3-D reconstruction of the human skeleton during motion

L’analisi del movimento umano ha come obiettivo la descrizione del movimento assoluto e relativo dei segmenti ossei del soggetto e, ove richiesto, dei relativi tessuti molli durante l’esecuzione di esercizi fisici. La bioingegneria mette a disposizione dell’analisi del movimento gli strumenti ed i metodi necessari per una valutazione quantitativa di efficacia, funzione e/o qualità del movimento umano, consentendo al clinico l’analisi di aspetti non individuabili con gli esami tradizionali. Tali valutazioni possono essere di ausilio all’analisi clinica di pazienti e, specialmente con riferimento a problemi ortopedici, richiedono una elevata accuratezza e precisione perché il loro uso sia valido. Il miglioramento della affidabilità dell’analisi del movimento ha quindi un impatto positivo sia sulla metodologia utilizzata, sia sulle ricadute cliniche della stessa. Per perseguire gli obiettivi scientifici descritti, è necessario effettuare una stima precisa ed accurata della posizione e orientamento nello spazio dei segmenti ossei in esame durante l’esecuzione di un qualsiasi atto motorio. Tale descrizione può essere ottenuta mediante la definizione di un modello della porzione del corpo sotto analisi e la misura di due tipi di informazione: una relativa al movimento ed una alla morfologia. L’obiettivo è quindi stimare il vettore posizione e la matrice di orientamento necessari a descrivere la collocazione nello spazio virtuale 3D di un osso utilizzando le posizioni di punti, definiti sulla superficie cutanea ottenute attraverso la stereofotogrammetria. Le traiettorie dei marker, così ottenute, vengono utilizzate per la ricostruzione della posizione e dell’orientamento istantaneo di un sistema di assi solidale con il segmento sotto esame (sistema tecnico) (Cappozzo et al. 2005). Tali traiettorie e conseguentemente i sistemi tecnici, sono affetti da due tipi di errore, uno associato allo strumento di misura e l’altro associato alla presenza di tessuti molli interposti tra osso e cute. La propagazione di quest’ultimo ai risultati finali è molto più distruttiva rispetto a quella dell’errore strumentale che è facilmente minimizzabile attraverso semplici tecniche di filtraggio (Chiari et al. 2005). In letteratura è stato evidenziato che l’errore dovuto alla deformabilità dei tessuti molli durante l’analisi del movimento umano provoca inaccuratezze tali da mettere a rischio l’utilizzabilità dei risultati. A tal proposito Andriacchi scrive: “attualmente, uno dei fattori critici che rallentano il progresso negli studi del movimento umano è la misura del movimento scheletrico partendo dai marcatori posti sulla cute” (Andriacchi et al. 2000). Relativamente alla morfologia, essa può essere acquisita, ad esempio, attraverso l’utilizzazione di tecniche per bioimmagini. Queste vengono fornite con riferimento a sistemi di assi locali in generale diversi dai sistemi tecnici. Per integrare i dati relativi al movimento con i dati morfologici occorre determinare l’operatore che consente la trasformazione tra questi due sistemi di assi (matrice di registrazione) e di conseguenza è fondamentale l’individuazione di particolari terne di riferimento, dette terne anatomiche. L’identificazione di queste terne richiede la localizzazione sul segmento osseo di particolari punti notevoli, detti repere anatomici, rispetto ad un sistema di riferimento solidale con l’osso sotto esame. Tale operazione prende il nome di calibrazione anatomica. Nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento viene implementata una calibrazione anatomica a “bassa risoluzione” che prevede la descrizione della morfologia dell’osso a partire dall’informazione relativa alla posizione di alcuni repere corrispondenti a prominenze ossee individuabili tramite palpazione. Attraverso la stereofotogrammetria è quindi possibile registrare la posizione di questi repere rispetto ad un sistema tecnico. Un diverso approccio di calibrazione anatomica può essere realizzato avvalendosi delle tecniche ad “alta risoluzione”, ovvero attraverso l’uso di bioimmagini. In questo caso è necessario disporre di una rappresentazione digitale dell’osso in un sistema di riferimento morfologico e localizzare i repere d’interesse attraverso palpazione in ambiente virtuale (Benedetti et al. 1994 ; Van Sint Jan et al. 2002; Van Sint Jan et al. 2003). Un simile approccio è difficilmente applicabile nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento, in quanto normalmente non si dispone della strumentazione necessaria per ottenere le bioimmagini; inoltre è noto che tale strumentazione in alcuni casi può essere invasiva. Per entrambe le calibrazioni anatomiche rimane da tenere in considerazione che, generalmente, i repere anatomici sono dei punti definiti arbitrariamente all’interno di un’area più vasta e irregolare che i manuali di anatomia definiscono essere il repere anatomico. L’identificazione dei repere attraverso una loro descrizione verbale è quindi povera in precisione e la difficoltà nella loro identificazione tramite palpazione manuale, a causa della presenza dei tessuti molli interposti, genera errori sia in precisione che in accuratezza. Tali errori si propagano alla stima della cinematica e della dinamica articolare (Ramakrishnan et al. 1991; Della Croce et al. 1999). Della Croce (Della Croce et al. 1999) ha inoltre evidenziato che gli errori che influenzano la collocazione nello