Algoritmi di segmentazione di immagini mediche

Nell'ambito dell'elaborazione delle immagini, si definisce segmentazione il processo atto a scomporre un'immagine nelle sue regioni costituenti o negli oggetti che la compongono. Ciò avviene sulla base di determinati criteri di appartenenza dei pixel ad una regione. Si tratta di uno degli obiettivi più difficili da perseguire, anche perché l'accuratezza del risultato dipende dal tipo di informazione che si vuole ricavare dall'immagine. Questa tesi analizza, sperimenta e raffronta alcune tecniche di elaborazione e segmentazione applicate ad immagini digitali di tipo medico. In particolare l'obiettivo di questo studio è stato quello di proporre dei possibili miglioramenti alle tecniche di segmentazione comunemente utilizzate in questo ambito, all'interno di uno specifico set di immagini: tomografie assiali computerizzate (TAC) frontali e laterali aventi per soggetto ginocchia, con ivi impiantate protesi superiore e inferiore. L’analisi sperimentale ha portato allo sviluppo di due algoritmi in grado di estrarre correttamente i contorni delle sole protesi senza rilevare falsi punti di edge, chiudere eventuali gap, il tutto a un basso costo computazionale.

Progettazione e realizzazione di un prototipo di stazione per il monitoraggio ambientale

La tesi analizza la problematica del monitoraggio ambientale a basso costo, cercando di approfondirne le caratteristiche e studiando le situazioni in cui questo vi si adatta bene. Lo studio ha permesso di realizzare due tipologie di stazioni di raccolta dati, una dedicata alla misurazione delle polveri sottili, e una dedicata alla misurazione dell’acidità delle piogge. Entrambe le stazioni condividono la logica di funzionamento, quindi il “core” rimane lo stesso pur lavorando con dati estremamente diversi, mentre si distinguono per i due sensori utilizzati. In fase di test i sensori si sono dimostrati sufficientemente precisi lasciando ben sperare per la realizzazione di applicazioni in contesti reali simili a quelli considerati durante l’analisi. Le stazioni sono in grado di fornire dati geo-localizzati consultabili attraverso un portale web, è possibile visualizzare ogni stazione su una mappa ricevendo aggiornamenti sulle ultime misurazioni, inoltre si possono modellare i dati e visualizzarli su una serie di grafici. Una delle caratteristiche fondamentali che ha guidato tutta la progettazione è stata l’estendibilità del modello, la logica di funzionamento della stazione può essere facilmente implementata su tecnologie hardware e software diverse.

Schedulazione delle rotte marittime nel settore ortofrutticolo. Modelli e Metodi

Il trasporto marittimo è una delle modalità più utilizzate soprattutto per la movimentazione di grandi volumi di prodotti tra i continenti in quanto è a basso costo, sicuro e meno inquinante rispetto ad altri mezzi di movimentazione. Ai giorni nostri è responsabile di circa l’80% del commercio globale (in volume di carichi trasportati). Il settore del trasporto marittimo ha avuto una lunga tradizione di pianificazione manuale effettuata da progettisti esperti.
 L’obiettivo principale di questa trattazione è stato quello di implementare un modello matematico lineare (MILP, Mixed-Integer Linear Programming Model) per l’ottimizzazione delle rotte marittime nell’ambito del mercato orto-frutticolo che si sviluppa nel bacino del Mediterraneo (problema di Ship-Scheduling). Il modello fornito in questa trattazione è un valido strumento di supporto alle decisioni che può utilizzare uno spedizioniere nell’ambito della pianificazione delle rotte marittime della flotta di navi in suo possesso. Consente di determinare l’insieme delle rotte ottimali che devono essere svolte da un insieme di vettori al fine di massimizzare il profitto complessivo dello spedizioniere, generato nell’arco di tempo considerato. Inoltre, permette di ottenere, per ogni nave considerata, la ripartizione ottimale della merce (carico ottimale).

