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MNP CS

Nel corso della XX Riunione Nazionale di Elettromagnetismo tenutasi a Padova dal 15 al 18 settembre la dottoressa Rosa Scapaticci, assegnista di ricerca dell’IREA, è stata insignita insieme all’ing. Martina Bevacqua, studentessa di dottorato presso l'Università Mediterranea di Reggio Calabria, del Premio Barzilai, il prestigioso riconoscimento conferito dalla SIEm (Società Italiana di Elettromagnetismo) al migliore lavoro proposto alla Riunione da autori di età inferiore ai 35 anni.

Il premio è stato conferito al lavoro 'Exploiting compressive sensing in Magnetic Nano Particle enhanced MWI for breast cancer imaging’ nel quale le giovani studiose hanno proposto una metodologia di elaborazione in grado di migliorare le prestazioni di una innovativa tecnica per la diagnostica a microonde del tumore al seno, sviluppata presso l’IREA nell’ambito del progetto MERIT.

Tale tecnica diagnostica sfrutta in modo congiunto i campi elettromagnetici alle frequenze di microonde quale strumento di indagine non invasivo e non nocivo e le nanoparticelle magnetiche quale agente di contrasto. Queste ultime, “funzionalizzate” mediante opportune procedure biochimiche, sono infatti in grado di addensarsi nei soli tessuti tumorali ed indurre una variazione selettiva delle proprietà magnetiche. Data la natura dei tessuti umani, che non presentano intrinsecamente proprietà magnetiche, questa “marcatura” consente di ottenere una tecnica diagnostica altamente affidabile. 

La metodologia proposta dalle autrici, che ne hanno analizzato le potenzialità mediante un’ampia campagna di simulazioni numeriche riscontrando il miglioramento delle prestazioni rispetto alle tecniche standard finora utilizzate, può consentire notevoli vantaggi quali la capacità di identificare lesioni di piccole dimensioni, fattore cruciale nella diagnostica precoce, o di apprezzare la morfologia della lesione, informazione utile ai clinici per individuarne la tipologia. 

 



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Mimed Cost

Le applicazioni in ambito clinico rappresentano una delle frontiere più stimolanti per le tecnologie dei campi elettromagnetici, tanto per il loro uso nella terapia, legato alla possibilità di riscaldare selettivamente i tessuti tumorali (ipertermia oncologica), che per la loro applicazione a fini diagnostici, in cui l’imaging a microonde può fornire un valido supporto, o un’alternativa efficiente e sostenibile, alle modalità attualmente utilizzate nella pratica clinica.

In questo contesto, il ricorso ad opportuni nanocompositi quali agenti di contrasto può portare a significativi miglioramenti nelle prestazioni e dunque nell’efficacia delle terapie e nella accuratezza delle diagnosi.

Il potenziale derivante dall’interazione tra nanocompositi e onde elettromagnetiche costituisce il tema del workshop Synergies between nanocomposites and electromagnetic waves for contrast enhanced microwave imaging, therapy and theranostics” organizzato a Napoli da Lorenzo Crocco, primo ricercatore dell’IREA, nell’ambito della COST Action MiMed “Accelerating the Technological, Clinical and Commercialisation Progress in the Area of Medical Microwave Imaging” (TD1301).

Il workshop intende offrire l’occasione per una riflessione interdisciplinare su queste tematiche, grazie al contributo di relatori provenienti da tutta Europa, espressione di diversi contesti culturali (ingegneria, medicina, chimica, biotecnologie).

Il meeting si terrà a Napoli il 2 e 3 febbraio 2017 presso il Centro Congressi dell’Università Federico II in Via Partenope.

Agenda 


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Martedì, 31 Maggio 2011 15:25

Modellistica elettromagnetica

La disponibilità di modelli matematici capaci di descrivere con adeguata accuratezza il fenomeno della diffusione elettromagnetica in scenari complessi è un punto cardine nello studio dell'interazione tra campi elettromagnetici e materia. La modellizzazione, esatta ed approssimata, del fenomeno della diffusione elettromagnetica a microonde ed a onde millimetriche è, infatti, necessaria oltre che per la comprensione delle criticità del fenomeno, per lo sviluppo di tecniche innovative per l'elaborazione dei dati radar e per la progettazione ed il dimensionamento degli apparati di misura

A tal riguardo, i ricercatori dell'IREA vantano una pluriennale esperienza nella messa a punto degli strumenti necessari per la simulazione numerica in geometria bidimensionale e tridimensionale del campo diffuso da strutture  immerse in ambienti complessi. Tali strumenti si basano su uno sforzo sia di tipo analitico, incentrato sulla formulazione del problema diretto di diffusione mediante opportune riscritture delle equazioni integrali che descrivono il fenomeno fisico, che sulla messa a punto di strumenti di calcolo efficienti.

