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.

La fibroina della seta come biomateriale per la medicina neurorigenerativa

Una delle grandi sfide della medicina moderna e dell’ingegneria biomedica è rappresentata dalla rigenerazione e il recupero dei tessuti nervosi. I danni al Sistema Nervoso Centrale (SNC) e Periferico (SNP) provocano effetti irreversibili e influiscono sulla qualità della vita dei pazienti. L’ingegneria tissutale è stata definita come “un campo interdisciplinare che applica i principi dell’ingegneria e delle scienze della vita per lo sviluppo di sostituti biologici che ripristinino, mantengano, o migliorino la funzione di un tessuto o di un intero organo” (Langer R et al, 1993). Lo sviluppo dei biomateriali, i progressi scientifici nel campo delle cellule staminali e dei fattori di crescita, nonché le migliorie nelle tecniche di differenziazione e del rilascio dei farmaci offrono nuove opportunità di sviluppo terapeutico. Sono stati infatti creati tessuti in laboratorio attraverso la combinazione di matrici extracellulari ingegnerizzate, comunemente definite scaffold, cellule e molecole biologicamente attive. Tali “impalcature”, forniscono un supporto fisico e biochimico alla crescita delle cellule nervose. In quest’ottica si configura come essenziale il contributo della seta e di una sua particolare molecola: la fibroina. Quest’ultima grazie alle specifiche caratteristiche di biocompatibilità, lenta degradabilità e alle notevoli proprietà meccaniche, è stata ampiamente studiata, in anni recenti, per nuove applicazioni in ambito biomedico, come nel caso dell’ingegneria dei tessuti e del rilascio di farmaci. La fibroina della seta utilizzabile in vari formati quali film, fibre, reti, maglie, membrane, gel e spugne supporta l'adesione, la proliferazione e la differenziazione in vitro di diversi tipi di cellule. In particolare studi recenti indicano che la seta ha una buona compatibilità per la crescita di cellule neuronali dell'ippocampo. In questo elaborato saranno presentate le caratteristiche della fibroina della seta come biomateriale, con particolare riferimento all’ingegnerizzazione e al processo di fabbricazione degli scaffold finalizzati al supporto della rigenerazione cellulare – neuronale in caso di insulti traumatici, acuti e/o cronici del Sistema Nervoso.

Studio della distribuzione del segnale misurato dal rivelatore a tempo di volo (tof) di alice e di nuovi algoritmi per la sua ottimizzazione

Questa tesi si propone di investigare l'origine di effetti non gaussiani nella distribuzione del segnale del rivelatore Time of Flight (TOF) dell'esperimento A Large Ion Collider Experiment (ALICE). Con la presa dati iniziata nel 2009 si è infatti osservata un'asimmetria nel segnale la cui origine è ancora oggetto di studio. L'analisi svolta mostra come essa sia dovuta a motivi strumentali piuttosto che fenomenologici e permette quindi di correggere in parte questa anomalia migliorando la risoluzione del rivelatore. ALICE è uno dei quattro esperimenti allestiti lungo l'anello del LHC e ha come obiettivo principale verificare l'esistenza di prove sperimentali che confermino l'esistenza di un nuovo stadio della materia, il cosiddetto Quark Gluon Plasma (QGP). Secondo la Cromodinamica Quantistica (QCD), la teoria che descrive l'interazione forte, caratteristica fondamentale di quark e gluoni è il loro confinamento all'interno di adroni. Studi recenti nell'ambito della QCD non-perturbativa hanno tuttavia dimostrato che in condizioni estreme di densità di materia adronica e temperatura sarebbe possibile un'inversione di tendenza nell'andamento della costante di accoppiamento forte. Le condizioni necessarie alla formazione del QGP sono ben riproducibili nelle collisioni ad energie ultrarelativistiche tra ioni pesanti, come quelle che sono state prodotte a LHC negli ultimi due anni, fra ioni di piombo con energie del centro di massa pari a 2.76 TeV per coppia di nucleoni. L'esperimento ALICE si propone di studiarne i prodotti e poiché la molteplicità di particelle che si generano nell'urto e considerevole, e necessario un sistema di rivelazione che permetta l'identificazione di particelle cariche su un grande angolo solido e in un ampio intervallo di impulsi. Il TOF, utilizzando un particolare rivelatore a gas detto Multigap Resistive Plate Chamber (MRPC), svolge brillantemente questo compito permettendo di raggiungere una risoluzione temporale inferiore ai 100 ps.

