Models and methods for power monolithic microwave integrated circuits

Computer aided design of Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMICs) depends critically on active device models that are accurate, computationally efficient, and easily extracted from measurements or device simulators. Empirical models of active electron devices, which are based on actual device measurements, do not provide a detailed description of the electron device physics. However they are numerically efficient and quite accurate. These characteristics make them very suitable for MMIC design in the framework of commercially available CAD tools. In the empirical model formulation it is very important to separate linear memory effects (parasitic effects) from the nonlinear effects (intrinsic effects). Thus an empirical active device model is generally described by an extrinsic linear part which accounts for the parasitic passive structures connecting the nonlinear intrinsic electron device to the external world. An important task circuit designers deal with is evaluating the ultimate potential of a device for specific applications. In fact once the technology has been selected, the designer would choose the best device for the particular application and the best device for the different blocks composing the overall MMIC. Thus in order to accurately reproducing the behaviour of different-in-size devices, good scalability properties of the model are necessarily required. Another important aspect of empirical modelling of electron devices is the mathematical (or equivalent circuit) description of the nonlinearities inherently associated with the intrinsic device. Once the model has been defined, the proper measurements for the characterization of the device are performed in order to identify the model. Hence, the correct measurement of the device nonlinear characteristics (in the device characterization phase) and their reconstruction (in the identification or even simulation phase) are two of the more important aspects of empirical modelling. This thesis presents an original contribution to nonlinear electron device empirical modelling treating the issues of model scalability and reconstruction of the device nonlinear characteristics. The scalability of an empirical model strictly depends on the scalability of the linear extrinsic parasitic network, which should possibly maintain the link between technological process parameters and the corresponding device electrical response. Since lumped parasitic networks, together with simple linear scaling rules, cannot provide accurate scalable models, either complicate technology-dependent scaling rules or computationally inefficient distributed models are available in literature. This thesis shows how the above mentioned problems can be avoided through the use of commercially available electromagnetic (EM) simulators. They enable the actual device geometry and material stratification, as well as losses in the dielectrics and electrodes, to be taken into account for any given device structure and size, providing an accurate description of the parasitic effects which occur in the device passive structure. It is shown how the electron device behaviour can be described as an equivalent two-port intrinsic nonlinear block connected to a linear distributed four-port passive parasitic network, which is identified by means of the EM simulation of the device layout, allowing for better frequency extrapolation and scalability properties than conventional empirical models. Concerning the issue of the reconstruction of the nonlinear electron device characteristics, a data approximation algorithm has been developed for the exploitation in the framework of empirical table look-up nonlinear models. Such an approach is based on the strong analogy between timedomain signal reconstruction from a set of samples and the continuous approximation of device nonlinear characteristics on the basis of a finite grid of measurements. According to this criterion, nonlinear empirical device modelling can be carried out by using, in the sampled voltage domain, typical methods of the time-domain sampling theory.

Computational methods for the analysis of protein structure and function

The vast majority of known proteins have not yet been experimentally characterized and little is known about their function. The design and implementation of computational tools can provide insight into the function of proteins based on their sequence, their structure, their evolutionary history and their association with other proteins. Knowledge of the three-dimensional (3D) structure of a protein can lead to a deep understanding of its mode of action and interaction, but currently the structures of <1% of sequences have been experimentally solved. For this reason, it became urgent to develop new methods that are able to computationally extract relevant information from protein sequence and structure. The starting point of my work has been the study of the properties of contacts between protein residues, since they constrain protein folding and characterize different protein structures. Prediction of residue contacts in proteins is an interesting problem whose solution may be useful in protein folding recognition and de novo design. The prediction of these contacts requires the study of the protein inter-residue distances related to the specific type of amino acid pair that are encoded in the so-called contact map. An interesting new way of analyzing those structures came out when network studies were introduced, with pivotal papers demonstrating that protein contact networks also exhibit small-world behavior. In order to highlight constraints for the prediction of protein contact maps and for applications in the field of protein structure prediction and/or reconstruction from experimentally determined contact maps, I studied to which extent the characteristic path length and clustering coefficient of the protein contacts network are values that reveal characteristic features of protein contact maps. Provided that residue contacts are known for a protein sequence, the major features of its 3D structure could be deduced by combining this knowledge with correctly predicted motifs of secondary structure. In the second part of my work I focused on a particular protein structural motif, the coiled-coil, known to mediate a variety of fundamental biological interactions. Coiled-coils are found in a variety of structural forms and in a wide range of proteins including, for example, small units such as leucine zippers that drive the dimerization of many transcription factors or more complex structures such as the family of viral proteins responsible for virus-host membrane fusion. The coiled-coil structural motif is estimated to account for 5-10% of the protein sequences in the various genomes. Given their biological importance, in my work I introduced a Hidden Markov Model (HMM) that exploits the evolutionary information derived from multiple sequence alignments, to predict coiled-coil regions and to discriminate coiled-coil sequences. The results indicate that the new HMM outperforms all the existing programs and can be adopted for the coiled-coil prediction and for large-scale genome annotation. Genome annotation is a key issue in modern computational biology, being the starting point towards the understanding of the complex processes involved in biological networks. The rapid growth in the number of protein sequences and structures available poses new fundamental problems that still deserve an interpretation. Nevertheless, these data are at the basis of the design of new strategies for tackling problems such as the prediction of protein structure and function. Experimental determination of the functions of all these proteins would be a hugely time-consuming and costly task and, in most instances, has not been carried out. As an example, currently, approximately only 20% of annotated proteins in the Homo sapiens genome have been experimentally characterized. A commonly adopted procedure for annotating protein sequences relies on the "inheritance through homology" based on the notion that similar sequences share similar functions and structures. This procedure consists in the assignment of sequences to a specific group of functionally related sequences which had been grouped through clustering techniques. The clustering procedure is based on suitable similarity rules, since predicting protein structure and function from sequence largely depends on the value of sequence identity. However, additional levels of complexity are due to multi-domain proteins, to proteins that share common domains but that do not necessarily share the same function, to the finding that different combinations of shared domains can lead to different biological roles. In the last part of this study I developed and validate a system that contributes to sequence annotation by taking advantage of a validated transfer through inheritance procedure of the molecular functions and of the structural templates. After a cross-genome comparison with the BLAST program, clusters were built on the basis of two stringent constraints on sequence identity and coverage of the alignment. The adopted measure explicity answers to the problem of multi-domain proteins annotation and allows a fine grain division of the whole set of proteomes used, that ensures cluster homogeneity in terms of sequence length. A high level of coverage of structure templates on the length of protein sequences within clusters ensures that multi-domain proteins when present can be templates for sequences of similar length. This annotation procedure includes the possibility of reliably transferring statistically validated functions and structures to sequences considering information available in the present data bases of molecular functions and structures.

