
- esigenze strumentali nell’ambito della ricerca fondamentale;
- da controlli ambientali per la protezione della popolazione;
- da misure di precisione in settori applicativi quali la datazione.
RadioEcologia
Questa attivita’ sara’ effettuata in collaborazione con l’ ARPA
Puglia che ha mostrato interesse per lo sviluppo di nuove
tecniche per il controllo del territorio regionale.
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 di maturare competenze spendibili sul mercato del lavoro (settore aerospaziale).
Dipartimento Interateneo di Fisica, Università degli Studi e Politecnico di Bari
Geophysical Applications Processing (GAP) srl
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
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
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
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.
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
Meccanica robotizzata per la microscopia di precisione ad alta velocità
in emulsione nucleare
Risoluzione spaziale @ 20cm2/h
~ 0.3µm
Controller di movimentazione PCI per la gestione
tramite computer degli assi motorizzati XYZ
Acquisizione ed elaborazione di immagini mediante sensori CMOS
e vision-processor di ultima generazione
315 µm
Grabbing
2D FIR-Filtering
Equalization
Binarization
395 µm
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
APPLICAZIONI: Fisica
Medica, fisica della alte
energie, astroparticle
CsI + PinDiode
NaI + PM
CVD Diamond sensor per UV
Simulatore CAD per circuiti elettronici per la progettazione di front-end
ORCAD 16.3
Realizzazione e test di prototipi a tecnologia ibrida per front end di foto sensori
MaPMT e SiPM per singolo fotolettrone
160
Rise time <500ps
140
120
mV
100
80
60
40
20
0
-20
-1000
0
1000
ns
2000
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.
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
Motivazioni
 La tecnologia Silicon on Insulator (SOI) è utilizzata da alcuni anni nella


1.
2.
3.
4.
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:
tolleranza alla radiazione,
bassa costante dielettrica,
altissima resistività elettrica e
alta diffusività termica
Possibili applicazioni:
Innovativo rivelatore per High Energy Physics
Campo biomedicale
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.
2.
studio dei parametri di accoppiamento tra il Silicio per il
readout e il rivelatore (ottimizzazione delle caratteristiche
d'ingresso del FE)
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
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
The AX-PET collaboration
Bari, Cagliari, CERN, Michigan, Ohio, Oslo, Rome,
Tampere, Valencia, Zurich
The 3D PET cameras
New 3D axial HPD-PET concept
Standard radial 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) 352-363.
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