‘Data Augmentation’ per reti neurali profonde per la classificazione del segnale EEG

I recenti sviluppi nel campo dell’intelligenza artificiale hanno permesso una più adeguata classificazione del segnale EEG. Negli ultimi anni è stato dimostrato come sia possibile ottenere ottime performance di classificazione impiegando tecniche di Machine Learning (ML) e di Deep Learning (DL), facendo uso, per quest’ultime, di reti neurali convoluzionali (Convolutional Neural Networks, CNN). In particolare, il Deep Learning richiede molti dati di training mentre spesso i dataset per EEG sono limitati ed è difficile quindi raggiungere prestazioni elevate. I metodi di Data Augmentation possono alleviare questo problema. Partendo da dati reali, questa tecnica permette, la creazione di dati artificiali fondamentali per aumentare le dimensioni del dataset di partenza. L’applicazione più comune è quella di utilizzare i Data Augmentation per aumentare le dimensioni del training set, in modo da addestrare il modello/rete neurale su un numero di campioni più esteso, riducendo gli errori di classificazione. Partendo da questa idea, i Data Augmentation sono stati applicati in molteplici campi e in particolare per la classificazione del segnale EEG. In questo elaborato di tesi, inizialmente, vengono descritti metodi di Data Augmentation implementati nel corso degli anni, utilizzabili anche nell’ambito di applicazioni EEG. Successivamente, si presentano alcuni studi specifici che applicano metodi di Data Augmentation per migliorare le presentazioni di classificatori basati su EEG per l’identificazione dello stato sonno/veglia, per il riconoscimento delle emozioni, e per la classificazione di immaginazione motoria.

Le tecniche di irradiazione corporea totale per il trattamento della leucemia linfoblastica acuta

La radioterapia è una terapia medica molto utilizzata in campo oncologico. I diversi tipi di radiazione e di tecniche permettono di trattare, con diversi fini, una vasta gamma di neoplasie. Secondo i dati dell’AIRO, l’Associazione Italiana di Radioterapia e Oncologia clinica, nel 2020 sono stati trattati con la radioterapia circa 100mila pazienti in Italia, che conta 183 centri di radioterapia tra pubblici e privati, cioè circa 3 centri per milione di abitanti. La Società Europea di Radioterapia Oncologica, basandosi sullo studio ESTRO-HERO del 2014, suggerisce come parametro di confronto a livello nazionale o internazionale il numero di apparecchiature di radioterapia per milione di abitanti, e le Direttive Europee ne raccomandano un valore minimo di 7 unità. In questo elaborato, espongo l’evoluzione della radioterapia tramite la presentazione delle sue diverse tipologie, per poi concentrarmi sulla irradiazione corporea totale (Total Body Irradiation – TBI) nel caso studio della leucemia linfoblastica acuta (LLA). Il Capitolo 1 introduce la radioterapia e la sua principale suddivisione in esterna e interna, con i relativi sottogruppi. Viene poi spiegato come si valuta il volume bersaglio e vengono presentati il personale e le fasi del trattamento. Il Capitolo 2 introduce alla leucemia e alla LLA. Viene poi spiegato il trattamento di trapianto e quello di condizionamento. Infine, espongo la tecnica della TBI, le sue prestazioni ed i suoi limiti. Nelle conclusioni e future direzioni, valuto il problema della tossicità ed espongo le principali evoluzioni nell’uso della TBI.

