Computational Modelling of Cardiac Electrophysiology: from Cell to Bedside

Heart diseases are the leading cause of death worldwide, both for men and women. However, the ionic mechanisms underlying many cardiac arrhythmias and genetic disorders are not completely understood, thus leading to a limited efficacy of the current available therapies and leaving many open questions for cardiac electrophysiologists. On the other hand, experimental data availability is still a great issue in this field: most of the experiments are performed in vitro and/or using animal models (e.g. rabbit, dog and mouse), even when the final aim is to better understand the electrical behaviour of in vivo human heart either in physiological or pathological conditions. Computational modelling constitutes a primary tool in cardiac electrophysiology: in silico simulations, based on the available experimental data, may help to understand the electrical properties of the heart and the ionic mechanisms underlying a specific phenomenon. Once validated, mathematical models can be used for making predictions and testing hypotheses, thus suggesting potential therapeutic targets. This PhD thesis aims to apply computational cardiac modelling of human single cell action potential (AP) to three clinical scenarios, in order to gain new insights into the ionic mechanisms involved in the electrophysiological changes observed in vitro and/or in vivo. The first context is blood electrolyte variations, which may occur in patients due to different pathologies and/or therapies. In particular, we focused on extracellular Ca2+ and its effect on the AP duration (APD). The second context is haemodialysis (HD) therapy: in addition to blood electrolyte variations, patients undergo a lot of other different changes during HD, e.g. heart rate, cell volume, pH, and sympatho-vagal balance. The third context is human hypertrophic cardiomyopathy (HCM), a genetic disorder characterised by an increased arrhythmic risk, and still lacking a specific pharmacological treatment.

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".

Development of a hydrogel construct to prevent endoleaks occurrence following endovascular abdominal aortic aneurysm repair

Abdominal aortic aneurysm is the pathological dilation of the abdominal tract of the aorta and, if left untreated, could undergo rupture with a mortality rate of up to 90%. EVAR is the most common method for AAA treatment consisting in the internal coverage of the aorta with a metallic stent to isolate the aneurysmatic segment from the systemic circulation. Although EVAR technical success rate is high, reinterventions are common. Among the causes of reinterventions typeII endoleaks are the most frequent and consist in retrograde blood flow into the aneurysmal sac from collateral aortic branches. Continued perfusion of the aneurysm sac may lead to aneurysm rupture, therefore AAA sac embolization is performed using metallic coils. However, the presence of artifacts caused by the presence of metallic coils is a limitation because they are radiopaque and can hamper the endoleak during imaging follow-up. This study is aimed at developing a biocompatible hydrogel that could be injected into the aneurysmal sac and may allow a selective intraprocedural sac embolization to reduce post procedural typeII endoleak and eventual AAA rupture. P(BT75BSI25) was synthesized by polycondensation and its biocompatibility tested to assess whether the polymers had no toxic effects. HUVEC cell line was used to mimic the environment in which the polymer would be in contact with, PBS was used as a positive control and MTT assay was performed to evaluate cellular viability after being in contact with the hydrogel. MTT assay showed no significant difference between PBS and P(BT75BSI25), thus the polymer is biocompatible, as confirmed by the analysis of apoptosis by flow cytometry. An aromatic copolymer was obtained via polycondensation and was found to be biocompatible in contact with endothelial cells. This suggests that the hydrogel could be potentially used in the clinical setting for the treatment of type II endoleak after EVAR.

L'adeguamento di tradizionali laboratori europei di restauro fotochimico alle tecniche digitali

La presente ricerca ha avuto come obbietivo studiare come stia avvenendo l'adattamento dei tradizionali laboratori fotochimici di film alle tecniche digitali attraverso l'analisi delle politiche di preservazione, del restauro, dei costi relativi all’acquisto di nuove apparecchiature e della migrazione ai nuovi media presso il British Film Institute (BFI), lo Svenska Filminstitutet (SFI), l’Eye Filmmuseum, L'Immagine Ritrovata e ANIM - Cinemateca Portuguesa. A questo scopo è stato utilizzato il metodo dello studio di caso, in cui sono state effettuate interviste con gestori e tecnici delle istituzioni citate al fine di rispondere al quesito della presente ricerca: quali sono l’impatto e le implicazioni di questo adattamento? Quali sono i risultati raggiunti con le nuove attrezzature e metodi di restauro e preservazione? Per arrivare a rispondere a queste domande lo studio è stato diviso in due sezioni. Nella prima parte, sono riportate le interviste svolte presso SFI, BFI, Eye e L'Immagine Ritrovata, realizzate al fine di ottenere dati che permettessero di formulare un'intervista più completa e approfondita. Successivamente, questa intervista più dettagliata è stata condotta con una sola istituzione, la Cinemateca Portuguesa. Pertanto, nella seconda parte dello studio di caso, sono state realizzate interviste a tecnici e dirigenti di ANIM - Cinemateca Portuguesa e dei suoi laboratori partner. L'analisi dei risultati comprende tutte le informazioni provenienti dalle cinque istituzioni intervistate. È stato notato che l'adattamento al digitale ha effettivamente apportato miglioramenti nella preservazione e nel recupero del materiale fotochimico, ma ciò ha anche fatto sorgere alcuni dilemmi nei laboratori. C'è apprensione per la scarsità di materiale della filiera fotochimica e per una sua ipotetica fine nel prossimo futuro, poiché non ci sono ancora sufficienti conoscenze sulla filiera digitale e sul comportamento di questi media con il passare del tempo. Gli intervistati hanno altresì dimostrato positività riguardo alle tecnologie digitali.

