"Influence of lower-limb joint models on subject-specific musculoskeletal model predictions during gait" ( "modelli muscoloscheletrici personalizzati dell'arto inferiore: Analisi dell'effetto della modellazione dei giunti sulla predizione dei carichi agenti sul sistema scheletrico durante il cammino").

The aim of the present thesis was to investigate the influence of lower-limb joint models on musculoskeletal model predictions during gait. We started our analysis by using a baseline model, i.e., the state-of-the-art lower-limb model (spherical joint at the hip and hinge joints at the knee and ankle) created from MRI of a healthy subject in the Medical Technology Laboratory of the Rizzoli Orthopaedic Institute. We varied the models of knee and ankle joints, including: knee- and ankle joints with mean instantaneous axis of rotation, universal joint at the ankle, scaled-generic-derived planar knee, subject-specific planar knee model, subject-specific planar ankle model, spherical knee, spherical ankle. The joint model combinations corresponding to 10 musculoskeletal models were implemented into a typical inverse dynamics problem, including inverse kinematics, inverse dynamics, static optimization and joint reaction analysis algorithms solved using the OpenSim software to calculate joint angles, joint moments, muscle forces and activations, joint reaction forces during 5 walking trials. The predicted muscle activations were qualitatively compared to experimental EMG, to evaluate the accuracy of model predictions. Planar joint at the knee, universal joint at the ankle and spherical joints at the knee and at the ankle produced appreciable variations in model predictions during gait trials. The planar knee joint model reduced the discrepancy between the predicted activation of the Rectus Femoris and the EMG (with respect to the baseline model), and the reduced peak knee reaction force was considered more accurate. The use of the universal joint, with the introduction of the subtalar joint, worsened the muscle activation agreement with the EMG, and increased ankle and knee reaction forces were predicted. The spherical joints, in particular at the knee, worsened the muscle activation agreement with the EMG. A substantial increase of joint reaction forces at all joints was predicted despite of the good agreement in joint kinematics with those of the baseline model. The introduction of the universal joint had a negative effect on the model predictions. The cause of this discrepancy is likely to be found in the definition of the subtalar joint and thus, in the particular subject’s anthropometry, used to create the model and define the joint pose. We concluded that the implementation of complex joint models do not have marked effects on the joint reaction forces during gait. Computed results were similar in magnitude and in pattern to those reported in literature. Nonetheless, the introduction of planar joint model at the knee had positive effect upon the predictions, while the use of spherical joint at the knee and/or at the ankle is absolutely unadvisable, because it predicted unrealistic joint reaction forces.

Reti neurali e modelli fisico-predittivi: Dati clinici e analisi di trattamenti in tomotherapy

Il lavoro è parte integrante di un progetto di ricerca del Ministero della Salute ed è stato sviluppato presso la Fisica Sanitaria ed il reparto di Radioterapia Oncologica dell’Azienda Ospedaliero Universitaria di Modena. L’obiettivo è la realizzazione di modelli predittivi e di reti neurali per tecniche di warping in ambito clinico. Modifiche volumetrico-spaziali di organi a rischio e target tumorali, durante trattamenti tomoterapici, possono alterare la distribuzione di dose rispetto ai constraints delineati in fase di pianificazione. Metodologie radioterapiche per la valutazione di organ motion e algoritmi di registrazione ibrida permettono di generare automaticamente ROI deformate e quantificare la divergenza dal piano di trattamento iniziale. Lo studio si focalizzata sulle tecniche di Adaptive Radiation Therapy (ART) mediante la meta-analisi di 51 pazienti sottoposti a trattamento mediante Tomotherapy. Studiando il comportamento statistico del campione, sono state generate analisi predittive per quantificare in tempo reale divergenze anatomico dosimetriche dei pazienti rispetto al piano originale e prevedere la loro ripianificazione terapeutica. I modelli sono stati implementati in MATLAB, mediante Cluster Analysis e Support Vector Machines; l’analisi del dataset ha evidenziato il valore aggiunto apportabile dagli algoritmi di deformazione e dalle tecniche di ART. La specificità e sensibilità della metodica è stata validata mediante l’utilizzo di analisi ROC. Gli sviluppi del presente lavoro hanno aperto una prospettiva di ricerca e utilizzo in trattamenti multicentrici e per la valutazione di efficacia ed efficienza delle nuove tecnologie in ambito RT.

