Sviluppo di un sistema per l'ottimizzazione della dose in radioterapia tramite "dose-painting" basato sui voxel

Il presente lavoro è stato svolto presso la struttura di Fisica Medica dell'Azienda Ospedaliera IRCCS "Arcispedale S. Maria Nuova" di Reggio Emilia e consiste nello sviluppo di un sistema per l'ottimizzazione della dose in Radioterapia tramite dose-painting basato sui voxel. Il dose painting è una tecnica di pianificazione del trattamento di radioterapia che si basa sull'assegnazione o ridistribuzione della dose secondo le informazioni biologiche e metaboliche che i moderni sistemi di imaging sono in grado di fornire. La realizzazione del modulo di calcolo BioOPT è stata possibile grazie all'utilizzo dei due software open-source Plastimatch e CERR, specifici per l'elaborazione e la registrazione di immagini mediche di diversi tipi e formati e per la gestione, la modifica e il salvataggio di piani di trattamento di radioterapia creati con la maggior parte dei software commerciali ed accademici. Il sistema sviluppato è in grado di registrare le immagini relative ad un paziente, in generale ottenute da diverse tipologie di imaging e acquisite in tempi diversi ed estrarre le informazioni biologiche relative ad una certa struttura. Tali informazioni verranno poi utilizzate per calcolare le distribuzioni di dose "ottimale" che massimizzano il valore delle funzioni radiobiologiche utilizzate per guidare il processo di redistribuzione della dose a livello dei voxel (dose-painting). In questo lavoro il modulo è stato utilizzato principalmente per l'ottimizzazione della dose in pazienti affetti da Glioblastoma, un tumore cerebrale maligno tra i più diffusi e mortali. L'ottimizzatore voxel-based, infatti, è stato sviluppato per essere utilizzabile all'interno di un progetto di ricerca finanziato dal Ministero della Salute per la valutazione di un programma di terapia che include l'uso di un innovativo acceleratore lineare ad alto rateo di dose per la cura di tumori cerebrali in fase avanzata. Al fine di migliorare il trattamento radiante, inoltre, lo studio include la somministrazione della dose tramite dose-painting con lo scopo di verificarne l'efficacia. I risultati ottenuti mostrano che tramite il modulo sviluppato è possibile ottenere distribuzioni di dose eterogenee che tengono conto delle caratteristiche biologiche intratumore stimate a partire dalle immagini multimodali. Inoltre il sistema sviluppato, grazie alla sua natura 'open', è altamente personalizzabile a scopi di ricerca e consente di simulare distribuzioni di dose basate sui voxel e di confrontarle con quelle ottenute con i sistemi commerciali ad uso clinico, che non consentono questo tipo di ottimizzazioni.

MongoDB: analisi e prototipazione su applicazioni di social business intelligence

L’ultimo decennio ha visto un radicale cambiamento del mercato informatico, con la nascita di un numero sempre maggiore di applicazioni rivolte all’interazione tra utenti. In particolar modo, l’avvento dei social network ha incrementato notevolmente le possibilità di creare e condividere contenuti sul web, generando volumi di dati sempre maggiori, nell’ordine di petabyte e superiori. La gestione di tali quantità di dati ha portato alla nascita di soluzioni non relazionali appositamente progettate, dette NoSQL. Lo scopo di questo documento è quello di illustrare come i sistemi NoSQL, nello specifico caso di MongoDB, cerchino di sopperire alle difficoltà d’utilizzo dei database relazionali in un contesto largamente distribuito. Effettuata l'analisi delle principali funzionalità messe a disposizione da MongoDB, si illustreranno le caratteristiche di un prototipo di applicazione appositamente progettato che sfrutti una capacità peculiare di MongoDB quale la ricerca full-text. In ultima analisi si fornirà uno studio delle prestazioni di tale soluzione in un ambiente basato su cluster, evidenziandone il guadagno prestazionale.

