In silico methods to evaluate Fracture Risk and Bone Mineral Density changes in patients undergoing Total Hip Replacement

La sostituzione totale d’anca è uno degli interventi chirurgici con le più alte percentuali di successo. Esistono due varianti di protesi d’anca che differiscono in base al metodo di ancoraggio all’osso: cementate (fissaggio tramite cemento osseo) e non cementate (fissaggio tramite forzamento). Ad oggi, i chirurghi non hanno indicazioni quantitative di supporto per la scelta fra le due tipologie di impianto, decidendo solo in base alla loro esperienza. Due delle problematiche che interessano le protesi non cementate sono la possibilità di frattura intra-operatoria durante l’inserimento forzato e il riassorbimento osseo nel periodo di tempo successivo all’intervento. A partire da rilevazioni densitometriche effettuate su immagini da TC di pazienti sottoposti a protesi d’anca non cementata, sono stati sviluppati due metodi: 1) per la valutazione del rischio di frattura intra-operatorio tramite analisi agli elementi finiti; 2) per la valutazione della variazione di densità minerale ossea (tridimensionalmente attorno alla protesi) dopo un anno dall’operazione. Un campione di 5 pazienti è stato selezionato per testare le procedure. Ciascuno dei pazienti è stato scansionato tramite TC in tre momenti differenti: una acquisita prima dell’operazione (pre-op), le altre due acquisite 24 ore (post 24h) e 1 anno dopo l’operazione (post 1y). I risultati ottenuti hanno confermato la fattibilità di entrambi i metodi, riuscendo inoltre a distinguere e a quantificare delle differenze fra i vari pazienti. La fattibilità di entrambe le metodologie suggerisce la loro possibilità di impiego in ambito clinico: 1) conoscere la stima del rischio di frattura intra-operatorio può servire come strumento di guida per il chirurgo nella scelta dell’impianto protesico ottimale; 2) conoscere la variazione di densità minerale ossea dopo un anno dall’operazione può essere utilizzato come strumento di monitoraggio post-operatorio del paziente.

Sovrastrutture non pavimentate rinforzate: verifica con metodi numerici.

Nella presente tesi si studia lo stato di deformazione di una strada non pavimentata, rinforzata con geotessile, indotto dal passaggio di carrelli semoventi SMPT. L’obiettivo è verificare che le deformazioni siano compatibili con i risultati provenienti dai metodi di calcolo analitici. Durante lo sviluppo ci si avvale di modelli 3-dimensionali del terreno creati ex-novo e di simulazioni alle differenze finite per quanto riguarda l’interazione tra carichi e sovrastruttura. Tale simulazione è stata condotta con il software FLAC3D. Si è simulato dapprima il comportamento della sovrastruttura non rinforzata sollecitata da: singolo asse e carrello a 4 assi. In secondo luogo, si è analizzato il modello del terreno rinforzato, nel quale si introduce una geogriglia a diverse profondità per valutare quella ottimale. Sono stati creati così tre modelli distinti nei quali il rinforzo è posizionato ad 1/3 dell’altezza di aggregato, a 2/3 ed all’interfaccia tra aggregato e primo strato del terreno naturale. Il risultato mostra che il posizionamento ottimale della geogriglia non è all’interfaccia come espresso dalle teorie in merito, ma a 2/3 dell’altezza dello strato di aggregato, dove viene permessa una maggiore deformazione ma un minor stato di sollecitazione del materiale di rinforzo. Infine si valuta in maniera marginale il caso del terreno rinforzato, dove l’altezza dello strato di aggregato viene calcolato con i metodi analitici di Giroud e Noiray (1980) e Giroud e Han (2004), dei quali viene in principio fornita una rigorosa esposizione teorica. In questi ultimi casi, i risultati non sono soddisfacenti. Infatti si è trovato che il raggiungimento del carico di rottura della geogriglia limita fortemente le deformazioni, rendendole così insufficienti per mobilitare le pressioni di contatto richieste. Concludendo si gettano le basi per futuri elaborati, consigliando alcune modifiche da apportare per perfezionare la modellistica dei casi rinforzati.

