Modellazione muscoloscheletrica subject-specific: applicazione a casi clinici e analisi delle incertezze

Lo sviluppo sistematico di modelli subject-specific computerizzati per l’analisi di trattamenti personalizzati è attualmente una realtà. Infatti di recente sono state sviluppate molte tecnologie per la creazione di modelli virtuali ad elementi finiti, che ricreano accuratamente le geometrie specifiche del soggetto e tutte le proprietà fondamentali per ricreare le capacità motorie, basandosi su analisi d’immagine quantitative. Tuttavia, per determinare le forze agenti sul sistema, necessitiamo di una intera analisi di cammino, solitamente in combinazione con uno studio di simulazione di dinamica inversa. In questo elaborato, mi propongo di illustrare i procedimenti per creare un modello subject-specific partendo da dati di imaging (da tomografie computerizzate) di un paziente reale affetto da displasia congenita dell’anca, e gli strumenti che ci permettono di effettuare le simulazioni del modello, al fine di ottenere informazioni quantitative circa le grandezze che governano la dinamica del cammino del paziente. Il corpi rigidi del modello scheletrico saranno costruiti mediante la tecnica della segmentazione 3D, e verranno utilizzati per costruire un sistema articolato dotato di attuatori muscolo-tendinei e giunti articolari a due o tre gradi di libertà. Per conseguire questo obiettivo si farà uso del software, “NMSBuilder”, per poi inserirlo in un programma di simulazione di dinamica del movimento, “OpenSim”, che ci permetterà di calcolare forze muscolari, forze di contatto e momenti articolari del modello. Questi risultati saranno di fondamentale importanza per studiare riabilitazioni ad hoc per pazienti affetti da DCA che devono essere sottoposti ad artroprotesi totale. Lo scopo di questo studio sarà anche quello di analizzare la sensibilità delle previsioni dei modelli specifici durante la deambulazione tenendo conto delle incertezze nell'identificazione delle posizioni dei body-landmarks, della massima tensione muscolare e della geometria muscolo-tendinea.

Simulazione di protocolli di gossip in territori a bassa connettività

I mondi di Smart City e Internet-of-Things si stanno ampliando notevolmente grazie all'evoluzione continua delle tecnologie. Tuttavia risultano escluse dall'ambito di interesse le zone rurali e decentralizzate perché spesso prive di un'infrastruttura di rete ben definita. A fronte di questo problema, i dispositivi che si trovano in queste zone potrebbero auto-organizzarsi per comunicare instaurando collegmenti di tipo peer-to-peer e utilizzando protocolli di disseminazione di informazioni basati su gossip. In questa tesi sono trattate le seguenti questioni e mediante alcune simulazioni al calcolatore sono riprodotti alcuni scenari per valutare le prestazioni degli algoritmi di Gossip with Fixed Probability e Conditional Broadcast e la diffusione delle informazioni tra i nodi all'interno di una rete creata in maniera opportunistica.

PEDOT:PSS: un polimero conduttivo organico per lo studio dell'integrità del tessuto cellulare

Questa tesi si inserisce nel campo della Bioelettronica Organica con lo scopo di utilizzare dei transistor elettrochimici (OECT) organici basati sul polimero conduttivo PEDOT:PSS per rilevare l’integrità di un tessuto cellulare e come biosensori di analiti in soluzione. Nella prima parte dell’elaborato, si spiegano le proprietà ed il trasporto di carica dei polimeri coniugati concentrandosi sulle caratteristiche fisico chimiche del PEDOT:PSS, seguito da una trattazione analitica del principio di funzionamento di un OECT. La seconda parte, si concentra sul lavoro sperimentale partendo da una descrizione dei processi di fabbricazione degli OECT, dei metodi di caratterizzazione utilizzati e della progettazione del set-up sperimentale per permettere le misure elettriche nell’incubatore cellulare. In seguito, viene dimostrato l’uso di un OECT completamente a base di PEDOT:PSS come sensore di un neurotrasmettitore (dopamina). In parallelo, il lavoro si è concentrato sull’ottimizzazione dei transistor in termini di formulazione di PEDOT:PSS e di geometria del dispositivo per ottenere tempi di spegnimento veloci compatibili con le risposte cellulari (<300ms). In fase di preparazione alle misure con le cellule si è valutato la funzionalità dell’OECT nelle condizioni di coltura cellulare dimostrando una buona stabilità dei dispositivi. Inoltre, sono stati progettati degli studi di simulazione tramite una membrana porosa per prevedere le risposte dei transistor in presenza di un tessuto cellulare. Partendo dall’esito positivo dei test preliminari, il lavoro si è concluso con il primo esperimento con le cellule tumorali HeLa, in cui si è monitorata la crescita cellulare con immagini ottiche correlate alle misure elettriche. I primi risultati confermano la biocompatibilità dei dispositivi e una risposta elettrica degli OECTs alla presenza delle cellule, aprendo la possibilità di utilizzare questi dispositivi per futuri esperimenti anche con diversi tipi di cellule.