spazio delle terne anatomiche non dipendono soltanto dalla precisione con cui vengono identificati i repere anatomici, ma anche dalle regole che si utilizzano per definire le terne. E’ infine necessario evidenziare che la palpazione manuale richiede tempo e può essere effettuata esclusivamente da personale altamente specializzato, risultando quindi molto onerosa (Simon 2004). La presente tesi prende lo spunto dai problemi sopra elencati e ha come obiettivo quello di migliorare la qualità delle informazioni necessarie alla ricostruzione della cinematica 3D dei segmenti ossei in esame affrontando i problemi posti dall’artefatto di tessuto molle e le limitazioni intrinseche nelle attuali procedure di calibrazione anatomica. I problemi sono stati affrontati sia mediante procedure di elaborazione dei dati, sia apportando modifiche ai protocolli sperimentali che consentano di conseguire tale obiettivo. Per quanto riguarda l’artefatto da tessuto molle, si è affrontato l’obiettivo di sviluppare un metodo di stima che fosse specifico per il soggetto e per l’atto motorio in esame e, conseguentemente, di elaborare un metodo che ne consentisse la minimizzazione. Il metodo di stima è non invasivo, non impone restrizione al movimento dei tessuti molli, utilizza la sola misura stereofotogrammetrica ed è basato sul principio della media correlata. Le prestazioni del metodo sono state valutate su dati ottenuti mediante una misura 3D stereofotogrammetrica e fluoroscopica sincrona (Stagni et al. 2005), (Stagni et al. 2005). La coerenza dei risultati raggiunti attraverso i due differenti metodi permette di considerare ragionevoli le stime dell’artefatto ottenute con il nuovo metodo. Tale metodo fornisce informazioni sull’artefatto di pelle in differenti porzioni della coscia del soggetto e durante diversi compiti motori, può quindi essere utilizzato come base per un piazzamento ottimo dei marcatori. Lo si è quindi utilizzato come punto di partenza per elaborare un metodo di compensazione dell’errore dovuto all’artefatto di pelle che lo modella come combinazione lineare degli angoli articolari di anca e ginocchio. Il metodo di compensazione è stato validato attraverso una procedura di simulazione sviluppata ad-hoc. Relativamente alla calibrazione anatomica si è ritenuto prioritario affrontare il problema associato all’identificazione dei repere anatomici perseguendo i seguenti obiettivi: 1. migliorare la precisione nell’identificazione dei repere e, di conseguenza, la ripetibilità dell’identificazione delle terne anatomiche e della cinematica articolare, 2. diminuire il tempo richiesto, 3. permettere che la procedura di identificazione possa essere eseguita anche da personale non specializzato. Il perseguimento di tali obiettivi ha portato alla implementazione dei seguenti metodi: • Inizialmente è stata sviluppata una procedura di palpazione virtuale automatica. Dato un osso digitale, la procedura identifica automaticamente i punti di repere più significativi, nella maniera più precisa possibile e senza l'ausilio di un operatore esperto, sulla base delle informazioni ricavabili da un osso digitale di riferimento (template), preliminarmente palpato manualmente. • E’ stato poi condotto uno studio volto ad indagare i fattori metodologici che influenzano le prestazioni del metodo funzionale nell’individuazione del centro articolare d’anca, come prerequisito fondamentale per migliorare la procedura di calibrazione anatomica. A tale scopo sono stati confrontati diversi algoritmi, diversi cluster di marcatori ed è stata valutata la prestazione del metodo in presenza di compensazione dell’artefatto di pelle. • E’stato infine proposto un metodo alternativo di calibrazione anatomica basato sull’individuazione di un insieme di punti non etichettati, giacenti sulla superficie dell’osso e ricostruiti rispetto ad un TF (UP-CAST). A partire dalla posizione di questi punti, misurati su pelvi coscia e gamba, la morfologia del relativo segmento osseo è stata stimata senza identificare i repere, bensì effettuando un’operazione di matching dei punti misurati con un modello digitale dell’osso in esame. La procedura di individuazione dei punti è stata eseguita da personale non specializzato nell’individuazione dei repere anatomici. Ai soggetti in esame è stato richiesto di effettuare dei cicli di cammino in modo tale da poter indagare gli effetti della nuova procedura di calibrazione anatomica sulla determinazione della cinematica articolare. I risultati ottenuti hanno mostrato, per quel che riguarda la identificazione dei repere, che il metodo proposto migliora sia la precisione inter- che intraoperatore, rispetto alla palpazione convenzionale (Della Croce et al. 1999). E’ stato inoltre riscontrato un notevole miglioramento, rispetto ad altri protocolli (Charlton et al. 2004; Schwartz et al. 2004), nella ripetibilità della cinematica 3D di anca e ginocchio. Bisogna inoltre evidenziare che il protocollo è stato applicato da operatori non specializzati nell’identificazione dei repere anatomici. Grazie a questo miglioramento, la presenza di diversi operatori nel laboratorio non genera una riduzione di ripetibilità. Infine, il tempo richiesto per la procedura è drasticamente diminuito. Per una analisi che include la pelvi e i due arti inferiori, ad esempio, l’identificazione dei 16 repere caratteristici usando la calibrazione convenzionale richiede circa 15 minuti, mentre col nuovo metodo tra i 5 e i 10 minuti.