Algoritmi Euristici per la Schedulazione degli Interventi nel Blocco Operatorio

Questa tesi riguarda il problema della schedulazione degli interventi nel blocco operatorio di un presidio ospedaliero, noto anche come Operating Theatre Planning & Scheduling. Il blocco operatorio è la struttura che eroga servizi a più alto impatto sui costi di un presidio ospedaliero ed è legato ad attività ad alto rischio. E' quindi fondamentale gestire in modo ottimale questa risorsa. In questa tesi, si considera come caso studio l'applicazione reale di un presidio ospedaliero dell'Emilia Romagna con un orizzonte temporale di una settimana, ovvero la cosiddetta programmazione operativa. L'obiettivo è quello di ottenere un utilizzo efficiente del blocco operatorio, garantendo al contempo la priorità agli interventi più urgenti. Data la complessità del problema, vengono proposti algoritmi euristici che permettano di ottenere buone soluzioni in tempi di calcolo ridotti. Studi precedenti hanno infatti evidenziato la difficoltà di trovare soluzioni ottime al problema, mediante l'utilizzo di solver commerciali per modelli di Programmazione Lineare Intera, senza introdurre ipotesi semplificative. Sono stati elaborati tre algoritmi euristici costruttivi di tipo multi-start che permettono di generare soluzioni ammissibili con diverse caratteristiche. Gli algoritmi si differenziano principalmente per le modalità con cui collocano gli interventi nel tempo disponibile delle risorse (induction room, operating room, recovery room), cercando di migliorarne l’utilizzazione e dando priorità ai pazienti più urgenti. Gli algoritmi sono stati implementati utilizzando il linguaggio JAVA e sono stati testati su istanze realistiche fornite dal presidio ospedaliero. I risultati hanno evidenziato un alto grado di utilizzazione delle sale operatorie, un fattore molto rilevante per una ottimale gestione del blocco operatorio. E' stata, infine, svolta un'analisi di sensitività alla variabilità delle durate.

Analisi del ruolo del porto di Ravenna nell’import/export di prodotti ortofrutticoli

L'elaborato tratta il ruolo del porto di Ravenna nell'import/export di prodotti ortofrutticoli. Dopo una accurata analisi dei dati, lo studio delle rotte marittime e l'uso di Dbms per gestire un database complesso, si propone un modello di programmazione lineare intera su un problema di ship routing, ship scheduling e full ship-load balancing. L'obiettivo è di massimizzare il profitto derivante da un prezzo di vendita e soggetto ai vari costi della logistica. Il modello sceglie la rotta ottimale da effettuare, in termini di ordine di visita dei vari porti che hanno un import e un export dei prodotti studiati. Inoltre, è in grado di gestire lo scorrere del tempo, fornendo come soluzione il giorno ottimale di visita dei vari porti considerati. Infine, trova la ripartizione ottima del numero di container a bordo della nave per ogni tipologia di prodotto.

Schedulazione delle rotte marittime nel settore ortofrutticolo. Modelli e Metodi

Il trasporto marittimo è una delle modalità più utilizzate soprattutto per la movimentazione di grandi volumi di prodotti tra i continenti in quanto è a basso costo, sicuro e meno inquinante rispetto ad altri mezzi di movimentazione. Ai giorni nostri è responsabile di circa l’80% del commercio globale (in volume di carichi trasportati). Il settore del trasporto marittimo ha avuto una lunga tradizione di pianificazione manuale effettuata da progettisti esperti.
 L’obiettivo principale di questa trattazione è stato quello di implementare un modello matematico lineare (MILP, Mixed-Integer Linear Programming Model) per l’ottimizzazione delle rotte marittime nell’ambito del mercato orto-frutticolo che si sviluppa nel bacino del Mediterraneo (problema di Ship-Scheduling). Il modello fornito in questa trattazione è un valido strumento di supporto alle decisioni che può utilizzare uno spedizioniere nell’ambito della pianificazione delle rotte marittime della flotta di navi in suo possesso. Consente di determinare l’insieme delle rotte ottimali che devono essere svolte da un insieme di vettori al fine di massimizzare il profitto complessivo dello spedizioniere, generato nell’arco di tempo considerato. Inoltre, permette di ottenere, per ogni nave considerata, la ripartizione ottimale della merce (carico ottimale).