Rilevamento satellitare di cicli in percorsi urbani

Lo scopo di questo lavoro è sperimentare l’impiego di ricevitori a basso costo per il posizionamento di cicli in ambito urbano. Questo tipo di rilievo trova ampio impiego nello studio e verifica delle funzionalità del reticolo delle piste ciclabili. Il rilievo effettuato in condizioni di scarsa visibilità verso la costellazione satellitare e in presenza di riflessioni multiple indotte da superfici verticali, quali quelle degli edifici in ambito urbano, risulta affetto da specifiche problematiche che si è cercato di affrontare nella presente tesi. In particolare si è analizzato l’effetto del “multipath”, nel posizionamento GPS, di un ciclista in movimento su percorsi caratterizzati da “canyon urbano”, nel centrostorico di Bologna. La strumentazione sperimentata è consistita da un tablet Smasung Note 10.1, uno smartphone Samsung S4 e un ricevitore GNSS (U-blox Neo-7P) collegato ad una Raspberry Pi 2. Anche a livello software è stato sperimentato per le unità Samsung sia il software Strava, che il Blackcountry Navigator. Mentre l’acquisizione del sensore U-blox è avvenuta direttamente tramite connessione seriale in un file di testo. Nel primo capitolo verrà presentato il sistema GPS nella sua generalità. Nel secondo, invece, verrà descritta la parte del sistema GPS, che si è utilizzato per questo lavoro. Nel terzo si mostreranno gli strumenti e le apparecchiature utilizzate durante il lavoro. Nel quarto si procederà alla presentazione del caso di studio. Nell’ultimo capitolo verranno riportate le conclusioni di tutto il lavoro svolto.

Degrado e protezione del calcestruzzo armato

Il presente lavoro si propone di analizzare il calcestruzzo armato come materiale da costruzione, in particolare focalizzando l’attenzione sulle tecniche di prevenzione di alcuni tipi di degrado con l’utilizzo di trattamenti superficiali. Il calcestruzzo è uno dei materiali da costruzione più utilizzati in quanto presenta molteplici vantaggi come la libertà di forma, il basso costo dei materiali ed il buon comportamento strutturale. Nonostante quanto detto, si possono evidenziare delle criticità inerenti all’utilizzo di questo materiale, il tema centrale di questo lavoro è quello di analizzare nuove tecniche di protezione atte a salvaguardare la struttura da tre diverse tipologie di degrado, valutandone l’effettiva efficacia nell’ottenere quello per cui sono state previste. Nei primi capitoli si esaminerà il calcestruzzo come materiale da costruzione e saranno spiegati i processi che il conglomerato cementizio deve compiere per diventare un materiale indurito e resistente. Nel terzo capitolo si affronteranno, senza entrare nella descrizione puntuale di ciascuna di esse, le diverse cause di degrado del calcestruzzo armato. Infine nel quarto ed ultimo capitolo, verranno esposti tre casi studio: il primo tratta di un tipo di degrado spesso non preso in considerazione ma causante ingenti danni all’aspetto paesaggistico e al patrimonio storico: si analizzano i rivestimenti da poter applicare al calcestruzzo per rendere più semplificato il processo di rimozione dai graffiti. Il secondo si ripromette di analizzare l’efficacia nel proteggere le armature di acciaio dalla corrosione per mezzo un nuovo tipo di pigmenti core-shell poco costosi ma soprattutto ecosostenibili. Infine si porrà lo sguardo su un problema non indifferente ovvero quello della protezione del calcestruzzo armato dalle alte temperature anche in questo caso utilizzando un trattamento superficiale volto a migliorare le performance del calcestruzzo durante l’incendio.

Caratterizzazione di transistor organici a effetto di campo come detector di raggi X

I semiconduttori organici sono alla base dell'elettronica organica, un campo di ricerca che negli ultimi anni ha coinvolto diversi gruppi di lavoro, sia a livello accademico che industriale. Diversi studi hanno portato all'idea di impiegare materiali di questo tipo come detector di raggi X, sfruttando la loro flessibilità meccanica, la facile fabbricazione di dispositivi su larga area e tramite tecniche a basso costo (es. stampa a getto di inchiostro) e le basse tensioni operative. In questa tesi in particolare si utilizzeranno degli OFET (Organic Field-Effect Transistor) a questo scopo, dimostrando la possibilità amplificare la sensibilità alla radiazione X e di pilotare le prestazioni del detector mediante l'applicazione della tensione all'elettrodo di gate. Presenteremo quindi uno studio sperimentale atto a caratterizzare elettricamente dei transistor realizzati con differenti semiconduttori organici, prima, durante e dopo l'esposizione a raggi X, in maniera da stimarne la sensibilità, le proprietà di conduzione intrinseche e la resistenza all'invecchiamento.

