ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Gruppo
Struttura
Preventivo per l'anno 2003
TRIESTE
5
Coordinatore: Marco Budinich
COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: A) - RICERCATORI
Componenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:
RICERCHE DEL GRUPPO IN %
Qualifica
Cognome e Nome
N.
Dipendenti
Incarichi
Affer.
al
Gruppo
I II III IV
Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.
1 ARFELLI Fulvia
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
BERGAMASCHI Anna
Ric
BOEZIO Mirko
I Ric
BONVICINI Valter
Borsista ICTP_1
Borsista ICTP_2
BOSISIO Luciano
BUDINICH Marco
CASTELLI Edoardo
CICUTTIN Andres
CIUFFOLETTI Augusto
COLAVITA Alberto
DITTONGO Selenia
DREOSSI Diego
GREGORIO Anna
LIELLO Fernando
LONGO Renata
MATVEEV Dennis
MILOTTI Edoardo
NAPOLANO Vincenzo
OLIVO Alessandro
PANI Silvia
PERCACCI Roberto
RIGON Luigi
SCIAN Giovanni
D.R.
VACCHI Andrea
VENANZI Cristian
VESPIGNANI Alessandro
ZAMPA Gianluigi
ZECCHINA Riccardo
R.U.
Dott.
5
40
5
100
2
20
5
30
40 30
5
100
Bors.
5
100
P.A.
3
P.A.
5
30
1
R.U.
5
ICTP
1
AsRic
1
AsRic
5
R.U.
2
R.U.
2
R.U.
5
B.P.D.
P.A.
2
5
AsRic
5
AsRic
5
R.U.
50
100
70
30
20
70
30
50
50
40
20
60
20
80
100
40
60
2
Dott.
20
100
5
ICTP
40
60
100
100
100
5
80
20
AsRic
5
Bors.
2
50
50
3
20
30 50
Dott.
5
ICTP
5
Dott.
2
ICTP
5
Ricercatori
Note:
80
Bors.
P.O.
Percentuale
impegno
in altri Gruppi
40
100
100
50
50
50
50
2.3 2.5 2.0 0.2 3.4 7.2 0.8 0.4
ZECCHINA Riccardo: Altri impegni = INFM
INSERIRE I NOMINATIVI IN ORDINE ALFABETICO
(N.B. NON VANNO INSERITI I LAUREANDI)
1) PER I DIPENDENTI:
Indicare il profilo INFN
2) PER GLI INCARICHI DI RICERCA:
Indicare la Qualifica Universitaria (P.O, P.A, R.U) o Ente di appartenenza
3) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE:
Indicare 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
4) INDICARE IL GRUPPO DI AFFERENZA
LA PERCENTUALE DI IMPEGNO NEGLI ESPERIMENTI SI RIFERISCE ALL’IMPEGNO TOTALE NELLA RICERCA, ANCHE AL DI FUORI DELL’INFN
Mod. G. 1
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Gruppo
Struttura
Preventivo per l'anno 2003
TRIESTE
5
Coordinatore: Marco Budinich
COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: B) - TECNOLOGI
Componenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:
Qualifica
N.
Cognome e Nome
Dipendenti
Ruolo
1 CARBONE Luca
Art.23
Assoc.
Tecnologica
I II III IV
10
ICTP
70
Univ.
3 CHIGNOLA Roberto
Tecn
Percentuale
impegno
in altri Gruppi
Incarichi
Tecn
2 CHAPIRO Alexander
4 DINI Paolo
RICERCHE DEL GRUPPO IN %
30
100
10
Note:
1) PER I DIPENDENTI:
2) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE:
Mod. G. 2
Indicare il profilo INFN
Indicare Ente da cui dipendono, Bors. T.) Borsista Tecnologo
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Struttura
Preventivo per l'anno 2003
Gruppo
TRIESTE
5
Coordinatore: Marco Budinich
COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: C) - TECNICI
Componenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:
Qualifica
Dipendenti
N.
RICERCHE DEL GRUPPO IN %
Incarichi
Percentuale
impegno
in altri Gruppi
Cognome e Nome
Ruolo Art.36
1 MANSUTTI Antonio
Collab.
tecnica
Assoc.
tecnica
Cter
I II III IV
40
Note: Tutte la ricerche del gruppo si avvalgono inoltre della
collaborazione dei tecnici dei Servizi della Sezione.
1) PER I DIPENDENTI:
2) PER GLI INCARICHI DI COLLABORAZIONE TECNICA:
Indicare il profilo INFN
Indicare Ente da cui dipendono
2) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE TECNICA:
Indicare Ente da cui dipendono
Mod. G. 3
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Struttura
Preventivo per l'anno 2003
Gruppo
TRIESTE
5
PREVISIONE DELLE SPESE DI DOTAZIONE E GENERALI DI GRUPPO
Dettaglio della previsione delle spese del Gruppo che non afferiscono
ai singoli Esperimenti e per l’ampliamento della Dotazione di base del Gruppo
VOCI DI SPESA
IMPORTI
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Interno
Estero
Materiale
di Consumo
Spese Seminari
Viaggi presidente e coordinatore, contributi congressi
Totale
Compet.
30,0
30,0
Conferenze e contributi straordinari presidente e coordinatore
65,0
Materiale per laboratori e software
12,0
12,0
8,0
8,0
2,0
2,0
10,0
10,0
Ospiti stranieri
Trasporti e facch.
Pubblicazioni
Scientifiche
Spese Calcolo
In kEuro
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
65,0
Altro
Affitti e
Manutenzione
Apparecchiature
(1)
Materiale
Inventariabile
Strumentazione di laboratorio
50,0
50,0
TOTALI
(1) Indicare tutte le macchine in manutenzione
Mod. G. 4
177,0
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Struttura
Preventivo per l'anno 2003
TRIESTE
Gruppo
5
PREVISIONE DELLE SPESE PER LE RICERCHE
RIEPILOGO DELLE SPESE PREVISTE PER LE RICERCHE DEL GRUPPO
SPESA
SIGLA
ESPERIMENTO
Miss.
interno
8,0
12,0
COMAL
1,0
7,0
IPM
4,0
5,0
TOM
2,0
2,0
15,0
26,0
Totali A)
PROPOSTA
Miss. Mater. Spese Trasp. e Pubbl. Spese Aff. e
estero di cons. Semin. Facchin. Scient. Calc. Manut.
App.
CASIS
TOT.
Compet.
136,0
8,0
1,0
1,0
3,0
30,0
44,0
4,0
117,0
1,0
3,0
3,0
MATISSE
5,0
11,0
102,0
SMART
3,0
3,0
3,0
VIRTUS
4,0
3,0
3,0
15,0
17,0
127,5
C) Dotazioni
di Gruppo
30,0
65,0
12,0
8,0
2,0
10,0
Totali (A+B+C)
60,0
108,0
256,5
8,0
3,0
10,0
Mod. G.5
Mater. Costruz.
Invent. Appar.
116,0
GOLDFARM
Totali B)
In kEuro
30,0
19,5
192,0
22,5
8,0
2,0
2,0
5,0
126,0
11,0
5,0
15,0
13,0
174,5
50,0
177,0
93,0
543,5
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Struttura
TRIESTE
Ricercatore
responsabile locale: BONVICINI Valter
e-mail: [email protected]
Codice
Esperimento
CASIS
Gruppo
5
Rappresentante
Nazionale:
V. BONVICINI
Struttura di
appartenenza:
TRIESTE
Posizione
nell'I.N.F.N.:
I Ric
e-mail:
[email protected]
INFORMAZIONI GENERALI
Linea di ricerca
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
Sviluppo di elettronica di front-end a grandissimo range dinamico e di rivelatori
a strip di silicio per futuri calorimetri al silicio-tungsteno.
Laboratori della sezione INFN di Trieste
Sigla dello
esperimento assegnata
dal Laboratorio
CERN, TSL (Uppsala)
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e caratteristiche)
fasci di test
Interazioni di particelle cariche di altissima energia in calorimetri elettromagnetici traccianti
al silicio-tungsteno
Processo fisico
studiato
Rivelatori al silicio, processori analogici di segnali realizzati su circuito integrato
Apparato strumentale
utilizzato
Sezioni partecipanti
all'esperimento
Istituzioni esterne
all'Ente partecipanti
Durata esperimento
Mod. EC. 1
TS
Agenzia Spaziale Italiana
Politecnico di Milano
3 anni
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
CASIS
Resp. loc.:
Gruppo
5
BONVICINI Valter
Struttura
TRIESTE
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO
VOCI
DI
SPESA
2003
In kEuro
IMPORTI
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Totale
Compet.
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
6,0
2,0
Riunioni di collaborazione e contatti con le industrie
Test beam a Legnaro
8,0
Test beam Uppsala (Svezia) e CERN
Contatti e riunioni con fonderie e produttori di rivelatori al silicio
6,0
6,0
12,0
Produzione lotto di 20 rivelatori doppia faccia al silicio per realizzazione
piano prototipo (3700 euro/rivelatore + IVA)
Acquisto probe card doppia faccia per test rivelatori
Realizzazione di 2 run MPW di prototipi ASIC + packaging e shipping
Acquisto circuiti stampati e componenti elettronici
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
91,0
3,0
12,0
10,0
116,0
Altro
Totale
136,0
Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod. EC. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Struttura
Codice
Resp. loc.:
Esperimento
CASIS
Gruppo
5
BONVICINI Valter
TRIESTE
ALLEGATO MODELLO EC 2
All. Mod. EC. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
CASIS
Resp. loc.:
Gruppo
5
BONVICINI Valter
Struttura
TRIESTE
PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE
PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
Miss.
interno
Miss.
estero
Mater.
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
2003
2004
8,0
12,0
116,0
136,0
6,0
12,0
30,0
48,0
TOTALI
14,0
24,0
146,0
184,0
Note:
Si prevede che nel 2004 venga completato e
provato su fascio il piano prototipo di
calorimetro equipaggiato con i rivelatori a
doppia faccia e l'elettronica integrata di
front-end sviluppati.
Mod. EC. 3
(a cura del responsabile locale)
Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alla
disponibilità di personale e di attrezzature:
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
CASIS
Resp. Naz.:
Gruppo
5
V. BONVICINI
Struttura
TRIESTE
PREVENTIVO GLOBALE PER L'ANNO
2003
In kEuro
A
CARICO DELL’ I.N.F.N.
Struttura
Miss.
interno
TRIESTE
TOTALI
Miss.
estero
Mater.
di
cons.
Trasp.
e
Facch.
Spese
Calc.
Affitti e
Manut.
Appar.
Mater.
inventar.
Costruz.
appar.
TOTALE
Compet.
A
carico
di
altri
Enti
8,0
12,0
116,0
136,0
0,0
8,0
12,0
116,0
136,0
0,0
NB. La colonna A carico di altri Enti deve essere compilata obbligatoriamente
Note:
Mod. EC. 4
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
CASIS
Resp. Naz.:
Struttura
Gruppo
5
V. BONVICINI
TRIESTE
A) ATTIVITA’ SVOLTA FINO A GIUGNO 2002
Produzione e test del primo batch di prova dei rivelatori al silicio a doppia faccia a strip parallele.
Studio preliminare dell'architettura del chip di front-end, importazione del disegno del chip CR1.4P (sviluppato per il
calorimetro di Pamela) dalla tecnologia ALCATEL 2 um alle tecnologie AMS 0.8 e AMS 0.6 um, check e simulazione del
circuito nelle nuove tecnologie, definizione e scelta definitiva delle tecnologie da usare per il nuovo chip.
Progettazione e realizzazione schede di test per i rivelatori doppia faccia con lettura delle strip p e delle strip n con 2 diversi
preamplificatori (CR1.4P e CR2.0) con differente range dinamico per verifica principio di lettura proposto mediante test beam
al TSL di Uppsala (ioni pesanti).
B) ATTIVITA’ PREVISTA PER L’ANNO
2003
All’inizio del 2003 verrà eseguito a Legnaro (acceleratore ALPI) un test su fascio dei rivelatori al silicio a doppia faccia a strip
parallele, del modello progettato e sviluppato nel corso del 2002 e prodotti in un batch di prova di 5 esemplari. A tale scopo
verrano usati dei chip di front-end già esistenti (CR1.4P e CR2.0, sviluppati per gli esperimenti PAMELA ed ALTEA,
rispettivamente) per leggere le strip p e quelle n, al fine di verificare l’efficacia del principio di lettura proposto, che utilizza due
elettroniche con diverso range dinamico per leggere il segnale di uno stesso evento ionizzante. Parallelamente verrà prodotto
un nuovo lotto di 20 rivelatori al silicio a doppia faccia a strip parallele, che serviranno a realizzare un piano di prova di
calorimetro e verranno letti dal nuovo chip di front-end a grandissimo range dinamico. Nel 2003 è infatti prevista la produzione
di due run di prototipi del nuovo chip. Nella prima metà dell’anno verrà prodotto il run di fonderia del primo prototipo, che sarà
caratterizzato in laboratorio per verificarne la corrispondenza con le specifiche di progetto, nonchè per evidenziare eventuali
problemi e poter implementare le conseguenti correzioni e migliorie nel progetto del secondo prototipo. Il run di quest’ultimo
sarà lanciato nella seconda metà dell’anno. Il test su fascio del piano-prototipo di calorimetro equipaggiato con il nuovo chip è
previsto per la fine del 2003/inizio del 2004 utilizzando il fascio di ioni pesanti del TSL di Uppsala.
C) FINANZIAMENTI GLOBALI AVUTI NEGLI ANNI PRECEDENTI
In kEuro
Anno
Missioni Missioni Materiale Trasp. Spese Affitti e
Materiale Costruz.
di
e
Finanziario interno estero
Calcolo Manut.
consumo Facch.
Apparec. inventar. apparati
TOTALE
2001
1,5
2,5
10,5
2002
4,0
5,0
35,0
6,0
50,0
TOTALE
5,5
7,5
45,5
6,0
64,5
Mod. EC. 5
(a cura del rappresentante nazionale)
14,5
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
CASIS
Resp. Naz.:
Gruppo
5
V. BONVICINI
Struttura
TRIESTE
PREVISIONE DI SPESA
Piano finanziario globale di spesa
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
Miss.
interno
Miss.
estero
Materiale
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
2003
8,0
12,0
116,0
136,0
2004
8,0
15,0
35,0
5,0
63,0
TOTALI
16,0
27,0
151,0
5,0
199,0
Note: In corso d'anno 2003 verrà formalizzata la partecipazione in CASIS di un gruppo di ricerca del
Politecnico di Milano, che ha già manifestato il suo interesse a collaborare, specie per quanto
riguarda la progettazione, simulazione e test del nuovo ASIC. Le previsioni di spesa 2004
tengono conto di questa partecipazione.