Modelli e tecnologie ad attori: analisi delle performance

Studio dei limiti della programmazione ad oggetti concorrente e introduzione dei modelli di concorrenza alternativi forniti in letteratura, prendendo gli attori come caso studio. Analisi delle performance della libreria ad attori Akka e confronto con i meccanismi forniti da Java 7.

Modelli matematici di potenziale d'azione atriale umano e analisi degli effetti di malattie genetiche aritmogene.

Il primo obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di sviluppare il primo modello matematico di potenziale d'azione pacemaker umano: è vero che gli studi elettrofisiologici pubblicati sull'uomo non hanno ancora raggiunto la mole di risultati ottenuti, invece, sugli altri mammiferi da laboratorio, ma i tempi possono ritenersi "maturi", in quanto i dati disponibili in letteratura sono sufficienti e adeguati allo scopo. Il secondo obiettivo di questo lavoro di tesi nasce direttamente dall'esigenza clinica di definire le relazioni causa-effetto tra la mutazione T78M della proteina caveolina-3 e le varie forme di aritmie cardiache riscontrate, ad essa associate. Lo scopo è quello di stabilire quale sia il link tra genotipo della mutazione e fenotipo risultante, ovvero colmare il gap esistente tra i dati sperimentali in vitro in possesso ed i meccanismi di alterazione delle correnti ioniche affette, per arrivare a osservare l'effetto che ne deriva sull'attività elettrica delle cellule. Proprio in relazione a quest'ultimo punto, i due obiettivi del lavoro convergono: l'analisi degli effetti indotti dalla mutazione T78M è, infatti, effettuata sul modello di potenziale d'azione di nodo senoatriale umano sviluppato (oltre che su altri modelli atriali).

Analisi computazionale e confronto con dati sperimentali della corrente rapida di potassio nei modelli di cardiomiocità ventricolare umano

Analisi della corrente rettificata di potassio IKr all'interno di tre modelli di potenziale d'azione ventricolare umano, e confronto con dati sperimentali in letteratura.

Formulazione e messa a punto di una metodologia per il progetto di ventilatori per gallerie del vento con applicazione al "long-pipe" del laboratorio CICLoPE : analisi attraverso l'impiego di modelli matematici in MATLAB

Nell'ottica di un futuro riprogetto, totale o parziale, del ventilatore della galleria del vento del progetto CICLoPE dell'Università di Bologna, è stato messo a punto, grazie a modelli matematici di letteratura, un algoritmo per la determinazione della geometria delle pale di un fan. La procedura si basa su ipotesi di incompressibilità e assenza di vortici di estremità ed è in grado di fornire la geometria del ventilatore una volta che sono state fissate: le condizioni richieste nella sezione di test, l'efficienza del tunnel e alcune proprietà del ventilatore stesso (ad esempio tipologia di profilo aerodinamico e numero di pale). L'algoritmo è in grado di lavorare solamente con la configurazione ventilatore seguito da profili raddrizzatori, ma è in previsione un'estensione che consentirà di studiare anche la configurazione a fan controrotanti (come quella del CICLoPE). Con questo software sono state progettate numerose soluzioni diverse per studiare il legame tra rendimento e geometria del ventilatore. Inoltre sono stati individuati i parametri che permettono di ottenere una pala con rastremazione e svergolatura trascurabili, con lo scopo di abbassare i costi del manufatto. In particolare è stato dimostrato come le configurazioni con diametro della nacelle grande (superiore al 65\% del diametro della sezione di potenza) siano particolarmente adatte a fornire rendimenti alti con la minima complicatezza della pala. Per quanto riguarda l'efficienza aerodinamica del profilo, i test comparativi indicano che questo parametro influisce relativamente poco sul rendimento del macchinario ma modifica profondamente la geometria della pala. Efficienze elevate tendono, secondo lo studio, a richiedere pale estremamente rastremate e poco svergolate; questo porta a preferire l'adozione di profili mediamente efficienti ma dall'ampio intervallo operativo in termini di angolo di attacco.

