PROGRAMMA DI RICERCA - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare · ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA...

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICANUCLEARE

Preventivo per l'anno 2004

Codice Esperimento GruppoMAGIC−5 5

Rapp. Naz.: Piergiorgio Cerello

Rappresentante nazionale:PiergiorgioCerello

Struttura di appartenenza: TOPosizione nell'I.N.F.N.:

PROGRAMMA DI RICERCA

A) INFORMAZIONI GENERALI

Linea di ricerca Sviluppo di algoritmi di analisi di immagini 2D e 3DGRID

Laboratorio ovesi raccolgono i dati

Ospedali diAlessandria, Bari, Livorno, Milano (Niguarda), Napoli, Palermo,Pisa, Sassari, Torino (Valdese), Udine

Sigla delloesperimento assegnata dallaboratorio

MAGIC−5

Acceleratore usato

Fascio(sigla e caratteristiche)

Processo fisicostudiato

Riconoscimento di strutture in immagini 2D − 3D

Apparato strumentaleutilizzato

Mammografi analogici e digitaliTomografi

Sezioni partecipantiall'esperimento

BA − CA(SS) − CT(PA) − LE − NA − PI − TO(AL)

Istituzioni esterne all'Entepartecipante

CEADEN (Habana, CUBA)CERN (ALICE)

Durata esperimento 3 anni (2004−2006)

B) SCALA DEI TEMPI : piano di svolgimento

PERIODO ATTIVITA' PREVISTA

2004−2006

Ampliamento del DB di immagini mammograficheOttimizzazione algoritmi di ricerca di microcalcificazioni e masseValutazione di nuovi approcci all'analisi di immagini mammogaficheSviluppo di algoritmi per la ricerca di lesioni in immagini 3D datomogra

Mod EN. 1 (a cura del responsabile nazionale)

mailto:

mailto:

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEAREPreventivo per l'anno 2004

StrutturaCA


Resp. loc.: P. Oliva

PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L'ANNO 2004In KEuro

VOCIDI

SPESADESCRIZIONE DELLA SPESA

IMPORTI A cura dellaComm.neScientificaNazionale

Parziali Totale Compet.

SJ SJ Riunioni di collaborazione Acquisizione dati presso ospedali 8.0

8.0 0.0

Riunioni e test GRID al CERN Conferenze all'estero 7.0

7.0 0.0

Acquisto DVD Riparazioni 2.0

2.0 0.0

0.0 0.0

Consorzio Ore CPU Spazio Disco Cassette Altro

0.0 0.0

0.0 0.0

workstation per analisi immagini HD esterno USB2 3.0

3.0 0.0

0.0 0.0

Totale 20.0 0.0Sono previsti interventi e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni ? Breve descrizione dell'intervento:

Mod EC./EN. 2 (a cura del responsabile locale)





PREVENTIVO GLOBALE DI SPESA PER L'ANNO 2004

In KEuro

Struttura

A CARICO DELL' I.N.F.N. A

caricodi altriEnti

Miss. interno

di cui SJ

Miss. estero.

di cui SJ

Materialedi cons.

di cui SJ

Trasp.e Facch.

di cui SJ

SpeseCalc.

di cui SJ

Affitti eManut.Appar.

di cui SJ

Mater. inventar.

di cui SJ

Costr.appar.

di cui SJ

TOTALECompet.

di cui SJ

BA CA CT LE NA PI TO

TOTALI

10,08,0

10,06,08,08,0

10,0

10,07,08,05,05,06,0

10,0

2,02,05,02,05,02,04,0

5,03,08,09,04,0

56,030,0

4,0

50,0

5,0

27,020,036,022,022,072,054,0

4,0

50,0

0,00,00,00,00,00,00,0

60,0 51,0 22,0 115,0 54,0 5,0 253,0 54,0

NB. La colonna A carico di altri enti deve essere compilata obbligatoriamente

Note:

Mod EC./EN. 4 (a cura del responsabile nazionale)





PREVISIONE DI SPESA

Piano finanziario globale di spesa

In KEuro

ANNIFINANZIARI

Miss.interno

Miss.estero.

Materialedi cons.

Trasp. eFacch.

SpeseCalc.


Mater.inventar

Costr.appar.

TOTALECompet.

200420052006

TOTALI

6060.058.0

5151.052.0

2224.021.0

00.00.0

00.00.0

00.00.0

11543.09.0

50.00.0

253.0178.0140.0

178,0 154,0 67,0 167,0 5,0 571,0



StrutturaCA


Resp. loc.: P. Oliva

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA

N RICERCATORECognome e Nome

QualificaAffer.

algruppo

% NTECNOLOGI

Cognome e Nome

Qualifica

%Dipendenti Incarichi Dipendenti Incarichi

Ruolo Art. 23 RicercaAssoc. Ruolo Art. 23Ass.

Tecnol. 1234567

BOTTIGLI UBALDO COSTANTINO SALVATORE GOLOSIO BRUNO MASALA GIANLUCA OLIVA PIERNICOLA STEGEL GIOVANNI STUMBO SIMONE

P.O.

R.U.

Spec.Dott.Dott.R.U.P.O.

5555555

40100401005010050

Numero totale dei Tecnologi Tecnologi Full Time Equivalent

00

NTECNICI

Cognome e Nome

Qualifica%Dipendenti Incarichi

Ruolo Art. 15Collab.tecnica

Assoc.tecnica

Numero totale dei ricercatori Ricercatori Full Time Equivalent

74.8

Numero totale dei Tecnici Tecnici Full Time Equivalent

00

SERVIZI TECNICI Annotazioni:

Denominazione mesi−uomo

Osservazioni del direttore della struttura in merito alladisponibilità di personale e attrezzature






MILESTONES PROPOSTE PER IL 2004Data

completamento Descrizione

06/2004 Revisione e ampliamento del database di immagini mammografiche

12/2004 Miglioramento algoritmi CALMA/GPCALMASperimentazione algoritmi di clustering per pre−processing

06/2004 Ricognizione stato dell'arte sugli algoritmi utilizzati per il riconoscimento

12/2004 Raccolta immagini in formato DICOM prodotte dagli Ospedali collaboranti

06/2004 Messa a punto script installazione del software per la stazione GPCALMAMessa a punto script configurazione AliEn Client

12/2004 Installazione stazioni GPCALMA negli Ospedali partecipantiUpgrade struttura del catalogo dati e "metadata"Sviluppo documentazione per l'installazione ed inserimento nel sito WEB

06/2004 Adattamento procedura installazione al prototipo del software applicativo ANPI

12/2004 Configurazione locale siti della VO ANPIDefinizione della struttura del catalogo dei dati

12/2004 Valutazione della fattibilita' di altre applicazioni mediche di GRID (radioterapia,radioprotezione, database trapianti, etc.)




Codice Esperimento GruppoMAMBO 5

Rapp. Naz.: Simone StumboRappresentante nazionale: Simone StumboStruttura di appartenenza: CAPosizione nell'I.N.F.N.:



Linea di ricercaTrasporto di fasci X


Laboratorio della Struttura Dipartimentale di Matematica e Fisica dell'Università di

Sassari.


MaMBO

Acceleratore usatoPer le prove previste durante il 1Â° ed il 2Â° anno l'ESRF di Grenoble.

Già a partire dal 2Â° e tutto il 3Â° anno sono previste misure presso LNF



Si vuol studiare il trasporto e l'allargamento di fasci di raggi X prodotti mediante

interazione di tipo Thomson back−scattering, al fine di renderli utilizzabili per imagingradiologico in vivo.



Cagliari, Milano,


ESRF − GILDA − LNF

Durata esperimento3 anni



I annoSimulazioni MonteCarlo del sistema tradizionale e della sorgente monocromatica, valutazione

del rate necessario e del contrasto teorico. Simulazione del tubo di trasf. del fascio X, misurepresso la linea GILDA cofin. dallâ€™INFN dellâ€™ESRF di Grenoble

II annoSimulazioni sulla geometria e valutazione delle modalità single−shot e multi−shot e per il

modellamento mediante spessori. Stima dello spread energ. del fascio minimo per la rivelaz. dicontrasti pari o migliori di quelli dei sistemi tradizionali (2 %)

II annoal fine di ottimizzare il rapporto NÂ° fotoni/spread energetico. Prime immagini All'ESRF.

Valutazioni di rate, spettro, profilo del fascio SPARC a Frascati.

III annoApplicazione ed adattamento di quanto fatto al fascio prodotto da SPARC−2 avendo come

prodotto finale la realizzazione di una immagine, con fascio monocromatico prodotto medianteThomson back−scattering, della dimensione della lastra.

mailto:


StrutturaCA


Resp. loc.: Simone Stumbo


VOCIDI




SJ SJ riunioni e misure presso strutture italiane 4.0

4.0 0.0

misure presso ESRF di Grenoble 6.0

6.0 0.0

materiale certificato per la realizzazione di un fantoccio da simulare e da usare per ilconfronto sperimentale

3.0

3.0 0.0

0.0 0.0


0.0 0.0

0.0 0.0

pompa a vuoto (fino a 10^−5 torr)

tubo a vuoto per trasporto fascio di fotoni (10 m)

tappi

6.0

2.0

5.013.0 0.0

0.0 0.0






Rapp. Naz.: Simone Stumbo


In KEuro

Struttura


caricodi altriEnti

Miss. interno

di cui SJ

Miss. estero.

di cui SJ

Materialedi cons.

di cui SJ

Trasp.e Facch.

di cui SJ

Spese Calc.

di cui SJ


di cui SJ

Mater.inventar.

di cui SJ

Costr.appar.

di cui SJ

TOTALECompet.

di cui SJ

CA MI

TOTALI

4,02,0

6,03,0

3,02,0

13,0 26,07,0

6,0 9,0 5,0 13,0 33,0


Note:



Nuovo esperimento GruppoMAMBO 5

PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO

VEDI ALLEGATO 1

Mod EN5

Proposta esperimento MAMBO (Mammographic Monochromatic Beam Outlook)

Attualmente la mammografia è lo strumento clinico più utilizzato per la diagnosi del cancro al seno. In particolare la mammografia di screening è l'unico strumento efficace per la diagnosi precoce in donne asintomatiche. La mammografia è un'immagine in proiezione di una mammella attraversata da raggi X di opportuna energia. L’energia utilizzata per l’esame è di circa 20 keV ed è il frutto di un compromesso tra un accettabile contrasto tra tessuto sano e parenchimale (i cui coefficienti di attenuazione presentano differenze minime, vedi figura) e una bassa dose al paziente.. Riguardo alla sorgente, i raggi X vengono prodotti per bremsstrahlung di elettroni, accelerati da un'alta ddp (25-30 kV) che impattano su un anodo, tipicamente di Molibdeno (talvolta Rodio). Lo spettro è policromatico e alla struttura di BS si trovano sovrapposti i picchi di fluorescenza tipici del materiale anodico. Mediante filtrazioni successive si modifica la forma dello spettro emesso al fine di privilegiare le energie ottimali per la formazione dell’immagine. Il tempo di emissione dei raggi X varia dalla frazione di secondo a qualche secondo. Attualmente i tubi a raggi X mammografici forniscono circa 108 γ/mm2 durante un esame (si veda simulazione), su una superficie di 18x24 cm2, in un tempo di circa mezzo secondo. Tensione 28 kVp Anodo Mo Inclinazione Anodo 21° Esposizione 100 mAs (da 50 a 200) Filtri 0.7 mm Be

0.03 Mo 600 mm Air

Distanza 600 mm Fotoni 5.7x105 γ/(mm2*mAs)

5.7x107 γ/mm2 Tempo 0.4 – 6 s Fotoni (dopo 45 mm di Lucite) 9.9x103γ/(mm2*mAs)

9.9x105 γ/mm2 Tab. 1: Simulazione (IPEM Rep. 78) delle caratteristiche di un tubo mammografico.

Vantaggi del tubo I vantaggi del tubo sono sicuramente molteplici. Innanzitutto è in grado di fornire il gran numero di fotoni richiesti in mammografia in tempi brevi. A vantaggio del tubo a raggi X giocano anche le dimensioni compatte della struttura, che la rendono installabile in una stanza. Svantaggi Tuttavia lo spettro prodotto dai tubi a raggi X presenta alcuni problemi. Nell'esame mammografico la migliore qualità dell’immagine è ottenuta per fotoni intorno ai 20 keV. Infatti per queste energie è massima la differenza tra i coefficienti di assorbimento dei tessuti sani e malati, e di conseguenza, è massimo il contrasto nell'immagine. Lo spettro dei tubi è invece policromatico e, anche dopo le filtrazioni, presenta un numero significativo di fotoni tra 10 e 25 keV. Il numero di fotoni ad energie diverse da quelle volute potrebbe essere ridotto ulteriormente dall’aumento di filtrazioni; tuttavia questa strada non è praticabile oltre il limite attuale. Infatti la maggior parte (~99%) dell’energia egli elettroni viene dissipata in calore, con problemi di fusione dell’anodo (che già attualmente è messo in rotazione per evitare che gli e- incidano sempre nello stesso punto). Questo limita l’incremento sia della corrente, sia del tempo di sparo ottenibili con un tubo tradizionale. Esiste quindi un considerevole numero di fotoni ad energia diversa da quella auspicabile. Un tipico spettro (simulato) è riportato in figura 1.

In mammografia i fotoni utili sono quelli di energia vicina a 20 keV. Gli altri o sono altamente assorbiti dal paziente o producono basso contrasto. Per capire quale è la frazione dei fotoni utili per raggiungere una buona qualità dell’esame mammografico si può dividere lo spettro in tre regioni: Zona Range Fotoni/(mm2*mAs)

(Totale 5.7x105 γ/(mm2*mAs) A E<16.5 keV 2.2x105 B 16.5 keV<E<23 keV 3.3x105 C E>23 keV 1.3x104 Tab. 2: Confronto fra il numero di fotoni prodotti da un tubo mammografico in tre regioni di energia. Per metterci nelle condizioni di lavoro della mammografia, vediamo come cambia lo spettro dopo aver attraversato 4.5 cm di Lucite (seno equivalente):

Figura 1 Figura 2

Zona Range Fotoni/(mm2*mAs) (Totale 9.9x103 γ/(mm2*mAs)

A E<16.5 keV 376 B 16.5 keV<E<23 keV 7.8x103 C E>23 keV 1.7x103 Tab. 3: Confronto fra il numero di fotoni prodotti da un tubo mammografico in tre regioni di energia dopo 4.5 cm di lucite. Innanzitutto si nota che i fotoni nella regione A vengono praticamente tutti assorbiti (in figura 2 sono presentati lo spettro precedentemente descritto e lo stesso dopo 4.5 cm di Lucite), mentre sono, in ingresso, dello stesso ordine di grandezza di quelli della regione B. Questi fotoni contribuiscono solo alla dose al paziente, mentre sono inutili ai fini della formazione dell’immagine. Per quanto riguarda i fotoni della regione C, questi sono in uscita dello stesso ordine di grandezza di quelli della regione B, ma producono rispetto a questi un’immagine a contrasto minore. Vantaggi della sorgente monocromatica L’utilizzo di una sorgente monocromatica di energia ottimale permetterebbe, a parità di numero di fotoni che raggiungono il rivelatore (B+C dopo la Lucite), una minore dose al paziente (non ci sono più i fotoni della regione A) ed un maggior contrasto (anche quelli di C all’energia giusta); oppure, a parità di contrasto con la mammografia tradizionale, un’ulteriore riduzione della dose al paziente. Esistono anche vantaggi legati al miglioramento del rapporto segnale/rumore, dovuti alla riduzione dello scattering Compton dei fotoni di energia più alta. Nuove sorgenti Una naturale sorgente di X monocromatici di alta intensità è il sincrotrone. La luce di sincrotrone è la radiazione monocromatica largamente più utilizzata, ma presenta come svantaggio la scarsa disponibilità di facility disponibili ed il loro considerevole costo di realizzazione e di mantenimento. A causa di queste problematiche non è pensabile che il sincrotrone possa sostituire il tubo nella pratica quotidiana. Una strada alternativa di produzione di radiazione monocromatica è invece rappresentato dalla radiazione prodotta mediante una interazione di tipo Thomson back-scattering di un fascio laser da parte di elettroni di media energia (20-50 Mev) (fig. 2).

