Model reduction techniques in flexible multibody dynamics with application to engine cranktrain simulation

The development of a multibody model of a motorbike engine cranktrain is presented in this work, with an emphasis on flexible component model reduction. A modelling methodology based upon the adoption of non-ideal joints at interface locations, and the inclusion of component flexibility, is developed: both are necessary tasks if one wants to capture dynamic effects which arise in lightweight, high-speed applications. With regard to the first topic, both a ball bearing model and a journal bearing model are implemented, in order to properly capture the dynamic effects of the main connections in the system: angular contact ball bearings are modelled according to a five-DOF nonlinear scheme in order to grasp the crankshaft main bearings behaviour, while an impedance-based hydrodynamic bearing model is implemented providing an enhanced operation prediction at the conrod big end locations. Concerning the second matter, flexible models of the crankshaft and the connecting rod are produced. The well-established Craig-Bampton reduction technique is adopted as a general framework to obtain reduced model representations which are suitable for the subsequent multibody analyses. A particular component mode selection procedure is implemented, based on the concept of Effective Interface Mass, allowing an assessment of the accuracy of the reduced models prior to the nonlinear simulation phase. In addition, a procedure to alleviate the effects of modal truncation, based on the Modal Truncation Augmentation approach, is developed. In order to assess the performances of the proposed modal reduction schemes, numerical tests are performed onto the crankshaft and the conrod models in both frequency and modal domains. A multibody model of the cranktrain is eventually assembled and simulated using a commercial software. Numerical results are presented, demonstrating the effectiveness of the implemented flexible model reduction techniques. The advantages over the conventional frequency-based truncation approach are discussed.

Valutazione della persistenza in trattamento antiipertensivo: un’analisi multilivello paziente-medico attraverso modelli con effetti casuali