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Martedì, 31 Maggio 2011 16:01

Tomografia a microonde

Con il termine tomografia a microonde si intende l’insieme delle metodologie che, sfruttando l’interazione tra campi elettromagnetici e mezzi materiali, mirano a ricostruire i parametri elettromagnetici di domini spaziali non direttamente accessibili allo scopo di rilevare, in modo non distruttivo e minimamente invasivo, la presenza di eventuali anomalie e determinarne le caratteristiche morfologiche (posizione, forma e dimensione) ed elettromagnetiche (profili di permittività dielettrica, conducibilità elettrica e permeabilità magnetica).

Diversamente dalle strategie di elaborazioni dati radar tradizionali, gli approcci tomografici si basano sull’uso di modelli fisico/matematici adeguati a descrivere l’interazione onda/bersaglio in scenari complessi. D’altro canto, essi richiedono di affrontare le notevoli difficoltà insite nella soluzione di un problema inverso di diffusione elettromagnetica, in cui il legame tra i dati e le incognite è non lineare e mal-posto.

Nel corso degli anni, i ricercatori dell’IREA hanno messo a punto diversi approcci efficienti e stabili rispetto alle incertezze ed al rumore con lo scopo di una "diagnostica" ad alta risoluzione quasi real-time e possibilmente quantitativa. Tali approcci sono capaci di operare sia in condizioni critiche come quelle tipiche nell'ambito "physical security" che in scenari elettromagneticamente complessi quali quelli relativi alle applicazioni di diagnostica medica.

Un primo insieme di approcci sviluppati presso l’IREA si basa sulla linearizzazione del problema ottenibile mediante modelli semplificati della diffusione elettromagnetica ed è in grado di fornire risultati soddisfacenti anche per configurazioni di misura estremamente semplificate. Tali approcci, grazie all’uso degli strumenti di analisi di problemi inversi lineari, sono stati ampiamente caratterizzati per quanto riguarda la configurazione di misura da adoprare e le capacità di ricostruzione ottenibili.

In alternativa a questi metodi è anche stato investigato l’uso di metodi qualitativi basati sulla soluzione di un problema inverso lineare ausiliario (in grado però di fornire informazioni solamente di tipo morfologico) che non fanno quindi uso di modelli approssimati. Tali metodi presentano una notevole flessibilità e consentono la caratterizzazione dello scenario in tempo reale, ma allo stato necessitano di strategie di misura idonee.

Una ulteriore classe di metodologie è quella dei così detti approcci di tipo quantitativo. Tali strategie consentono di ottenere informazioni esaustive sulle proprietà elettromagnetiche dei bersagli a spese di una aumento della complessità del problema inverso da risolvere e di un conseguente innalzamento del carico computazionale. Dovendo affrontare la soluzione di un problema non lineare e mal posto, tali strategie si basano su un approfondito studio dei fattori che influenzano il grado di difficoltà del problema. A riguardo, i ricercatori dell'IREA hanno messo a punto formulazioni alternative del problema di diffusione elettromagnetica in grado di “ridurre” la non-linearità della relazione dati-incognite al fine di evitare che le procedure di imaging diano luogo a risultati non coerenti con lo scenario investigato (problema della false soluzioni).

Inoltre i ricercatori dell’IREA sono impegnati nello sviluppo di tecniche di regolarizzazione che consentono sia di ridurre l’incidenza delle false soluzioni sia di migliorare la convergenza delle procedure iterative, che sono alla base delle tecniche di elaborazione. I ricercatori dell’IREA sono anche impegnati nella messa a punto di approcci di tipo ibrido basati sull’integrazione di approcci qualitativi e quantitativi.