Simulazione Monte Carlo del muon veto dell'esperimento XENON1T

Numerose osservazioni astrofisiche e cosmologiche compiute a partire dagli anni '30 confermano che circa il 26% dell'Universo è costituito da materia oscura. Tale materia ha la particolarità di interagire solo gravitazionalmente e, forse, debolmente: essa si presenta massiva e neutra. Tra le numerose ipotesi avanzate riguardanti la natura della materia oscura una delle più accreditate è quella delle WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Il progetto all'avanguardia nella ricerca diretta delle WIMP è XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Tale esperimento è basato sulla diffusione elastica delle particelle ricercate su nuclei di Xeno: il rivelatore utilizzato è una TPC a doppia fase (liquido-gas). La rivelazione diretta di materia oscura prevede l'impiego di un rivelatore molto grande, a causa della piccola probabilità di interazione, e di ambienti a bassa radioattività naturale, per ridurre al minimo il rumore di fondo. Risulta necessario inoltre l'utilizzo di uno schermo attivo che individui particelle di alta energia, in particolare muoni cosmici, che possono produrre falsi segnali. È stato realizzato a tale scopo un sistema di Muon Veto composto da un grande cilindro d'acqua posto attorno alla TPC, equipaggiato con 84 fotorivelatori atti ad osservare i fotoni ottici emessi per effetto Čherenkov dai raggi cosmici. Il presente lavoro di tesi si colloca nell'ambito di un programma di simulazione Monte Carlo, creato per realizzare virtualmente l'esperimento XENON1T e per effettuare studi preliminari. Lo scopo di tale lavoro è stato quello di contribuire alla scrittura e alla verifica del codice di simulazione e allo studio di eventi di muoni cosmici da esso generati. L'analisi dati è stata effettuata scrivendo un programma in C++ in grado di analizzare i risultati forniti dal simulatore e di generare degli Event Display statici e dinamici per una visualizzazione efficace degli eventi.

Simulazioni Monte Carlo delle proprietà ottiche di un rivelatore per misure di flusso di neutroni ad alta energia

I neutroni possono essere classificati in base all'energia e per anni lo studio sui neutroni si è focalizzato verso le basse energie, ottenendo informazioni fondamentali sulle reazioni nucleari. Lo studio per i neutroni ad alta energia (E >20 MeV) ha ultimamente suscitato un vivo interesse, poiché i neutroni hanno un ruolo fondamentale in una vasta gamma di applicazioni: in campo medico, industriale e di radioprotezione. Tuttavia le informazioni sperimentali (sezioni d'urto) in nostro possesso, in funzione dell'energia dei neutroni, sono limitate, considerando che richiedono la produzione di fasci con un ampio spettro energetico e delle tecniche di rivelazione conforme ad essi. La rivelazione dei neutroni avviene spesso attraverso il processo di scintillazione che consiste nell'eccitazione e diseccitazione delle molecole che costituiscono il rivelatore. Successivamente, attraverso i fotomoltiplicatori, la luce prodotta viene raccolta e convertita in impulsi energetici che vengono registrati ed analizzati. Lo scopo di questa tesi è quello di testare quale sia la migliore configurazione sperimentale di un rivelatore costituito da scintillatori e fotomoltiplicatori per quanto riguarda la raccolta di luce, utilizzando una simulazione Monte Carlo per riprodurre le proprietà ottiche di un rivelatore per misure di flusso di un rivelatore ad alta energia.