Thesis (M.S.)--Worcester Polytechnic Institute. / Keywords: cartilage, tendon, light scattering. Includes bibliographical references (p. 60-61).

As features on integrated circuits continue to shrink, currently at 22 nm and predicted to approach 10 nm by 2020, the semiconductor industry is rapidly brushing up against the fundamental limits of electric charge and current based devices. These limits are due to the fact that charges are being pushed around in tiny areas and they repel one another with significant force. Fortunately, there are many other degrees of freedom in solids that do not suffer from these limitations and are just waiting to be harnessed in useful devices. This idea is behind all of the fields that have lately been proliferating ending in -onics, photonics, plasmonics, phononics, and of most relevance to this dissertation spintronics. Spintronics refers to a field of research wherein ways are sought to utilize the spin property of the electron in devices. One of the most attractive aspects of electron spin is that it can be used to store (transiently or permanently), process, and transmit information. The main challenge in spintronics is accessing the spin degree of freedom. Until the discovery of the giant magnetoresistance effect in the late 1980's, the only way to manipulate the electron spin was through a magnetic field. Recent developments have shown that electron spins can be controlled with direct currents of both heat and electrons, which have the benefit of being easy to generate and direct without interfering over a large area. The purpose of this dissertation is to study methods of controlling the dynamics of magnetization in thin films for spintronic applications by imaging the spin wave intensity in devices. To this end we have constructed a micro-focus Brillouin Light Scattering system to map the intensity of spin waves propagating in thin ferromagnetic films on the sub-micron scale. We have studied issues relating to fundamental issues of spin wave propagation in thin films. We have investigated the possibility of spin wave amplification with direct charge currents and spin currents generated by the spin Hall effect. Furthermore, we have demonstrated the ability to measure the magnon and phonon temperatures, which is important for studies of thermal transport. / text

The research results contained in this dissertation relate to the novel field of engineered tissue optics. Biological tissue such as skin is highly opaque due to multiple light scattering. However, it has been shown that certain hyper-osmotic chemicals can temporarily render turbid tissues such as skin optically transparent by reducing light scattering. The mechanisms involved in this process are believed to be a combination of dehydration and index matching. In order to capitalize on the non-invasive nature of light-tissue interactions for diagnostic and therapeutic purposes, hyper-osmotic optical clearing agents need to be delivered transepidermally. The first part of this dissertation is devoted to investigation of different methods to temporarily reduce the natural skin barrier posed by the stratum corneum in order to allow topically applied optical clearing agents to diffuse into epidermis and dermis. Methods such as needle-free injection gun, micro-needles, Er:YAG surface ablation, use of a 980 nm diode laser and mild surface abrasion using sandpaper were investigated. The second part of this dissertation investigated the effects of optical tissue clearing on tissue structure and influence on blood flow. Various imaging modalities such as optical coherence tomography (OCT), microscopy, confocal microscopy as well as transmission electron microscopy were employed to deduce how tissue structural changes can explain the temporary reduction of light scattering. / text

No description available.

The interfaces of bubbles and droplets imbue foams and emulsions with extraordinary mechanical and chemical properties. The remarkably large interfacial area of these structures controls their thermodynamics and makes them practical and functional materials. When these interfaces are forced to touch, they can turn a dispersion of one fluid in another into a solid. These solid-like properties are evident in common household products such as shaving foam and mayonnaise, and our ability to control the fluid and solid properties of these materials is essential to their function. / Physics

No description available.