Metodi e modelli per la logistica distributiva nella filiera globale dell'olio alimentare. Analisi dell'impatto ambientale

La tesi tratta il tema dell'impatto ambientale della logistica distributiva della filiera globale dell'olio alimentare. Sono presentati i tratti salienti del mercato dell'olio: produttori, consumatori e packaging per l'olio. Si affronta il concetto di Green Logistics e le categorie chimiche inquinanti per la valutazione dell'impatto ambientale della filiera. Il caso analizzato riguarda la logistica di un'azienda italiana produttrice e distributrice di olio. Sono presentati e simulati degli scenari alternativi all'organizzazione logistica distributiva di tale azienda per eventuali migliorie maggiormente ecosostenibili.

Analisi di casi di studio meteorologici tramite modelli del Centro Europeo

Questa analisi è volta a esaminare le perturbazioni che, in date diverse (5/6 Febbraio 2015, 19-22 dicembre 2009, 1 febbraio 2012), hanno portato piovosità diffusa e nevicate intense nell'Emilia-Romagna. Il primo caso preso in esame, ossia quello relativo al periodo suddetto, ha rivestito grande importanza nello scenario dell’inverno scorso, in quanto ha provocato numerosi disagi alla viabilità, interruzione della distribuzione di acqua potabile e black-out elettrici nelle zone interessate da precipitazioni nevose; in Romagna invece sono stati numerosi gli allagamenti soprattutto nel Cesenate e nel Riminese. Nel secondo caso analizzato, invece, assistiamo al fenomeno non troppo comune del gelicidio. Provoca, infatti, anch’esso disagi gravi alla viabilità stradale e autostradale, nonché il pericolo di interruzione della corrente nelle linee elettriche, dovuta al peso del ghiaccio depositato sui conduttori che fa crollare i cavi dell’alta tensione. L’ultimo caso, infine, è stato trattato poiché rientrante nella famosa ondata di gelo della prima metà del Febbraio 2012. Vedremo, infatti, un quadro generale dell’ondata, dopodiché un “focus” sulle importanti nevicate del primo Febbraio in regione.

Analisi e confronto di sequenze di DNA mediante modelli Markoviani

Lo scopo di questa tesi è quello di evidenziare, attraverso varie analisi statistiche ed applicazione di modelli stocastici, il comportamento strutturale e funzionale dei dinucleotidi che compongono le sequenze di DNA di diversi organismi. Gli organismi che abbiamo scelto di prendere in considerazione sono l'uomo, il topo e l'Escherichia coli. Questa scelta non è stata casuale, ma oculata, al fine di mettere in risalto alcune differenze tra organismi eucarioti, quali l'uomo e il topo, ed organismi procarioti come il batterio E.coli. Nella prima parte del nostro studio, abbiamo computato le distanze che intercorrono tra occorrenze successive dello stesso dinucleotide lungo la sequenza, usando un metodo di non sovrapposizione, ed abbiamo iterato il calcolo per tutti i 16 dinucleotidi. Dopodiché ci siamo preoccupati di graficare le distribuzioni di distanza dei 16 dinucleotidi per l'E.Coli, il topo e l'uomo; gli istogrammi evidenziano un comportamento anomalo della distribuzione di CG che accomuna gli organismi eucarioti e di cui, invece, è esente l'organismo procariote esaminato. Questo dato statistico trova una spiegazione nei processi biologici di metilazione che possono innescarsi sul dinucleotide CG nelle sequenze eucariotiche. In seguito, per determinare quanto ciascuna delle 16 distribuzioni si discosti dalle altre abbiamo usato la divergenza di Jensen-Shannon. Per quantificare le differenze sostanziali tra le distribuzioni di CG dei 3 organismi considerati abbiamo deciso di verificare quale fosse il miglior fit per tali curve tra un esponenziale ed una power-law. L'esponenziale rappresenta un buon fit per le code delle distribuzioni di CG del topo e dell'uomo; ciò rivela la presenza di una lunghezza caratteristica per entrambi gli organismi. Nella seconda parte dello studio, i risultati vengono confrontati con modelli markoviani: sequenze random generate con catene di Markov di ordine zero (basate sulle frequenze relative dei nucleotidi) e uno (basate sulle probabilità di transizione tra diversi nucleotidi). Quest'ultima riproduce abbastanza fedelmente la sequenza biologica di partenza, per cui abbiamo scelto di utilizzare la catena Markov del 1° ordine per altre analisi statistiche riguardanti le distribuzioni dei nucleotidi, dinucleotidi, ed anche dei trinucleotidi con particolare interesse per quelli in cui è contenuto CG, in modo da verificare se l'anomalia si ripercuote anche in essi. Riteniamo pertanto che metodi basati su questo approccio potrebbero essere sfruttati per confermare le peculiarità biologiche e per migliorare l'individuazione delle aree di interesse, come le isole CpG, ed eventualmente promotori e Lamina Associated Domains (LAD), nel genoma di diversi organismi.

