Modellamenti matematici per la diffusione e il controllo delle infezioni da virus: aspetti analitici e numerici

In questa tesi si affronta analiticamente il problema della stabilità di modelli a più specie interagenti, in campo epidemiologico, per la diffusione ed il controllo di infezioni da virus. Vengono considerati non solo modelli governati da Sistemi Dinamici, ma anche modelli parabolici del tipo Diffusione e Reazione. Partendo dal modello pioneristico SIR di Kermak-McKendrick si affrontano in modo approfondito tutti gli aspetti matematici che permettono di prevenire e controllare la formazione e la gravità di una possibile epidemia. Il modello viene poi articolato con l'aggiunta di considerazioni sulla variazione demografica della popolazione, indicato per questo motivo con il termine endemico. Si generalizza poi questo modello a due possibili applicazioni, includendo nella prima gli effetti della vaccinazione, ottenendo così il nuovo sistema dinamico SIRV. La seconda rappresenta invece uno studio avvenuto agli inizi dell'epidemia da COVID-19, quando i vaccini non erano ancora disponibili. Successivamente viene presentato il recente studio di Bellomo, estensione del modello prototipo per la diffusione di virus, un sistema di tipo Diffusione-Reazione con equazione di tipo diffusione-drift, in cui vengono connessi due aspetti importanti: la propagazione di virus e la chemotassi, in forte analogia con il modello SIR e derivante dalla logica del modello pioneristico di Keller-Segel. Infine, a completamento dello studio analitico, vengono proposti alcuni strumenti dell'analisi numerica, utilizzando l'ambiente MATLAB sul classico modello SIR e su altri due modelli che lo generalizzano per tener conto in un primo tempo della diffusione spaziale della coppia SI e poi solo di S, ma con effetto drift, guidato da I.

Dispositivi impiantabili per il pacing cardiaco: dai dispositivi elettronici al Biopacemaker

Nel seguente elaborato viene trattata la tematica del pacemaker, vista in prima battuta come funzione di autogenerazione elettrica da parte del cuore, con la descrizione dei fenomeni fisiologici alla base di questo fenomeno. Poi successivamente viene data una panoramica sugli studi che hanno portato alla realizzazione dei primi prototipi o dispositivi elettronici utili a sopperire a mancanze o a disturbi legati al sistema di conduzione. In particolare, si evidenzia come la sede dello stimolo, ovvero il nodo senoatriale, sia stata in modo efficiente sostituito da apparecchi biocompatibili e facilmente impiantabili, poiché di piccole dimensioni. Tuttavia, a causa, ad esempio, di alcuni limiti imposti dal consumo di potenza o dal degradarsi della batteria, ci si è chiesti se si potessero trovare delle alternative, altresì utili, per il ripristino dell’attività cardiaca. Per queste ragioni, come suggerito dal titolo, la trattazione di questo elaborato va ad incentrarsi su un ambito diverso ma complementare, quello biologico; in particolare, vengono messi in luce i principali approcci che si sono susseguiti nel corso dei decenni nello studio e nella ricerca per il ripristino dell’autostimolazione del battito, come alternative o compartecipazione, all’impianto di dispositivi elettronici. Viene messo il focus sul concetto di Biopacemaker, il quale riassume la commistione che c’è stata e che tuttora si cerca di fortificare tra l’ambito elettronico e quello legato alla biologia, alla genetica ed all’ingegneria tissutale.

Applicazioni dei controlli automatici in neuroingegneria

Questo elaborato illustra quattro modelli di controlli automatici che vengono impiegati in due applicazioni neuro-ingegneristiche. In particolare, i primi due modelli, H-Infinito e LPV, sono messi a confronto per valutare quale fra questi può essere utilizzato per il controllo del sistema limbico umano, mentre gli altri due metodi, LQR e controllo adattivo, vengono combinati per presentare un nuovo sistema di controllo per una mano robotica.