Background: Today corneal crosslinking with ultraviolet-A photoactivation of riboflavin is an established method to halt the progression of keratoconus. In some cases, when the refractive errors are large and the visual acuity is low, conventional corneal crosslinking may not be sufficient. In these cases it would be desirable with a treatment that both halts the progression and also reduces the refractive errors and improves the quality of vision. Aims:  The aims of this thesis were to determine whether mechanical compression of the cornea during corneal crosslinking for keratoconus using a sutured rigid contact lens could improve the optical and visual outcomes of the treatment, and also to find methods to evaluate the effect of different corneal crosslinking treatment regimens. Methods: In a prospective, open, randomized case-control study, 60 eyes of 43 patients with progressive keratoconus, aged 18-28 years, planned for routine corneal crosslinking, and a corresponding age- and sex-matched control group was included. The patients were randomized to conventional corneal crosslinking (CXL; n=30) or corneal crosslinking with mechanical compression of the cornea during the treatment (CRXL; n=30). Biomicroscopy, autorefractometry, best spectacle corrected visual acuity, axial length measurement, Pentacam® HR Scheimpflug photography, pachymetry, intraocular pressure measurements and corneal biomechanical assessments were performed before treatment (baseline) and at 1 month and 6 months after the treatment. One of the articles evaluated and compared the optical and visual outcomes between CXL and CRXL, while the other three articles focused on methods to evaluate treatment effects. In Paper I, the corneal light scattering was manually quantified from Scheimpflug images throughout the corneal thickness at 8 measurements points, 0.0 to 3.0 mm from the corneal centre, in patients treated with CXL. In Paper IV the corneal densitometry (light scattering) was measured with the Pentacam® HR software, in 4 circular zones around the corneal apex and at 3 different depths of the corneal stroma, in both CXL and CRXL treated corneas. Paper III quantified the biomechanical effects of CXL in vivo. Results: Corneal light scattering after CXL showed distinctive spatial and temporal profiles and Applanation Resonance Tonometry (ART) -technology demonstrated an increased corneal hysteresis 1 and 6 months after CXL. When comparing the refractive and structural results after CXL and CRXL, CRXL failed to flatten the cornea, and the treatment did not show any benefits to conventional CXL treatment, some variables even indicated an inferior effect. Accordingly, the increase in corneal densitometry was also less pronounced after CRXL. Conclusions: Analysis of corneal light scattering/densitometry shows tissue changes at the expected treatment location, and may be a relevant variable in evaluating the crosslinking effect. ART -technology is an in vivo method with the potential to assess the increased corneal hysteresis after CXL treatment. By refining the method, ARTmay become a useful tool in the future. Unfortunately, CRXL does not improve the optical and visual outcomes after corneal crosslinking. Possibly, stronger crosslinking would be necessary to stabilize the cornea in a flattened position.

The effect of increased stratospheric dust on the polarization and intensity of sunlight scattered by the terrestrial atmosphere in the spectral region near the ultraviolet transmission cutoff is examined. Particular interest is given to radiation reflected to space or transmitted to the surface in the direction perpendicular to the incident solar beam in a plane containing the sun and the local vertical. Theoretical results are presented from radiative transfer calculations using a simple single scattering model and a four layer model in which ground reflection and multiple scattering were treated. Results show that the polarization state of transmitted radiation of .2975 μ for an incident solar zenith angle of 70° is sensitive to dust loading above 50 mb. The depolarization caused by a moderate increase in stratospheric dust loading is found to be roughly comparable to that caused by ground reflection and tropospheric aerosol. The polarization of light reflected to space is found to be very sensitive to high altitude dust scattering while being much less sensitive to other sources of depolarization. Results show that increasing the amount of stratospheric dust can cause either an increase or a decrease in the daily dosage of ultraviolet radiation at the surface, depending on the altitude profile of the dust, the latitude and the season. Preliminary experimental results or polarization monitoring by a ground-based instrument are presented and discussed. Sky light polarization ratios in the direction normal to the solar beam at .2975 μ and .300 μ based on data collected in the spring and summer of 1980 from the roof of the Physics-Atmospheric Sciences building on the campus of The University of Arizona are presented and discussed. The stratospheric dust problem is considered in terms of stratospheric aerosol enhancement resulting from volcanic activity.