Stratigraphy and Palaeontology of the Late Cretaceous Wapiti Formation, west-central Alberta, Canada

A complete stratigraphic assessment and revision of the middle Campanian to upper Maastrichtian Wapiti Formation in north-western Alberta and north-eastern British Columbia is the main aim of this research project. The study area encompasses an area of approximately 200X180 km in the Grande Prairie County (west-central Alberta) and easternmost British Columbia, Canada. Results presented here indicate that the 1300m thick succession currently reported in the literature as “undifferentiated lithostratigraphic unit”, consists of five lithostratigraphic units and four unconformity-bounded depositional sequences; their study and description have been documented integrating several geological disciplines, including sequence stratigraphic methods, well-log signatures, facies analysis, and fossil associations. On the whole, particular attention has been given to 1) age and nature of both basal and upper contacts of the Wapiti Formation, 2) effective mappability of lithostratigraphic units and depositional sequences in western Alberta, and 3) the identification of previously undetermined maximum flooding surface of the Bearpaw seaway and Drumheller Marine Tongue, which are reference marine unit in central and southern Alberta. A second, but not less important, guideline for the project has been the rich paleontological record of the Wapiti deposits. Detailed paleoenvironmental and taxonomical information on old and new finds have been the base for correlation with well known associations of Alaska, southern Alberta, and Montana. Newly discovered rich fossil localities documented an extraordinarily diverse fauna during the latest Cretaceous, including dinosaurs, squamates, and fresh-water fishes and reptiles. Lastly, in order to better characterize the Wapiti Formation, major marker beds were described: these include several bentonites (altered volcanic ash deposits) which have been documented over an area of almost 30.000 km2, as well as four major coal zones, characterized by tabular coal seams with an overall thickness of 2 meters. Such marker beds represent a formidable tool for high-resolution chronology and regional correlations within the Late Cretaceous Alberta foreland basin.

Reconstruction of CNGS neutrino events in the emulsions of the OPERA experiment

The OPERA experiment aims at the direct observation of ν_mu -> ν_tau oscillations in the CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) neutrino beam produced at CERN; since the ν_e contamination in the CNGS beam is low, OPERA will also be able to study the sub-dominant oscillation channel ν_mu -> ν_e. OPERA is a large scale hybrid apparatus divided in two supermodules, each equipped with electronic detectors, an iron spectrometer and a highly segmented ~0.7 kton target section made of Emulsion Cloud Chamber (ECC) units. During my research work in the Bologna Lab. I have taken part to the set-up of the automatic scanning microscopes studying and tuning the scanning system performances and efficiencies with emulsions exposed to a test beam at CERN in 2007. Once the triggered bricks were distributed to the collaboration laboratories, my work was centered on the procedure used for the localization and the reconstruction of neutrino events.