Mod. EC. 6
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
CASIS
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
BONVICINI Valter
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
Qualifica
RICERCATORI
Dipendenti
N
1
2
3
4
5
6
7
Cognome e Nome
BOEZIO Mirko
BONVICINI Valter
GREGORIO Anna
MATVEEV Dennis
SCIAN Giovanni
VACCHI Andrea
ZAMPA Gianluigi
TECNOLOGI
Affer.
al
Assoc. Gruppo
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ricerca
Ric
I Ric
N
2
20
5
30
R.U.
2
20
B.P.D.
2
40
Bors.
2
50
3
20
2
50
D.R.
Dott.
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
TECNICI
N
Numero totale dei Ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
Mod. EC/EN 7
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 15 Collab.
tecnica
Assoc.
tecnica
7,0 Numero totale dei Tecnici
2,3 Tecnici Full Time Equivalent
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Codice
Preventivo per l'anno 2003
Esperimento
CASIS
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
BONVICINI Valter
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
Annotazioni:
SERVIZI TECNICI
mesi-uomo
Denominazione
1
2
(a cura del responsabile locale)
Laboratorio Elettronica
Officina Meccanica
4
2
MILESTONES PROPOSTE PER IL 2003 (a cura del responsabile nazionale)
Data completamento
Descrizione
Resp. Naz.:
V. BONVICINI
30/06/2003
Test su fascio dei rivelatori al silicio a doppia faccia con strip parallele con elettronica di lettura esistente (CR1.4P e
CR2.0) per dimostrazione e verifica del principio proposto.
31/07/2003
Produzione del primo prototipo del nuovo chip di front-end a grandissimo range dinamico.
31/08/2003
Produzione e test di un lotto di 20 rivelatori al silicio a doppia faccia a strip parallele.
30/11/2003
Completamento disegno del secondo prototipo del chip di front-end.
Mod. EC/EN 8
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Struttura
TRIESTE
Ricercatore
responsabile locale: ZECCHINA Riccardo
e-mail: [email protected], [email protected]
Codice
Esperimento
COMAL
Gruppo
5
Rappresentante
Nazionale:
R. ZECCHINA
Struttura di
appartenenza:
TRIESTE
Posizione
nell'I.N.F.N.:
Associato
e-mail:
[email protected]
INFORMAZIONI GENERALI
COMplessita' degli ALgoritmi
Linea di ricerca
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
Sigla dello
esperimento assegnata
dal Laboratorio
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e caratteristiche)
Processo fisico
studiato
Simulazioni al calcolatore
Apparato strumentale
utilizzato
Sezioni partecipanti
all'esperimento
Trieste
ENS Paris
Istituzioni esterne
all'Ente partecipanti
Durata esperimento
Mod. EC. 1
2 anni
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
COMAL
Resp. loc.:
Gruppo
5
ZECCHINA Riccardo
Struttura
TRIESTE
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO
VOCI
DI
SPESA
2003
In kEuro
IMPORTI
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Totale
Compet.
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
1,0
Contatti Torino
1,0
7,0
Contatti collaboratori esteri + 1 conferenza
7,0
Manutenzione e aggiornamento software (Mathematica per alpha)
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
Una CPU alpha per simulazioni
Totale
8,0
Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod. EC. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Struttura
Codice
Resp. loc.:
Esperimento
COMAL
Gruppo
5
ZECCHINA Riccardo
TRIESTE
ALLEGATO MODELLO EC 2
All. Mod. EC. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
COMAL
Resp. loc.:
Gruppo
5
ZECCHINA Riccardo
Struttura
TRIESTE
PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE
PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
Miss.
interno
Miss.
estero
Mater.
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
2003
1,0
7,0
8,0
TOTALI
1,0
7,0
8,0
Note:
Mod. EC. 3
(a cura del responsabile locale)
Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alla
disponibilità di personale e di attrezzature:
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
COMAL
Resp. Naz.:
Gruppo
5
R. ZECCHINA
Struttura
TRIESTE
PREVENTIVO GLOBALE PER L'ANNO
2003
In kEuro
A
CARICO DELL’ I.N.F.N.
Struttura
Miss.
interno
TRIESTE
TOTALI
Miss.
estero
Mater.
di
cons.
Trasp.
e
Facch.
Spese
Calc.
Affitti e
Manut.
Appar.
Mater.
inventar.
Costruz.
appar.
TOTALE
Compet.
A
carico
di
altri
Enti
1,0
7,0
8,0
0,0
1,0
7,0
8,0
0,0
NB. La colonna A carico di altri Enti deve essere compilata obbligatoriamente
Note:
Mod. EC. 4
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
COMAL
Resp. Naz.:
Struttura
Gruppo
5
R. ZECCHINA
TRIESTE
A) ATTIVITA’ SVOLTA FINO A GIUGNO 2002
Studiata la complessita' di prblemi K-SAT casuali trovando che, in prossimita' della
transizione di fase, esiste una fase intermedia dove, la proliferazione degli stati metastabili, e' spesso responsabile della
complessita' degli algoritmi di ottimizzazione.
B) ATTIVITA’ PREVISTA PER L’ANNO
2003
Scrittura di algoritmi generali che traggano profitto dai risultati citati e siano di piu' vasta applicabilita' che non per la sola la
K-SAT casuale.
C) FINANZIAMENTI GLOBALI AVUTI NEGLI ANNI PRECEDENTI
Anno
Missioni Missioni Materiale Trasp. Spese Affitti e
Materiale Costruz.
di
e
Finanziario interno estero
Calcolo Manut.
consumo Facch.
Apparec. inventar. apparati
In kEuro
TOTALE
2002
1,0
5,0
2,0
2,5
10,5
TOTALE
1,0
5,0
2,0
2,5
10,5
Mod. EC. 5
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
COMAL
Resp. Naz.:
Gruppo
5
R. ZECCHINA
Struttura
TRIESTE
PREVISIONE DI SPESA
Piano finanziario globale di spesa
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
Miss.
interno
Miss.
estero
Materiale
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
2003
1,0
7,0
8,0
TOTALI
1,0
7,0
8,0
Note:
Mod. EC. 6
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
COMAL
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
ZECCHINA Riccardo
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
RICERCATORI
Qualifica
Dipendenti
N
1
2
3
Cognome e Nome
Affer.
al
Assoc. Gruppo
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ricerca
BUDINICH Marco
NAPOLANO Vincenzo
ZECCHINA Riccardo
TECNOLOGI
P.A.
N
5
100
Dott.
5
100
ICTP
5
50
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
TECNICI
N
Numero totale dei Ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
Mod. EC/EN 7
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 15 Collab.
tecnica
Assoc.
tecnica
3,0 Numero totale dei Tecnici
2,5 Tecnici Full Time Equivalent
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Codice
Preventivo per l'anno 2003
Resp. loc.:
Struttura
Esperimento
COMAL
Gruppo
5
ZECCHINA Riccardo
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
(a cura del responsabile locale)
Annotazioni:
SERVIZI TECNICI
mesi-uomo
Denominazione
MILESTONES PROPOSTE PER IL 2003 (a cura del responsabile nazionale)
Data completamento
Mod. EC/EN 8
Descrizione
Resp. Naz.:
R. ZECCHINA
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Struttura
TRIESTE
Ricercatore
responsabile locale: PERCACCI Roberto
e-mail: [email protected]
Codice
Esperimento
IPM
Gruppo
5
Rappresentante
Nazionale:
R. PERCACCI
Struttura di
appartenenza:
TRIESTE
Posizione
nell'I.N.F.N.:
Associato
e-mail:
[email protected]
INFORMAZIONI GENERALI
Prestazioni delle reti IP, qualita' del servizio
Linea di ricerca
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
Sigla dello
esperimento assegnata
dal Laboratorio
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e caratteristiche)
Reti di computer
Processo fisico
studiato
Computer
Apparato strumentale
utilizzato
Sezioni partecipanti
all'esperimento
Trieste, Milano, Roma
SISSA, ICTP
Istituzioni esterne
all'Ente partecipanti
Durata esperimento
Mod. EC. 1
2 anni (2002-2003)
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
IPM
Resp. loc.:
Gruppo
5
PERCACCI Roberto
Struttura
TRIESTE
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO
VOCI
DI
SPESA
2003
In kEuro
IMPORTI
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Totale
Compet.
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
4,0
Missioni interne (Vedi Allegato)
4,0
5,0
Visite altri gruppi, partecipazioni conferenze (Vedi Allegato)
5,0
1,0
Materiali vari (Vedi Allegato)
1,0
1,0
Spedizioni PC nelle loro sedi di lavoro
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
1,0
Altro
3,0
Manutenzione scatole RIPE (Vedi Allegato)
3,0
16,0
6,0
4,0
4,0
20 PC industriali
gruppi di continuita'
apparecchiature di rete
laptop
30,0
(Vedi Allegato)
Totale
44,0
Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod. EC. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Struttura
Codice
Resp. loc.:
Esperimento
IPM
Gruppo
5
PERCACCI Roberto
TRIESTE
ALLEGATO MODELLO EC 2
Continueranno le attivita' di carattere "teorico" e di analisi dei dati, che utilizzano i
server gia' disponibili, ed anche quelle di tipo "sperimentale".
L'ingresso nel gruppo del dott Ciuffoletti apporta una linea di ricerca complementare che
utilizzera' le apparecchiature dell'esperimento per testare dei nuovi software di misura del
jitter.
Per quanto riguarda le missioni si richiede un aumento della dotazione rispetto agli anni
precedenti per il maggior numero di ricercatori presenti (sono in fase di elaborazione altre
attivita' che coinvolgeranno altre persone oltre a quelle elencate).
Per quanto riguarda il materiale inventariabile, si prevede di estendere la rete di misura in
modo da avere praticamente un punto di misura per ogni sezione ed un certo numero di punti di
misura esterni.
L'esperienza acquisita fino ad ora dimostra che per la continuita' del servizio e' importante
dotare tutte le macchine (sia le vecchie che le nuove) di gruppi di continuita'.
Inoltre per il collegamento con altri enti che parteciperanno alle ricerche si prevede di
acquistare alcune apparecchiature di rete (switch/router).
Non si prevede di acquistare altre scatole RIPE (PC con ricevitori GPS) oltre quelle gia' in
uso a Trieste e Milano. Occorre pero' mettere in conto il canone di manutenzione annuale per
queste due scatole.
In fine per gli spostamenti e le presentazioni si prevede l'acquisto di un PC portatile.
All. Mod. EC. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
IPM
Resp. loc.:
Gruppo
5
PERCACCI Roberto
Struttura
TRIESTE
PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE
PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
Miss.
interno
Miss.
estero
Mater.
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
2003
4,0
5,0
1,0
1,0
3,0
30,0
44,0
TOTALI
4,0
5,0
1,0
1,0
3,0
30,0
44,0
Note:
Mod. EC. 3
(a cura del responsabile locale)
Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alla
disponibilità di personale e di attrezzature:
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
IPM
Resp. Naz.:
Gruppo
5
R. PERCACCI
Struttura
TRIESTE
PREVENTIVO GLOBALE PER L'ANNO
2003
In kEuro
A
CARICO DELL’ I.N.F.N.
Struttura
Miss.
interno
TRIESTE
MILANO
ROMA2
TOTALI
Miss.
estero
Mater.
di
cons.
Trasp.
e
Facch.
Spese
Calc.
Affitti e
Manut.
Appar.
Mater.
inventar.
Costruz.
appar.
TOTALE
Compet.
A
carico
di
altri
Enti
4,0
0,0
0,0
5,0
0,0
0,0
1,0
0,0
0,0
1,0
0,0
0,0
3,0
0,0
0,0
30,0
0,0
0,0
44,0
0,0
0,0
66,0
0,0
0,0
4,0
5,0
1,0
1,0
3,0
30,0
44,0
66,0
NB. La colonna A carico di altri Enti deve essere compilata obbligatoriamente
Note: E' stata presentata da parte della SISSA domanda di cofinanziamento alla Regione Friuli-Venezia
Giulia per un totale 66.000 euro, destinati a coprire il costo di due persone-anno da destinare ad
analisi dati e scripting software. Questo personale interagira' strettamente con il gruppo IPM.
Mod. EC. 4
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
IPM
Resp. Naz.:
Struttura
Gruppo
5
R. PERCACCI
TRIESTE
A) ATTIVITA’ SVOLTA FINO A GIUGNO 2002
Nella prima meta' dell'anno:
- analisi ed interpretazione dei dati raccolti dall'esperimento IEPM di SLAC e dall'esperimento TTM di RIPE (esperimenti a cui
il nostro gruppo partecipa)
- raccolta di dati tra le sedi di Trieste e Milano
- test in laboratorio di alcuni software di misura del throughput
B) ATTIVITA’ PREVISTA PER L’ANNO
2003
- verifica dei risultati dell'analisi dati su campioni piu' grandi
- perfezionamento di un sistema automatico per la rilevazione periodica di latenza e throughput
- estensione dei sistemi ad includere anche misure di jitter
C) FINANZIAMENTI GLOBALI AVUTI NEGLI ANNI PRECEDENTI
Anno
Missioni Missioni Materiale Trasp. Spese Affitti e
Materiale Costruz.
di
e
Finanziario interno estero
Calcolo Manut.
consumo Facch.
Apparec. inventar. apparati
In kEuro
TOTALE
2002
3,0
2,0
1,0
2,0
20,0
28,0
TOTALE
3,0
2,0
1,0
2,0
20,0
28,0
Mod. EC. 5
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
IPM
Resp. Naz.:
Gruppo
5
R. PERCACCI
Struttura
TRIESTE
PREVISIONE DI SPESA
Piano finanziario globale di spesa
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
Miss.
interno
Miss.
estero
Materiale
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
2003
4,0
5,0
1,0
1,0
3,0
30,0
44,0
TOTALI
4,0
5,0
1,0
1,0
3,0
30,0
44,0
Note:
Mod. EC. 6
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
IPM
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
PERCACCI Roberto
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
RICERCATORI
Qualifica
Dipendenti
N
1
2
3
Cognome e Nome
Affer.
al
Assoc. Gruppo
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ricerca
CIUFFOLETTI Augusto
PERCACCI Roberto
VESPIGNANI Alessandro
TECNOLOGI
R.U.
R.U.
ICTP
5
N
20
1
5
80
2
5
100
Cognome e Nome
CARBONE Luca
DINI Paolo
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.
Tecn
10
Tecn
10
2,0
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
TECNICI
N
Numero totale dei Ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
Mod. EC/EN 7
Cognome e Nome
0,2
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 15 Collab.
tecnica
Assoc.
tecnica
3,0 Numero totale dei Tecnici
2,0 Tecnici Full Time Equivalent
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Codice
Preventivo per l'anno 2003
Esperimento
IPM
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
PERCACCI Roberto
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
(a cura del responsabile locale)
Annotazioni:
SERVIZI TECNICI
mesi-uomo
Denominazione
MILESTONES PROPOSTE PER IL 2003 (a cura del responsabile nazionale)
Data completamento
Descrizione
Resp. Naz.:
R. PERCACCI
31/03/2003
Sistema automatico centralizzato per il rilevamento periodico del throughput
30/06/2003
Installazione di apparecchi di misura in tutte le sezioni ed in alcuni siti esterni
31/12/2003
Presentazione dell'analisi dei dati sul funzionamento della rete INFN e sul collegamento con le reti esterne.