Metodi numerici per la ricostruzione di immagini di tomosintesi

La tesi affronta il problema della ricostruzione di immagini di tomosintesi, problema che appartiene alla classe dei problemi inversi mal posti e che necessita di tecniche di regolarizzazione per essere risolto. Nel lavoro svolto sono presenti principalmente due contributi: un'analisi del modello di ricostruzione mediante la regolarizzazione con la norma l1; una valutazione dell'efficienza di alcuni metodi tra quelli che in letteratura costituiscono lo stato dell'arte per quanto riguarda i metodi basati sulla norma l1, ma che sono in genere applicati a problemi di deblurring, dunque non usati per problemi di tomosintesi.

Valutazione della possibilità di utilizzo di programmi di elaborazione gratuiti per la correlazione digitale di immagini

Negli ultimi anni la tecnica di misura della correlazione digitale di immagini (“Digital Image Correlation” = DIC) sta trovando numerose applicazioni nell’ambito della meccanica sperimentale come valida alternativa per misure di campi di deformazione su componenti strutturali soggetti a carichi statici e dinamici. Misurare deformazioni in provini troppo piccoli, troppo grandi, teneri o caldi, è un tipico scenario in cui diventano necessarie le tecniche senza contatto in quanto l’applicazione di estensimetri risulta inefficiente. L’obiettivo di questo lavoro consta nel valutare l’applicabilità e l’accuratezza di programmi di elaborazione gratuiti per la correlazione digitale di immagini evidenziandone il metodo di utilizzo e l’autenticità dei risultati verificati attraverso prove in laboratorio. Tali programmi, per praticità e gratuità, nel campo bidimensionale, possono considerarsi una valida alternativa a programmi commerciali di elevato costo. Nonostante ciò, presentano alcune criticità e limitazioni che emergeranno dalle attente sperimentazioni effettuate. Verrà così definita la corretta e necessaria preparazione del set up sperimentale antecedente la prova e il campo di applicabilità a cui si prestano tali programmi per un preciso ed autentico rilevamento delle deformazioni subite da un corpo sottoposto a sollecitazioni, al pari di un comune estensimetro.

Studio di fattibilità di dispositivo gonfiabile per la cattura di asteroidi

Progetto preliminare ed analisi FEM di un sistema per catturare asteroidi

Gruppo per la manipolazione e la stampa su flaconi farmaceutici

L’obiettivo di questa tesi di laurea è lo sviluppo dell’automazione delle tecniche per il trattamento di radiofarmaci, in particolare riguardo alle pratiche di trasferimento di dati sulla superficie del contenitore includente il radiofarmaco. Lo scopo è passare dall’applicazione manuale di etichette, ad una scrittura automatizzata dei dati direttamente sulla superficie del contenitore. Lo sviluppo del progetto sarà realizzato con l’ausilio del programma di modellazione 3D PTC Creo Elements, ritenuto il sistema CAD più idoneo per la realizzazione di progetti ex novo come quello in oggetto. La modellazione verrà effettuata per tentativi, valutando caso per caso varie opzioni, fino al raggiungimento del risultato ottimale. Dopo aver descritto i processi produttivi attuali e l’integrazione del dispositivo all’interno di essi, viene illustrato il funzionamento passo passo del dispositivo, partendo dalla fase di entrata, proseguendo con la fase di centraggio e stampa, terminando con la fase di scarico. Viene successivamente illustrato il prodotto finito e le relative problematiche riscontrate durante le fasi di prova del prototipo, in particolare, difetti nella trascrizione dei dati sulla superficie del contenitore e difetti progettuali dell’intero sistema. Vengono infine illustrate le possibili soluzioni, in particolare un nuovo sistema di fissaggio del contenitore.

