Sviluppo ed applicazione di un protocollo per la caratterizzazione meccanica a trazione del tessuto osseo corticale

Nel presente elaborato viene descritta l’attività di tesi da me svolta presso il Laboratorio di Tecnologia Medica presente all’interno dell’Istituto Ortopedico Rizzoli. Nel laboratorio è in corso di svolgimento uno studio mirato a correlare le proprietà meccaniche del tessuto osseo corticale con la qualità e la distribuzione delle fibre di collagene per verificare se tali caratteristiche siano influenzate dal tipo di sollecitazione a cui il tessuto si trova sottoposto fisiologicamente. All’interno di tale studio si inserisce il mio lavoro il cui obiettivo è di progettare ed implementare un protocollo per la caratterizzazione meccanica del tessuto osseo corticale. Il distretto anatomico studiato è il femore prossimale. Infatti è dimostrato come in tale zona il tessuto osseo corticale risulti sollecitato in vivo a compressione in posizione mediale e a trazione in posizione laterale. Per eseguire lo studio è stato deciso di utilizzare una prova di trazione semplice in modo da poter ricavare il contributo del collagene, su provini orientati longitudinalmente all’asse del femore. Nella prima parte del lavoro ho perciò progettato l’esperimento stabilendo la geometria dei provini e la procedura sperimentale necessaria alla loro estrazione. Successivamente ho progettato e realizzato il sistema di applicazione del carico coerentemente con il posizionamento dei sistemi di misura. In particolare per la misura delle deformazioni imposte al provino ho utilizzato sia un sistema meccanico che un sistema ottico basato sulla correlazione digitale di immagine. Quest’ultimo sistema permette di elaborare una mappa degli spostamenti e delle deformazioni su tutta la superficie del provino visibile dalle telecamere, purchè adeguatamente preparata per la misura con sistema ottico. La preparazione prevede la realizzazione di un pattern stocastico ad elevato contrasto sulla superficie. L’analisi dei risultati, oltre a verificare il corretto svolgimento della prova, ha evidenziato come siano presenti differenze significative tra le proprietà meccaniche di ciascun soggetto ad eccezione del tasso di deformazione necessario per imporre al provino una deformazione permanente pari allo 0.2%. Infatti tale parametro risulta invariante. È stato rilevato inoltre come non siano presenti differenze significative tra le proprietà meccaniche del tessuto estratto in zone differenti nonostante sia sollecitato fisiologicamente principalmente con sollecitazioni differenti.

Analisi satellitare della struttura fisica di un ciclone di tipo tropicale sul mediterraneo

Negli ultimi decenni sono stati studiati sul mar Mediterraneo dei fenomeni con caratteristiche comuni a quelle dei cicloni tropicali, chiamati medicane. L'obiettivo principale di questa tesi è quello di migliorare le attuali conoscenze sui medicane utilizzando un approccio di tipo satellitare per ottenere un algoritmo di detection. Per tale ragione sono stati integrati dati di diverse tipologie di sensori satellitari e del modello numerico WRF. Il sensore SEVIRI ha fornito misure di TB a 10.8μm e informazioni sulla distribuzione del vapor d’acqua atmosferico attraverso i due canali a 6.2 e 7.3 μm. I sensori AMSU–B/MHS hanno fornito informazioni sulle proprietà delle nubi e sulla distribuzione verticale del vapor d’acqua atmosferico attraverso le frequenze nelle microonde nell’intervallo 90-190 GHz. I canali a 183.31 GHz, sono stati utilizzati per alimentare gli algoritmi 183-WSL, per la stima delle precipitazioni, e MWCC, per la classificazione del tipo di nubi. Infine, le simulazioni tramite modello WRF hanno fornito i dati necessari per l’analisi dei campi di vento e di vorticità nella zona interessata dal ciclone. Lo schema computazione a soglie di sensibilità dell’algoritmo di detection è stato realizzato basandosi sui dati del medicane “Rolf” che, nel novembre 2011, ha interessato la zona del Mediterraneo occidentale. Sono stati, inoltre, utilizzati i dati di fulminazione della rete WWLLN, allo scopo di identificare meglio la fase di innesco del ciclone da quella matura. La validità dell’algoritmo è stata successivamente verificata su due casi studio: un medicane che nel settembre 2006 ha interessato la Puglia e un MCS sviluppatosi sulla Sicilia orientale nell'ottobre 2009. I risultati di questo lavoro di tesi da un lato hanno apportato un miglioramento delle conoscenze scientifiche sui cicloni mediterranei simil-tropicali, mentre dall’altro hanno prodotto una solida base fisica per il futuro sviluppo di un algoritmo automatico di riconoscimento per sistemi di tipo medicane.