Mod. EC/EN 8
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Struttura
TRIESTE
Ricercatore
responsabile locale: LIELLO Fernando
e-mail: [email protected]
Codice
Esperimento
TOM
Gruppo
5
Rappresentante
Nazionale:
A. MENZIONE
Struttura di
appartenenza:
PISA
Posizione
nell'I.N.F.N.:
Dirigente di Ricerca
e-mail:
[email protected]
INFORMAZIONI GENERALI
R&D fotorivelazione
Linea di ricerca
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
INFN, CERN
Sigla dello
esperimento assegnata
dal Laboratorio
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e caratteristiche)
Processo fisico
studiato
Attrezzature di laboratorio ed elettronica
Apparato strumentale
utilizzato
Sezioni partecipanti
all'esperimento
Pisa, Firenze, Bologna, Genova, Padova, Bari.\, Trieste
CERN, MPI
Istituzioni esterne
all'Ente partecipanti
Durata esperimento
Mod. EC. 1
1 anno
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
TOM
Resp. loc.:
Gruppo
5
LIELLO Fernando
Struttura
TRIESTE
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO
VOCI
DI
SPESA
2003
In kEuro
IMPORTI
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Totale
Compet.
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
2,0
Contatti interni alla collaborazione
2,0
2,0
Mantenimento contatti sito Canarie
2,0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
Totale
4,0
Note:
Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod. EC. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Struttura
Codice
Resp. loc.:
Esperimento
TOM
Gruppo
5
LIELLO Fernando
TRIESTE
ALLEGATO MODELLO EC 2
All. Mod. EC. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
TOM
Resp. loc.:
Gruppo
5
LIELLO Fernando
Struttura
TRIESTE
PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE
PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
Miss.
interno
Miss.
estero
Mater.
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
2003
2,0
2,0
4,0
TOTALI
2,0
2,0
4,0
Note:
Mod. EC. 3
(a cura del responsabile locale)
Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alla
disponibilità di personale e di attrezzature:
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
TOM
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
LIELLO Fernando
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
RICERCATORI
Qualifica
Dipendenti
N
1
Cognome e Nome
Affer.
al
Assoc. Gruppo
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ricerca
LIELLO Fernando
TECNOLOGI
R.U.
2
N
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.
20
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
TECNICI
N
1
Numero totale dei Ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
Mod. EC/EN 7
Cognome e Nome
MANSUTTI Antonio
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 15 Collab.
tecnica
Cter
1,0 Numero totale dei Tecnici
0,2 Tecnici Full Time Equivalent
Assoc.
tecnica
40
1,0
0,4
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
TOM
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
LIELLO Fernando
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (cont.)
Annotazioni:
SERVIZI TECNICI
Denominazione
Mod. EC/EN 8
mesi-uomo
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
GOLDFARM
Struttura
TRIESTE
Ricercatore
responsabile locale: COLAVITA Alberto
e-mail: [email protected]
Gruppo
5
Rappresentante
Nazionale:
A. COLAVITA
Struttura di
appartenenza:
TRIESTE
Posizione
nell'I.N.F.N.:
Incar. di Associazione
e-mail:
[email protected]
PROGRAMMA DI RICERCA
A) I N F O R M A Z I O N I
Linea di ricerca
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
GENERALI
Disegno architetturale e realisazione di una minifarm usando componenti state-of-the-art
per parzialmente processare eventi in real-time usandola comme un filtro di dati.
ICTP-INFN Laboratorio Microprocessori
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e caratteristiche)
Processo fisico
studiato
Apparato strumentale
utilizzato
Workstations, programmi CAE e CAD.
Strumenti per testare elettronica digitale.
Programmi per cross-assembly.
Sezioni partecipanti
all'esperimento
Istituzioni esterne
all'Ente partecipanti
Durata esperimento
TS
2 anni
B) S C A L A
PERIODO
2003
2004
Mod. EN. 1
DEI
TEMPI:
piano di svolgimento
ATTIVITA’ PREVISTA
Milestone 1: (Aprile) Disegno di un PCB multistrato per electronica
veloce con: un processore di bassisimo consumo multi-proposito con piu di 500
MIPs con una minifarm di 2-4 DSPs di 32-bit, bassisimo consumo e di piu di
300 MIPs ognuno Milestone 2: (Dicembre) Porting de una versione di Lunux
completa.
Milestone 3: (February) ridisegno della farm con
approssimatamente 10-20 processori usando la esperienza col prototipo.
Scrittura dei programmi di filtro per i DSPs usando C. Milestone 4:
Evaluazione del disegno vis-a-vis una farm classica usando PCs.
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
GOLDFARM
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
COLAVITA Alberto
TRIESTE
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO
VOCI
DI
SPESA
2003
In kEuro
IMPORTI
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Totale
Compet.
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
3,0
Viaggi interno
3,0
8,5
5,0
1,0
5,0
Componenti elettronici
PC board, montaggio SMD
Componenti microelettronica, connettori, ecc.
Software, Sistemi di sviluppo
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
19,5
Altro
Totale
22,5
Note:
Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod. EN. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Struttura
Nuovo Esperimento
GOLDFARM
Resp. loc.:
Gruppo
5
COLAVITA Alberto
TRIESTE
ALLEGATO MODELLO EN 2
All. Mod. EN. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
GOLDFARM
Gruppo
5
Struttura
TRIESTE
PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE
PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
Miss.
interno
Miss.
estero
Mater.
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
2003
2004
3,0
19,5
22,5
3,0
14,5
17,5
TOTALI
6,0
34,0
40,0
Note:
Mod. EN. 3
(a cura del responsabile locale)
Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alla
disponibilità di personale e di attrezzature:
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
GOLDFARM
Gruppo
5
Struttura
TRIESTE
PREVISIONE DI SPESA
Piano finanziario globale di spesa
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
Miss.
interno
Miss.
estero
Materiale
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
2003
3,0
19,5
22,5
2004
3,0
14,5
17,5
TOTALI
6,0
34,0
40,0
Note:
Mod. EN. 4
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
GOLDFARM
Gruppo
5
Struttura
TRIESTE
PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO
Vedi Allegato Esterno GOLDFARM_All.pdf
Mod. EN. 5
(a cura del rappresentante nazionale)
Pag. 1
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
GOLDFARM
Gruppo
5
Struttura
TRIESTE
PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO
Mod. EN. 5
(a cura del rappresentante nazionale)
Pag. 2
GoldFarm
A new experiment, Group V
2003 - 2004
Introduction:
Perhaps one of the most perplexing aspects of present day HEP data taking is the
enormous amount of data acquired by the instrumentation. This enormous amount of data
is both a blessing and a curse since it has to be transmitted from the detectors towards
some database far away at the computer center and then somehow analyzed. It also needs
to be stored in magnetic tapes generating an expense, which through the duration of the
experiment, it will sometimes surpass the cost of the apparatus itself. Hence, reducing the
data by saving only what seems to contain substantial information while destroying
(filtering out) useless data.
At today’s rate the proposition of filtering in real time the data flow is easier said
than done. Still, new integrated devices, designed for other purposes other than HEP
experiments, could be used offering advantages in: computing power, dramatic space
saving, attaining real low power per MIP and most important of all saving funds. All the
preceding points require adapting these new components to replace the classical farm
using PCs while preserving a large amount of software and hardware with the PCs.
The purpose of experiment Goldfarm is to give the first steps into using highly
integrated, already available components to replace a PC computer farm.
The already classical computer farm
In computer architecture and implementation small and low power always wins.
A notable exception to that statement is the prices of PCs. Present day PCs have become
real commodities and consequently their price has become the lowest per computing
power. Furthermore, most of their parts are interchangeable and can be purchased and
repaired at the corner computer shop. A PC with a > 1 GHz Pentium processor costs
below $1000 turning into an ideal building block for computer farms. Another plus of the
approach is Linux, a public domain operating system that costs nothing to duplicate while
offering all the tools required for programming and easy networking. Therefore, PCs and
Linux are the most used combination of elements for a computer farm. Although they
exist farms with processors such as Silicon Graphics machines exist but are more
expensive to create and maintain.
PCs inside are not simple machines and their low price only reflects the fact that
there is a world wide commercial competition that constantly keeps the price unchanged
while the performance soars up. Still, their choice processor, the Pentium is not highly
integrated. The CPU still requires many ICs to synthesize the peripherals. Thus to
communicate with the world the Pentium needs to drive signals on the PCB board and in
so doing lowers its potential computational speed.
The Goldfarm
There is a new generation of CPU chips called System on Silicon or SoS. Just as
an example we’ll use Alchemy’s Au1000. See figure 1 for pictorial sketch of one
minifarm. This chip besides having a MIP32 CPU core has memory management that
allows porting a full version of Linux and a series of incorporated peripheral controllers
such as: 2 x Ethernet MACs, one USB master port and one USB host port, several RS232 ports and static and dynamic memory interfaces. The chips uses 0.5 watt while
running full speed at 500 MHZ. Because the chip has 2 Ethernet ports it is ideal to
become the master of the mini-farm on a board that we are calling Goldfarm. Each of the
Ethernet ports can handle 100 Mb/s but generally we cannot use more then 50% of the
bandwidth due to collisions. Thus, one Au1000 can handle ~ 100 Mb/s. Each Au1000 has
full Linux in order to facilitate its use in a HEP environment where most machines also
use Linux.
The Au1000 will pass the task of calculation to an integrated DSPs of the type
represented by the 32-bit Analog Devices BlackFin. The Au1000 and the set of DSPs will
communicate through an USB port. The USB standard can handle from 12 to 480 Mb/s.
Thus it can perfectly match the allowed bit flux of the two Ethernets. Hence, the
bottlenecks of the minifarm are the Ethernet connections of the master processor.
The computing elements of the minifarm are several very fast; highly integrated
DSPs. Each DSP internally has 256 KB of full speed SRAM capable of storing the
program and the data of one event hopefully without the need for any external RAM. The
present BlackFin, a Harvard processor that can event execute up to 5 instructions per
cycle, runs at 300 MHz, but just CMOS technology changes down to .11 microns will
take to 1 GHz by the end of 2003. The chip comes only as a very small Ball Grid Array
of les than 1.5 x 1.5 cm. It only requires the crystal and a booting device in order to be
part of the farm. It is worth mentioning that if all these components communicate within
the same PCB board they won’t need amplifiers or level shifting components as it is the
case when, for example, the USB cable needs to be powered to reach distances of meters.
The idea of the filter farm is to partially analyze every event in order to decide if
to keep it or if to throw it away. Thus we assume that all the collected data set should go
through the elements of the farm. The farm will answer with the event number and an
indication of why if must be kept o thrown away. The traffic back from the farm is low
and he we won’t consider it in a first approximation.
We will use the maximum data flux from Compass since it is a running
experiments and numbers reflect an actual case and also because we know them well
enough. Each event consists of about 100 KB of data, or similarly 8 x 105 bits/s, or then
again 0.8 Mbits/s. Each Au1000 can receive through both Ethernet ports 100/0.8 events/s
= 125 event/s. The Compass data acquisition system processes, at full speed, 250.000
events each 12 s. Hence, I would need 250000/ (12 x 125) minifarms = 167 minifarms.
Just try doing the same calculation for a farm using PCs.
The number of DSPs per Au1000 must be such that the bottleneck remains on
being the Ethernet of the Au1000. We envision or minifarm as a double sided,
multiplayer PCB board of no more than 5 cm in width and with the length equal to the
32 MB - 1 GB
CompactFlash
Fast IrDA
EJTAG
MIPS32 Core
w/MAC
PHY Ethernet
Au1000
SDRAM Controller
System Bus
64-256 MB
100-133 Mhz
144 Pin SO-DIMM
SDRAM Modules
256 MB = 50.00 US
100Mb/s x 2
PHY Ethernet
RJ-45
depth of a VME bus. Hence, several minifarms would fit into a full VME board that
would act only as a power supply. The Ethernet ports would be at the front, as well as a
set of status LEDs. Consequently the 167 or so minifarms would occupy two or three
VME racks generating little power and offering enormous computing power for the buck.
DMA Controller
Ethernet MAC
Ethernet MAC
Interrupt Control
MultiMediaCard
Power Management
SSI(2)
AC'97 Controller
Peripheral Bus
USB - Host
RTC(2)
GPIO(32)
I2S
UART(4)
Full Linux, C, C++, etc
C, assembly
400Mb/s x 2
SRAM Controller
FPGA
acting as USB
HUB
BlackFin
256 kB
>300 MIPs
BlackFin
256 kB
>300 MIPs
Up to 127
DSPs
Each ~ $50
BlackFin
256 kB
>300 MIPs
goldenfarm.dsf
Figure 1: the design schematically shows the architecture of the minifarm.
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
GOLDFARM
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
COLAVITA Alberto
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
RICERCATORI
Qualifica
Dipendenti
N
1
2
3
4
Cognome e Nome
Affer.
al
Assoc. Gruppo
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ricerca
Borsista ICTP_1
Borsista ICTP_2
CICUTTIN Andres
COLAVITA Alberto
TECNOLOGI
N
Bors.
5
Bors.
5
100 1
100
ICTP
1
70
ICTP
1
70
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.
ICTP
CHAPIRO Alexander
70
1,0
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
TECNICI
N
Numero totale dei Ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
Mod. EC/EN 7
Cognome e Nome
0,7
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 15 Collab.
tecnica
Assoc.
tecnica
4,0 Numero totale dei Tecnici
3,4 Tecnici Full Time Equivalent
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Codice
Preventivo per l'anno 2003
Resp. loc.:
Struttura
Esperimento
GOLDFARM
Gruppo
5
COLAVITA Alberto
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
(a cura del responsabile locale)
Annotazioni:
SERVIZI TECNICI
mesi-uomo
Denominazione
MILESTONES PROPOSTE PER IL 2003 (a cura del responsabile nazionale)
Data completamento
Mod. EC/EN 8
Descrizione
Resp. Naz.:
A. COLAVITA
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
MATISSE
Struttura
TRIESTE
Ricercatore
responsabile locale: CASTELLI Edoardo
e-mail: [email protected]
Gruppo
5
Rappresentante
Nazionale:
E. CASTELLI
Struttura di
appartenenza:
Trieste
Posizione
nell'I.N.F.N.:
Incarico di Ricerca
e-mail:
[email protected]
PROGRAMMA DI RICERCA
A) I N F O R M A Z I O N I
Linea di ricerca
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e caratteristiche)
Processo fisico
studiato
Apparato strumentale
utilizzato
Sezioni partecipanti
all'esperimento
Istituzioni esterne
all'Ente partecipanti
Durata esperimento
Tomografia mammaria con luce di sincrotrone.
ELETTRA - Trieste
Laboratori della Sezione e del Dipartimento di Fisica - Trieste
ELETTRA - Trieste
SYRMEP B6.1 (Raggi X, da magnete curvante, quasi momocromatici nell'intervallo 10 - 35
keV)
Assorbimento, diffusione e diffrazione di raggi X.