Interferometria SAR per lo studio di movimenti e generazione di modelli digitali del terreno in Antartide

Satellite SAR (Synthetic Aperture Radar) interferometry represents a valid technique for digital elevation models (DEM) generation, providing metric accuracy even without ancillary data of good quality. Depending on the situations the interferometric phase could be interpreted both as topography and as a displacement eventually occurred between the two acquisitions. Once that these two components have been separated it is possible to produce a DEM from the first one or a displacement map from the second one. InSAR DEM (Digital Elevation Model) generation in the cryosphere is not a straightforward operation because almost every interferometric pair contains also a displacement component, which, even if small, when interpreted as topography during the phase to height conversion step could introduce huge errors in the final product. Considering a glacier, assuming the linearity of its velocity flux, it is therefore necessary to differentiate at least two pairs in order to isolate the topographic residue only. In case of an ice shelf the displacement component in the interferometric phase is determined not only by the flux of the glacier but also by the different heights of the two tides. As a matter of fact even if the two scenes of the interferometric pair are acquired at the same time of the day only the main terms of the tide disappear in the interferogram, while the other ones, smaller, do not elide themselves completely and so correspond to displacement fringes. Allowing for the availability of tidal gauges (or as an alternative of an accurate tidal model) it is possible to calculate a tidal correction to be applied to the differential interferogram. It is important to be aware that the tidal correction is applicable only knowing the position of the grounding line, which is often a controversial matter. In this thesis it is described the methodology applied for the generation of the DEM of the Drygalski ice tongue in Northern Victoria Land, Antarctica. The displacement has been determined both in an interferometric way and considering the coregistration offsets of the two scenes. A particular attention has been devoted to investigate the importance of the role of some parameters, such as timing annotations and orbits reliability. Results have been validated in a GIS environment by comparison with GPS displacement vectors (displacement map and InSAR DEM) and ICEsat GLAS points (InSAR DEM).

Caratterizzazione mediante HPLC-MS di modifiche post-trasduzionali di proteine istoniche