FoundHouse

Il lavoro di questa tesi si pone l'obbiettivo di realizzare un'applicazione, per dispositivi Android, di un'ipotetica agenzia immobiliare dal nome “FoundHouse” con alcuni edifici fittizi completi di tutte le informazioni fondamentali a caratterizzarli (immagini, nome, città, località, descrizione, prezzi).

Villa 'la rotonda' dei conti Guidi da Bagno a Savignano sul Rubicone: Un trattato in muratura per leggere il passato e progettare il presente

Il primo passo verso un progetto di restauro è costituito dal riconoscimento dell’opera d’arte, che è ciò che spinge al desiderio di trasmetterla al futuro. Nel momento in cui ad un oggetto si riconosce una valenza storica e artistica, questo assume per la collettività un valore che va conservato e potenziato. Attraverso una approfondita conoscenza delle vicende che hanno interessato la villa dal momento della sua edificazione fino ai giorni nostri, è stato possibile realizzare un progetto che mira alla sua conservazione e alla valorizzazione.

Dynamic networks, text analysis and Gephi: the art math

In numerosi campi scientici l'analisi di network complessi ha portato molte recenti scoperte: in questa tesi abbiamo sperimentato questo approccio sul linguaggio umano, in particolare quello scritto, dove le parole non interagiscono in modo casuale. Abbiamo quindi inizialmente presentato misure capaci di estrapolare importanti strutture topologiche dai newtork linguistici(Degree, Strength, Entropia, . . .) ed esaminato il software usato per rappresentare e visualizzare i grafi (Gephi). In seguito abbiamo analizzato le differenti proprietà statistiche di uno stesso testo in varie sue forme (shuffolato, senza stopwords e senza parole con bassa frequenza): il nostro database contiene cinque libri di cinque autori vissuti nel XIX secolo. Abbiamo infine mostrato come certe misure siano importanti per distinguere un testo reale dalle sue versioni modificate e perché la distribuzione del Degree di un testo normale e di uno shuffolato abbiano lo stesso andamento. Questi risultati potranno essere utili nella sempre più attiva analisi di fenomeni linguistici come l'autorship attribution e il riconoscimento di testi shuffolati.

Principi di funzionamento della pet/tc e campi applicativi

Una delle aree di maggiore innovazione nella diagnostica per immagini è rappresentata dalla possibilità di fondere le scansioni PET e TC in un sistema di acquisizione ibrido che realizza entrambi gli studi in un'unica seduta. Questa tecnica abbina infatti la capacità di raccogliere le immagini ad alta definizione della TC che può essere eseguita anche con il mezzo di contrasto tradizionale, con informazioni metaboliche estremamente dettagliate raccolte dalla PET, unificandole in un sistema di immagini ibride. Attualmente la PET ha un preminente utilizzo in campo oncologico, tanto che circa l’80% degli esami effettuati è mirato a monitorare la risposta dei pazienti a trattamenti contro il cancro e a discriminare o caratterizzare lesioni dubbie evidenziate in studi morfologici effettuati con CT e MRI. Oltre all’ambito delle patologie neoplastiche, le tecniche di imaging PET/CT hanno dimostrato una importanza rilevante anche in applicazioni di cardiologia e neurologia.