Ma il machine interpreting sogna pecore elettroniche? Case study del dispositivo WT2 Plus in contesto reale

Il presente elaborato analizza le rese del sistema di interpretazione automatica WT2 Plus di Timekettle in un reale contesto didattico. Nello specifico, sono state condotte tre sperimentazioni presso l’Accademia Europea di Manga utilizzando due modalità di interpretazione supportate dal dispositivo. L’obiettivo è valutare la qualità di un sistema di interpretazione automatica in un contesto reale, dato che allo stato attuale mancano studi che valutino la performance di questi dispositivi nei reali contesti per i quali sono stati sviluppati. Il primo capitolo ripercorre la storia dell’interpretazione automatica, cui fa seguito la spiegazione della tecnologia alla base dei sistemi disponibili sul mercato, di cui poi si presenta lo stato dell’arte. Successivamente si delinea in breve il prossimo passaggio evolutivo nell’interpretazione automatica e si analizzano tre casi studio simili a quello proposto. Il capitolo si conclude con l’approccio scelto per valutare la performance del dispositivo. Il secondo capitolo, dedicato alla metodologia, si apre con una panoramica su WT2 Plus e sull’azienda produttrice per poi descrivere il metodo usato nelle sperimentazioni. Nello specifico, le sperimentazioni sono state condotte durante alcune delle attività previste nel normale svolgimento delle lezioni presso l’Accademia Europea di Manga con il coinvolgimento di uno studente anglofono e di due membri del personale accademico. I dati raccolti sono analizzati e discussi rispettivamente nei capitoli 3 e 4. I risultati ottenuti sembrano suggerire che il dispositivo non sia, allo stato attuale, compatibile con un reale contesto didattico, per via del quasi mancato funzionamento di una delle modalità prescelte, per il servizio di interpretazione, che risulta ancora troppo letterale, la monotonia dell’intonazione della voce automatica e infine per la traduzione quasi completamente errata della terminologia tecnica.

Numerical integration errors in deep space orbit determination

Il progetto di tesi è stato sviluppato durante il periodo di tirocinio svolto all’interno del “Laboratorio di Radio Scienza ed Esplorazione Planetaria” da un'esperienza da cui prende il nome lo stesso elaborato: ”Numerical integration errors in deep space orbit determination”. Lo scopo del sopraccitato laboratorio è stato quello di studiare in modo approfondito il problema kepleriano dei due corpi, per poi passare ad un’analisi del problema dei tre corpi e successivamente a n corpi (con particolare attenzione alle orbite dei satelliti medicei di Giove). Lo studio è stato affiancato ad un costante utilizzo della piattaforma di programmazione Matlab per l’elaborazione e la stesura di codici per il calcolo di traiettorie orbitali ed errori numerici. Infatti, il fulcro del lavoro è stato proprio il confronto di vari integratori e degli errori numerici derivanti dall’integrazione. Nella tesi, dapprima, viene introdotto il sistema Gioviano, vengono presentati i satelliti medicei, delineate le caratteristiche fisiche fondamentali e i principali motivi che portano ad avere particolare interesse nel conoscere lo sviluppo orbitale di tale sistema. In seguito, l'elaborato, dopo una dettagliata descrizione teorica del problema dei due corpi, presenta un codice per la rappresentazione di orbite kepleriane e il calcolo dei relativi errori commessi dal metodo numerico rispetto a quello analitico. Nell'ultimo capitolo, invece, il problema è esteso a più corpi dotati di massa e a tal proposito viene proposto un codice per la rappresentazione delle orbite descritte nel tempo da n corpi, date le condizioni iniziali, e il calcolo dei rispettivi errori nel sistema di riferimento (r,t,n). In merito a ciò, vengono infine testati diversi integratori per cercare quello con le migliori performance e sono poi analizzati alcuni parametri in input al problema per verificare sotto quali condizioni l’integratore lavora meglio.

Consumo energetico dei forni elettrici ad uso domestico: rassegna dei modelli matematici

Un forno è un oggetto costituito da una camera vuota, definita cavità, che espone in maniera controllata i materiali posti al suo interno ad un ambiente caldo. Esistono diversi tipi di forni (a gas, elettrici, a microonde, a legna) e sono utilizzati con diversi scopi a seconda delle dimensioni e di come generano il calore. Il prodotto alimentare viene cotto in forno attraverso la trasmissione di calore per irraggiamento, per convezione o per una combinazione di entrambi. Questo processo di riscaldamento richiede un elevato dispendio di energia, di cui solo il 20-25% è utilizzato per riscaldare il cibo in preparazione. I forni nello specifico sono responsabili di circa il 10-12% dell’impatto ambientale complessivo degli edifici civili, collocandosi tra i peggiori elettrodomestici in termini di efficienza energetica. A ragione di ciò, l’industria dei forni è stimolata a sviluppare tecnologie sempre più efficienti, attraverso la ricerca di un miglior controllo della temperatura interna del forno. Sono state redatte due normative europee, EN 60350 e EN 50304, che stabiliscono procedure di raccolta dati e calcolo dell’efficienza energetica di un forno per guidare i costruttori verso una progettazione a minor impatto energetico, che permetta loro di restare competitivi sul mercato. L’obiettivo del seguente lavoro bibliografico è stato quello di descrivere in maniera dettagliata le normative inerenti la determinazione dell’efficienza energetica dei forni domestici. Inoltre, è stata redatta una rassegna sistematica degli studi scientifici riguardanti la valutazione del consumo energico mediante modelli matematici.