Produzione di immagini digitali.
Sorgente di luce di sincrotrone. Fascio e stazione sperimentale con ambulatorio
radiologico; sistema di rivelazione digitale.
Tubo radiogeno convenzionale per test.
TS
Universita' degli Studi di Trieste (Dipartimento di Fisica e Dipartimento Universitario Clinico
di Scienze Cliniche, Morfologiche e Tecnologiche)
Sincrotrone Trieste SCpA
3 anni
B) S C A L A
PERIODO
GENERALI
DEI
TEMPI:
piano di svolgimento
ATTIVITA’ PREVISTA
2003
Progettazione, tenendo conto delle esigenze della normativa elettro-medicale:
a) nuova versione del chip FROST e sua realizzazione, b) scheda di alimentazione e
controllo del rivelatore, c) sistema di controllo tomografico sulla linea SYRMEP
d) meccanica per l'allineamento del rivelatore rispetto al fascio
2004
Progettazione meccanica e realizzazione del sistema di rivelazione a 2 strati
Realizzazione della scheda di alimentazione e controllo del rivelatore
Implementazione del sistema di controllo tomografico sulla linea SYRMEP
Realizzazione della meccanica d'allineamento del rivelatore rispetto al fascio
2005
Caratterizzazione del sistema in laboratorio e su fascio
Acquisizione immagini alla beamline SYRMEP di fantocci
Messa a punto e certificazione per esami su pazienti
Mod. EN. 1
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
MATISSE
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
CASTELLI Edoardo
TRIESTE
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO
VOCI
DI
SPESA
2003
In kEuro
IMPORTI
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Totale
Compet.
Convegni, meeting, riunioni, workshop ecc.
Contatti con indistrie elettroniche e meccamiche
3,0
2,0
5,0
5 conferenze internazionali
Viaggi di collaborazione in laboratori stranieri (ESRF, BNL....)
7,5
3,5
11,0
62,0
20,0
20,0
Progettazione e realizzazione nuova versione chip FROST
Componenti elettronica rivelatore
Componenti sistema controllo tomografia
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
102,0
Altro
computer per controllo esperimento
con schermo di elevata risoluzione e luminosita'
8,0
8,0
Totale
126,0
Note:
Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod. EN. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Struttura
Nuovo Esperimento
MATISSE
Resp. loc.:
Gruppo
5
CASTELLI Edoardo
TRIESTE
ALLEGATO MODELLO EN 2
All. Mod. EN. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
MATISSE
Gruppo
5
Struttura
TRIESTE
PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE
PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
2003
2004
2005
TOTALI
Miss.
interno
Miss.
estero
Mater.
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
5,0
11,0
102,0
8,0
5,0
11,0
50,0
15,0
5,0
11,0
50,0
15,0
33,0
202,0
Note:
Mod. EN. 3
(a cura del responsabile locale)
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
126,0
25,0
106,0
66,0
23,0
25,0
Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alla
disponibilità di personale e di attrezzature:
298,0
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
MATISSE
Gruppo
5
Struttura
TRIESTE
PREVISIONE DI SPESA
Piano finanziario globale di spesa
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
Miss.
interno
Miss.
estero
Materiale
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
2003
5,0
11,0
102,0
8,0
2004
5,0
11,0
50,0
15,0
2005
5,0
11,0
50,0
TOTALI
15,0
33,0
202,0
Note:
Mod. EN. 4
(a cura del rappresentante nazionale)
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
126,0
25,0
106,0
66,0
23,0
25,0
298,0
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
MATISSE
Gruppo
5
Struttura
TRIESTE
PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO
MATISSE
MAmmographic and Tomographic Imaging
with Synchrotron radiation and Silicon detectors at Elettra
L’attività dei ricercatori che presentano questo nuovo esperimento si inserisce nel campo della Fisica Medica. Si
tratta di applicazioni mediche della luce di sincrotrone, in particolare della mammografia digitale, che sfruttano la
possibilità di mettere in evidenza, oltre agli usuali effetti dovuti all’assorbimento, anche quelli dovuti alla diffrazione
e dalla diffusione dei raggi X. Le pubblicazioni 1-4 illustrano i risultati più rilevanti ottenuti finora.
Ad Elettra, la macchina di luce di sincrotrone in funzione a Trieste, stiamo costruendo, presso la beam line SYRMEP
(Synchrotron Radiation for MEdical Physics), una facility in grado di eseguire esami mammografici su pazienti; si
prevede di poter effettuare i primi esami nel periodo fine 2003 – inizio 2004.
L’allegato 1 mostra la già installata stazione sperimentale; l’ambulatorio e la sala per il radiologo ed il tecnico di
radiologia sono situate al piano terra, mentre tutte le apparecchiature di controllo troveranno posto al piano rialzato.
Nell’allegato 2, inoltre, viene mostrato uno schema del lettino, sul quale la paziente prona verrà sottoposta all’esame;
il lettino è in costruzione e sarà consegnato alla fine di quest’anno. La mammografia sarà realizzata con una
procedura di scanning, muovendo verticalmente il lettino davanti al fascio laminare fisso; in una prima fase si
cercherà di essere quanto più conservativi rispetto agli usuali esami in corso presso gli ospedali: il seno sarà
compresso e come rivelatore verrà usato un sistema standard schermo-pellicola per mammografia clinica.
La modifica della precedente beam line SYRMEP per renderla adatta all’effettuazione di esami su pazienti è stata
realizzata grazie ad un finanziamento della Fondazione della Cassa di Risparmio di Trieste.
Per poter eseguire esami genuinamente digitali abbiamo anche sviluppato negli anni passati un sistema di rivelazione
digitale (geometria edge-on, single photon counting) prima con l’esperimento SYRMEP e poi con quello
FRONTRAD, entrambi finanziati dal Gruppo V dell’INFN.
Con l’esperimento FRONTRAD, concluso quest’anno, e la conseguente realizzazione del chip FROST, abbiamo
ottenuto i risultati che ci eravamo prefissi (v. allegato 3): ormai il tempo d’acquisizione non è più limitato dalla
velocità di lettura di FROST, ma piuttosto dal flusso di ELETTRA. Allo stato attuale infatti, nella maggior parte dei
casi, sono i limiti di flusso a determinare la durata dell’esame.
Il lettino per la movimentazione della paziente durante l'acquisizione delle immagini, oltre al movimento verticale,
può anche ruotare; in un’innovativa modalità è quindi possibile prevedere l’esecuzione di esami tomografici del seno,
non più compresso. È importante osservare che l’imaging tomografico permette di eliminare il cosiddetto "structural
noise", ovvero la presenza di uno sfondo non omogeneo, dovuto alla sovrapposizione delle varie strutture
anatomiche, che limita la visibilità dei dettagli [5]: tale problema è particolarmente rilevante in mammografia. In
letteratura esistono già alcune proposte in tal senso [6,7], basate però sull’impiego di convenzionali tubi a raggi X e
di rivelatori ad area, con conseguenti problemi relativi a sfocamento, cessione di dosi elevate, bassa risoluzione
spaziale e difficoltà nella ricostruzione delle immagini.
Alla linea di luce SYRMEP abbiamo la possibilità di effettuare tomografie mammarie in una situazione
particolarmente favorevole, con fascio laminare monocromatico e ad alta coerenza spaziale abbinato a rivelatori
laminari, il che permette di rimuovere tutte le limitazioni sopra elencate (v. all. 4). Tutti questi vantaggi, unitamente al
fatto che la compressione del seno non sarebbe in questo caso richiesta, farebbe del progetto che stiamo presentando
un punto di riferimento praticamente per ogni futura applicazione clinica di tomografia mammaria, aprendo quindi
nuovi orizzonti nella mammografia.
Mod. EN. 5
(a cura del rappresentante nazionale)
Pag. 1
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
MATISSE
Gruppo
5
Struttura
TRIESTE
PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO
Proponiamo quindi l’esperimento MATISSE (MAmmographic and Tomographic Imaging with Synchrotron
radiation and Silicon detectors at Elettra), che ha come scopo finale la realizzazione di un sistema per tomografia
mammaria su pazienti; alla fine del progetto inizierà la procedura di certificazione ed autorizzazione per la
sperimentazione pre-clinica.
Si tratta di un esperimento che si sviluppa su tre anni e che prevede un forte finanziamento soprattutto nel primo
anno, durante il quale è necessario partire in parallelo in tre direzioni, con i relativi progetti e ordini per la
realizzazione:
1. sistema di rivelazione a due strati basato su FROST
2. sistema di controllo tomografico integrato (principalmente lettino – rivelatore) sulla beam line SYRMEP
3. sistema di meccanica d’allineamento rispetto al fascio del sistema di rivelazione
Per quanto riguarda il primo punto, il sistema consisterà di due strati di rivelatori a microstrip di silicio in
configurazione "edge-on", disposti "back-to-back" (ovvero con le superfici su cui sono impiantate le strip rivolte
verso l’esterno per entrambi i rivelatori). Ogni strato avrà una lunghezza leggermente superiore a 20 cm, in quanto
consistente in 2048 pixel da 100 µm (dimensione del pixel dovuta al passo delle strip). L’altra dimensione del pixel,
pari allo spessore del singolo wafer di silicio, sarà pari a 300 µm, i quali determineranno lo spessore della singola
fetta tomografica. Ogni pixel da 100 x 300 µm2 verrà letto da un canale di elettronica "single photon counting".
L’intero sistema dovrà essere progettato e realizzato coerentemente con le esigenze delle normative elettromedicali
attualmente in vigore, il che comporterà costi aggiuntivi rilevanti rispetto alla realizzazione di un semplice prototipo
per sperimentazione in vitro.
Nelle altre parti dei moduli presentati per questa domanda si possono trovare tutti i dettagli relativi alle varie parti di
questo esperimento.
Bibliografia
1. F. Arfelli et al., Mammography of a phantom and breast tissue images with synchrotron radiation and a
linear-array silicon detector. Radiology 1998; 208: 709-715.
2. F. Arfelli et al., Phase Detection Techniques for Possible Developments in Mammography with Synchrotron
Radiation. Radiology 2000; 215: 286-293.
3. A. Olivo et al., An innovative digital imaging set-up allowing a low-dose approach to phase contrast application
in the medical field. Medical Physics 2001; 28: 1610-1619.
4. A. Olivo et al., Preliminary study on extremely small angle x-ray scatter imaging with synchrotron radiation.
Physics in Medicine and Biology 2002; 47: 469-480.
5. C.J. Kotre, The effecto fo background structure on the detection of low contrast objects in mammography. British
Journal of Radiology 1998; 71: 1162-1167.
6. J. M. Boone et al., Dedicated breast CT: radiation dose and image quality evaluation. Radiology 2001; 221:
657-667.
7. R. Ning et al., Flat panel based cone-beam volume CT breast imaging: phantom and specimen study. Proc SPIE
2002; 4682: 218-227.
Allegati
1. Immagine della stazione sperimentale per mammografia in vivo a Elettra.
2. Disegno del lettino per la movimentazione della paziente.
3. A. Bergamaschi et al., FROST: an ASIC for digital mammography with synchrotron radiation. Inviato a Nuclear
Instruments and methods in Physics Reasearch A.
4. S. Pani et al., Breast tomography with synchrotron radiation. Proc SPIE 2002; 4682: 228-235.
Mod. EN. 5
(a cura del rappresentante nazionale)
Pag. 2
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Maximum electronics rate (kHz)
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50−100 µ m
Active region
1−2 cm
Thickness
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Dead region
200−400 µm
Impinging beam
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Efficiency
1
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0.8
Global efficiency
0.6
0.4
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0.2
0
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Energy (keV)
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10
10
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10
a1
Breast tomography with synchrotron radiation
Silvia Pani , Fulvia Arfellia2, Diego Dreossia3, Francesco Montanarib4, Renata Longoa5, Alessandro
Olivoa6, Paolo Poropata7, Fabrizio Zanconatic8, Ludovico Dalla Palmac9, Edoardo Castellia10
a
Dipartimento di Fisica dell'Università and INFN, Trieste, Italy; bSincrotrone Trieste SCpA, Trieste,
Italy; cDipartimento Universitario Clinico di Scienze Cliniche, Morfologiche e Tecnologiche,
Trieste, Italy.
ABSTRACT
A feasibility study of breast CT with synchrotron radiation is currently being carried on at Elettra, the Trieste
synchrotron radiation facility. Breast CT cannot be implemented easily with conventional radiographic tubes, due to the
high dose that would be delivered to the breast by a polychromatic X-ray spectrum. The possibility of tuning the beam
energy, available at a synchrotron radiation beamline, allows a significant reduction in the delivered dose, and at the
same time the use of monochromatic beams avoids beam hardening artifacts on the reconstructed image.
Images of in vitro breast tissue samples have been acquired by means of a high efficiency linear array detector coupled
to a VLSI single photon counting readout electronics. The pixel width, determining the pixel size of the reconstructed
image, is 200 µm, while the pixel height, determining the CT slice thickness, is 300 µm.
Tomograms have been reconstructed by means of standard filtered backprojection algorithms.
Images of normal and pathologic breast tissue samples show a good visibility of glandular structure. The delivered dose
was in all cases comparable to the one delivered in clinical planar mammography.
Due to the promising results we obtained, in vivo studies are under evaluation.
Keywords: Mammography, computed tomography, synchrotron radiation.
1. INTRODUCTION
Conventional mammography finds its limitations when imaging large breasts, in which the presence of many
superimposed structures may not allow the detection of details of interests for an early diagnosis [1].
Computed tomography (CT) could allow one to remove this limitation, since it produces single layer images; clinical
studies have been carried out with non-dedicated CT scanners both with [2] and without contrast media [3]. Although
dynamical CT provides a very precise information about presence and type of a lesion [2], the main limitation for the
use of a conventional CT scanner lies in the high dose delivered to the breast, which could result in a high risk for the
patient. On the other hand, beam hardening artifacts on the reconstructed tomogram could be evident when using low
energy spectra as mammographic ones are.
Studies concerning breast tomosynthesis have given satisfactory results [4], but they may not provide a complete
information about the breast structure due to the thickness of reconstructed slices.
A synchrotron radiation (SR) facility produces very high flux polychromatic beams, from which monochromatic,
energy-tuneable beams can be obtained with a flux intense enough for clinical applications. The possibility of tuning the
1
Corresponding author: [email protected]; phone +39 040 3756232, fax +39 040 3756258; INFN Trieste, palazzina L3, Padriciano, 99
I 34012 Trieste.
2
[email protected]; phone +39 040 3756233, fax +39 040 3756258; INFN Trieste, palazzina L3, Padriciano, 99 I 34012 Trieste.
3
[email protected]; phone +39 040 3758248, fax +39 040 3756258; INFN Trieste, palazzina L3, Padriciano, 99 I 34012 Trieste.