Utilizzo della TMS nella riabilitazione post-ictus

L’ictus è la terza causa di morte al mondo, dopo le malattie cardiovascolari e le neoplasie, causando il 10-12% di tutti i decessi all’anno, ed è la principale causa di invalidità e la seconda di demenza. Solamente il 25% dei pazienti sopravvissuti guarisce completamente, mentre il 75% sopravvive con qualche forma di disabilità, e la metà di questi presenta un’invalidità talmente grave da non essere più autosufficiente. Il peso di questo disturbo dal punto di vista economico è altrettanto importante. In tutto il mondo, l’ictus è responsabile di circa il 2-4% dei costi totali per la sanità, e più del 4% delle spese sanitarie dirette nei paesi industrializzati. È evidente la necessità ottimizzare la diagnosi, il trattamento e la riabilitazione di questo disturbo. Una delle tecniche emergenti per la riabilitazione post ictus è la stimolazione magnetica transcranica (TMS). La TMS è una tecnica non invasiva e indolore di neuro stimolazione e neuro modulazione che permette di stimolare o inibire alcune aree della corteccia cerebrale. Questo metodo prevede l’induzione di un campo elettrico all’interno del cervello per mezzo della variazione di un campo magnetico esterno, che genererà la depolarizzazione o iperpolarizzazione dei neuroni sottostanti, e la conseguente nascita di potenziali di azione. Quando viene applicata alla corteccia motoria primaria, la TMS può attivare il tratto corticospinale e provocare degli spasmi nei muscoli associati, ovvero dei potenziali motori evocati (MEP), che possono fornire informazioni su diversi parametri fisiologici. La TMS può essere utilizzata come strumento di diagnosi, prognosi e terapia, a seconda della tipologia di stimolazione utilizzata, dalla tipologia di bobina e dalla sede della stimolazione. Lo scopo di questo elaborato è di descrivere le recenti applicazioni della TMS nella riabilitazione post ictus, facendo una distinzione tra il suo utilizzo come strumento di prognosi e di terapia.

Studio di fattibilità e simulazione termodinamica di un prototipo di pompa di calore a R290 di potenza nominale pari a 35 kW

L’elaborato presenta nel dettaglio le fasi di progettazione di un prototipo di unità idronica reversibile condensata ad aria avente come fluido refrigerante l’R290 ed una capacità frigorifera nominale in freddo di circa 35 kW partendo dalla struttura di una macchina già realizzata La progettazione è stata eseguita servendosi di un foglio di calcolo realizzato ad-hoc, presentando i metodi di bilancio per una macchina operante sia in regime di riscaldamento che raffrescamento, nonché il calcolo degli indici di efficienza puntuali e stagionali in accordo alla normativa vigente. In parallelo sono state eseguite le medesime simulazioni al calcolatore mediante l’impiego di un software tecnico di configurazione, mostrato nel dettaglio, con lo scopo di appurare l’accuratezza del software e capire se i bilanci energetici fossero stati condotti correttamente. Pertanto, nell'elaborato sono esposte le modalità con cui tale software è strutturato e come esso interagisce con i vari componenti costituenti la macchina modellata e simulata.

Stima della cinematica degli arti superiori per il controllo dell'equilibrio di un soggetto con esoscheletro di arto inferiore

Il presente lavoro di tesi si inserisce nell’ambito degli studi finalizzati al miglioramento delle condizioni di stabilità degli esoscheletri attivi per gli arti inferiori. L’obiettivo principale di questa tesi è la stima in tempo reale dell’orientamento degli arti superiori a partire dalle grandezze in uscita dall’esoscheletro e da un sistema di sensori inerziali indossabili. Il primo capitolo descrive lo stato dell’arte degli esoscheletri per gli arti inferiori seguita da una breve analisi degli studi compiuti dalla ricerca per il controllo dell’equilibrio del sistema uomo-macchina con l’impiego di metodi diversi. Nel secondo capitolo viene presentato il modello biomeccanico uomo-esoscheletro-stampelle, le strategie utilizzate per il controllo dell’equilibrio del sistema, ed i metodi impiegati per la stima dell’orientamento delle braccia del soggetto. Nel terzo capitolo vengono riportati e discussi i risultati dell’applicazione dei metodi di stima della cinematica degli arti superiori che vengono ripresi nelle conclusioni nel quarto capitolo.

