Un nuovo modello computazionale di fibra di Purkinje umana: dal modello medio alla popolazione di modelli e ritorno.

Il lavoro presentato in questa tesi è stato svolto presso il Department of Computer Science, University of Oxford, durante il mio periodo all’estero nel Computational Biology Group. Scopo del presente lavoro è stato lo sviluppo di un modello matematico del potenziale d’azione per cellule umane cardiache di Purkinje. Tali cellule appartengono al sistema di conduzione elettrico del cuore, e sono considerate molto importanti nella genesi di aritmie. Il modello, elaborato in linguaggio Matlab, è stato progettato utilizzando la tecnica delle Popolazione di Modelli, un innovativo approccio alla modellazione cellulare sviluppato recentemente proprio dal Computational Biology Group. Tale modello è stato sviluppato in 3 fasi: • Inizialmente è stato sviluppato un nuovo modello matematico di cellula umana del Purkinje cardiaco, tenendo in considerazione i modelli precedenti disponibili in letteratura e le più recenti pubblicazioni in merito alle caratteristiche elettrofisiologiche proprie della cellula cardiaca umana di Purkinje. Tale modello è stato costruito a partire dall’attuale gold standard della modellazione cardiaca ventricolare umana, il modello pubblicato da T. O’Hara e Y. Rudy nel 2011, modificandone sia le specifiche correnti ioniche che la struttura interna cellulare. • Il modello così progettato è stato, poi, utilizzato come “modello di base” per la costruzione di una popolazione di 3000 modelli, tramite la variazione di alcuni parametri del modello all’interno di uno specifico range. La popolazione così generata è stata calibrata sui dati sperimentali di cellule umane del Purkinje. A valle del processo di calibrazione si è ottenuta una popolazione di 76 modelli. • A partire dalla popolazione rimanente, è stato ricavato un nuovo modello ai valori medi, che riproduce le principali caratteristiche del potenziale d’azione di una cellula di Purkinje cardiaca umana, e che rappresenta il dataset sperimentale utilizzato nel processo di calibrazione.

Analisi di profili di moto permanente lungo l'asta del Fiume Secchia (località Veggia)

Il presente lavoro di tesi analizza un tratto del fiume Secchia, prossimo alla località di Veggia (Sassuolo), al fine di determinare la variazione del livello idrometrico in funzione di diverse portate associate a tempi di ritorno a breve e lungo termine. Vengono dapprima introdotti il concetto di rischio idraulico ed i relativi riferimenti normativi che lo disciplinano, unitamente ai piani di gestione e ai possibili interventi di protezione fluviale. Si introduce successivamente il codice di calcolo HEC-RAS, che viene impiegato nel presente studio per simulare l’andamento dei profili di moto permanente, nel caso in cui il fiume sia o meno interessato dalla presenza di un ponte. In entrambi i casi vengono poi discusse le variazioni dei livelli idrometrici per portate con tempi di ritorno di 20, 100 e 200 anni: si osserva che l’asta fluviale è a rischio nella zona a valle dello studio, mentre nella zona dove è ubicato il ponte l’aumentare dei livelli idrometrici non mette in crisi la struttura. A seguire vengono presentate le opere di mitigazione, destinate alla protezione dell’alveo e dell’ambiente circostante. Poi, si mostrano le opere di mitigazione, essi funzionano di diminuire i rischi dalla diversa classificazione di opere.

La termografia come strumento per la caratterizzazione costruttiva delle pareti murarie: un'esperienza di laboratorio condotta su un modello dal vero

Il lavoro svolto si concentra sulla termografia attiva e su come essa possa essere usata come tecnica diagnostica non distruttiva. La sperimentazione ha visto la realizzazione di un modello di prova consisntente in una porzione di muro a forma di c costituito da mattoni pieni, intonacato solo su un lato. Attraverso il riscaldamento della porzione intonacata e tramite l'utilizzo di termocoppie sono state monitorate le temperature superficiali interne ed esterne e dell'ambiente interno ed esterno. In fase di raffreddamento il monitoraggio è stato implementato dalle riprese termografiche effettuate ad istanti di tempo regolari, riprendendo la superficie intonacata e riscaldata. Elaborando le immagini è stato possibile individuare sia la tessitura muraria che la discontinuità inserita in fase di costruzione. Per avere una verifica è stato realizzato, tramite un software, un modello bidimensionale dell'elemento studiato, ed è stato studiato il raffreddamento in condizioni dinamiche. Si osserva che i risultati ottenuti sono qualitativamente opposti a quelli riscontrati dalle immagini della sperimentazione, uno dei motivo può essere attribuito all'alta tridimensionalità del problema reale che il modello non tiene in considerazione.

Il nuovo modello di calcolo CEN per la determinazione dell'isolamento acustico degli edifici: analisi critica e applicazione ad un caso studio.

