Analysis and modeling techniques for ultrasonic tissue characterization

This thesis introduces new processing techniques for computer-aided interpretation of ultrasound images with the purpose of supporting medical diagnostic. In terms of practical application, the goal of this work is the improvement of current prostate biopsy protocols by providing physicians with a visual map overlaid over ultrasound images marking regions potentially affected by disease. As far as analysis techniques are concerned, the main contributions of this work to the state-of-the-art is the introduction of deconvolution as a pre-processing step in the standard ultrasonic tissue characterization procedure to improve the diagnostic significance of ultrasonic features. This thesis also includes some innovations in ultrasound modeling, in particular the employment of a continuous-time autoregressive moving-average (CARMA) model for ultrasound signals, a new maximum-likelihood CARMA estimator based on exponential splines and the definition of CARMA parameters as new ultrasonic features able to capture scatterers concentration. Finally, concerning the clinical usefulness of the developed techniques, the main contribution of this research is showing, through a study based on medical ground truth, that a reduction in the number of sampled cores in standard prostate biopsy is possible, preserving the same diagnostic power of the current clinical protocol.

La Ricostruzione 3D di Bologna nel XVI Secolo

Il lavoro presentato ha come oggetto la ricostruzione tridimensionale della città di Bologna nella sua fase rinascimentale. Tale lavoro vuole fornire un modello 3D delle architetture e degli spazi urbani utilizzabile sia per scopi di ricerca nell’ambito della storia delle città sia per un uso didattico-divulgativo nel settore del turismo culturale. La base del lavoro è una fonte iconografica di grande importanza: l’affresco raffigurante Bologna risalente al 1575 e situato in Vaticano; questa è una veduta a volo d’uccello di grandi dimensioni dell’intero tessuto urbano bolognese all’interno della terza cerchia di mura. In esso sono rappresentate in maniera particolareggiata le architetture civili e ecclesiastiche, gli spazi ortivi e cortilivi interni agli isolati e alcune importanti strutture urbane presenti in città alla fine del Cinquecento, come l’area portuale e i canali interni alla città, oggi non più visibili. La ricostruzione tridimensionale è stata realizzata tramite Blender, software per la modellazione 3D opensource, attraverso le fasi di modellazione, texturing e creazione materiali (mediante campionamento delle principali cromie presenti nell’affresco), illuminazione e animazione. Una parte della modellazione è stata poi testata all’interno di un GIS per verificare l’utilizzo delle geometrie 3D come elementi collegabili ad altre fonti storiche relative allo sviluppo urbano e quindi sfruttabili per la ricerca storica. Grande attenzione infine è stata data all’uso dei modelli virtuali a scopo didattico-divulgativo e per il turismo culturale. La modellazione è stata utilizzata all’interno di un motore grafico 3D per costruire un ambiente virtuale interattivo nel quale un utente anche non esperto possa muoversi per esplorare gli spazi urbani della Bologna del Cinquecento. In ultimo è stato impostato lo sviluppo di un’applicazione per sistemi mobile (Iphone e Ipad) al fine di fornire uno strumento per la conoscenza della città storica in mobilità, attraverso la comparazione dello stato attuale con quello ricostruito virtualmente.

Sviluppo di un approccio congiunto fuzzy-Bayesiano per l'analisi e la modellizzazione degli ecosistemi: applicazione ad ecosistemi marini costieri.