Crescita e analisi strutturale di film nanoparticellari di titania

Il lavoro di questa tesi è incentrato sulla crescita e lo studio delle proprietà strutturali di sistemi nanostrutturati di titanio e ossido di titanio, prodotti mediante la tecnica della condensazione in gas inerte. Lo studio è finalizzato in particolare ad ottenere un materiale idoneo per la produzione di idrogeno tramite la foto-elettrolisi. Nel primo capitolo viene descritto a livello teorico il processo di scissione dell’acqua all’interno di celle foto-elettrochimiche, in cui viene impiegato il TiO2 (titania) come foto-anodo. Nel secondo capitolo viene introdotta la tecnica di crescita, viene descritta la macchina utilizzata illustrandone vantaggi e limitazioni. Inoltre viene fornita una descrizione teorica del tipo di crescita che avviene all’interno della camera di evaporazione. Allo scopo di comprendere meglio questi processi, vengono riportati nel capitolo 3 alcuni studi, basati su principi primi, riguardanti la stabilità di fase e le trasformazioni di fase per i tre principali polimorfi del TiO2. Nel capitolo 4 sono illustrate le tecniche impiegate per l’indagine strutturale: diffrazione e assorbimento di raggi X con relativa analisi dati, microscopia elettronica a scansione. Prima di misurare l’attività fotocatalitica dei campioni di nanoparticelle di titania, è necessario condurre delle misure di fotocorrente in una cella foto-elettrochimica, i risultati di queste analisi di tipo funzionale sono presentati nel capitolo 5. Nel capitolo 6 sono riportate le conclusioni del lavoro di tesi.

Motori diesel a basso rapporto di compressione

L'elaborato illustra le metodologie e le tecnologie impiegate per adeguare i motori ad accensione per compressione alla normativa di omologazione Euro VI. In particolare, viene analizzata la soluzione basata sulla riduzione del rapporto di compressione, che permette la contestuale diminuzione delle emissioni di NOx e di particolato, senza penalizzare i consumi e senza richiedere l'uso di sistemi di post-trattamento SCR.

On the identification of bridge decks aeroelastic coefficients: the covariance block hankel matrix method

Il seguente elaborato si concentra sull'identifi�cazione strutturale di sistemi soggetti a sollecitazioni aeroelastiche e nello speci�fico l'attenzione viene rivolta ad impalcati da ponte. Si analizzano i concetti principali caratterizzanti il campo dell'aeroelasticità indagando i fattori dominanti che entrano in gioco sul piano teorico. In seguito, si considera il metodo di identifi�cazione strutturale chiamato Covariance Block Hankel Matrix (CBHM) utilizzato come strumento di derivazione dei coeffi�cienti aeroelastici propri della struttura. Infi�ne, si indaga il comportamento di questo metodo di identi�ficazione al variare di una serie di parametri chiave e all'interno di diversi scenari, visionando risultati ottenuti tramite una serie di test eff�ettuati per provare l'a�dattabilità del metodo stesso al variare delle condizioni che caratterizzano il sistema.

L'accumulo dell'energia elettrica negli impianti eolici

Il presente elaborato ha lo scopo di analizzare lo stato attuale dell'accumulo dell'energia applicato al caso dell'energia eolica. Dopo una introduzione in cui viene presentato il perchè della necessità di garantire sistemi di accumulo dell'energia e quali sono i relativi vantaggi, viene proposto un caso studio di un impianto eolico tipico: partendo dalla potenzialità produttiva dell'impianto e dal tipo di funzione che il sistema di accumulo deve svolgere si passa alla scelta e dimensionamento del sistema più adatto.

Test di silicon photomultipliers (sipm) accoppiati a scintillatori

In questa tesi si riportano i risultati di uno studio della risoluzione temporale di un fotomoltiplicatore al Silicio (SiPM). La diffusione di questi rivelatori è in notevole aumento sia nelle ricerche di Fisica Nucleare e Subnucleare che nelle applicazioni mediche. I vantaggi sono legati alla loro insensibilità ai campi magnetici e ai facili modi di operazione (piccoli, robusti e con utilizzo a basso voltaggio). Usati sino ad ora per la misura di cariche, sono oggi di grande interesse per possibili applicazioni che richiedano alta risoluzione temporale (sistemi di tempo di volo, trigger, calorimetria). In questo studio sono stati studiati due tipi diversi di accoppiamento Scintillatore-SiPM: diretto o tramite fibre. Per queste analisi sono stati utilizzati diversi metodi di acquisizione e successivamente si sono incrociati i relativi risultati.

