Studio e applicazione di tecniche di riduzione di dimensionalita a modelli geometrici di percezione visiva

La tesi affronta il tema della neuromatematica della visione, in particolare l’integrazione di modelli geometrici di percezione visiva con tecniche di riduzione di dimensionalità. Dall’inizio del secolo scorso, la corrente ideologica della Gestalt iniziò a definire delle regole secondo le quali stimoli visivi distinti tra loro possono essere percepiti come un’unica unità percettiva, come ad esempio i principi di prossimità, somiglianza o buona continuazione. Nel tentativo di quantificare ciò che gli psicologi avevano definito in maniera qualitativa, Field, Hayes e Hess hanno descritto, attraverso esperimenti psicofisiologici, dei campi di associazione per stimoli orientati, che definiscono quali caratteristiche due segmenti dovrebbero avere per poter essere associati allo stesso gruppo percettivo. Grazie alle moderne tecniche di neuroimaging che consentono una mappatura funzionale dettagliata della corteccia visiva, è possibile giustificare su basi neurofisiologiche questi fenomeni percettivi. Ad esempio è stato osservato come neuroni sensibili ad una determinata orientazione siano preferenzialmente connessi con neuroni aventi selettività in posizione e orientazione coerenti con le regole di prossimità e buona continuazione. Partendo dal modello di campi di associazione nello spazio R^2xS^1 introdotto da Citti e Sarti, che introduce una giustificazione del completamento percettivo sulla base della funzionalità della corteccia visiva primaria (V1), è stato possibile modellare la connettività cellulare risolvendo un sistema di equazioni differenziali stocastiche. In questo modo si sono ottenute delle densità di probabilità che sono state interpretate come probabilità di connessione tra cellule semplici in V1. A queste densità di probabilità è possibile collegare direttamente il concetto di affinità tra stimoli visivi, e proprio sulla costruzione di determinate matrici di affinità si sono basati diversi metodi di riduzione di dimensionalità. La fenomenologia del grouping visivo descritta poco sopra è, di fatto, il risultato di un procedimento di riduzione di dimensionalità. I risultati ottenuti da questa analisi e gli esempi applicativi sviluppati si sono rivelati utili per comprendere più nel dettaglio la possibilità di poter riprodurre, attraverso l’analisi spettrale di matrici di affinità calcolate utilizzando i modelli geometrici di Citti-Sarti, il fenomeno percettivo di grouping nello spazio R^2xS^1.

"Influence of lower-limb joint models on subject-specific musculoskeletal model predictions during gait" ( "modelli muscoloscheletrici personalizzati dell'arto inferiore: Analisi dell'effetto della modellazione dei giunti sulla predizione dei carichi agenti sul sistema scheletrico durante il cammino").

The aim of the present thesis was to investigate the influence of lower-limb joint models on musculoskeletal model predictions during gait. We started our analysis by using a baseline model, i.e., the state-of-the-art lower-limb model (spherical joint at the hip and hinge joints at the knee and ankle) created from MRI of a healthy subject in the Medical Technology Laboratory of the Rizzoli Orthopaedic Institute. We varied the models of knee and ankle joints, including: knee- and ankle joints with mean instantaneous axis of rotation, universal joint at the ankle, scaled-generic-derived planar knee, subject-specific planar knee model, subject-specific planar ankle model, spherical knee, spherical ankle. The joint model combinations corresponding to 10 musculoskeletal models were implemented into a typical inverse dynamics problem, including inverse kinematics, inverse dynamics, static optimization and joint reaction analysis algorithms solved using the OpenSim software to calculate joint angles, joint moments, muscle forces and activations, joint reaction forces during 5 walking trials. The predicted muscle activations were qualitatively compared to experimental EMG, to evaluate the accuracy of model predictions. Planar joint at the knee, universal joint at the ankle and spherical joints at the knee and at the ankle produced appreciable variations in model predictions during gait trials. The planar knee joint model reduced the discrepancy between the predicted activation of the Rectus Femoris and the EMG (with respect to the baseline model), and the reduced peak knee reaction force was considered more accurate. The use of the universal joint, with the introduction of the subtalar joint, worsened the muscle activation agreement with the EMG, and increased ankle and knee reaction forces were predicted. The spherical joints, in particular at the knee, worsened the muscle activation agreement with the EMG. A substantial increase of joint reaction forces at all joints was predicted despite of the good agreement in joint kinematics with those of the baseline model. The introduction of the universal joint had a negative effect on the model predictions. The cause of this discrepancy is likely to be found in the definition of the subtalar joint and thus, in the particular subject’s anthropometry, used to create the model and define the joint pose. We concluded that the implementation of complex joint models do not have marked effects on the joint reaction forces during gait. Computed results were similar in magnitude and in pattern to those reported in literature. Nonetheless, the introduction of planar joint model at the knee had positive effect upon the predictions, while the use of spherical joint at the knee and/or at the ankle is absolutely unadvisable, because it predicted unrealistic joint reaction forces.

