Un nuovo modello computazionale di fibra di Purkinje umana: dal modello medio alla popolazione di modelli e ritorno.

Il lavoro presentato in questa tesi è stato svolto presso il Department of Computer Science, University of Oxford, durante il mio periodo all’estero nel Computational Biology Group. Scopo del presente lavoro è stato lo sviluppo di un modello matematico del potenziale d’azione per cellule umane cardiache di Purkinje. Tali cellule appartengono al sistema di conduzione elettrico del cuore, e sono considerate molto importanti nella genesi di aritmie. Il modello, elaborato in linguaggio Matlab, è stato progettato utilizzando la tecnica delle Popolazione di Modelli, un innovativo approccio alla modellazione cellulare sviluppato recentemente proprio dal Computational Biology Group. Tale modello è stato sviluppato in 3 fasi: • Inizialmente è stato sviluppato un nuovo modello matematico di cellula umana del Purkinje cardiaco, tenendo in considerazione i modelli precedenti disponibili in letteratura e le più recenti pubblicazioni in merito alle caratteristiche elettrofisiologiche proprie della cellula cardiaca umana di Purkinje. Tale modello è stato costruito a partire dall’attuale gold standard della modellazione cardiaca ventricolare umana, il modello pubblicato da T. O’Hara e Y. Rudy nel 2011, modificandone sia le specifiche correnti ioniche che la struttura interna cellulare. • Il modello così progettato è stato, poi, utilizzato come “modello di base” per la costruzione di una popolazione di 3000 modelli, tramite la variazione di alcuni parametri del modello all’interno di uno specifico range. La popolazione così generata è stata calibrata sui dati sperimentali di cellule umane del Purkinje. A valle del processo di calibrazione si è ottenuta una popolazione di 76 modelli. • A partire dalla popolazione rimanente, è stato ricavato un nuovo modello ai valori medi, che riproduce le principali caratteristiche del potenziale d’azione di una cellula di Purkinje cardiaca umana, e che rappresenta il dataset sperimentale utilizzato nel processo di calibrazione.

Classificazione delle curve ellittiche viste come curve algebriche piane

Nel presente lavoro è affrontato lo studio delle curve ellittiche viste come curve algebriche piane, più precisamente come cubiche lisce nel piano proiettivo complesso. Dopo aver introdotto nella prima parte le nozioni di Superfici compatte e orientabili e curve algebriche, tramite il teorema di classificazione delle Superfici compatte, se ne fornisce una preliminare classificazione basata sul genere della superficie e della curva, rispettivamente. Da qui, segue la definizione di curve ellittiche e uno studio più dettagliato delle loro pricipali proprietà, quali la possibilità di definirle tramite un'equazione affine nota come equazione di Weierstrass e la loro struttura intrinseca di gruppo abeliano. Si fornisce quindi un'ulteriore classificazione delle cubiche lisce, totalmente differente da quella precedente, che si basa invece sul modulo della cubica, invariante per trasformazioni proiettive. Infine, si considera un aspetto computazionale delle curve ellittiche, ovvero la loro applicazione nel campo della Crittografia. Grazie alla struttura che esse assumono sui campi finiti, sotto opportune ipotesi, i crittosistemi a chiave pubblica basati sul problema del logaritmo discreto definiti sulle curve ellittiche, a parità di sicurezza rispetto ai crittosistemi classici, permettono l'utilizzo di chiavi più corte, e quindi meno costose computazionalmente. Si forniscono quindi le definizioni di problema del logaritmo discreto classico e sulle curve ellittiche, ed alcuni esempi di algoritmi crittografici classici definiti su quest'ultime.

Deep-learning applicato all'identificazione automatica di frutta in immagini

Analisi delle fasi per la realizzazione di uno strumento di supporto gli agricoltori, dalla creazione di un dataset, all'addestramento e test di una rete neurale artificiale, con obiettivo la localizzazione del prodotto agricolo all'interno delle immagini.