Questo metodo produce raggi X monocromatici con energia anche di varie decine di KeV ed a un flusso che si rivela compatibile con la loro utilizzazione nell’imaging medico, ed in particolare con le richieste di flussi di fotoni necessari per la realizzazione di eventuali immagini in mammografia. Più di una facility al mondo sta lavorando su questo tipo di interazione, ad esempio presso la macchina KEK-AR giapponese vengono attualmente prodotti Raggi X monocromatici da 37 KeV con un flusso fino a 1011 γ/s.

fig. 3 I dati usati per le stime nelle tabelle 4-6 sono ricavati dalle specifiche dell’esperimento di produzione di radiazione monocromatica mediante Thomson back-scattering previsto presso l’esperimento SPARC (nella sua fase 2) approvato ai Laboratori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Frascati nel gennaio 2003. Più in dettaglio lo schema di funzionamento di un sistema Thomson back-scattering come proposto da SPARC-2 prevede un foto-iniettore che accelera un fascio di elettroni ad una energia variabile fra i 25 ed i 50 MeV, in pacchetti che trasportano una carica di 0.5-1.5 nC, di durata di circa 10 ps e focalizzati nel punto di collisione su uno spot di 50 micron.

Il fascio laser è prodotto da un sistema Ti:Sapphire (816 nm) in pacchetti della durata di 100fs che trasportano una energia compresa fra 100 mJ e 1 J e che vengono focalizzati nel punto di collisione su uno spot circa uguale e sovrapposto a quello del fascio di elettroni (≅50µm). Il fascio di radiazione X prodotto nell’interazione presenta a 20 KeV una divergenza angolare di 5 mrad. . Il numero stimato di fotoni/s con la tecnologia attuale ammonta 2.5 108 γ/s, ma già sono previsti upgrade e progetti che da un lato prevedono di aumentare il numero di fotoni di un fattore 100 riducendo le dimensioni del pacchetto di elettroni e quindi lo spot nel punto di collisione da 50x50 µm2 a 5x5 µm2 e dall’altro lo sviluppo di un laser ad alta potenza dedicato a SPARC. Esperimento MAMBO Descrizione L’esperimento che si intende qui descrivere si propone di valutare, dato in ingresso un fascio come quello descritto sopra, la realizzabilità di una sorgente X monocromatica adatta per un uso in campo di imaging medicale ed in mammografia in particolare, e costruire un prototipo per l’utilizzazione di un tale fascio. Per poter utilizzare una simile sorgente in mammografia è necessario soddisfare due richieste:

• da un lato coprire una superficie di interesse mammografico (18x24 cm2); • dall’altro fornire un numero sufficiente di fotoni in un tempo ragionevole.

Riguardo al primo aspetto, l’intrinseca divergenza del fascio (5mrad) consentirebbe di raggiungere dimensioni adeguate dopo 50 m. Questo, sebbene non consenta la realizzabilità di sistemi installabili in strutture preesistenti (al posto dei tubi), è fattibile nella progettazione di una nuova struttura, in cui, nello stesso piano del bunker venga pensata, 50 m più avanti, la stanza per la mammografia. Questa soluzione prevede la realizzazione di un canale di trasferimento all’interno del quale si propaghino gli X senza sostanziali attenuazioni. Un tale canale può essere posto sotto vuoto (agevolmente 10-5 torr) o riempito con un materiale opportuno a basso assorbimento nel range energetico di interesse (ad esempio elio o argon). Per rendere un tale sistema appetibile anche per le strutture esistenti, è necessario studiare la possibilità di amplificare la divergenza del fascio stesso, riducendo così la lunghezza da percorrere. Vogliamo quindi indagare la possibilità di amplificare la divergenza del fascio mediante apposite ottiche X (specchi, multilayer, lenti rifrattive), al fine di rendere il sistema più compatto, valutando quali siano i costi, in termini di efficienza (e quindi di flusso di fotoni) e di alterazione dello spettro, di una tale scelta. Un’altra strada percorribile è quella di effettuare l’immagine con una sorgente di dimensioni inferiori, muovendola e componendo le immagini. Questo da un lato riduce drasticamente le richieste di allargamento del fascio e consente di variare l’intensità punto per punto, riproducendo eventualmente l’effetto Heel dei tubi tradizionali, dall’altro introduce un rallentamento (tempi di movimentazione) e può causare artefatti dovuti alla non omogeneità in xy del fascio, che bisogna valutare. Vogliamo valutare la possibilità di fare imaging multi-shot, studiando se sia meglio appiattire il fascio con un filtro in ingresso, oppure se sia il caso di realizzare multi-shot parzialmente sovrapposti in maniera che le code della distribuzione si sommino in due shot successivi (diminuendo così l’attenuazione del fascio dovuto al filtro) , tenendo ferma però la dose al paziente. Bisogna valutare con simulazioni e misure, la possibilità di perseguire una simile strada, in termini di tempi necessari a raggiungere l’opportuno numero di fotoni e valutare quali siano le dimensioni che si riescono a raggiungere con una soluzione di questo tipo. Circa il secondo punto, si tratta innanzitutto di capire (mediante misure e simulazioni) qual è la reale richiesta, in termini di fotoni totali, a parità di contrasto per una sorgente monocromatica e se è possibile soddisfare una tale richiesta mediante la sorgente in questione, in tempi compatibili con un esame mammografico (≤ 10 s).

Riguardo le simulazioni, simuleremo il completo processo di formazione dell’immagine, a partire dallo spettro e distribuzione xy dei fasci (tradizionale e sorgente TB single e multi shot), interazione con un fantoccio di mammella con strutture sane e patologiche ed interazione con un rivelatore, per valutare con precisione quali sono le aspettative di rate in ingresso dei sistemi monocromatici tipo TB necessario a riprodurre il contrasto e il rapporto segnale/rumore attualmente accettati in mammografia tradizionale. Riguardo le misure, vogliamo realizzare immagini di fantocci standard in condizioni controllate, al fine di ottenere informazioni sperimentali su contrasto e SNR. Vogliamo simulare e misurare con un piccolo prototipo (massimo una decina di metri) la effettiva capacità di trasporto del fascio in ingresso al fine di minimizzare le perdite per attenuazione. Vorremmo poi effettuare una serie di immagini con sorgente monocromatica, (sincrotrone ESRF) dello stesso fantoccio, a vari flussi, per replicare contrasto e SNR. In questo modo è possibile ottenere una conferma sperimentale dei flussi richiesti per l’imaging mammografico. Un’ulteriore studio che vorremmo portare avanti è su quanto stringenti siano, in termini di rms, le richieste di monocromaticità del fascio al fine di ottenere definite proprietà di immagine e di come il flusso richiesto e la dose al paziente varino in funzione di questo allargamento. Infatti, il numero di fotoni/s forniti dal sistema TB cresce con l’aumentare della rms. Ci proponiamo di realizzare una simulazione che ci consenta di valutare, fissata la dose al paziente, quale sia lo spread energetico ottimale per fare imaging medicale in tempi brevi e con contrasto e SNR migliori. Stima Preliminare Per quanto riguarda le prestazioni di una sorgente X monocromatica basata su Thomson backscattering, queste sono le caratteristiche del fascio che verrà prodotto da una linea che si appoggia all’esperimento SPARC attualmente in fase di realizzazione presso il Laboratorio INFN di Frascati: Energia 20 keV (10-50) Area del fascio 50x50 µm2 Divergenza 5 mrad Fotoni (max) 2.5x108 γ/s Tab. 4: Caratteristiche simulate del fascio di raggi che verrà prodotto da SPARC. Questo è il numero di fotoni prodotto al secondo che deve essere utilizzato per fare l’immagine. Supponendo di espandere lo spot, questi sono i fotoni/(mm2*s) ottenuti ed i tempi necessari ad arrivare ai rate richiesti dalla mammografia: Area Finale (mm2) Fotoni/(mm2*s) Tempo per 5.7x107 γ/mm2 (s) 1 2.5x108 0.23 2700 (lastra/16) 9.3x104 612 43200 (lastra) 5.8x103 9800 Tab. 5: Simulazione dei tempi necessari ad una mammografia considerato un fascio come da Tab. 4. Questi numeri sono decisamente bassi per l’applicazione in mammografia. Il tempo necessario per realizzare una mammografia è di circa 2 ore e 40. Tuttavia, il rate da replicare non è quello in uscita dal tubo, ma, al massimo quello in arrivo sul rivelatore dopo l’attraversamento del seno; in pratica B+C dopo la Lucite (vedi sopra). Quindi se si suppone di dover replicare in uscita solo i fotoni in B (quelli all’energia ottimale) bisogna fornire in ingresso 1.5x105 γ/(mm2*mAs) (1.5x107 γ/mm2 per 100mAs) . Se si suppone di dover fornire un numero equivalente a B+C bisogna raggiungere 1.9x105 γ/(mm2*mAs) (1.9x107

γ/mm2 per 100mAs) . Questo vorrebbe dire nel caso B fare l’immagine in 2600s (43min), nel caso B+C in 54 min. Poiché i fotoni in C contribuiscono alla formazione dell’immagine, ma con un contrasto peggiore, il numero di fotoni monocromatici necessari per ottenere lo stesso contrasto è compreso tra B e B+C e così il tempo di acquisizione. Bisognerebbe anche tenere conto del fatto che i fotoni in C tendono a fare scattering, peggiorando il rapporto segnale/rumore. Come detto sopra, ci sono concrete aspettative, appoggiandosi al fascio prodotto da SPARC, di ottenere un aumento sostanziale del numero di fotoni/s fino a 1011 (l’aspettativa è di arrivare a 5*109 fotoni per impulso, con repetition rate di 20 Hz), che consentirebbe di ridurre conseguentemente anche i tempi di acquisizione (non è infine esclusa la possibilità di raggiungere repetition rate di 50 Hz). Con un numero di fotoni di 2.5x1011 il tempo necessario a realizzare una mammografia è, nell’ipotesi B, di 2.6s; nell’ipotesi B+C diventa 3.2s.

Caso γ/mm2( per 100 mAs) Tempo (con 2.5x108 γ/s) Tempo (con 2.5x1011 γ/s) B 1.5x107 2600s 2.6s B+C 1.9x107 3250s 3.2s Tab. 6: Tempi previsti per la realizzazione di un esame mammografico nell’ipotesi di usare un numero efficace di fotoni monocromatici prodotti da SPARC pari a quelli presenti nella sola regione B di fig. 1. Questi tempi diventano perfettamente compatibili con quelli dell’esame mammografico. Questa stima mostra come sia in prospettiva pensabile un’applicazione mammografica delle sorgenti TB. L'esperimento si articola in tre anni: Primo Anno: Qualità del fascio e numero di fotoni Nel primo anno il lavoro consiste soprattutto nella realizzazione di simulazioni MonteCarlo del sistema tradizionale e della sorgente monocromatica e della loro interazione con il fantoccio (contenente strutture sane e patologiche): rate e spettro dopo il fantoccio, valutazione del contrasto teorico (facendo uso di fantocci mammografici). Per queste verifiche sono previste misure con tubo mammografico e confronto con sorgente monocromatica (presso la linea GILDA cofinanziata dall’INFN dell’ESRF di Grenoble), per la determinazione del rate richiesto da una sorgente monocromatica per ottenere un contrasto equivalente a quello del tubo. Verifica sperimentale dei rate richiesti in mammografia (prima e dopo fantoccio). Simulazione del tubo di trasferimento del fascio e misure quantitative di efficienza di trasporto del fascio presente in ingresso. L’obiettivo è minimizzare le perdite di fotoni. Secondo Anno: Geometria del fascio Simulazioni sulla geometria e valutazione delle modalità single-shot (facendo uso di fascio allargato) e multi-shot (con fascio su una superficie dell’ordine del cm2) (studio degli artefatti). Studi e simulazioni per il modellamento mediante spessori opportunamente calibrati del profilo del fascio al fine di renderlo di intensità costante lungo i due assi X ed Y. Valutazione della possibilità di multi-shot parzialmente sovrapposti. Studi e misure sull'allargabilità del fascio. Stima dello spread energetico del fascio sufficiente per garantire la rivelazione di

contrasti minimi pari o migliori di quelli dei sistemi a lastra tradizionali (2 %) al fine di ottimizzare il rapporto N° fotoni/spread energetico. Confronto fra sistema compatto costitutito da fascio allargato mediante ottiche X (specchi, multilayer, lenti rifrattive) e fascio allargato mediante trasporto sfruttando la sua naturale divergenza, e quindi realizzazione del sistema (eventualmente ibrido) valutato + conveniente/efficiente presso l’ESRF e prime immagini (piccole). Valutazioni di rate, spettro, profilo del fascio SPARC a Frascati. Immagini preliminari con il fascio di SPARC. Terzo Anno: Il know-how acquisito dalle simulazione e dalle misure realizzate presso l’ESRF dovrebbero avere come naturale conseguenza la loro applicazione ed adattamento al fascio prodotto da SPARC-2 avendo come prodotto finale la realizzazione di una immagine, con fascio monocromatico prodotto mediante Thomson back-scattering, della dimensione della lastra. Collaborazione La collaborazione MAMBO comprende la sezione INFN di Cagliari e di Milano.