Continuous geochemical monitoring by mass-spectometer in the Campi Flegrei geothermal area. An application at Pisciarelli-Solfatara (diffuse and fumarolic gases) and at the mud gases during drilling of the CFDDP pilot hole

During this work has been developed an innovative methodology for continuous and in situ gas monitoring (24/24 h) of fumarolic and soil diffusive emissions applied to the geothermal and volcanic area of Pisciarelli near Agnano inside the Campi Flegrei caldera (CFc). In literature there are only scattered and in discrete data of the geochemical gas composition of fumarole at Campi Flegrei; it is only since the early ’80 that exist a systematic record of fumaroles with discrete sampling at Solfatara (Bocca Grande and Bocca Nuova fumaroles) and since 1999, even at the degassing areas of Pisciarelli. This type of sampling has resulted in a time series of geochemical analysis with discontinuous periods of time set (in average 2-3 measurements per month) completely inadequate for the purposes of Civil Defence in such high volcanic risk and densely populated areas. For this purpose, and to remedy this lack of data, during this study was introduced a new methodology of continuous and in situ sampling able to continuously detect data related and from its soil diffusive degassing. Due to its high sampling density (about one measurement per minute therefore producing 1440 data daily) and numerous species detected (CO2, Ar, 36Ar, CH4, He, H2S, N2, O2) allowing a good statistic record and the reconstruction of the gas composition evolution of the investigated area. This methodology is based on continuous sampling of fumaroles gases and soil degassing using an extraction line, which after undergoing a series of condensation processes of the water vapour content - better described hereinafter - is analyzed through using a quadrupole mass spectrometer

Il passato nell’epoca della sua (ri)producibilità digitale. Torino 1943 - 45. Metodologia della ricerca con tecnologie informatiche. Sistema storico-territoriale di informazione multimediale