Domain adaptation per classificazione di point cloud mediante pseudo-annotazioni

La classificazione di dati geometrici 3D come point cloud è un tema emergente nell'ambito della visione artificiale in quanto trova applicazione in molteplici contesti di guida autonoma, robotica e realtà aumentata. Sebbene nel mercato siano presenti una grande quantità di sensori in grado di ottenere scansioni reali, la loro annotazione costituisce un collo di bottiglia per la generazione di dataset. Per sopperire al problema si ricorre spesso alla domain adaptation sfruttando dati sintetici annotati. Questo elaborato si pone come obiettivo l'analisi e l'implementazione di metodi di domain adaptation per classificazione di point cloud mediante pseudo-labels. In particolare, sono stati condotti esperimenti all'interno del framework RefRec valutando la possibilità di sostituire nuove architetture di deep learning al modello preesistente. Tra queste, Transformer con mascheramento dell'input ha raggiunto risultati superiori allo stato dell'arte nell'adattamento da dati sintetici a reali (ModelNet->ScanNet) esaminato in questa tesi.

Regionalizzazione dei deflussi fluviali di piena in Europa per bacini idrografici annidati

I metodi utilizzati per la stima delle portate fluviali in bacini idrografici non strumentati fanno uso di tecniche di regionalizzazione con l’obiettivo di stimare i parametri, attraverso dei bacini di riferimento, da implementare nei modelli idrologici. Risulta, quindi, di fondamentale importanza la selezione dei bacini idrografici donatori. La scelta dei bacini di riferimento avviene tramite delle misure di somiglianza che tengono conto di caratteristiche del territorio. Il limite principale di tali approcci è la mancata considerazione della struttura della rete idrografica e del loro eventuale annidamento. Si definiscono bacini idrografici annidati due o più bacini i cui le stazioni idrometriche sono posizionate lungo la stessa ascissa fluviale oppure presentano un'area comune drenata da entrambi i bacini. Skøien et al. (2006) afferma che i bacini a valle e a monte del bacino preso in esame dovrebbero essere trattati differentemente. Il presente lavoro intende contribuire a superare detto limite. È stata stabilita, un’equazione empirica a due parametri che attraverso la distanza interbacino d e il grado di annidamento NI, definisce la differenza di portata idrica ∆Q in una coppia di bacini annidati. I valori dei parametri α e λ sono stati definiti mediante calibrazione con set di dati relativi a portate massime annuali di medie giornaliere e massimi annuali istantanei. Sono stati analizzati i corsi d’acqua in Italia, Austria e Polonia mentre a scala di bacino il Fiume Po, il Fiume Danubio, il Fiume Reno e il Fiume Oder. Attraverso la massimizzazione di una funzione obiettivo di tipo quadratico sono state verificate le prestazioni del metodo proposto. La differenza di portate ∆Q ricavata è possibile definirla come una misura di somiglianza la quale potrebbe, attraverso caratteristiche geospaziali facilmente reperibili, definire i bacini di riferimento da utilizzare nei metodi di regionalizzazione dei deflussi fluviali.

Progettazione di un kit di supporto ai corsi Project Based Learning: il ruolo del tutor nel modello Tech to Market.

L’istruzione superiore in Europa è stata oggetto di un significativo processo di riforma: è aumentato l’interesse per un modello di apprendimento intorno ai progetti, centrato sullo studente, che favorisse lo sviluppo di competenze trasversali – il project-based learning (PBL). Inserire il PBL nelle Università richiede un processo di innovazione didattica: il curriculum di un corso PBL e le competenze richieste all’insegnante si differenziano dall’apprendimento tradizionale. Senza un'adeguata attenzione ai metodi di supporto per insegnanti e studenti, questi approcci innovativi non saranno ampiamente adottati. L’obiettivo di questo studio è determinare in che modo sia possibile implementare un corso PBL non presenziato da figure esperte di PBL. Le domande della ricerca sono: è possibile implementare efficacemente un approccio PBL senza il coinvolgimento di esperti dei metodi di progettazione? come si declinano i ruoli della facilitazione secondo questa configurazione: come si definisce il ruolo di tutor d’aula? come rafforzare il supporto per l’implementazione del corso? Per rispondere alle domande di ricerca è stata utilizzata la metodologia AIM-R. Viene presentata la prima iterazione dell’implementazione di un corso di questo tipo, durante la quale sono state svolte attività di ricerca e raccolta dati. L’attività di facilitazione è affidata a tre figure diverse: docente, tutor d’aula e coach professionisti. Su questa base, sono stati definiti gli elementi costituenti un kit di materiale a supporto per l’implementazione di corsi PBL. Oltre a un set di documenti e strumenti condivisi, sono stati elaborati i vademecum per guidare studenti, tutor e docenti all’implementazione di questo tipo di corsi. Ricerche future dovranno essere volte a identificare fattori aggiuntivi che rendano applicabile il kit di supporto per corsi basati su un modello diverso dal Tech to Market o che utilizzino strumenti di progettazione diversi da quelli proposti durante la prima iterazione.