Dimensionamento di un magazzino ricambi ed ottimizzazione dei flussi logistici ed informativi per la manutenzione: il caso Geberit Produzione Spa

Il contesto dinamico in cui operano le aziende richiede, sempre più, sistemi di gestione flessibili e in continua evoluzione, e soprattutto richiede che le varie funzioni aziendali siano integrate tra loro. Così anche la funzione di manutenzione, la quale nei tempi passati, era considerata una funzione di supporto alla produzione, ora è vista come parte integrante della stessa. Pertanto è necessario che la gestione dei flussi logistici ed informativi relativi ai processi di manutenzione, siano il più possibile efficace ed efficienti, al fine di ridurre i costi complessivi sostenuti dall’azienda. L’elaborato tratta del dimensionamento di un magazzino ricambi e della relativa gestione operativa ed informativa, applicati ad un caso aziendale. Geberit Produzione Spa ha la necessità di migliorare i flussi della gestione manutentiva totale, andando a correggere le criticità rilevate nel sistema attuale. Il dimensionamento è sviluppato sulla base delle informazioni raccolte dal campo, le quali permettono di individuare la quantità ottimale di ricambi, che minimizzi da un lato i costi di mantenimento a scorta e dall’altro i costi dovuti alla mancanza dei ricambi nel momento necessario. Secondo le tipologie di materiale tecnico presenti, sono individuate le modalità di immagazzinamento e i mezzi di movimentazione più idonei, ed in base a questi viene definito il layout definitivo. Sono, poi, determinati i criteri di gestione dei flussi logistici e di informatizzazione dei processi, al fine di descrivere delle procedure standard che regolino l’operato del personale. Scelti gli indici di valutazione delle performance della manutenzione, è stata valutata la convenienza economica della realizzazione del progetto. Con questo studio vengono definite le fondamenta per una efficace ed efficiente gestione futura della manutenzione.

Analsi biomeccanica di protesi transtibiali: dai test sulle componenti all'analisi del movimento in pazienti durante postura, cammino e corsa

L’elaborato propone una descrizione generale dei dispositivi protesici transtibiali, dalla storia, al processo di protesizzazione dei pazienti amputati alla struttura costitutiva modulare. Particolare importanza viene, inoltre, conferita all’analisi biomeccanica del movimento, della quale è data descrizione delle tecniche, della strumentazione, e dei risultati che vengono ottenuti nelle indagini di soggetti amputati rispetto alle persone normodotate. Considerazioni sulla biomeccanica di pazienti protesizzati transtibialmente offrono interessanti spunti di riflessione sulle componenti meccaniche, idrauliche ed elettroniche dei dispositivi modulari, delle quali si descrive in modo completo la struttura e il funzionamento, facendo riferimento ai brevetti tecnici più noti. Verranno, infine, riportati risultati di recenti studi e ricerche che evidenziano come l’utilizzo nei moduli prostesici transtibiali di caviglie idrauliche a controllo elettronico dello smorzamento sia la soluzione ottimale per ottenere risultati biomeccanicamente migliori, sia dal punto di vista dell’efficienza del movimento che per quanto riguarda l’equilibrio.

Analisi delle problematiche ambientali dello stabilimento siderurgico ILVA e parziale valutazione dell’impatto delle sue emissioni in atmosfera attraverso il modello CALPUFF