Gli istoni sono proteine basiche che possono essere classificate in varie classi: H1, H2A, H2B, H3 e H4. Queste proteine formano l’ottamero proteico attorno al quale si avvolge il DNA per formare il nucleosoma che è l’unità fondamentale della cromatina. A livello delle code N-terminali, gli istoni possono essere soggetti a numerose modifiche posttraduzionali quali acetilazioni, metilazioni, fosforilazioni, ADP-ribosilazioni e ubiquitinazioni. Queste modifiche portano alla formazione di diversi siti di riconoscimento per diversi complessi enzimatici coinvolti in importanti processi come la riparazione e la replicazione del DNA e l’assemblaggio della cromatina. La più importante e la più studiata di queste modifiche è l’acetilazione che avviene a livello dei residui amminici della catena laterale dell’amminoacido lisina. I livelli corretti di acetilazione delle proteine istoniche sono mantenuti dall’attività combinata di due enzimi: istone acetil transferasi (HAT) e istone deacetilasi (HDAC). Gli enzimi appartenenti a questa famiglia possono essere suddivisi in varie classi a seconda delle loro diverse caratteristiche, quali la localizzazione cellulare, la dimensione, l’omologia strutturale e il meccanismo d’azione. Recentemente è stato osservato che livelli aberranti di HDAC sono coinvolti nella carcinogenesi; per questo motivo numerosi gruppi di ricerca sono interessati alla progettazione e alla sintesi di composti che siano in grado di inibire questa classe enzimatica. L’inibizione delle HDAC può infatti provocare arresto della crescita cellulare, apoptosi o morte cellulare. Per questo motivo la ricerca farmaceutica in campo antitumorale è mirata alla sintesi di inibitori selettivi verso le diverse classi di HDAC per sviluppare farmaci meno tossici e per cercare di comprendere con maggiore chiarezza il ruolo biologico di questi enzimi. Il potenziale antitumorale degli inibitori delle HDAC deriva infatti dalla loro capacità di interferire con diversi processi cellulari, generalmente non più controllati nelle cellule neoplastiche. Nella maggior parte dei casi l’attività antitumorale risiede nella capacità di attivare programmi di differenziamento, di inibire la progressione del ciclo cellulare e di indurre apoptosi. Inoltre sembra essere molto importante anche la capacità di attivare la risposta immunitaria e l’inibizione dell’angiogenesi. Gli inibitori delle HDAC possono essere a loro volta classificati in base alla struttura chimica, alla loro origine (naturale o sintetica), e alla loro capacità di inibire selettivamente le HDAC appartenenti a classi diverse. Non è ancora chiaro se la selettività di queste molecole verso una specifica classe di HDAC sia importante per ottenere un effetto antitumorale, ma sicuramente inibitori selettivi possono essere molto utili per investigare e chiarire il ruolo delle HDAC nei processi cellulari che portano all’insorgenza del tumore. Nel primo capitolo di questa tesi quindi è riportata un’introduzione sull’importanza delle proteine istoniche non solo da un punto di vista strutturale ma anche funzionale per il destino cellulare. Nel secondo capitolo è riportato lo stato dell’arte dell’analisi delle proteine istoniche che comprende sia i metodi tradizionali come il microsequenziamento e l’utilizzo di anticorpi, sia metodi più innovativi (RP-LC, HILIC, HPCE) ideati per poter essere accoppiati ad analisi mediante spettrometria di massa. Questa tecnica consente infatti di ottenere importanti e precise informazioni che possono aiutare sia a identificare gli istoni come proteine che a individuare i siti coinvolti nelle modifiche post-traduzionali. Nel capitolo 3 è riportata la prima parte del lavoro sperimentale di questa tesi volto alla caratterizzazione delle proteine istoniche mediante tecniche cromatografiche accoppiate alla spettrometria di massa. Nella prima fase del lavoro è stato messo a punto un nuovo metodo cromatografico HPLC che ha consentito di ottenere una buona separazione, alla linea di base, delle otto classi istoniche (H1-1, H1-2, H2A-1, H2A-2, H2B, H3-1, H3-2 e H4). La separazione HPLC delle proteine istoniche ha permesso di poter eseguire analisi accurate di spettrometria di massa mediante accoppiamento con un analizzatore a trappola ionica tramite la sorgente electrospray (ESI). E’ stato così possibile identificare e quantificare tutte le isoforme istoniche, che differiscono per il tipo e il numero di modifiche post-traduzionali alle quali sono soggette, previa estrazione da colture cellulari di HT29 (cancro del colon). Un’analisi così dettagliata delle isoforme non può essere ottenuta con i metodi immunologici e permette di eseguire un’indagine molto accurata delle modifiche delle proteine istoniche correlandole ai diversi stadi della progressione del ciclo e alla morte cellulare. Il metodo messo a punto è stato convalidato mediante analisi comparative che prevedono la stessa separazione cromatografica ma accoppiata a uno spettrometro di massa avente sorgente ESI e analizzatore Q-TOF, dotato di maggiore sensibilità e risoluzione. Successivamente, per identificare quali sono gli specifici amminoacidi coinvolti nelle diverse modifiche post-traduzionali, l’istone H4 è stato sottoposto a digestione enzimatica e successiva analisi mediante tecniche MALDI-TOF e LC-ESI-MSMS. Queste analisi hanno permesso di identificare le specifiche lisine acetilate della coda N-terminale e la sequenza temporale di acetilazione delle lisine stesse. Nel quarto capitolo sono invece riportati gli studi di inibizione, mirati a caratterizzare le modifiche a carico delle proteine istoniche indotte da inibitori delle HDAC, dotati di diverso profilo di potenza e selettività. Dapprima Il metodo messo a punto per l’analisi delle proteine istoniche è stato applicato all’analisi di istoni estratti da cellule HT29 trattate con due noti inibitori delle HDAC, valproato e butirrato, somministrati alle cellule a dosi diverse, che corrispondono alle dosi con cui sono stati testati in vivo, per convalidare il metodo per studi di inibizione di composti incogniti. Successivamente, lo studio è proseguito con lo scopo di evidenziare effetti legati alla diversa potenza e selettività degli inibitori. Le cellule sono state trattate con due inibitori più potenti, SAHA e MS275, alla stessa concentrazione. In entrambi i casi il metodo messo a punto ha permesso di evidenziare l’aumento dei livelli di acetilazione indotto dal trattamento con gli inibitori; ha inoltre messo in luce differenti livelli di acetilazione. Ad esempio il SAHA, potente inibitore di tutte le classi di HDAC, ha prodotto un’estesa iperacetilazione di tutte le proteine istoniche, mentre MS275 selettivo per la classe I di HDAC, ha prodotto modifiche molto più blande. E’ stato quindi deciso di applicare questo metodo per studiare la dose e la tempo-dipendenza dell’effetto di quattro diversi inibitori delle HDAC (SAHA, MS275, MC1855 e MC1568) sulle modifiche post-traduzionali di istoni estratti da cellule HT29. Questi inibitori differiscono oltre che per la struttura chimica anche per il profilo di selettività nei confronti delle HDAC appartenenti alle diverse classi. Sono stati condotti quindi studi di dose-dipendenza che hanno consentito di ottenere i valori di IC50 (concentrazione capace di ridurre della metà la quantità relativa dell’istone meno acetilato) caratteristici per ogni inibitore nei confronti di tutte le classi istoniche. E’ stata inoltre calcolata la percentuale massima di inibizione per ogni inibitore. Infine sono stati eseguiti studi di tempo-dipendenza. I risultati ottenuti da questi studi hanno permesso di correlare i livelli di acetilazione delle varie classi istoniche con la selettività d’azione e la struttura chimica degli inibitori somministrati alle cellule. In particolare, SAHA e MC1855, inibitori delle HDAC di classi I e II a struttura idrossamica, hanno causato l’iperacetilazione di tutte le proteine istoniche, mentre MC1568 (inibitore selettivo per HDAC di classe II) ha prodotto l’iperacetilazione solo di H4. Inoltre la potenza e la selettività degli inibitori nel provocare un aumento dei livelli di acetilazione a livello delle distinte classi istoniche è stata correlata al destino biologico della cellula, tramite studi di vitalità cellulare. E’ stato osservato che il SAHA e MC1855, inibitori potenti e non selettivi, somministrati alla coltura HT29 a dose 50 μM producono morte cellulare, mentre MS275 alla stessa dose produce accumulo citostatico in G1/G0. MC1568, invece, non produce effetti significatici sul ciclo cellulare. Questo studio ha perciò dimostrato che l’analisi tramite HPLC-ESI-MS delle proteine istoniche permette di caratterizzare finemente la potenza e la selettività di nuovi composti inibitori delle HDAC, prevedendone l’effetto sul ciclo cellulare. In maggiore dettaglio è risultato che l’iperacetilazione di H4 non è in grado di provocare modifiche significative sul ciclo cellulare. Questo metodo, insieme alle analisi MALDI-TOF e LC-ESI-MSMS che permettono di individuare l’ordine di acetilazione delle lisine della coda N-terminale, potrà fornire importanti informazioni sugli inibitori delle HDAC e potrà essere applicato per delineare la potenza, la selettività e il meccanismo di azione di nuovi potenziali inibitori di questa classe enzimatica in colture cellulari tumorali.