Sintesi di leganti ciclopentadienonici e piridilimidazolici per complessi metallici. Metodo classico e microonde a confronto

In questo elaborato è stata messa a punto una procedura sintetica, semplice e veloce che sfrutta la tecnica microonde per la sintesi di tetraarilciclopentadienoni variamente sostituiti mediante una condensazione bis-aldolica tra 1,3 difenilacetone con dichetoni aromatici variamente sostituiti. Questa nuova tecnica consente di ottenere tetraarilciclopentadienoni con rese da basse a buone in 25 minuti a 70°C. La stessa procedura sintetica è stata valutata per ottenere leganti piridilimidazolici, usando come fonte di azoto NH4OAc. Basse rese e la formazione di svariati sottoprodotti ha diretto lo studio verso un approccio classico per la sintesi di questi sistemi. I leganti piridilimidazolici sono stati poi impiegati per la sintesi di complessi di Zn(II) luminescenti, i quali sono stati caratterizzati anche da un punto di vista fotofisico.

Implementazione di un modulatore sigma-delta digitale per la sintesi di segnali pwm ad alta fedelta.

La modulazione a durata d'impulso (PWM) è utilizzata soprattutto perchè permette di ottenere alta efficenza energetica. In ambito accademico è stato proposto un modulatore PWM che sfrutta la tecnica di noise shaping, Sigma Delta, per avere elevata fedeltà. Il lavoro di questa tesi è stato l'implementazione su FPGA del modulatore Sigma DeltaDigitale utilizzato: quarto ordine, con quantizzatore a 4 bit e SNR in banda di 60 dB. Il dimensionamento è stato fatto determinando l'effetto che la lunghezza delle parole dei segnali ha sul rumore prodotto dal sistema. Questo studio è stato svolto con analisi euristiche ed algoritmi di ricerca implementati in ambiente MATLAB. Lo studio fatto è di carattere generale ed estendibile a generiche architetture Sigma Delta.

Dispositivi di supporto alla insufficienza epatica

L’organizzazione mondiale della sanità stima che il 10% della popolazione nel mondo presenta una malattia epatica cronica. L’insufficienza epatica fulminante porta alla morte entro novantasei ore in assenza di trapianto. Questa patologia colpisce circa 2500 persone l’anno e il trapianto di fegato è l’unico trattamento efficiente, ma la mancanza di donatori ha causato un elevato tasso di mortalità in pazienti in lista di attesa per l’organo compatibile. Negli ultimi anni è cresciuta sempre più la lista d’attesa per il trapianto, mentre il numero degli innesti disponibili rimane ridotto. Non tutti i pazienti sono candidati al trapianto. Questo tipo di intervento è rischioso e richiede un trattamento d’immunosoppressione per tutta la vita. Si cercano quindi soluzioni sostitutive, ma lo sviluppo di dispositivi efficaci di assistenza epatica rimane uno dei più alti sforzi dell’ingegneria biomedica. Il fegato, infatti, svolge più di 500 funzioni diverse che sono difficili da riprodurre artificialmente. Un dispositivo di assistenza epatica deve sostituire o integrare la funzione epatica quando scende al di sotto della soglia critica del 30% del normale funzionamento. Per garantire il normale funzionamento dell’organismo, la massa di epatociti disponibile in un paziente adulto deve essere approssimativamente di circa 400g. Se questa massa è disponibile si può avere rigenerazione epatica spontanea. Questo spiega la necessità di raggiungere e garantire, comunque, un livello minimo di funzionalità epatica, al di sotto del quale non si ha né rigenerazione di epatociti (impossibilità di ripristinare l’attività metabolica del fegato), né funzionamento di altri organi del corpo, che dipendono dall’attività epatica. La ricerca e lo sviluppo di dispositivi di assistenza epatica è tesa al raggiungimento e al mantenimento della soglia minima di funzionalità; in questo modo si permette al paziente di sopravvivere fino al trapianto, quando questo è l’unica terapia possibile, oppure di poter raggiungere le condizioni di autorigenerazione spontanea nelle patologie meno gravi. La ricerca sui dispositivi di assistenza epatica risale agli anni 50, e sin da allora sono state sviluppate diverse soluzioni, che possiamo distinguere in sistemi meccanici (sistemi non biologici) e sistemi biochimici o biomeccanici (sistemi biologici). I sistemi non biologici possono avere un ruolo nel trattamento di forme specifiche d’insufficienza epatica. L’obiettivo è di fornire purificazione del sangue, ossia rimuovere tutte le sostanze che si accumulano nel sangue durante la disfunzione epatica, causando anomalie neurologiche, lesioni del fegato e di altri organi e inibizione della rigenerazione epatica. I sistemi biologici possono essere utili nel trattamento d’insufficienza epatica, in cui l’obiettivo primario è quello di fornire tutte le funzioni del fegato che sono state compromesse o perse.