Il presente lavoro di tesi riguarda lo studio di un modello di stima delle emissioni per la previsione della contaminazione ambientale in aria. Il lavoro è stato svolto all’interno del DICAM dell’Università di Bologna attraverso il supporto del relatore Giacomo Antonioni e dei correlatori Ada Saracino e Gigliola Spadoni. L’applicazione modellistica, attraverso l’uso del software CALPUFF, ha trattato le emissioni del camino E312 della sezione Agglomerazione dello stabilimento siderurgico ILVA di Taranto nell’anno 2015. Gli inquinanti simulati sono quelli per i quali lo SME fornisce il flusso di massa: SO2, NOx, PM. Le polveri sono state considerate completamente costituite da polveri PM10 e per esse si è calcolata la concentrazione al suolo e la deposizione. A partire dai risultati per le polveri, ipotizzando che siano in parte veicolati da esse, sono state valutate anche le concentrazioni e le deposizioni di Diossine. Della configurazione modellistica “ottimale” sono stati presentati: ▪ Per i macroinquinanti le medie annue di concentrazione al suolo, e quindi, la dispersione degli inquinanti. ▪ Per i microinquinanti i valori massimi di concentrazione annua e di deposizione ottenuti nell’area di studio. Nel caso in esame, lo studio è stato riferito alla rete deposimetrica di gestione ILVA (per mancanza di dati deposimetrici della rete di gestione ARPA). In particolare è stato preso in considerazione il deposimetro del quartiere Tamburi a fronte delle criticità rilevate nei mesi di Novembre 2014 e Febbraio 2015, tale per cui, visti gli elevatissimi valori di deposizione, vista la notevole importanza che i dati deposimetrici hanno rispetto al rischio sanitario per ingestione, è stata aperta un’indagine della procura che ha affidato l’analisi a ARPA PUGLIA congiunta con l’ISPRA (che ne ha mandato ministeriale) e la Regione Puglia. A fronte di tali episodi, il seguente studio ha voluto fornire un resoconto deposimetrico per l’anno 2015.

Studio e sviluppo di un simulatore ed ottimizzatore di traiettoria per aerei da competizione

L'obbiettivo principale di questa tesi è la creazione di un particolare strumento capace di calcolare, dati in input le coordinate geografiche in latitudine e longitudine dei vari gates di passaggio del velivolo e delle caratteristiche principali di quest'ultimo, la traiettoria ottimale, ovvero la più veloce, restando pur sempre nei limiti strutturali e in quelli stabiliti dal regolamento, oltre che ad una serie di valori utili per effettuare tale percorso, quali la variazione di potenza, di coefficiente di portanza, di velocità, ecc. Dopo una prima fase di raccolta delle informazioni (regolamento della competizione, dati tecnici dei velivoli usati, del motore e dell'elica) ne è seguita una seconda in cui, partendo dall'analisi dei risultati ottenuti da un precedente tool di calcolo in Excel, si è provveduto a scriverne uno nuovo operante in ambiente MatLab.

Confronto tra le tecniche XRD e IHD per la misura di tensioni residue

Le rotture a fatica dei componenti sono dovute principalmente alle tensioni di trazione generate da carichi ciclici e variabili nel tempo. Le cricche causate da questo tipo di tensioni possono propagarsi e crescere fino a causare danni catastrofici nel componente. La fatica costituisce uno dei fattori principali di rottura delle strutture aeronautiche; in campo aeronautico sono quindi molto diffusi dei trattamenti superficiali che permettono di indurre tensioni di compressione che contrastano quelle di trazione, in modo tale da ritardare o prevenire le rotture dovute al fenomeno della fatica. Esistono diverse tecniche per raggiungere questo risultato e permettere di prolungare la vita a fatica di un componente metallico, la più nota è sicuramente il Laser Shock Peening (LSP). Nel corso degli ultimi anni la maggior parte delle ricerche condotte rispetto a questa tecnica sono state incentrate sugli effetti meccanici che questo trattamento ha sul materiale in modo da determinare la configurazione ottimale per ottenere una distribuzione delle tensioni il più efficace possibile ai fini della vita a fatica; sono state svolte diverse prove sperimentali per studiare il ruolo dei parametri del laser e ottimizzare la procedura del LSP. Tra le tecniche utilizzate per valutare gli effetti del LSP in termini di tensioni residue, spiccano, oltre ai metodi computazionali, l'X-ray Diffraction (XRD) e l'Incremental Hole Drilling (IHD). L'elaborato di tesi qui presentato ha come scopo il confronto tra i livelli di tensioni residue riscontrate all'interno di provini sottili in lega di alluminio, sottoposti a differenti trattamenti laser, attraverso i suddetti metodi XRD e IHD. I risultati, già noti, ottenuti con la tecnica l'XRD sono stati posti a verifica attraverso dei test svolti con l'IHD presso i laboratori MaSTeRLab della Scuola di Ingegneria dell'Università di Bologna.