Introduzione L’importanza clinica, sociale ed economica del trattamento dell’ipertensione arteriosa richiede la messa in opera di strumenti di monitoraggio dell’uso dei farmaci antiipertensivi che consentano di verificare la trasferibilità alla pratica clinica dei dati ottenuti nelle sperimentazioni. L’attuazione di una adatta strategia terapeutica non è un fenomeno semplice da realizzare perché le condizioni in cui opera il Medico di Medicina Generale sono profondamente differenti da quelle che si predispongono nell’esecuzione degli studi randomizzati e controllati. Emerge, pertanto, la necessità di conoscere le modalità con cui le evidenze scientifiche trovano reale applicazione nella pratica clinica routinaria, identificando quei fattori di disturbo che, nei contesti reali, limitano l’efficacia e l’appropriatezza clinica. Nell’ambito della terapia farmacologica antiipertensiva, uno di questi fattori di disturbo è costituito dalla ridotta aderenza al trattamento. Su questo tema, recenti studi osservazionali hanno individuato le caratteristiche del paziente associate a bassi livelli di compliance; altri hanno focalizzato l’attenzione sulle caratteristiche del medico e sulla sua capacità di comunicare ai propri assistiti l’importanza del trattamento farmacologico. Dalle attuali evidenze scientifiche, tuttavia, non emerge con chiarezza il peso relativo dei due diversi attori, paziente e medico, nel determinare i livelli di compliance nel trattamento delle patologie croniche. Obiettivi Gli obiettivi principali di questo lavoro sono: 1) valutare quanta parte della variabilità totale è attribuibile al livello-paziente e quanta parte della variabilità è attribuibile al livello-medico; 2) spiegare la variabilità totale in funzione delle caratteristiche del paziente e in funzione delle caratteristiche del medico. Materiale e metodi Un gruppo di Medici di Medicina Generale che dipendono dall’Azienda Unità Sanitaria Locale di Ravenna si è volontariamente proposto di partecipare allo studio. Sono stati arruolati tutti i pazienti che presentavano almeno una misurazione di pressione arteriosa nel periodo compreso fra il 01/01/1997 e il 31/12/2002. A partire dalla prima prescrizione di farmaci antiipertensivi successiva o coincidente alla data di arruolamento, gli assistiti sono stati osservati per 365 giorni al fine di misurare la persistenza in trattamento. La durata del trattamento antiipertensivo è stata calcolata come segue: giorni intercorsi tra la prima e l’ultima prescrizione + proiezione, stimata sulla base delle Dosi Definite Giornaliere, dell’ultima prescrizione. Sono stati definiti persistenti i soggetti che presentavano una durata del trattamento maggiore di 273 giorni. Analisi statistica I dati utilizzati per questo lavoro presentano una struttura gerarchica nella quale i pazienti risultano “annidati” all’interno dei propri Medici di Medicina Generale. In questo contesto, le osservazioni individuali non sono del tutto indipendenti poiché i pazienti iscritti allo stesso Medico di Medicina Generale tenderanno ad essere tra loro simili a causa della “storia comune” che condividono. I test statistici tradizionali sono fortemente basati sull’assunto di indipendenza tra le osservazioni. Se questa ipotesi risulta violata, le stime degli errori standard prodotte dai test statistici convenzionali sono troppo piccole e, di conseguenza, i risultati che si ottengono appaiono “impropriamente” significativi. Al fine di gestire la non indipendenza delle osservazioni, valutare simultaneamente variabili che “provengono” da diversi livelli della gerarchia e al fine di stimare le componenti della varianza per i due livelli del sistema, la persistenza in trattamento antiipertensivo è stata analizzata attraverso modelli lineari generalizzati multilivello e attraverso modelli per l’analisi della sopravvivenza con effetti casuali (shared frailties model). Discussione dei risultati I risultati di questo studio mostrano che il 19% dei trattati con antiipertensivi ha interrotto la terapia farmacologica durante i 365 giorni di follow-up. Nei nuovi trattati, la percentuale di interruzione terapeutica ammontava al 28%. Le caratteristiche-paziente individuate dall’analisi multilivello indicano come la probabilità di interrompere il trattamento sia più elevata nei soggetti che presentano una situazione clinica generale migliore (giovane età, assenza di trattamenti concomitanti, bassi livelli di pressione arteriosa diastolica). Questi soggetti, oltre a non essere abituati ad assumere altre terapie croniche, percepiscono in minor misura i potenziali benefici del trattamento antiipertensivo e tenderanno a interrompere la terapia farmacologica alla comparsa dei primi effetti collaterali. Il modello ha inoltre evidenziato come i nuovi trattati presentino una più elevata probabilità di interruzione terapeutica, verosimilmente spiegata dalla difficoltà di abituarsi all’assunzione cronica del farmaco in una fase di assestamento della terapia in cui i principi attivi di prima scelta potrebbero non adattarsi pienamente, in termini di tollerabilità, alle caratteristiche del paziente. Anche la classe di farmaco di prima scelta riveste un ruolo essenziale nella determinazione dei livelli di compliance. Il fenomeno è probabilmente legato ai diversi profili di tollerabilità delle numerose alternative terapeutiche. L’appropriato riconoscimento dei predittori-paziente di discontinuità (risk profiling) e la loro valutazione globale nella pratica clinica quotidiana potrebbe contribuire a migliorare il rapporto medico-paziente e incrementare i livelli di compliance al trattamento. L’analisi delle componenti della varianza ha evidenziato come il 18% della variabilità nella persistenza in trattamento antiipertensivo sia attribuibile al livello Medico di Medicina Generale. Controllando per le differenze demografiche e cliniche tra gli assistiti dei diversi medici, la quota di variabilità attribuibile al livello medico risultava pari al 13%. La capacità empatica dei prescrittori nel comunicare ai propri pazienti l’importanza della terapia farmacologica riveste un ruolo importante nel determinare i livelli di compliance al trattamento. La crescente presenza, nella formazione dei medici, di corsi di carattere psicologico finalizzati a migliorare il rapporto medico-paziente potrebbe, inoltre, spiegare la relazione inversa, particolarmente evidente nella sottoanalisi effettuata sui nuovi trattati, tra età del medico e persistenza in trattamento. La proporzione non trascurabile di variabilità spiegata dalla struttura in gruppi degli assistiti evidenzia l’opportunità e la necessità di investire nella formazione dei Medici di Medicina Generale con l’obiettivo di sensibilizzare ed “educare” i medici alla motivazione ma anche al monitoraggio dei soggetti trattati, alla sistematica valutazione in pratica clinica dei predittori-paziente di discontinuità e a un appropriato utilizzo della classe di farmaco di prima scelta. Limiti dello studio Uno dei possibili limiti di questo studio risiede nella ridotta rappresentatività del campione di medici (la partecipazione al progetto era su base volontaria) e di pazienti (la presenza di almeno una misurazione di pressione arteriosa, dettata dai criteri di arruolamento, potrebbe aver distorto il campione analizzato, selezionando i pazienti che si recano dal proprio medico con maggior frequenza). Questo potrebbe spiegare la minore incidenza di interruzioni terapeutiche rispetto a studi condotti, nella stessa area geografica, mediante database amministrativi di popolazione. Conclusioni L’analisi dei dati contenuti nei database della medicina generale ha consentito di valutare l’impiego dei farmaci antiipertensivi nella pratica clinica e di stabilire la necessità di porre una maggiore attenzione nella pianificazione e nell’ottenimento dell’obiettivo che il trattamento si prefigge. Alla luce dei risultati emersi da questa valutazione, sarebbe di grande utilità la conduzione di ulteriori studi osservazionali volti a sostenere il progressivo miglioramento della gestione e del trattamento dei pazienti a rischio cardiovascolare nell’ambito della medicina generale.