Analysis of cone-beam ct dose in image-guided radiation therapy for brain and prostate cancer patients via gpu-based Monte Carlo simulations

La radioterapia guidata da immagini (IGRT), grazie alle ripetute verifiche della posizione del paziente e della localizzazione del volume bersaglio, si è recentemente affermata come nuovo paradigma nella radioterapia, avendo migliorato radicalmente l’accuratezza nella somministrazione di dose a scopo terapeutico. Una promettente tecnica nel campo dell’IGRT è rappresentata dalla tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT). La CBCT a kilovoltaggio, consente di fornire un’accurata mappatura tridimensionale dell’anatomia del paziente, in fase di pianificazione del trattamento e a ogni frazione del medisimo. Tuttavia, la dose da imaging attribuibile alle ripetute scansioni è diventata, negli ultimi anni, oggetto di una crescente preoccupazione nel contesto clinico. Lo scopo di questo lavoro è di valutare quantitativamente la dose addizionale somministrata da CBCT a kilovoltaggio, con riferimento a tre tipici protocolli di scansione per Varian OnBoard Imaging Systems (OBI, Palo Alto, California). A questo scopo sono state condotte simulazioni con codici Monte Carlo per il calcolo della dose, utilizzando il pacchetto gCTD, sviluppato sull’architettura della scheda grafica. L’utilizzo della GPU per sistemi server di calcolo ha permesso di raggiungere alte efficienze computazionali, accelerando le simulazioni Monte Carlo fino a raggiungere tempi di calcolo di ~1 min per un caso tipico. Inizialmente sono state condotte misure sperimentali di dose su un fantoccio d’acqua. I parametri necessari per la modellazione della sorgente di raggi X nel codice gCTD sono stati ottenuti attraverso un processo di validazione del codice al fine di accordare i valori di dose simulati in acqua con le misure nel fantoccio. Lo studio si concentra su cinquanta pazienti sottoposti a cicli di radioterapia a intensità modulata (IMRT). Venticinque pazienti con tumore al cervello sono utilizzati per studiare la dose nel protocollo standard-dose head e venticinque pazienti con tumore alla prostata sono selezionati per studiare la dose nei protocolli pelvis e pelvis spotlight. La dose media a ogni organo è calcolata. La dose media al 2% dei voxels con i valori più alti di dose è inoltre computata per ogni organo, al fine di caratterizzare l’omogeneità spaziale della distribuzione.

Segmentazione automatica dell'atrio sinistro e valutazione della fibrosi atriale in risonanza magnetica

Questo lavoro di tesi si è svolto in collaborazione con le Unità Operative di Cardiologia e di Radiologia dell’ospedale “M. Bufalini” di Cesena e della St. Jude Medical, Inc., con l’obiettivo di sviluppare e implementare un metodo per l’identificazione e la valutazione della fibrosi atriale mediante risonanza magnetica in pazienti con fibrillazione atriale, candidati a procedura di ablazione. I pazienti sono stati sottoposti all’esame di risonanza magnetica (RM) angio per la valutazione della morfologia atriale e alla DE-MRI per l’identificazione e la visualizzazione delle zone di alto enhancement sulla struttura 3D dell’atrio sinistro, ossia le zone di alta intensità corrispondenti alla fibrosi. La struttura anatomica è utile all’elettrofisiologo per conoscere la morfologia dell’atrio e delle vene polmonari, permettendo quindi di minimizzare l’uso della fluoroscopia durante la procedura di ablazione. La conoscenza dei siti e della quantificazione della fibrosi è vantaggiosa per il medico per la pianificazione preoperatoria, in quanto nei pazienti con molta fibrosi non è sufficiente l’isolamento delle vene polmonari, ma si ottengono risultati migliori effettuando un’ablazione estensiva della parete atriale. Inoltre gli studi in letteratura hanno dimostrato che i pazienti con un’estensione di fibrosi superiore al 35% della superficie atriale, hanno una probabilità superiore al 50% di soffrire nuovamente di fibrillazione atriale dopo la procedura di ablazione; lo studio della fibrosi atriale vuole quindi essere un metodo per predire se l’ablazione avrà successo, oppure se è preferibile seguire indicazioni terapeutiche diverse. Il primo passo di questo lavoro è stata la registrazione delle immagini angio-RM e DE-MR mediante il software VolView. Successivamente si è implementato un programma in Matlab per segmentare in modo automatico l’atrio sinistro e si è visualizzata la struttura tridimensionale con la mappa cromatica della fibrosi utilizzando il software ParaView. Infine per validare questo lavoro si è effettuato un confronto qualitativo dei risultati ottenuti con il mappaggio elettro-anatomico acquisito mediante il sistema EnSite Velocity della St. Jude Medical, Inc. durante la procedura di ablazione transcatetere. Per eseguire questo confronto è stato necessario interfacciare il nostro lavoro con il sistema EnSite Velocity, con lo scopo di riuscire a visualizzare le mappe elettro-anatomiche sul nostro sistema e di importare la nostra struttura anatomica nel loro.