4
[email protected]; phone +39 040 3758248, fax +39 040 ; Sincrotrone Trieste SCpA, SS 14, I 34012 Trieste.
5
[email protected]; phone +39 040 6763383, fax +39 040 6763350; Dipartimento di Fisica, via Valerio, 2 I 34127 Trieste.
6
[email protected]; phone +39 040 3756232, fax +39 040 3756258; INFN Trieste, palazzina L3, Padriciano, 99 I 34012 Trieste.
7
[email protected]; phone +39 040 6763382, fax +39 040 6763350; Dipartimento di Fisica, via Valerio, 2 I 34127 Trieste.
8
[email protected]; Dipartimento Universitario Clinico di Scienze Cliniche, Morfologiche e Tecnologiche, via della Pietà, I
34100 Trieste.
9
[email protected]; Dipartimento Universitario Clinico di Scienze Cliniche, Morfologiche e Tecnologiche, Ospedale di
Cattinara, I 34100 Trieste.
10
[email protected]; phone +39 040 6763369, fax +39 040 6763350; Dipartimento di Fisica, via Valerio, 2 I 34127 Trieste.
beam energy allows the selection of the most suitable energy for each examination, thus avoiding unnecessary dose
delivery to the patient from energy components which do not contribute to image quality [5]; furthermore, since the
beams are monochromatic, beam hardening do not occur. For these reasons, SR results in an ideal tool for tomography,
and makes it possible to apply CT even to an exam with very strict requirements, in terms of delivered dose and image
quality, as mammography is.
Moreover, the use of monochromatic beams allows a correct mapping of attenuation coefficients, while when using
polychromatic spectra only an approximate map can be reconstructed as a function of beam effective energy. This
feature is very important when performing quantitative studies on tissue properties.
We have developed a system for in vitro studies of breast tomography at ELETTRA, the Trieste SR facility [6]. In this
paper, we present the results of CT experiments on in vitro breast tissue samples. Tomograms were obtained with a
good image quality, and required a dose comparable to that delivered in a clinical planar mammography; as a
consequence, experimentation of breast CT on human patients is under evaluation.
2. MATERIALS AND METHODS
2.1 THE SYRMEP BEAMLINE AT ELETTRA
The SYRMEP collaboration, active since several years at ELETTRA, has designed and built a beamline dedicated to a
feasibility study of mammography with synchrotron radiation. The beamline has been used for in vitro studies, and in
the next years it will be upgraded for studies on human patients.
A schematic of the beamline is shown in Figure 1. The only optical element of the beamline is a Si(111) double crystal
monochromator, from which monochromatic beams in the range 10 – 35 keV can be obtained with an energy resolution
of about 0.2%. Upstream the monochromator, a copper slits system allows to shape the incoming white beam.
Elettra
bending magnet
vacuum
slits
air
slits
ionization
chamber
monochromator
21 m
detector
sample
movement
0.2 m
0.2 m
1.8 m
Fig. 1: Schematic of the SYRMEP beamline.
The beam profile is uniform in the horizontal direction and gaussian in the vertical direction; the beam maximum cross
section is 15 cm (horizontal) x 4 mm (vertical, FWHM). At the entrance of the experimental hutch, a tungsten slits
system is used to shape the beam, and in particular to match the beam size with the detector sensitive area, in order to
avoid unnecessary irradiation of the sample. A custom-built ionization chamber, placed upstream the sample, is used to
monitor the photon flux and hence to calculate the dose delivered to the sample.
A custom-built laminar detector (see below) is aligned with respect to the beam by means of a vertical and an horizontal
translation stages (Microcontrole models UE31PP and UE72PP controlled by a MM2500 unit; Newport, Irvine,
California). A vertical translation stage (Microcontrole model UE72PP controlled by a ITL09 unit; Newport, Irvine,
California) allows the alignment of the selected object slice with the beam-detector plane, while a rotational stage
(Microcontrole model UE41PP controlled by a MM2500 unit) is used to perform CT acquisitions. During a
tomographic acquisition, the detector and the beam are kept stationary, while the object is rotated in discrete steps in
front of the detector. Sinograms were collected over 180° with an angular step 0.5° – 1°.
In a tomographic acquisition, the rotation axis must be orthogonal to the beam-detector plane; we verified by means of a
simulation [6,7] that a non correct alignment produces artifacts in the reconstructed image, as each detail in the object
could move through several CT slices during the rotation. For this reason, an alignment system has been built by means
of two goniometric cradles (Caburn-Kohzu SA10-01 and SA10-02 controlled by a PMC-GR-M-DC unit; Kohzu, Tokio,
Japan).
The very low angular divergence of the beam (7 mrad in the horizontal plane) and the large source-to-sample distance
(23 m) result, to a good approximation, in a parallel beam impinging on the sample. For this reason, CT reconstruction
algorithms do not require any correction for beam divergence.
2.2 THE SYRMEP DETECTOR
Experiments have been carried out with a custom-designed laminar detector, built by Canberra Semiconductors NV
(Olen, Belgium), a schematic of which is shown in figure 2. It consists of a silicon microstrip device used in the edgeon geometry in order to achieve a high detection efficiency [8]; namely, the absorption efficiency is close to 100% in
the mammographic energy range, while the detection efficiency is lower (65% to 90% in the energy range of interest)
[9] due to the presence of a small, undepleted region in the front part of the chip: this is due to the need of separating the
implanted strips from the physical edge of the detector, thus avoiding intense dark currents in the detector.
readout electronics
The chip is 300 µm thick, and the strip
pitch is 200 µm; the two dimensions
determine the detector pixel size. The
present prototype features 256
channels, thus covering a width of
5.12 cm.
dead
volume
In CT acquisitions, the CT slice
thickness is equal to the detector
thickness, while the image pixel size is
equal to the detector pixel width.
pixels
X rays
Fig. 2: Schematic of the SYRMEP detector.
The detector is coupled to a VLSI
readout chain working in single photon
counting mode (Lepsi, Strasbourg,
France) [10]. The photon rate on the
detector was kept of the order of 10
kHz/channel in order to avoid
saturation effects of the electronics,
which may result in loss of efficiency
and in loss of contrast.
A number of counts/channel in the
ranges 12000-40000 and 6000-20000
was collected for images acquired with an angular step of 1° and of 0.5°, respectively, depending on the beam energy
and on the size of the sample. Hence, the total acquisition time for a sinogram varies between 4.5 and 13 minutes.
The detector is kept stationary with respect to the beam. Each CT image is acquired by rotating the sample in discrete
steps in front of the detector.
When imaging samples larger than 5 cm in diameter, several sinograms have been acquired by laterally shifting the
detector in two or more positions with respect to the object. The CT image has been then reconstructed from the
sinogram obtained by pasting the partial sinograms.
2.3 IMAGE RECONSTRUCTION
mu (cm^-1)
mu (cm^-1)
Images have been reconstructed with standard filtered backprojection algorithms. As it was previously pointed out,
when using monochromatic synchrotron radiation reconstruction algorithms do not require any correction for beam
divergence nor for beam hardening.
0,5
reconstructed
A gen-Hamming convolution kernel [11] has been
used in all cases. When small size details (e.g.
0,45
XmuDat
calcifications) were detected in the image plane, a
second reconstruction was performed with a Shepp0,4
Logan filter [12], since it allows a better
reconstruction of small structures; on the other hand,
0,35
reconstructed images are more noisy than images
0,3
reconstructed with a gen-Hamming filter.
150
200
250
300
As it was previously pointed out, quantitative studies
kernel length
are possible when using monochromatic beams,
provided a proper reconstruction kernel size is used. It
has been shown [7] that the kernel length allowing a
correct reproduction of the attenuation coefficients of
0,6
known materials is a function of the reconstructed
detail 1
0,55
matrix size; furthermore, it has been shown that a
detail 2
change in the kernel length does not significantly alter
0,5
XmuDat
the image signal-to-noise ratio.
0,45
The optimum reconstruction kernel has been chosen
0,4
by means of a simulation: the acquisition of plexiglass
phantoms of several sizes, each one embedding one in0,35
axis and one off-axis water details, was simulated; the
0,3
obtained sinogram was reconstructed with several
150
200
250
300
kernel lengths with a matrix size equal to that of each
kernel length
image acquired at the SYRMEP beamline. The
reconstructed linear attenuation coefficients were
Figure 3: Comparison of the attenuation coefficients reconstructed measured for both the water details and the plexiglass
with different kernel length with the values obtained by the XmuDat bulk, and the results were compared to the value
program [13]. Top: plexiglass bulk; bottom: water details.
obtained from the XmuDat program [13].
Figure 3 shows the results concerning the water details and the plexiglass bulk for an image size of 788x788
(corresponding to the size of the image shown in figure 4). The proper kernel length has been chosen as the crossing
point of the graph obtained from the simulation with the straight line corresponding to the XmuDat value.
As the optimum kernel length for water and plexiglass are slightly different, the final kernel length has been chosen as
the mean of the two values. It has been verified, however, that the use of the mean leads in all images to a variation in
the reconstructed attenuation coefficients with respect to the theoretical values of about -1% for water and + 1% for
plexiglass.
2.4 BREAST TISSUE SAMPLES
Nine breast tissue samples have been imaged. Eight were obtained from post mortem excision, while one was an ex
vivo, pathologic tissue with a multifocal invasive lobular carcinoma.
The eight autoptic samples were either fresh or deep frozen at –80°C, while the pathologic one was partially fixed in
formalin. The fixing compound was absorbed only by the external tissue; for this reason, the attenuation properties of
the inner part of the sample are not expected to be significantly altered.
The skin of the base of each breast was sewn to the cover of a thin, cylindrical plastic box in order to simulate an
acquisition in prone position.
2.5 DOSE EVALUATION
Mean glandular dose (MGD) is the best indicator of biological risk in mammography [14]. In planar mammography,
MGD is evaluated for a compressed breast with a constant thickness along the beam direction. In the present study,
MGD for a circular breast section, hence with a variable thickness, was evaluated as the average of the MGD’s
delivered to infinitesimal width slices along the beam direction.
The NCRP model of the breast was adopted [14]: i.e., each breast was assumed to have an external, non-radiosensitive
adipose layer, and an internal region composed by 50% of glandular tissue and by 50% of adipose tissue, the latter
being non-radiosensitive.
3. RESULTS
Figures 4.a and 4.b show tomograms of a fresh breast tissue sample acquired at 20 keV and 24 keV, respectively. The
slice diameter is 9 cm.
a. 20 keV
b. 24 keV
Fig. 4: Tomograms s of a non-pathologic breast tissue sample. The slice diameter is 9 cm.
The delivered MGD is 1.6 mGy for both images; this value is comparable to the MGD delivered for a typical
mammography with a clinical unit [15, 16].
glandular
adipose
20 keV
8.6
6.0
24 keV
12.5
8.1
Table 1: Signal-to-Noise Ratio measured from the tomograms shown in
figure 4.
b. 24 keV
a. 20 keV
The Signal-to-Noise Ratio (SNR) of a uniformly
adipose region and of a uniformly glandular region
have been measured; the results are shown in Table
1.
As it can be seen from the table, the signal-to-noise
ratio for both adipose and glandular tissue is higher
at 24 keV; therefore, a higher image quality is
achieved at 24 keV when delivering a constant dose.
c. 28 keV
Fig. 5: Tomograms of a non-pathologic breast tissue sample. The slice diameter is 8 cm.
glandular
adipose
20 keV
15.1
10.6
24 keV
17.3
15.1
28 keV
23.7
16.2
The same study has been carried out on tomograms
of a 8 cm diameter breast tissue sample, shown in
figures 5.a, 5.b and 5.c, acquired with a constant
MGD (1.3 mGy) at 20 keV, 24 keV and 28 keV,
respectively. The results are shown in table 2.
In this case, 28 keV results to be the optimum
energy, characterized by the highest SNR.
Table 2: Signal-to-Noise Ratio measured from the tomograms shown in
figure 5.
Figure 6 shows a tomogram of the pathologic breast tissue sample referred to in the previous section. The slice diameter
is 11.5 cm; the image has been acquired at 28 keV with a MGD of 1.1 mGy. Also in this case, the structure and the
margins of the neoplastic formation (corresponding to both light grey regions in the central part of the slice) are clearly
distinguishable.
The value of the reconstructed attenuation coefficient of the tumour was measured and compared to the values obtained
from the glandular regions at 28 keV in all images of normal breast samples. The attenuation coefficient of the tumour
is (0.33±0.04) cm-1, while the average of the glandular tissue attenuation coefficients is (0.33±0.01) cm-1. Hence, the
recognition of pathologic tissue from quantitative measurement is not possible.
Further studies need to be carried out in order to correlate the structure of the strongly attenuating region to the eventual
pathologic condition of the breast.
Fig. 6: Tomogram of a pathologic breast tissue sample.
The slice diameter is 11.5 cm.
4. DISCUSSION AND CONCLUSIONS
In this paper, we presented tomographic images of breast tissue samples acquired with monochromatic synchrotron
radiation at energies ranging from 20 to 28 keV.
The structures of the breast are clearly distinguished in the adipose tissue background, even when large samples are
imaged (see fig. 6).
In all cases, a good image quality is achieved and the delivered dose is comparable to that delivered in the clinical
practice; a quantitative evaluation of the images suggests that the optimum energy is at least 24 keV for both large and
small size breasts.
Further steps of this study will involve a systematic comparison of normal and neoplastic tissue tomograms in terms of
both shape of the structures and attenuation coefficients, in order to find out a method for tissue characterization;
furthermore, several slices of each sample will be acquired, in order to perform 3-d visualization. A protocol for spiralCT acquisitions is also under evaluation.
A great limitation of the present setup results from the long acquisition times needed due to avoid saturation effects of
the readout electronics; however, a faster readout chip is currently being tested and is expected to allow the acquisition
of both planar and tomographic images as fast as required by the clinical practice.
The SYRMEP beamline is currently being modified in order to carry on in vivo tests of planar mammography. After the
further developments of the studies presented in this paper, a clinical application of breast CT will also be evaluated. It
must be pointed out that the geometry of our system is different from that of a clinical CT equipment, since the beam
and the detector are stationary and the patient would need to be rotated; for this reason, suitable examination protocols
(e.g. selection of a limited number of slices of interest) must be developed.
5. REFERENCES
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
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1999.
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
MATISSE
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
CASTELLI Edoardo
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
RICERCATORI
Qualifica
Dipendenti
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Cognome e Nome
Affer.
al
Assoc. Gruppo
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ricerca
ARFELLI Fulvia
BERGAMASCHI Anna
CASTELLI Edoardo
DREOSSI Diego
LONGO Renata
OLIVO Alessandro
PANI Silvia
RIGON Luigi
VENANZI Cristian
TECNOLOGI
R.U.
Dott.
P.O.
AsRic
N
5
40
5
100
5
100
5
40
5
100
AsRic
5
100
AsRic
5
100
AsRic
5
40
Dott.
5
100
R.U.