Studio di biomateriali usati come scaffold per Tissue Engineering e loro caratterizzazione con tecniche spettroscopiche vibrazionali e di analisi termica

This research investigated someone of the main problems connected to the application of Tissue Engineering in the prosthetic field, in particular about the characterization of the scaffolding materials and biomimetic strategies adopted in order to promote the implant integration. The spectroscopic and thermal analysis techniques were usefully applied to characterize the chemico-physical properties of the materials such as – crystallinity; – relative composition in case of composite materials; – Structure and conformation of polymeric and peptidic chains; – mechanism and degradation rate; – Intramolecular and intermolecular interactions (hydrogen bonds, aliphatic interactions). This kind of information are of great importance in the comprehension of the interactions that scaffold undergoes when it is in contact with biological tissues; this information are fundamental to predict biodegradation mechanisms and to understand how chemico-physical properties change during the degradation process. In order to fully characterize biomaterials, this findings must be integrated by information relative to mechanical aspects and in vitro and in vivo behavior thanks to collaborations with biomedical engineers and biologists. This study was focussed on three different systems that correspond to three different strategies adopted in Tissue Engineering: biomimetic replica of fibrous 3-D structure of extracellular matrix (PCL-PLLA), incorporation of an apatitic phase similar to bone inorganic phase to promote biomineralization (PCL-HA), surface modification with synthetic oligopeptides that elicit the interaction with osteoblasts. The characterization of the PCL-PLLA composite underlined that the degradation started along PLLA fibres, which are more hydrophylic, and they serve as a guide for tissue regeneration. Moreover it was found that some cellular lines are more active in the colonization of the scaffold. In the PCL-HA composite, the weight ratio between the polymeric and the inorganic phase plays an essential role both in the degradation process and in the biomineralization of the material. The study of self-assembling peptides allowed to clarify the influence of primary structure on intermolecular and intermolecular interactions, that lead to the formation of the secondary structure and it was possible to find a new class of oligopeptides useful to functionalize materials surface. Among the analytical techniques used in this study, Raman vibrational spectroscopy played a major role, being non-destructive and non-invasive, two properties that make it suitable to degradation studies and to morphological characterization. Also micro-IR spectroscopy was useful in the comprehension of peptide structure on oxidized titanium: up to date this study was one of the first to employ this relatively new technique in the biomedical field.