Simulazione di front-end GPS per la verifica di algoritmi di navigazione per satelliti LEO

Descrizione di un software di simulazione, realizzato attraverso la programmazione in Labview, che estrapola i dati immagazzinati nei file RINEX di navigazione e di osservazione della missione GRACE e li invia con le stesse modalità con cui lo farebbe il ricevitore OEM615 della NovAtel. L'obiettivo è creare un software che permetta di testare, nell'ambito della missione ESEO dell'ESA, il ricevitore GPS che farà parte del payoload della stessa missione, costituita da un micro-satellite che orbiterà in orbita bassa LEO, e che sarà composto da un ricevitore OEM615, da un'antenna GPS e da un processore di navigazione.

Studio della produzione di componenti meccanici per la vettura Unibo Motorsport

Dal 2010 al 2012 ho fatto parte del team UniBo Motorsport, che partecipa alle competizioni di Formula SAE, una categoria di vetture monoposto a ruote scoperte con cilindrata fino a 610cm^3, interamente progettate e costruite da studenti universitari, valutati non solo per le prestazioni dinamiche della vettura ma anche su prove statiche legate agli aspetti progettuali, economici e gestionali. Nel team ho curato i servizi IT e le prove statiche "Presentation Event", una simulazione di business plan per una nuova impresa automotive legata al prototipo, e "Cost & Manufacturing Analysis Event", un'analisi dei costi e della produzione attraverso una distinta base di produzione della vettura. In particolare nel 2012 sono stato responsabile della distinta base, introducendo importanti strumenti ed ottimizzazioni per semplificare la redazione ed ottenere migliori risultati. Nel 2013 ho fornito consulenza ai membri del team che ora seguono il lavoro. A partire da questa esperienza ho deciso di sviluppare la tesi sul tema della gestione della distinta base di produzione, spiegando nel dettaglio i cambiamenti apportati, le motivazioni e i risultati ottenuti. Prendo inoltre in esame alcuni componenti meccanici della vettura, sia per esemplificare la redazione della distinta base, che per alcuni aspetti interessanti di questi componenti: le ruote foniche, per cui sono disponibili molti dettagli sulle fasi di produzione, i rocker delle sospensioni e la corona monoblocco, di cui è stata considerata la produzione da parte di fornitori asiatici oltre che locali con vari preventivi disponibili per il confronto dei diversi mercati.

Implementazione di protocolli automatici per la caratterizzazione di microchip mediante interfaccia labview

Uno dei principali passi della catena di produzione di circuiti integrati è quello di testare e valutare una serie di chip campione per verificare che essi rientrino nei valori e nelle specifiche scelte. Si tratta di un passaggio molto importante che determina le caratteristiche del prodotto nella realtà, mostrando le proprie capacità o i propri limiti, permettendo così di valutare un’eventuale produzione su larga scala. Ci permette inoltre di stimare quali dei chip rispetto agli altri presi in esame è migliore in alcuni aspetti, oppure quale risulta più lontano dalle specifiche volute. Il lavoro alle spalle di questa tesi è proprio questo: si è cercato di caratterizzare un microchip chiamato Carbonio, nato nei laboratori della II Facoltà di Ingegneria di Cesena, creando un banco di misura automatico, tramite l’ausilio del software Labview e di una scheda hardware realizzata ad hoc, che desse la possibilità di eseguire alcuni test consecutivi su ogni singolo circuito integrato in modo da caratterizzarlo estrapolando tutte le informazioni cercate e verificandone il funzionamento. Tutti i valori estratti sono stati poi sottoposti a una breve analisi statistica per stabilire per esempio quale circuito integrato fosse meno immune ai disturbi dovuti al rumore elettrico oppure per eseguire un’indagine al fine di vedere come i valori dei parametri scelti si disponessero rispetto ai lori rispettivi valori medi.