L'impatto della geometria urbana per applicazioni del telerilevamento in ambito energetico: l'influenza dello sky view factor.

Comprensione delle formulazioni analitiche e dei metodi tradizionali per il calcolo puntuale dello Sky View Factor (SVF), un parametro adimensionale in grado di esprimere con un singolo valore l’influenza dei fattori morfologici sulla porzione di volta celeste visibile da un punto. Valutazione delle performance dei software di mappatura dello SVF in area urbana al variare di tipologia e qualità del dato di input e dei parametri utilizzati. Al fine di studiare degli aspetti algoritmici dei modelli esistenti, è stato sviluppato uno script in linguaggio MATLAB per apportare miglioramenti alle tecniche esaminate.

Valutazione della morfologia e della funzione della valvola tricuspide: il contributo dell'imaging tridimensionale

La tricuspide è la valvola meno studiata tra quelle cardiache e per questo motivo le conoscenze su questa sono in genere approssimative. Le poche conoscenze sulla valvola, inoltre, non garantiscono una elevata percentuale di successo di un intervento chirurgico. Fino a qualche anno fa i parametri utilizzati per studiare la valvola e determinare il grado di severità delle patologie che la colpiscono (insufficienza e stenosi) erano ricavati da immagini ecografie bidimensionali. Questi però molto spesso risultano inadeguati. Così i ricercatori, negli ultimi tempi, hanno elaborato metodi che utilizzano l’ecocardiografia tridimensionale anche per la valvola tricuspide (prima l’ecocardiografia in clinica era utilizzata per valutare le valvole della parte sinistra del cuore) e si sono potuti così rivalutare i parametri precedentemente ricavati con analisi bidimensionale. Tutto ciò ha avuto ricadute positive sulla terapia chirurgica che si è potuta avvalere di protesi valvolari più fisiologiche derivate dalle più precise conoscenze anatomiche e funzionali con ovvie conseguenze positive sul benessere dei pazienti trattati. Naturalmente questi sono solamente i primi passi che la ricerca ha compiuto in questo campo e si prospettano nuovi sviluppi soprattutto per quanto riguarda il software che dovrebbe essere implementato in modo tale che lo studio della valvola tricuspide diventi di routine anche nella pratica clinica. In particolare, lo studio della valvola tricuspide mediante eco 3D consentirebbe anche la valutazione pre- operatoria ed il planning paziente-specifico dell'intervento da effettuare. In particolare questo elaborato prevede nel capitolo 1 la trattazione dell’anatomia e della fisiologia della valvola, nel capitolo 2 la descrizione delle patologie che colpiscono la tricuspide, nel capitolo 3 i parametri che si possono ricavare con esami strumentali e in particolare con ecocardiografia bidimensionale e infine nel capitolo 4 lo studio della valvola tricuspide con ecocardiografia tridimensionale.

La PCA per la riduzione dei dati di SPHERE IFS

Nel primo capitolo di questa tesi viene presentata una panoramica dei principali metodi di rivelazione degli esopianeti: il metodo della Velocità Radiale, il metodo Astrometrico, il metodo del Pulsar Timing, il metodo del Transito, il metodo del Microlensing ed infine il metodo del Direct Imaging che verrà approfondito nei capitoli successivi. Nel secondo capitolo vengono presentati i principi della diffrazione, viene mostrato come attenuare la luce stellare con l'uso del coronografo; vengono descritti i fenomeni di aberrazione della luce provocati dalla strumentazione e dagli effetti distorsivi dell'atmosfera che originano le cosiddette speckle; vengono poi presentate le moderne soluzioni tecniche come l'ottica attiva e adattiva, che hanno permesso un considerevole miglioramento della qualità delle osservazioni. Nel terzo capitolo sono illustrate le tecniche di Differential Imaging che permettono di rimuovere efficacemente le speckle e di migliorare il contrasto delle immagini. Nel quarto viene presentata una descrizione matematica della Principal Component Analysis (Analisi delle Componenti Principali), il metodo statistico utilizzato per la riduzione dei dati astronomici. Il quinto capitolo è dedicato a SPHERE, lo strumento progettato per il Very Large Telescope (VLT), in particolare viene descritto il suo spettrografo IFS con il quale sono stati ottenuti, nella fase di test, i dati analizzati nel lavoro di tesi. Nel sesto capitolo vengono mostrate le procedure di riduzione dati e l'applicazione dell'algoritmo di IDL LA_SVD che applica la Principal Component Analysis e ha permesso, analogamente ai metodi di Differenzial Imaging visti in precedenza, di rimuovere le speckle e migliorare il contrasto delle immagini. Nella parte conclusiva, vengono discussi i risultati.