Gestione automatica di namespace di rete privati in ambienti linux

Sempre più sono i servizi offerti oggigiorno sul cloud. L’isolamento dei vari utenti diviene una componente fondamentale se si vuole proteggere la privacy e la confidenzialità dei dati dei clienti. Mantenere una struttura che offre questo genere di servizi però è estremamente complesso ed oneroso. Si vuole mostrare come sia possibile evitare la creazione di centinaia di migliaia di macchine virtuali, quando potrebbe bastare creare una macchina virtuale per tipo di servizio offerto, e far accedere ogni cliente che necessita di quel servizio semplicemente isolandolo con linux namespace, in maniera automatica.

Validazione di una metodologia per la simulazione della cavitazione in iniettori per applicazioni automobilistiche

Al giorno d’oggi, il primo obiettivo dell’industria automotive è quello di ridurre il consumo di carburante e migliorare la qualità del processo di combustione, al fine di soddisfare i limiti di emissioni imposti, senza penalizzare le performance dei motori. In questo scenario, il comportamento dinamico dello spray gioca un ruolo cruciale, ed è risaputo che esso dipenda anche dal processo di cavitazione all’interno di ogni singolo foro iniettore. L’appropriata predizione dello sviluppo di tale fenomeno è fondamentale per comprendere e controllare le caratteristiche delle spray nei canali iniettori e consentire una più accurata progettazione degli iniettori. In questo meccanismo, le simulazioni CFD ricoprono un ruolo di grande importanza, a causa delle dimensioni ridotte caratteristiche dei fori iniettori. Questi infatti non risultano spesso adatti ad un’analisi sperimentale dettagliata e precisa, e nel caso lo fossero, la valutazione è limitata a pochi casi, essendo le attività sperimentali complesse ed onerose. L’analisi computazionale presenta quindi vantaggi come una sostanziale riduzione del tempo e dei costi impiegati, non richiedendo infatti la costruzione e l’utilizzo di impianti appositi o prototipi. Lo scopo principale di questo progetto consiste nella validazione di un codice CFD capace di modellare la cavitazione, al fine di applicarlo successivamente ad un iniettore reale. Tale modello è stato validato tramite confronto con dati sperimentali su un flusso cavitante attraverso un ugello ideale. Tra tutti i software commerciali disponibili, è stato scelto CONVERGE poiché innovativo nella generazione automatica della griglia e dettagliato nell’analisi chimica, permettendo di gestire geometrie di motori molto complesse. È stato quindi ritenuto appropriato valutare la validità di tale codice nella modellazione della cavitazione, poiché potrebbe dimostrarsi rilevante nello studio futuro dei motori a combustione interna.

Analisi dinamica e verifica di un prototipo di macchina automatica per la realizzazione di batterie

Lo scopo di questa tesi è quello di verificare il corretto dimensionamento dei cuscinetti e delle guide lineari di un gruppo all’interno di una macchina automatica brevettata e realizzata da Manz Srl, azienda in collaborazione con la quale è stato svolto il progetto. La macchina automatica in esame è parte di una linea di produzione di batterie rettangolari a partire da nastri di materia prima e impiega l’innovativo processo di wound stacking. Per eseguire la verifica dei componenti è stato necessario effettuare una simulazione dinamica con il software MSC Adams, grazie al quale si sono potute calcolare le reazioni vincolari. In parallelo al modello Adams, è stato realizzato anche un modello MATLAB, con cui poter confrontare i risultati del software multibody per validarli. Stabiliti i periodi previsti di manutenzione della linea e un coefficiente di sicurezza richiesto, si sono individuati i componenti che non rispettavano le specifiche dei progettisti. Alla fine della tesi si propongono anche delle soluzioni per la sostituzione di alcuni componenti.