Analisi Sperimentale delle Prestazioni di Nodi Wireless LoRa in Presenza di Interferente

L’obiettivo dell’Internet of Things (IoT), come suggerisce il nome, è quello di connettere oggetti (spesso alimentati a batteria) alla rete Internet per poterne avere un controllo da remoto. Lo sviluppo di questa tecnologia prevede la progettazione di dispositivi che abbiano: un basso costo per unità, una durata della batteria sufficientemente lunga (anche dell’ordine di anni) quindi bassi consumi e la possibilità di realizzare un’ampia rete che possa supportare tante unità. Per questo elaborato è stata utilizzata la tecnologia LoRa, creata da Semtech. Essa lavora nelle frequenze ISM designate per le varie zone geografiche del mondo, presenta un Livello Fisico personalizzato ispirato alla modulazione CSS e un Livello MAC che si basa sul protocollo ALOHA puro. Lo scopo di questo elaborato è realizzare delle misure delle prestazioni in ambiente indoor tramite l’utilizzo di due nodi (End Devices) e un gateway. Sono state sviluppate due applicazioni Java per realizzare la comunicazione tra i dispositivi. Le misure sono state realizzate inizialmente con un nodo singolo, per osservarne il tasso di perdita di pacchetti (packet loss rate) e l’attenuazione di potenza sul canale (channel loss). Successivamente sono state inviate trasmissioni da entrambi i nodi, prima separatamente e poi in contemporanea, per valutare l’interferenza tra invii di messaggi con uguali impostazioni nello stesso canale. Per fare ciò è stato utilizzato un modello della comunicazione di canale che tiene conto del path loss e dello shadowing log-normale. I risultati hanno mostrato che con un solo nodo si tratta di una tecnologia affidabile. Per quanto riguarda i risultati delle misure con interferente è emersa una differenza con i valori attesi fino al 20%. Nell’elaborato vengono discussi i risultati ottenuti e possibili sviluppi futuri per questo tipo di sperimentazione.

Progetto di Sistemi di Regolazione dell'Alimentazione ad Alta Affidabilità per Processori Multi-Core

Quasi tutti i componenti del FIVR (regolatore di tensione Buck che fornisce l'alimentazione ai microprocessori multi-core) sono implementati sul die del SoC e quindi soffrono di problemi di affidabilità associati allo scaling della tecnologia microelettronica. In particolare, la variazione dei parametri di processo durante la fabbricazione e i guasti nei dispostivi di switching (circuiti aperti o cortocircuiti). Questa tesi si svolge in ambito di un progetto di ricerca in collaborazione con Intel Corporation, ed è stato sviluppato in due parti: Inizialmente è stato arricchito il lavoro di analisi dei guasti su FIVR, svolgendo un accurato studio su quelli che sono i principali effetti dell’invecchiamento sulle uscite dei regolatori di tensione integrati su chip. Successivamente è stato sviluppato uno schema di monitoraggio a basso costo in grado di rilevare gli effetti dei guasti più probabili del FIVR sul campo. Inoltre, lo schema sviluppato è in grado di rilevare, durante il tempo di vita del FIVR, gli effetti di invecchiamento che inducono un incorretto funzionamento del FIVR. Lo schema di monitoraggio è stato progettato in maniera tale che risulti self-checking nei confronti dei suoi guasti interni, questo per evitare che tali errori possano compromettere la corretta segnalazione di guasti sul FIVR.