Definition, realization and evaluation of a software reference architecture for use in space applications

A recent initiative of the European Space Agency (ESA) aims at the definition and adoption of a software reference architecture for use in on-board software of future space missions. Our PhD project placed in the context of that effort. At the outset of our work we gathered all the industrial needs relevant to ESA and all the main European space stakeholders and we were able to consolidate a set of technical high-level requirements for the fulfillment of them. The conclusion we reached from that phase confirmed that the adoption of a software reference architecture was indeed the best solution for the fulfillment of the high-level requirements. The software reference architecture we set on building rests on four constituents: (i) a component model, to design the software as a composition of individually verifiable and reusable software units; (ii) a computational model, to ensure that the architectural description of the software is statically analyzable; (iii) a programming model, to ensure that the implementation of the design entities conforms with the semantics, the assumptions and the constraints of the computational model; (iv) a conforming execution platform, to actively preserve at run time the properties asserted by static analysis. The nature, feasibility and fitness of constituents (ii), (iii) and (iv), were already proved by the author in an international project that preceded the commencement of the PhD work. The core of the PhD project was therefore centered on the design and prototype implementation of constituent (i), a component model. Our proposed component model is centered on: (i) rigorous separation of concerns, achieved with the support for design views and by careful allocation of concerns to the dedicated software entities; (ii) the support for specification and model-based analysis of extra-functional properties; (iii) the inclusion space-specific concerns.

Semantic Service Architectures for Smart Environments

Many industries and academic institutions share the vision that an appropriate use of information originated from the environment may add value to services in multiple domains and may help humans in dealing with the growing information overload which often seems to jeopardize our life. It is also clear that information sharing and mutual understanding between software agents may impact complex processes where many actors (humans and machines) are involved, leading to relevant socioeconomic benefits. Starting from these two input, architectural and technological solutions to enable “environment-related cooperative digital services” are here explored. The proposed analysis starts from the consideration that our environment is physical space and here diversity is a major value. On the other side diversity is detrimental to common technological solutions, and it is an obstacle to mutual understanding. An appropriate environment abstraction and a shared information model are needed to provide the required levels of interoperability in our heterogeneous habitat. This thesis reviews several approaches to support environment related applications and intends to demonstrate that smart-space-based, ontology-driven, information-sharing platforms may become a flexible and powerful solution to support interoperable services in virtually any domain and even in cross-domain scenarios. It also shows that semantic technologies can be fruitfully applied not only to represent application domain knowledge. For example semantic modeling of Human-Computer Interaction may support interaction interoperability and transformation of interaction primitives into actions, and the thesis shows how smart-space-based platforms driven by an interaction ontology may enable natural ad flexible ways of accessing resources and services, e.g, with gestures. An ontology for computational flow execution has also been built to represent abstract computation, with the goal of exploring new ways of scheduling computation flows with smart-space-based semantic platforms.

A bayesian model for mixed responses and skew laten variable to measure HRQoL in children

The aim of the thesi is to formulate a suitable Item Response Theory (IRT) based model to measure HRQoL (as latent variable) using a mixed responses questionnaire and relaxing the hypothesis of normal distributed latent variable. The new model is a combination of two models already presented in literature, that is, a latent trait model for mixed responses and an IRT model for Skew Normal latent variable. It is developed in a Bayesian framework, a Markov chain Monte Carlo procedure is used to generate samples of the posterior distribution of the parameters of interest. The proposed model is test on a questionnaire composed by 5 discrete items and one continuous to measure HRQoL in children, the EQ-5D-Y questionnaire. A large sample of children collected in the schools was used. In comparison with a model for only discrete responses and a model for mixed responses and normal latent variable, the new model has better performances, in term of deviance information criterion (DIC), chain convergences times and precision of the estimates.