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.

Geotermia a bassa entalpia: Validazione dei software applicativi.

Trovare una fonte alternativa ai combustibili fossili non costituisce più una scelta, ma un obbligo. Lo sfruttamento dell’energia geotermica sta diventando una realtà sempre più diffusa, in quanto una forma di energia rinnovabile, pulita, economicamente conveniente, e con una giusta politica energetica potrebbe dare il suo importante contributo all’energia ottenuta da fonte rinnovabile. Ci sono però dei fattori da non sottovalutare, l’installazione e il funzionamento di impianti geotermici per il riscaldamento o raffrescamento di edifici può produrre alterazioni sull’ambiente circostante e nella falda acquifera. Attraverso un attento studio vengono presi in considerazione tutti i fattori che potrebbero provocare un cambiamento dell’equilibrio preesistente, e vengono individuate le soluzioni che permettono la fattibilità del progetto rispettando i parametri imposti dalla legge. Nell’istallazione di sistemi geotermici a bassa entalpia, il principale elemento da tenere sotto osservazione riguarda la previsione e il controllo delle temperature, in modo tale da impedire lo sviluppo di anomalie termiche. Il sistema preso in considerazione in questa tesi è un sistema geotermico open loop: attraverso un pozzo di adduzione viene prelevata acqua direttamente dalla falda acquifera, per il riscaldamento o il raffrescamento di un edificio, e reimmessa, ad una temperatura diversa, attraverso un pozzo di reimmissione. Si valuta l’impatto del sistema nel sottosuolo e le temperature raggiunte a seguito della messa in opera dell’impianto. In particolare, è proposto un modello numerico MODFLOW di un sistema open loop in un acquifero di sabbia e ghiaia, al fine di determinare l’influenza della reimmissione dal punto di vista idrico e termico. I dati risultanti da questo modello saranno confrontati con quelli ottenuti utilizzando un potente software, COMSOL MULTIPHYSICS. Infine si effettua l’analisi e il confronto dei dati ottenuti dai due software nelle diverse configurazioni del sistema e se ne individua la più adatta alle caratteristiche del sito in esame.

Realizzazione e verifica sperimentale del sistema di controllo di convertitori elettronici di potenza per l'interfacciamento con la rete elettrica

In questo lavoro di tesi è stato realizzato lo schema di controllo di un raddrizzatore attivo e di un filtro attivo. Questi sono stati realizzati utilizzando il software Simulink, effettuando una prima fase di simulazione. Tramite il sistema dSpace è stato possibile poi controllare concretamente il convertitore ed effettuare le prove sperimentali.

Realizzazione di un sistema di misura miniaturizzato per monitoraggio ambientale

L'elaborato affronta in primo luogo la progettazione e il design CAD del sistema di misura impedenziometrico ad alta risoluzione. La seconda parte tratta un'upgrade del software per implementare una funzione di risparmio energetico.

Realizzazione di un sistema di controllo per l'automazione dei test su veicolo a banco rulli

Per eseguire dei test automatizzati su una moto posta su banco a rulli, è necessario un software che permetta di gestire determinati attuatori sulla moto, in modo da poter simulare le condizioni di guida desiderate. Nel modello preso in esame, sono stati utilizzati Simulink e NI VeriStand. Simulink è un ambiente grafico di simulazione e analisi di sistemi dinamici completamente integrato con Matlab, caratterizzato dalla tipica interfaccia a blocchi, che possono essere personalizzati o scelti dalla libreria. Ni VeriStand è invece un ambiente software che permette di elaborare modelli scritti in Simulink in real time. Il presente lavoro è stato incentrato proprio su quest’ultimo aspetto. Per prima cosa è stata esaminata a fondo la parte del modello in Simulink, dopo di che è stata valutata la possibilità di riscrivere alcune parti del modello con un’applicazione interna a Simulink (StateFlow), che si potrebbe prestare meglio a simulare la logica di controllo rispetto a com’è gestita attualmente.

Sviluppo di tecniche di Speckle tracking per la correzione del movimento in ecografia epatica perfusionale

L'ecografia con mezzo di contrasto è una tecnica non invasiva che consente di visualizzare la micro e la macrocircolazione grazie all'utilizzo di microbolle gassose che si distribuiscono in tutto il sistema cardiovascolare. Le informazioni emodinamiche e perfusionali ricavabili dalle immagini eco con contrasto possono essere utilizzate per costruire un modello a grafo dell'albero vascolare epatico. L'analisi della connettività del grafo rappresenta una strategia molto promettente che potrebbe consentire di sostituire la misurazione del gradiente pressorio venoso del fegato, che richiede cateterismo, determinando un notevole miglioramento nella gestione dei pazienti cirrotici. La presente tesi si occupa della correzione dei movimenti del fegato, che deve essere realizzata prima di costruire il grafo per garantire un'accuratezza adeguata. Per correggere i movimenti è proposta una tecnica di Speckle tracking, testata sia in vitro su sequenze eco sintetiche, sia in vivo su sequenze reali fornite dal Policlinico Sant'Orsola.