Se il lavoro dello storico è capire il passato come è stato compreso dalla gente che lo ha vissuto, allora forse non è azzardato pensare che sia anche necessario comunicare i risultati delle ricerche con strumenti propri che appartengono a un'epoca e che influenzano la mentalità di chi in quell'epoca vive. Emergenti tecnologie, specialmente nell’area della multimedialità come la realtà virtuale, permettono agli storici di comunicare l’esperienza del passato in più sensi. In che modo la storia collabora con le tecnologie informatiche soffermandosi sulla possibilità di fare ricostruzioni storiche virtuali, con relativi esempi e recensioni? Quello che maggiormente preoccupa gli storici è se una ricostruzione di un fatto passato vissuto attraverso la sua ricreazione in pixels sia un metodo di conoscenza della storia che possa essere considerato valido. Ovvero l'emozione che la navigazione in una realtà 3D può suscitare, è un mezzo in grado di trasmettere conoscenza? O forse l'idea che abbiamo del passato e del suo studio viene sottilmente cambiato nel momento in cui lo si divulga attraverso la grafica 3D? Da tempo però la disciplina ha cominciato a fare i conti con questa situazione, costretta soprattutto dall'invasività di questo tipo di media, dalla spettacolarizzazione del passato e da una divulgazione del passato parziale e antiscientifica. In un mondo post letterario bisogna cominciare a pensare che la cultura visuale nella quale siamo immersi sta cambiando il nostro rapporto con il passato: non per questo le conoscenze maturate fino ad oggi sono false, ma è necessario riconoscere che esiste più di una verità storica, a volte scritta a volte visuale. Il computer è diventato una piattaforma onnipresente per la rappresentazione e diffusione dell’informazione. I metodi di interazione e rappresentazione stanno evolvendo di continuo. Ed è su questi due binari che è si muove l’offerta delle tecnologie informatiche al servizio della storia. Lo scopo di questa tesi è proprio quello di esplorare, attraverso l’utilizzo e la sperimentazione di diversi strumenti e tecnologie informatiche, come si può raccontare efficacemente il passato attraverso oggetti tridimensionali e gli ambienti virtuali, e come, nel loro essere elementi caratterizzanti di comunicazione, in che modo possono collaborare, in questo caso particolare, con la disciplina storica. La presente ricerca ricostruisce alcune linee di storia delle principali fabbriche attive a Torino durante la seconda guerra mondiale, ricordando stretta relazione che esiste tra strutture ed individui e in questa città in particolare tra fabbrica e movimento operaio, è inevitabile addentrarsi nelle vicende del movimento operaio torinese che nel periodo della lotta di Liberazione in città fu un soggetto politico e sociale di primo rilievo. Nella città, intesa come entità biologica coinvolta nella guerra, la fabbrica (o le fabbriche) diventa il nucleo concettuale attraverso il quale leggere la città: sono le fabbriche gli obiettivi principali dei bombardamenti ed è nelle fabbriche che si combatte una guerra di liberazione tra classe operaia e autorità, di fabbrica e cittadine. La fabbrica diventa il luogo di "usurpazione del potere" di cui parla Weber, il palcoscenico in cui si tengono i diversi episodi della guerra: scioperi, deportazioni, occupazioni .... Il modello della città qui rappresentata non è una semplice visualizzazione ma un sistema informativo dove la realtà modellata è rappresentata da oggetti, che fanno da teatro allo svolgimento di avvenimenti con una precisa collocazione cronologica, al cui interno è possibile effettuare operazioni di selezione di render statici (immagini), di filmati precalcolati (animazioni) e di scenari navigabili interattivamente oltre ad attività di ricerca di fonti bibliografiche e commenti di studiosi segnatamente legati all'evento in oggetto. Obiettivo di questo lavoro è far interagire, attraverso diversi progetti, le discipline storiche e l’informatica, nelle diverse opportunità tecnologiche che questa presenta. Le possibilità di ricostruzione offerte dal 3D vengono così messe a servizio della ricerca, offrendo una visione integrale in grado di avvicinarci alla realtà dell’epoca presa in considerazione e convogliando in un’unica piattaforma espositiva tutti i risultati. Divulgazione Progetto Mappa Informativa Multimediale Torino 1945 Sul piano pratico il progetto prevede una interfaccia navigabile (tecnologia Flash) che rappresenti la pianta della città dell’epoca, attraverso la quale sia possibile avere una visione dei luoghi e dei tempi in cui la Liberazione prese forma, sia a livello concettuale, sia a livello pratico. Questo intreccio di coordinate nello spazio e nel tempo non solo migliora la comprensione dei fenomeni, ma crea un maggiore interesse sull’argomento attraverso l’utilizzo di strumenti divulgativi di grande efficacia (e appeal) senza perdere di vista la necessità di valicare le tesi storiche proponendosi come piattaforma didattica. Un tale contesto richiede uno studio approfondito degli eventi storici al fine di ricostruire con chiarezza una mappa della città che sia precisa sia topograficamente sia a livello di navigazione multimediale. La preparazione della cartina deve seguire gli standard del momento, perciò le soluzioni informatiche utilizzate sono quelle fornite da Adobe Illustrator per la realizzazione della topografia, e da Macromedia Flash per la creazione di un’interfaccia di navigazione. La base dei dati descrittivi è ovviamente consultabile essendo contenuta nel supporto media e totalmente annotata nella bibliografia. È il continuo evolvere delle tecnologie d'informazione e la massiccia diffusione dell’uso dei computer che ci porta a un cambiamento sostanziale nello studio e nell’apprendimento storico; le strutture accademiche e gli operatori economici hanno fatto propria la richiesta che giunge dall'utenza (insegnanti, studenti, operatori dei Beni Culturali) di una maggiore diffusione della conoscenza storica attraverso la sua rappresentazione informatizzata. Sul fronte didattico la ricostruzione di una realtà storica attraverso strumenti informatici consente anche ai non-storici di toccare con mano quelle che sono le problematiche della ricerca quali fonti mancanti, buchi della cronologia e valutazione della veridicità dei fatti attraverso prove. Le tecnologie informatiche permettono una visione completa, unitaria ed esauriente del passato, convogliando tutte le informazioni su un'unica piattaforma, permettendo anche a chi non è specializzato di comprendere immediatamente di cosa si parla. Il miglior libro di storia, per sua natura, non può farlo in quanto divide e organizza le notizie in modo diverso. In questo modo agli studenti viene data l'opportunità di apprendere tramite una rappresentazione diversa rispetto a quelle a cui sono abituati. La premessa centrale del progetto è che i risultati nell'apprendimento degli studenti possono essere migliorati se un concetto o un contenuto viene comunicato attraverso più canali di espressione, nel nostro caso attraverso un testo, immagini e un oggetto