Studio e ottimizzazione del processo di fabbricazione additiva (SLM) per applicazioni in ambito biomedicale: produzione di protesi e strutture reticolari

Il progetto di dottorato che verrà presentato in questa tesi è focalizzato sullo sviluppo di un metodo sperimentale per la produzione di protesi personalizzate utilizzando il processo di fabbricazione additiva di Selective Laser Melting (SLM). L’obiettivo è quello di definire una condizione di processo ottimizzata per applicazioni in ambito chirurgico che possa essere generalizzabile, ovvero che ne garantisca la riproducibilità al variare dell’anatomia del paziente e che rappresenti la base per estendere il metodo ad altre componenti protesiche. Il lavoro si è sviluppato lungo due linee principali, la cui convergenza ha permesso di realizzare prototipi di protesi complete utilizzando un solo processo: da una parte la produzione di componenti a massima densità per il raggiungimento di elevate resistenze meccaniche, buona resistenza ad usura e corrosione e controllo di tensioni residue e deformazione delle parti stampate. Dall’altra si sono studiate strutture reticolari a geometria e porosità controllata per favorire l’osteointegrazione della componente protesica post impianto. In questo studio sono stati messe a confronto le possibili combinazioni tra parametri di processo e sono state individuate le correlazioni con le proprietà finali dei componenti stampati. Partendo da queste relazioni si sono sviluppate le strategie tecnologiche per la progettazione e la produzione dei componenti. I test sperimentali svolti e i risultati ottenuti hanno dimostrato la fattibilità dell’utilizzo del processo SLM per la produzione di protesi personalizzate e sono stati fabbricati i primi prototipi funzionali. La fabbricazione di protesi personalizzate richiede, però, anche la progettazione e la produzione di strumentario chirurgico ad hoc. Per questo motivo, parallelamente allo studio della lega di Cromo Cobalto, sono stati eseguiti i test anche su campioni in INOX 316L. Anche in questo caso è stato possibile individuare una finestra operativa di processo che garantisse proprietà meccaniche comparabili, e in alcuni casi superiori, a quelle ottenute con processi convenzionali.

Pattern peristaltico uterino nell'adenomiosi isolata: studio prospettico

Obiettivi dello studio: valutare con l’ecografia transvaginale la peristalsi uterina in fase periovulatoria in donne con adenomiosi isolata, confrontandola con un gruppo di controllo e, secondariamente, valutare il grado di accordo tra gli sperimentatori nella descrizione dei pattern di contrattilità. Disegno dello studio: studio osservazione prospettico condotto presso il Policlinico S. Orsola- Malpighi di Bologna, Italia. Materiali e Metodi: sono state reclutate pazienti afferenti al Centro per valutazione ambulatoriale, suddivise sulla base dei criteri di inclusione ed esclusione nei gruppi A (adenomiosi) e B (controlli) e sono state sottoposte da un unico ecografista esperto a ecografia transvaginale con registrazione di un video della durata di 180 secondi della scansione sagittale dell’utero. La registrazione è stata rivalutata off line da due sperimentatori esperti ecografisti, non a conoscenza della storia clinica delle pazienti e in cieco l’uno rispetto all’altro, che hanno descritto il pattern contrattile. È stata stimata una numerosità campionaria di 18 pazienti per gruppo per ottenere una differenza del 20% nell’obiettivo primario con una significatività del 5% (power 80%). Risultati: di 51 pazienti reclutate nello studio, a seguito di drop out 36 sono state sottoposte alla videoregistrazione ecografica (18 per gruppo). Il pattern peristaltico nel gruppo A è risultato alterato in maniera statisticamente significativa rispetto al gruppo B con un p value= 0,02. Sono stati osservati un pattern retrogrado nel 27,8% vs 72,2%, anterogrado del 11,1% vs 16,7%, opposto 38,9% vs 5,6% e random nel 22,2% vs 5,6%, rispettivamente nel gruppo A e B. Il calcolo dell’accordo interosservatore ha portato a un κ value di 0,92. Conclusioni: l’adenomiosi isolata è associata a disperistalsi uterina, che concorrerebbe nello sviluppo dei sintomi tipici dell’adenomiosi. L’ecografia transvaginale rappresenta uno strumento accessibile e utile nella valutazione della contrattilità uterina in quanto il grado di accordo tra gli sperimentatori è ottimo.