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
TECNICI
N
Numero totale dei Ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
Mod. EC/EN 7
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 15 Collab.
tecnica
Assoc.
tecnica
9,0 Numero totale dei Tecnici
7,2 Tecnici Full Time Equivalent
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Codice
Preventivo per l'anno 2003
Resp. loc.:
Struttura
Esperimento
MATISSE
Gruppo
5
CASTELLI Edoardo
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
Annotazioni:
SERVIZI TECNICI
mesi-uomo
Denominazione
1
2
(a cura del responsabile locale)
Laboratorio Elettronica
Officina Meccanica
9
4
MILESTONES PROPOSTE PER IL 2003 (a cura del responsabile nazionale)
Data completamento
Descrizione
Resp. Naz.:
30.04.2003
progettazione della nuova versione del chip FROST
30.06.2003
progettazione del sistema di controllo tomografico sulla linea SYRMEP
31.10.2003
progettazione della meccanica di allineamento del rivelatore rispetto al fascio
e della scheda di alimentazione e controllo del rivelatore
31.12.2003
realizzazione della nuova versione del chip FROST
Mod. EC/EN 8
E. CASTELLI
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
SMART
Struttura
TRIESTE
Ricercatore
responsabile locale: DITTONGO Selenia
e-mail: [email protected]
Gruppo
5
Rappresentante
Nazionale:
M. BRUZZI
Struttura di
appartenenza:
FIRENZE
Posizione
nell'I.N.F.N.:
Incarico di Ricerca
e-mail:
[email protected]
PROGRAMMA DI RICERCA
A) I N F O R M A Z I O N I
Linea di ricerca
GENERALI
Sviluppo di rivelatori al silicio per altissimi flussi di radiazioni
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e caratteristiche)
Processo fisico
studiato
LINAC del Laboratorio ELETTRA (Trieste)
Elettroni da 1 GeV
Danno da radiazione su dispositivi al silicio realizzati su substrati standard e ossigenati
Apparato strumentale
utilizzato
Sezioni partecipanti
all'esperimento
Istituzioni esterne
all'Ente partecipanti
Durata esperimento
BA, FI, MI, PD, PE, PI, TS
ITC/IRST (Trento)
3 anni
B) S C A L A
PERIODO
Mod. EN. 1
DEI
TEMPI:
piano di svolgimento
ATTIVITA’ PREVISTA
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
SMART
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
DITTONGO Selenia
TRIESTE
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO
VOCI
DI
SPESA
2003
In kEuro
IMPORTI
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Missioni per riunioni di collaborazione
Missioni presso altre sedi per attività in collaborazione
Totale
Compet.
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
3,0
3,0
Missioni al CERN per riunioni RD50 e workshop su argomenti
specifici del programma
3,0
3,0
Componenti per circuito di lettura e digitizzazione del segnale del
monitor del fascio di elettroni.
Circuiti stampati per supporto dispositivi da irraggiare.
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
3,0
3,0
Altro
Scheda di acquisizione per PC.
Strumentazione per misure precise di temperatura
2,0
Totale
2,0
11,0
Note:
Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod. EN. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Struttura
Nuovo Esperimento
SMART
Resp. loc.:
Gruppo
5
DITTONGO Selenia
TRIESTE
ALLEGATO MODELLO EN 2
All. Mod. EN. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
SMART
Resp. loc.:
Gruppo
5
DITTONGO Selenia
Struttura
TRIESTE
PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE
PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
2003
2004
2005
TOTALI
Miss.
interno
Miss.
estero
Mater.
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
3,0
3,0
3,0
2,0
11,0
3,0
3,0
3,0
2,0
11,0
3,0
3,0
3,0
0,0
9,0
9,0
9,0
9,0
4,0
31,0
Note:
Mod. EN. 3
(a cura del responsabile locale)
Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alla
disponibilità di personale e di attrezzature:
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
SMART
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
DITTONGO Selenia
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
RICERCATORI
Qualifica
Dipendenti
N
1
2
Cognome e Nome
Affer.
al
Assoc. Gruppo
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ricerca
BOSISIO Luciano
DITTONGO Selenia
TECNOLOGI
P.A.
AsRic
N
3
30
1
50
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
TECNICI
N
Numero totale dei Ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
Mod. EC/EN 7
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 15 Collab.
tecnica
Assoc.
tecnica
2,0 Numero totale dei Tecnici
0,8 Tecnici Full Time Equivalent
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
SMART
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
DITTONGO Selenia
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (cont.)
Annotazioni:
SERVIZI TECNICI
Denominazione
1
2
Laboratorio Elettronica
Officina Meccanica
Mod. EC/EN 8
mesi-uomo
1
0.5
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
VIRTUS
Struttura
TRIESTE
Ricercatore
responsabile locale: MILOTTI Edoardo
e-mail: [email protected]
Gruppo
5
Rappresentante
Nazionale:
E. MILOTTI
Struttura di
appartenenza:
Sezione di Trieste
Posizione
nell'I.N.F.N.:
Incaricato di Ricerca
e-mail:
[email protected]
[email protected]
PROGRAMMA DI RICERCA
A) I N F O R M A Z I O N I
Linea di ricerca
GENERALI
Fisica Medica - Biofisica
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e caratteristiche)
Processo fisico
studiato
Crescita di sferoidi tumorali in vitro Simulazione numerica di sferoidi tumorali
Apparato strumentale
utilizzato
Sezioni partecipanti
all'esperimento
Istituzioni esterne
all'Ente partecipanti
Durata esperimento
2 anni
B) S C A L A
PERIODO
DEI
TEMPI:
piano di svolgimento
ATTIVITA’ PREVISTA
2002
Osservazioni sperimentali di crescita di sferoidi in vitro
per messa a punto dei parametri della simulazione
numerica
2003
Estesa attività di calcolo numerico per un primo utilizzo
della simulazione numerica.
Simulazione di un attacco chemioterapico allo sferoide
tumorale
Mod. EN. 1
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
VIRTUS
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
MILOTTI Edoardo
TRIESTE
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO
VOCI
DI
SPESA
2003
In kEuro
IMPORTI
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Trasferte Udine, Trieste - Verona, ed eventuale
partecipazione ad una conferenza nazionale
4,0
Partecipazione a conferenza
3,0
Totale
Compet.
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
4,0
3,0
3,0
Materiale di consumo per l'apparato
di misura degli sferoidi + software
3,0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
5,0
Acquisto di un microscopio Proscope
(direttamente interfacciabile ad un PC) + PC di
acquisizione e calcolo + masterizzatore +
scanner
5,0
Totale
15,0
Note:
Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod. EN. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Struttura
Nuovo Esperimento
VIRTUS
Resp. loc.:
Gruppo
5
MILOTTI Edoardo
TRIESTE
ALLEGATO MODELLO EN 2
All. Mod. EN. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
VIRTUS
Gruppo
5
Struttura
TRIESTE
PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE
PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
Miss.
interno
Miss.
estero
Mater.
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
2003
4,0
3,0
3,0
5,0
15,0
TOTALI
4,0
3,0
3,0
5,0
15,0
Note:
Mod. EN. 3
(a cura del responsabile locale)
Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alla
disponibilità di personale e di attrezzature:
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
VIRTUS
Gruppo
5
Struttura
TRIESTE
PREVISIONE DI SPESA
Piano finanziario globale di spesa
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
Miss.
interno
Miss.
estero
Materiale
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
2003
4,0
3,0
3,0
5,0
15,0
TOTALI
4,0
3,0
3,0
5,0
15,0
Note:
Mod. EN. 4
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
VIRTUS
Gruppo
5
Struttura
TRIESTE
PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO
Con il presente progetto ci proponiamo di sviluppare un simulatore numerico della crescita di sferoidi
tumorali. Inoltre, ci proponiamo di individuare i principali parametri in grado di condizionare la crescita
di sferoidi così come risulta da evidenze sperimentali ed ottenere informazioni estendibili alla crescita
di tumori solidi in vivo. Al termine del progetto vogliamo ottenere un simulatore adattabile alla modifica
di parametri e condizioni di crescita in modo da permettere un continuo flusso di informazioni tra
l’esperienza di laboratorio e il mondo virtuale. Infine, il simulatore dovrà poter essere ampliato con
facilità in modo da essere di volta in volta utilizzato per simulare problemi di complessità crescente e di
interesse per l’oncologia biomedica (es. effetto del trattamento antitumorale, interazione con la
vascolatura, interazione della massa tumorale con i tessuti circostanti, ecc…).
Attualmente abbiamo un primo prototipo funzionante del simulatore, scritto in linguaggio C. Questo
primo prototipo incorpora già le idee fondamentali del simulatore, e produce risultati qualitativamente
interessanti.
Per ottenere i risultati quantitativi che auspichiamo, dobbiamo:
1) concludere una approfondita ricerca nella base bibliografia internazionale per ottenere i valori delle
costanti biologiche e fisiche da inserire nel simulatore. Eventualmente potrebbe essere necessario
ideare esperimenti. Questa fase potrebbe anche implicare l'identificazione e la soluzione di
sottoproblemi. Ad esempio la diffusione e il consumo di ossigeno possono essere descritte in modo
differenziale utilizzando la legge di Fick con opportune modifiche: attualmente stiamo utilizzando un
semplice modello di diffusione per fittare i dati sperimentali ed ottenere il valore del rate di
assorbimento dell'ossigeno per unità di volume.
2) scegliere opportunamente i parametri liberi del simulatore, come la risoluzione spaziale e la scala
temporale, che sono tuttavia condizionate dalle diverse dinamiche della simulazione.
3) effettuare un fine tuning per mezzo del confronto tra sviluppo in vitro ed in silico di sferoidi che si
sviluppano in condizioni analoghe. L'osservazione in vitro consente di misurare diversi parametri di
crescita degli sferoidi, in particolare diametro medio, volume e massa. È possibile anche osservare
caratteristiche frattali della superficie (vale a dire quanto è frastagliata), e la deviazione dalla sfericità.
Tutto questo è possibile per mezzo di semplicissimi algoritmi di elaborazione di immagine. Purtroppo
non esistono osservazioni con una scala dei tempi sufficientemente fine, e per questo dobbiamo
intraprendere una campagna di misure che richiede l'utilizzo di un microscopio con digitalizzazione
d'immagine.
È importante notare che le diverse dinamiche cellulari hanno scale dei tempi che possono differire di
molto: ad esempio la divisione cellulare è caratterizzata da tempi dell'ordine del giorno, mentre il moto
cellulare in un mezzo viscoso può richiedere una risoluzione temporale molto migliore, e così pure
l'adesione tra cellule diverse.
Per ulteriori informazioni sulla struttura del prototipo di simulatore e sul codice attualmente
esistente vedi allegato esterno "Virtus_All.pdf".
Mod. EN. 5
(a cura del rappresentante nazionale)
Pag. 1
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
VIRTUS
Gruppo
5
Struttura
TRIESTE
PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO
Mod. EN. 5
(a cura del rappresentante nazionale)
Pag. 2
Proposta di esperimento:
Simulazione numerica di sferoidi tumorali
(VIRTUS = VIRtual TUmor Spheroid)
Roberto Chignola
Dipartimento Scientifico e Tecnologico, Facoltà di Scienze MM.FF.NN.
Ca' Vignal 1, strada le Grazie 15, I-37134, Verona
e
Edoardo Milotti
Dipartimento di Fisica, Università di Udine e I.N.F.N. – Sezione di Trieste
Via delle Scienze, 208, I-33100 Udine
24 maggio 2002
Abstract: Proponiamo lo sviluppo di un simulatore numerico della crescita degli sferoidi tumorali.
L’ipotesi fondamentale alla base di questo simulatore è che una descrizione fenomenologica a livello
mesoscopico sia sufficientemente accurata da rendere fattibile un calcolo numerico di questo tipo. In caso
di successo questo simulatore servirà a condurre esperimenti in silico e potrà servire da base di partenza per
simulazioni più elaborate.
1. Introduzione
La prevalenza dei tumori in Italia varia tra 1.300-11.300 casi per 100.000 abitanti a
seconda dell’età, del sesso e della regione geografica (stimata su 250.000 casi
diagnosticati di tumore nel periodo 1978-1992 [1]).
Queste stime da un lato destano particolare preoccupazione per la salute pubblica e
dall’altro giustificano gli enormi sforzi compiuti negli anni dalla ricerca biomedica e
clinica che ha portato indubbiamente a migliorare, rispetto al passato, sia le potenzialità
diagnostiche che quelle terapeutiche. Nonostante questi sforzi alcuni tumori sfuggono
ancora al controllo clinico. Tra questi vi sono sicuramente i tumori solidi che colpiscono
diversi organi e che, come nel caso dei tumori cerebrali, possono essere ancora oggi
caratterizzati da una prognosi particolarmente infausta. Ciò è dovuto a diversi fattori
quali:
1. inaccessibilità dell’organo al trattamento chirurgico completo (es. cervello)
2. insorgenza di fenomeni di resistenza al trattamento antitumorale
3. caratteristiche biologiche particolari, quali rapida velocità di crescita ed elevato
potenziale metastatico, che rendono difficili una rapida diagnosi e la pianificazione
dell’intervento terapeutico.
Nel campo della ricerca sperimentale sono stati compiuti passi da gigante negli ultimi
anni per quanto concerne la caratterizzazione delle tappe molecolari che presiedono la
trasformazione cellulare [2] e, di conseguenza, nella ideazione di interventi terapeutici
mirati (si veda ad es. [3]). Tuttavia, lo studio delle caratteristiche biologiche e biofisiche
di una massa tumorale rimane ancora un problema aperto a causa soprattutto di limiti
sperimentali: da un lato non è possibile per motivi etici studiare lo sviluppo e la
organizzazione delle cellule tumorali nell’uomo, dall’altro è difficile effettuare misure
accurate non invasive anche in modelli di crescita tumorale che utilizzino animali da
laboratorio.
Per questi motivi sono state sviluppate tecniche di coltura cellulare in vitro che
permettono di propagare le cellule tumorali in condizioni controllate e per tempi adeguati
ad effettuare studi di biologia tumorale e di sensibilità ai diversi trattamenti farmacologici
(es. chemioterapia) e fisici (es. radioterapia). Le colture tradizionali sono costituite da
supporti di materiali plastici a cui le cellule aderiscono immersi in particolari terreni che
contengono fattori nutrizionali essenziali. Pertanto, le colture tradizionali non sono in
grado di riprodurre l’architettura tridimensionale del tumore solido. Più recentemente
sono state sviluppate tecniche che permettono di coltivare in vitro aggregati cellulari di
cellule tumorali (sferoidi) in grado di simulare molte delle caratteristiche biologiche e
molecolari osservate nelle regioni intervascolari dei tumori solidi o nelle micrometastasi
non vascolarizzate e direttamente correlate all’architettura tridimensionale. Tra queste
menzioniamo [4]:
1. espressione eterogenea di molecole alla superficie cellulare (importante per il targeting
di molecole citotossiche e per l’adesione cellula-cellula);
2. produzione di una matrice intercellulare (importante per l’aggregazione cellulare e per
l’invasione da parte di cellule del sistema immunitario);
3. distribuzione eterogenea di nutrienti e di ossigeno che si riflette nell’insorgenza di un
cuore necrotico e di un gradiente di proliferazione cellulare;
4. insorgenza di fenomeni di resistenza e/o di risposta eterogenea a terapie antitumorali;
5. cinetiche di crescita spesso sovrapponibili a quelle osservate in vivo.