L'obiettivo del presente studio è l'indagine del comportamento acustico di edifici in legno, vista la loro crescente diffusione in Italia. Il lavoro analizza le potenzialità del nuovo metodo trattato nell'aggiornamento della normativa UNI EN 12354 e si propone come caso di sperimentazione del nuovo modello di calcolo per la valutazione prestazionale acustica di un edificio in legno. A supporto dell'analisi della normativa, viene presentato il caso studio di un edificio residenziale in legno che presenta tutti gli elementi oggetto di discussione nello sviluppo normativo. La validazione del modello di calcolo è stata effettuata tramite il confronto dei risultati ottenuti con i dati raccolti precedentemente da misurazioni in opera sull'edificio in esame.

Il modello di argomentazione di Toulmin nell’attivitá matematica degli studenti di scuola secondaria

Lo studio decritto in questo progetto di tesi ha avuto origine dalla volontà di analizzare l’atteggiamento di studenti di scuola superiore di I e II grado rispetto alla richiesta di fornire argomentazioni, di giustificare affermazioni o risultati ottenuti in ambito matematico. L’analisi quantitativa dei dati ottenuti sottoponendo gli studenti ad un questionario costituito da quesiti scelti in ambiti differenti tra le prove Invalsi ha evidenziato che solo una parte (36% per le superiori di I grado, 59% per le superiori di II grado) degli studenti che hanno risposto correttamente ai quesiti, è stata in grado di argomentare la risposta. L’analisi è stata a questo punto approfondita sulla base del modello di Toulmin e delle componenti del processo di argomentazione da lui descritte. Si è valutato per ogni argomentazione in quale o quali delle componenti toulminiane si sia concentrato l’errore. Ogni argomentazione considerata errata può infatti contenere errori differenti che possono riguardare una soltanto, diverse o tutte e quattro le componenti di Backing, Warrant, Data e Conclusion. L’informazione che ne è emersa è che nella maggioranza dei casi il fatto che uno studente di scuola superiore non riesca ad argomentare adeguatamente un’affermazione dipende dal richiamo errato di conoscenze sull'oggetto dell'argomentazione stessa ("Warrant" e "Backing"), conoscenze che dovrebbero supportare i passi di ragionamento. Si è infine condotta un’indagine sul terreno logico e linguistico dei passi di ragionamento degli studenti e della loro concatenazione, in modo particolare attraverso l’analisi dell’uso dei connettivi linguistici che esprimono e permettono le inferenze, e della padronanza logica delle concatenazioni linguistiche. Si è osservato per quanto riguarda le scuole superiori di I grado, che le difficoltà di argomentazione dovute anche a scarsa padronanza del linguaggio sono circa l’8% del totale; per le scuole superiori di II grado questa percentuale scende al 6%.

Studio del campo di velocità per fluidi in moto laminare all'interno di condotti

Lo scopo di questa tesi è quello di ottenere una rappresentazione grafica del profilo di velocità di un fluido all’interno di un condotto. In particolare si studieranno le equazioni di bilancio facendo alcune ipotesi semplificative riguardo il moto del fluido. Si considererà un moto laminare in condizione di completo sviluppo dinamico e convezione forzata. Grazie a queste ipotesi si riuscirà ad ottenere un’equazione semplificata di Navier-Stokes, che permetterà di calcolare l’andamento della velocità all’interno di condotti con qualsiasi forma della sezione. In questo caso si confronterà il profilo di velocità di un condotto a sezione circolare con uno a sezione circolare forata come in uno scambiatore di calore a tubi concentrici. Per risolvere l’equazione di Navier-Stokes e stampare l’andamento delle velocità all’interno della sezione del condotto si è utilizzato il software “Mathematica”, che è stato appreso durante l’attività di tirocinio curriculare. Questo software offre un supporto notevole allo studio matematico di qualsiasi problema. Permette inoltre di avere un riscontro grafico dei risultati ottenuti, direttamente nell’interfaccia utilizzata per la stesura del codice. Per rappresentare il profilo di velocità sarà inoltre utilizzato il metodo degli elementi finiti all’interno di Mathematica, che permetterà di ottenere una soluzione più uniforme e vicina alla realtà. Il metodo degli elementi finiti (FEM) permette di semplificare lo studio del moto di un fluido, in quanto ci dà la possibilità di avere un sistema di equazioni algebriche che ne descrivono il moto, invece di equazioni differenziali e le sue relative condizioni al contorno. Sarà quindi brevemente descritto questo metodo che è stato di grande aiuto tramite l’implementazione della “mesh” su Mathematica.

