Mathematical Modeling to Investigate Antiarrhythmic Drug Side Effects: Rate-Dependence Role in Ionic Currents and Action Potentials Shape in the O’Hara Model

Sudden cardiac death due to ventricular arrhythmia is one of the leading causes of mortality in the world. In the last decades, it has proven that anti-arrhythmic drugs, which prolong the refractory period by means of prolongation of the cardiac action potential duration (APD), play a good role in preventing of relevant human arrhythmias. However, it has long been observed that the “class III antiarrhythmic effect” diminish at faster heart rates and that this phenomenon represent a big weakness, since it is the precise situation when arrhythmias are most prone to occur. It is well known that mathematical modeling is a useful tool for investigating cardiac cell behavior. In the last 60 years, a multitude of cardiac models has been created; from the pioneering work of Hodgkin and Huxley (1952), who first described the ionic currents of the squid giant axon quantitatively, mathematical modeling has made great strides. The O’Hara model, that I employed in this research work, is one of the modern computational models of ventricular myocyte, a new generation began in 1991 with ventricular cell model by Noble et al. Successful of these models is that you can generate novel predictions, suggest experiments and provide a quantitative understanding of underlying mechanism. Obviously, the drawback is that they remain simple models, they don’t represent the real system. The overall goal of this research is to give an additional tool, through mathematical modeling, to understand the behavior of the main ionic currents involved during the action potential (AP), especially underlining the differences between slower and faster heart rates. In particular to evaluate the rate-dependence role on the action potential duration, to implement a new method for interpreting ionic currents behavior after a perturbation effect and to verify the validity of the work proposed by Antonio Zaza using an injected current as a perturbing effect.

Implementazione di algoritmi di stima della distanza con segnali a bassa frequenza

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di definire degli algoritmi in grado di comprendere le prestazioni raggiungibili dalla tecnica NFER alternativa in termini di ranging e accuratezza e, di conseguenza, dedurre se il sistema sia utilizzabile o meno.

Ricostruzione di immagini di broncosfere in microscopia ottica con tecniche di estensione della profondità di fuoco

A causa della limitata estensione del campo di vista del sistema, con un microscopio ottico tradizionale non è possibile acquisire una singola immagine completamente a fuoco se l’oggetto è caratterizzato da una profondità non trascurabile. Fin dagli anni ’70, il problema dell’estensione della profondità di fuoco è stato ampiamente trattato in letteratura e molti metodi sono stati proposti per superare questo limite. Tuttavia, è molto difficile riuscire a decretare quale metodo risulti essere il migliore in una specifica applicazione, a causa della mancanza di una metrica validata e adatta ad essere utilizzata anche in casi reali, dove generalmente non si ha a disposizione un’immagine di riferimento da considerare come “la verità” (ground truth). L’Universal Quality Index (UQI) è ampiamente utilizzato in letteratura per valutare la qualità dei risultati in processi di elaborazione di immagini. Tuttavia, per poter calcolare questo indice è necessaria una ground truth. In effetti, sono state proposte in letteratura alcune estensioni dell’UQI per valutare il risultato dei metodi di fusione anche senza immagine di riferimento, ma nessuna analisi esaustiva è stata proposta per dimostrare la loro equivalenza con l’UQI standard nel valutare la qualità di un’immagine. In questo lavoro di Tesi, partendo dai limiti dei metodi attualmente utilizzati per l'estensione della profondità di campo di un microscopio, ed esposti in letteratura, per prima cosa è stato proposto un nuovo metodo, basato su approccio spaziale e fondato su analisi locale del segnale appositamente filtrato. Attraverso l’uso di sequenze di immagini sintetiche, delle quali si conosce la ground truth, è stato dimostrato, utilizzando metriche comuni in image processing, che il metodo proposto è in grado di superare le performance dei metodi allo stato dell'arte. In seguito, attraverso una serie di esperimenti dedicati, è stato provato che metriche proposte e ampiamente utilizzate in letteratura come estensione dell'UQI per valutare la qualità delle immagini prodotte da processi di fusione, sebbene dichiarate essere sue estensioni, non sono in grado di effettuare una valutazione quale quella che farebbe l'UQI standard. E’ quindi stato proposto e validato un nuovo approccio di valutazione che si è dimostrato in grado di classificare i metodi di fusione testati così come farebbe l’UQI standard, ma senza richiedere un’immagine di riferimento. Infine, utilizzando sequenze di immagini reali acquisite a differenti profondità di fuoco e l’approccio di valutazione validato, è stato dimostrato che il metodo proposto per l’estensione della profondità di campo risulta sempre migliore, o almeno equivalente, ai metodi allo stato dell’arte.

