Ottimizzazione di metodi numerici e realizzazione di un setup per l'imaging di colture cellulari 3D con tomografia ad impedenza elettrica

Il presente lavoro di tesi presenta la progettazione, realizzazione e applicazione di un setup sperimentale miniaturizzato per la ricostruzione di immagine, con tecnica di Tomografia ad Impedenza Elettrica (EIT). Il lavoro descritto nel presente elaborato costituisce uno studio di fattibilità preliminare per ricostruire la posizione di piccole porzioni di tessuto (ordine di qualche millimetro) o aggregati cellulari dentro uno scaffold in colture tissutali o cellulari 3D. Il setup disegnato incorpora 8 elettrodi verticali disposti alla periferia di una camera di misura circolare del diametro di 10 mm. Il metodo di analisi EIT è stato svolto utilizzando i) elettrodi conduttivi per tutta l’altezza della camera (usati nel modello EIT bidimensionale e quasi-bidimensionale) e ii) elettrodi per deep brain stimulation (conduttivi esclusivamente su un ridotto volume in punta e posti a tre diverse altezze: alto, centro e basso) usati nel modello EIT tridimensionale. Il metodo ad elementi finiti (FEM) è stato utilizzato per la soluzione sia del problema diretto che del problema inverso, con la ricostruzione della mappa di distribuzione della conduttività entro la camera di misura. Gli esperimenti svolti hanno permesso di ricostruire la mappa di distribuzione di conduttività relativa a campioni dell’ordine del millimetro di diametro. Tali dimensioni sono compatibili con quelle dei campioni oggetto di studio in ingegneria tissutale e, anche, con quelle tipiche dei sistemi organ-on-a-chip. Il metodo EIT sviluppato, il prototipo del setup realizzato e la trattazione statistica dei dati sono attualmente in fase di implementazione in collaborazione con il gruppo del Professor David Holder, Dept. Medical Physics and Bioengineering, University College London (UCL), United Kingdom.

L'informazione di fase per la segmentazione volumetrica di dati ecocardiografici

L’imaging ad ultrasuoni è una tecnica di indagine utilizzata comunemente per molte applicazioni diagnostiche e terapeutiche. La tecnica ha numerosi vantaggi: non è invasiva, fornisce immagini in tempo reale e l’equipaggiamento necessario è facilmente trasportabile. Le immagini ottenute con questa tecnica hanno tuttavia basso rapporto segnale rumore a causa del basso contrasto e del rumore caratteristico delle immagini ad ultrasuoni, detto speckle noise. Una corretta segmentazione delle strutture anatomiche nelle immagini ad ultrasuoni è di fondamentale importanza in molte applicazioni mediche . Nella pratica clinica l’identificazione delle strutture anatomiche è in molti casi ancora ottenuta tramite tracciamento manuale dei contorni. Questo processo richiede molto tempo e produce risultati scarsamente riproducibili e legati all’esperienza del clinico che effettua l’operazione. In ambito cardiaco l’indagine ecocardiografica è alla base dello studio della morfologia e della funzione del miocardio. I sistemi ecocardiografici in grado di acquisire in tempo reale un dato volumetrico, da pochi anni disponibili per le applicazioni cliniche, hanno dimostrato la loro superiorità rispetto all’ecocardiografia bidimensionale e vengono considerati dalla comunità medica e scientifica, la tecnica di acquisizione che nel futuro prossimo sostituirà la risonanza magnetica cardiaca. Al fine di sfruttare appieno l’informazione volumetrica contenuta in questi dati, negli ultimi anni sono stati sviluppati numerosi metodi di segmentazione automatici o semiautomatici tesi alla valutazione della volumetria del ventricolo sinistro. La presente tesi descrive il progetto, lo sviluppo e la validazione di un metodo di segmentazione ventricolare quasi automatico 3D, ottenuto integrando la teoria dei modelli level-set e la teoria del segnale monogenico. Questo approccio permette di superare i limiti dovuti alla scarsa qualità delle immagini grazie alla sostituzione dell’informazione di intensità con l’informazione di fase, che contiene tutta l’informazione strutturale del segnale.