Nell’attuale contesto di aumento degli impatti antropici e di “Global Climate Change” emerge la necessità di comprenderne i possibili effetti di questi sugli ecosistemi inquadrati come fruitori di servizi e funzioni imprescindibili sui quali si basano intere tessiture economiche e sociali. Lo studio previsionale degli ecosistemi si scontra con l’elevata complessità di questi ultimi in luogo di una altrettanto elevata scarsità di osservazioni integrate. L’approccio modellistico appare il più adatto all’analisi delle dinamiche complesse degli ecosistemi ed alla contestualizzazione complessa di risultati sperimentali ed osservazioni empiriche. L’approccio riduzionista-deterministico solitamente utilizzato nell’implementazione di modelli non si è però sin qui dimostrato in grado di raggiungere i livelli di complessità più elevati all’interno della struttura eco sistemica. La componente che meglio descrive la complessità ecosistemica è quella biotica in virtù dell’elevata dipendenza dalle altre componenti e dalle loro interazioni. In questo lavoro di tesi viene proposto un approccio modellistico stocastico basato sull’utilizzo di un compilatore naive Bayes operante in ambiente fuzzy. L’utilizzo congiunto di logica fuzzy e approccio naive Bayes è utile al processa mento del livello di complessità e conseguentemente incertezza insito negli ecosistemi. I modelli generativi ottenuti, chiamati Fuzzy Bayesian Ecological Model(FBEM) appaiono in grado di modellizare gli stati eco sistemici in funzione dell’ elevato numero di interazioni che entrano in gioco nella determinazione degli stati degli ecosistemi. Modelli FBEM sono stati utilizzati per comprendere il rischio ambientale per habitat intertidale di spiagge sabbiose in caso di eventi di flooding costiero previsti nell’arco di tempo 2010-2100. L’applicazione è stata effettuata all’interno del progetto EU “Theseus” per il quale i modelli FBEM sono stati utilizzati anche per una simulazione a lungo termine e per il calcolo dei tipping point specifici dell’habitat secondo eventi di flooding di diversa intensità.

Se il lavoro è l’unica risposta. Studio comparato sulle pratiche di accompagnamento al lavoro di fasce svantaggiate nelle città di Bologna e Valencia

Scopo del presente lavoro di ricerca è quello di comparare due contesti metropolitani, valenciano e bolognese, sulle pratiche di accompagnamento al lavoro rivolte a fasce svantaggiate, in particolare persone con problemi di dipendenza da sostanze psicotrope. L’indagine propone un confronto su alcune tematiche trasversali (tipologia di azioni messe in campo, organizzazione territoriale e governance, profilo degli utenti, inserimento sociale, coinvolgimento del mondo produttivo) e pone in evidenza gli elementi che ci consentono di individuare e segnalare sia delle buone pratiche trasferibili sia delle linee progettuali, partendo dunque dal presupposto che capacitare una persona significa innanzitutto offrirle congrue opportunità di scelta, nel senso seniano e come spiegato dalla stessa Nussbaum, ma soprattutto accompagnarla e sostenerla nel percorso di inserimento lavorativo e, in parallelo, sociale. Il bisogno raccolto è quello di un sostegno, motivazionale e orientativo, che segua un approccio socio educativo capace di fornire, alla persona, una risposta integrata, di unicità, capace dunque di agire sull’autonomia, sull’autostima, sull’elaborazione delle proprie esperienze di vita e lavorative, nonché su elementi anche di contesto quali la casa, le reti amicali e familiari, spesso compromesse. L’elemento distintivo che consente di agire in questa direzione è il lavoro di collaborazione tra i diversi servizi e la co-progettazione del percorso con l’utente stesso. Il tema degli inserimenti lavorativi è un argomento molto complesso che chiama in causa diversi aspetti: i mutamenti sociali e le trasformazioni del lavoro; l’emergere di nuove fasce deboli e il rischio di aggravamento delle condizioni di esclusione per le fasce deboli “tradizionali”; l’importanza del lavoro per la costruzione di percorsi identitari e di riconoscimento; l’impatto delle politiche attive sulle fasce svantaggiate e i concetti di capitazione e attivazione; il ruolo del capitale sociale e l’emergere di nuovi welfare; la rete degli attori coinvolti dal processo di inserimento e il tema della governace territoriale.

Adipose-derived stem cells and tissue revascularization: enhancing islet survival and performance for diabetes care.