• Gruppo di Sassari (INFN - Cagliari) Ubaldo Bottigli (PO) 40% Bruno Golosio (dottorando) 40% Angela Poggiu (Specializzanda Fisica Sanitaria) 100% Piernicola Oliva (RU) 50% Simone Stumbo (RU) 50% Totale Gruppo di Sassari 2.8 FTE

• Gruppo di Milano Vittoria Petrillo (RU) 20% Cesare Maroli (PA) 20% Luca Serafini (I Ric. INFN) 20% Francesco Broggi (Ric. INFN) 20% Alberto Bacci (borsista INFN) 30% Totale Gruppo di Milano 1.1 FTE Richieste finanziarie

2004 Coord. Locale

Missioni Interne

Missioni Estere

Materiale consumo

Materiale Inventariabile Totale FTE

Cagliari Stumbo 4 k€ 6 k€ 3 k€ * 13 k€ ** 26 k€ 2.8 Milano Serafini 2 k€ 3 k€ 2 k€ 7 k€ 1.1

Totale 3.9

2005 Coord. Missioni Missioni Materiale Materiale Totale FTE

Locale Interne Estere consumo Inventariabile Cagliari Stumbo 6 k€ 7 k€ 1 k€ 5 k€ 19 k€ 2.8 Milano Serafini 1.1

Totale 3.9

2006 Coord. Locale

Missioni Interne

Missioni Estere

Materiale consumo

Materiale Inventariabile Totale FTE

Cagliari Stumbo 7 k€ 3 k€ 1 k€ 2 k€ 13 k€ 2.8 Milano Serafini 1.1

Totale 3.9

* materiale certificato per la realizzazione di un fantoccio da simulare e da usare per il confronto sperimentale ** tubo 2 kE (per 10m), 'tappi' 5kE, pompa 6kE





PREVISIONE DI SPESA


In KEuro

ANNIFINANZIARI

Miss.interno

Miss.estero.

Materiale dicons.

Trasp. eFacch.

SpeseCalc.


Mater.inventar

Costr.appar.

TOTALECompet.

200420052006

TOTALI

610.011.0

912.08.0

53.03.0

00.00.0

00.00.0

00.00.0

135.02.0

00.00.0

33.030.024.0

27,0 29,0 11,0 20,0 87,0



StrutturaCA


Resp. loc.: Simone Stumbo



QualificaAffer.

algruppo

% NTECNOLOGI

Cognome e Nome

Qualifica



Tecnol. 12345

BOTTIGLI UBALDO GOLOSIO BRUNO OLIVA PIERNICOLA POGGIU ANGELA STUMBO SIMONE

P.O.

R.U.

Dott.R.U.Spec.

55555

40405010050


00

NTECNICI

Cognome e Nome



Assoc.tecnica


52.8


00











novembre Valutazione e misura dei rates richiesti.

novembre Misura dell'efficienza di trasporto del fascio di raggi X in un tubo di 10 m (sotto vuoto non spinto).




Codice Esperimento GruppoMOCAMA 5

Rapp. Naz.: PAOLO RANDACCIO

Rappresentante nazionale:PAOLO RANDACCIOStruttura di appartenenza:CAPosizione nell'I.N.F.N.:

INFORMAZIONI GENERALI

Linea di ricerca Elettronica, Calcolo, Radioterapia


Sigla delloesperimento

assegnata dallaboratorio

Acceleratore usato

Linac per Radioterapia

Fascio(sigla e

caratteristiche)

Raggi X


Interazione radiazione materia

Apparatostrumentale

utilizzato

Processori paralleli, configurable computer


Cagliari

Istituzioni esterneall'Ente partecipanti

Ospedale Oncologico "Businco" − Cagliari

Durata esperimento

Anni 3 : 2003−2005

Mod EC. 1 (a cura del responsabile nazionale)


StrutturaCA


Resp. loc.: PAOLO RANDACCIO


VOCIDI




SJ SJ Congressi Nazionali 1.0

1.0 0.0

Un Congresso Internazionale 1.0

1.0 0.0

Componenti elettronici, realizzazione di circuiti stampati

Sistema di sviluppo per Altera Stratix

5.0

2.2

7.2 0.0

0.0 0.0


0.0 0.0

0.0 0.0

0.0 0.0

0.0 0.0




StrutturaCA



ALLEGATO MODELLO EC2

VEDI ALLEGATO 1

Mod EC./EN. 2a Pagina 1 (a cura del responsabile locale)


StrutturaCA





!"## $ %$%

&$ %$%'()

*+,$-..-+/#0

$)Eclipse 3D Varian

$$)""!"Lawrence Livermore National Laboratory

$+

*)

$

$$ +'

)

&.-1(-

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'2.-

.--&.'3(

%45-

6%*6-

67-.'

8 +94 )4 +9

$'$)'

RND

γγγγ pipe

e pipe

γ

e Absorption

Compton

Photo

Pair

What Int [i j k E] [i’ j’ k’ E’]

[i’’ j’’ k’’ T]

%45-

Range di energia0 ÷÷÷÷ 60 MeV

16 bit Step ≈≈≈≈ 0.9 Kev Range distanze0.5 m

16 bit Step ≈≈≈≈ 0.01 mmAngoli 0 ÷÷÷÷ 2π π π π

16 bit Step ≈≈≈≈ 1 mradVoxelVoxel ≈≈≈≈≈≈≈≈

1 x 1 x 1 mm1 x 1 x 1 mm33

!

clock

out[0] out[1] out[n-1] out[n]in

seed

sig

readwrite

readwrite

Addr_B

Addr_A

sig

sig sig

randomnumber

sig_32

load

clock

sig_7

load

clock

clock

read Awrite Aread Bwrite B

clock

clock_ctrl

start

stop

!$$*-

e-

hνννν0000

e- ; Ek

hνννν 1111

ΘΘΘΘψψψψ

hνννν0000

dΩ

ΦΦΦΦ0 [photons/cm2]

hνννν1111

θ

r

*7-

hνννν0000

Rnd

hνννν1111Eksin ΘΘΘΘ, cos ΘΘΘΘsin ψψψψ, cos ψψψψ

...):5

−=

kji

sinsinsinsin

kji

ΘΘΘΦΦΘΦΘΦΦΘΦ

cos0sensencoscos

coscoscos

'''

-.!%

*;<+ '-

4

= 5

5

4

4

-

-

-

:

->=:

>45:

>=:

->45:

>5=

*=?45?5=-

*7-)"? θ

θ

υ

θ

+

6'+ +9@1')

4( +9

( µ A

( "B9&"(A 7-

+9,.

+9&+(

4

∆ty =1/j

*&(,0+

&i,j,k(

*,-)

9 :Σ ∆9

8 :Σ ∆8

1/i 1/j +..+

∆tx =1/i

C)

D #C?-'

E"?.

+.F

9

8

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C6%*GG%G " E

$ %$%)

)?-.!% +?+ +/'20&-??7-(

=)+--+1.&5H$-8B(

I)'".."...






In KEuro

Struttura


caricodi altriEnti

Miss. interno

di cui SJ

Miss. estero.

di cui SJ

Materialedi cons.

di cui SJ

Trasp.e Facch.

di cui SJ

Spese Calc.

di cui SJ


di cui SJ

Mater.inventar.

di cui SJ

Costr.appar.

di cui SJ

TOTALECompet.

di cui SJ

CA

TOTALI

1,0 1,0 7,2 9,2

1,0 1,0 7,2 9,2


Note:






A) ATTIVITA' SVOLTA FINO A GIUGNO 2003Le attività svolte possono inquadrarsi nelle voci Hardware, Sviluppo di Algoritmi, Software, Test di validità del metodo.− Hardware : è stata realizzata −in collaborazione con il gruppo ALICE di Cagliari− una scheda PCI che alloggia una fPGA ALTERA dielevate prestazioni e 32 Mbyte di RAM Statica. Tale sistema consente di realizzare un 'computer riconfigurabile' dato che la fPGA vieneconfigurata via software per eseguire un algoritmo specifico che viene eseguito ad una velocità circa 100 volte maggiore rispetto ad uncomputer che esegue lo stesso algoritmo via software. Ciò è possibile se gli algoritmi utilizzano operazioni aritmetiche con numeri interi,oppure se le funzioni di calcolo vengono trasformate in sviluppi in serie o ancora se i risultati vengono ottenuti tramite accesso a LUTpre−calcolate.− Sviluppo di Algoritmi : è stato sviluppato un algoritmo per il calcolo della cessione di energia da parte di un elettrone che attraversa unoggetto rappresentato tramite una matrice 3D di voxels. L'algoritmo consente di individuare le coordinate del voxel interessato, il percorsoall'interno del voxel, la frazione di energia ceduta. La novità dell'algoritmo consiste nel fatto che tutti i calcoli vengono svolti eseguendo solooperazioni di somma e confronto, consentendo con ciò una facile realizzazione in circuito logico programmabile. Sono stati sviluppati altrialgoritmi accessori, quali un generatore di numeri pseudo−random alla 'Marsaglia−MacLauren', tecnica di calcolo di sezioni d'urto tramiteLook−Up−Tables, una versione veloce di 'marching cubes', ed una tecnica riadattata per la 'riduzione della varianza'.− Software : sono stati realizzati i programmi per la ricostruzione del corpo del paziente a partire da una serie di sezioni tomografiche, per lavisualizzazione 3D delle superfici isodensità rendendo così possibile la visualizzazione di organi specifici e il mascheramento dei tessuticircostanti, per il calcolo delle distribuzioni di dose utilizzando tecniche convenzionali quali 'pencil beam' e tecniche Monte Carlo.− Test di validità del metodo : sono stati messi in evidenza i parametri che influiscono sulla velocità e sulla precisione di calcolo,confrontando i risultati con quelli ottenuti con programmi commerciali per la preparazione dei piani di trattamento.

B) ATTIVITA' PREVISTA PER L'ANNO 2004Nel 2004 è prevista la realizzazione su circuito logico programmabile degli algoritmi più complessi, in particolare l'algoritmo 'marchingcubes' che richiede un notevole dispendio di tempo quando è eseguito via software su una matrice 3D di elevate dimensioni(512x512x512). Inoltre sarà necessario integrare in un unico sistema tutti gli algoritmi che attualmente sono eseguiti separatamente, adesempio nel calcolo della interazione Compton si devono eseguire in sequenza : la estrazione di alcuni numeri pseudo−random per levalutazioni di parametri legati a leggi statistiche, il calcolo della energia del fotone e dell'elettrone diffuso, il calcolo dei coseni direttori delledirezioni del moto delle particelle, il calcolo della energia depositata nei vari voxel da parte dall'elettrone messo in moto. Attualmente questialgoritmi sono stati studiati separatamente e realizzati singolarmente su una singola fPGA, occorrerà dimostrare la fattibilità di unprocessore dedicato in grado di svolgere in sequenza tutte queste operazioni su una piattaforma di fPGA commerciali attualmentedisponibili.

La realizzazione dell'intero algoritmo 'Interazione Compton' richiederà l'uso di più fPGA connesse tra loro tramite una interconnessionefisica diretta oppure tramite il bus PCI sul quale attualmente vengono alloggiate le schede del 'computer riconfigurabile' realizzato nel 2003nell'ambito del progetto MOCAMA.

Sempre nel 2004 contiamo di produrre come accessorio al nostro progetto un programma per la predisposizione dei piani trattamentoradioterapici e il calcolo delle distrubuzioni di dose a partire dalle caratteristiche dei fasci di radiazione utilizzati e dalla morfologia delpaziente ottenuta con una serie di sezioni tomografiche. In questo programma saranno utilizzati gli algoritmi di calcolo Monte Carlo e 'pencilbean' per ottimizzare velocità di calcolo con precisione.

C) FINANZIAMENTI GLOBALI AVUTI NEGLI ANNI PRECEDENTI In kEuro

Annofinanziario

Missioniinterno

Missioniestero

Materialedi

consumo

Trasp. eFacch.

SpeseCalcolo

Affitti eManut.

Apparec.

Materialeinventar.

Costruz.apparati

TOTALE

2003

TOTALE

1.0 1.0 10.0 0.0 0.0 0.0 2.0 0.0 14.0

1 1 10 0 0 0 2 0 14

Mod EC. 5 (a cura del rappresentante nazionale)





PREVISIONE DI SPESA


In KEuro

ANNIFINANZIARI

Miss.interno

Miss.estero.

Materiale dicons.

Trasp. eFacch.

SpeseCalc.


Mater.inventar

Costr.appar.

TOTALECompet.

20042005

TOTALI

12.0

12.0

7.210.0

00.0

00.0

00.0

00.0

00.0

9.214.0

3,0 3,0 17,2 23,2



StrutturaCA





QualificaAffer.

algruppo

% NTECNOLOGI

Cognome e Nome

Qualifica



Tecnol. 1234

BRUNETTI ANTONIO FANTI VIVIANA MARZEDDU ROBERTO RANDACCIO PAOLO

R.U.

P.A.

AsRicBors.

5555

30505040

1 MELEDDU GIANFRANCO D.Osp. 100


11

NTECNICI

Cognome e Nome



Assoc.tecnica


41.7


00











31/01/2004 Interconnessione tra più schede PCI alloggianti un 'reconfigurable computer'

30/03/2004 Prima versione per utente ospedaliero di un programma per piani di trattamento radioterapici

30/06/2004 Algoritmo 'Effetto Compton' realizzato su 're−configurable computer'

30/09/2004 Algoritmo per la cessione di energia di un elettrone che attraversa una matrice 3D di voxel, realizzato sureconfigurable computer

31/12/2004 Algoritmo 'Marching Cubes' su processore dedicato




Codice Esperimento GruppoMULTITAC 5

Rapp. Naz.: Roberto Cesareo

Rappresentante nazionale:RobertoCesareo

Struttura di appartenenza: CAPosizione nell'I.N.F.N.:



Linea di ricerca TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA MULTIPLA


ISTITUTO DI MATEMATICA E FISICA, UNIVERSITA' DISASSARI


MULTITAC

Acceleratore usato



INTERAZIONE DELLA RADIAZIONE CON LA MATERIA


TOMOGRAFO A RAGGI X COMPUTERIZZATO


CAGLIARI, LECCE, BOLOGNA


COPPE− UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO,BRASILE

Durata esperimento 24 MESI



1.1.2004−31.12.2005

Attualmente à¨ disponibile un prototipo di tomografo con 2 rivelatoriNaI(Tl) in trasmissione ed in diffusione Compton e Rayleigh ed unrivelatore Si−PIN per tomografia in fluorescenza. I fotoni diffusirichiedono rivelatori di grande area, per averne suf


mailto:

mailto:


StrutturaCA


Resp. loc.: Roberto Cesareo


VOCIDI




SJ SJ Contatti con gli altri membri del progetto

Partecipazione a Convegni e Congressi nazionali

2.5

2.55.0 0.0

Contatti con membri esterni del progetto (COPPE, Univ. Fed. do Rio de Janeiro, Brazil)

Partecipazione a Congressi internazionali

2.5

2.55.0 0.0

Realizzazione di parti meccaniche, collimatori, filtri ecc. 5.0

5.0 0.0

0.0 0.0


0.0 0.0

0.0 0.0

Rivelatore C−MOS della Hamamatsu (rivelatore multiplo per tomografia Compton) 15.0

15.0 0.0

0.0 0.0




StrutturaCA




Con il finanziamento per l'anno 2004, ed in particolare con l'acquisto del rivelatore C−MOS della Hamamatsu previsto perla tomografia Compton, si intende montare il tomografo già esistente integrandolo con questo rivelatore, e continuando adimpiegare un rivelatore NaI(Tl) per la tomografia in trasmissione. Ci si propone di verificare che in questo modo i tempi perla tomografia Compton siano analoghi ai tempi della tomografia in trasmissione.