Ideazione di sistemi distribuiti collaborativi basati su realta aumentata mobile: Un caso di studio, con approfondimento relativo al livello della cooperazione

Dall'inizio del nuovo millennio lo sviluppo di tecnologie nel campo del mobile computing, della rete internet, lo sviluppo dell'Internet of things e pure il cloud computing hanno reso possibile l'innovazione dei metodi di lavoro e collaborazione. L'evoluzione del mobile computing e della realtà aumentata che sta avvenendo in tempi più recenti apre potenzialmente nuovi orizzonti nello sviluppo di sistemi distribuiti collaborativi. Esistono oggi diversi framework a supporto della realtà aumentata, Wikitude, Metaio, Layar, ma l'interesse primario di queste librerie è quello di fornire una serie di API fondamentali per il rendering di immagini 3D attraverso i dispositivi, per lo studio dello spazio in cui inserire queste immagini e per il riconoscimento di marker. Questo tipo di funzionalità sono state un grande passo per quanto riguarda la Computer Graphics e la realtà aumentata chiaramente, però aprono la strada ad una Augmented Reality(AR) ancora più aumentata. Questa tesi si propone proprio di presentare l'ideazione, l'analisi, la progettazione e la prototipazione di un sistema distribuito situato a supporto della collaborazione basato su realtà aumentata. Lo studio di questa applicazione vuole mettere in luce molti aspetti innovativi e che ancora oggi non sono stati approfonditi né tanto meno sviluppati come API o forniti da librerie riguardo alla realtà aumentata e alle sue possibili applicazioni.

Radiologia distribuita: Cloud e Post Processing 3D

L’effetto dell’informatica e dell’automazione sulle procedure medico sanitarie si sta manifestando in maniera sempre più ampia, portando notevoli vantaggi per la salute e il benessere di tutti i pazienti e al tempo stesso ponendo sfide sempre più complesse alle istituzioni sanitarie e ai produttori di dispositivi medico-sanitari. Al di là dei meriti del singolo prodotto o tecnologia, esiste un fattore strategico che dovrebbe essere sempre considerato nel momento di progettare un software o un dispositivo da utilizzare in ambito sanitario (da parte dei produttori) o nel momento di pianificare l’acquisto di sistemi medicali o diagnostici complessi (da parte delle istituzioni sanitarie): l’aspetto dell’Integrazione, ovvero la capacità del sistema di inserirsi in maniera semplice, efficace e poco costosa in un Workflow (flusso di lavoro) completamente integrato. Nel primo capitolo di questo elaborato finale è stato fatto un quadro generale sull’organizzazione del flusso di lavoro in radiologia e sono stati trattati i vari standard di comunicazione e scambio dati in ambito clinico, in primis DICOM, HL7 e IHE. L’oggetto del secondo capitolo è l’organizzazione e gli obbiettivi del Dipartimento di Radiologia attuati dal Gruppo Villa Maria (GVM) e il confronto di questi ultimi con il contenuto del documento: ‘Linee guida per l’assicurazione di qualita` in teleradiologia ‘che è stata redatta dal Istituto Superiore di Sanita` destinata ad apportare, non solo ai medici radiologi ed ai TSRM ma anche agli altri professionisti della sanità coinvolti, gli elementi di informazione e di metodo per l’organizzazione della teleradiologia nel rispetto delle esigenze della deontologia medica, della sicurezza del paziente, compreso il consenso, anche per quanto riguarda la radioprotezione, la privacy e la qualità. Nel terzo capitolo sono elencati gli strumenti con cui il Dipartimento di radiologia intende perseguire i suoi obbiettivi. Il quarto capitolo tratta la mia esperienza presso una clinica esterna al GVM, in particolare la clinica Santo Stefano, di Porto Potenza Picena, dove sono stati fatti dei test volti a valutare i tempi di caricamento di esami di TAC e RMN sul cloud di GVM.