Sviluppo di un tomografo multi-energy per lo studio pre-clinico di nuove metodiche diagnostiche finalizzate al riconoscimento precoce della patologia tumorale

A new multi-energy CT for small animals is being developed at the Physics Department of the University of Bologna, Italy. The system makes use of a set of quasi-monochromatic X-ray beams, with energy tunable in a range from 26 KeV to 72 KeV. These beams are produced by Bragg diffraction on a Highly Oriented Pyrolytic Graphite crystal. With quasi-monochromatic sources it is possible to perform multi-energy investigation in a more effective way, as compared with conventional X-ray tubes. Multi-energy techniques allow extracting physical information from the materials, such as effective atomic number, mass-thickness, density, that can be used to distinguish and quantitatively characterize the irradiated tissues. The aim of the system is the investigation and the development of new pre-clinic methods for the early detection of the tumors in small animals. An innovative technique, the Triple-Energy Radiography with Contrast Medium (TER), has been successfully implemented on our system. TER consist in combining a set of three quasi-monochromatic images of an object, in order to obtain a corresponding set of three single-tissue images, which are the mass-thickness map of three reference materials. TER can be applied to the quantitative mass-thickness-map reconstruction of a contrast medium, because it is able to remove completely the signal due to other tissues (i.e. the structural background noise). The technique is very sensitive to the contrast medium and is insensitive to the superposition of different materials. The method is a good candidate to the early detection of the tumor angiogenesis in mice. In this work we describe the tomographic system, with a particular focus on the quasi-monochromatic source. Moreover the TER method is presented with some preliminary results about small animal imaging.

Tecniche per il controllo dinamico del consumo di potenza per piattaforme system-on-chip