StrutturaCA










In KEuro

Struttura


caricodi altriEnti

Miss. interno

di cui SJ

Miss. estero.

di cui SJ

Materialedi cons.

di cui SJ

Trasp.e Facch.

di cui SJ

SpeseCalc.

di cui SJ


di cui SJ

Mater.inventar.

di cui SJ

Costr.appar.

di cui SJ

TOTALECompet.

di cui SJ

BO LE CA

TOTALI

6,05,05,0

3,03,05,0

8,03,05,0

1,0

15,0

18,011,030,0

16,0 11,0 16,0 1,0 15,0 59,0


Note:



Nuovo esperimento GruppoMULTITAC 5


La tomografia a raggi X in trasmissione, comunemente nota come TAC, è nata agli inizi degli anni 70 peropera di G. Hounsfield, il quale, anche basandosi su precedenti studi di A.M. Cormack, realizzò il primotomografo clinico. Hounsfield e Cormack si divisero nel 1980 il premio Nobel per la Medicina, e la TAC harivoluzionato il settore della diagnostica radiologica.Le applicazioni della TAC nel settore delle prove non distruttive sono invece iniziate alla fine degli stessi anni70, e si sono poi estese dal settore industriale, a quello della fisica del suolo, della geologia,dell’archeometria. La tecnica è quindi del tutto consolidata anche nel settore non−clinico, anche se il suo pesoe la sua importanza non sono confrontabili con quelli del settore radiologico.Ciò è ovviamente dovuto all’enorme impatto che la TAC ha avuto nella diagnostica clinica, ma anche al fattoche in questo settore è possibile realizzare un tomografo “standard” valido per tutti gli esseri umani, mentre lastessa cosa non è possibile nel settore non medico, data la molteplicità e varietà dei problemi.In modo schematico la TAC si basa sull’attraversamento di un oggetto, che può ruotare e traslare, da parte diun fascetto di raggi X. Questo attraverserà di volta in volta porzioni diverse del campione, venendo assorbitoin modo diverso a seconda delle caratteristiche e della distribuzione del materiale che incontra (densità,densità elettronica, numero atomico). Attraverso metodi matematici viene “ricostruita” ad esempio la mappadella densità del materiale nella sezione attraversata dai raggi X. La stessa procedura può essere eseguita conun ventaglio di raggi X oppure con un cono di raggi X, ottenendo così una immagine ricostruita senzanecessità di traslare il campione, oppure una immagine tridimensionale.In ogni caso la TAC utilizza quella parte della radiazione X che attraversa il campione senza interagire conesso. La restante parte, generalmente quella maggioritaria, è quella che interagisce con il campione,principalmente attraverso tre processi: a. effetto fotoelettrico; b. effetto Compton ; c. effetto di scatteringelastico. Questi tre effetti dipendono anch’essi dalla natura del materiale, e la loro utilizzazione, in modoanalogo a quanto avviene per la tomografia in trasmissione, consente di ottenere delle immagini alternativeoppure complementari a quelle della tomografia in trasmissione.Con il presente progetto si intende realizzare, a livello di prototipo preindustriale, un tomografo multiplo, ilquale sfrutti tanto le informazioni provenienti dai fotoni trasmessi, quanto da quelli diffusi, quanto ancora daquelli, secondari, di fluorescenza, per arrivare ad un insieme di immagini che forniscano il massimo delleinformazioni possibili in termini di distribuzione di densità e di numero atomico.Si intende applicare questo prototipo ai seguenti settori:−archeometria.−studio di rocce di interesse per l’industria petrolifera;−industria del sughero;

Mod EN5

BASI FISICHE DELLA TOMOGRAFIA (IN TRASMISSIONE ED IN DIFFUSIONE) (vedi Figura 1) 2.1 tomografia in trasmissione L’attenuazione di un fascio di raggi X monoenergetico da parte di un campione omogeneo segue l’equazione: NT = N0 exp -( µ x) (1) In cui N0 e NT indicano rispettivamente l’intensità dei fotoni incidenti e trasmessi, µ è il coefficiente di attenuazione lineare del campione (omogeneo) di spessore x . Se il campione non è omogeneo conviene dividere il volume irraggiato in tanti elementi di volume (chiamati voxel, di volume (∆x)3 ), dove ∆x ha più o meno le dimensioni del fascio incidente, in cui si suppone che il coefficiente di attenuazione si mantenga costante. Nella tomografia in trasmissione il fascio di raggi X emessi ed il rivelatore (o sistema di rivelatori) sono allineati e dalla parte opposta rispetto al campione. La radiazione trasmessa si può ora scrivere come: NT = N0 exp (-Σi µi ∆x) (2) oppure Σi µi ∆x = ln N0/NT (2’) dove µi è il coefficiente di attenuazione lineare del i-esimo voxel. L’immagine ricostruita rappresenta, quindi, una distribuzione del coefficiente di attenuazione, che dipende, a sua volta, a parità di energia, dal numero atomico medio Z , e dalla densità fisica δ. Per ottimizzare la qualità dell’immagine, deve essere valida la condizione Σi µi ∆x ≈ 2 , che corrisponde a: NT ≈ N0 e-2 ≈ 0.14 N0. Si noti che questa condizione corrisponde a circa 0.86 N0 fotoni che interagiscono con il campione. Generalmente il coefficiente di attenuazione lineare dipende prevalentemente, nella zona dei raggi X, dagli effetti fotoelettrico e Compton, più un contributo dovuto all’effetto Rayleigh che raramente supera il 10% del totale. A basse energie prevale largamente l’effetto fotoelettrico, che dipende da una elevata potenza del numero atomico (≈ Z3-Z5), mentre ad alte energie prevale l’effetto Compton, che dipendono solamente dalla densità ρ . 2.2 tomografia Compton Nel caso della tomografia Compton, si rivelano fotoni che interagiscono con gli elettroni del campione per mezzo di un effetto Compton (o inelastico). La disposizione geometrica più utile è quella con il rivelatore a circa 90° rispetto al fascio X incidente, per meglio delimitare il voxel irraggiato. L’energia EC del fotone deviato di 90° dipende dalla energia della radiazione incidente E0 nel modo seguente: EC ≈ E0 / (1 + α) (3) dove α = E0/511. Per E0 = 20, 40, 60, 80 and 100 keV, EC ≈ 19.2, 37.1, 53.7, 69 and 83.6 keV. Quindi i fotoni Compton secondari hanno un’energia non molto differente da quella incidente. Il “picco Compton ” ha un’energia data dall’ Eq. (3), ma è più largo dei picchi fotoelettrici, a causa della dispersione angolare, dello scattering multiplo e del così detto “Compton profile”. Quantitativamente il numero di fotoni Compton diffusi a 90° può essere approssimativamente calcolato come: NC ≈ N0 (µC/µ) Ω A (4) Dove µC e µ sono rispettivamente il coefficiente di attenuazione lineare per effetto Compton e totale all’energia incidente E0 , Ω è l’angolo solido oggetto-rivelatore ed A rappresenta il fattore di

attenuazione della radiazione incidente e secondaria. . Per una matrice leggera, per esempio acqua, o materiali plastici, e per energia della radiazione incidente nella zona Compton , dove µC / µ ≈ 1, e ponendo il rivelatore ,di diametro d più vicino possibile al campione (d≈r dove r è il raggio del campione, supposto cilindrico:N C≈ N0 (1-e -µx/2)e -µx/2 Ω. Per massimizzare i fotoni Compton il termine (1-e -µx/2)e-µx/2 deve essere massimizzato portando alla condizione µx≈1 e quindi NC≈N0 0.015. Quindi l’intensità della radiazione Compton raccolta nel rivelatore è di circa un ordine di grandezza inferiore alla radiazione trasmessa. Inoltre, è necessario impiegare un rivelatore Compton di area maggiore possibile. 2.3 tomografia Rayleigh ed in diffrazione Nel caso di scattering elastico vanno considerati due effetti: lo scattering Rayleigh, che corrisponde a diffusione elastica di fotoni da parte di atomi liberi, e l’effetto Bragg quando lo scattering da parte di più atomi da luogo ad effetti di interferenza. Nel primo caso si utilizzano fotoni di energia E0 diffusi in avanti a piccoli angoli, poiché solo in queste condizioni l’effetto Rayleigh prevale, spesso largamente, su quello Compton. In effetti il rapporto tra fotoni diffusi per effetto Rayleigh entro 3° e 10° circa e quelli diffusi per effetto Compton a 90° è di circa 2Z (Z è il numero atomico medio della matrice). E’ inoltre opportuno impiegare un rivelatore anulare, posto intorno al rivelatore in trasmissione, che raccolga per l’appunto fotoni diffusi entro gli angoli sopra citati. L’angolo solido che si ricava è circa un ordine di grandezza più piccolo dell’angolo solido relativo ai fotoni diffusi per effetto Compton. In ultima analisi è facile prevedere che i fotoni Rayleigh hanno un’intensità dello stesso ordine di grandezza dei fotoni Compton. La tomografia Rayleigh può essere particolarmente utile per differenziare il campione in termini di piccole differenze nel numero atomico. Nelle migliori condizioni l’intensità della radiazione Rayleigh è quindi circa un ordine di grandezza inferiore a quella della radiazione trasmessa, e nella direzione in avanti dipende circa da Z2-Z3 . Nel caso di trasferimento di piccole quantità di moto q (q=sin(ϑ/2)/λ , che corrisponde ad energie ridotte e/o piccoli angoli di scattering), possono aversi picchi di diffrazione dovuti ad effetti interatomici, che dipendono dalla struttura cristallina del campione. Una tomografia in diffrazione può essere quindi utile per discriminare strutture cristalline nel campione. 2.4 Tomografia con raggi X di fluorescenza Come osservato in precedenza, uno degli effetti di interazione della radiazione incidente con il campione è l’effetto fotoelettrico, a seguito del quale si ha l’emissione, da parte degli atomi del campione, di raggi X caratteristici dell’elemento emittente, chiamati raggi X di fluorescenza. Nel caso di elementi intermedi e pesanti (Z≈>40) questi raggi X possiedono anche energia sufficiente da poter attraversare il campione ed essere rivelati, dando così luogo, in una misura tomografica, ad una immagine selettiva degli elementi chimici presenti. L’intensità dei raggi X di fluorescenza, per un generico elemento a, è approssimativamente data da: N ph.a ≈ N0 µph.a x Ω” ωa AA” (6) dove µph.a rappresenta il coefficiente di attenuazione per effetto fotoelettrico dell’elemento a all’energia E0, ωa è il coefficiente di fluorescenza dell’elemento a, Ω” rappresenta l’angolo solido campione-rivelatore, ed A and A” corrispondono alle attenuazioni della radiazione incidente e di fluorescenza .

APPARECCHIATURA SPERIMENTALE Si intende realizzare un tomografo multiplo, capace cioè di realizzare contemporaneamente tomografie in trasmissione, tomografie in diffusione (Compton e Rayleigh/diffrazione), e tomografie con raggi X di fluorescenza. Si vuole inoltre realizzare un tomografo di non grandi dimensioni e peso, quindi trasportabile. L’apparecchiatura sperimentale prevista è mostrata nella Figura 2. Essa è schematicamente composta da: a. tubo a raggi X; b. sistema di rotazione e traslazione; c. rivelatore per la tomografia in trasmissione; d. rivelatore per la tomografia Compton; e. rivelatore per la tomografia Rayleigh o in diffrazione; f. rivelatore per la tomografia con raggi X di fluorescenza; g. algoritmi di ricostruzione e di correzione per autoassorbimento; h. analizzatore multicanale multiplo, dedicato; Esaminiamo in dettaglio le varie componenti, osservando che, per la scelta dei tubo radiogeno e del sistema di roto-traslazione è necessario avere in mente un oggetto “standard” (dimensioni massime e composizione). Consideriamo quindi come tale un campione cilindrico avente un raggio massimo R=10 cm, e composizione equivalente a quella dell’acqua. In base a questi elementi si può osservare che una energia media E0 = 50-60 keV è adeguata. a. tubo a raggi X Un tubo a raggi X da circa 80-100 kV di tensione massima, e corrente massima di 1 mA potrebbe essere adeguato. Il tubo dovrà avere un anodo di tungsteno ed una finestra d’ingresso di berillio, per non assorbire eccessivamente radiazione di bassa energia. La tensione di alimentazione dovrà essere variabile in modo continuo a partire da circa 10 kV. Il tubo a raggi X dovrà essere corredato da collimatori di vario tipo, per produrre radiazione puntiforme oppure un ventaglio , o infine un cono di raggi X. Opportuni filtri sono richiesti per parzialmente monocromatizzare lo spettro in uscita, quando richiesto. b. sistema di rotazione e traslazione del campione Poiché si è immaginato un campione di dimensioni massime pari a circa 10 cm , si deve prevedere uno stadio di traslazione del campione un poco superiore a 10 cm, abbinato ad uno stadio di rotazione di dimensioni equivalenti. Il sistema complessivo dovrà essere in grado di reggere dei pesi non superiori a circa 5 Kg. Gli stadi di rotazione e traslazione dovranno ovviamente essere forniti di schede di comando dei movimenti. c. Rivelatore (o sistema di rivelazione) per la tomografia in trasmissione Il rivelatore in trasmissione va posizionato allineato con il fascio incidente, dall’altra parte rispetto al campione. Per esso (o sistema di rivelazione) non si richiede una risoluzione energetica particolarmente buona. Per questo può essere utilizzato, nella versione più semplice, accoppiato al tubo a raggi X con collimazione puntiforme, un rivelatore singolo del tipo NaI(Tl) per raggi X. Questo richiederà sia rotazioni che traslazioni del campione. Per ridurre i tempi di scansione, può invece essere utile impiegare un fascio di raggi X a ventaglio ed un rivelatore del tipo “multichannel plate”, oppure un fascio di raggi X a cono, e un amplificatore di brillanza, in modo da ottenere immagini tridimensionali. d. rivelatore per la tomografia Compton Il rivelatore per la tomografia Compton va posizionato a circa 90° rispetto alla radiazione incidente. Esso non necessita di elevate prestazioni dal punto di vista della risoluzione energetica. Dato tuttavia il ridotto numero di fotoni Compton in confronto ai fotoni trasmessi , esso deve essere

caratterizzato da un’area sufficientemente grande da raccogliere fotoni entro un angolo solido non troppo piccolo. Risulta quindi adatto allo scopo un rivelatore NaI(Tl) per raggi X con finestra d’ingresso di berillio e superficie utile di circa 4-5 cm2 . e. rivelatore per la tomografia Rayleigh (o in diffrazione) Il rivelatore ideale per la tomografia Rayleigh (o in diffrazione) data la necessità di raccogliere più fotoni possibili (l’intensità della radiazione diffusa elasticamente è circa 1 ordine di grandezza inferiore rispetto a quella trasmessa), sarebbe un rivelatore anulare –posto intorno al rivelatore in trasmissione- in modo tale da raccogliere fotoni diffusi in avanti a piccoli angoli (4-8° circa). Esso dovrebbe essere caratterizzato da una risoluzione energetica abbastanza buona, per separare nel modo migliore la radiazione diffusa elasticamente, Un rivelatore con caratteristiche accettabili potrebbe quindi essere una disposizione anulare di rivelatori CZT oppure un CdTe raffreddati termoelettricamente. f. rivelatore per la tomografia di fluorescenza X Il rivelatore per la tomografia con raggi X di fluorescenza (talvolta anche chiamata microscopia X) va collocato a circa 90° rispetto alla radiazione incidente. Per questo rivelatore si richiede una risoluzione energetica la migliore possibile, per avere una buona discriminazione dei picchi X di fluorescenza, in grado inoltre di processare un numero elevato di fotoni senza peggioramenti della sua risoluzione. Il rivelatore più adatto allo scopo è un rivelatore CdZnTe oppure CdTe, raffreddati termoelettricamente, i quali presentano una risoluzione energetica buona (circa 250 eV a 5.9 keV e circa 500 eV a 60 keV) g. algoritmi di ricostruzione e di correzione per autoassorbimento Gli algoritmi di ricostruzione e di correzione (per le tomografie non in trasmissione) sono stati da noi lungamente studiati ed ottimizzati, e sono ampiamente descritti nella bibliografia h. analizzatore multicanale multiplo e dedicato L’analizzatore multicanale multiplo dovrà assolvere varie e numerose funzioni. Dovrà contemporaneamente processare i dati che arrivano da più rivelatori singoli. i. computer per la ricostruzione delle immagini e per la presentazione dei dati. Si tratta di materiale del tutto standard.