Gli sferoidi rappresentano dunque un modello sperimentale intermedio tra le colture
cellulari tradizionali e i tumori in vivo e, crescendo in vitro, sono accessibili a diversi tipi
di misura.
Per quanto concerne le cinetiche di crescita di cellule tumorali è noto da tempo che esse
influenzano la risposta al trattamento chemioterapico e radioterapico [5] e, più
recentemente, ad approcci di immunoterapia passiva [6]. Gli sferoidi seguono cinetiche di
crescita approssimabili con il modello fenomenologico di Gompertz [7] che tuttavia non
fornisce indicazioni circa la dinamica della crescita tumorale. Due recenti lavori,
entrambi condotti con sferoidi tumorali, suggeriscono che all’interno di una massa
tumorale si possano instaurare meccanismi di autoregolazione in cui la crescita risulta
dall’azione contrapposta di forze di attrazione e di repulsione tra cellule [8,9]. Queste
osservazioni, ad oggi, non sono state ancora verificate nel dettaglio né sperimentalmente
né sulla base di modelli biofisici di crescita. Capire le leggi che regolano la crescita e la
organizzazione degli sferoidi potrebbe pertanto fornire importanti informazioni sulla
biologia tumorale e portare alla ideazione di nuovi o più efficaci interventi terapeutici.
Altri esempi di utilizzo degli sferoidi tumorali nella pratica biomedica sono riportati nella
tabella A.
2. Studi analitici ed in silico
Vista la difficoltà di realizzare esperimenti in vivo ed in vitro, la prospettiva di
modellizzare lo sviluppo di un tumore con strumenti matematici o di realizzare
esperimenti numerici in silico è particolarmente attraente. Ovviamente non siamo i primi
a proporre delle simulazioni numeriche di crescita tumorale, anzi va detto che molti
hanno già affrontato il problema di descrivere la crescita tumorale, con metodi analitici o
numerici.
Le formulazioni analitiche dei problemi legati ai tumori partono spesso da equazioni
differenziali alle derivate parziali simili all’equazione di diffusione, e raggiungono
rapidamente livelli notevoli di complessità: nonostante le idee alla base di questo
approccio siano di solito molto eleganti esso è molto rigido e poco adatto a descrivere
situazioni realistiche (come esempio dei lavori di questa categoria si veda l’articolo di
Pettet et al. [10]. In particolare si assume sempre una geometria sferica, mentre sferoidi
reali possono deviare significativamente dalla sfericità, e l’approccio è adeguato a
descrivere solo l’evoluzione dei valori medi, e non delle fluttuazioni, che sono altrettanto
interessanti.
Gli approcci puramente numerici sono ancora abbastanza pochi, e sono basati per lo più
su idee molto schematiche, come quella degli automi cellulari. Un lavoro del genere è
quello di Stamatakos et al. [11] (questo fa anche da entry point ai pochi lavori di
simulazione preesistenti) che è basato su un automa cellulare stocastico. Benché si tratti
di un lavoro interessante e affronti la non sfericità di situazioni realistiche, esso ha il
grave difetto di confinare le cellule su una griglia cubica e di limitare rigorosamente le
interazioni cellulari (sempre a causa della griglia).
I tentativi di introdurre modelli fisico-matematici nella descrizione della dinamica
cellulare naturalmente non si fermano qui, ed in particolare è doveroso menzionare la
simulazione ab initio [12] e i lavori sperimentali e teorici sulle membrane bilipidiche
(lipid bilayers) che però è impossibile menzionare in modo esauriente (secondo Bruinsma
et al. [13] tra il 1994 e il 2000 sono comparsi più di 21000 articoli sull’argomento
dell’adesione tra membrane). A questo tipo di ricerca i fisici stanno dando un contributo
determinante, anche con l’applicazione di metodi avanzati della meccanica statistica,
come il gruppo di rinormalizzazione o le espansioni perturbative (ad esempio [14,15]),
ma l’applicabilità di questi modelli alla dinamica cellulare è ancora molto lontana nel
tempo, principalmente a causa della complessità computazionale necessaria a ricavare
risultati macroscopici da modelli microscopici.
3. Schema di funzionamento del simulatore proposto
Noi proponiamo uno schema nuovo di simulatore, in cui si inseriscono in modo
puramente fenomenologico gli aspetti mesoscopici dei processi microscopici, e si parte
da questo livello mesoscopico per le successive simulazioni, che in tal modo hanno un
grado di complessità non troppo elevato.
Nella nostra attuale proposta le cellule sono schematizzate come sfere “morbide”, e
ciascuna cellula è identificata da una serie di parametri che sono:
1. coordinate spaziali del centro della cellula
2. velocità della cellula
3. raggio della cellula
4. densità cellulare
5. volume cellulare (questo parametro è ovviamente legato ai precedenti, ma conviene
considerarlo come un parametro a sé stante nel bookkeeping del programma)
6. stadio di sviluppo cellulare (questo parametro indica la propensione della cellula ad
iniziare una mitosi, ed identifica anche una cellula viva da una cellula morta)
Un’altra caratteristica importante della proposta è il tipo di schematizzazione utilizzata
per l’ambiente, vale a dire per la configurazione di nutrienti, ossigeno ed eventuali
medicinali nella regione in cui si sviluppa lo sferoide: si assume che queste sostanze non
siano distribuite in modo continuo, ma piuttosto a “pacchetti” che si muovono in modo
diffusivo all’interno dell’ambiente. In altre parole, l’ossigeno, ad esempio, si muove a
“pacchetti” che eseguono un moto Browniano.
Ciascuna cellula interagisce con le altre cellule e con l’ambiente e questo determina parte
della dinamica, e inoltre ciascuna cellula cresce e si divide; lo schema dinamico completo
è il seguente (“nutriente”, “ossigeno” e “killer” sono rispettivamente i pacchetti che
trasportano i nutrienti, l’ossigeno e i farmacoterapici)
loop sui nutrienti (loop ripetuto nel caso in cui ci siano nutrienti di tipo
diverso):
1. spostamento casuale di ciascun nutriente.
2. assorbimento del nutriente nel caso questo si trovi in prossimità di una
cellula (questo passo è casuale, il programma contiene un numero che
rappresenta la probabilità di assorbimento per passo di programma).
3. cambiamento di stato della cellula che ha assorbito il nutriente.
loop sull’ossigeno:
1. spostamento casuale di ciascun ossigeno.
2. assorbimento dell’ossigeno nel caso questo si trovi in prossimità di una
cellula (questo passo è casuale, il programma contiene un numero che
rappresenta la probabilità di assorbimento per passo di programma).
3. cambiamento di stato della cellula che ha assorbito l’ossigeno.
loop sui killer (loop ripetuto nel caso in cui ci siano killer di tipo
diverso):
1. spostamento casuale di ciascun killer.
2. assorbimento del killer nel caso questo si trovi in prossimità di una
cellula (questo passo è casuale, il programma contiene un numero che
rappresenta la probabilità di assorbimento per passo di programma).
3. cambiamento di stato della cellula che ha assorbito il killer.
loop sulle cellule:
1. movimento della cellula nel mezzo viscoso che costituisce l’ambiente. Questa
parte viene eseguita tramite un’integrazione numerica delle equazioni del moto
simile a quella che si utilizza in dinamica molecolare.
2. Metabolismo cellulare (in funzione dello stato della cellula). In questa
sezione si modifica lo stato della cellula in funzione dello stato precedente
(se la cellula è morta non può avvenire assorbimento di nutrienti, ma solo
eventuale perdita di massa a favore dell’ambiente).
3. controllo dello stato della cellula ed eventuale divisione cellulare (con
conseguente aumento del numero delle cellule) (questo passo è casuale: il
programma specifica una probabilità di divisione cellulare per unità di passo
di programma in funzione dello stato della cellula).
Il tipo di integratore numerico utilizzato nella dinamica cellulare è specificato
nell’appendice A. In questo schema un ruolo particolarmente importante è occupato dalla
forma del potenziale di interazione efficace tra cellule: questo potenziale non è derivabile
in modo semplice da principi primi ed incorpora in sé diversi fenomeni tra cui l’elasticità
della membrana cellulare e del citoscheletro, l’interazione repulsiva a corto range tra
membrane bilipidiche e le forze attrattive di Van der Waals tra membrane lipidiche
separate tra loro. Noi stiamo considerando due tipi diversi di potenziale fenomenologico,
che vanno adattati ai pochi dati sperimentali disponibili (v. appendice B).
Figura 1: Illustrazione del moto diffusivo dei nutrienti, ossigeno, etc., nel programma di simulazione:
ciascuna particella si muove eseguendo un moto Browniano nell’ambiente in cui si trovano le cellule finché
viene assorbita (a sinistra una simulazione 2D, a destra una simulazione 3D). Se la particella tocca le pareti
rimbalza e torna nel volume di simulazione.
4. Stato attuale del programma di simulazione
Finora abbiamo scritto due versioni del programma di simulazione, una con Mathematica
ed una in linguaggio C. La versione scritta in Mathematica è molto lenta ma ci è servita a
capire meglio la struttura del simulatore e a raffinare l’algoritmo.
La versione scritta in linguaggio C è molto più veloce, e salva i dati direttamente su file,
senza produrre una rappresentazione grafica, che richiede un’opportuna interfaccia: per
risolvere velocemente il problema abbiamo deciso di adattare il software di
rappresentazione molecolare RASMOL [16]. La figura 2 mostra uno sferoide simulato
rappresentato mediante RASMOL
Figura 2: uno sferoide simulato dalla versione in C del simulatore. In questo sferoide ci sono 39 cellule che
hanno raggiunto diversi stadi di sviluppo. Lo stato della cellula viene rappresentato dal colore (le cellule
rosse hanno appena completato una divisione cellulare)
5. Complessità algoritmica del programma di simulazione nel suo stato attuale
È molto difficile stimare la complessità algoritmica del simulatore nella sua forma finale;
il programma che ha prodotto la figura 2 ha impiegato circa 9 minuti su un Macintosh
Powerbook G4 a 667 MHz, arrivando ad un totale di 39 cellule, ma soprattutto gestendo
10000 ossigeni e 20000 nutrienti. La complessità del programma è approssimativamente
proporzionale al prodotto del totale di particelle che si muovono di moto diffusivo per il
numero di cellule (che è comunque molto inferiore), e quindi in questo caso è
proporzionale al prodotto 30000*39.
Il codice nella sua forma attuale non è ottimizzato in alcun modo, perché abbiamo
enfatizzato la chiarezza del codice a scapito dell’efficienza. Nel programma finale
vogliamo poter arrivare ad un numero di cellule compreso tra 106 e 109, e quindi sarà
necessario ottimizzare tutte le parti dell’algoritmo in modo da ottenere un tempo di
calcolo ragionevole.
6. I parametri biofisici che regolano il funzionamento del programma
La simulazione che ha prodotto la figura 2 è stata effettuata con parametri che hanno
poco a che fare con la realtà biofisica. Per questo stiamo effettuando un’estesa ricerca
bibliografica e stiamo trattando i dati trovati in bibliografia per calcolare valori opportuni
dei parametri.
Al momento ci stiamo concentrando sull’assorbimento dell’ossigeno e su un modello
diffusivo dell’ossigeno negli sferoidi al fine di calcolare la probabilità di assorbimento di
un “ossigeno” per passo di simulazione.
7. Validazione della procedura numerica per mezzo di dati di crescita
La validazione del programma di simulazione richiederà il confronto tra la crescita di
sferoidi reali e una situazione analoga prodotta con il simulatore. Sarà molto importante
poter stimare le fluttuazioni delle dimensioni dello sferoide, così come l’osservazione del
rilassamento dei parametri geometrici dello sferoide che segue la divisione cellulare e che
è dovuto alla dinamica cellulare e alle interazioni cellula-cellula. Il rilassamento ha una
scala di tempo molto diversa da quella della divisione cellulare, che si può stimare come
segue: se F è l’intensità della forza che agisce su una singola cellula di raggio r, e questa
produce una velocità di deriva v in un ambiente con viscosità h , allora possiamo
utilizzare la formula di Stokes
F = 6phrv = 6phr
Dx
Dt
e quindi se imponiamo una risoluzione spaziale Dx ª r , troviamo
6ph rDx 6phr 2
Dt ª
=
F
F
Al momento non conosciamo né l’intensità della forza, né la viscosità del mezzo (che
dipende dalle forze di attrito intercellulari), ma al solo scopo di produrre una stima
ragionevole possiamo prendere la forza di gravità che agisce sulle cellule e la viscosità
dell’acqua (la forza di gravità in questo caso deve tenere conto anche della spinta di
Archimede), e troviamo quindi
6ph r2
6phr 2
Dt ª
= 4p
ª 1s
F
r 3 r - r H 2O g
3
(
)
Questa è probabilmente una stima eccessiva, e probabilmente la risoluzione temporale
richiesta sarà molto più bassa, ma il calcolo indica che verosimilmente sarà necessario
campionare la forma dello sferoide con una frequenza molto più alta di quella
determinata dal ciclo di divisione cellulare.
Noi pensiamo di effettuare un campionamento a tempi ravvicinati dei parametri dello
sferoide automatizzando la procedura di misura: per questo vorremmo utilizzare un
microscopio USB Proscope della Scalar [17], direttamente interfacciabile con un PC di
acquisizione dati, e – almeno inizialmente – un semplice software fatto in casa per la
misura delle dimesioni trasverse.
8. Utilizzo del simulatore
Al fine di descrivere i possibili campi di applicazione del simulatore è opportuno fare una
breve premessa per definire il contesto di ricerca sperimentale all’interno del quale il
simulatore stesso è stato pensato. Questa linea di ricerca sperimentale affonda le sue
radici nel 1995, quando venne analizzata la risposta di sferoidi al trattamento individuale
con macromolecole citotossiche antitumorali [18]. Alla medesima dose, l’effetto
antitumorale poteva variare nell’ordine dei 3-4 ordini di grandezza e l’eterogeneità di
risposta sembrava essere imputabile ad una intrinseca eterogeneità di crescita degli
sferoidi trattati [18]. Per questa ragione, vennero pianificati degli esperimenti per studiare
la cinetica di crescita di sferoidi mediante campionamento giornaliero delle dimensioni
del volume e per una durata totale di circa 60-70 giorni. Questi dati, analizzati mediante
tecniche standard di analisi del segnale, permisero:
1) di individuare pattern di crescita mediante oscillazioni a bassa frequenza fino ad allora
trascurati [19];
2) di stabilire una correlazione tra oscillazioni a bassa frequenza e fluttuazioni ad alta
frequenza del tipo 1/fd [8];
3) di quantificare la eterogeneità di crescita che risultò dello stesso ordine di grandezza
della eterogeneità di risposta al trattamento osservata precedentemente [9].