Utilizzo di algoritmi genetici nell'ambito della bioingegneria: Applicazione alla identificazione di modelli cardiaci

In questo studio sarà trattato lo sviluppo degli algoritmi genetici, uno strumento di calcolo nato ispirandosi alle leggi Darwiniane sull’evoluzione naturale. Questi algoritmi, le cui basi furono introdotte a partire dagli anni '40, mirano alla risoluzione di una vasta categoria di problemi computazionali utilizzando un approccio differente, basato sulle regole di mutazione e ricombinazione proprie della genetica. Essi permettono infatti di valutare delle soluzioni di partenza e, grazie alle variazioni introdotte dalla modifica casuale o dalla ricombinazione di queste, crearne di nuove nel tentativo di convergere verso soluzioni ottimali. Questo studio si propone come una descrizione di questo strumento, dei suoi sviluppi e delle sue potenzialità in ambito bioingegneristico, focalizzandosi sul suo utilizzo recente nell’ identificazione parametrica di modelli cardiaci.

Supernovae di tipo Ia: Sistemi progenitori e modelli di esplosione

Il lavoro di tesi esamina i plausibili sistemi progenitori per le supernovae di tipo di Ia e analizza i principali modelli di esplosione studiati ed implementati dai gruppi di ricerca per le SNe Ia.

Formazione stellare cosmica ed evoluzione fotometrica delle galassie in modelli cosmologici non standard

L'avvento di strumenti di osservazione sempre più potenti ha permesso negli ultimi decenni di studiare a fondo gli oggetti che compongono l'universo nonchè di giungere a stabilirne una possibile geometria. Se da un lato i dati di WMAP supportano un determinato scenario ``di consenso'', questo non esclude, tuttavia che anche altre possibili soluzioni cosmologiche possano entrare in gioco una volta che una o più delle assunzioni portanti del modello ΛCDM vengano aggiornate o risultino, alla prova di nuovi fatti, inconsistenti. Ecco quindi che può essere interessante investigare quali implicazioni possano nascere da una scelta diversa del modello. Prenderemo in considerazione cinque modelli: oltre al modello di consenso (ΛCDM), valuteremo anche tre casi limite nel contesto della metrica di Friedmann. Dedicheremo particolare attenzione, infine, al modello dello Stato Stazionario. Studieremo, al variare di questi scenari, la formazione stellare cosmica e con l'utilizzo dei modelli di SSP di Buzzoni (2005) otterremo le proprietà fotometriche di una meta galassia, le quali verranno confrontate con osservazioni recenti (e.g. Madgwick et al. 2002).

Reti neurali e modelli fisico-predittivi: Dati clinici e analisi di trattamenti in tomotherapy

Il lavoro è parte integrante di un progetto di ricerca del Ministero della Salute ed è stato sviluppato presso la Fisica Sanitaria ed il reparto di Radioterapia Oncologica dell’Azienda Ospedaliero Universitaria di Modena. L’obiettivo è la realizzazione di modelli predittivi e di reti neurali per tecniche di warping in ambito clinico. Modifiche volumetrico-spaziali di organi a rischio e target tumorali, durante trattamenti tomoterapici, possono alterare la distribuzione di dose rispetto ai constraints delineati in fase di pianificazione. Metodologie radioterapiche per la valutazione di organ motion e algoritmi di registrazione ibrida permettono di generare automaticamente ROI deformate e quantificare la divergenza dal piano di trattamento iniziale. Lo studio si focalizzata sulle tecniche di Adaptive Radiation Therapy (ART) mediante la meta-analisi di 51 pazienti sottoposti a trattamento mediante Tomotherapy. Studiando il comportamento statistico del campione, sono state generate analisi predittive per quantificare in tempo reale divergenze anatomico dosimetriche dei pazienti rispetto al piano originale e prevedere la loro ripianificazione terapeutica. I modelli sono stati implementati in MATLAB, mediante Cluster Analysis e Support Vector Machines; l’analisi del dataset ha evidenziato il valore aggiunto apportabile dagli algoritmi di deformazione e dalle tecniche di ART. La specificità e sensibilità della metodica è stata validata mediante l’utilizzo di analisi ROC. Gli sviluppi del presente lavoro hanno aperto una prospettiva di ricerca e utilizzo in trattamenti multicentrici e per la valutazione di efficacia ed efficienza delle nuove tecnologie in ambito RT.