Analisi dei microfondamenti della strategia, della struttura, dei processi, delle persone e della tecnologia di GELLIFY. Come crescere rimanendo agili.

Il mercato col tempo si è reso sempre più dinamico e ha richiesto alle aziende per sopravvivere una sempre maggiore capacità di innovare e adattarsi. Per rispondere a queste esigenze sono stati ridisegnati nuovi modelli di innovazione, il più famoso tra questi è l’Open Innovation. GELLIFY nasce nel 2016 per favorire l’Open Innovation in Italia, il suo stesso modello è basato sul concetto di Ecosistema e su una strategia win-win tra tutti i soggetti partecipanti: investitori, Start-ups, Corporate. Grazie a questa brillante idea l’azienda ha raggiunto in pochi anni più di 200 dipendenti con tre sedi (Italia, Middle East, Iberia) e un fatturato superiore agli 11 milioni di euro. Per sostenere la crescita e mantenersi agili, GELLIFY, ha dovuto effettuare dei grandi cambiamenti strutturali. Lo scopo di questo elaborato è analizzare GELLIFY combinando insieme la teoria dei microfondamenti con la stella di Galbraith rivisitata da Mckinsey (in cui il sistema premiante è stato incorporato dentro i processi ed è stato dato un ruolo a se stante alla tecnologia). Tutti i diversi elementi sono stati analizzati studiando ciò che l’azienda ha fatto o sta facendo in merito e soprattutto analizzando il percepito dei dipendenti a riguardo, raccolto attraverso l’utilizzo di interviste semistrutturate ai dipendenti e ad alcuni manager. Infine, tutti questi elementi sono stati collegati tra loro studiando come questi incidano sull’espressione delle capacità dinamiche degli individui facendo emergere una carenza nella gestione delle risorse umane dell’azienda. Per risolvere questo problema si è ipotizzato di restringere il campo della soluzione al processo di Onboarding, ritenuto un tassello fondamentale per l’employeer branding e per l’engagement dei dipendenti. La soluzione è stata descritta in maniera dettagliata considerando anche gli elementi presenti in GELLIFY che possono favorirne l’attuazione ma anche evidenziando i fattori critici e come gestirli.

Wildspace VR. Il wellness per le nuove generazioni - Studio su come la psicologia percettiva applicata alla Virtual Reality può migliorare gli effetti della Mindfulness