Modelli matematici applicati alle epidemie

Il mio elaborato di tesi è basato sull'analisi generale dei modelli matematici alla base delle epidemie e lo studio dei punti di equilibrio dei sistemi che descrivono tali modelli. Il primo capitolo fornisce una descrizione degli elementi di base per lo studio che verrà poi affrontato nei capitoli successivi; nel capitolo in questione ci si riduce a introdurre nomenclatura, parametri e assunzioni di base. Nei capitoli secondo e terzo vengono esposti due tipi di modelli SIR diversi (epidemico e endemico), modelli alla base dell'epidemiologia che spiegano, sotto determinate ipotesi, il comportamento degli individui all'esplodere di una epidemia e il loro cambiamento di compartimento (suscettibile, infetto o rimosso) nel tempo. Di essi viene costruito il sistema di equazioni differenziali e analizzato il comportamento asintotico, per poi studiare i punti di equilibrio e la loro stabilità. Nel capitolo quarto viene analizzato allo stesso modo il modello SEIR, interessante perché fornisce una visione leggermente più sofisticata e vicina alla realtà, poiché tra i compartimenti possibili si suppone esistere anche un compartimento degli esposti, cioè di coloro che sono stati infettati ma che ancora non sono in grado di trasmettere la malattia. L'appendice finale illustra l'apparato matematico utile allo studio di questi modelli: le Equazioni Differenziali infatti sono uno strumento necessario per la descrizione dei fenomeni naturali e per lo studio della stabilità dei punti di equilibrio.

Analisi del controllo posturale in soggetti con amputazione unilaterale agli arti inferiori mediante posturografia dinamica: una revisione sistematica dalla letteratura.

Una delle limitazioni funzionali più comunemente citate dai soggetti con amputazione agli arti inferiori è il deficit nel controllo dell’equilibrio. La perdita, più o meno parziale, di un arto è accompagnata da mancanze e succisivi adattamenti del sistema di controllo posturale. Considerando l’aumento dell’età della popolazione generale e la crescente incidenza delle cause di amputazioni su di essa, vi è un’inequivocabile necessità di indagare come il controllo posturale cambi in questi individui. A tal riguardo, è stata condotta una revisione sistematica dei metodi proposti in letteratura riguardanti l’analisi del controllo posturale in soggetti con amputazione unilaterale agli arti inferiori, mediante la posturografia dinamica. Partendo dall’articolo di riferimento: “Balance control in lower extremity amputees during quiet standing: A systematic review” (Ku et al., 2013), a dicembre 2022 è stata evidenziata ed estesa la ricerca, fino all’anno corrente, degli articoli riguardanti il medesimo argomento, ma esclusivamente in ambito dinamico. Dalla ricerca, condotta su PubMed e Scopus, sono stati selezionati 8 articoli scientifici, nei quali, attraverso l’utilizzo di dispositivi di equilibrio, vengono analizzati i meccanismi alla base del controllo posturale nelle persone con amputazione agli arti inferiori. Dai risultati si è potuto dimostrare che gli amputati unilaterali degli arti inferiori fanno molto affidamento su input visivi, vestibolari e segnali somatosensoriali dalla loro gamba intatta per compensare le informazioni somatosensoriali mancanti dell'arto amputato. Quando uno di questi viene compromesso, mostrano uno scarso controllo posturale rispetto agli individui normodotati.

Formule analitiche per il calcolo delle perdite elettrodinamiche in cavi superconduttori ad alta temperatura critica.