Progettazione e sviluppo di un'applicazione smartphone per il turismo alberghiero

L'applicazione Android sviluppata permette ad uno specifico hotel di potersi presentare e di offrire diversi servizi online quali l'itinerario per raggiungerlo, una galleria di immagini e il poter prenotare una offerta.

Caratterizzazione di epid a silicio amorfo per controlli dosimetrici su fasci di fotoni ad alta energia.

Il presente lavoro è stato svolto presso la struttura di Radioterapia del Policlinico S. Orsola - Malpighi e consiste nella caratterizzazione di un sistema di acquisizione per immagini portali (EPID) come dosimetro relativo bidimensionale da usare nei controlli di qualità sui LINAC. L’oggetto di studio è il sistema di acquisizione di immagini portali OPTIVUE 1000ST (Siemens), dispositivo flat panel di silicio amorfo (a-Si) assemblato all’acceleratore lineare Siemens Oncor. La risposta dell’EPID è stata analizzata variando i parametri di consegna della dose, mantenendo fissa la distanza fuoco-rivelatore. Le condizioni di stabilità, ottimali per lavorare, si hanno intorno alle 50 U.M. Dalle curve dei livelli di grigio ottenute risulta evidente che in diverse condizioni d’irraggiamento il sistema risponde con curve di Dose-Risposta differenti, pur restando nello stesso range di dose. Lo studio include verifiche sperimentali effettuate con l’OPTIVUE e usate per espletare alcuni controlli di qualità di tipo geometrico come la coincidenza campo luminoso – campo radiante e la verifica del corretto posizionamento delle lamelle del collimatore multilamellare. Le immagini portali acquisite verranno poi confrontate con quelle ottenute irraggiando tradizionalmente una CR (computed radiography), per la coincidenza e una pellicola radiocromica EBT 3, per l’MLC. I risultati ottenuti mostrano che, per il primo controllo, in entrambi i modi, si è avuta corrispondenza tra campo radiante e campo luminoso; il confronto fra le due metodiche di misura risulta consistente entro i valori di deviazioni standard calcolati, l’OPTIVUE può essere utilizzato efficacemente in tale controllo di qualità. Nel secondo controllo abbiamo ottenuto differenze negli errori di posizionamento delle lamelle individuati dai due sistemi di verifica dell’ordine di grandezza dei limiti di risoluzione spaziale. L’OPTIVUE è in grado di riconoscere errori di posizionamento preesistenti con un’incertezza che ha come limite la dimensione del pixel. Il sistema EPID, quindi, è efficace, affidabile, economico e rapido.

Scripting automation e modelli bayesiani: Applicazioni cliniche in radioterapia e sviluppo di tecniche innovative per adaptive radiation therapy