Analisi comparativa dei modelli per gli incendi di liquidi infiammabili

I depositi di liquidi infiammabili sono stabilimenti industriali in cui avvengono spesso incendi di grandi dimensioni a causa degli ingenti quantitativi di sostanze infiammabili detenute. Gli incendi tipici dei liquidi infiammabili sono gli incendi di pozza in caso di rilascio del liquido al suolo e gli incendi di serbatoio in caso di ignizione del liquido all’interno del serbatoio stesso. Tali incendi hanno la potenzialità di danneggiare le apparecchiature limitrofe, determinandone il cedimento e dunque l’incremento delle dimensioni dell’incendio e dell’area di danno; tale fenomeno è detto effetto domino. Per la modellazione degli incendi sono disponibili diversi strumenti, divisibili essenzialmente in due categorie: modelli semplici, ovvero basati su correlazioni semi-empiriche e modelli avanzati, costituiti dai codici CFD. L’obiettivo principale del presente lavoro di tesi è il confronto tra le diverse tipologie di strumenti disponibili per la modellazione degli incendi di liquidi infiammabili. In particolare sono stati confrontati tra loro il codice FDS (Fire Dynamics Simulator), il metodo del TNO ed il modello per gli incendi di pozza incorporato nel software ALOHA. Il codice FDS è un modello avanzato, mentre il metodo del TNO ed il modello implementato nel software ALOHA sono modelli semplici appartenenti alla famiglia dei Solid Flame Models. La prima parte del presente lavoro di tesi è dedicata all’analisi delle caratteristiche e delle problematiche di sicurezza dei depositi di liquidi infiammabili, con specifico riferimento all’analisi storica. Nella seconda parte invece i tre metodi sopra citati sono applicati ad un parco serbatoi di liquidi infiammabili ed è effettuato il confronto dei risultati, anche ai fini di una valutazione preliminare dell’effetto domino. La tesi è articolata in 6 capitoli. Dopo il Capitolo 1, avente carattere introduttivo, nel Capitolo 2 vengono richiamati i principali concetti riguardanti gli incendi e vengono analizzate le caratteristiche e le problematiche di sicurezza dei depositi di liquidi infiammabili. Il Capitolo 3 è dedicato alla discussione delle caratteristiche degli incendi di pozza, alla presentazione delle tipologie di strumenti a disposizione per la loro modellazione ed alla descrizione di dettaglio dei modelli utilizzati nel presente lavoro di tesi. Il Capitolo 4 contiene la presentazione del caso di studio. Nel Capitolo 5, che costituisce il cuore del lavoro, i modelli descritti sono applicati al caso di studio, con un’approfondita discussione dei risultati e una valutazione preliminare dell’effetto domino. Nel Capitolo 6 infine sono riportate alcune considerazioni conclusive.

Analisi di sicurezza e delle modalità di guasto di un'apparecchiatura per assemblaggio e collaudo di motori oleodinamici

L’elaborato di tesi è stato redatto durante un’esperienza formativa presso la Parker Hannifin Manufacturing – Divisione Calzoni di Anzola dell’Emilia (BO). Il lavoro della tesi ha avuto per oggetto l’analisi di sicurezza e l’analisi dei guasti di un banco di assemblaggio e collaudo per motori oleodinamici a pistoni radiali. Il lavoro si è articolato in più fasi: una prima fase volta all’analisi funzionale (meccanica, idraulica, elettrica ed elettronica) dell’apparecchiatura, la fase successiva è stata dedicata allo studio delle varie normative necessarie a redigere il rapporto di sicurezza. Si sono poi valutati ed analizzati tutti i requisiti di sicurezza dell’apparecchiatura (valutazione del rischio) al fine di redigere il fascicolo tecnico. Infine, si è svolta l’analisi dei guasti (FMEA) secondo il metodo adottato in azienda. Il primo ed il secondo capitolo introducono la finalità industriale ed una descrizione generica dell’apparecchiatura. Nel terzo capitolo vi è una descrizione accurata del sistema idraulico e delle sue possibili configurazioni; il quarto nasce invece per approcciarsi alle normative di sicurezza a cui si è fatto riferimento. Infine, il quinto ed il sesto capitolo contengono rispettivamente il fascicolo tecnico e l’analisi dei guasti relativa all'apparecchiatura industriale studiata.