Dai recenti studi effettuati sulle nuove generazioni (Z e Alpha) è emerso che stress e ansia colpiscono di più i giovani che si trovano in queste fasce di età. Questa tesi, partendo dalle ricerche socio-culturali, vuole proporre una soluzione progettuale a questi problemi. Si vuole elaborare quindi un progetto sul benessere mentale attraverso la Mindfulness. Le nuove tecnologie emergenti, come ad esempio l’Extended reality, stanno trovando consenso tra le nuove generazioni. Per questo motivo è stata scelta questa tecnologia per erogare il contenuto del servizio. Si ipotizza di poter migliorare gli effetti della Mindfulness utilizzando la Psicologia Percettiva. Questo campo di studio consente di sfruttare l’alterazione della percezione nella Virtual Reality attraverso ‘Spatial Visualization’ e ‘Spatial Audio’. Queste ipotesi sono stata valutate attraverso uno studio indiretto del mercato del Wellness e consolidate attraverso una User Research. Dopo questa fase di ricerca si è valutata la strada progettuale comprendendo a fondo i bisogni del target: i giovani lavoratori. Sono stati utilizzati metodi di Design Thinking e Service Design per intraprendere il progetto, tenendo ben saldi i valori etici. Il progetto pensato, Wildspace VR, è un servizio per aziende che permette ai dipendenti di meditare con contenuti di Mindfulness in Realtà Virtuale. I contenuti proposti mirano a rispondere ai bisogni degli utenti elaborando per loro percorsi personalizzati. Le aziende traggono ricavo dal servizio avendo dipendenti profittevoli salvaguardando il loro stato di salute. L’obiettivo è aiutare i giovani lavoratori offrendogli la possibilità di praticare la Mindfulness dal luogo di lavoro grazie alla Realtà Virtuale, dando loro uno strumento per affrontare lo stress quotidiano in modo innovativo. Si è infine fatto un M.V.P. dell’esperienza, elaborando un prototipo Virtuale e stilando conclusioni ed idee per sviluppi futuri.

Tecniche avanzate per le previsioni di rottura delle auto

La tesi ha come obiettivo quello di confrontare i metodi di previsione delle rotture affrontati durante il corso di studi e avvalorati dal libro di Horst Rinne del 2008. Nell'applicare la teoria al sistema reale, si evincono i problemi che sorgono nelle previsioni, come: l’incertezza, la mancanza e l’impossibilità di utilizzo della totalità dei dati a disposizione. E' stato necessario, pertanto, adattare i dati prima di utilizzarli e sfruttare nuovi metodi per raggiungere i risultati prefissati.

Studio di sistemi di navigazione biologici per il controllo della traiettoria di volo in alcune specie di uccelli

Sapersi muovere con efficienza è fondamentale per tutti gli esseri viventi. Gli uccelli sono abili navigatori del cielo e, per orientarsi, utilizzano diversi tipi di bussole naturali e un orologio circadiano che gli consente di compensare i cambiamenti giornalieri dovuti alla rotazione terrestre. Essi sono in grado di immagazzinare, in una mappa cognitiva, le informazioni percepite durante i vari voli effettuati; queste possono derivare da riferimenti sia di tipo visivo, che di altro genere, come odori e geomagnetismo, e consentono ai volatili di ritrovare facilmente la strada di casa. Gli uccelli, inoltre, sono in grado di percepire il flusso ottico proveniente da un paesaggio pieno di irregolarità (come può esserlo una foresta o una superficie ondosa marina); grazie ad esso possono controllare con precisione l'altitudine di volo a bassa quota e possono individuare ostacoli nelle immediate vicinanze in modo da evitare collisioni. Durante le migrazioni capita di volare a quote più elevate per cercare di risparmiare energie e, in questo caso, gli uccelli possono controllare la loro altitudine con un errore all'incirca di 10m, poiché sono in grado di percepire direttamente le variazioni di pressione atmosferica. Per risparmiare energie sono molto abili nello sfruttare la forza dei venti e nel compensarne la deriva. Gli uccelli possiedono diverse abilità che spiegano la loro impressionante capacità di navigazione e quindi rappresentano un ottimo spunto per apprendere diverse tecniche in modo da migliorare i nostri metodi di orientamento ed elaborazione dei dati.