Localizzazione e tracking tramite filtri statistici in sistemi multi antenna

Uno dei temi più recenti nel campo delle telecomunicazioni è l'IoT. Tale termine viene utilizzato per rappresentare uno scenario nel quale non solo le persone, con i propri dispositivi personali, ma anche gli oggetti che le circondano saranno connessi alla rete con lo scopo di scambiarsi informazioni di diversa natura. Il numero sempre più crescente di dispositivi connessi in rete, porterà ad una richiesta maggiore in termini di capacità di canale e velocità di trasmissione. La risposta tecnologica a tali esigenze sarà data dall’avvento del 5G, le cui tecnologie chiave saranno: massive MIMO, small cells e l'utilizzo di onde millimetriche. Nel corso del tempo la crescita delle vendite di smartphone e di dispositivi mobili in grado di sfruttare la localizzazione per ottenere servizi, ha fatto sì che la ricerca in questo campo aumentasse esponenzialmente. L'informazione sulla posizione viene utilizzata infatti in differenti ambiti, si passa dalla tradizionale navigazione verso la meta desiderata al geomarketing, dai servizi legati alle chiamate di emergenza a quelli di logistica indoor per industrie. Data quindi l'importanza del processo di positioning, l'obiettivo di questa tesi è quello di ottenere la stima sulla posizione e sulla traiettoria percorsa da un utente che si muove in un ambiente indoor, sfruttando l'infrastruttura dedicata alla comunicazione che verrà a crearsi con l'avvento del 5G, permettendo quindi un abbattimento dei costi. Per fare ciò è stato implementato un algoritmo basato sui filtri EKF, nel quale il sistema analizzato presenta in ricezione un array di antenne, mentre in trasmissione è stato effettuato un confronto tra due casi: singola antenna ed array. Lo studio di entrambe le situazioni permette di evidenziare, quindi, i vantaggi ottenuti dall’utilizzo di sistemi multi antenna. Inoltre sono stati analizzati altri elementi chiave che determinano la precisione, quali geometria del sistema, posizionamento del ricevitore e frequenza operativa.

Il rilievo della facciata della chiesa di Santa Lucia a Bologna, mediante sistemi fotogrammetrici a basso costo e open source.

Questo elaborato presenta una procedura di rilievo eseguito con la scansione Laser e la Fotogrammetria per lo studio della facciata della Chiesa di Santa Lucia in Bologna e le successive elaborazioni dei dati tramite software di correlazione automatica Open Source e commerciali Low Cost basati sui principi della Structure from Motion. Nel particolare, il rilievo laser è stato eseguito da 5 posizioni diverse e tramite l’utilizzo di 7 target, mentre il rilievo fotogrammetrico è stato di tipo speditivo poiché le prese sono state eseguite solo da terra ed è stato impiegato un tempo di lavoro minimo (una decina di minuti). I punti di appoggio per la georeferenziazione dei dati fotogrammetrici sono stati estratti dal datum fornito dal laser e dal set di fotogrammi a disposizione è stato ottenuta una nuvola di punti densa tramite programmi Open Source e con software commerciali. Si sono quindi potuti operare confronti tra i risultati ottenuti con la fotogrammetria e tra il dato che si aveva di riferimento, cioè il modello tridimensionale ottenuto grazie al rilievo laser. In questo modo si è potuto verificare l’accuratezza dei risultati ottenuti con la fotogrammetria ed è stato possibile determinare quale calcolo teorico approssimativo dell’errore poteva essere funzionante per questo caso di studio e casi simili. Inoltre viene mostrato come produrre un foto raddrizzamento tramite l’utilizzo di una sola foto utilizzando un programma freeware. Successivamente è stata vettorializzata la facciata della chiesa ed è stata valutata l’accuratezza di tale prodotto, sempre confrontandola con il dato di riferimento, ed infine è stato determinato quale calcolo teorico dell’errore poteva essere utilizzato in questo caso. Infine, avendo notato la diffusione nel commercio odierno della stampa di oggetti 3D, è stato proposto un procedimento per passare da una nuvola di punti tridimensionale ad un modello 3D stampato.