multimediale. Didattica La Conceria Fiorio è uno dei luoghi-simbolo della Resistenza torinese. Il progetto è una ricostruzione in realtà virtuale della Conceria Fiorio di Torino. La ricostruzione serve a arricchire la cultura storica sia a chi la produce, attraverso una ricerca accurata delle fonti, sia a chi può poi usufruirne, soprattutto i giovani, che, attratti dall’aspetto ludico della ricostruzione, apprendono con più facilità. La costruzione di un manufatto in 3D fornisce agli studenti le basi per riconoscere ed esprimere la giusta relazione fra il modello e l’oggetto storico. Le fasi di lavoro attraverso cui si è giunti alla ricostruzione in 3D della Conceria: . una ricerca storica approfondita, basata sulle fonti, che possono essere documenti degli archivi o scavi archeologici, fonti iconografiche, cartografiche, ecc.; . La modellazione degli edifici sulla base delle ricerche storiche, per fornire la struttura geometrica poligonale che permetta la navigazione tridimensionale; . La realizzazione, attraverso gli strumenti della computer graphic della navigazione in 3D. Unreal Technology è il nome dato al motore grafico utilizzato in numerosi videogiochi commerciali. Una delle caratteristiche fondamentali di tale prodotto è quella di avere uno strumento chiamato Unreal editor con cui è possibile costruire mondi virtuali, e che è quello utilizzato per questo progetto. UnrealEd (Ued) è il software per creare livelli per Unreal e i giochi basati sul motore di Unreal. E’ stata utilizzata la versione gratuita dell’editor. Il risultato finale del progetto è un ambiente virtuale navigabile raffigurante una ricostruzione accurata della Conceria Fiorio ai tempi della Resistenza. L’utente può visitare l’edificio e visualizzare informazioni specifiche su alcuni punti di interesse. La navigazione viene effettuata in prima persona, un processo di “spettacolarizzazione” degli ambienti visitati attraverso un arredamento consono permette all'utente una maggiore immersività rendendo l’ambiente più credibile e immediatamente codificabile. L’architettura Unreal Technology ha permesso di ottenere un buon risultato in un tempo brevissimo, senza che fossero necessari interventi di programmazione. Questo motore è, quindi, particolarmente adatto alla realizzazione rapida di prototipi di una discreta qualità, La presenza di un certo numero di bug lo rende, però, in parte inaffidabile. Utilizzare un editor da videogame per questa ricostruzione auspica la possibilità di un suo impiego nella didattica, quello che le simulazioni in 3D permettono nel caso specifico è di permettere agli studenti di sperimentare il lavoro della ricostruzione storica, con tutti i problemi che lo storico deve affrontare nel ricreare il passato. Questo lavoro vuole essere per gli storici una esperienza nella direzione della creazione di un repertorio espressivo più ampio, che includa gli ambienti tridimensionali. Il rischio di impiegare del tempo per imparare come funziona questa tecnologia per generare spazi virtuali rende scettici quanti si impegnano nell'insegnamento, ma le esperienze di progetti sviluppati, soprattutto all’estero, servono a capire che sono un buon investimento. Il fatto che una software house, che crea un videogame di grande successo di pubblico, includa nel suo prodotto, una serie di strumenti che consentano all'utente la creazione di mondi propri in cui giocare, è sintomatico che l'alfabetizzazione informatica degli utenti medi sta crescendo sempre più rapidamente e che l'utilizzo di un editor come Unreal Engine sarà in futuro una attività alla portata di un pubblico sempre più vasto. Questo ci mette nelle condizioni di progettare moduli di insegnamento più immersivi, in cui l'esperienza della ricerca e della ricostruzione del passato si intreccino con lo studio più tradizionale degli avvenimenti di una certa epoca. I mondi virtuali interattivi vengono spesso definiti come la forma culturale chiave del XXI secolo, come il cinema lo è stato per il XX. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di suggerire che vi sono grosse opportunità per gli storici impiegando gli oggetti e le ambientazioni in 3D, e che essi devono coglierle. Si consideri il fatto che l’estetica abbia un effetto sull’epistemologia. O almeno sulla forma che i risultati delle ricerche storiche assumono nel momento in cui devono essere diffuse. Un’analisi storica fatta in maniera superficiale o con presupposti errati può comunque essere diffusa e avere credito in numerosi ambienti se diffusa con mezzi accattivanti e moderni. Ecco perchè non conviene seppellire un buon lavoro in qualche biblioteca, in attesa che qualcuno lo scopra. Ecco perchè gli storici non devono ignorare il 3D. La nostra capacità, come studiosi e studenti, di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio che il 3D porta con sè, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Una ricostruzione storica può essere molto utile dal punto di vista educativo non sono da chi la visita ma, anche da chi la realizza. La fase di ricerca necessaria per la ricostruzione non può fare altro che aumentare il background culturale dello sviluppatore. Conclusioni La cosa più importante è stata la possibilità di fare esperienze nell’uso di mezzi di comunicazione di questo genere per raccontare e far conoscere il passato. Rovesciando il paradigma conoscitivo che avevo appreso negli studi umanistici, ho cercato di desumere quelle che potremo chiamare “leggi universali” dai dati oggettivi emersi da questi esperimenti. Da punto di vista epistemologico l’informatica, con la sua capacità di gestire masse impressionanti di dati, dà agli studiosi la possibilità di formulare delle ipotesi e poi accertarle o smentirle tramite ricostruzioni e simulazioni. Il mio lavoro è andato in questa direzione, cercando conoscere e usare strumenti attuali che nel futuro avranno sempre maggiore presenza nella comunicazione (anche scientifica) e che sono i mezzi di comunicazione d’eccellenza per determinate fasce d’età (adolescenti). Volendo spingere all’estremo i termini possiamo dire che la sfida che oggi la cultura visuale pone ai metodi tradizionali del fare storia è la stessa che Erodoto e Tucidide contrapposero ai narratori di miti e leggende. Prima di Erodoto esisteva il mito, che era un mezzo perfettamente adeguato per raccontare e dare significato al passato di una tribù o di una città. In un mondo post letterario la nostra conoscenza del passato sta sottilmente mutando nel momento in cui lo vediamo rappresentato da pixel o quando le informazioni scaturiscono non da sole, ma grazie all’interattività con il mezzo. La nostra capacità come studiosi e studenti di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio sottinteso al 3D, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Le esperienze raccolte nelle pagine precedenti ci portano a pensare che in un futuro non troppo lontano uno strumento come il computer sarà l’unico mezzo attraverso cui trasmettere conoscenze, e dal punto di vista didattico la sua interattività consente coinvolgimento negli studenti come nessun altro mezzo di comunicazione moderno.

