RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

SULLE TRACCE DI HOMO ERECTUS LUNGO LA COSTA OCCIDENTALE DEL MAR ROSSO DALL'ERITREA AL SUDAN: AMBIENTI E POPOLAMENTO UMANO DURANTE IL PLEISTOCENE

Università di riferimento

Università degli Studi di BOLOGNA - FISICA - BOLOGNA(BO)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Franco CASALI

Descrizione

L'unità di Bologna si prefigge lo scopo di studiare, assemblare e testare un apparato tomografico trasportabile per analisi di crani fossili e non. La nostra unità dovrà operare in collaborazione con le unità di Roma e Firenze, soprattutto per individuare le prestazioni che il sistema tomograico deve possedere e per l'analisi dei dati ottenuti.
L'obiettivo ultimo è di ottenere un sistema innovativo in grado di fornire dati volumetrici di campioni con diametro di circa 30 centimetri, con una risoluzione pari a qualche centinaia di micron (oppure inferiore a 100 micron per campi di vista più ristretti). È necessario avere un sistema ad alta risoluzione spaziale, per poter apprezzare particolari di interesse, alto range dinamico per poter discriminare parti a basso contrasto e che al tempo stesso non deformi la morfologia dei corpi in esame. A tal fine, verrà costruito un apparato simile a quello illustrato precedentemente in figura, formato dalle seguenti componenti:
- Tubo a raggi X già disponibile tra la strumentazione del nostro laboratorio. Verranno testati sia un tubo microfocus a doppio anodo (tungsteno – molibdeno) con tensione di picco di 200 kV e corrente pari a 3 mA, sia un tubo industriale, anodo di tungsteno, con tensione di picco di 200 kV e corrente massima di 8 mA. Il tubo a microfocus ha una macchia focale di circa 5 micron e un angolo di apertura del fascio di 30°. Una macchia focale di tali dimensioni consente di ottenere grandi magnificazioni geometriche con un blurring ridotto, permettendo in tal modo il raggiungimento di eccellenti risoluzioni spaziali.
- Sistema di movimentazione di precisione, composto un sistema di assi che consentono al corpo in esame di traslare e di ruotare con un passo inferiore al grado, assicurando la necessaria precisione per la ricostruzione tomografica. Il sistema di movimentazione deve essere in grado di reggere e bloccare gli oggetti in esame e consentire una rotazione continua del corpo.
- Sistema di rivelazione ad alte prestazioni (alta risoluzione spaziale e alta efficienza), composto da uno strato scintillatore, un sistema ottico di obiettivi e specchi, ed una camera CCD ad alte prestazioni. Questi componenti verranno assemblati e fissati all'interno di una scatola di profilati di alluminio che sarà costruita appositamente. Tale scatola sarà ampiamente modulare e facilmente assemblabile, in modo da garantire una facile trasportabilità dell'intero sistema.
Questo sistema di rivelazione (accoppiamento di scintillatore, specchio e camera CCD) è già stato studiato e messo a punto dal nostro gruppo per tomografie di teste di bronzo antico e reperti nel campo dei beni culturali. Si sono effettuate scansioni tomografiche con campi di vista estesi e risoluzioni spaziali molto buone.
- Sistema di acquisizione, ricostruzione, elaborazione e rendering delle immagini, composto da una sezione hardware (PC per l'acquisizione e il calcolo) e una parte software di ricostruzione tomografica e rendering tridimensionale delle immagini ricostruite.
C'è da notare che il sistema completo verrà messo a punto e testato prima nei nostri laboratori (già attrezzati con bunker e tubi a raggi X), poi trasportato nel secondo anno, nel sito in Eritrea in cui si trovano i reperti da analizzare.
Per la messa a punto dell'intero apparato verranno sfruttate le competenze acquisite dai componenti della nostra unità nello sviluppo di rivelatori digitali per prove non distruttive. La attività principale del nostro gruppo di ricerca consiste infatti nella progettazione e realizzazione di sistemi per radiografia digitale e tomografia computerizzata, sia sotto il profilo della scelta ed assemblaggio dei componenti, che dello sviluppo software di acquisizione, ricostruzione ed elaborazione.
I passi da effettuare per arrivare al raggiungimento dell'obiettivo finale consistono nell'ottimizzazione dei vari componenti del sistema di rivelazione e nella messa a punto del software di acquisizione, ricostruzione ed elaborazione delle immagini.
----- Ottimizzazione sistema di rivelazione -----