No description available.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εύρεση γεωμετρικών χαρακτηριστικών των αιμοσφαιρίων με ψηφιακή επεξεργασία της σκεδασμένης μονοχρωματικής ακτινοβολίας. Αποτελείται από 5 κεφάλαια. Σε αυτά περιλαμβάνεται η ανάπτυξη, η υλοποίηση και τα αποτελέσματα τεχνικών για την ψηφιακή ανάλυση κι επεξεργασία ιατρικών εικόνων κάτι που παρουσιάζει ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον. Oι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν υλοποιήθηκαν με τη βοήθεια του MATLAB 7.1. O κώδικας προγραμματίστηκε από τον Κύριο Aποστολόπουλο και τα αποτελέσματα της εξομοίωσής τους αξιολογήθηκαν σε συνεργασία με τον καθηγητή Κύριο Δερματά. Στο κεφάλαιο 1 επιχειρείται μια εμπεριστατωμένη ανασκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας πάνω στα ερευνητικά θέματα που άπτονται του “ευθέως προβλήματος” ως θεωρητικό μοντέλο. Αποτελείται από έξι υποκεφάλαια με το πρώτο να αφιερώνεται στη θεωρητική ανάλυση της σκέδασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (ΗΜ). Στο δεύτερο υποκεφάλαιο γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση εργασιών που ασχολούνται με τη φυσιολογία και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των ερυθροκυττάρων, ενώ στο τρίτο υποκεφάλαιο αναλύεται το “ευθύ πρόβλημα σκέδασης”. Στη συνέχεια αναλύεται η σκέδαση ανθρώπινου αιμοσφαιρίου από Ηe-Νe laser και από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Τέλος παρατίθενται εικόνες από laser, οι οποίες προέκυψαν από πειράματα του Κυρίου Τσινόπουλου. Στο κεφάλαιο 2, αναφέρονται βασικές έννοιες ηλεκτρομαγνητισμού και σκέδασης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Αρχικά ορίζεται το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα και η οπτική Η/Μ ακτινοβολία, η δομή της ύλης και των ατόμων και η απορρόφηση του φωτός από ερυθρά αιμοσφαίρια. Στο τέταρτο υποκεφάλαιο γίνεται μια εκτενής αναφορά στη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού, τις εξισώσεις Maxwell και τις μακροσκοπικές ιδιότητες του μέσου, για κενό χώρο, ισότροπο και ανισότροπο μέσο καθώς επίσης και οι συνοριακές συνθήκες. Τέλος διατυπώνεται η κυματική μορφή των εξισώσεων Maxwell. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται εφαρμογές παρόμοιων πειραμάτων με το “ευθύ πρόβλημα” σκέδασης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σχετικά με τη σκέδαση μικροσωματιδίων. Αρχικά αναλύονται εκτενώς τεχνικές της βιοτεχνολογίας και ιατρικής, όπως η ακτινοδιαγνωστική, η αθηροσκλήρωση και η βρογχοσκόπηση. Στη συνέχεια παρατίθενται εφαρμογές πέραν της ιατρικής οι οποίες παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον στη βελτίωση του βιοτικού επιπέδου. Ανάμεσα σ’ αυτές είναι ο προσδιορισμός του μεγέθους βακτηριδίων και η χρήση του Radar. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφεται η γενική μορφή του “αντίστροφου προβλήματος” ηλεκτρομαγνητικής σκέδασης. Αρχικά παρατίθενται ο ορισμός του προβλήματος, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται εκτενώς η επαναληπτική μέθοδος του “αντίστροφου προβλήματος” ηλεκτρομαγνητικής σκέδασης. Τέλος μοντελοποιούμε το παραπάνω πρόβλημα και αναλύονται τα προβλήματα που προκύπτουν ως αποτέλεσμα ενός παραδείγματος αναδημιουργίας αεροσκάφους με “αντίστροφη σκέδαση”. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται εφαρμογές “αντίστροφων προβλημάτων” ηλεκτρομαγνητικής σκέδασης, καθώς και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους. Μερικές από αυτές τις εφαρμογές αναλύονται εκτενώς, όπως η εκτίμηση μεγέθους κοπαδιού ψαριών με αεροφωτογραφία, η επισκόπηση αρχαιολογικής γεωφυσικής και η σκέδαση φωτός δισδιάστατης γωνίας για το χαρακτηρισμό των μικροσωματιδίων αεροσκάφους. Στο κεφάλαιο 6 αναλύεται πειραματικά το “αντίστροφο πρόβλημα” σκέδασης με αναφορές σε βασικές έννοιες που χρησιμοποιούνται στο παρόν πείραμα, όπως η κανονικοποίηση εικόνας, ο DCT (Discrete Cosine Transform) και το νευρωνικό Δίκτυο. Εν συνεχεία εκτιμάται το μέγεθος και η μορφή του RBC με το “αντίστροφο πρόβλημα” σκέδασης. Τα προκύπτοντα μεγέθη μετασχηματίζουμε με Discrete Cosine Transform (DCT) κι εξάγουμε χαρακτηριστικά γνωρίσματα. Στη συνέχεια κανονικοποιούμε τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα και προβλέπουμε τα νευρωνικά δίκτυα για το μέγεθος και τη μορφή των RBC. Τέλος εξάγονται πειραματικά αποτελέσματα και συμπεράσματα. Στο τελευταίο κεφάλαιο δίνονται οι μετρήσεις των ερυθροκυττάρων. Γίνεται μια γενική αναφορά στις εικόνες και την ψηφιακή επεξεργασία τους με τη βοήθεια του MATLAB 7.1. Αναφέρονται οι τύποι των εικόνων και η δομή τους καθώς και τα χρήσιμα Φίλτρα Εξάλειψης Θορύβου Εικόνας. Τέλος παρατίθενται οι γραφικές παραστάσεις που προκύπτουν από το Μatlab 7.1 του μέσου απόλυτου σφάλματος (Regression Error) και της επιτυχίας αναγνώρισης σχετικά με τον αριθμό των νευρώνων και σχολιάζονται αναλυτικά. / -