Complessivamente, le osservazioni sperimentali suggerivano che la crescita di uno
sferoide potesse essere guidata da forze di attrazione e repulsione tra cellule. Queste forze
non sembravano agire casualmente ma secondo modalità riscontrabili nei sistemi
complessi auto-organizzati [8]. Principi di auto-organizzazione nella crescita di sferoidi
vennero successivamente individuati sperimentalmente da altri autori [9]. Tuttavia,
questa informazione risulta a tutt’oggi anedottica e basata sull’osservazione non inserita
in un contesto modellistico. In sintesi, la ricerca sperimentale ha evidenziato le principali
forze dinamiche che determinano la crescita di sferoidi tumorali ma difficilmente potrà
stabilirne le dimensioni, le regole ed i limiti.
Lo scopo principale del progetto VIRTUS è proprio quello di ricostruire queste
osservazioni sperimentali partendo da una descrizione micro/mesoscopica che metta in
luce e formalizzi l’entità delle forze dinamiche in gioco nella crescita di sferoidi tumorali.
La versatilità del simulatore, che permette allo stesso tempo di raccogliere e memorizzare
una grande quantità di dati (si veda più sopra), renderà possibile estrapolare informazioni
di rilevanza biologica altrimenti difficilmente ottenibili, o impossibili da ottenere, nella
pratica sperimentale. Tra queste:
1) informazioni strutturali: potranno essere identificate nel dettaglio la posizione e lo
stato (cellula metabolicamente attiva ma quiescente, cellula in attiva fase di
proliferazione, cellula morta, ecc…) delle cellule che compongono lo sferoide ad ogni
passo temporale. La ricostruzione di mappe tridimensionali permetterà di evidenziare
possibili anisotropie microscopiche in aggiunta a quelle già note e che suddividono uno
sferoide in tre regioni principali (la sezione sferica esterna proliferante, quella più interna
costutuita da cellule principalmente quiescenti ed il cuore necrotico). L’importanza di una
tale ricostruzione risiede nel fatto che molti trattamenti antitumorali sono selettivi per
cellule in attiva fase di proliferazione. Pertanto anisotropie strutturali potrebbero
riflettersi in una distribuzione anisotropa del farmaco con conseguenze sull’efficacia del
trattamento;
2) informazioni spaziali e cinetiche sulla diffusione di ossigeno, nutrienti e farmaci: il
simulatore potrà essere utilizzato per cercare di prevedere le caratteristiche chimiche e
biochimiche ottimali che permettano ad un farmaco di acquisire caratteristiche di
maggiore penetrabilità e persistenza all’interno di una massa tumorale;
3) informazioni sull’interazione tra cellule tumorali con cinetiche di crescita diverse o tra
cellule tumorali e cellule non tumorali (es. cellule effettrici del sistema immunitario,
cellule dei tessuti sani circostanti un tumore).
Il simulatore, dunque, si configura in prima analisi come un potente strumento di
indagine e di previsione delle caratteristiche biologiche non evidenti di un aggregato di
cellule tumorali per la successiva ideazione di piani sperimentali mirati.
Appendice A: integrazione numerica delle equazioni del moto
Lo schema di integrazione adottato è quello di Eulero, che riteniamo sufficientemente
accurato per questo tipo di applicazione. Ricordiamo che in questo schema la derivata
prima viene approssimata dalla formula seguente,
x˙ (t) ª
x(t + Dt ) - x(t - Dt)
2Dt
e la derivata seconda da
x˙˙(t) ª
x(t + Dt ) - 2x(t) + x(t - Dt )
(Dt) 2
perciò l'equazione del moto per una singola cellula soggetta ad attrito viscoso e a forze
dovute alle altre cellule (repulsione ed adesione cellulare) che è
m˙x˙(t) = - gx˙ (t) + F(x,t)
si riscrive nella forma approssimata
m
x(t + Dt) - 2x(t) + x(t - Dt)
x(t + Dt) - x(t - Dt )
= -g
+ F (x(t),t )
2
(Dt)
2Dt
e quindi
È m
g ˘
2m
È m
g ˘
Í (Dt)2 + 2Dt ˙ x(t + Dt) = (Dt)2 x(t) - Í (Dt)2 - 2Dt ˙ x(t - Dt) + F (x(t),t )
Î
˚
Î
˚
o anche
x(t + Dt) =
Ï 2m
¸
È m
g ˘
x(t - Dt) + F (x(t),t )˝
Ì
2 x(t) - Í
2 ˙
È m
g ˘ Ó(Dt)
Î (Dt) 2Dt ˚
˛
Í (Dt) 2 + 2Dt ˙
Î
˚
1
Nel caso più generale di molte cellule si devono aggiornare ogni volta le coordinate di
tutte le cellule presenti, e la formula ricorsiva dipende da un indice (il “nome” della
cellula):
x k (t + Dt) =
Ï 2mk
¸
È mk
gk ˘
x k (t - Dt) + Fk ( x1 (t),K,x N (t) (t); t )˝
Ì
2 x k (t) - Í
2 ˙
È mk
g k ˘ Ó (Dt)
Dt ˚
Î (Dt)
˛
Í (Dt)2 + Dt ˙
Î
˚
1
dove N(t) è il numero di cellule (variabile nel tempo).
Questo schema ricorsivo può essere riformulato anche con una definizione asimmetrica
di derivata prima, e le formule corrispondenti sono
m
x(t + Dt) - 2x(t) + x(t - Dt)
x(t) - x(t - Dt)
= -g
+ F( x(t),t )
2
(Dt)
Dt
m
Ê 2m
g ˆ
Ê m
g ˆ
˜ x(t) - Á
˜ x(t - Dt) + F (x(t ),t )
2 x(t + Dt) = Á
2 2 Ë (Dt)
Ë (Dt)
(Dt)
Dt ¯
Dt ¯
e infine
gDt ˆ
gDt ˆ
(Dt) 2
x(t + Dt) = Ê 2 x(t) - Ê 1x(t - Dt) +
F(x(t), t )
Ë
Ë
m¯
m¯
m
Si noti che si deve avere gDt m < 1 perché lo schema di integrazione sia stabile, vale a
dire il passo dell’integrazione numerica deve essere Dt < m g .
Inoltre, se si assume di arrivare a regime, vale a dire se si suppone che l’accelerazione si
annulli, si trova che
F ªg
Dx
Dt
e quindi
Dt ª
gDx
F
e questa formula mostra come la risoluzione spaziale determini la risoluzione temporale
del programma di integrazione.
Appendice B: il potenziale di interazione efficace
Il potenziale fenomenologico da utilizzare nella simulazione deve avere queste
caratteristiche generali:
• deve essere debolmente attrattivo ad una distanza massima corrispondente a un raggio
cellulare circa;
• deve avere un minimo in corrispondenza al raggio di equilibrio della cellula;
• deve essere fortemente repulsivo quando si cerca di comprimere la cellula e deve
corrispondere ad una forza di repulsione approssimativamente elastica.
Potenziali di questo tipo si ritrovano comunemente nella fisica della materia (potenziale
di Lennard-Jones, di Morse, etc.). Per esempio, si può prendere un potenziale della forma
U(r) =
A B
r a rb
(a > b) che assomiglia al potenziale di Lennard-Jones, e che ha un minimo in
Ê Aa ˆ
r= Ë ¯
Bb
1/( a- b)
I coefficienti A, B, a e b non sono completamente liberi: infatti i coefficienti a e b si
possono utilizzare per aggiustare la forma generale del potenziale, mentre A e B sono
collegati alla forma del potenziale in diverse fasi della crescita cellulare.
Quando avviene una mitosi, il raggio medio di equilibrio deve ridursi (in ciascuna delle
cellule figlie) in modo che il volume cellulare totale resti lo stesso. Ciò si ottiene
prendendo un nuovo raggio di equilibrio che è 21/3 volte più piccolo del raggio
precedente, e se si vuole mantenere fissa la parte repulsiva del potenziale (il modulo di
Young della cellula resta lo stesso prima e dopo la mitosi) allora si deve moltiplicare B
(a-b )/ 3
per 2
in modo da soddisfare tutte le richieste. Mentre la cellula cresce il valore di B
(a- b) / 3
Ê rm ˆ
aumenta proporzionalmente alla radice cubica del raggio, vale a dire B(rt ) µ Á ˜
,
Ë rt ¯
dove rm è il raggio medio della cellula matura e rt è il raggio medio della cellula al tempo
t. D'altra parte
Aa
B(rm )b
Aa
B(rm ) = a- b
rm b
rma- b =
e quindi
Aa Ê r ˆ
B(rt ) = a- b Á m ˜
rm b Ë rt ¯
(a-b )/3
e il potenziale (con raggio medio uguale a rt) è
A
Aa Ê r ˆ
U(r) = a - a -b Á m ˜
r
rm b Ë rt ¯
(a- b) / 3
(a-b )/3
ÏÔ 1
1
a Ê rm ˆ
1 ¸Ô
=
A
Ì a
˜
b
a- b Á
b˝
r
rm b Ë rt ¯
r Ô˛
ÔÓ r
La figura seguente mostra l'andamento di un potenziale del genere in funzione del raggio
(le scale sono in unità arbitrarie)
L’intensità della forza corrispondente ad un potenziale di questo genere è
(a- b) /3
ÏÔ 1
¸Ô
dU
aA bB
1 1 Ê rm ˆ
F(r) = = - a+1 + b+1 = Aa Ì- a+1 + b+1 a-b Á ˜
˝
dr
r
r
r rm Ë rt ¯
ÔÓ r
Ô˛
così che la forza di coesione massima si trova in corrispondenza al raggio che soddisfa
l’equazione
a(a + 1)A b(b + 1)B
=
r a+2
r b+2
cioè
1
a- b
0, t
r
b(b + 1)B (b + 1) Ê rm ˆ
=
=
Á ˜
a(a + 1)A (a + 1) Ë rt ¯
(a- b) / 3
1
a- b
m
r
Invece del potenziale tipo Lennard-Jones, è possibile utilizzare anche un potenziale del
tipo di Morse:
U(r) = D{exp[-2a(r - r0 )] - 2exp[-a(r - r0 )]}
il cui andamento è mostrato nella figura seguente, e che ha una coda attrattiva che decade
più velocemente di quella di un potenziale pseudo-Lennard-Jones (potenziale vs. raggio,
unità arbitrarie)
La forza corrispondente a questo potenziale è data da
F(r) = -
dU
= - D{-2a exp[-2a(r - r0 )] + 2aexp[- a(r - r0 )]}
dr
e questa si annulla quando r = r0 .
L'intensità della forza a due raggi di equilibrio è
F(r0 ) = 2aD{exp (-2ar0 ) - exp(- ar0 )} = -2aDe -ar0 (1 - e -ar0 )
mentre la massima intensità della forza (nell'origine) è
F(0) = 2aDear0 (e ar0 - 1)
Intorno al punto di equilibrio il potenziale è approssimabile dalla funzione quadratica
U( r) ª a 2 D(r - r0 ) 2
perciò la costante elastica corrispondente è
k = 2a 2 D
e si vede che questa non dipende dal raggio di equilibrio. Perciò le costanti a e D possono
essere regolate secondo le necessità per dare un potenziale di attrazione-repulsione tra
cellule, indipendentemente dalla dimensione della cellula.
Il minimo del potenziale vale
U(r0 ) = - D
e lo stesso potenziale vale -D/2 in corrispondenza a
r1/ 2 = r0 ±
1
a 2
2
a
Questo significa che se si fissa la larghezza della regione del minimo del potenziale e la
costante elastica di richiamo, si trovano le relazioni
così che la larghezza di questa regione è Dr ª
2
a
2
k(Dr)2
a=
; D=
Dr
4
k = 2a 2 D; Dr =
e quindi, utilizzando la costante elastica k e la larghezza D r, la forza ottenuta dal
potenziale di Morse si scrive nella forma
F(r) =
È
˘
È 2
˘¸Ô
kDr ÏÔ
2
(r - r0 )˙ - exp Í (r - r0 )˙˝
Ìexp Í-2
2 ÔÓ
Î Dr
˚
Î Dr
˚Ô˛
Tabella A: ESEMPI DI UTILIZZO DEGLI SFEROIDI NELLA RICERCA
BIOMEDICA
(gli esempi e la bibliografia sono ben lungi dall’essere esaustivi)
Biologia delle - Formazione di un gradiente di
metastasi solide ossigeno, di nutrienti e di
proliferazione cellulare
- Espressione di molecole di
superficie e di una matrice
intercellulare
- Espressione e regolazione di
geni
- Cinetiche di crescita
R.M. Sutherland, Science, 240
(1988)177
Terapia delle
- Insorgenza del fenomeno di
metastasi solide resistenza ai farmaci
(Multidrug Resistance)
- Radioterapia e di terapia
fotodinamica
- Chemioterapia
R.E.Durand, Cancer Res., 41 (1981 )
3495
- Immunoterapia passiva
- Immunoterapia attiva
T.Nederman et al., Cancer Res., 44
(1984 ) 3090
K.E.La Rue et al., Cancer Res., 58
(1998 )1305
R.Demicheli et al., Cancer Res., 49
(1989 ) 6543
G.Griffon-Etienneet al., Cancer Lett.,
109 (1996 ) 23
P.R.Twentyman, Br. J. Cancer, 42
(1980 ) 297
R.Chignola et al., Br. J. Cancer, 72
(1995 )607
J.Jaaskelainen et al., J. Immunol., 149
(1992 ) 260
Bibliografia
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F.Berrino, in Istituto Nazionale Tumori: L’Attività Clinico-Scientifica del 2000
(disponibile online all’URL
http://www.istitutotumori.mi.it/menuistituto/struttura/pubblicazioni/pdf/epidemiol
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ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
VIRTUS
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
MILOTTI Edoardo
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
RICERCATORI
Qualifica
Dipendenti
N
1
Cognome e Nome
Affer.
al
Assoc. Gruppo
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ricerca
MILOTTI Edoardo
TECNOLOGI
P.A.
2
N
40
1
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.
Univ.
CHIGNOLA Roberto
100
1,0
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
TECNICI
N
Numero totale dei Ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
Mod. EC/EN 7
Cognome e Nome
1,0
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 15 Collab.
tecnica
Assoc.
tecnica
1,0 Numero totale dei Tecnici
0,4 Tecnici Full Time Equivalent
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Codice
Preventivo per l'anno 2003
Resp. loc.:
Struttura
Esperimento
VIRTUS
Gruppo
5
MILOTTI Edoardo
TRIESTE
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
(a cura del responsabile locale)
Annotazioni:
SERVIZI TECNICI
mesi-uomo
Denominazione
MILESTONES PROPOSTE PER IL 2003 (a cura del responsabile nazionale)
Data completamento
Mod. EC/EN 8
Descrizione
Resp. Naz.:
E. MILOTTI