Sviluppo di una libreria di geometria computazionale per comparare metodi di presa misura in pazienti amputati di arto inferiore

Il progetto descritto in questo elaborato di tesi è stato svolto presso Il Centro Protesi INAIL (Vigorso di Budrio, BO). Il lavoro è stato realizzato a supporto di un progetto di ricerca, finanziato dal Dipartimento della Difesa USA, in collaborazione con la Northwestern University di Chicago e il Minneapolis Veteran Affairs Health Care Sytem. La ricerca ha lo scopo di determinare l’efficacia comparativa di metodi alternativi per realizzare il calco del moncone dell’amputato di arto inferiore e la successiva invasatura su misura. Il progetto di tesi nasce dall’assenza di un software commerciale in grado di analizzare come evolve la forma del moncone, dal calco all'invasatura finita, basandosi sulla digitalizzazione tridimensionale delle superfici. La libreria sviluppata è implementata in Python e utilizza algoritmi e strumenti di geometria computazionale al fine di supportare i processi di elaborazione dati. Il flusso di lavoro si sviluppa nelle seguenti fasi: • Acquisizione e pre-processing del dato; • Identificazione digitale dei punti di repere; • Allineamento dei modelli per orientarli in un sistema di riferimento globale secondo una logica comune; • Registrazione di due modelli per allinearli l’uno all’altro; • Generazione di outcome e parametri dimensionali, derivanti da mappe distanza, sezioni, cammini geodetici e regioni di interesse; • Estrazione di indicatori statistici riassuntivi delle differenze, correlate ad un insieme di scansioni tramite la PCA. Le funzionalità sono state validate tramite appositi test su dati clinici rilevati dallo studio o dati sintetici con caratteristiche note a priori. La libreria fornisce un insieme di interfacce che permette l’accesso anche a utenti non esperti ed è caratterizzata da modularità, semplicità di installazione ed estensibilità delle funzionalità. Tra gli sviluppi futuri si prevede l’identificazione di possibili ottimizzazioni individuate da un utilizzo degli strumenti esteso a più casi d’uso.

Segmentazione automatica di immagini TC per lo studio della composizione corporea

Segmentare un’immagine significa riconoscere al suo interno elementi con caratteristiche comuni e raggrupparli, distinguendoli dagli elementi che posseggono caratteristiche diverse; si parla di segmentazione automatica quando questo processo è eseguito completamente da un software senza l’intervento umano. Segmentare le immagini TC, molto diffuse in ambito diagnostico, permette di estrarre una grande quantità di dati dall’alto valore prognostico e predittivo della composizione corporea del paziente. Tuttavia, a causa della scarsa diffusione di software per la segmentazione automatica, tutti questi dati non vengono utilizzati. Il presente lavoro di tesi si propone di riportare lo stato dell’arte sulla segmentazione, sia manuale sia automatica, dei tessuti corporei in immagini TC. Vengono spiegati i vantaggi dell’utilizzo di grandezze CT-derived rispetto a molti dei protocolli odierni e vengono esposti gli attuali livelli di accuratezza delle segmentazioni effettuate con metodi automatici. Inoltre, ci si sofferma, cercando di quantificarli, sugli effetti del mezzo di contrasto sulle grandezze CT-derived, poiché questi possono generare errori nella segmentazione automatica dei tessuti. Infine, viene esposto l’approccio 3D alla segmentazione in contrapposizione al metodo single slice, con il primo caratterizzato da un’accuratezza maggiore del secondo. Per accedere alla versione aggiornata e corretta, contattare l'autore ai seguenti indirizzi: simone.chiarella@studio.unibo.it; simonechiarella99@gmail.com

Il Sistema IBE di Boneh e Franklin

Un sistema di cifratura IBE (Identity-Based Encription Scheme) si basa su un sistema crittografico a chiave pubblica, costituita però in questo caso da una stringa arbitraria. Invece di generare una coppia casuale di chiavi pubbliche e private e pubblicare la prima, l'utente utilizza come chiave pubblica la sua "identità", ovvero una combinazione di informazioni opportune (nome, indirizzo...) che lo identifichino in maniera univoca. In questo modo ad ogni coppia di utenti risulta possibile comunicare in sicurezza e verificare le reciproche firme digitali senza lo scambio di chiavi private o pubbliche, senza la necessità di mantenere una key directory e senza dover ricorrere ogni volta ai servizi di un ente esterno. Nel 2001 Boneh e Franklin proposero uno schema completamente funzionante con sicurezza IND-ID-CCA, basato su un analogo del problema computazionale di Diffie-Hellman e che da un punto di vista tecnico-matematico utilizza la crittografia su curve ellittiche e la mappa bilineare Weil Pairing.