Providing support for multimedia applications on low-power mobile devices remains a significant research challenge. This is primarily due to two reasons: • Portable mobile devices have modest sizes and weights, and therefore inadequate resources, low CPU processing power, reduced display capabilities, limited memory and battery lifetimes as compared to desktop and laptop systems. • On the other hand, multimedia applications tend to have distinctive QoS and processing requirementswhichmake themextremely resource-demanding. This innate conflict introduces key research challenges in the design of multimedia applications and device-level power optimization. Energy efficiency in this kind of platforms can be achieved only via a synergistic hardware and software approach. In fact, while System-on-Chips are more and more programmable thus providing functional flexibility, hardwareonly power reduction techniques cannot maintain consumption under acceptable bounds. It is well understood both in research and industry that system configuration andmanagement cannot be controlled efficiently only relying on low-level firmware and hardware drivers. In fact, at this level there is lack of information about user application activity and consequently about the impact of power management decision on QoS. Even though operating system support and integration is a requirement for effective performance and energy management, more effective and QoSsensitive power management is possible if power awareness and hardware configuration control strategies are tightly integratedwith domain-specificmiddleware services. The main objective of this PhD research has been the exploration and the integration of amiddleware-centric energymanagement with applications and operating-system. We choose to focus on the CPU-memory and the video subsystems, since they are the most power-hungry components of an embedded system. A second main objective has been the definition and implementation of software facilities (like toolkits, API, and run-time engines) in order to improve programmability and performance efficiency of such platforms. Enhancing energy efficiency and programmability ofmodernMulti-Processor System-on-Chips (MPSoCs) Consumer applications are characterized by tight time-to-market constraints and extreme cost sensitivity. The software that runs on modern embedded systems must be high performance, real time, and even more important low power. Although much progress has been made on these problems, much remains to be done. Multi-processor System-on-Chip (MPSoC) are increasingly popular platforms for high performance embedded applications. This leads to interesting challenges in software development since efficient software development is a major issue for MPSoc designers. An important step in deploying applications on multiprocessors is to allocate and schedule concurrent tasks to the processing and communication resources of the platform. The problem of allocating and scheduling precedenceconstrained tasks on processors in a distributed real-time system is NP-hard. There is a clear need for deployment technology that addresses thesemulti processing issues. This problem can be tackled by means of specific middleware which takes care of allocating and scheduling tasks on the different processing elements and which tries also to optimize the power consumption of the entire multiprocessor platform. This dissertation is an attempt to develop insight into efficient, flexible and optimalmethods for allocating and scheduling concurrent applications tomultiprocessor architectures. It is a well-known problem in literature: this kind of optimization problems are very complex even in much simplified variants, therefore most authors propose simplified models and heuristic approaches to solve it in reasonable time. Model simplification is often achieved by abstracting away platform implementation ”details”. As a result, optimization problems become more tractable, even reaching polynomial time complexity. Unfortunately, this approach creates an abstraction gap between the optimization model and the real HW-SW platform. The main issue with heuristic or, more in general, with incomplete search is that they introduce an optimality gap of unknown size. They provide very limited or no information on the distance between the best computed solution and the optimal one. The goal of this work is to address both abstraction and optimality gaps, formulating accurate models which accounts for a number of ”non-idealities” in real-life hardware platforms, developing novel mapping algorithms that deterministically find optimal solutions, and implementing software infrastructures required by developers to deploy applications for the targetMPSoC platforms. Energy Efficient LCDBacklightAutoregulation on Real-LifeMultimediaAp- plication Processor Despite the ever increasing advances in Liquid Crystal Display’s (LCD) technology, their power consumption is still one of the major limitations to the battery life of mobile appliances such as smart phones, portable media players, gaming and navigation devices. There is a clear trend towards the increase of LCD size to exploit the multimedia capabilities of portable devices that can receive and render high definition video and pictures. Multimedia applications running on these devices require LCD screen sizes of 2.2 to 3.5 inches andmore to display video sequences and pictures with the required quality. LCD power consumption is dependent on the backlight and pixel matrix driving circuits and is typically proportional to the panel area. As a result, the contribution is also likely to be considerable in future mobile appliances. To address this issue, companies are proposing low power technologies suitable for mobile applications supporting low power states and image control techniques. On the research side, several power saving schemes and algorithms can be found in literature. Some of them exploit software-only techniques to change the image content to reduce the power associated with the crystal polarization, some others are aimed at decreasing the backlight level while compensating the luminance reduction by compensating the user perceived quality degradation using pixel-by-pixel image processing algorithms. The major limitation of these techniques is that they rely on the CPU to perform pixel-based manipulations and their impact on CPU utilization and power consumption has not been assessed. This PhDdissertation shows an alternative approach that exploits in a smart and efficient way the hardware image processing unit almost integrated in every current multimedia application processors to implement a hardware assisted image compensation that allows dynamic scaling of the backlight with a negligible impact on QoS. The proposed approach overcomes CPU-intensive techniques by saving system power without requiring either a dedicated display technology or hardware modification. Thesis Overview The remainder of the thesis is organized as follows. The first part is focused on enhancing energy efficiency and programmability of modern Multi-Processor System-on-Chips (MPSoCs). Chapter 2 gives an overview about architectural trends in embedded systems, illustrating the principal features of new technologies and the key challenges still open. Chapter 3 presents a QoS-driven methodology for optimal allocation and frequency selection for MPSoCs. The methodology is based on functional simulation and full system power estimation. Chapter 4 targets allocation and scheduling of pipelined stream-oriented applications on top of distributed memory architectures with messaging support. We tackled the complexity of the problem by means of decomposition and no-good generation, and prove the increased computational efficiency of this approach with respect to traditional ones. Chapter 5 presents a cooperative framework to solve the allocation, scheduling and voltage/frequency selection problem to optimality for energyefficient MPSoCs, while in Chapter 6 applications with conditional task graph are taken into account. Finally Chapter 7 proposes a complete framework, called Cellflow, to help programmers in efficient software implementation on a real architecture, the Cell Broadband Engine processor. The second part is focused on energy efficient software techniques for LCD displays. Chapter 8 gives an overview about portable device display technologies, illustrating the principal features of LCD video systems and the key challenges still open. Chapter 9 shows several energy efficient software techniques present in literature, while Chapter 10 illustrates in details our method for saving significant power in an LCD panel. Finally, conclusions are drawn, reporting the main research contributions that have been discussed throughout this dissertation.