Utilizzo del modello Calpuff per la valutazione della qualità dell'aria da emissioni odorigene da un impianto per la lavorazione di semi oleosi

Il presente elaborato di tesi si concretizza in un inquadramento generale relativo alle emissioni odorigene: cosa sono, i riferimenti normativi, come si misurano. Si è poi fatto riferimento a un caso reale, ovvero un impianto operante nella lavorazione dei semi oleosi che ha subito una modifica della propria configurazione impiantistica. Le emisisoni odorigene sono state modellate, mediante l'utilizzo del software Calpuff, in relazione a due stati: prima e dopo la modifica. Questo ha permesso di fare un confronto in termini di impatto sull'ambiente.

Validazione del modello di film fluido implementato in OpenFOAM

Le prestazioni dei motori a combustione interna sono fortemente influenzate dalla formazione di un film fluido, a seguito dell'impatto di uno spray con una parete. Nell'ottica di favorire la formazione della miscela e di ridurre le emissioni, lo studio approfondito di tale fenomeno deve essere supportato da un processo di simulazione assistita dal calcolatore. Pertanto, la Fluidodinamica Computazionale (Computational Fluid Dynamics, CFD) ed i modelli ad essa associati rappresentano al giorno d'oggi uno strumento vantaggioso e sempre più utilizzato. In questo ambito si colloca il presente lavoro di tesi, che si propone di validare il modello di film fluido implementato nel software OpenFOAM-2.3.0, confrontando i risultati ottenuti, in termini di altezza del film fluido, con quelli del caso sperimentale di Le Coz et al.

Elaborazione di un modello di simulazione per una rete di trasporto multi-modale

Questo lavoro di tesi si prefigge l’obiettivo di simulare il trasporto di organi destinati a trapianto sul territorio nazionale italiano. Lo scopo della simulazione è mettere in luce le criticità e le eventuali soluzioni alternative in modo da raggiungere un duplice obiettivo: la certezza di portare a compimento il trasporto da un ospedale ad un altro entro i tempi clinici necessari affinché l’organo sia ancora utilizzabile e la riduzione dei costi del trasporto, che negli ultimi anni si sono rivelati elevati a causa del ricorso frequente a voli di Stato. Nella prima parte del lavoro viene delineato il problema e le necessità di ottimizzazione della rete, dopodiché si illustra il modello creato per simulare la situazione di as-is ed infine si espone il modello da utilizzare in futuro, dove si prevedono i tempi futuri di percorrenza. Per la modellazione della situazione attuale sono stati utilizzati due livelli di dettaglio diversi, uno che si basa sulla suddivisione dei trapianti in ingresso e uscita da una regione specifica e uno che approfondisce ulteriormente la rete modellando gli spostamenti di città in città. I modelli predittivi presentati sono due, uno che considera tempi predittivi deterministici e uno che considera tempi stocastici. Dopo ciascuna modellazione vengono esposti i risultati e le statistiche più significative; vengono infine messi in evidenza gli aspetti critici e gli sviluppi futuri della simulazione. Il software scelto per creare e simulare il trasporto degli organi sulla rete è Arena.

Sfide alla Geologia: le Opere di Miozzi e Calatrava a Venezia

Secondo la sismologia storica, Venezia non è mai stata colpita in modo diretto da terremoti nel suo immediato sottosuolo, tuttavia ha riportato diversi danni in occasione di terremoti limitrofi. Nella presente tesi è stato studiato il comportamento sotto sisma di due principali opere veneziane: il ponte degli Scalzi (1934) eretto da E. Miozzi e il ponte della Costituzione (2008), disegnato da S. Calatrava. Accoppiando il modello dinamico dei due ponti con lo spettro di risposta del sito, abbiamo riscontrato che il ponte della Costituzione si colloca nel plateau dello spettro, quindi a periodi per i quali l’accelerazione attesa sulla struttura è massima. Questo non depone a favore della sua sicurezza, considerati anche i problemi statici che la struttura presenta. Il ponte degli Scalzi presenta invece una rigidezza tale da non mostrare amplificazione significativa tra il moto alla fondazione e quello della struttura sovrastante. Le misure di microtremore ambientale effettuate sul sottosuolo in prossimità delle fondazioni dei due ponti hanno mostrato che esso amplifica il moto per risonanza a 0.5 Hz. Questa frequenza è sufficientemente lontana da quelle proprie dei due ponti in esame, per cui si può ritenere che non ne influenzi significativamente la dinamica. Infine, abbiamo osservato che i valori di accelerazione verticale misurati sulla sua sommità del ponte della Costituzione, generati principalmente dal traffico pedonale, superano i limiti di comfort proposti dall’Eurocodice EN UNI 1990.