Traduzione automatica neurale in ambito economico-finanziario: analisi e valutazione della qualità di sette sistemi

A partire dagli anni ‘40, l'uso della traduzione automatica ha iniziato a rappresentare un soggetto fondamentale nella traduzione, costituendo ancora ad oggi il centro di numerose ricerche e studi. In seguito alla diffusione della tecnologia informatica e del World Wide Web, iniziarono a essere disponibili sistemi commerciali di traduzione automatica. In questo periodo, divennero comuni diversi software di traduzione automatica gratuiti, fino a quando, alla fine degli anni 2000, si assistette infine allo sviluppo di una nuova tecnologia di apprendimento automatico neurale, basata sul funzionamento della mente umana. Il presente lavoro si concentra sulla valutazione della qualità della traduzione automatica neurale attraverso l'analisi e il confronto di sette sistemi, ovvero Google, Systran, Prompt, Microsoft, Yandex, ModernMT e Deepl, impiegati nel settore finanziario per la coppia linguistica inglese-italiano. Il primo capitolo tratta la storia della traduzione automatica, fornendo una breve descrizione delle diverse architetture, dei loro ambiti di utilizzo e della valutazione dei sistemi. Il secondo capitolo introduce il concetto di post-editing insieme agli obiettivi e le problematiche che lo caratterizzano. Il terzo capitolo presenta il progetto Intento, seguito da una breve panoramica dei sistemi di traduzione automatica analizzati. Nel quarto capitolo viene delineato il dominio finanziario, concentrandosi sui diversi ambiti che si sono intersecati con esso nell’ambito dello studio svolto. Il quinto e ultimo capitolo riguarda l'analisi dei segmenti tradotti, preceduta dalla definizione dei parametri scelti per la valutazione. L'ultima parte del capitolo illustra una sintesi dei risultati ottenuti e alcune considerazioni finali.

Generazione automatica di una knowledge base con applicazione ai Sustainable Development Goals

Questa tesi di laurea compie uno studio sull’ utilizzo di tecniche di web crawling, web scraping e Natural Language Processing per costruire automaticamente un dataset di documenti e una knowledge base di coppie verbo-oggetto utilizzabile per la classificazione di testi. Dopo una breve introduzione sulle tecniche utilizzate verrà presentato il metodo di generazione, prima in forma teorica e generalizzabile a qualunque classificazione basata su un insieme di argomenti, e poi in modo specifico attraverso un caso di studio: il software SDG Detector. In particolare quest ultimo riguarda l’applicazione pratica del metodo esposto per costruire una raccolta di informazioni utili alla classificazione di documenti in base alla presenza di uno o più Sustainable Development Goals. La parte relativa alla classificazione è curata dal co-autore di questa applicazione, la presente invece si concentra su un’analisi di correttezza e performance basata sull’espansione del dataset e della derivante base di conoscenza.

Traduzione umana e traduzione automatica in ambito letterario: un caso di studio su Hunger Games

Sin dal suo ingresso nel mercato della traduzione, la machine translation (MT) è stata impiegata in numerosi settori professionali e ha suscitato l’interesse del grande pubblico. Con l’avvento della traduzione automatica neurale, la MT ha avuto un ulteriore impulso e ci si è iniziati a interrogare sulla possibilità di estenderne il raggio d’azione all’ambito letterario, che sembra tuttora non toccato dagli automatismi delle macchine in virtù della funzione espressiva e del contenuto creativo dei testi. Il presente elaborato nasce quindi con l’obiettivo di valutare l’effettiva applicabilità della traduzione automatica in ambito letterario attraverso un’attenta analisi dell’output prodotto dalla MT supportata da un confronto con la traduzione svolta da un professionista. Questa analisi si baserà sulla traduzione di un estratto del romanzo Hunger Games di Suzanne Collins e le traduzioni verranno effettuate da due dei migliori software di traduzione automatica neurale attualmente sul mercato: ModernMT e DeepL. Una volta terminata la valutazione dei singoli output verranno mostrati i risultati e determinati i limiti e i vantaggi della machine translation.