Studio e sviluppo di tecniche automatiche per la valutazione di massa e volumi del ventricolo sinistro in risonanza magnetica cardiaca

La risonanza magnetica cardiaca è una tecnica di imaging non invasiva, in quanto non necessita l’uso di radiazioni ionizzanti, caratterizzata da un’elevata risoluzione spaziale e che permette acquisizioni in 4-D senza vincoli di orientazione. Grazie a queste peculiarità, la metodica della risonanza magnetica ha mostrato la sua superiorità nei confronti delle altre tecniche diagnostiche ed è riconosciuta come il gold standard per lo studio della fisiologia e fisiopatologia della pompa cardiaca. Nonostante la potenza di questi vantaggi, esistono ancora varie problematiche che, se superate, potrebbero probabilmente migliorare ulteriormente la qualità delle indagini diagnostiche. I software attualmente utilizzati nella pratica clinica per le misure del volume e della massa ventricolare richiedono un tracciamento manuale dei contorni dell’endocardio e dell’epicardio per ciascuna fetta, per ogni frame temporale del ciclo cardiaco. Analogamente avviene per il tracciamento dei contorni del tessuto non vitale. In questo modo l’analisi è spesso qualitativa. Di fatti, la necessità dell’intervento attivo dell’operatore rende questa procedura soggettiva e dipendente dall’esperienza, provocando un’elevata variabilità e difficile ripetibilità delle misure intra e inter operatore, oltre ad essere estremamente dispendiosa in termini di tempo, a causa dell’elevato numero di immagini da analizzare. La disponibilità di una tecnica affidabile per il tracciamento automatico dei contorni dell’endocardio e dell’epicardio consente di superare queste limitazioni ed aumentare l’accuratezza e la ripetibilità delle misure di interesse clinico, quali dimensione, massa e curve di volume ventricolari. Lo scopo di questa tesi è di sviluppare e validare una tecnica di segmentazione automatica che consenta l’identificazione e la quantificazione di cicatrici nel miocardio, a seguito di infarto cardiaco. Il lavoro è composto da due tappe principali. Inizialmente, è presentato un metodo innovativo che permette, in via totalmente automatica, di tracciare in modo accurato e rapido i contorni dell’endocardio e dell’epicardio nel corso dell’intero ciclo cardiaco. Successivamente, l’informazione sulla morfologia cardiaca ricavata nella prima fase è utilizzata per circoscrivere il miocardio e quantificare la transmuralità dell’infarto presente in pazienti ischemici.

Monitoring the extracellular matrix mineralization processes in biological scaffolds using bioreactors, x-ray μct technology and 3-d modeling methods (monitoraggio dei processi di mineralizzazione della matrice extracellulare in scaffolds biologici, utilizzando bioreattore, tecnologia μct a raggi x e metodi di modellizzazione 3d)