Addizione coniugata di Michael atroposelettiva di composti 1,3-dicarbonilici su derivati maleimmidici

L'obiettivo di questa tesi sperimentale è quello di effettuare una reazione di addizione coniugata di Michael di sistemi 1,3-dicarbonilici atroposelettiva su substrati maleimmidici oppurtanamente sostituiti, catalizzata da derivati di alcaloidi naturali della Cinchona. Tale processo risulta importante ed innovativo in quanto si vuole ottenere una reazione di desimmetrizzazione atroposelettiva, contemporaneamente dell'asse prochirale e dei due atomi di carbonio del doppio legame della maleimmide stessa. Partendo dalla reazione di addizione del 2-acetilciclopetanone sulla (N-(2-tert- Butil)fenil)maleimmide, mediante reazioni di screening sono state determinate le condizioni ottimali. Si è poi proceduto a verificare l'estendibilità della reazione verso differenti substrati. Infine si è verificata la stabilità dell'asse di rotazione bloccato neosintetizzato. La sintesi di tali composti è importante per la possibilità di poter successivamente derivatizzare i gruppi sostituenti, in modo da creare building blocks per lo sviluppo di molecole ben più complesse.

La cartella clinica cardiologica: progetto di integrazione dei dati provenienti da apparecchiature biomediche tramite profili ihe

Tale tesi si prefigge lo scopo di mettere in evidenza l'importanza dell'introduzione della cartella clinica elettronica dispositivo medico, nel reparto ospedaliero di cardiologia. Essa contiene dati inerenti l'intera cronologia degli eventi caratterizzanti il processo di cura del paziente ed assicura un accesso veloce e sicuro ai record clinici di interesse. Grazie al suo sviluppo, è stato possibile facilitare la cura, la diagnosi e la refertazione degli esami. E' necessario operare l'integrazione fra le diverse modalità di acquisizione, permettendo la comunicazione fra loro e col sistema informativo specifico del reparto, così da poter raccogliere velocemente informazioni coerenti e prive di errori, da inserire nella cartella clinica elettronica cardiologica. Per soddisfare tali esigenze di integrazione, è stato introdotto nell'ambito clinico, l'uso dei diversi profili di integrazione IHE, ognuno riguardante uno specifico settore sanitario. L'iniziativa IHE è volta a migliorare l'efficienza dei flussi di lavoro ospedalieri e della pratica clinica, sviluppando la condivisione delle informazioni e l'integrazione fra i sistemi informativi ospedalieri ed i vari software utilizzati dalle modalità, grazie alla gestione ed uso coordinato di più standard clinici già esistenti (per esempio, DICOM e HL7). Perciò, IHE offre una base solida e comune per l'efficace scambio informativo tra i dispositivi ospedalieri di interesse, sebbene essi parlino linguaggi differenti, assicurando così che le informazioni richieste per le decisioni cliniche, siano prive di errori e contraddizioni e facilmente reperibili dal personale sanitario.