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DiagClinica

Lo studio dell’interazione tra i campi elettromagnetici e i sistemi biologici, quali il corpo umano, è da molti anni uno dei settori più attivi nella ricerca fondamentale ed applicata che coinvolge le tecnologie dell’elettromagnetismo.

Se storicamente tali attività si sono indirizzate verso lo studio dei possibili effetti nocivi dell’interazione tra campi e sistemi biologici ed alla valutazione dosimetrica, recentemente è emerso un paradigma innovativo, che guarda alle notevoli possibilità offerta dall’utilizzo di tale interazione per produrre uno specifico effetto.

Evidentemente, questo nuovo paradigma è di notevole interesse nell’ambito medico, dove la natura non ionizzante dei campi elettromagnetici, la loro capacità di penetrare la materia, e la specificità delle proprietà elettromagnetiche dei diversi tessuti umani (anche in dipendenza del loro stato patologico) ha dato l’impulso allo studio ed allo sviluppo di nuove metodologie diagnostiche e terapeutiche, che possano affiancarsi a quelle correntemente in uso, al fine di migliorare la qualità (e la precocità) delle diagnosi o contribuire al più efficace trattamento di determinate patologie.

Un possibile esempio di applicazione terapeutica di questo nuovo paradigma è l’ipertermia a microonde, in cui il riscaldamento selettivo dei tessuti affetti da tumore, mediante la focalizzazione dell’energia del campo a microonde nella regione di interesse, è sfruttato per indurre l’apoptosi (termoablazione) delle cellule malate o per incrementare localmente l’efficacia dei farmaci chemio- e radio-terapici. In ambito diagnostico, un esempio è lo screening morfologico e funzionale per la diagnostica precoce del tumore al seno, in cui si sfrutta la diversa risposta a microonde dei tessuti sani rispetto a quelli malati, al fine di ottenere informazioni diagnostiche dalla misura dei campi diffusi dai tessuti in esame.

Rispetto a tale contesto, l’attività di ricerca portata avanti all’IREA ormai da alcuni anni riguarda lo sviluppo di tecnologie innovative di diagnostica e terapia basate sull’uso di campi elettromagnetici alle frequenze delle microonde. In particolare, si mira alla definizione delle condizioni di irradiazione necessarie a indurre l’effetto desiderato, alla sintesi ed alla messa a punto dei relativi sistemi radianti e allo sviluppo di metodologie di elaborazione dati per l’estrapolazione delle informazioni diagnostiche.

In ambito diagnostico, l’attenzione è posta sue due tematiche. La prima consiste nello sviluppo di una tecnica innovativa per la diagnostica precoce del tumore al seno, che sfrutta agenti di contrasto nanomagnetici capaci di concentrarsi selettivamente in tessuti malati. Grazie alla natura non magnetica del corpo umano, l’utilizzo di un tale agente di contrasto, già approvato per altri utilizzi biomedicali, consente di ridurre l’incidenza di falsi positivi e negativi, con un ovvio beneficio in termini di affidabilità e qualità della diagnosi. La seconda tematica riguarda lo studio dell’utilizzo di tecniche di imaging differenziale a microonde per monitorare l’evoluzione di una patologia nel suo decorso o nell’arco di una terapia. In particolare, l’attenzione è rivolta al monitoraggio dei cambiamenti fisiologici dei tessuti cerebrali causati da alterazioni del normale flusso sanguigno (ischemie, emorragie) o eventi traumatici (ematoma). In entrambe i casi, le attività di ricerca mirano alla progettazione di dispositivi in grado di ottimizzare l’interazione tra campi elettromagnetici e tessuti umani e a sviluppare approcci di imaging capaci di caratterizzare, dal punto di vista delle proprietà elettromagnetiche, ambienti biologici complessi.

Per quel che riguarda gli aspetti terapeutici, l’attività di ricerca affronta lo sviluppo di nuove metodologie per l’ipertermia a microonde, e in particolare la progettazione e realizzazione di applicatori capaci di focalizzare l’energia elettromagnetica nei tessuti malati, minimizzando al contempo il riscaldamento dei tessuti circostanti, al fine di evitare effetti collaterali. L’uso di opportune tecniche di ottimizzazione per la sintesi di campo e l’accurata modellizzazione numerica della propagazione del segnale elettromagnetico e della sua interazione con le strutture biologiche esposte sono cruciali per l’attività, che inoltre fornisce anche gli strumenti necessari all’opportuna pianificazione di trattamenti terapeutici specifici.