Reconstruction and analysis of the NF-kB pathway interactome: a systems biology approach

Background. One of the phenomena observed in human aging is the progressive increase of a systemic inflammatory state, a condition referred to as “inflammaging”, negatively correlated with longevity. A prominent mediator of inflammation is the transcription factor NF-kB, that acts as key transcriptional regulator of many genes coding for pro-inflammatory cytokines. Many different signaling pathways activated by very diverse stimuli converge on NF-kB, resulting in a regulatory network characterized by high complexity. NF-kB signaling has been proposed to be responsible of inflammaging. Scope of this analysis is to provide a wider, systemic picture of such intricate signaling and interaction network: the NF-kB pathway interactome. Methods. The study has been carried out following a workflow for gathering information from literature as well as from several pathway and protein interactions databases, and for integrating and analyzing existing data and the relative reconstructed representations by using the available computational tools. Strong manual intervention has been necessarily used to integrate data from multiple sources into mathematically analyzable networks. The reconstruction of the NF-kB interactome pursued with this approach provides a starting point for a general view of the architecture and for a deeper analysis and understanding of this complex regulatory system. Results. A “core” and a “wider” NF-kB pathway interactome, consisting of 140 and 3146 proteins respectively, were reconstructed and analyzed through a mathematical, graph-theoretical approach. Among other interesting features, the topological characterization of the interactomes shows that a relevant number of interacting proteins are in turn products of genes that are controlled and regulated in their expression exactly by NF-kB transcription factors. These “feedback loops”, not always well-known, deserve deeper investigation since they may have a role in tuning the response and the output consequent to NF-kB pathway initiation, in regulating the intensity of the response, or its homeostasis and balance in order to make the functioning of such critical system more robust and reliable. This integrated view allows to shed light on the functional structure and on some of the crucial nodes of thet NF-kB transcription factors interactome. Conclusion. Framing structure and dynamics of the NF-kB interactome into a wider, systemic picture would be a significant step toward a better understanding of how NF-kB globally regulates diverse gene programs and phenotypes. This study represents a step towards a more complete and integrated view of the NF-kB signaling system.

Electron identification and reconstruction with the OPERA ECC bricks and search for muon neutrino to electron neutrino oscillations

The procedure for event location in OPERA ECC has been optimazed for penetrating particles while is less efficient for electrons. For this reason new procedure has been defined in order to recover event with an electromagnetic shower in its final state not located with the standard one. The new procedure include the standard procedure during which several electromagnetic shower hint has been defined by means of the available data. In case the event is not located, the presence of an electromagnetic shower hint trigger a dedicated procedure. The old and new location procedure has been then simulated in order to obtain the standard location efficiency and the possible gain due to the new one for the events with electromagnetic shower. Finally a Data-MC comparison has been performed for the 2008 and 2009 runs for what concern the NC in order to validate the Monte Carlo. Then the expected electron neutrino interactions for the 2008 and 2009 runs has been evaluated and compared with the available data.

Scene Reconstruction And Understanding By RGB-D Sensors

This thesis investigates interactive scene reconstruction and understanding using RGB-D data only. Indeed, we believe that depth cameras will still be in the near future a cheap and low-power 3D sensing alternative suitable for mobile devices too. Therefore, our contributions build on top of state-of-the-art approaches to achieve advances in three main challenging scenarios, namely mobile mapping, large scale surface reconstruction and semantic modeling. First, we will describe an effective approach dealing with Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) on platforms with limited resources, such as a tablet device. Unlike previous methods, dense reconstruction is achieved by reprojection of RGB-D frames, while local consistency is maintained by deploying relative bundle adjustment principles. We will show quantitative results comparing our technique to the state-of-the-art as well as detailed reconstruction of various environments ranging from rooms to small apartments. Then, we will address large scale surface modeling from depth maps exploiting parallel GPU computing. We will develop a real-time camera tracking method based on the popular KinectFusion system and an online surface alignment technique capable of counteracting drift errors and closing small loops. We will show very high quality meshes outperforming existing methods on publicly available datasets as well as on data recorded with our RGB-D camera even in complete darkness. Finally, we will move to our Semantic Bundle Adjustment framework to effectively combine object detection and SLAM in a unified system. Though the mathematical framework we will describe does not restrict to a particular sensing technology, in the experimental section we will refer, again, only to RGB-D sensing. We will discuss successful implementations of our algorithm showing the benefit of a joint object detection, camera tracking and environment mapping.