Al fine di migliorare le tecniche di coltura cellulare in vitro, sistemi a bioreattore sono sempre maggiormente utilizzati, e.g. ingegnerizzazione del tessuto osseo. Spinner Flasks, bioreattori rotanti e sistemi a perfusione di flusso sono oggi utilizzati e ogni sistema ha vantaggi e svantaggi. Questo lavoro descrive lo sviluppo di un semplice bioreattore a perfusione ed i risultati della metodologia di valutazione impiegata, basata su analisi μCT a raggi-X e tecniche di modellizzazione 3D. Un semplice bioreattore con generatore di flusso ad elica è stato progettato e costruito con l'obiettivo di migliorare la differenziazione di cellule staminali mesenchimali, provenienti da embrioni umani (HES-MP); le cellule sono state seminate su scaffold porosi di titanio che garantiscono una migliore adesione della matrice mineralizzata. Attraverso un microcontrollore e un'interfaccia grafica, il bioreattore genera tre tipi di flusso: in avanti (senso orario), indietro (senso antiorario) e una modalità a impulsi (avanti e indietro). Un semplice modello è stato realizzato per stimare la pressione generata dal flusso negli scaffolds (3•10-2 Pa). Sono stati comparati tre scaffolds in coltura statica e tre all’interno del bioreattore. Questi sono stati incubati per 21 giorni, fissati in paraformaldehyde (4% w/v) e sono stati soggetti ad acquisizione attraverso μCT a raggi-X. Le immagini ottenute sono state poi elaborate mediante un software di imaging 3D; è stato effettuato un sezionamento “virtuale” degli scaffolds, al fine di ottenere la distribuzione del gradiente dei valori di grigio di campioni estratti dalla superficie e dall’interno di essi. Tale distribuzione serve per distinguere le varie componenti presenti nelle immagini; in questo caso gli scaffolds dall’ipotetica matrice cellulare. I risultati mostrano che sia sulla superficie che internamente agli scaffolds, mantenuti nel bioreattore, è presente una maggiore densità dei gradienti dei valori di grigio ciò suggerisce un migliore deposito della matrice mineralizzata. Gli insegnamenti provenienti dalla realizzazione di questo bioreattore saranno utilizzati per progettare una nuova versione che renderà possibile l’analisi di più di 20 scaffolds contemporaneamente, permettendo un’ulteriore analisi della qualità della differenziazione usando metodologie molecolari ed istochimiche.

Progetto di un sistema a microcontrollore per modulazione back-scattering uwb

La tesi tratta il progetto di una piattaforma di simulazione per modulazioni back-scatter UWB su un sistema a microcontrollore PIC. Il sistema utilizza uno switch a UWB per eseguire la modulazione, modificando le condizioni di carico d'antenna; il software implementa la modulazione attraverso la variazione del segnale di controllo dello switch e si interfaccia con l'utente attraverso l'uso di una periferica USB, permettendo la modifica runtime della configurazione. Si interfaccia inoltre con strumenti esterni attraverso segnali di sincronizzazione.

Tecniche per la separazione live di piani di profondita in un flusso video mediante Kinect e una applicazione nell'intrattenimento digitale

Keying e composizione sono da sempre tecniche ampiamente utilizzate in contesti multimediali, quali produzione cinematografica e televisiva; il chroma keying è in particolare la tecnica più popolare, ma presenta una serie di limiti e problematiche. In questo elaborato viene proposta una tecnica alternativa di estrazione, basata sull'uso della profondità, operante in tempo reale e che sfrutta il device Kinect di Microsoft. Sono proposti una serie di algoritmi, basati su tecniche di edge detection, utilizzati per il miglioramento della depth map lungo i bordi di estrazione; viene infine testato il risultato ottenuto dall'implementazione del sistema e proposta una possibile applicazione nell'ambito del teatro multimediale.

Riconoscimento preliminare della forma di velivoli con tecniche di elaborazione delle immagini per applicazione a sistemi UAV

Uno dei problemi che ostacola la diffusione in ambito civile degli aerei senza pilota a bordo (UAV) è la gestione della sicurezza in volo. Gli UAV civili, infatti, popolando una regione di spazio aereo molto affollata e devono interagire con una moltitudine di altri mezzi aerei. Per questo motivo, risulta particolarmente critica l'implementazione di logiche di tipo Sense and Avoid, attraverso le quali un UAV deve essere in grado di "vedere" altri mezzi in rotta di collisione ed elaborare le azioni utili ad evitare l'impatto, decidendo se attuare una manovra autonoma di avoiding oppure delegarla al mezzo incontrato. Questa tesi descrive un primo approccio al problema del riconoscimento (Sense) dei mezzi aerei che un generico velivolo UAV può incontrare durante la normale condotta del volo. In particolare, si descrivono le strategie impiegate e gli ambienti software utilizzati per testare alcune procedure di riconoscimento delle immagini applicabili alla fase di detection dell'intruder, situazione tipica del caso di studio. I risultati sperimentali ottenuti dalla progettazione e dallo sviluppo di un apposito software, consistono nell'implementazione e successiva valutazione di diverse tecniche, individuando le criticità del problema.