Add-on in blender per la deformazione di mesh poligonali

L’idea da cui nasce questa tesi è quella di introdurre in Blender un Add-on in linguaggio Python che permetta di applicare alcune deformazioni di tipo surface-based a mesh poligonali. Questa tipologia di deformazioni rappresentano l’alternativa alle deformazioni di mesh poligonali tramite rigging ( cioè l’aggiunta di uno scheletro per controllare e per animare la mesh) e caging (cioè l’utilizzo di una struttura di controllo di tipo reticolare che propaga la sua deformazione su un oggetto in essa immerso), che di solito sono le prescelte in computer animation e in modellazione. Entrambe le deformazioni indicate sono già estremamente radicate in Blender, prova ne è il fatto che esiste più di un modificatore che le implementa, già integrato in codice nativo. Si introduce inizialmente la tecnica di deformazione di mesh poligonali tramite elasticità discreta, che è stata realizzata, quindi, presenteremo diverse metodologie di deformazione. Illustreremo poi come modellare, creare ed editare delle mesh in Blender. Non ci soffermeremo su dettagli puramente dettati dall’interfaccia utente, cercheremo invece di addentrarci nei concetti e nelle strutture teoriche, allo scopo di avere le basi logiche per definire una Add-on che risulti veramente efficace e utile all’interno del sistema di modellazione. Approfondiremo la struttura di due modificatori chiave per la deformazioni di mesh : Lattice Modifier e Mesh Deform Modifier che implementano una metodologia di tipo space-based. Infine ci concentreremo sulla parte di scripting Python in Blender. Daremo un’idea delle strutture dati, dei metodi e delle funzioni da utilizzare per interagire con l’ambiente circostante, con i singoli oggetti ed in particolare con le Mesh e daremo un esempio di script Python. Andremo infine a descrivere l’implementazione della deformazione elastica mediante add-on Python in Blender.

Il ruolo del verde indocianina per la valutazione del linfonodo sentinella

Obiettivo: dimostrare l'equivalenza tra la sensibilità del Verde Indocianina e quella del Tecnezio radioattivo nella detezione del linfonodo sentinella(LS), nei pazienti affetti da carcinoma mammario allo stadio iniziale. Metodi: linfoscintigrafia con Tc99m-marcato, attraverso Gammacamera e con Verde Indocianina, attraverso Photo Dinamic Eye, per la detezione del LS. Utilizzo della sonda Gamma Probe per la discriminazione dei linfonodi radioattivi da quelli non radioattivi. Analisi statistica dei dati. Risultati: sono stati studiati 200 pazienti per un totale di 387 linfonodi asportati; la sensibilità del ICG risulta essere del 98,09%. Studi statistici hanno confermato la non significatività dei parametri di BMI, taglia mammaria, dose iniettata, tempo iniezione-incisione per il rintracciamento del numero corretto di linfonodi (al massimo 2). Conclusioni: l'elevata sensibilità del ICG permette di affermare l'equivalenza tra la capacità di detezione dei LS con le due sostanze(Tc e ICG). A livello operativo la tecnica con ICG facilita l'asportazione del LS. Data la non significatività della dose di ICG iniettata per la detezione del numero corretto di linfonodi, clinicamente conviene iniettare sempre la dose minima di farmaco.

Analisi del segnale elettro-oculografico per la valutazione di stati di sonnolenza

Obbiettivo: approfondire le conoscenze sul sonno attraverso l'analisi di possibili marcatori di sonnolenza, gli Slow Eye Movements, con particolare attenzione ad una specifica patologia del sonno chiamata Obstructive Sleep Apnea Syndrome (OSAS). Metodi: sono stati analizzati gli Slow Eye Movements a partire dall'output di un algoritmo automatico, già esistente, per la loro identificazione a partire dal segnale elettro-oculografico. Il lavoro è stato condotto in ambiente MATLAB. Risultati: si sono rilevate differenze in soggetti OSAS e sani: i primi mostrano un numero maggiore di SEM nell'arco della veglia. Questa attività diventa maggiore a distanze superiori dal sonno rispetto a soggetti sani. Inoltre si è riscontrato che i SEM in veglia sono associati ad un aumento di ritmo cerebrale alpha, ed una diminuzione del ritmo beta. Conclusioni: questo studio sembra validare i SEM come marcatori di sonnolenza e ne approfondisce la conoscenza. Essi potrebbero essere quindi utilizzati in ambito clinico e tecnologico per rilevare stati di sonnolenza.