Leap Aided Modelling (LAM) in Blender

L'evoluzione tecnologica e l'utilizzo crescente della computer grafica in diversi settori stanno suscitando l'interesse di sempre più persone verso il mondo della modellazione 3D. I software di modellazione, tuttavia, si presentano spesso inadeguati all'utilizzo da parte di utenti senza esperienza, soprattutto a causa dei comandi di navigazione e modellazione poco intuitivi. Dal punto di vista dell'interazione uomo-computer, questi software devono infatti affrontare un grande ostacolo: il rapporto tra dispositivi di input 2D (come il mouse) e la manipolazione di una scena 3D. Il progetto presentato in questa tesi è un addon per Blender che consente di utilizzare il dispositivo Leap Motion come ausilio alla modellazione di superfici in computer grafica. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di progettare e realizzare un'interfaccia user-friendly tra Leap e Blender, in modo da potere utilizzare i sensori del primo per facilitare ed estendere i comandi di navigazione e modellazione del secondo. L'addon realizzato per Blender implementa il concetto di LAM (Leap Aided Modelling: modellazione assistita da Leap), consentendo quindi di estendere le feature di Blender riguardanti la selezione, lo spostamento e la modifica degli oggetti in scena, la manipolazione della vista utente e la modellazione di curve e superfici Non Uniform Rational B-Splines (NURBS). Queste estensioni sono state create per rendere più veloci e semplici le operazioni altrimenti guidate esclusivamente da mouse e tastiera.

Il Vestibolo di Piazza d'Oro - Rilievi per la modellazione 3D ed il texturing

Il caso studio del vestibolo ottagonale di Villa Adriana ha dato la possibilità di applicare ad un edificio di notevole valore storico e artistico tecniche di restituzione digitale e di modellazione tridimensionale basate su applicativi di modellazione geometrica, con lo scopo di generarne il modello 3D digitale fotorealistico e polifunzionale. Nel caso specifico del vestibolo, un modello tridimensionale di questo tipo risulta utile a fini documentativi, a sostegno di ipotesi costruttive e come strumento per la valutazione di interventi di restauro. Il percorso intrapreso ha permesso di valutare le criticità nelle tecniche di acquisizione, modellazione e foto-modellazione tridimensionale applicate in ambito archeologico, tecniche usate abitualmente anche in settori quali l’architettura, il design industriale ma anche nel cinema (effetti speciali e film d’animazione) e in ambito videoludico, con obiettivi differenti: nel settore del design e della progettazione industriale il Reverse Modeling viene impiegato per eseguire controlli di qualità e rispetto delle tolleranze sul prodotto finale, mentre in ambito cinematografico e videoludico (in combinazione con altri software) permette la creazione di modelli realistici da inserire all’interno di film o videogiochi, (modelli non solo di oggetti ma anche di persone). La generazione di un modello tridimensionale ottenuto tramite Reverse Modeling è frutto di un processo opposto alla progettazione e può avvenire secondo diverse strategie, ognuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi specifici che la rendono più indicata in alcuni casi piuttosto che in altri. In questo studio sono state analizzate acquisizioni tridimensionali effettuate tramite Laser Scan e tramite applicazioni Structure from Motion/Dense Stereo View.

Sviluppo di nuovi algoritmi di pianificazione per sistemi non olonomici e con dinamica non linerare

L'obiettivo del kinodynamic motion planning è quello di determinare una sequenza di input di controllo per guidare un agente da uno stato iniziale ad uno finale, rispettando la dinamica del corpo e i vincoli fisici. In questa tesi sono presentate diverse versioni di algoritmi basati su Rapidly-exploring Random Tree in grado di risolvere questo tipo di problema. In particolare è preso in considerazione il caso di un sistema non lineare con vincoli non olonomici, rappresentativo del rover in dotazione al progetto europeo SHERPA. La qualità degli approcci proposti è inoltre provata con alcuni test di navigazione, in ambiente simulato, confrontando gli algoritmi proposti con alcuni presi nella letteratura di riferimento.

Creazione di una costmap 2D per la navigazione di un rover terrestre

L’obiettivo di questa tesi è riuscire ad elaborare una point cloud 3D proveniente dal laser scanner per individuare possibili ostacoli e creare con essa, successivamente, una mappa che permetta la navigazione di un rover.