Manipolazione robotica mobile per il settore agroalimentare - Pianificazione di traiettorie per la Sloshing Suppression

Movimentazione, da parte di un braccio robotico, di un recipiente riempito con un liquido nello spazio tridimensionale. Sistema di trasferimento liquidi basato sul KUKA youBot, piattaforma open source per la ricerca scientifica. Braccio robotico a 5 gradi di libertà con struttura ortho-parallel e cinematica risolvibile in forma chiusa tramite l’applicazione di Pieper. Studio dei modi di vibrare dei liquidi e modellizzazione dei fenomeni ondosi tramite modello equivalente di tipo pendolo. Analisi delle metodologie di controllo di tipo feed-forward volte a sopprimere la risposta oscillatoria di un tipico sistema vibratorio. Filtraggio delle traiettorie di riferimento da imporre allo youBot, in modo tale da sopprimere le vibrazioni in uscita della massa d’acqua movimentata. Analisi e comparazione delle metodologie di input shaping e filtro esponenziale. Validazione sperimentale delle metodologie proposte implementandole sul manipolatore youBot. Misura dell’entità del moto ondoso basata su dati acquisiti tramite camera RGBD ASUS Xtion PRO LIVE. Algoritmo di visione per l’elaborazione offline dei dati acquisiti, con output l’andamento dell’angolo di oscillazione del piano interpolante la superficie del liquido movimentato.

Simulazione di finger tapping attraverso un modello neurale

Il seguente elaborato ha lo scopo di analizzare, attraverso modelli neuro-computazionali, le possibili alterazioni delle risposte in pazienti con malattia di Parkinson, sia indotte da alterazioni del livello di dopamina, sia indotte da modificazioni sinaptiche. Il punto chiave per comprendere i sintomi di PD e il loro deterioramento temporale si deve cercare nel rapporto tra l'attività dei neuroni in BG (in particolare nello striato) e i livelli di dopamina (o levodopa) nel cervello. Di conseguenza, l'obiettivo di questo elaborato è quello di quantificare la connessione tra i livelli di levodopa e performance del finger tapping per mezzo di modelli biologici e simulazioni al computer.

Il passaggio dalla Business Intelligence all'Advanced Analytics: individuazione e analisi di un modello in merito all'influenza del lobbying nel sistema economico

I Big Data stanno guidando una rivoluzione globale. In tutti i settori, pubblici o privati, e le industrie quali Vendita al dettaglio, Sanità, Media e Trasporti, i Big Data stanno influenzando la vita di miliardi di persone. L’impatto dei Big Data è sostanziale, ma così discreto da passare inosservato alla maggior parte delle persone. Le applicazioni di Business Intelligence e Advanced Analytics vogliono studiare e trarre informazioni dai Big Data. Si studia il passaggio dalla prima alla seconda, mettendo in evidenza aspetti simili e differenze.

Slow waves in un modello di crescita tumorale

In questo elaborato ho analizzato un sistema di reazione-diffusione proposto come modello per descrivere un fenomeno di crescita tumorale. In particolare, è stato approfondito il processo in cui l'invasione neoplastica è originata dalla produzione di un eccesso di ioni acidi da parte delle cellule maligne. Il sistema preso in esame descrive l'andamento di tre grandezze: la concentrazione di tessuto sano, la concentrazione di tessuto maligno e l'eccesso di ioni acidi. Ho quindi cercato soluzioni compatibili con il sistema le quali fossero funzioni della tipologia travelling waves, ossia onde che si propagano lungo l'asse reale con un grafico fissato e ad una velocità costante. I risultati ottenuti in questo lavoro sono stati così suddivisi: nel Capitolo 1 viene descritto il processo di invasione tumorale dal punto di vista biologico, nel Capitolo 2 vengono forniti alcuni lemmi e proposizioni preliminari, nel Capitolo 3 viene calcolata un'approssimazione della soluzione del sistema tramite onde del tipo slow waves e infine nel Capitolo 4 sono state studiate la presenza e la larghezza dello spazio interstiziale, ossia di una regione situata tra il tessuto sano e quello neoplastico nella quale si registra una concentrazione di cellule, sia normali sia maligne, praticamente nulla. Infine, sono state rappresentate graficamente le soluzioni in tre possibili situazioni caratterizzate da un diverso parametro di aggressività del tumore.

Il modello di Hopfield: un'applicazione del modello di Ising alle reti neurali

Il Modello di Hopfield è un tentativo di modellizzare il comportamento di una memoria associativa come proprietà emergente di un network costituito da unità a due stati interagenti tra loro, e costituisce un esempio di come gli strumenti della meccanica statistica possano essere applicati anche al campo delle reti neurali. Nel presente elaborato viene esposta l'analogia tra il Modello di Hopfield e il Modello di Ising nel contesto delle transizioni di fase, applicando a entrambi i modelli la teoria di campo medio. Viene esposta la dinamica a temperatura finita e ricavata e risolta l'equazione di punto a sella per il limite di non saturazione del Modello di Hopfield. Vengono inoltre accennate le principali estensioni del Modello di Hopfield.