Studio computazionale DFT e TD-DFT dei dimeri della Rodamina-B

L’oggetto di questo elaborato è lo studio computazionale, a livello della teoria del funzionale della densità (DFT) e della sua formulazione dipendente dal tempo (TD-DFT), dei dimeri della molecola di rodamina-B, parallelo allo sviluppo di una procedura di tuning ottimale del funzionale CAM-B3LYP. Questa molecola, che assume notevole rilevanza nei sistemi light harvesting grazie alle sue proprietà fotochimiche di emissione nel visibile, è impiegata nella sintesi di nanoparticelle (NPs) fluorescenti in ambito di diagnostica medica e bio-imaging, che sfruttano il fenomeno di trasferimento di energia per risonanza (FRET). Per via della notevole importanza che questa molecola riveste nell’ambito della fotochimica, essa è stata oggetto di esperimenti del gruppo di ricerca del laboratorio di biofotonica e farmacologia “Nanochemistry and Bioimaging”, che collabora con il gruppo di chimica computazionale dell’area chimico/fisica del Dipartimento. La dimerizzazione della rodamina all’interno delle NPs può innescare canali di self-quenching che abbassano la resa quantica di fluorescenza, pregiudicando l’efficienza dei dispositivi: l’obiettivo dello studio è la caratterizzazione dei dimeri, in solventi e con controioni diversi, impiegando dei modelli molecolari, per identificarne le specie più stabili e descrivere la fotofisica degli stati elettronici eccitati. Il carattere generalmente charge-transfer (CT) di questi stati elettronici richiede un “tuning ottimale” della metodologia computazionale DFT/TD-DFT per una descrizione quantitativa accurata.

Complessità computazionale e videogiochi

Dopo aver illustrato i concetti chiave della teoria delle varie classi di complessità computazionale, l'elaborato si pone come obiettivo quello di inserire in una classe di complessità il seguente problema: "Quanto è difficile salvare la principessa in Super Mario Bros?". Analizzeremo 3 varianti diversi del gioco, e per ognuna di essi daremo un risultato.

Studio e ottimizzazione della produzione di radioisotopi per radiofarmaci mediante generatori compatti di neutroni

I generatori compatti di neutroni possono rappresentare un grande progresso nell'ambito della Medicina Nucleare. Sono una valida alternativa rispetto ai metodi tradizionali per la produzione dei radioisotopi necessari per la sintesi dei radiofarmaci, e permettono di esplorare e sviluppare nuove metodologie radioterapeutiche innovative, complementari e potenzialmente più efficaci rispetto a quelle già esistenti. Enea sta portando avanti due progetti in questo ambito. Il primo, SORGENTINA-RF, è volto allo sviluppo di una macchina in grado di produrre un fascio di neutroni a 14MeV, con la quale irradiare un target di molibdeno metallico, in modo da ottenere tecnezio-99 metastabile (99mTc), il radioisotopo più usato al mondo nelle procedure di imaging biomedico. Il secondo progetto, LINC-ER, ha lo scopo di progettare le infrastrutture necessarie ad accogliere un generatore compatto di neutroni, il cui scopo sarà quello di eliminare le residue cellule tumorali dopo un intervento chirurgico, a ferita aperta, in modo simile alle attuali tecniche di radioterapia intraoperatoria, che però sfruttano elettroni o raggi X. Questo lavoro di tesi trova posto in questi progetti perché ha contributo a portare avanti le ricerche in due aspetti specifici. Nel caso di SORGENTINA-RF, sono stati studiati tutti gli aspetti radiochimici per ottenere dal molibdeno metallico la soluzione liquida di molibdato sodico da cui si estrae il 99mTc. In questo caso si è deciso di puntare su processo “green” e innovativo basato sull’uso di perossido di idrogeno. Durante la tesi si sono studiati i più importanti fattori che governano questo processo e si è definito un meccanismo chimico che lo spiega. Nel caso di LINC-ER, invece, il lavoro sperimentale è stato quello di studiare metodi e rotte sintetiche nuove per ottenere nanoparticelle di composti di boro e bario, dispersi in hydrogels in grado di amplificare gli effetti del fascio neutronico sui tessuti cancerogeni e ridurli su quelli sani.