Studies of the atmospheric muon flux with the ANTARES detector

The thesis main topic is the determination of the vertical component of the atmospheric muon flux as a function of the sea depth at the ANTARES site. ANTARES is a Cherenkov neutrino telescope placed at 2500m depth in the Mediterranean Sea at 40 km from the southern cost of France. In order to retrieve back the physical flux from the experimental data a deconvolution algorithm has been perform which takes into consideration the trigger inefficiensies and the reconstruction errors on the zenith angle. The obtained results are in good agreement with other ANTARES indipendent analysis.

New mechanisms for modelling the motion of the human ankle complex

The relevance of human joint models was shown in the literature. In particular, the great importance of models for the joint passive motion simulation (i.e. motion under virtually unloaded conditions) was outlined. They clarify the role played by the principal anatomical structures of the articulation, enhancing the comprehension of surgical treatments, and in particular the design of total ankle replacement and ligament reconstruction. Equivalent rigid link mechanisms proved to be an efficient tool for an accurate simulation of the joint passive motion. This thesis focuses on the ankle complex (i.e. the anatomical structure composed of the tibiotalar and the subtalar joints), which has a considerable role in human locomotion. The lack of interpreting models of this articulation and the poor results of total ankle replacement arthroplasty have strongly suggested devising new mathematical models capable of reproducing the restraining function of each structure of the joint and of replicating the relative motion of the bones which constitute the joint itself. In this contest, novel equivalent mechanisms are proposed for modelling the ankle passive motion. Their geometry is based on the joint’s anatomical structures. In particular, the role of the main ligaments of the articulation is investigated under passive conditions by means of nine 5-5 fully parallel mechanisms. Based on this investigation, a one-DOF spatial mechanism is developed for modelling the passive motion of the lower leg. The model considers many passive structures constituting the articulation, overcoming the limitations of previous models which took into account few anatomical elements of the ankle complex. All the models have been identified from experimental data by means of optimization procedure. Then, the simulated motions have been compared to the experimental one, in order to show the efficiency of the approach and thus to deduce the role of each anatomical structure in the ankle kinematic behavior.

La committenza artistica dei Templari e degli Ospitalieri in Emilia Romagna

La tesi di dottorato La committenza artistica dei Templari e degli Ospitalieri in Emilia Romagna cerca attraverso un approccio metodologico multidisciplinare di ricostruire il patrimonio artistico delle commende dei due ordini religioso cavallereschi in regione. La tesi è stata concepita per riflettere anche a livello strutturale la metodologia d’indagine, così un primo capitolo è dedicato all’analisi storica dei due ordini, con particolare attenzione alla comprensione del rapporto tra gli ordini e il mondo dell’arte. Una secondo capitolo invece è incentrato sulla storiografia artistica relativa e sulle impegnative indagini d’archivio, che, soprattutto attraverso l’utilizzo di una vasta documentazione inedita, hanno permesso di fornire nuovi elementi alla definizione della rete degli insediamenti e della loro decorazione. Lo studio prosegue con la specifica ricostruzione storica e storico artistica delle commende attraverso l’indagine sui singoli insediamenti, dove si è cercato di dar conto delle vicende artistiche e della storia dei suoi protagonisti. Contestualmente alla redazione di questo capitolo, riconoscendo la storia, il senso e l’importanza della scuola stilistico-filologica, si procede alla redazione delle schede di catalogo delle opere superstiti, sia di quelle ancora nelle ex-commende sia di quelle che oggi hanno altre collocazioni. Successivamente, senza necessariamente trarre conclusioni definitive su un lavoro di ricerca che per sua natura è in divenire, si argomentano alcune riflessioni sulla natura, i limiti, i caratteri e l’evoluzione della committenza dei due ordini cavallereschi in regione. Si è così riscoperto un patrimonio artistico vasto e articolato che coniuga capolavori con opere di cultura assai più corsiva, ma comunque sempre capace di raccontare la storia dei suoi artefici (alcuni - come Aristotele Fioravanti, Girolamo da Treviso, Pietro Bembo o Ranuccio Farnese - veri e propri protagonisti del loro tempo), in continuo e sostanziale dialogo con le culture artistiche che hanno attraversato la regione, e non solo, tra Medioevo e Modernità.

Una prospettiva storico-filosofica sull'evoluzione del curricolo di fisica nella scuola: problemi e innovazioni pedagogiche