Questo elaborato di tesi si concentra sul calcolo delle perdite che si verificano in cavi superconduttori ad alta temperatura critica per la fusione. La valutazione delle perdite riveste un ruolo di particolare importanza nella fase di progettazione di un cavo o di un avvolgimento superconduttore. Infatti, le proprietà superconduttive si manifestano a basse temperature (inferiori alla temperatura di transizione dalla fase normale alla fase superconduttiva) e di conseguenza è necessario configurare un apparato criogenico per il sistema. In tal senso, le perdite rientrano nel “budget” termico necessario a dimensionare correttamente il sistema di raffreddamento. Nel dettaglio, il lavoro verte sulla modellizzazione analitica e numerica delle perdite in una pila di nastri superconduttori in presenza sia di un campo magnetico esterno sia di una corrente di trasporto, entrambi con andamento variabile nel tempo. Gli obiettivi prefissati sono stati raggiunti grazie allo studio della letteratura e alle simulazioni numeriche, effettuate utilizzando dei software commerciali quali COMSOL Multiphysics e Matlab. Il contributo originale di questo elaborato è stato lo sviluppo di un nuovo modello analitico, che permette di calcolare le perdite per isteresi dovute a campi magnetici e correnti variabili periodicamente nel tempo. Le formule hanno carattere generale e possono essere utilizzate quando i campi e le correnti variano in fase seguendo degli andamenti periodici nel tempo di qualsiasi forma. Le simulazioni agli elementi finiti sono servite per validare le formule analitiche proposte. Le nuove relazioni ottenute sono state utilizzate per la stima delle perdite di un inserto ad alta temperatura critica del solenoide centrale di EU-DEMO (DEMOnstration Power Plant). Il modello analitico elaborato sarà pubblicato prossimamente su IEEE-Transactions on Applied Superconductivity.

Sviluppo di un simulatore per la propagazione del calore nei data center

Questa tesi tratta lo sviluppo di un software in grado di simulare le dinamiche tra fluidi e oggetti considerando la propagazione del calore in vista di possibili applicazioni rivolte ad ambienti in cui lo stato termico del sistema e' critico (data center).

L'integrazione dei sistemi infusionali con il sistema informativo ospedaliero come elemento di riduzione del rischio clinico

Il documento descrive un profilo d'integrazione sviluppato da IHE(Integrating Health Enterprise) con lo scopo di diminuire il rischio clinico nel caso delle terapie infusionali. Vengono descritte nel dettaglio l'organizzazione IHE e la sua struttura, la gestione del rischio, il reparto di terapia intensiva, le pompe infusionali e gli errori ad esse relativi. Tema centrale è l'analisi approfondita del framework IPEC(Infusion Pump Event Communication).

Studio di un nuovo sistema angiotermografico tridimensionale per la diagnostica del tumore al seno.

L’angiotermografia dinamica (DATG) è una tecnica diagnostica per il tumore al seno non invasiva e che non richiede l'utilizzo di radiazioni ionizzanti. La strumentazione fornisce immagini della vascolarizzazione della mammella rilevate e visualizzate da tre placche a cristalli liquidi. Le immagini, sulla base della teoria della neoangiogenesi, permettono la diagnosi anche precoce del tumore al seno. Inoltre, la DATG può essere impiegata su donne di ogni età e grazie al suo basso costo può coadiuvare le altre tecniche per lo screening. Scopo di questo lavoro è la caratterizzazione della strumentazione e lo studio di un nuovo metodo di elaborazione che permetta di ottenere immagini tridimensionali della vascolarizzazione. Poiché le immagini fornite dalla DATG sono a colori, si è elaborato il calcolo della tonalità (hue) per poter avere un valore da mettere in relazione con la temperatura misurata con una termocamera. Sperimentalmente è stato osservato che le placche rispondono a temperature comprese rispettivamente tra 31,5°C e 34,0°C per quella con cornice bianca, con una risoluzione tra 0,50 e 1,50 mm, tra 32,5oC e 34,5°C per quella con cornice grigia, che è in grado di rivelare dettagli con dimensioni minime dell'ordine di 0,50-2,50 mm e tra 34,0°C e 36,5°C per quella con cornice nera, con una risoluzione compresa tra 0,25 mm e 1,50 mm. Le immagini fornite dalla DATG sono bidimensionali. Per ricavare l’informazione sulla profondità di provenienza del segnale, è stata acquisita una sequenza dinamica angiotermografica in vivo. Per ottenere la distribuzione spaziale della vascolarizzazione in tre dimensioni, sulla base dell’equazione del trasporto del calore di Fourier, è stata ipotizzata una relazione esponenziale tra contributo temporale nella formazione dell’immagine e profondità di provenienza del segnale. I primi test sperimentali mostrano con buona approssimazione che è possibile ottenere immagini tridimensionali angiotermografiche, anche se il metodo andrà ulteriormente affinato. In futuro si cercherà di realizzare dei fantocci dedicati che consentano di verificare ulteriormente la modalità con cui si formano le immagini e di sfruttare i dati raccolti per conoscere con maggior accuratezza la profondità da cui proviene il segnale. Si spera, infine, che questo studio possa contribuire a diffondere la conoscenza di tale metodica e il suo utilizzo sia per la diagnosi che per lo screening del tumore al seno.