Analisi fluidodinamica di reattori utilizzati per la produzione di biogas

Il lavoro riguarda la caratterizzazione fluidodinamica di un reattore agitato meccanicamente utilizzato per la produzione di biogas. Lo studio è stato possibile attraverso l’impiego della PIV (Particle Image Velocimetry), tecnica di diagnostica ottica non invasiva adatta a fornire misure quantitative dei campi di velocità delle fasi all’interno del reattore. La caratterizzazione è stata preceduta da una fase di messa a punto della tecnica, in modo da definire principalmente l’influenza dello spessore del fascio laser e dell’intervallo di tempo tra gli impulsi laser sui campi di moto ottenuti. In seguito, il reattore è stato esaminato in due configurazioni: con albero in posizione centrata e con albero in posizione eccentrica. Entrambe le geometrie sono state inoltre analizzate in condizione monofase e solido-liquido. Le prove in monofase con albero centrato hanno permesso di identificare un particolare regime transitorio del fluido nei primi minuti dopo la messa in funzione del sistema di agitazione, caratterizzato da una buona efficienza di miscelazione in tutta la sezione di analisi. In condizioni di regime stazionario, dopo circa 1 ora di agitazione, è stato invece osservato che il fluido nella zona vicino alla parete è essenzialmente stagnante. Sempre con albero centrato, le acquisizioni in condizione bifase hanno permesso di osservare la forte influenza che la presenza di particelle di solido ha sui campi di moto della fase liquida. Per l’assetto con albero in posizione eccentrica, in condizione monofase e regime di moto stazionario, è stata evidenziata una significativa influenza del livello di liquido all’interno del reattore sui campi di moto ottenuti: aumentando il livello scalato rispetto a quello usato nella pratica industriale è stato osservato un miglioramento dell’efficienza di miscelazione grazie al maggior lavoro svolto dal sistema di agitazione. In questa configurazione, inoltre, è stato effettuato un confronto tra i campi di moto indotti da due tipologie di giranti aventi stesso diametro, ma diversa geometria. Passando alla condizione bifase con albero eccentrico, i risultati hanno evidenziato la forte asimmetria del reattore: è stato evidenziato, infatti, come il sistema raggiunga regimi stazionari differenti a seconda delle velocità di rotazione e delle condizioni adottate per il raggiungimento della stabilità. Grazie alle prove su piani orizzontali del reattore in configurazione eccentrica e condizioni bifase, è stato concluso che i sistemi in uso inducano un campo di moto prettamente tangenziale, non ottimizzato però per la sospensione della fase solida necessaria in questa tipologia di processi.

Coordinazione embodied vs. Disembodied: TuCSon on cloud

Lo scopo della tesi è esplorare il nuovo dualismo tra calcolo situato e calcolo come mero servizio immateriale che si osserva nel rafforzarsi di due paradigmi apparentemente antitetici come Cloud Computing e Pervasive Computing. Si vuole quindi dimostrare che i due paradigmi sono complementari, e possibilmente sviluppare un modello e un approccio metodologico per sistemi distribuiti che sfrutti opportunamente le caratteristiche dei due paradigmi. A tale scopo si utilizzerà come caso di studio il modello TuCSoN con linguaggio ReSpecT, combinando opportunamente Situated ReSpecT con il modello Coordination as a Service (CaaS) espresso da TuCSoN on Cloud.

Tecnologie per l'accumulo dell'energia

La situazione energetica mondiale, strettamente dipendente dai combustibili fossili, richiede un notevole cambio di rotta, per puntare su fonti energetiche più sostenibili dal punto di vista ambientale, ma che contemporaneamente permettano di evitare le negoziazioni in mercati competitivi come quello del petrolio. Un'efficiente soluzione per colmare i limiti legati all'utilizzo delle fonti rinnovabili è l'uso di sistemi di accumulo dell'energia; grazie a questi sistemi è possibile trasformare l'energia elettrica in altre forme di energia (meccanica, chimica, etc.) per poter essere accumulata e conservata fino al momento dell'utilizzo. Nel corso della trattazione verranno presentate le principali tecnologie per l'accumulo e/o lo stoccaggio di energia, attraverso una descrizione degli impianti, dei principali vantaggi e degli aspetti negativi legati a ciascuno di essi. In seguito saranno fissati i parametri fondamentali per l'analisi delle tecnologie al fine di stabilire, in base alle funzioni da assolvere, quali siano più adatte allo scopo.