Negli ultimi vent’anni sono state proposte al livello internazionale alcune analisi dei problemi per le scienze nella scuola e diverse strategie per l’innovazione didattica. Molte ricerche hanno fatto riferimento a una nuova nozione di literacy scientifica, quale sapere fondamentale dell’educazione, indipendente dalle scelte professionali successive alla scuola. L’ipotesi di partenza di questa ricerca sostiene che alcune di queste analisi e l’idea di una nuova literacy scientifica di tipo non-vocazionale mostrino notevoli limiti quando rapportate al contesto italiano. Le specificità di quest’ultimo sono state affrontate, innanzitutto, da un punto di vista comparativo, discutendo alcuni documenti internazionali sull’insegnamento delle scienze. Questo confronto ha messo in luce la difficoltà di ottenere un insieme di evidenze chiare e definitive sui problemi dell’educazione scientifica discussi da questi documenti, in particolare per quanto riguarda i dati sulla crisi delle vocazioni scientifiche e sull’attitudine degli studenti verso le scienze. Le raccomandazioni educative e alcuni progetti curricolari internazionali trovano degli ostacoli decisivi nella scuola superiore italiana anche a causa di specificità istituzionali, come particolari principi di selezione e l’articolazione dei vari indirizzi formativi. Il presente lavoro si è basato soprattutto su una ricostruzione storico-pedagogica del curricolo di fisica, attraverso l’analisi delle linee guida nazionali, dei programmi di studio e di alcuni rappresentativi manuali degli ultimi decenni. Questo esame del curricolo “programmato” ha messo in luce, primo, il carattere accademico della fisica liceale e la sua debole rielaborazione culturale e didattica, secondo, l’impatto di temi e problemi internazionali sui materiali didattici. Tale impatto ha prodotto dei cambiamenti sul piano delle finalità educative e degli strumenti di apprendimento incorporati nei manuali. Nonostante l’evoluzione di queste caratteristiche del curricolo, tuttavia, l’analisi delle conoscenze storico-filosofiche utilizzate dai manuali ha messo in luce la scarsa contestualizzazione culturale della fisica quale uno degli ostacoli principali per l’insegnamento di una scienza più rilevante e formativa.

Elaborazione di un algoritmo di pianificazione di ricostruzioni del cavo orale, dell'orofaringe, della mandibola.

1.Ricostruzione mandibolare La ricostruzione mandibolare è comunemente eseguita utilizzando un lembo libero perone. Il metodo convenzionale (indiretto) di Computer Aided Design e Computer Aided Manifacturing prevede il modellamento manuale preoperatorio di una placca di osteosintesi standard su un modello stereolitografico della mandibola. Un metodo innovativo CAD CAM diretto comprende 3 fasi: 1) pianificazione virtuale 2) computer aided design della dima di taglio mandibolari, della dima di taglio del perone e della placca di osteosintesi e 3) Computer Aided Manufacturing dei 3 dispositivi chirurgici personalizzati. 7 ricostruzioni mandibolari sono state effettuate con il metodo diretto. I risultati raggiunti e le modalità di pianificazione sono descritte e discusse. La progettazione assistita da computer e la tecnica di fabbricazione assistita da computer facilita un'accurata ricostruzione mandibolare ed apporta un miglioramento statisticamente significativo rispetto al metodo convenzionale. 2. Cavità orale e orofaringe Un metodo ricostruttivo standard per la cavità orale e l'orofaringe viene descritto. 163 pazienti affetti da cancro della cavità orale e dell'orofaringe, sono stati trattati dal 1992 al 2012 eseguendo un totale di 175 lembi liberi. La strategia chirurgica è descritta in termini di scelta del lembo, modellamento ed insetting. I modelli bidimensionali sono utilizzati per pianificare una ricostruzione tridimensionale con il miglior risultato funzionale ed estetico. I modelli, la scelta del lembo e l' insetting sono descritti per ogni regione. Complicazioni e risultati funzionali sono stati valutati sistematicamente. I risultati hanno mostrato un buon recupero funzionale con le tecniche ricostruttive descritte. Viene proposto un algoritmo ricostruttivo basato su template standard.

Technologies for Ambient intelligence: from Smart Objects to Sensor Networks

n the last few years, the vision of our connected and intelligent information society has evolved to embrace novel technological and research trends. The diffusion of ubiquitous mobile connectivity and advanced handheld portable devices, amplified the importance of the Internet as the communication backbone for the fruition of services and data. The diffusion of mobile and pervasive computing devices, featuring advanced sensing technologies and processing capabilities, triggered the adoption of innovative interaction paradigms: touch responsive surfaces, tangible interfaces and gesture or voice recognition are finally entering our homes and workplaces. We are experiencing the proliferation of smart objects and sensor networks, embedded in our daily living and interconnected through the Internet. This ubiquitous network of always available interconnected devices is enabling new applications and services, ranging from enhancements to home and office environments, to remote healthcare assistance and the birth of a smart environment. This work will present some evolutions in the hardware and software development of embedded systems and sensor networks. Different hardware solutions will be introduced, ranging from smart objects for interaction to advanced inertial sensor nodes for motion tracking, focusing on system-level design. They will be accompanied by the study of innovative data processing algorithms developed and optimized to run on-board of the embedded devices. Gesture recognition, orientation estimation and data reconstruction techniques for sensor networks will be introduced and implemented, with the goal to maximize the tradeoff between performance and energy efficiency. Experimental results will provide an evaluation of the accuracy of the presented methods and validate the efficiency of the proposed embedded systems.

Ricostruzione della colonna anteriore dopo resezione tumorale: Utilizzo di gabbia in titanio/carbonio o innesto osseo allogenico armato in titanio?