Scripting automation e modelli bayesiani: Applicazioni cliniche in radioterapia e sviluppo di tecniche innovative per adaptive radiation therapy

La presente ricerca consiste nel validare ed automatizzare metodiche di Adaptive Radiation Therapy (ART), che hanno come obiettivo la personalizzazione continua del piano di trattamento radioterapico in base alle variazioni anatomiche e dosimetriche del paziente. Tali variazioni (casuali e/o sistematiche) sono identificabili mediante l’utilizzo dell’imaging diagnostico. Il lavoro svolto presso la struttura di Fisica Medica dell’Azienda Ospedaliera Universitaria del Policlinico di Modena, si inserisce in un progetto del Ministero della Salute del bando Giovani Ricercatori dal titolo: “Dose warping methods for IGRT and ADAPTIVERT: dose accumulation based on organ motion and anatomical variations of the patients during radiation therapy treatments”. Questa metodica si sta affermando sempre più come nuova opportunità di trattamento e, per tale motivo, nasce l’esigenza di studiare e automatizzare processi realizzabili nella pratica clinica, con un utilizzo limitato di risorse. Si sono sviluppati script che hanno permesso l’automazione delle operazioni di Adaptive e deformazioni, raccogliendo i dati di 51 pazienti sottoposti a terapia mediante Tomotherapy. L’analisi delle co-registrazioni deformabili delle strutture e delle dosi distribuite, ha evidenziato criticità del software che hanno reso necessario lo sviluppo di sistemi di controllo dei risultati, per facilitare l’utente nella revisione quotidiana dei casi clinici. La letteratura riporta un numero piuttosto limitato di esperienze sulla validazione e utilizzo su larga scala di questi tools, per tale motivo, si è condotto un esame approfondito della qualità degli algoritmi elastici e la valutazione clinica in collaborazione di fisici medici e medici radioterapisti. Sono inoltre stati sviluppati principi di strutturazione di reti Bayesiane, che consentono di predirre la qualità delle deformazioni in diversi ambiti clinici (H&N, Prostata, Polmoni) e coordinare il lavoro quotidiano dei professionisti, identificando i pazienti, per i quali sono apprezzabili variazioni morfo-dosimetriche significative. Da notare come tale attività venga sviluppata automaticamente durante le ore notturne, sfruttando l’automation come strumento avanzato e indipendente dall’operatore. Infine, il forte sviluppo, negli ultimi anni della biomeccanica applicata al movimento degli organi (dimostrato dalla numerosa letteratura al riguardo), ha avuto come effetto lo sviluppo, la valutazione e l’introduzione di algoritmi di deformazione efficaci. In questa direzione, nel presente lavoro, si sono analizzate quantitivamente le variazioni e gli spostamenti delle parotidi, rispetto all’inizio del trattamento, gettando le basi per una proficua linea di ricerca in ambito radioterapico.

Applicazione e confronto di modelli per lo studio della vulnerabilita da maremoto nel golfo di siracusa

Il lavoro svolto in questa tesi s’inserisce e sviluppa soprattutto nel campo dell’analisi della vulnerabilità relativa agli tsunami ed è centrato sull’analisi della vulnerabilità di strutture ed edifici. Per la precisione si è focalizzata l’attenzione su un’area geografica specifica, cioè si è considerata l’ipotesi che un maremoto colpisca le coste orientali della Sicilia ed in particolare della città di Siracusa. Questo lavoro di tesi prenderà in considerazione due modelli distinti per la stima della vulnerabilità: il modello SCHEMA (SCenarios for Hazard-induced Emergencies MAnagement) che prende il nome dal progetto europeo in cui è stato sviluppato e il modello PTVA (Papathoma Tsunami Vulnerability Assessment) introdotto da Papathoma et al. (2003) e successivamente modificato da Dominey-Howes et al. (2007) e da Dall’Osso et al. (2009). Tali modelli sono esempi dei due possibili approcci (quantitativo e qualitativo). Nei seguenti capitoli si sono trattate le curve di fragilità e di danno, in particolare seguendo la metodologia di Koshimura et al. (2009) ed il lavoro di Valencia et al. (2011). A seguire sono stati descritti i due metodi utilizzati per lo studio della vulnerabilità (SCHEMA, PTVA) ed il lavoro che è stato condotto nell’area di Siracusa. Il lavoro di tesi si è concluso mostrando i risultati della classificazione di vulnerabilità evidenziando e discutendo differenze e similarità delle mappe risultanti dai due metodi applicati.