Valorizzazione di acque reflue mediante recupero di ammonio per adsorbimento

Lo studio rappresenta uno screening primario di vari adsorbenti riguardo la loro capacità di rimuovere e recuperare l'ammonio dalle acque reflue urbane in base alla capacità e alla selettività. Sono state analizzate le prestazioni di diverse resine polimeriche e zeoliti e l'effetto di variabili come la temperatura, il pH, la concentrazione del mezzo adsorbente e la concentrazione iniziale di ammonio sull'efficienza di rimozione dell‘ammonio da acque sintetiche e da acque reflue urbane. Si tratta di uno dei primi tentativi di collocare un processo basato sull'adsorbimento all'interno di un impianto di trattamento delle acque reflue esistente per rimuovere e recuperare l'ammonio (NH4) dalle acque reflue urbane di scarico secondarie (MWW). Il processo proposto è stato caratterizzato da 4 aspetti importanti: I) Impiego di una resina a scambio ionico disponibile in commercio; II) Impiego di una zeolite naturale a basso costo e selettiva per il recupero dell'ammonio. III) Studio approfondito sulla selettività e la capacità di adsorbimento dei materiali adsorbenti in esame. IV) Realizzazione di un test di breakthrough completo per la rimozione dell'ammonio in modo continuo. V) Rigenerazione del materiale adsorbente e recupero dell'ammonio tramite test di desorbimento. I test su scala di laboratorio, che includevano due colonne in PVC per la rimozione di N-NH4 impaccate con la resine polimerica Amberlyst 15WET (disponibile in commercio) e la zeolite naturale (Cabasite-Phillipsite), sono andati con successo dopo 1 ciclo di adsorbimento/desorbimento trattando 40L di MWW effettivi (concentrazione media in ingresso di 45±1 mgNH4-N/L). La concentrazione di ammonio alla fine del desorbimento per la zeolite naturale era il doppio di quella di Amberlyst 15wet dimostrando che questa resina è una resina promettente nel processo di recupero dell'ammonio e sono necessari ulteriori sviluppi e ottimizzazioni.

Efficacia dell'esercizio fisico nei pazienti con Disturbo di Panico: revisione sistematica della letteratura

Disegno di studio. Revisione sistematica. Background:il Disturbo di Panico è una condizione clinica invalidante associata a numerose comorbidità, ad un aumentato rischio di suicidio e ad alti livelli di disabilità sociale, professionale e fisica. L’esordio è in età giovanile. Spesso la cura di questi soggetti è esclusivamente affidata ai processi assistenziali di medici o assistenti sociali. La terapia utilizzata è quella cognitivo-comportamentale e nei casi più gravi farmacologica, ma l’esercizio fisico rappresenta una modalità terapeutica a basso rischio e a basso costo che potrebbe essere utile nel trattamento. Obiettivi:valutare l’effetto dell’esercizio fisico nel trattamento di pazienti con Disturbo di Panico. Tale indagine si pone l’obiettivo di verificarne l’efficacia rispetto ad altre terapie e ricercarne il tipo e modalità più valida. Materiali e metodi:la ricerca bibliografica è stata condotta sulle banche dati PubMed, PEDro, Cinahl e The Cochrane Library nel mese di Settembre 2020, senza porre limiti di lingua, anno di pubblicazione, sesso o età dei partecipanti. Sono stati inclusi Trial Clinici e RCT che indagassero l’efficacia dell’esercizio fisico nei pazienti con Disturbo di Panico. Risultati: sono stati individuati 8 studi, la cui qualità metodologica è stata valutata con la scala PEDro. Essi analizzano l’esercizio fisico sia come singolo intervento, confrontato al trattamento tradizionale, sia come integrazione ad altre terapie di provata efficacia per verificarne l’utilità.
 Conclusioni: nonostante l’eterogeneità degli studi analizzati emerge l’efficacia di un programma di allenamento di attività aerobica intensa come terapia per i pazienti con Disturbo di Panico, che può essere integrata a comprovati trattamenti farmacologici o cognitivo-comportamentali. Future ricerche dovrebbero indagare l’efficacia dell’esercizio nel lungo termine e definire protocolli nuovi e specifici utili nella pratica clinica.