Infine, è anche oggetto di studio la possibilità di utilizzare l’insieme delle metodologie e degli strumenti sviluppati per la messa a punto di sistemi “teranostici”, in cui la natura duale (diagnostico/terapeutica) delle microonde è utilizzata in modo sinergico. In particolare, l’obiettivo è il progetto di un sistema che integri un dispositivo per la terapia termica con un dispositivo diagnostico, in grado di ottenere le informazioni necessarie alla pianificazione del trattamento terapeutico specifico e verificare in corso d’opera l’evoluzione e l’efficacia dello stesso.

Domenica, 01 Maggio 2011 15:18

Tomografia radar

Imaging

La capacità delle onde elettromagnetiche di penetrare corpi materiali ed interagire con essi, in un modo che dipende dalla morfologia e dalle proprietà costitutive dell'oggetto in esame, costituisce il principio fisico delle tecniche diagnostiche senza contatto e non invasive finalizzate all’individuazione e caratterizzazione, in una parola all’imaging, di oggetti incogniti, anche se posti in un mezzo opaco o nascosti da un ostacolo.

A tal fine, è necessario sviluppare metodologie avanzate per l’elaborazione di dati radar, eventualmente raccolti adottando configurazioni di misura non canoniche. Tali metodologie, diversamente da quelle comunemente in uso, si avvalgono di modelli fisico/matematici più adeguati a descrivere l’interazione onda/bersaglio in scenari complessi e affrontano opportunamente la soluzione del problema inverso, non-lineare e mal posto, coinvolto. Basandosi su tali requisiti, le metodologie sviluppate presso l'IREA, mirano a fornire immagini dell’oggetto in esame da cui è possibile determinarne, senza ambiguità, le proprietà morfologiche ed elettromagnetiche (permettività dielettrica e conducibilità).

I ricercatori dell’IREA hanno una lunga ed assestata esperienza in questo campo, che ha consentito la messo a punto di diversi approcci, che sono stati testati in diversi contesti applicativi.

Da un punto di vista concettuale, le metodologie sviluppate possono essere classificate in due gruppi:

1) strategie per la localizzazione di oggetti incogniti e loro caratterizzazione geometrica (dimensione, forma)

2) approcci capaci di fornire una caratterizzazione (quantitativa) accurata delle proprietà elettromagnetiche degli oggetti in esame

Tali metodologie di elaborazione dati rappresentano un utile strumento per affrontare un vasto numero di applicazioni in cui è di interesse l’imaging radar in situ, tra cui il monitoraggio di strutture civili ed infrastrutture critiche, la diagnostica dei beni culturali, la mappatura dei sottoservizi in ambienti urbani, le applicazioni legate alla sicurezza fisica, come ad esempio il rilevamento di mine anti-uomo ed ordigni inesplosi, l’imaging attraverso i muri, l’individuazione di tunnel, il rilevamento di oggetti nascosti su persone, il rilevamento a distanza di segni vitali (ad esempio respirazione e battito cardiaco).

Un ambito tecnologico in cui l’uso di tali metodologie di inversione è estremamente rilevante o quello del georadar (GPR), che è un sistema radar specificamente progettato per l’imaging di strutture sepolte o nascoste. In tale ambito, le metodologie sviluppate all’IREA, ed in particolare quelle finalizzate alla localizzazione e caratterizzazione morfologica di oggetti incogniti, sono state applicate con successo in molte campagne di investigazione mediante GPR eseguite nell’ambito di vari progetti di collaborazione nazionali ed internazionali che hanno riguardato prospezioni di siti archeologici (casa del Centauro in Pompei, Stabia antica e Pontecagnano in Campania, Viggiano in Lucania e molti altri), il monotoraggio di strutture civili ed infrastrutture (ad esempio il ponte Musmeci in Potenza e diverse corsi autostradali svizzere) e la diagnostica dei beni culturali (indagine georadar nel Salone dei 500 a Firenze alla ricerca degli stati nascosti del dipinto del Vasari). 