Nuove tecniche per l'allevamento massale di Ditteri del genere Coenosia Meigen

The species of the genus Coenosia Meigen are polyphagous predators both in the larval and in the adult stage. In Europe five Coenosia species of the ‘tigrina group’ are naturally present in greenhouses, where they can establish for long periods. As their wide preys range includes important pests of protected crops, as Aleyrodidae, Sciaridae and Agromyzidae, Coenosia species are considered promising potential biological control agents. A method for rearing Coenosia species in vivo was developed for the first time in 1993 in Germany, where C. attenuata, C. strigipes and C. humilis were bred on Bradysia paupera (Diptera Sciaridae), reared on Fusarium spp. cultivated on wood fibre. Although this method was partially simplified afterwards, it is still too complex and expensive for a mass production. This research aimed at simplifying this rearing procedure and making it cheaper, in the perspective of an eventual mass production. Studies on potential preys were conducted, to determine their suitability for C. attenuata larvae and adults and to develop rearing methods. Biology and rearing methods of Bradysia paupera Tuomikoski, Scatella stagnalis Fallén and Drosophila melanogaster Meigen (Diptera: Sciaridae, Ephydridae, Drosophilidae) were compared. B. paupera resulted the most suitable prey for rearing C. attenuata in vivo. The Sciarid fly was effectively reared on damp coconut fibre with fresh Agaricus bisporus (J.E. Lange) Pilát, thus simplifying the existing method. After preliminary trials with different potential preys, attempts to rear C. attenuata in vivo on B. paupera and D. melanogaster were made. The best results were obtained with B. paupera, reared on coconut fibre and A. bisporus, but the method needs further improvement. Trials of in vitro rearing of C. attenuata were also made: as no specific diet for Coenosia species is reported in literature, different potentially suitable media were tested. Among these, a specific diet for Diptera Tachinidae resulted a good starting point for further studies and improvements. The biology of C. attenuata adults captured in greenhouses was also studied, by observing both groups and isolated individuals. Data on lifespan, daily number of preys per adult, daily number of laid eggs and hatching rate were recorded, and the effects of different foods on these parameters were analyzed. The following foods were compared: D. melanogaster adults only, as preys for C. attenuata; D. melanogaster adults and a water-honey solution; the water-honey solution only. Honey resulted an effective food integration for C. attenuata, increasing lifespan and the number of egg laying females. It is possible that in greenhouses Coenosia adults complete the preys diet with nectar and/or honeydew. Moreover, the integration with honey reduced the daily preys consumption. This may allow to prevent cannibalism among Coenosia adults in the rearing conditions, where high population densities are required. A survey of the Coenosia species naturally present in Lombardy greenhouses was conducted. The species C. attenuata, C. strigipes, C. tigrina and C. atra were detected. C. attenuata resulted the most common, recorded in most greenhouses and for consecutive years. Besides, the presence of potential preys, weeds and the crops were recorded in each greenhouse. Nevertheless, it is difficult to determine the relation between these parameters and the presence of Coenosia species.

Tecniche numeriche di studio della sicurezza stradale: il caso della provincia di Bologna