Analisi, modellizzazione e calibrazione di un dispositivo, impiantabile su catetere, per la misura di flusso all'interno di vasi sanguigni.

Progetto SCATh allo ZHAW. Il dipartimento di meccatronica (IMS) dell'Università di scienze applicate di Winterthur (ZHAW), ha partecipato attivamente al progetto SCATh concentrandosi principalmente sullo sviluppo, il condizionamento, e la modellizzazione di un sensore di flusso che fosse facilmente applicabile e di piccole dimensioni in modo da poter essere applicato su catetere e permettere la misura diretta della grandezza fisica sopracitata. All'interno della struttura universitaria è stato possibile inizialmente analizzare il fenomeno che sta alla base del sensore, utilizzando conoscenze già presenti in dispositivi quali l'anemometria a filo caldo, che sfruttano lo scambio di calore tra sensore (riscaldato) e fluido sanguigno. La realizzazione del circuito di condizionamento è stato il passo successivo, necessario sia per mantenere il sensore ad una temperatura voluta e sia per leggere i dati di flusso mediante una tensione in uscita. Una volta effettuato ciò si è proceduto alla calibrazione del sensore (relazione tra flusso e tensione) ed infine alla trasposizione del circuito su LTspice. Nell' Introduzione (Capitolo 1) verranno presentati tutti i concetti preliminari, ossia i principi fisici, necessari a comprendere il funzionamento del sensore. Dunque dopo una breve definizione di flusso (riferito a liquidi) saranno presentati i principi di trasmissione del calore con particolare attenzione riservata alla convezione. Infine, parte dello stesso capitolo sarà dedicata ad una descrizione anatomica dell'aorta e dei rami collaterali. Successivamente nel secondo capitolo verrà analizzato, sia dal punto di vista statico che dal punto di vista dinamico, il circuito di condizionamento, ossia la circuiteria che sta a valle del sensore. Questo circuito permette al sensore di acquisire talune caratteristiche fondamentali per la misura di velocità ed inoltre consente la trasduzione da variabile fisica (velocità del flusso) a variabile elettrica (Tensione). In questo capitolo verrà inoltre fornita una descrizione delle relazioni matematiche fondamentali che legano la temperatura del sensore, la velocità del flusso e la tensione in uscita. Una descrizione del set sperimentale utilizzato per raccogliere dati sarà presente nel terzo capitolo. Qui si troverà una descrizione di tutte le attrezzature utilizzate al fine di poter testare il funzionamento del sensore. Nel quarto capitolo verranno visualizzati i risultati ottenuti facendo riferimento ai test effettuati prima su acqua e successivamente su sangue (suino). Verrà inoltre trovata la curva di calibrazione che permetterà di trovare una relazione biunivoca tra velocità del flusso e tensione in uscita. Infine, nel quinto capitolo verrà proposto un modello del circuito di condizionamento ottenuto mediante LTspice. Mediante il modello sarà possibile simulare un flusso di una velocità voluta e seguire l'andamento della tensione e della temperatura del sensore.

Sviluppo di una procedura per la stima delle emissioni di sistemi energetici per la regione Emilia Romagna

Sviluppo di una procedura per la stima delle emissioni di sistemi energetici da integrare nel MiniBREF, programma di calcolo utilizzato da ARPA Emilia-Romagna, basato sulle linee guida definite nel BREF per la valutazione dell'impatto ambientale e confronto tra soluzioni impiantistiche alternative.