APPLICAZIONI DEL TOMOGRAFO MULTIPLO 1.1 applicazioni all’archeometria (in collaborazione con l’Istituto Centrale del Restauro,

Roma) Non esiste attualmente alcun tomografo in trasmissione che sia esplicitamente dedicato ad indagini sui Beni Culturali, mentre vi sono diversi Gruppi di Ricercatori, in Italia ed all’Estero, che si dedicano, saltuariamente a questo settore. Non vi è quindi una sistematica e numerosa casistica su immagini tomografiche su oggetti di interesse culturale. Un tomografo “archeometrico” presenta, tra l’altro, notevoli difficoltà di realizzazione, data la varietà dei materiali che si possono presentare (oggetti lapidei, in legno, leghe di bronzo, ottone, ori, argenti, ceramiche ecc.) e la varietà delle dimensioni. Per questi motivi è’ facile rendersi conto che non è possibile realizzare un tomografo che possa eseguire immagini di sezioni di tutti gli oggetti sopra elencati. E’ necessario fare una scelta, e la scelta è in questo caso vincolata dal voler realizzare un tomografo portatile, o almeno trasportabile. Questo limita le dimensioni massime degli oggetti a circa 5 cm, che corrisponde all’indagine su oggetti di piccole dimensioni (oggetti di oreficeria, bronzetti, piccole ceramiche, piccoli oggetti in pietra o in legno, ecc.). Qualche esempio di applicazioni da noi realizzate su oggetti artistici o legati all’arte è mostrato nella figura 3. E’ facile capite l’importanza che può avere una indagine sistematica sui Beni Culturali, ed, eventualmente, la realizzazione di un tomografo dedicato. In particolare, un problema piuttosto serio nel settore dei Beni Culturali è quello di determinare lo stato di conservazione di materiale lapideo e di intonaco, per esempio in termini di porosità. Questo problema può essere affrontato con successo con la tomografia, sia in trasmissione che Compton. Per quanto riguardano possibili applicazioni nel settore dei Beni Culturali delle tomografie in diffusione oppure in fluorescenza , non ne risultano alcune all’estensore di questo progetto. La tomografia Compton potrebbe essere molto interessante, in quanto essa si può realizzare con il sistema sorgente-rivelatore dalla stessa parte rispetto all’oggetto da esaminare. Può quindi essere utile per indagini su affreschi (distacchi), o su parti di grossi oggetti non attraversabili da raggi X o γ (per esempio analisi di una parte di una grossa statua di marmo o bronzo). Con un tubo X da 90 kV e 1 mA sono state fatte alcune misure orientative su situazioni simulanti distacchi di affreschi. Si sono ottenuti risultati soddisfacenti. La tomografia in fluorescenza non è stata mai utilizzata in questo settore, ma potrebbe avere interessanti applicazioni per analizzare la distribuzione di elementi medio-pesanti nelle pietre preziose, o la distribuzione degli elementi costituenti in oggetti di gioielleria antica. 1.2 applicazioni all’industria del sughero L’industria del sughero ha una rilevante importanza nell’economia della Sardegna del nord, in particolare nella zona di Tempio Pausania. Esistono sugheri di qualità molto diversa, e la qualità, difficile da determinare, dipende per esempio dalla porosità e dalla omogeneità del materiale. La tomografia in trasmissione non consente di ottenere buone immagini, data la bassa densità del sughero. Ideale sembra invece essere, in questo caso, la tomografia Compton, che fornisce per l’appunto i migliori risultati quando si tratti di studiare porosità o fratture in matrici leggere e di basso numero atomico medio. Uno studio preliminare su immagini tomografiche Compton su diversi campioni di sughero aventi differenti caratteristiche è mostrato nella Figura . E’ necessario, anche in questo caso, portare a completamento questo studio, analizzando le prestazioni del tomografo nel caso di indagini su sugheri di diverse caratteristiche. 1.3 applicazioni a carote per l’industria petrolifero

Nelle perforazioni petrolifere, vi è una notevole difficoltà nello studio con metodi non distruttivi, di mezzi porosi opachi (per es. carote di roccia) così come di mezzi in cui si ha una interazione roccia-fluido. La tomografia in trasmissione è già stata impiegata con successo in questo settore, mentre la altre tecniche tomografiche con raggi X, in particolare la tomografia Compton, possono essere di grande utilità in questo tipo di studio

GRUPPI E PERSONE CHE PARTECIPANO AL PROGETTO A. SASSARI : Roberto Cesareo, responsabile del progetto Antonio Brunetti, Ubaldo Bottigli Bruno Golosio, B. CAGLIARI Paolo Randaccio C. LECCE Alfredo Castellano, Giovanni Buccolieri, Stefano Quarta, Marina Donativi D. BOLOGNA Franco Casali Partecipazioni esterne E. ISTITUTO CENTRALE DEL RESTAURO Maurizio Marabelli Paola Santopadre Marcella Ieole F. COPPE, UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Ricardo T. Lopes, Regina C. Barroso Joaquim de Assis G. ENITECNOLOGIE Giuseppe Giunta, da definire COMPETENZE SPECIFICHE DEL RESPONSABILE E DEI VARI GRUPPI PARTECIPANTI 1.1 Competenze nel settore della tomografia del responsabile prof. Roberto Cesareo Il prof. R. Cesareo ha iniziato ad occuparsi di tomografia X nel 1979. Negli anni 1980-81 ha realizzato il primo tomografo in trasmissione per applicazioni non-mediche. Esso era caratterizzato da una sorgente radioisotopica di Am-241 e da un singolo rivelatore NaI(Tl). Un tomografo simile è stato poi realizzato al Centro EMBRAPA di S. Carlos (Brasile) per tomografie di carote di suolo. Successivamente, negli anni 90 sono stati realizzati diversi altri prototipi, con tubi a raggi X e vari sistemi di rivelatori. Alla fine degli anni 80 realizzava un tomografo per immagini con raggi X di fluorescenza. Negli ultimi 5 anni del secolo passato realizzava, con la Gilardoni, un tomografo industriale, del quale alcuni esemplari venivano venduti in Messico e Brasile. Negli stessi anni iniziava a lavorare sulla tomografia Compton, realizzando anche qui un prototipo che dava ottimi risultati.

Nel seguito sono mostrate le più importanti pubblicazioni nel settore. 1. R. Cesareo, M. Giannini: Elemental analysis by means of X-ray attenuation measurements;

Nucl. Meas. Methods 169 (1980) 551. 2. R. Cesareo, M. Giannini, L. Storelli : A miniature X-ray tomography scanner employing

radioactive sources; Int. Conf. Applic. of Physics to Medicine and Biology, Trieste, 30 aprile- 3 maggio 1982, World Sci. (1983)

3. S. Crestana, R. Cesareo, S. Mascarenhas: Using a computed tomography miniscanner in soil science; Soil Sci. 142 (1986) 56.

4. R. Cesareo, P. Pantaleone: A mini- tomograph scanner employing monoenergetic radiation; Phys. Med. 3 (1987) 129.

5. R. Cesareo, S. Crestana, P.E. Cruvinel, S. Mascarenhas: The mini-CT scanner: physical principles and appications in soil physics; Escuela latino-americana de fisica de suelos 24.1 – 6.2.1988.

6. R. Cesareo: Principles and Applications of Differential tomography; Nucl. Instrum. Methods in Phys. Res. A 270 (1988) 572-577.

7. R. Cesareo, S.Q.G. Mahtaboally: Use of differential tomography in the study of natural processes; IEEE Trans. Med. Imaging 8 (1989) 163.

8. R. Cesareo, S. Mascarenhas: A new tomographic device based on the detection of fluorescent X-rays; Nucl. Instrum. Methods A277 (1989) 669.

9. R. Cesareo: X-ray fluorescence and tomography with X-ray tubes; J. Trace Elem. Electrolytes Health Dis. 3 (1989) 179.

10. R. Cesareo, S.Q.G. Mahtaboally, U.S. Lal, L. Storelli, A. Castellano, S. Bonpadre, L. Ferrante, L. Leone, A. Rescigno, S. Salleo: Applications of differential tomography to biological systems; Phys. Med. 1 (1989) 17.

11. R. Cesareo, S. Mascarenhas, S. Crestana, A. Castellano: New tomographic methods using X-ray tubes; Nucl. Instrum. Methods A299 (1990) 440.

12. P.E. Cruvinel, R. Cesareo, S. Crestana, S. Mascarenhas: X-ray and gamma-ray computerized moni tomograph scanner for soil science; IEEE Trans. on Instrum. & Measurem., New York 39 (1990) 745.

13. A. Brunetti,A. de Almeida, R. Cesareo, G.E. Gigante: density measurements by an image intensifier system; workshop on Computers for signal processing; 30.8-3.9.1993, S. Carlos, S.P., Brazil.

14. R. Cesareo, S. Crestana, S. Mascarenhas: Nuclear techniques in soil science; Soil Science (Trends in agric. Sci.) 1 (1993) 27.

15. R. Cesareo, J.T. de Assis, S. Crestana: Attenuation coefficients and tomographic measurements for soil in the energy range 10-300 keV; Appl. Radiat. Isotopes 45 (1994) 613.

16. R. Cesareo, C.R. Appoloni, A. Brunetti, A. Castellano, P.E. Cruvinel, S. Mascarenhas, J.T. de Assis, G.E. Gigante: Industrial applications of tomography and microtomography; Int. Symp. on comput. Tomography, Berlin 8-10 June 1994, 295.

17. R. Cesareo, A. Brunetti, C.R. Appoloni, A. Castellano, G.E. Gigante: Tomografia e microtomografia nelle prove non distruttive ; 8° Congresso Nazionale Prove non distruttive; Torino 17-19 ottobre 1995.

18. R. Cesareo, D.V. Rao, C.R. Appoloni, A. Brunetti: Microtomography using a tube source of X-rays, a low energy resolution HpGe detector system and an array of detectors; Nucl. Instrum. Methods A356 (1995) 573.

19. S. Crestana, P.E. Cruvinel, S. Mascarenhas, C.M.P. Vaz, J.M. Naime, R. Cesareo, D.R. Nielsen, K. Reichardt: Tomografia reconstrutiva in Instrumentacao agropecuaria: contribucoes no limia do novo seculo; Brasilia: EMBRAPA-SPI, 1996, Cap. 4, 152-200.

20 R. Cesareo, A. Brunetti, C.R. Appoloni, S. Crestana, P.E. Cruvinel, S. Mascarenhas, A. Mendoza Cuevas: X and gamma rays for imaging and trace elements of soil; I SIAGRO,S.

Carlos, S.P., Brazil (1997) 5. 21 .R. Cesareo et al.: X and gamma-ray tomography for non destructive material testing; SPIE Int. Symp. Denver 18-23 July 1999, vol. 3772, 292-303. 22. R. Cesareo, A. Brunetti, C. Cappio Borlino, S. Mascarenhas, R. Robert, A.Castellano, S. Quarta, P. Quarta Colosso, G. E. Gigante: X and gamma-ray tomography for the study of works of art; NDT, January 2000, vol. 5, n.1. 23. R. Cesareo, F. Balogun, A. Brunetti, C. Cappio Borlino: 90° Compton and Rayleigh measurements and imaging; Rad. Phys. Chem. 61 (2001) 339-42. 24. R. Cesareo, A. Brunetti, C. Cappio Borlino, A. Castellano, M. Rosales M., G. Cerri: X-ray tomography for the study of works of art; Convegno intern. “Archaeometry in Europe in the third millennium; Ac. Lincei, Rome, 29-30 march 2001; ANL (2002) 189-195. 25. R. Cesareo,A. Brunetti, C.C. Borlino, B. Golosio: A X-ray tomography system for contemporaneous transmission, scattering and fluorescent radiation imaging; Proc. 46th SPIE Intern. Symp. On Opt. Science & Techn., S. Diego, CA, USA july 2001, 310-321. 26. R. Cesareo, C. Cappio Borlino, A. Brunetti, B. Golosio, A. Castellano: A simple scanner for Compton tomography; Int. Conf. on Imaging, Orosei 24-28 September 2001, Nucl. Instr. Methods in Phys. Res. A487 (2002) 188-192. 27. D.V. Rao, R. Cesareo, A. Brunetti, T. Takeda, Y. Itai, T. Akatsuka, G.E. Gigante: Computed tomographic images of soft materials using differential attenuation: interior properties of the materials at optimum energy in terms of attenuation coefficient; NDT& E International 35 (2002) 573-580. 1.2 Competenze del prof. Antonio Brunetti Il prof. Antonio Brunetti ha iniziato ad occuparsi di tomografia con raggi X in occasione della sua Tesi di Laurea, alla fine degli anni 80. Passato ad occuparsi di software, è ritornato ad interessarsi di tomografia X a metà degli anni 90. Da allora si è occupato di tutte le componenti della tomografia, ed in particolare degli algoritmi di ricostruzione d’immagine, ma anche di realizzare ed ottimizzare prototipi di tomografo. Negli ultimi anni si è in particolare dedicato alla tomografia Compton, in cui ha raggiunto brillanti risultati. Nel seguito sono elencati i suoi più importanti contributi nel settore: 1. A. Brunetti, R. Cesareo, B. Golosio, P. Luciano, A. Ruggero, “Cork quality estimation by using

Compton tomography”, Nuclear Instruments and Methods B, 196, 161-168, 2002. 2. A. Brunetti, B. Golosio, R. Cesareo, ‘A correction procedure for self-absorption artifacts in X-

Ray Compton tomography’, X-Ray Spectrometry 31, 377-382, 2002. 3. A. Brunetti, B. Golosio, ‘A new algorithm for Computer Tomographic Reconstruction from

partial view projections’, Medical Physics, 28(4), 462-468, 2001. 4. D.V. Rao, R. Cesareo, A. Brunetti, T. Takeda, Y. Itai and T. Akatsuka, G.E. Gigante,

“Computed tomographic images of soft materials using differential attenuation: interior properties of the materials at optimum energy in terms of attenuation coefficient”, NDT&E International (accepted), 2002.