La tesi dottorale in oggetto prende spunto da alcune considerazioni di base relative alla salute di una comunità. Infatti quest’ultima si fonda sulla sicurezza dell’ambiente in cui vive e sulla qualità delle relazioni tra i suoi componenti. In questo ambito la mobilità rappresenta uno degli elementi di maggior criticità, sia per la sicurezza delle persone, che per la salute pubblica, che per le conseguenze sull’ambiente che ne derivano. Negli ultimi anni la circolazione stradale è notevolmente aumentata è questo ha portato a notevoli aspetti negativi, uno dei quali è connesso agli incidenti stradali. In tale ambito viene ricordato che l’Unione Europea ha da tempo indicato come obiettivo prioritario il miglioramento della sicurezza stradale e nel 2001 ha fissato il traguardo di dimezzare entro il 2010 il numero delle vittime degli incidenti stradali. Non ultima, l’approvazione da parte del Parlamento europeo e del Consiglio di un atto legislativo (d’imminente pubblicazione sulla GU Europea) relativo alla gestione della sicurezza in tutte le fasi della pianificazione, della progettazione e del funzionamento delle infrastrutture stradali, in cui si evidenzia l’esigenza di una quantificazione della sicurezza stradale. In tale contesto viene sottolineato come uno dei maggiori problemi nella gestione della sicurezza stradale sia la mancanza di un metodo affidabile per stimare e quantificare il livello di sicurezza di una strada esistente o in progetto. Partendo da questa considerazione la tesi si sviluppa mettendo in evidenza le grandezza fondamentali nel problema della sicurezza stradale, (grado di esposizione, rischio d’incidente e le possibili conseguenze sui passeggeri) e analizzando i sistemi adottati tradizionalmente per effettuare analisi di sicurezza: • Statistiche dei dati storici d’incidente; • Previsione da modelli basati su analisi di regressione dei dati incidentali; • Studi Before-After; • Valutazione da giudizi di esperti. Dopo aver analizzato gli aspetti positivi e negativi delle alternative in parola, viene proposto un nuovo approccio, che combina gli elementi di ognuno dei metodi sopra citati in un algoritmo di previsione incidentale. Tale nuovo algoritmo, denominato Interactive Highway Safety Design Model (IHSDM) è stato sviluppato dalla Federal Highway Administration in collaborazione con la Turner Fairbank Higway Research Center ed è specifico per le strade extraurbane a due corsie. Il passo successivo nello sviluppo della tesi è quello di un’analisi dettagliata del modello IHSDM che fornisce il numero totale di incidenti previsti in un certo intervallo temporale. Viene analizzata la struttura del modello, i limiti d’applicabilità, le equazioni che ne sono alla base e i coefficienti moltiplicativi relativi ad ogni caratteristica geometrica e funzionale. Inoltre viene presentata un’ampia analisi di sensibilità che permette di definire quale sia l’influenza d’ogni singolo Fattore di Previsione incidentale (Accident Predication Factor) sul risultato finale. Dai temi trattati, emerge chiaramente come la sicurezza è legata a più sistemi tra loro interconnessi e che per utilizzare e migliorare i modelli previsionali è necessario avere a disposizione dati completi, congruenti, aggiornati e facilmente consultabili. Infatti, anche quando sono disponibili elementi su tutti gli incidenti avvenuti, spesso mancano informazioni di dettaglio ma fondamentali, riguardanti la strada come ad esempio il grado di curvatura, la larghezza della carreggiata o l’aderenza della pavimentazione. In tale ottica, nella tesi viene presentato il Sistema Informativo Stradale (SIS) della Provincia di Bologna, concepito come strumento di gestione delle problematiche inerenti la viabilità e come strumento di supporto per la pianificazione degli interventi e la programmazione delle risorse da investire sulla rete. Viene illustrato come il sistema sia in grado di acquisire, elaborare ed associare dati georeferenziati relativi al territorio sia sotto forma di rappresentazioni grafiche, sia mediante informazioni descrittive di tipo anagrafico ed alfanumerico. Quindi viene descritto il rilievo ad alto rendimento, effettuato con l’ausilio di un laboratorio mobile multifunzionale (Mobile Mapping System), grazie al quale è stato possibile definire con precisione il grafo completo delle strade provinciali e il database contenente i dati relativi al patrimonio infrastrutturale. Tali dati, relativi alle caratteristiche plano-altimetriche dell’asse (rettifili, curve planimetriche, livellette, raccordi altimetrici, ecc...), alla sezione trasversale (numero e larghezza corsie, presenza di banchine, ecc..), all’ambiente circostante e alle strutture annesse vengono presentati in forma completa specificando per ognuno la variabilità specifica. Inoltre viene evidenziato come il database si completi con i dati d’incidentali georeferenziati sul grafo e compresivi di tutte le informazioni contenute nel modello ISTAT CTT/INC spiegandone le possibili conseguenze sul campo dell’analisi di sicurezza. La tesi si conclude con l’applicazione del modello IHSDM ad un caso reale, nello specifico la SP255 di S.Matteo Decima. Infatti tale infrastruttura sarà oggetto di un miglioramento strutturale, finanziato dalla Regione Emilia Romagna, che consistente nell’allargamento della sede stradale attraverso la realizzazione di una banchina pavimentata di 1.00m su entrambi i lati della strada dalla prog. km 19+000 al km 21+200. Attraverso l’utilizzo dell’algoritmo di previsione incidentale è stato possibile quantificare gli effetti di questo miglioramento sul livello di sicurezza dell’infrastruttura e verificare l’attendibilità del modello con e senza storia incidentale pregressa. Questa applicazione ad un caso reale mette in evidenza come le informazioni del SIS possano essere sfruttate a pieno per la realizzazione di un analisi di sicurezza attraverso l’algoritmo di previsione incidentale IHSDM sia nella fase di analisi di uno specifico tronco stradale che in quella fondamentale di calibrazione del modello ad una specifica rete stradale (quella della Provincia di Bologna). Inoltre viene sottolineato come la fruibilità e la completezza dei dati a disposizione, possano costituire la base per sviluppi di ricerca futuri, come ad esempio l’indagine sulle correlazioni esistenti tra le variabili indipendenti che agiscono sulla sicurezza stradale.