Studio e Realizzazione del Modello RVE (Representative Volume Element) per componenti polimerici realizzati in stampa 3D FDM

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Gli attuali metodi di analisi agli elementi finiti (FEM) e le tecnologie CAE (Computer-Aided Engineering) non sono in grado di studiare modelli 3D di componenti stampati, dal momento che il risultato finale dipende dai parametri di processo e ambientali. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito della meso struttura del componente stampato per estendere l’analisi FEM anche a questa tipologia di componenti. Lo scopo del lavoro proposto è di creare un elemento omogeneo che rappresenti accuratamente il comportamento di un componente realizzato in stampa 3D FDM, questo avviene attraverso la definizione e l’analisi di un volume rappresentativo (RVE). Attraverso la tecnica dell’omogeneizzazione, il volume definito riassume le principali caratteristiche meccaniche della struttura stampata, permettendo nuove analisi e ottimizzazioni. Questo approccio permette di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predire le proprietà meccaniche dei componenti a partire da determinati parametri di stampa, permettendo così alla tecnologia FDM di diventare sempre di più uno dei principali processi industriali a basso costo.

Electrical Impedance Tomography: strategie algoritmiche per il problema inverso

La tomografia ad impedenza elettrica è un metodo di imaging relativamente nuovo che ha suscitato interesse in un ampia gamma di discipline, la sua portabilità, sicurezza e basso costo suggeriscono che potrebbe risolvere diversi problemi clinici. Matematicamente il problema dell'EIT può essere suddiviso in un problema in avanti e uno inverso. Il problema forward, si basa su un'equazione differenziale parziale ellittica, e definisce l'insieme delle tensioni misurate a partire da una distribuzione nota di conducibilità. Il problema inverso è modellato come un problema dei minimi quadrati non lineare, in cui si cerca di ridurre al minimo la differenza tra le tensioni misurate e quelle generate dalla conducibilità ricostruita. Il problema inverso è mal posto e porta ad una soluzione che non dipende con continuità dai dati e quindi le tecniche di ricostruzione richiedono l'introduzione di un termine di regolarizzazione. L'elaborato si concentra sulle strategie algoritmiche per il problema inverso e sulla realizzazione di un'interfaccia grafica in grado di settare i parametri e confrontare velocemente i metodi proposti. Il progetto nella sua visione più ampia vorrebbe utilizzare le strategie algoritmiche proposte per dati ottenuti dal sistema prodotto dall'Università di Bologna nel laboratorio di Ingegneria Cellulare e Molecolare (ICM) di Cesena. I risultati dei test consentono di delineare quali siano gli strumenti migliori per poter arrivare ad una corretta ricostruzione dell'immagine nonché suggerire possibili miglioramenti della configurazione hardware al fine arrivare a risultati sperimentali completi.

L'efficacia della fisioterapia rispetto all'utilizzo di iniezioni intra articolari nella riabilitazione di pazienti con gonartrosi: una Revisione Sistematica della Letteratura

Background:La gonartrosi è una patologia degenerativa che colpisce l’articolazione del ginocchio. Rappresenta un grave problema di salute pubblica mondiale e comporta dolore e riduzione della funzionalità. Sono presenti studi che confrontano l’uso di iniezioni intra articolari con la fisioterapia per ridurre il dolore, ma ad oggi non vi è ancora un gold standard per la gestione della malattia. Scopo della ricerca:Valutare l’efficacia della fisioterapia rispetto all’uso di iniezioni intra articolari in pazienti affetti da gonartrosi, sul dolore e sulla qualità di vita. Disegno dello studio:Revisione Sistematica della Letteratura effettuata seguendo il PRISMA Statement. Metodi:La ricerca è stata condotta nelle banche dati PubMed, PEDro, Cochrane Library. Sono stati inclusi trial randomizzati controllati (RCT) in lingua inglese e italiana, che confrontavano l’efficacia del trattamento fisioterapico rispetto all’utilizzo di iniezioni intra articolari, con outcome relativi a riduzione del dolore e al miglioramento della qualità di vita. La qualità metodologica e il rischio di bias sono stati valutati utilizzando la PEDro Scale. Risultati:Cinque studi sono stati inclusi in questa Revisione Sistematica. Ci sono stati due studi che hanno dimostrato la maggiore efficacia di altri trattamenti rispetto alla fisioterapia. Altri due trials hanno confrontato il trattamento fisioterapico con l’uso di iniezioni di acido ialuronico e si sono osservati risultati pressoché uguali tra i gruppi. Solo uno studio ha dimostrato la superiorità del trattamento combinato di iniezioni e programma riabilitativo nella gestione della gonartrosi, rispetto al solo utilizzo di iniezioni intra articolari. Conclusioni:I risultati contrastanti che si sono osservati non permettono di affermare con certezza la superiorità della fisioterapia rispetto all’utilizzo di iniezioni intra articolari, sebbene rappresenti una valida scelta terapeutica grazie al suo basso costo e alla sua ridotta invasività.