5. B. Golosio, A. Brunetti, R. Cesareo, “Correction for x-ray absorption in Compton tomography”, Journal de Physique IV (accepted).

6. D.V.Rao, T.Takeda, Y.Itai, T.Akatsuka, R.Cesareo, A.Brunetti and G.E.Gigante, X-ray scattering cross-sections for molecules, plastics, tissues and few biological materials. Journal of Trace and Microprobe Techniques, vol. 20, pp. 327-361, 2002.

7. R. Cesareo, C. C. Borlino, A. Brunetti, B. Golosio, A. Castellano, ‘A simple CT scanner for Compton imaging’, Nuclear Instruments and Methods A, 487, 188-192, 2002.

8. B. Golosio, A. Brunetti, R. Cesareo, S. R. Amendolia, D. V. Rao, S. M. Seltzer, ‘Images of soft materials: a 3D visualization of interior of the sample in terms of attenuation coefficient’, Nuclear Instruments and Methods A, 465, 577-583, 2001.

9. A. Brunetti, B. Golosio, ‘Software for X-ray fluorescence and scattering tomographic reconstruction’, Computer Physics Communications, 141, 412-425, 2001.

10. B. Golosio, A. Brunetti, S. R. Amendolia, ‘A novel morphological approach to volume extraction in 3D tomography’, Computer Physics Communications , 141, 217-224, 2001.

11. R. Cesareo, F. Balogun, A. Brunetti and C. Cappio Borlino, “90° Compton and Rayleigh measurements and imaging”, Radiation Physics and Chemistry, 61, 339-342, 2001.

12. A. Castellano, S. Quarta, G. Palamà, A. Brunetti and R. Cesareo,” Radiographic films as a detection system for a CT-scanner, Radiation Physics and Chemistry, 61, 753-755, 2001.

13. D.V.Rao, R.Cesareo, A. Brunetti and G.E.Gigante, “Computed tomography with image intensifier : Potential use for Non-Destructive testing and imaging of small objects “, Nondestructive Testing and Evaluation (NDT&E) , 33, 523-530, 2000.

14. F. Balogun, Brunetti A., R. Cesareo, “Volume of intersection of two cones”, Radiation Physics and Chemistry, 59, 23-30, 2000.

15. R. Cesareo, D. V. Rao, C.R. Appolloni, A. Brunetti, “Microtomography using a tube source of X-rays, a low-energy-resolution HPGe detector system and an array of detectors”, Nuclear Instruments and Methods A, A356, 573-578, 1995.

3. Competenze del prof. Alfredo Castellano Il prof. Alfredo Castellano ha iniziato ad occuparsi di tomografia nel 1989, collaborando con il prof. R. Cesareo. Tra gli altri contributi egli ha realizzato un tomografo che impiega come rivelatore una lastra radiografica opportunamente movimentata. Ha realizzato in particolare sistemi tomografici per misure nel settore dei Beni Culturali, con le quali ha “tomografato” una statua di cartapesta di grandi dimensioni, ed alcune ceramiche antiche. Più recentemente, nell’ambito del progetto INFN TICOM, ha assemblato un tomografo per misure Compton, per la specifica misura di distacchi di affreschi. Tra i contributi del prof. A. Castellano si vedano le precedenti pubblicazioni 10, 11, 16, 17, 22, 24 26, 7, 12. 4. Competenze del prof. Ricardo T. Lopes, COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro Il prof. Ricardo Lopes si occupa da circa 20 anni di vari tipi di tomografie: con raggi X, in trasmissione, diffusione Compton ed in diffrazione, e con neutroni. Il prof. Lopes ha particolare competenza nell’uso della tomografia in trasmissione per l’industria petrolifera (in collaborazione con la Petrobras) e della tomografia in diffrazione. Nel seguito sono elencati alcuni delle pubblicazioni del prof. Lopes nel settore della tomografia: 1. CRISPIM, V.R.; LOPES, R.T. & BORGES, J.C. – Image Reconstruction using Neutrongraphy (in portuguese). Proc. of I CGEN, Rio de Janeiro. P. 39-42, 1986. 2. LOPES, R.T.; CRISPIM, V.R. & BORGES, J.C. – Image Reconstruction algorithm to Industrial Applications. (in portuguese) Proc of I CGEN, Rio de Janeiro, P. 89-92, 1986. 3. LOPES, R.T. & ASSIS, J.T. – Quantitative Analyse of Image Reconstruction by noise projections (in portuguese). Proc. of II CGEN, 87-100, 1988. 4. ANJOS, M.J. & LOPES, R.T. - Compton Scattering Gamma-Ray as Surface Inspection Technique. Nuclear Instr. and Meth. A280, 535-538, 1989. 5. LOPES, R.T.; DE ASSIS, J.T. & RODRIGUES, J.L. - A Microtomographic System in NDE Applications - International Symposium on Computerized Tomography for Industrial Applications - Berlin, Germany, 1994. 6. DE ASSIS, J.T., LOPES, R.T. & RODRIGUES, J.L. - Microfocus Radiography Producing Microtomography - Nucl. Instr. & Methods, A353, 338-339, l994. 7. LOPES, R.T.; PEREIRA, W.W. - A Comparative Study of Tomographies Using Gamma Rays and Neutrons in Non Destructive Testing - Nuclear Instr. & Methods, A353, 3142-144, 1994.

8. LOPES, R.T.; BRAZ, D. & MOTTA, L.M.G. - “Utilization of Computerized Tomography in the Analyse of Fatigue Tests in an Asphaltic Mixture” - Int. Symp. on Non-Destructive Testing - Civil Engineering - Berlim/Alemanha, l995. 9. LOPES, R.T.; BRAZ. D. & MOTTA, L.M.G. - “Dual-Energy Computerized Tomography in Compacted Soil” - Int. Symp. on Non-Destructive Testing - Civil Engineering - Berlim/Alemanha, l995. 10. LOPES, R.T.; RODRIGUES, J.L.; DE ASSIS, J.T.; DE JESUS, E.F.O. AND OLIVEIRA, L.F. - Evaluation of a Microtomography System with an X-Ray Microfocus Tube - Applied Radiation and Isotopes , Vol.48, 1437-1442, 1997. 11. LOPES, R.T.; VALENTE, C.M.; DE JESUS, E.F.O. AND CAMERINI, C.S. - Detection of Paraffin Deposition Inside a Draining Tubulation by the Compton Scattering Technique - Applied Radiation and Isotopes, Vol.48, 1443-1450, 1997. 12. BARROSO, R.C., GONÇALVES, O.D., EICHLER, J., LOPES, R.T. AND CARDOSO, S.C. - Study of Secondary X-rays from Radiographic Intensifying Screens - Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, A404 , 407-412, 1998. 13. R.C. BARROSO, R.T. LOPES, O.D. GONÇALVES AND J.T. DE ASSIS – “X-Ray Diffraction Tomography Using Interference Effects” - Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, A 418, 458-464, (1998). 14. I.L.M. SILVA; R.T. LOPES and E.F.O. DE JESUS – “Tube Defects Inspection Technique by using Compton Gamma-Rays Backscattering” - Nuclear Ins truments & Methods in Physics Research, A 422, 957-963, (1999). 15. R.C. BARROSO; R.T. LOPES, O.D. GONÇALVES and J.T. DE ASSIS – “Image Reconstruction Algorithm to X-Ray Diffraction Tomography” - Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, A 422, 718-723, (1999). 16. D. BRAZ; R.T. LOPES and L.M.G. DA MOTTA – ‘Analysis of the Percentage Voids of Test and Field Specimens using Computarized Tomography” - Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, A 422, 942-948, (1999). 17. R.T.LOPES; A.P. BESSA; D. BRAZ and E.F.O. DE JESUS – “Neutron Computerized Tomography in Compacted Soil” – Applied Radiation and Isotopes, Vol.50, 451-458, (1999). 18. D. BRAZ; L.M.G. DA MOTTA and R.T. LOPES – “Computed Tomography in the Fatigue Test Analysis of an Asphaltic Mixture” - Applied Radiation and Isotopes, Vol.50, 661-671, (1999). 19. CESAREO, R.; BRUNETTI, A.; LOPES, R.T. ; et al. – “X and gamma ray Tomography for Non Destructive Testing”, Proceedings of SPIE, Vol.3772, pp. 292-303 (1999). 20. BARROSO, R.C.; LOPES, R.T. ; GONÇALVES, O.D.; de ASSIS, J.T. ANJOS, M. J. – “Coherent Scattering Contribuition in Tomography”, Nucleus, Vol.26, pp. 37-41 (1999). 21. Braz, D.; Lopes, R.T. and Motta, L.M.G. – “Computerized Tomography: in Evaluation of the Effect of Adding the Polymer SBS to the Asphaltic Mixtures used in Paving”, Applied Radiation and Isotopes, Vol.53, 725-729 , (2000). 22. Barroso, R.C.; Lopes, R.T.; Gonçalves O.D. e Jesus, E.F.O. – “Angle-Dispersive Diffraction with Synchrotron Radiation at LNLS (Brazil): Potencial for use in Biomedical Imaging”, Applied Radiation and Isotopes, Vol.53, 717-724, (2000). 23. Lopes, R.T.; Costa, E.B. and Jesus, E.F.O. – “Computerized Tomography with monochromatic Bremsstrahlung Radiation”, Applied Radiation and Isotopes, Vol.53, 665-671, (2000). 24. Braz, D.; Lopes, R.T. and Motta, L.M.G. – “Computed Tomography: Evaluation of Stability Tests and Indirect Tensile Strength of Field Asphalt Mixtures”, NDT & E International, Vol.33(8) , 517-522, (2000). 25. Braz, D.; Lopes, R.T. and Motta, L.M.G. – “Dual-energy Computerized Tomography in Compacted Soil”, Geotechnical and Geological Engineering, Vol.18(3) , 221-238, (2000). 26. Barroso, R.C.; Lopes, R.T.; de Jesus, E.F.O.; Oliveira, L.F. and Anjos, M.J. – “Measurements of Differential Cross-Section for X-ray Diffraction in Amorphous Materials using Synchrotron Radiation”, Proceedings of SPIE, Vol.4142 , 101-107, (2000).

27.. Lopes, R.T., Rocha, H.S. Jesus, E.F.O., Barroso, R.C., Oliveira, L.F., Anjos, M.J., Braz, D and Simabuco, S.M.;– “X-ray Transmission Microtomography Facility at the National Synchrotron Light Laboratory” – IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference – Lyon-France, pag. 19-31, 15-20 de Outubro de 2000. 28. Braz,D.; Lopes, R.T.; Motta, L.M.G. ; Silva, P.D.E.A. - “ Feasibility of using Computed Tomographic System to Study two Concrete Mixtures using in Paving” – 2nd International Symposium on Maintenance and Rehabilitation of Pavements and Technological Control, – Alabama-USA, 2001. 29. Braz, D.; Barroso, R.C.; Lopes, R.T.; Anjos, M.J.; and de Jesus, E.F.O.– “Evaluation of scatter-to-primary ratio in soil CT-imaging”, Radiation Physics and Chemistry, Vol.61, 747-751, (2001). 30. Barroso, R.C.; Anjos, M.J.; Lopes, R.T.; de Jesus, E.F.O.; Simabuco, S.M.; Braz, D. and Castro, C.R.F. – “Matrix Characterization using Synchrotron Radiation X-ray Diffraction”, Radiation Physics and Chemistry, Vol.61, 739-741, (2001). 31. Alcón, E.P.Q. and Lopes, R.T..– “Slot Scintillation Detector Modeling for Digital Radiography”, Radiation Physics and Chemistry, Vol.61, 411-414, (2001). 32. Barroso, R.C.; Lopes, R.T.; de Jesus, E.F.O. and Oliveira, L.F.– “X-Ray Diffraction Microtomography using Synchrotron Radiation”, Nuclear Instruments and Methods-A, Vol.471 , 75-79, (2001). 33. Lopes, R.T.; Oliveira, L.F; de Jesus, E.F.O. and.Braz, D.– “Analysis of Complex Structures using a 3D X-ray Tomography System with Microfocus Tube”, Proc. of SPIE, Vol. 4503 , 213-221, (2002). 34. Barroso, R.C.; Anjos, M.J.; Lopes, R.T.; de Jesus, E.F.O.; Braz, D., Castro, C.R.F. and Uhl, A.– “Analysis of Matrix Characterization by X-ray Diffraction and Synchrotron Radiation”, Radiation Physics and Chemistry, Vol.65/4-5, 501-505, (2002). 7. RIPARTIZIONE DEI COMPITI A. SASSARI Il gruppo di Sassari ha il compito di coordinare il progetto, di disegnare e realizzare il tomografo multiplo, di ottimizzare gli algoritmi di ricostruzione e di realizzare le specifiche applicazioni. B. CAGLIARI Il gruppo di Cagliari ha il compito specifico di realizzare l’analizzatore multicanale multiplo, il quale deve in sostanza consistere di 4 analizzatori da 512 (o 1024) canali, deve consentire di selezionare un intervallo di energia, escludendo il contributo di radiazione non desiderata e deve infine inviare i dati al PC, il quale provvederà successivamente alla ricostruzione di immagine. C. LECCE Il gruppo di Lecce si è già dedicato in passato, con progetto finanziato dall’INFN (TICOM), a mettere a punto un sistema di misura che utilizza la radiazione Compton diffusa, per evidenziare eventuali distacchi su affreschi. Esso dovrà continuare ad approfondire questo aspetto, ed a ottimizzare le condizioni per la tomografia Compton. Inoltre, questo stesso gruppo si dovrà occupare delle misure in diffrazione e della relativa tomografia D. RIO DE JANEIRO Questo gruppo ha acquisito nel passato notevoli esperienze nel settore della tomografia in trasmissione ed in diffrazione, realizzando apparecchiature ottimizzate per questo tipo di immagini, ed applicando questa tecnica ad alcuni casi di interesse pratico nel settore, in particolare,

dell’industria petrolifera. Questo gruppo contribuirà al multitomografo per la parte che riguarda in particolare la tomografia in diffrazione. E. ISTITUTO CENTRALE DEL RESTAURO Questo Istituto, che ha una esperienza di oltre 50 anni nel settore dello studio, conservazione e restauro dei Beni culturali, è rappresentato dal prof. Maurizio Marabelli, già Direttore dei Laboratori dell’ICR e dalle dott.sse Paola Santopadre e Marcella Ieole. Vi è una ormai trentennale collaborazione tra M. Marabelli, R. Cesareo ed A. Castellano, che ha portato a risultati di grande importanza, in particolare nell’uso della tecnica della fluorescenza X .





PREVISIONE DI SPESA


In KEuro

ANNIFINANZIARI

Miss.interno

Miss.estero.

Materiale dicons.

Trasp. eFacch.

SpeseCalc.


Mater.inventar

Costr.appar.

TOTALECompet.