Definizione linee PIPING di vapore e condensa per impianto di riscaldamento dell'acqua ad uso industriale

In questo elaborato vengono descritte le modalità ed i criteri di progettazione di un impianto di riutilizzo di vapore surriscaldato residuo, per un’applicazione industriale di riscaldamento di acqua desalinizzata. Il vapore, che si trova stanziato in linee di accumulo considerate preesistenti, verrà successivamente spillato e canalizzato verso uno scambiatore termico a fascio tubiero controcorrente. A valle di quest’ultimo, si sviluppa una linea di ritorno di condensa che si conclude con il collegamento della stessa ad una linea di accumulo di condensa, anch'essa considerata preesistente. L’obiettivo principale dell’elaborato è la progettazione delle linee piping necessarie per la corretta e completa realizzazione dell’impianto sopracitato, sia a livello operativo che di sicurezza. A tale scopo, quindi, viene descritto il layout generale d’impianto, vengono stabiliti gli approcci da seguire, come la supportazione delle linee stesse ed i metodi di smorzamento delle tensioni termiche accumulate, ed, una volta introdotte le normative e gli standard utilizzati in fase di progettazione, viene fatta una verifica mediante utilizzo di software di calcolo a elementi finiti (Caesar 2), i cui risultati andranno a giustificare le scelte progettuali ed a convalidare l’attuale installazione del progetto.

Studio del processo di recupero di Terre Rare da motori di veicoli elettrici a fine vita

Il progetto di tesi consiste nello studio di un processo di recupero di terre rare (Nd, Pr, Dy) da motori di veicoli elettrici a fine vita. La prima parte della tesi è una introduzione che descrive le attuali problematiche legate alle terre rare, dal monopolio cinese a livello di estrazione e produzione alle problematiche di estrazione legate alla legislazione europea. E' presente una descrizione dei magneti permanenti a base NdFeB e le varie applicazioni in cui sono sfruttati. Viene descritta la destinazione attuale di prodotti a fine vita contenenti terre rare ed i principali metodi di recupero, diretti ed indiretti ad oggi conosciuti e studiati su scala di laboratorio. Nella seconda parte della tesi, quella sperimentale, sono illustrati i risultati ottenuti da studi di smagnetizzazione di magneti provenienti da motori di monopattini elettrici ed il loro utilizzo in vista di un eventuale processo di recupero. Sono stati presi come caso studio i componenti di 3 veicoli appartenenti a comuni classi di veicoli elettrici : un'utilitaria, un furgone elettrico ed un'auto ibrida. E' stato quindi effettuato un lavoro di quantificazione e caratterizzazione tramite ICP dei magneti contenenti REEs nei 3 veicoli per comprendere la potenzialità economica del loro riciclo.

Implementazione di banca dati di immagini per lo sviluppo di algoritmi per la navigazione aerea automatica

Lo scopo di questo studio è l’implementazione di un sistema di navigazione autonomo in grado di calcolare la traiettoria di un mezzo aereo, noti che siano a priori dei punti di posizione detti waypoint. A partire da questa traiettoria, è possibile ottenere la sua rappresentazione in un codice che mette a disposizione immagini satellitari e ricavare le viste del terreno sorvolato in una serie di punti calcolati, in modo da garantire in ogni sequenza la presenza di elementi comuni rispetto a quella precedente. Lo scopo della realizzazione di questa banca dati è rendere possibili futuri sviluppi di algoritmi di navigazione basati su deep learning e reti neurali. Le immagini virtuali ottenute del terreno saranno in futuro applicate alla navigazione autonoma per agricoltura di precisione mediante droni. Per lo studio condotto è stato simulato un generico velivolo, con o senza pilota, dotato di una videocamera fissata su una sospensione cardanica a tre assi (gimbal). La tesi, dunque, introduce ai più comuni metodi di determinazione della posizione dei velivoli e alle più recenti soluzioni basate su algoritmi di Deep Learning e sistemi vision-based con reti neurali e segue in un approfondimento sul metodo di conversione degli angoli e sulla teoria matematica che ne sta alla base. Successivamente, analizza nel dettaglio il processo di simulazione della navigazione autonoma e della determinazione della traiettoria in ambiente software Matlab e Simulink, procedendo nell’analisi di alcuni casi di studio in ambienti realistici. L’elaborato si conclude con un breve riepilogo di quanto svolto e con alcune considerazioni sugli sviluppi futuri.