Fabbricazione e caratterizzazione di transistor organici a effetto di campo come rivelatori di radiazione X

I semiconduttori organici presentano un enorme potenziale nella realizzazione di dispositivi scalabili su larga area su substrati flessibili, e depositabili da soluzione con tecniche a basso costo, adatti alla rivelazione diretta di radiazione ionizzante. Nella seguente tesi sono descritti i processi di fabbricazione e analisi delle prestazioni di transistor organici a effetto di campo per la rivelazione diretta di raggi X. Questi sono stati realizzati utilizzando due diversi semiconduttori organici come materiali attivi, bis-(triisopropylsilylethynyl)-pentacene, in breve TIPS-pn, e un suo derivato, bis-(triisopropylgermylethynyl)-pentacene, in breve TIPG-pn. Sono in particolare descritte la deposizione del semiconduttore organico, la caratterizzazione elettrica dei transistor fabbricati, con estrapolazione dei parametri di trasporto caratteristici, e la loro risposta quando sottoposti a radiazione X. Sono infine confrontate le performance dei rivelatori, suddivise per materiale attivo.

Implementazione di algoritmi Tiny Machine Learning per il monitoraggio strutturale basato su emissioni acustiche

Il monitoraggio basato su emissioni acustiche (AE) guidate si è confermato tra le tecniche più affidabili nel campo del Non-Destructive Testing delle strutture planari, vista anche la sua semplicità implementativa, i bassi costi che lo caratterizzano, la non invasività e la possibilità di realizzare un sistema che agisca in maniera continuativa ed in tempo reale sfruttando reti di sensori permanentemente installati, senza la necessità di ispezioni periodiche. In tale contesto, è possibile sfruttare l’abilità dell’apprendimento automatico nell’individuazione dei pattern nascosti all’interno dei segnali grezzi registrati, ottenendo così informazioni utili ai fini dell’applicazione considerata. L’esecuzione on-edge dei modelli, ovvero sul punto di acquisizione, consente di superare le limitazioni imposte dal processamento centralizzato dei dati, con notevoli vantaggi in termini di consumo energetico, tempestività nella risposta ed integrità degli stessi. A questo scopo, si rivela però necessario sviluppare modelli compatibili con le stringenti risorse hardware dei dispositivi a basso costo tipicamente impiegati. In questo elaborato verranno prese in esame alcune tipologie di reti neurali artificiali per l’estrazione dell’istante di arrivo (ToA) di un’emissione acustica all’interno di una sequenza temporale, in particolare quelle convoluzionali (CNNs) ed una loro variante più recente, le CapsNet basate su rounting by agreement. L’individuazione dei ToA relativi al medesimo evento su segnali acquisiti in diverse posizioni spaziali consente infatti di localizzare la sorgente da cui esso è scaturito. Le dimensioni di questi modelli permettono di eseguire l’inferenza direttamente su edge-device. I risultati ottenuti confermano la maggiore robustezza delle tecniche di apprendimento profondo rispetto ai metodi statistici tradizionali nel far fronte a diverse tipologie di disturbo, in particolare negli scenari più critici dal punto di vista del rapporto segnale-rumore.