Modelli di arbitraggio statistico: teoria ed evidenza empirica

Questo lavoro di ricerca tratta di due modelli di arbitraggio: il pair trading e il market making. I modelli sono affrontati attraverso una trattazione teorica ed una serie di test

Modelli di previsione delle serie storiche macroeconomiche

La tesi descrive i principali indicatori macroeconomici, in particolare gli indici di sentiment.

Fondazioni a pozzo per pile da ponte. Confronti fra diversi modelli di interazione con il terreno

Descrizione dei vantaggi della tecnologia delle fondazioni da pozzo per le pile da ponte. Analisi dei carichi di un viadotto esistente a struttura mista e studio agli stati limite delle più svantaggiose condizioni di carico. Analisi sismica della pila. Progetto e verifica della pila, del plinto e del pozzo nelle diverse fasi di realizzazione e per le combinazioni di carico considerate. Verifiche del terreno, con riferimento ai criteri di dimensionamento del Prof. Jamiolkowski. Analisi tenso-deformativa del terreno con software Plaxis2D e Midas-GTS (3D). Confronti fra il metodo analitico adottato nelle verifiche ed i risultati numerici. Norme di riferimento: NTC2008, Istruzione N°I/SC/PS-OM/2298, Ordinanza 3274 come modificato dall'OPCM 3431

Teoria dell'utilità applicata alla calibrazione di modelli idrologici

Il presente lavoro di tesi affronta il problema della calibrazione dei modelli idrologici afflussi-deflussi tramite un nuovo approccio basato sull'utilizzo di funzioni di utilità. L'approccio classico nella calibrazione dei modelli idrologici prevede la definizione di una misura di discrepanza tra dato osservato e simulato (definizione della funzione obiettivo) per poi procedere ad una sua minimizzazione o massimizzazione. Tradizionalmente, questo processo viene eseguito considerando l'idrogramma nella sua globalità, senza concentrarsi su quegli intervalli dell'idrogramma più utili all'utilizzatore del modello idrologico. Ad esempio, se il modello idrologico viene impiegato in un'ottica di gestione delle risorse idriche, l'utilizzatore sarà interessato ad una “migliore” riproduzione dei deflussi medio/bassi piuttosto che una corretta riproduzione dei colmi di piena. D'altra parte, se l'obiettivo è la riproduzione dei colmi di piena, un modello con alte prestazioni nella riproduzione dei deflussi medi risulta essere di scarsa utilità all'utilizzatore. Calibrando il modello tramite la funzione di utilità più adatta al caso pratico in esame, si può pertanto consentire all'utilizzatore del modello di guidare il processo di calibrazione in modo da essere coerente con il proprio schema decisionale e con le proprie esigenze, e di migliorare le performances del modello (cioè la riproduzione delle portate osservate) negli intervalli di portata per lui di maggiore interesse.

Modelli e tecnologie ad attori: analisi delle performance

Studio dei limiti della programmazione ad oggetti concorrente e introduzione dei modelli di concorrenza alternativi forniti in letteratura, prendendo gli attori come caso studio. Analisi delle performance della libreria ad attori Akka e confronto con i meccanismi forniti da Java 7.

Metodi e modelli per l'interoperabilità di infrastrutture di virtualizzazione eterogenee: Openstack come caso di studio

Il presente lavoro è uno studio sulle diverse proposte in letteratura per ovviare alle problematiche di interoperabilità tra piattaforme di virtualizzazione eterogenee, ovvero di diversi produttori. Al giorno d'oggi non sono stati definiti con successo degli standard opportuni per cui le soluzioni presentate sono molto diverse tra di loro. Lo scopo del lavoro è quello di analizzare le proposte e, in base ad uno studio approfondito, stabilire qual è quella migliore. Successivamente si vuole presentare il caso di studio di una piattaforma che si basa su uno strato virtuale che può essere eterogeneo. Si vuole evidenziare come nei sistemi complessi garantire interoperabilità comporta garantire anche una vasta serie di altri servizi necessari alla consistenza del sistema.

Modelli diffusivi ed effetti di ritardo nella conduzione del calore e nella dinamica delle popolazioni.

In questi tesi viene studiata la teoria classica di diffusione del calore come modello parabolico per cui viene calcolata una soluzione attraverso il metodo di separazione delle variabili e il metodo delle onde dispersive. Viene poi affrontata la teoria alternativa proposta da Cattaneo del modello iperbolico del calore, allo scopo di superare il paradosso di velocità di propagazione infinita. Si conclude con alcuni esempi in cui lo stesso ragionamento viene applicato in diverse teorie diffusive e di reazione-diffusione in ambiti bio-matematici, come ad esempio la dinamica delle popolazioni.