La presente ricerca consiste nel validare ed automatizzare metodiche di Adaptive Radiation Therapy (ART), che hanno come obiettivo la personalizzazione continua del piano di trattamento radioterapico in base alle variazioni anatomiche e dosimetriche del paziente. Tali variazioni (casuali e/o sistematiche) sono identificabili mediante l’utilizzo dell’imaging diagnostico. Il lavoro svolto presso la struttura di Fisica Medica dell’Azienda Ospedaliera Universitaria del Policlinico di Modena, si inserisce in un progetto del Ministero della Salute del bando Giovani Ricercatori dal titolo: “Dose warping methods for IGRT and ADAPTIVERT: dose accumulation based on organ motion and anatomical variations of the patients during radiation therapy treatments”. Questa metodica si sta affermando sempre più come nuova opportunità di trattamento e, per tale motivo, nasce l’esigenza di studiare e automatizzare processi realizzabili nella pratica clinica, con un utilizzo limitato di risorse. Si sono sviluppati script che hanno permesso l’automazione delle operazioni di Adaptive e deformazioni, raccogliendo i dati di 51 pazienti sottoposti a terapia mediante Tomotherapy. L’analisi delle co-registrazioni deformabili delle strutture e delle dosi distribuite, ha evidenziato criticità del software che hanno reso necessario lo sviluppo di sistemi di controllo dei risultati, per facilitare l’utente nella revisione quotidiana dei casi clinici. La letteratura riporta un numero piuttosto limitato di esperienze sulla validazione e utilizzo su larga scala di questi tools, per tale motivo, si è condotto un esame approfondito della qualità degli algoritmi elastici e la valutazione clinica in collaborazione di fisici medici e medici radioterapisti. Sono inoltre stati sviluppati principi di strutturazione di reti Bayesiane, che consentono di predirre la qualità delle deformazioni in diversi ambiti clinici (H&N, Prostata, Polmoni) e coordinare il lavoro quotidiano dei professionisti, identificando i pazienti, per i quali sono apprezzabili variazioni morfo-dosimetriche significative. Da notare come tale attività venga sviluppata automaticamente durante le ore notturne, sfruttando l’automation come strumento avanzato e indipendente dall’operatore. Infine, il forte sviluppo, negli ultimi anni della biomeccanica applicata al movimento degli organi (dimostrato dalla numerosa letteratura al riguardo), ha avuto come effetto lo sviluppo, la valutazione e l’introduzione di algoritmi di deformazione efficaci. In questa direzione, nel presente lavoro, si sono analizzate quantitivamente le variazioni e gli spostamenti delle parotidi, rispetto all’inizio del trattamento, gettando le basi per una proficua linea di ricerca in ambito radioterapico.

Surface preparation and characterization of semipolar (20-21) ingan layers

In questa tesi vengono studiate le proprietà fisiche della superficie di eterostrutture InGaN/GaN cresciute con orientazione semipolare (20-21). Questi materiali fornirebbero una valida alternativa alle eterostrutture cresciute secondo la tradizionale direzione di crescita polare (0001) per la realizzazione di LED e diodi laser. I dispositivi cresciuti con orientazione semipolare (20-21) sono studiati soltanto da pochi anni e hanno già fornito dei risultati che incitano significativamente il proseguimento della ricerca in questo campo. Oltre all’ottimizzazione dell’efficienza di questi dispositivi, sono richieste ulteriori ricerche al fine di raccogliere delle informazioni mancanti come un chiaro modello strutturale della superficie (20-21). I capitoli 1 e 2 forniscono un quadro generale sul vasto campo dei semiconduttori basati sui nitruri del terzo gruppo. Il capitolo 1 tratta le proprietà generali, come le caratteristiche della struttura cristallina della wurtzite, l’energy gap e il più comune metodo di crescita epitassiale. Il capitolo 2 tratta le proprietà specifiche della superficie (20-21) come struttura, morfologia e proprietà legate all’eterostruttura InGaN/GaN (incorporazione di indio, strain e spessore critico). Nel capitolo 3 vengono descritte sinteticamente le tecniche sperimentali utilizzate per studiare i campioni di InGaN. Molte di queste tecniche richiedono condizioni operative di alto vuoto e appositi metodi di preparazione superficiale. Nel capitolo 4 vengono discussi i risultati sperimentali riguardanti la preparazione superficiale e le proprietà strutturali dei campioni. Il trattamento termico in ambiente ricco di azoto si rivela essere un metodo molto efficiente per ottenere superfici pulite. La superficie dei campioni presenta una morfologia ondulatoria e una cella unitaria superficiale di forma rettangolare. Nel capitolo 4 vengono discussi i risultati sperimentali relativi alle proprietà elettroniche e ottiche dei campioni. Immagini alla risoluzione atomica rivelano la presenza di ondulazioni alla scala dei nanometri. Vengono misurati l’energy gap e l’incurvamento superficiale della bande. Inoltre vengono identificate una serie di transizioni interbanda dovute all’interfaccia InGaN/GaN.