Pancreatic islet transplantation represents a fascinating procedure that, at the moment, can be considered as alternative to standard insulin treatment or pancreas transplantation only for selected categories of patients with type 1 diabetes mellitus. Among the factors responsible for leading to poor islet engraftment, hypoxia plays an important role. Mesenchymal stem cells (MSCs) were recently used in animal models of islet transplantation not only to reduce allograft rejection, but also to promote revascularization. Currently adipose tissue represents a novel and good source of MSCs. Moreover, the capability of adipose-derived stem cells (ASCs) to improve islet graft revascularization was recently reported after hybrid transplantation in mice. Within this context, we have previously shown that hyaluronan esters of butyric and retinoic acids can significantly enhance the rescuing potential of human MSCs. Here we evaluated whether ex vivo preconditioning of human ASCs (hASCs) with a mixture of hyaluronic (HA), butyric (BU), and retinoic (RA) acids may result in optimization of graft revascularization after islet/stem cell intrahepatic cotransplantation in syngeneic diabetic rats. We demonstrated that hASCs exposed to the mixture of molecules are able to increase the secretion of vascular endothelial growth factor (VEGF), as well as the transcription of angiogenic genes, including VEGF, KDR (kinase insert domain receptor), and hepatocyte growth factor (HGF). Rats transplanted with islets cocultured with preconditioned hASCs exhibited a better glycemic control than rats transplanted with an equal volume of islets and control hASCs. Cotransplantation with preconditioned hASCs was also associated with enhanced islet revascularization in vivo, as highlighted by graft morphological analysis. The observed increase in islet graft revascularization and function suggests that our method of stem cell preconditioning may represent a novel strategy to remarkably improve the efficacy of islets-hMSCs cotransplantation.

An Integrated Transmission-Media Noise Calibration Software For Deep-Space Radio Science Experiments

The thesis describes the implementation of a calibration, format-translation and data conditioning software for radiometric tracking data of deep-space spacecraft. All of the available propagation-media noise rejection techniques available as features in the code are covered in their mathematical formulations, performance and software implementations. Some techniques are retrieved from literature and current state of the art, while other algorithms have been conceived ex novo. All of the three typical deep-space refractive environments (solar plasma, ionosphere, troposphere) are dealt with by employing specific subroutines. Specific attention has been reserved to the GNSS-based tropospheric path delay calibration subroutine, since it is the most bulky module of the software suite, in terms of both the sheer number of lines of code, and development time. The software is currently in its final stage of development and once completed will serve as a pre-processing stage for orbit determination codes. Calibration of transmission-media noise sources in radiometric observables proved to be an essential operation to be performed of radiometric data in order to meet the more and more demanding error budget requirements of modern deep-space missions. A completely autonomous and all-around propagation-media calibration software is a novelty in orbit determination, although standalone codes are currently employed by ESA and NASA. The described S/W is planned to be compatible with the current standards for tropospheric noise calibration used by both these agencies like the AMC, TSAC and ESA IFMS weather data, and it natively works with the Tracking Data Message file format (TDM) adopted by CCSDS as standard aimed to promote and simplify inter-agency collaboration.

Biomineralization in calcifying marine organisms

The objective of this theses is to contribute to the wide discussion about the biological control level on the biomineralization operated by calcifying organisms. In particular the intra-crystalline organic matrix associated with different coral species was studied and its role in the process was investigated. The main goals obtained from the research on corals included: (i) the discovery of the species specific role of the intra-crystalline organic matrix molecules in the precipitation of calcium carbonate; (ii) the definition of the role of magnesium ions in the control of the macromolecules assembly/aggregation and in the consequent calcium carbonate polymorphic selectivity; (iii) the discovery that in corals the biomineralization process is not affected by the sea water acidity, as consequence corals are able to construct their skeletons independently from the environmental conditions as far they survive. At the same time, investigations on different kind of vaterite, biogenic and synthetic, were also carried out and confirm the importance of the organism control on the biomineralization process and in particular on the co-existence of different crystalline structures of vaterite for enabling optimization of specific functions, through the employment of OM and acidic macromolecules.