Metabolism modelling of the Urban Water System of Oslo using the package UWOT

Oslo, capitale della Norvegia, sta sperimentando un’improvvisa crescita della popolazione e secondo le stime fornite da Statistics Norway si prevede un aumento di 200 000 abitanti entro il 2040. La crescita della popolazione comporterà un rilevante aumento di domanda di acqua e, insieme ad altri fattori quali l’età delle infrastrutture e i cambiamenti climatici, sarà responsabile di una notevole pressione sulle infrastrutture idriche presenti. In risposta alla necessità di tempestivi cambiamenti, il gestore del servizio idrico della città (Oslo VAV) ha deciso di finanziare progetti per migliorare la robustezza delle infrastrutture idriche. Il lavoro di tesi si inserisce all’interno del progetto E3WDM, istituito nel 2005 con lo scopo di definire una gestione più efficiente della risorsa idrica di Oslo. L’obiettivo generale della tesi è la creazione di un modello metabolico attraverso il software UWOT (Makropoulos et al., 2008) con lo scopo di rappresentare i consumi idrici di due tipiche tipologie abitative nella città di Oslo. L’innovazione di questo studio consiste nella definizione e nella modellazione della domanda idrica all’interno delle abitazioni ad un livello di dettaglio molto elevato. Il nuovo approccio fornito da UWOT consente la simulazione di differenti strategie di intervento e la successiva gestione ottimale della risorsa idrica in grado di minimizzare i consumi di acqua, di energia e i costi, compatibilmente con la domanda idrica richiesta. Il lavoro di tesi comprende: -La descrizione del software UWOT, in particolare lo scopo del modello, l’innovativo approccio adottato, la struttura e il procedimento per creare un modello del sistema idrico urbano. -La definizione dei dati richiesti per la simulazione dei consumi idrici all’interno delle abitazioni nella città di Oslo e i metodi utilizzati per raccoglierli -L’applicazione del modello UWOT per la definizione dei trend di consumi idrici e la successiva analisi dei risultati

Misura del flusso neutronico per reazioni indotte da neutroni su 155Gd e 157Gd nell'esperimento nTOF al CERN

Questa tesi è incentrata sullo studio e la determinazione del flusso neutronico della facility nTOF (neutron Time Of Flight) del CERN di Ginevra nel corso della campagna sperimentale del 2016. L'esperimento è finalizzato alla misura della sezione d'urto della reazione di cattura neutronica da parte degli isotopi dispari di gadolinio, 155Gd e 157Gd. In particolare l'analisi verrà condotta in modo da ottenere dati sperimentali nello spettro di energie da neutroni termici (10-2 eV) a 1.0 eV e migliorare i dati già esistenti per energie fino a 1.0 MeV. Dopo aver ricordato le motivazioni scientifiche e tecnologiche che sono alla base del progetto di ricerca, si descrivono le caratteristiche della facility nTOF e si trattano i fondamenti delle reazioni nucleari e le tecniche del tempo di volo, di misura di flusso e di cattura utilizzate nel corso dell'esperimento. Nella parte finale del lavoro si presentano i dati sperimentali acquisiti sul flusso neutronico, la cui accurata conoscenza è fondamentale per la misura di sezioni d'urto di reazioni indotte da neutroni. I risultati ottenuti sono quindi stati elaborati e confrontati con i dati precedenti per poter essere validati e per poter verificare eventuali discrepanze. Dalle analisi dei dati si deduce come la precisione ottenuta sulla determinazione del flusso sia ottimale per i successivi studi che verranno condotti sulla sezione d'urto degli isotopi dispari di gadolinio.