Il rachide è stato suddiviso in tre colonne da Denis: anteriore e centrale comprendono la metà anteriore del corpo vertebrale, la metà posteriore e l’inizio dei peduncoli, mentre la colonna posteriore comprende l’arco e i peduncoli stessi. In caso di resezione o lesione della colonna anteriore e media è indicata la ricostruzione. Diverse tecniche e materiali possono essere usati per ricostruire il corpo vertebrale. Innesti vascolarizzati, autograft, allograft sono stati usati, così come impianti sintetici di titanio o materiale plastico come il PEEK (Poly etere etere ketone). Tutti questi materiali hanno vantaggi e svantaggi in termini di proprietà intrinseche, resistenza meccanica, modulo di elasticità, possibilità di trasmissione malattie, capacità di fondersi con l’osso ospite o meno. Le soluzioni più usate sono le cage in titanio o carbonio, il PMMA ( Poli methil metacrilato), gli innesti ossei massivi. Si è effettuato uno studio di coorte retrospettivo paragonando due gruppi di pazienti oncologici spinali trattati da due chirurghi esperti in un centro di riferimento, con vertebrectomia e ricostruzione della colonna anteriore: un gruppo con cage in carbonio o titanio, l’altro gruppo con allograft massivo armato di innesto autoplastico o mesh in titanio. Si sono confrontati i risultati in termini di cifosi segmenterai evolutiva, fusione ossea e qualità di vita del paziente. Il gruppo delle cage in carbonio / titanio ha avuto risultati leggermente migliori dal punto di vista biomeccanico ma non statisticamente significativo, mentre dal punto di vista della qualità di vita i risultati sono stati migliori nel gruppo allograft. Non ci sono stati fallimenti meccanici della colonna anteriore in entrambi i gruppi, con un Fu tra 12 e 60 mesi. Si sono paragonati anche i costi delle due tecniche. In conclusione l’allogar è una tecnica sicura ed efficace, con proprietà meccaniche solide, soprattutto se armato con autograft o mesi in titanio.

Non Invasive Tools for Early Detection of Autism Spectrum Disorders

Autism Spectrum Disorders (ASDs) describe a set of neurodevelopmental disorders. ASD represents a significant public health problem. Currently, ASDs are not diagnosed before the 2nd year of life but an early identification of ASDs would be crucial as interventions are much more effective than specific therapies starting in later childhood. To this aim, cheap an contact-less automatic approaches recently aroused great clinical interest. Among them, the cry and the movements of the newborn, both involving the central nervous system, are proposed as possible indicators of neurological disorders. This PhD work is a first step towards solving this challenging problem. An integrated system is presented enabling the recording of audio (crying) and video (movements) data of the newborn, their automatic analysis with innovative techniques for the extraction of clinically relevant parameters and their classification with data mining techniques. New robust algorithms were developed for the selection of the voiced parts of the cry signal, the estimation of acoustic parameters based on the wavelet transform and the analysis of the infant’s general movements (GMs) through a new body model for segmentation and 2D reconstruction. In addition to a thorough literature review this thesis presents the state of the art on these topics that shows that no studies exist concerning normative ranges for newborn infant cry in the first 6 months of life nor the correlation between cry and movements. Through the new automatic methods a population of control infants (“low-risk”, LR) was compared to a group of “high-risk” (HR) infants, i.e. siblings of children already diagnosed with ASD. A subset of LR infants clinically diagnosed as newborns with Typical Development (TD) and one affected by ASD were compared. The results show that the selected acoustic parameters allow good differentiation between the two groups. This result provides new perspectives both diagnostic and therapeutic.

Cost-Effectiveness of Alternative Retrofit Options to Support Decision Making

How to evaluate the cost-effectiveness of repair/retrofit intervention vs. demolition/replacement and what level of shaking intensity can the chosen repairing/retrofit technique sustain are open questions affecting either the pre-earthquake prevention, the post-earthquake emergency and the reconstruction phases. The (mis)conception that the cost of retrofit interventions would increase linearly with the achieved seismic performance (%NBS) often discourages stakeholders to consider repair/retrofit options in a post-earthquake damage situation. Similarly, in a pre-earthquake phase, the minimum (by-law) level of %NBS might be targeted, leading in some cases to no-action. Furthermore, the performance measure enforcing owners to take action, the %NBS, is generally evaluated deterministically. Not directly reflecting epistemic and aleatory uncertainties, the assessment can result in misleading confidence on the expected performance. The present study aims at contributing to the delicate decision-making process of repair/retrofit vs. demolition/replacement, by developing a framework to assist stakeholders with the evaluation of the effects in terms of long-term losses and benefits of an increment in their initial investment (targeted retrofit level) and highlighting the uncertainties hidden behind a deterministic approach. For a pre-1970 case study building, different retrofit solutions are considered, targeting different levels of %NBS, and the actual probability of reaching Collapse when considering a suite of ground-motions is evaluated, providing a correlation between %NBS and Risk. Both a simplified and a probabilistic loss modelling are then undertaken to study the relationship between %NBS and expected direct and indirect losses.