20042005

TOTALI

1611.0

1115.0

1613.0

10.0

00.0

00.0

1530.0

00.0

59.069.0

27,0 26,0 29,0 1,0 45,0 128,0



StrutturaCA





QualificaAffer.

algruppo

% NTECNOLOGI

Cognome e Nome

Qualifica



Tecnol. 12345

BOTTIGLI UBALDO BRUNETTI ANTONIO CESAREO ROBERTO GOLOSIO BRUNO RANDACCIO PAOLO

P.O.R.U.P.O.

P.A.Dott.

55555

2070802020


00

NTECNICI

Cognome e Nome



Assoc.tecnica


52.1


00











01.07.2004 acquisizione del rivelatore del tipo C−MOS della Hamamatsu ; montaggio del tomografo con il rivelatore intrasmissione (NaI(Tl)), con il C−MOS per la tomografia Compton, e del CdTe per misure di fluorescenza X

01.01.2005 acquisizione del rivelatore anulare per tomografia Rayleigh ed in diffrazione;acquisizione del rivelatore 5x5x1 mm3per la tomografia di fluorescenza; montaggio e collaudo di questo rivelatore per tomografie con raggi X a piccoli angoliin avanti.

01.03.2005 montaggio completo del tomografo multiplo ed inizio delle specifiche applicazioni; il tomografo multiplo sarà utilizzatoper qualche mese presso l'Istituto Centrale del Restauro.

31.12.2005 completamento delle misure.




Codice Esperimento GruppoPPC 5

Rapp. Naz.: Arnaldo Stefanini

Rappresentante nazionale:ArnaldoStefanini

Struttura di appartenenza: PIPosizione nell'I.N.F.N.:



Linea di ricerca Sviluppo di un sistema per l'imaging basato su un rivelatore apixel con read−out ottico parallelo


Laboratori delle Sezioni di Pisa, Napoli e Cagliari


PPC

Acceleratore usato



Interazione raggi X materia


Sorgente di raggi X microfocus


Sezioni di Pisa, Napoli e Cagliari


Durata esperimento 2 anni



2004−2005

primo anno: progettazione dei vari componenti per la realizzazionedel sistema 2.8x2.8 cm2 e inizio della produzione. Test con il sistema1.4x1.4 cm2secondo annocompletamento della realizzazione del sistema 2.8x2.8 cm2 e suo test


mailto:

mailto:


StrutturaCA


Resp. loc.: Paolo Randaccio


VOCIDI




SJ SJ Contatti con la collaborazione 2.0

2.0 0.0

Contatti con il CERN per lo sviluppo della Chip Board e i test relativi 2.0

2.0 0.0

Realizzazione del circuito stampato per la PCI Board

Componenti per 4 PCI Boards (Bridge + fPGA + Connettori + componenti passivi)

Realizzazione del circuito stampato per la Mother Board

Componenti per 4 Mother Board

Progetto della Chip−Board, realizzazione prototipo, microsaldatura dei chip

Circuiti GLink, Transreceivers ottici, Fibre ottiche

1.5

1.0

1.5

1.0

4.0

2.0

11.0 0.0

0.0 0.0


0.0 0.0

0.0 0.0

0.0 0.0

0.0 0.0




StrutturaCA




Il gruppo di lavoro di Cagliari si è specializzato negli ultimi anni nella progettazione e realizzazione di sistemi diacquisizione ad alta velocità basati su piattaforma PC e interfacce commerciali, quali bus PCI porte USB e Fire Wire. Ciòha consentito di ridurre notevolmente i costi di progettazione, test e realizzazione dei sistemi e ha permesso di sfruttare almeglio una tecnologia largamente usata e in continuo progresso dal punto di vista delle prestazioni.Anche nell'ambito del progetto PPC il gruppo di Cagliari si occuperà dello sviluppo dei sistemi di interfacciamento eacquisizione dati, realizzando una scheda PCI per il controllo del sistema e la acquisizione dati e la scheda Motherboardper l'interfacciamento con i chip di Medipix. Il gruppo di Cagliari collaborerà con il gruppo di Napoli allo sviluppo delsistema di link ottico e alla realizzazione della ChipBoard per l'alloggiamento dei 4 chip Medipix previsti nel progetto. Lamicrosaldatura dei chip e i test preliminari saranno effettuati con le attrezzature presenti nella camera pulita della SezioneINFN d Cagliari.In allegato sono state inserite le presentazioni relative al progetto PPC per la parte di competenza di Cagliari, unapresentazione relativa ad un progetto analogo e alcune immagini acquisite con il sistema attualmente in uso.



StrutturaCA





Sassari, 9 Luglio 2003 1

Sezione di Cagliari

Pisa - Napoli - Cagliari

Gruppo di Cagliari:

Dott. V. Fanti – Dott. R. Marzeddu – Prof. P. Randaccio


Realizzare un rivelatore in Si (spessore 0.3-1.0 mm) ibrido a pixel con 512××××512 pixel, passo 55 µµµµm (area totale 28××××28 mm2) con readout parallelo in fibra ottica in grado di fornire un frame rate > 25 fps.

Applicazioni: imaging su piccoli animali (CT, SPECT)

• Rivelatore unico 512 x 512 pixel

• Area attiva 28 x 28 mm2


Matrice attiva

Contatti

Caratteristiche generali: Dimensioni 1.6 x 1.4 cm2 (~ 2.3 cm2) Matrice: 256 x 256 pixel Pixel: 55 x 55 µm2

Area attiva 1.982 cm2 (87% della sup. tot.) Alimentazione 2.2 V 127 pad per la connessione dei segnali di I/O Connessione in bump-bonding con rivelatori a semiconduttore (Si,

CdTe, ZnCdTe)


MotherboardScheda PCI

Optical serial link

Chipboard 2x2MotherboardScheda PCI

Optical serial link

Flat cable

100 pin


Chipboard

Motherboard

Scheda PCI

Link ottico (1.25 Gbit/s)

Flat cablecontrol/status

signals

Flat cable(~70 Mbyte/s)

Bus PCI (70 Mbyte/s)


DAC Ext

ADC 4ch

Driver 32 bit

Driver 32 bitDriver 32 bit

Driver 32 bit

DAC HV

DAC Pulse

DAC_OUT

EXTDAC_IN

DAC_BIAS

TEST_IN

DAC PulseSwitch

CPLD

Chip 1 Chip 2

Chip 3Chip 4

Control bus(16 bit)

Data bus


Logica programmabile CPLD:

Gestione dei segnali di configurazione del chip

Voltage level translator (driver)

2.2 V 3.3 V (output)

4 Digital to Analog Converter (DAC):2 DAC per il test della elettronica (test pulse)1 DAC controllo dell’alimentatore di alta tensione1 DAC per sostituire un DAC del chip

1 Analog to Digital Converter (ADC) Lettura dei DAC interni


CPLD

Registro 16 bit

Control bus (16 bit)

5 V 3.3 V

5 V 2.2 V

G2Link TX 16 bit

G2Link TX 16 bit

CMOS LVDS

Optical serial link (32 bit)

LVDS CMOS

Gestione del test pulse


Logica programmabile CPLD/FPGA:

Registro di configurazione del chip

Alimentazione (driver)

5 V 3.3 V (elettronica)

5 V 2.2 V (Medipix2 chips)

Link ottico (Napoli): 2 moduli G2Link 16 bit TX 40 MHz (~1.25 Gbit/s)

Moduli G2Link TX e RX


Bus PCI 32 bit, 33 MHz

Optical Serial Link

FPGA PROM

BridgePCI9054

Clock

3.3 VE2prom

Bus locale 32 bit, 50 MHz

G2Link

G2Link

Control bus


Bridge PCI 9054:

Gestione dei canali DMA (70÷80 MByte/s)

Logica programmabile FPGA:

Gestione dei segnali di configurazione del chipClock di lettura (burst mode)

Voltage level translator (driver)

2.2 V 3.3 V (output)


Flat cable 100 pin (schermato):

32 (+ 32 ) pin per i segnali della porta parallela

16 pin per i segnali di controllo e di stato del chip

Connettore IDC Mini 100 pin (passo 0.05’’):

Dimensioni: ~ 8 cm di lungh.

Connettore 3M IDT alta densità

Flat cable alta densità (.025’’)

IWORID 2002 - P.Randaccio

Medipix2 Medipix2 Parallel Parallel ReadoutReadout SystemSystem

4-th IWORID Amsterdam 8 – 12 September 2002

V. Fanti, R. Marzeddu, P. Randaccio


Dynamic imaging with Dynamic imaging with Medipix2Medipix2

ONE CHIP

256x256x14 bits per frame

25 frames per second

2.3 x 107 bits per second

2.9 x 106 bytes per second

EIGHT CHIPS

1.8 x 108 bits per second

2.3 x 107 bytes per second

Serial I/O: 180 MHz

Parallel I/O 32 bit: 5.7 MHz

However, the readout speed should be as high as possible to reduce the dead time; aiming to 10% DT we should reachfrequencies 10 times higher.


The PC platform as acquisition system

Actually the PC is the best solution for:

• Acquisition

• Processing

• Visualization

• Storage

in imaging systems.


PC PC architecturearchitectureNorth Bridge (Hi speed devices)South Bridge (Low speed devices)

I/O & interconnect busses:

• Host Bus• Memory Bus• AGP (Graphics)• V-link (interbridge connection)• ATA (Hard disks)• PCI• USB• IEEE 1394 firewire• Legacy (ISA) …. obsolete


Computer Computer speedspeedThe typical processor clock frequency is 1 GHz

The word length is 32 bits = 4 bytes

but ….

the data transfer rate is not 4 Gbyte/s !

The speed is limited by the bus clock:

• Host bus (between CPU and North Bridge): 200 MHz

• Memory : 200 MHz AGP(4x) : 132 MHz

• ATA : 100 MHz PCI : 33 MHz

• ISA : 8 MHz


Maximum Maximum transfer transfer speedspeed(the(the effectiveeffective one)one)

1226010PCI bus

4.2----2.7Legacy busDMAburst modesingle modeParallel busses

All values expressed in Mbytes/s

5012.5Firewire IEEE1394a

1.50.2USB 1.1

Full speedLow speedSerial busses


The PCI bus : The PCI bus : essentialsessentials

Peripheral Component Interconnect (PCI)

32-bit multiplexed data/address bus

Clock frequency : 33 MHz (66 MHz)

Maximum (theo) transfer rate : 132 MB/s (264 MB/s)

3.3V & 5V operability

Plug and Play

single mode e burst mode transaction

reflected wave switching


TransmissionTransmission linelineStandard Standard methodmethod: : incident wave switchingincident wave switching

V

X

VTH

bus end

Incident wave

incident point

t < Tprop.

V

X

VTH

bus end

t > Tprop.

Incident wave

VME, ISA, EISA, …. busses

BUSRtermRterm

Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4 Slot 5 Slot 6 Slot 7 Slot 8 Slot 9 Slot 10

Incident point


PCI PCI methodmethod: : reflected wave switchingreflected wave switching

V

X

VTH

bus end

Incident wave

incident point

t < Tprop.

V

X

VTH

bus endincident point

Tprop<t <2 Tprop.

Reflected wave

BUS

Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4 Slot 5 Slot 6 Slot 7 Slot 8 Slot 9 Slot 10

Incident point

Initiator Target


PCI bus PCI bus length length limitlimit

T_cyc

Clockdevice #1

T_low

T_high

T_skew

Clockdevice #2

Dev #nDev #1

d

Dev #2

T_prop ≤≤≤≤ 10 ns ; d = bus length ; v = 2 ·108 m/s

Worst case:

∆x = 2d

∆x = v ·T_prop = 2 m

d ≤≤≤≤ 1 m (theo)

Tprop = 30 ns – Tval – Tsu - Tskew


BridgeBridge

Local bus (CMOS)

PCI bus

BRIDGE

Logic & I/O circuits

Connection between PCI bus and local bus for

timing, operating voltage (5V/3.3V/2.2V), protocols


PLX PCI9054 Bus Master I/OPLX PCI9054 Bus Master I/O AcceleratorAccelerator


Bridge PLX9054Bridge PLX9054

• Bus Master interface

• 32-bit data bus, 28-bit address bus

• 3.3V, 5V tolerant

• Local bus clock up to 50 MHz

• Dual DMA channels

• Six Read/Write FIFOs 16 Lword

• Single and burst mode operation (block transfer up to16 LWord)

• Unlimited burst length

• Memory spaces remap (up to 256 Mbytes of memory)


Burst read Burst read modemodeLocal BusPCI Bus

PCI Read Request

The bridge prefetches data from Local Bus device at max. clock speed

Prefetched data is storedin the internal FIFO

PCI bus reads data from the FIFO

The PCI bridge returns data from internal FIFO in sequential address read operations until FIFO is empty

Read FIFO (16 x 32 bit)

Read D0

Read D1

Read D15

= empty= full

Read D2


I/O I/O burst advantageburst advantage

North bridgeCPU

SouthBridge

Local BusPCI Bus

FIFO

PCI/Local bridge

Host/PCI bridge

FIFO

Host memory

Bus access (address, data, control cycles) slows down I/O operation. The prefetch with FIFOs reduces the time needed forbus access operations by a factor 16. CPU reads data directly from FIFO at very high speed.


Reading Reading data data from from Medipix2 Medipix2 parallel portparallel port

Acquisition rate is about 64 MByte/s

32 bits - 16 MHz mean acquisition rate

PCI bridge reads 16 Lword fromMedipix2 parallel port through localbus

CPU reads data from FIFO


Most PCsMost PCs do do not support burst read not support burst read !!

If the North Bridge has no FIFO (Intelbridges) the CPUreadout phase isslower

Acquisition rate is about 10 MByte/s


Reading from Reading from a PCI a PCI devicedevice

1 M

4 GBIOS ROM

PCI memory

System RAM

CPU

It is like a memory block transfer from PCI Address Space to program data.

From the software point of view it is just a moveinstruction.

Each data transfer between bridges and busses is transparent to the software.


PCI PCI Local SpacesLocal Spaces

Local bus

BRIDGE

Space1Space0 Space2 Space3 Space4

Configuration Address Space

I/O AddressSpace

A PCI device can be configured as five memory spaces with configurable address offset and range


Memory Memory space space reserved for reserved for Medipix Medipix datadata

Medipix matrix data read through parallel port

Serial data

ControlStatus

Not assigned

Not assigned

Not assignedLocal Space 4Local Space 3

Local Space 2

Local Space 1

Local Space 0


Medipix2

Testboard

127 I/O & Power Supply

PCI BoardMotherboard Flat cables 34-pin

MPRS: MPRS: general schematicgeneral schematic


Line drivers from Medipix to DAQ

CMOS - LVDS drivers

Power Supply, voltage regulator 3.3V – 2.2V

MotherboardMotherboard

Drivers

LvdsCmos

Z-adapter

Medipix

2.2 V Voltage

RegulatorTest

Board

34-pin I/O flat cables


Motherboard Motherboard picturepicture

Medipix TB Connector DRIVERs Voltage Reg.

OUT Conn.IN Conn.

CMOS LVDS

Z-adapter


MotherBoard & MotherBoard & Testboard pictureTestboard picture


DAQ: PCI boardDAQ: PCI boardPCI Universal card for 32-bit, 33 MHz slot.