Venerdì, 08 Luglio 2011 11:54

Diagnostica sub-superficiale

DEMInvestigare e caratterizzare in modo non invasivo regioni fisicamente non accessibili è l’obiettivo perseguito in diversi e sempre più numerosi contesti applicativi. Alcuni esempi sono:

- l’identificazione di sottoservizi;

- il monitoraggio dello stato del manto stradale;

- le esplorazioni planetarie per l’analisi del sottosuolo alla ricerca dell’acqua;

- le indagini archeologiche, in cui è richiesta la localizzazione e la mappatura di siti di interesse storico sia per indirizzare le operazioni di scavo sia per individuare strutture sepolte in aree dove non è possibile effettuare saggi;

- nelle le ricerche criminologiche orientate all’individuazione di cadaveri o armi sepolte;

- nella mitigazione del rischio antropico.DiagnSubSup250

In tutti questi ambiti, l'attività di ricerca svolta presso l'IREA mira a sfruttare la capacità della radiazione elettromagnetica alle microonde di attraversare mezzi visivamente opachi al fine di ottenere informazioni su oggetti sepolti e/o nascosti a partire da misure di campo effettuate in situ o da remoto. Ciò è reso possibile grazie all’uso di strumenti per l’imaging attivo a microonde, come il geordar. Questo rappresenta una delle più versatili metodologie di diagnostica elettromagnetica non invasiva ad elevata precisione, il cui principio di funzionamento si basa sulla capacità dello strumento di irradiare segnali a microonde e di misurare quelli retro diffusi dalle variazioni delle proprietà elettromagnetiche del mezzo investigato. L’informazione sulla scena in esame è, quindi, ottenuta mediante strategie di elaborazioni dati, tra cui le tecniche di tomografia a microonde. Queste, basandosi su modelli matematici capaci di descrivere l’interazione tra la radiazione elettromagnetica ed i mezzi materiali, consentono di passare dal segnale misurato ad immagini spaziali della regione investigata facilmente interpretabili anche da operatori non esperti e capaci di fornire informazioni qualitative (localizzazione, forma e dimensione) e potenzialmente quantitative (profili delle proprietà elettromagnetiche) sull’area in esame.

 

 

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Venerdì, 08 Luglio 2011 15:01

Monitoraggio di grandi infrastrutture civili

MonitStrut250Il monitoraggio dell’integrità strutturale di edifici e di grandi infrastrutture di trasporto, come ponti, viadotti e dighe, è un aspetto cruciale per la prevenzione di disastri naturali e garantire la sicurezza di persone e cose. In questo ambito, uno degli obiettivi da perseguire è rendere disponibili strumenti diagnostici non invasivi, capaci di fornire informazioni dettagliate dello stato di conservazione delle strutture monitorate e di rilevare i fattori di rischio, al fine sia di pianificare e guidare le operazioni di consolidamento sia di allertare, con sufficiente tempestività, la popolazione.MonitStrut2_250
A fronte di tale esigenza, tecnologie di imaging elettromagnetico, come i sensori distribuiti in fibra ottica e i sistemi georadar avanzati, ovvero potenziati da innovativi approcci di tomografia a microonde per l’elaborazione dati, sono utili strumenti per effettuare indagini in situ su diverse scale spaziali e temporali. I sensori in fibra ottica basati sul fenomeno fisico dello scattering di Brillouin consentono, infatti, di effettuare un monitoraggio tempo continuo ed a bassa risoluzione spaziale (dell’ordine del metro). D’altra parte i sistemi georadar sono in grado di fornire immagini dello stato interno della struttura ad alta risoluzione spaziale (dell’ordine del centimetro)  ma non di effettuare un controllo tempo continuo.

L’attività di ricerca svolta presso l'IREA riguarda, pertanto, lo sviluppo, la validazione e l’impiego in condizioni reali  di tali tecnologie con l'obiettivo ultimo di produrre immagini e profili che siano di supporto sia per la previsione e prevenzione dei rischi che per il quick damage assessment dopo eventi di crisi naturali, come terremoti, alluvioni e frane. Negli ultimi anni, grazie anche alle competenze acquisite durante il coordinamento del progetto di ricerca FP7 “ISTIMES - Integrated System for Transport Infrastructure surveillance and Monitoring by Electromagnetic Sensing”, (FP7-ICT-SEC-2007-1 – Grant Agreement 225663), l'attività di ricerca è stata estesa all' uso sinergico ed integrato di diverse tecnologie radar (georadar e radar olografici) ed altre tecniche di sensing elettromagnetico (tra cui i sensori distribuiti in fibra ottica) al fine di delineare un approccio integrato e sistemico per il monitoraggio, la diagnostica e la conservazione delle infrastutture.