Integración de sistemas para la documentación, gestión y puesta en valor del patrimonio arquitectónico: el parque arqueológico de las tumbas de la Vía Latina en Roma

En la civilización de la antigua Roma, tres de los aspectos más importantes de la vida cotidiana estaban vinculados a la arquitectura: las termas, los acueductos y las tumbas. Esta investigación propone el estudio de la integración de sistemas avanzados para la documentación, gestión y valorización del patrimonio arquitectónico funerario de la Vie Latina y la Appia Antica, en estrecha relación con el tema del Paisaje Cultural. De hecho, el Parque de las Tumbas Latinas alberga uno de los complejos funerarios más importantes, que en la actualidad conserva el aspecto tradicional del antiguo paisaje romano. A lo largo de una vía empedrada, como todas las vías consulares, la Vía Latina (al igual que la Vía Appia Antica), que, como recordaba Tito Livio, conectaba en su día las ciudades de Roma con Capua, sigue manteniendo "congelado" el antiguo trazado urbano/paisajístico. El sistema multiforme del Ager Romanus y del sitio cultural Via Latina/Appia Antica estudiado en esta investigación es, por tanto, comparable a una estructura viva y dinámica y, como tal, debe ser analizada. Por lo tanto, para diseñar una herramienta de protección y gestión tan "potente" y adecuada para un sitio histórico de enorme importancia, fue necesario utilizar las técnicas de levantamiento arquitectónico más avanzadas que se utilizan actualmente (como el escaneo láser y la fotogrametría, junto con un software de análisis específico), acompañadas de un estudio en profundidad de las técnicas de construcción antiguas. El último aspecto clave que pretende abordar la investigación es la catalogación. De hecho, los sitios y monumentos históricos no se pueden mantener sólo mediante su uso y utilización pasiva, sino activando todas las operaciones de protección y conservación mediante intervenciones directas (mantenimiento/restauración) e indirectas, como la catalogación constante de las obras históricas y la consiguiente "catalogación dinámica".

Optimizing AI at the Edge: from network topology design to MCU deployment

The first topic analyzed in the thesis will be Neural Architecture Search (NAS). I will focus on two different tools that I developed, one to optimize the architecture of Temporal Convolutional Networks (TCNs), a convolutional model for time-series processing that has recently emerged, and one to optimize the data precision of tensors inside CNNs. The first NAS proposed explicitly targets the optimization of the most peculiar architectural parameters of TCNs, namely dilation, receptive field, and the number of features in each layer. Note that this is the first NAS that explicitly targets these networks. The second NAS proposed instead focuses on finding the most efficient data format for a target CNN, with the granularity of the layer filter. Note that applying these two NASes in sequence allows an "application designer" to minimize the structure of the neural network employed, minimizing the number of operations or the memory usage of the network. After that, the second topic described is the optimization of neural network deployment on edge devices. Importantly, exploiting edge platforms' scarce resources is critical for NN efficient execution on MCUs. To do so, I will introduce DORY (Deployment Oriented to memoRY) -- an automatic tool to deploy CNNs on low-cost MCUs. DORY, in different steps, can manage different levels of memory inside the MCU automatically, offload the computation workload (i.e., the different layers of a neural network) to dedicated hardware accelerators, and automatically generates ANSI C code that orchestrates off- and on-chip transfers with the computation phases. On top of this, I will introduce two optimized computation libraries that DORY can exploit to deploy TCNs and Transformers on edge efficiently. I conclude the thesis with two different applications on bio-signal analysis, i.e., heart rate tracking and sEMG-based gesture recognition.