Modelli Input-Output: un'analisi simultanea di shock domanda e offerta

La tesi analizza il modello Input-Output, introdotto da Leontief nel 1936, per studiare la reazione dei sistemi industriali di Germania, Spagna ed Italia alle restrizioni imposte dai governi per limitare la diffusione della pandemia da COVID-19. Si studiano le economie considerando gli scambi tra i settori produttivi intermedi e la domanda finale. La formulazione originale del modello necessita diverse modifiche per descrivere realisticamente le reti di produzione e comunque non è del tutto esaustiva in quanto si ipotizza che la produttività dei sistemi sia sempre tale da soddisfare pienamente la domanda che giunge per il prodotto emesso. Perciò si introduce una distinzione tra le variabili del problema, assumendo che alcune componenti di produzione siano indipendenti dalla richiesta e che altre componenti siano endogene. Le soluzioni di questo sistema tuttavia non sempre risultano appartenenti al dominio di definizione delle variabili. Dunque utilizzando tecniche di programmazione lineare, si osservano i livelli massimi di produzione e domanda corrisposta in un periodo di crisi anche quando i sistemi non raggiungono questa soglia poiché non pienamente operativi. Si propongono diversi schemi di razionamento per distribuire tra i richiedenti i prodotti emessi: 1) programma proporzionale in base alle domande di tutti i richiedenti; 2) programma proporzionale in base alle richieste, con precedenza ai settori intermedi; 3) programma prioritario in cui vengono riforniti i settori intermedi in base alla dimensione dell’ordine; 4) programma prioritario con fornitura totale degli ordini e ordine di consegna casuale. I risultati ottenuti dipendono dal modello di fornitura scelto, dalla dimensione dello shock cui i settori sono soggetti e dalle proprietà della rete industriale, descritta come grafo pesato.

LA MEMORIA SEMANTICA: analisi della letteratura e modelli qualitativi

La memoria semantica, e la sua correlazione con il linguaggio, sono alla base di molti studi di neuroscienze cognitive e della formulazione di diverse teorie volte a comprendere la loro organizzazione, le unità neurali coinvolte e i meccanismi di apprendimento. In passato si cercava di rispondere a queste domande attraverso lo studio anatomico di lesioni della corteccia cerebrale in relazione al danno mnemonico che ne derivava per andare ad ipotizzare in quale area del cervello una determinata informazione veniva immagazzinata. Ricerche sempre più recenti hanno introdotto nel metodo di studio strumenti ed apparecchiature volte ad aiutare l’indagine e la ricerca, in modo da poter osservare e visualizzare quale area della corteccia viene attivata o disattivata in funzione ad uno specifico stimolo esterno. Infatti, l’attenzione dei ricercatori sui sintomi dei disturbi e sui disturbi stessi della memoria semantica, ha dato luce a molti aspetti importanti riguardo i meccanismi cerebrali fondamentali per la funzione corretta di tale memoria. Nel corso degli anni quindi attraverso questi studi sono stati sviluppati diversi modelli teorici con lo scopo di analizzare e studiare i meccanismi alla base delle diverse memorie, in questo caso della memoria semantica. È grazie a questi modelli che si può cercare di comprendere come la conoscenza del significato di parole e concetti sia immagazzinata nel sistema nervoso e successivamente utilizzata. Pertanto, si esaminano i modelli computazionali tradizionali nell'ambito dei modelli di rete (basati su associazioni libere), dei modelli di caratteristiche (basati su norme di generazione di proprietà) e dei modelli distributivi, discutendo il loro contributo a importanti dibattiti in letteratura sulla rappresentazione della conoscenza e apprendimento. Inoltre, si valuta come i moderni modelli computazionali, ad esempio modelli basati sul recupero, stanno rivisitando il tradizionale concetto di memoria "statica".