Studio e valutazione sperimentale di tecniche di radio fingerprinting per navigazione indoor con dispositivi mobili Android

Lo studio effettuato raccoglie informazioni al fine di svolgere un’analisi globale delle tecniche attualmente in uso, o in fase di studio, nel campo della localizzazione di dispositivi all’interno di un ambiente chiuso, ovvero laddove non è possibile sfruttare la copertura del sistema GPS. La panoramica è frutto dell’analisi e dello studio di paper tecnici pubblicati dai collaboratori dell’IEEE, fruibili all’interno del portale IEEE Xplore. A corredo di questo studio è stata sviluppata una applicazione per dispositivi Android basata sulla tecnica del Wi-Fi fingerprint; l’applicazione, che rappresenta un primo approccio alle tecniche di localizzazione, è a tutti gli effetti un sistema standalone per la localizzazione, consente cioè di costruire sia la mappa per la localizzazione, partendo da un ambiente sconosciuto, sia di ottenere la posizione dell’utente all’interno di una mappa conosciuta. La tesi si conclude con una analisi dei risultati e delle performance ottenute dall’applicazione in un uso comune, al fine di poter valutare l’efficacia della tecnica presa in considerazione. I possibili sviluppi futuri sono analizzati in un capitolo a parte e trovano spazio in ambienti nei quali si vogliono offrire servizi "context-based", ovvero basati sulla posizione esatta dell’utente.

Sicurezza, protezione e integrità nei sistemi cloud: Modelli, metodi e tecnologie

La natura distribuita del Cloud Computing, che comporta un'elevata condivisione delle risorse e una moltitudine di accessi ai sistemi informatici, permette agli intrusi di sfruttare questa tecnologia a scopi malevoli. Per contrastare le intrusioni e gli attacchi ai dati sensibili degli utenti, vengono implementati sistemi di rilevamento delle intrusioni e metodi di difesa in ambiente virtualizzato, allo scopo di garantire una sicurezza globale fondata sia sul concetto di prevenzione, sia su quello di cura: un efficace sistema di sicurezza deve infatti rilevare eventuali intrusioni e pericoli imminenti, fornendo una prima fase difensiva a priori, e, al contempo, evitare fallimenti totali, pur avendo subito danni, e mantenere alta la qualità del servizio, garantendo una seconda fase difensiva, a posteriori. Questa tesi illustra i molteplici metodi di funzionamento degli attacchi distribuiti e dell'hacking malevolo, con particolare riferimento ai pericoli di ultima generazione, e definisce le principali strategie e tecniche atte a garantire sicurezza, protezione e integrità dei dati all'interno di un sistema Cloud.

Spettroscopia di assorbimento di raggi X: apparato per misure in condizioni di illuminazione ottica differenziale come primo passo verso una misura risolta in tempo della struttura locale di molecole metallo-organiche

Il continuo sviluppo negli ultimi anni di diverse declinazioni della spettroscopia d'assorbimento a raggi X (XAS) con radiazione di sincrotrone ha permesso la determinazione della struttura locale di campioni di ogni tipo, dagli elementi puri, ai più moderni materiali, indagando e approfondendo la conoscenza di quei meccanismi che conferiscono a questi ultimi delle proprietà innovative e, a volte, rivoluzionarie. Il vantaggio di questa tecnica è quello di poter ottenere informazioni sulla struttura del campione soprattutto a livello locale, rendendo relativamente agevole l'analisi di sistemi senza ordine a lungo raggio, quali per esempio i film molecolari. Nell'elaborato verrà preliminarmente illustrata la fenomenologia della XAS e l’interpretazione teorica dell'origine della struttura fine. Saranno successivamente descritte le innovative tecniche di misura che permettono di studiare i cambiamenti della struttura locale indotti dall'illuminazione con luce visibile, inclusi gli esperimenti di tipo pump probe. Un capitolo della tesi è interamente dedicato alla descrizione dei campioni studiati, di cui sono stati analizzati alcuni dati acquisiti in condizioni statiche. Quest'analisi è stata compiuta sfruttando anche dei cammini di multiplo scattering dedicando particolare attenzione alla trattazione del fattore di Debye Waller. Nella parte principale della tesi verranno descritti la progettazione ed il test di un apparato sperimentale per l'acquisizione di spettri differenziali da utilizzare alla beamline BM08 dell'European Synchrotron Radiation Facility di Grenoble. Saranno presentate principalmente le modifiche apportate al software d'acquisizione della linea e la progettazione di un sistema ottico d'eccitazione da montare nella camera sperimentale. Nella fase di studio dell'ottica è stato creato in LabView un simulatore basato sul metodo Monte Carlo, capace di prevedere il comportamento del sistema di lenti.

Progettazione e sviluppo di un sistema distribuito per la gestione di transazioni finanziarie.

L'opera si propone di esplorare modelli innovativi, in particolare quello ad attori, per lo sviluppo di applicazioni enterprise distribuite con elevata scalabilità, prendendo come caso di studio lo sviluppo di un sistema per la gestione delle transazioni finanziarie in ambito petrolifero.