The Social Life of Pots. The reconstruction of ceramic production and distribution patterns of pottery assemblages in the Northern Levant during the Iron Age

The aim of the project is the creation of a new model for the analysis of the political and social structures of the Northern Levant during the Iron Age, through the study of the production and circulation of ceramics in urban and rural centers. The project includes an innovative approach compared to a traditional contextual and analytical study of ceramic material. The geographical area under consideration represents an ideal context for understanding these dynamics, as a place of interaction between culturally different but constantly communicating areas (Eastern Mediterranean, Syria, Upper Mesopotamia). They corresponds to present-day southeastern Turkey and northern Syria, with the Mediterranean coast and the Euphrates River as limits to the west and east, respectively. The chronological interval taken into consideration by the study extends from the twelfth century BC. to the seventh century BC, corresponding to a phase of political fragmentation of the region into small-medium state entities and their subsequent conquest by the Neo-Assyrian empire starting from the end of the ninth century BC.

Assessing the state of Nephrops norvegicus and management measures in the Central Adriatic Sea

Nephrops norvegicus is a sedentary bottom-dwelling crustacean that represents one of the main commercial species exploited in the Adriatic Sea (Central Mediterranean). An evaluation of the status of this important resource is thus extremely important in order to manage it in a sustainable way. The evaluation of N. norvegicus is complicated by several issues, mainly: (i) the complex biology and behaviour of the species itself, (ii) the presence of subpopulations with different biological traits within the same stock unit. Relevant concentration of N.norvegicus occurs within the Pomo/Jabuka Pits area which is characterised by peculiar oceanographic and geophysical conditions. This area represented for a long time an important fishing ground shared by Italian and Croatian fleets and recently a Fishery Restricted Area (FRA) was established there. The aim of the present study is to perform for the first time an evaluation of the status of the N.norvegicus subpopulation inhabiting the Pomo/Jabuka Pits also accounting for the possible effects on it of the management measures. To achieve this, the principal fisheryindependent and fishery-dependent dataset available for the study area were firstly analysed and then treated. Data collected by the CNR-IRBIM of Ancona through both indirect (“UWTV”) and direct (trawling) methods were refined by means of a revision of the time series and related biases, and a modelling approach accounting for environmental and fishery effects, respectively. Commercial data for both Italy and Croatia were treated in order to obtain landings and length distributions for the Pomo area only; an historical reconstruction of data starting from 1970 was carried out for both countries. The obtained information was used as input for a Bayesian length-based stock assessment model developed through the CASAL software; the flexibility of this model is recommended for N.norvegicus and similar species allowing to deal with sex- and fleet-based integrated assessment method

Regularization meets GreenAI: a new framework for image reconstruction in life sciences applications

Ill-conditioned inverse problems frequently arise in life sciences, particularly in the context of image deblurring and medical image reconstruction. These problems have been addressed through iterative variational algorithms, which regularize the reconstruction by adding prior knowledge about the problem's solution. Despite the theoretical reliability of these methods, their practical utility is constrained by the time required to converge. Recently, the advent of neural networks allowed the development of reconstruction algorithms that can compute highly accurate solutions with minimal time demands. Regrettably, it is well-known that neural networks are sensitive to unexpected noise, and the quality of their reconstructions quickly deteriorates when the input is slightly perturbed. Modern efforts to address this challenge have led to the creation of massive neural network architectures, but this approach is unsustainable from both ecological and economic standpoints. The recently introduced GreenAI paradigm argues that developing sustainable neural network models is essential for practical applications. In this thesis, we aim to bridge the gap between theory and practice by introducing a novel framework that combines the reliability of model-based iterative algorithms with the speed and accuracy of end-to-end neural networks. Additionally, we demonstrate that our framework yields results comparable to state-of-the-art methods while using relatively small, sustainable models. In the first part of this thesis, we discuss the proposed framework from a theoretical perspective. We provide an extension of classical regularization theory, applicable in scenarios where neural networks are employed to solve inverse problems, and we show there exists a trade-off between accuracy and stability. Furthermore, we demonstrate the effectiveness of our methods in common life science-related scenarios. In the second part of the thesis, we initiate an exploration extending the proposed method into the probabilistic domain. We analyze some properties of deep generative models, revealing their potential applicability in addressing ill-posed inverse problems.