Interfaccia grafica per l'elaborazione di immagini microscopiche di colture batteriche geneticamente modificate

Le moderne tecniche di imaging e i recenti sviluppi nel campo della visione computazionale consentono sempre più diffusamente l'utilizzo di metodi di image analysis, specialmente in ambito medico e biologico, permettendo un maggiore supporto sia alla diagnosi, sia alla ricerca. Il lavoro svolto in questa tesi si pone in un contesto di ricerca di carattere interdisciplinare, e riguarda il progetto e la realizzazione di un‘interfaccia grafica per l'analisi di colture batteriche geneticamente modificate, marcate con proteine fluorescenti (GFP), acquisite tramite un microscopio ad epifluorescenza. Nota la funzione di risposta del sistema di acquisizione delle immagini, l'analisi quantitativa delle colture batteriche è effettuata mediante la misurazione di proprietà legate all'intensità della risposta al marcatore fluorescente. L'interfaccia consente un'analisi sia globale dei batteri individuati nell'immagine, sia di singoli gruppi di batteri selezionati dall'utente, fornendo utili informazioni statistiche, sia in forma grafica che numerica. Per la realizzazione dell'interfaccia sono state adottate tecniche di ingegneria del software, con particolare enfasi alla interazione uomo-macchina e seguendo criteri di usability, al fine di consentire un corretto utilizzo dello strumento anche da parte di personale senza conoscenza in campo informatico.

Electrolyte disorders in the human ventricle. A simulation study.

Ventricular cells are immersed in a bath of electrolytes and these ions are essential for a healthy heart and a regular rhythm. Maintaining physiological concentration of them is fundamental for reducing arrhythmias and risk of sudden cardiac death, especially in haemodialysis patients and in the heart diseases treatments. Models of electrically activity of the heart based on mathematical formulation are a part of the efforts to improve the understanding and prediction of heart behaviour. Modern models incorporate the extensive and ever increasing amounts of experimental data in incorporating biophysically detailed mechanisms to allow the detailed study of molecular and subcellular mechanisms of heart disease. The goal of this project was to simulate the effects of changes in potassium and calcium concentrations in the extracellular space between experimental data and and a description incorpored into two modern biophysically detailed models (Grandi et al. Model; O’Hara Rudy Model). Moreover the task was to analyze the changes in the ventricular electrical activity, in particular by studying the modifications on the simulated electrocardiographic signal. We used the cellular information obtained by the heart models in order to build a 1D tissue description. The fibre is composed by 165 cells, it is divided in four groups to differentiate the cell types that compound human ventricular tissue. The main results are the following: Grandi et al. (GBP) model is not even able to reproduce the correct action potential profile in hyperkalemia. Data from hospitalized patients indicates that the action potential duration (APD) should be shorter than physiological state but in this model we have the opposite. From the potassium point of view the results obtained by using O’Hara model (ORD) are in agreement with experimental data for the single cell action potential in hypokalemia and hyperkalemia, most of the currents follow the data from literature. In the 1D simulations we were able to reproduce ECGs signal in most the potassium concentrations we selected for this study and we collected data that can help physician in understanding what happens in ventricular cells during electrolyte disorder. However the model fails in the conduction of the stimulus under hyperkalemic conditions. The model emphasized the ECG modifications when the K+ is slightly more than physiological value. In the calcium setting using the ORD model we found an APD shortening in hypocalcaemia and an APD lengthening in hypercalcaemia, i.e. the opposite to experimental observation. This wrong behaviour is kept in one dimensional simulations bringing a longer QT interval in the ECG under higher [Ca2+]o conditions and vice versa. In conclusion it has highlighted that the actual ventricular models present in literature, even if they are useful in the original form, they need an improvement in the sensitivity of these two important electrolytes. We suggest an use of the GBP model with modifications introduced by Carro et al. who understood that the failure of this model is related to the Shannon et al. model (a rabbit model) from which the GBP model was built. The ORD model should be modified in the Ca2+ - dependent IcaL and in the influence of the Iks in the action potential for letting it him produce a correct action potential under different calcium concentrations. In the 1D tissue maybe a heterogeneity setting of intra and extracellular conductances for the different cell types should improve a reproduction of the ECG signal.

Sistemi di conversione energetica ibridi termo-fotovoltaici

In questa tesi viene trattata la possibile integrazione di un sistema fotovoltaico con un sistema solare termico, analizzando qualitativamente questa nuova tecnologia.

Progetto di un convertitore di potenza da sorgenti fotovoltaiche in regime di basso irraggiamento

L’obiettivo di questa tesi è il progetto di un convertitore di potenza di tipo low power da applicare a sorgenti fotovoltaiche in regime di basso irraggiamento. Il convertitore implementa un controllo con inseguimento del punto di massima potenza (maximum power point tracking) della caratteristica della sorgente fotovoltaica. Una prima parte è dedicata allo studio delle possibilità esistenti in materia di convertitori e di algoritmi di MPPT. Successivamente, in base alle specifiche di progetto è stata selezionata una combinazione ottimale per l'architettura del convertitore di potenza in grado di bilanciare efficienza dell'algoritmo di controllo e requisiti intrinseci di potenza.