L'ottimizzazione dell'insieme scintillatore-camera di rivelazione consisterà nella scelta del materiale di scintillazione e della camera CCD da accoppiare al sistema ottico. A tal fine verranno analizzati diversi tipi di materiali, quali GOS, CsI con struttura ad aghi, fibre ottiche scintillanti. Per ogni materiale saranno effettuate sia prove sperimentali di efficienza e risoluzione spaziale, che simulazione tramite metodi Monte Carlo, al fine di ottimizzarne lo spessore. Andrà inoltre scelta una camera CCD ad alte prestazioni (alto range dinamico, basso rumore, elevata risoluzione spaziale e basso tempo di lettura). Si analizzeranno e testeranno alcune camere CCD commerciali a 16 bit e con tempo di acquisizione inferiore al secondo. Il sistema di rivelazione dovrà consentire di ottenere la risoluzione spaziale richiesta (qualche centinaia di micron) su un campo di vista di almeno 30 cm. L'ottimizzazione del sistema di rivelazione sarà terminata entro il primo anno del progetto, in modo da poter assemblare e testare l'intero apparato sperimentale nel secondo anno.
----- Software di acquisizione, ricostruzione tomografica ed elaborazione delle immagini -----
Verrà messo a punto un sistema software che consentirà di acquisire le immagini dalla camera CCD, e convertirle in proiezioni utili per la fase di ricostruzione tomografica. Il software sarà scritto da personale della nostra unità, sfruttando ove possibile le librerie della camera CCD scelta e dovrà acquisire e salvare l'immagine acquisita in un tempo inferiore al tempo di lettura della camera stessa. Compito della nostra unità sarà anche di studiare ed implementare un programma per la ricostruzione tomografica delle immagini acquisite. Verrà a tal fine approntato un algoritmo per la ricostruzione CT basato sull'algoritmo Filtered Back-Projection: si scompone il problema di ricostruzione 3D in una ricostruzione di una serie di immagini bidimensionali. L'algoritmo permetterà quindi di ottenere una serie di slice bidimensionali ricostruite, che forniranno nell'insieme l'immagine volumetrica del corpo in esame. Il software di ricostruzione verrà prima testato su immagini di fantocci simulati (primo anno), poi verificato su immagini provenienti dall'apparato sperimentale (secondo anno). Tramite operazioni software di rendering queste slice verranno infine unite in un'unica immagine rappresentante il volume analizzato e visualizzate come immagini 3D. L'immagine tridimensionale ottenuta servirà sia per visualizzare qualitativamente i diversi componenti dell'oggetto in esame, che per fornire i dati quantitativi riguardanti la composizione dei materiali presenti all'interno del corpo. È nostra intenzione infine convertire il volume ricostruito in un formato che possa essere analizzato da sistemi CAD/CAM, in modo tale da fornire una più realistica riproduzione del corpo in esame. Partendo dalla ricostruzione 3D CT, l'elaborazione CAD ci permetterà di ottenere una ricostruzione stereolitografica in resina acrilica del corpo.
-------------------- Tempistica delle azioni --------------------
Il progetto si articola su 2 fasi di 1 anno l'una, con obiettivi parziali posti al termine di ciascuna fase. I compiti schematicamente riportati sotto sono gli stessi già descritti in modo più ampio sopra.
---------- I anno ----------
- Misure sperimentali per test scintillatori
- Ottimizzazione del sistema di rivelazione: scelta dello scintillatore e della camera CCD
- Scrittura algoritmi di ricostruzione per CT e test su dati simulati
- Scrittura software di rendering 3D e test su dati simulati
- Assemblaggio sistema completo: assi, tubo, rivelatore, sistema di acquisizione
-------------------- Risultati parziali attesi al termine del I anno --------------------
1) Scelta dei componenti del sistema: scintillatore e camera CCD
2) Algoritmo di ricostruzione CT e di rendering 3D e verifica su dati simulati
3) Sistema di rivelazione assemblato in laboratorio
---------- II anno ----------
- Acquisizione dati sperimentali tomografici di fantocci
- Verifica sperimentale degli algoritmi di ricostruzione CT
- Trasporto sistema e acquisizione dati sperimentali sul sito
- Ricostruzione e rendering dati sperimentali acquisiti sul sito
-------------------- Risultati parziali attesi al termine del II anno --------------------
1) Assemblaggio e verifica prestazioni sistema tomografico sul sito
2) Immagini 3D tomografiche dei campioni acquisiti sul sito