 

 

 

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Sabato, 09 Luglio 2011 13:54

Through ed Intra wall imaging

TWI250Vedere attraverso gli ostacoli, come muri, porte e materiali opachi, ottenendo dall’esterno una fotografia dettagliata della scena osservata è una abilità con notevoli benefici sia in ambito militare che civile. Tale capacità è, infatti, un utile strumento a supporto della gestione delle operazioni di sorveglianza e di riconoscimento volte a garantire la sicurezza di persone e cose mediante il rilevamento tempestivo di fattori di rischio, tra cui armi e droghe. D’altra parte, essa è ad elevato impatto nelle azioni di soccorso, in cui è richiesta la disponibilità di tecnologie capaci di individuare e localizzare persone intrappolate in una stanza o sotto le macerie.

Una simile potenzialità sta, oggigiorno, diventando sempre più una reale possibilità grazie allo sviluppo di sistemi diagnostici basati sull’uso di segnali nello spettro delle microonde e dei terahertz. In questo contesto, l'attività di ricerca IREA è focalizzata sullo sviluppo e nella validazione, in casi realistici, di tecniche di elaborazione dati basate sulla tomografia a microonde e radiofrequenza per l'imaging di oggetti e persone in, applicazioni di sicurezza fisica (through- ed inta- wall imaging, il motion tracking e la tunnel detection) Tali  approcci di rivestono il fondamentale ruolo di trasformare, nel più breve tempo possibile, i dati misurati, ovvero il segnale reirradiato da oggetti illuminati da un campo elettromagnetico incidente, in informazioni accurate ed immagini ad alta risoluzione della scena in esame facilmente facilmente fruibili dagli end-users.
 
 
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Domenica, 10 Luglio 2011 18:04

Conservazione dei beni culturali

BC Anghiari La conservazione dei beni culturali è un tema particolarmente importante in un paese ricco di storia e monumenti quale è l’Italia; per questo lo sviluppo di tecniche diagnostiche avanzate, come quelle basate sull’imaging elettromagnetico, sono molto preziose per i contributi che possono dare al settore.

Tecnologie radar a microonde (georadar e radar olografico) ed ai Terahertz (THz), eventualmente potenziati da innovative procedure di elaborazione dati, consentono, ad esempio, di effettuare indagini diagnostiche non invasive, non intrusive e tali da non arrecare alcun rischio di deterioramento del bene in esame finalizzate sia a determinare le modalità costruttive delle opere d’arte sia ad acquisire informazioni sul loro stato di degrado, con particolare attenzione alle problematiche legate al normale invecchiamento dei materiali ed agli effetti dovuti all’inquinamento ambientale. Inoltre, tali sistemi di sensing sono sufficientemente flessibili da poter essere impiegati per investigare diverse tipologie di materiali, tra cui marmi, legni, cementi, malte. BC Pompei

In questo ambito l’attività di ricerca svolta presso l'IREA si articola in due princiali filoni.

Il primo riguarda l'uso e lo studio delle potenzialità diagnostiche di sistemi radar a microonde nell’ambito di indagini, prevalentemente di tipo strutturale, finalizzate a fornire informazioni utili per la conservazione programmata ed ottimizzata nonché  il quick damage assessment di sedi museali di valore storico artistico e/o grandi opere d’arte, come ad esempio altari e pareti affrescate.

Il secondo è incentrato sull'uso e definizione delle potenzialità della tecnologia ai THz come strumento diagnostico allo stato dell’arte per analisi stratigrafiche e spettroscopiche finalizzate alla caratterizzazione di manufatti di pregio ed dei materiali che li compongono. Tali analisi mirano a fornire informazioni utili alla caratterizzazione e conservazione di opere d’arte come mosaici, papiri,dipinti su tela, affreschi e reperti archeologici, tra cui ossa e legni antichi.

 

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