Main components:

PCI Bridge: connection from PCI Bus to Local Bus

Registers for output lines

Buffers for input lines

Address decode circuit

Local Clock circuit

Voltage regulator 3.3V

Serial Eeprom

Registers Buffers

Bridge

PCI

Clock

3.3 V

AddressDecode

EEPROM


PCI Board PCI Board picturepicture

Address decode

Input connector

Output connector

Output registers

Input buffers

Clock

3.3V reg.

Eeprom Bridge


PCI Board PCI Board picturepicture


SoftwareSoftware

Software Hardware

LibraryMedipix.dll

(C++)

Control, acquisition & visualization

(VBasic)

PCI board

Motherboard

Medipix2


UtilityUtility software:software:PCI board control panelPCI board control panel

Scan PCI bus

Open device

Read/write test

Internal registersconfiguration


Acquisition utilitiesAcquisition utilities

Set the DACs

Reset matrix data

Set pixel registers

Readout


Image acquisitionImage acquisition timingtimingMedipix2

MPRSRawdata

memory

MPRS

MPRS

MPRS

Readout

Readout

Stop

Start

X-rays

Image reconstruction

routine

Image Memory

Medipix photon counting phase

time

2 ms

~38 ms

~ 0 ms

~ 0 ms


Image reconstructionImage reconstructionAny image processing is made by software after the acquisition, in particular:

Image reconstruction with deserialization and derandomization

The total time is : 256x8x14x32xTs = 917504xTs

where Ts is the period of the inner software loop.

The reconstruction time depends on CPU speed: however with a normal PC it lasts no more than 10 ms

The software does the reconstruction during the Medipix2 photon counting phase, so it does not slow down the process.


ConclusionsConclusions• Parallel readout seems to be appropriate for the Medipix2 dynamic imaging acquisition.

• Actual PCs are convenient platforms for the image acquisition, processing, storage and visualization.

• Interfaces based on PCI bus are easy to develop and fast enough for our purposes.

• The hardware complexity is transparent for the software thanks to the bridges.

• Image reconstruction made by software simplifies MPRS hardware design.

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In KEuro

Struttura


caricodi altriEnti

Miss. interno

di cui SJ

Miss. estero.

di cui SJ

Materialedi cons.

di cui SJ

Trasp.e Facch.

di cui SJ

SpeseCalc.

di cui SJ


di cui SJ

Mater.inventar.

di cui SJ

Costr.appar.

di cui SJ

TOTALECompet.

di cui SJ

PI NA CA

TOTALI

8,04,02,0

10,06,02,0

50,025,011,0

5,09,0

73,044,015,0

14,0 18,0 86,0 14,0 132,0


Note:



Nuovo esperimento GruppoPPC 5


L’espermento PPC vuole sviluppare un innovativo sistema di imaging digitale di 8cm2 di area attiva, formatoda 262144 pixels e trasmissione dati su fibra ottica.Il sistema che si vuole realizzare prevede un rivelatore di area totale 2.8 x 2.8 cm2, basato su una matrice disilicio di spessore compreso nell’intervallo 300−1000 micron, segmentato con passo di 55 um, che rispondealla necessita’ di ampliare l’area sensibile di sistemi di imaging con passo < 100 micron. La lettura e ilprocessing di un cosi’ grande numero di elementi attivi e’ possibile grazie agli sviluppi avuti dalla tecnologiaCMOS che ha consentito la realizzazione di chip di read−out con elevata densita’ di transistors in areesubmillimetriche. Il chip Medipix2 essendo realizzato in tecnologia 0,25 micron CMOS mette in atto questeelevate capacita’ di integrazione; infatti e’ un circuito con 256x256 pixels quadrati ciascuno di lato 55 microne in ciascun pixel e’contenuto: uno stadio di preamplificazione, un comparatore che puo’ funzionare sia afinestra sia a singola soglia e un contatore a 13−bit +1 di overflow. Questi stadi presenti in ogni singolo pixelsfanno di Medipix2 un single−photon –counting chip che e’ stato sviluppato nell’ambito della collaborazioneeuropea Medipix2 ( http://www.cern.ch/MEDIPIX). Tests preliminari condotti su questi dispositivi hannoprovato il funzionamento sia del chip sia dell’insieme chip−rivelatore. Il chip di lettura sara’ connesso alrivelatore attraverso la tecnica del bump−bonding, in particolare verra’ realizzato un rivelatore chenecessitera’ di 4 chips di lettura.Il read−out dei 4 chip Medipix2 sarà di tipo parallelo e il trasferimento di dati al DAQ avverrà su un link infibra ottica in grado di garantire un rate di acquisizione superiore a 25 frames/s.La quantità di dati che deve essere letta in un singolo frame è di 3670016 bits (4 chip con 256x256 pixel, ognipixel un contatore a 14 bits) che nel caso di read−out seriale richiede una velocità di acquisizione di 90 Mbit/so di 2.8 Mwords/s usando una porta parallela a 32 bit. Durante la fase di read−out il chip non può cumularestatistica (acquisire dati), pertanto se vogliamo ridurre il tempo morto al 10%, si devono raggiungerefrequenze dieci volte superiori. Le frequenze di acquisizione richieste sono 0.9 GHz per il read−out seriale e28 MHz per il parallelo.Il sistema proposto per il read−out parallelo è basato su una scheda PCI in grado di trasmettere parole di 32bit a 33 MHz e sostenere quindi la frequenza richiesta per il read−out parallelo dei 4 chip Medipix2 al fine diottenere un frame rate superiore a 25 fps.Il sistema di read−out sarà costituito da due schede: una mother board che ospiterà: la chipboard su cuisaranno connessi i 4 chip Medipix2, i convertitori dei segnali CMOS−LVDS e il link ottico di trasmissionedati in fibra ottica; e una PCI board che oltre a sovrintendere alle operazioni di lettura/scrittura del chip dovràinterfacciarsi con il link ottico di ricezione dati in fibra ottica. Il collegamento tra queste due schede saràeffettuato in fibra ottica sia per poter eliminare l'ingombro dei cavi sia per poter permettere una distanzaanche di qualche decina di metri tra le due schede. Il sistema in fibra ottica proposto utilizzerà una sezionetrasmettitore/ricevitore basata su dispositivi Small Form Factor affiancata da un grupposerializzatore/deserializzatore appartenente alla famiglia G−link Agilent dei chip SERDES che offre unasoluzione generale capace di implementare una connessione punto−punto ad alta velocità senza la necessità diavere un protocol chip, e raggiungendo un'agevole trasmissione di dati a rate dell'ordine del Gbits/s.Le caratteristiche del sistema realizzato verranno valutate nell’ambito di una micro CT per piccoli animaligia’ esistente, in particolare andando a sostituire l’attuale sistema di acquisizione basato su una CCD conquello realizzato dall’esperimento PPC. Data la piccola massa dei soggetti in esame ( topi che avranno unamassa che andra’ dai 20g ai 100g e un diametro del torace inferiore ai 4cm) e’ sufficiente un’energia mediadel fascio di circa 22 keV. Il sistema proposto avendo un passo di lettura di 55 micron ben si presta allo studiodi piccoli animali inoltre avendo la possibilita’ di acquisire 25 fps da la possibilita’ di realizzare una presa datiin pochi minuti.

Mod EN5





PREVISIONE DI SPESA


In KEuro

ANNIFINANZIARI

Miss.interno

Miss.estero.

Materiale dicons.

Trasp. eFacch.

SpeseCalc.


Mater.inventar

Costr.appar.

TOTALECompet.

20042005

TOTALI

1414.0

1818.0

8655.0

00.0

00.0

00.0

140.0

00.0

132.087.0

28,0 36,0 141,0 14,0 219,0



StrutturaCA





QualificaAffer.

algruppo

% NTECNOLOGI

Cognome e Nome

Qualifica



Tecnol. 1234

CESAREO ROBERTO FANTI VIVIANA MARZEDDU ROBERTO RANDACCIO PAOLO

P.O.

P.A.

AsRicBors.

5555

20505040


00

NTECNICI

Cognome e Nome



Assoc.tecnica

1 MARRAS DAVIDE CTer. 10


41.6


10.1











3/04 realizzazione della scheda PCI con controllo del sistema e linea di lettura parallela

4/04 Simulazione del rivelatore 2.8 x2.8 cm2, con ISE−TCAD e sua sottomissione in fonderia.

6/04 Realizzazione della motherboard nella versione con i connettori per l'alloggiamento della della chipboard separata.Completamento del sistema di acquisizione con linea di lettura su fibra ottica.

9/04 Realizzazione chip−board e motherboard in versione preliminare

12/04 Realizzazione link ottico con scheda a read−out parallelo e della scheda PCI per l'unita' da 1.4x1.4 cm2.Progetto board per read−out paralleo di 4 chip.Realizzazione versione completa di:PCI board, chip−board e motherboard per la lettura di 4 unita'.Test del sistema di acquisizione con un rivelatore di area 1.4x1.4 cm2, e prime prove di immag usando un fantoccioper micro−CT.



Struttura GruppoCA 5

Coordinatore: Paolo Randaccio

COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: A) − RICERCATORIComponenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:

N. Cognome e Nome

Qualifica

Affer.al

gruppo

Ricerche del gruppo in %Percentuale

impegnoin altri gruppi

Dipendenti Incarichi

Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc. I II III IV

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

BOTTIGLI UBALDO

BRUNETTI ANTONIO

CESAREO ROBERTO

COSTANTINO SALVATORE

FANTI VIVIANA

GOLOSIO BRUNO

MARZEDDU ROBERTO

MASALA GIANLUCA

OLIVA PIERNICOLA

POGGIU ANGELA

RANDACCIO PAOLO

STEGEL GIOVANNI

STUMBO SIMONE

P.O.

R.U.

P.O.

P.A.

R.U.

Spec.

AsRic

Dott.

Bors.

Dott.

R.U.

Spec.

P.O.

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

40

40

50

100

50

40

100

40

100

50

100

50

20

70

80

20

20

30

50

50

40

20

50

50

40

Ricercatori 2.8 4.8 2.1 1.7 1.6

Note:

INSERIRE I NOMINATIVI IN ORDINE ALFABETICO (N.B.NON VANNO INSERITI I LAUREANDI)

1) PER I DIPENDENTI2) PER GLI INCARICHI DI RICERCA3) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE

4) INDICARE IL GRUPPO DI AFFERENZA

Indicare il profilo INFNIndicare la Qualifica Universitaria (P.O. P.A. R.U.) o Ente di rappresentanzaIndicare la Qualifica Universitaria o Ente di appartenenza per Dipendenti altri Enti:Bors.) Borsista; B−P−D) Post−Doc; B.Str.) Borsista straniero; Perf.) Perfezionando;Dott.) Dottorando; AsRic) Assegno di ricerca; S.Str) Studioso straniero;DIS) Docente Istituto Superiore

(N.B.NON VANNO INSERITI I LAUREANDI)

Mod G1




COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: B) − TECNOLOGIComponenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:

N. Cognome e Nome

Qualifica Ricerche del gruppo in %Percentuale

impegnoin altri gruppi


Ruolo Art. 23Assoc.

TecnologicaI II III IV

1 MELEDDU GIANFRANCO D.Osp. 100

Note:

1) PER I DIPENDENTI2) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE

Indicare il profilo INFNIndicare Ente da cui dipendono, Bors. T.) Borsista Tecnologo

Mod G2




COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: C) − TECNICIComponenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:

N. Cognome e Nome

Qualifica Ricerche del gruppo in %Percentuale impegno

in altri gruppi



Assoc.Tecnica

I II III IV

1 MARRAS DAVIDE CTer. 10 40 30

Servizi (mesi−uomo)

−− Vuoto −−

Note:

1) PER I DIPENDENTI2) PER GLI INCARICHI DI COLLABORAZIONE TECNICA3) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE TECNICA

Indicare il profilo INFNIndicare Ente da cui dipendonoIndicare Ente da cui dipendono

Mod G3




PREVISIONE DELLE SPESE DI DOTAZIONE E GENERALI DI GRUPPO

Dettaglio della previsione delle spese del Gruppo che non afferisconoai singoli esperimenti e per l'ampliamento della Dotazione di base del Gruppo

In KEuroVOCI

DISPESA

DESCRIZIONE DELLA SPESAIMPORTI

ParzialiTotale

Compet.

Interno

Partecipazione del Coordinatore alle riunioni della Commissione ScientificaNazionale di Gruppo V

Partecipazione del Presidente della Commissione di Gruppo V (afferente allaSezione di Cagliari) alle riunioni della Commissione e altre attività svolte in ambitonazionale

Congressi Nazionali

4.0

6.0

3.0 13.0

Estero

Partecipazione a Congressi internazionali del Presidente della Commissione diGruppo V

Congressi Internazionali

6.0

3.09.0

Materialedi consumo

Cancelleria, audiovisivi, supporti informatici per attività legate alla Presidenza dellaCommissione di Gruppo V

Cancelleria, supporti informatici

Software di progettazione elettronica

1.0

1.0

2.0 4.0

Spese SeminariSeminari relativi ad argomenti attinenti alle ricerche svolte in ambito del Gruppo V

Seminari richiesti dal Presidente della Commissione di Gruppo V

1.0

1.02.0

Trasporti e facch. 0.0PubblicazioniScientifiche 0.0

Spese CalcoloConsorzio Ore CPU Spazio Disco Cassette Altro

0.0

Affitti eManutenzione

Apparecchiature(1)

0.0

Materialeinventariabile

Personal Computer, stampante e scanner per le attività connese alla Presidenzadella Commissione di Gruppo V

Alimentatore ad Alta Tensione per tubo a Raggi X

Analizzatore di Stati Logici a 1 GHz 32 Canali

Sistemi di sviluppo per DSP, fPGA

1.5

5.0

10.0

3.019.5

Totali 47.5(1) Indicare tutte le macchine in manutenzione

Mod G4 (a cura del responsabile locale)



PREVISIONE DELLE SPESE PER LE RICERCHE

RIEPILOGO DELLE SPESE PREVISTE PER LE RICERCHE DEL GRUPPOIn KEuro

SIGLAESPERIMENTO

SPESA PROPOSTA

Miss.interno

Miss.estero

Mater. dicons.

SpeseSemin.

Trasp eFacch.

Pubbl.Scient.

SpeseCalc.

Aff. eManut.App.

Mater.Invent.

Costruz.Appar.

TOTCompet.

MOCAMA 1.0 1.0 7.2 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 9.2

Totali A) 1 1 7.2 0 0 0 0 0 0 0 9.2

MAGIC−5 MAMBO MULTITAC PPC

8.04.05.02.0

7.06.05.02.0

2.03.05.0

11.0

0.00.00.00.0

0.00.00.00.0

0.00.00.00.0

3.013.015.0

0.0

0.00.00.00.0

20.026.030.015.0

Totali B) 19 20 21 0 0 0 0 0 31 0 91

C) Dotazionidi Gruppo

13.0 9.0 4.0 2.0 0.0 0.0 0.0 0.0 19.5 0.0 47.5

Totali (A+B+C) 33 30 32.2 2 0 0 0 0 50.5 0 147.7

Mod G5

PROGRAMMA DI RICERCA - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare · ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA...

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