Biomechanical modeling of parotid glands morphing in head & neck radiation therapy treatments

Durante i trattamenti radioterapici dei pazienti oncologici testa-collo, le ghiandole parotidee (PGs) possono essere indebitamente irradiate a seguito di modificazioni volumetriche-spaziali inter/intra-frazione causate da fattori quali il dimagrimento, l’esposizione a radiazioni ionizzanti ed il morphing anatomico degli organi coinvolti nelle aree d’irraggiamento. Il presente lavoro svolto presso la struttura di Fisica Medica e di Radioterapia Oncologica dell’A.O.U di Modena, quale parte del progetto di ricerca del Ministero della Salute (MoH2010, GR-2010-2318757) “ Dose warping methods for IGRT and Adaptive RT: dose accumulation based on organ motion and anatomical variations of the patients during radiation therapy treatments ”, sviluppa un modello biomeccanico in grado di rappresentare il processo di deformazione delle PGs, considerandone la geometria, le proprietà elastiche e l'evoluzione durante il ciclo terapeutico. Il modello di deformazione d’organo è stato realizzato attraverso l’utilizzo di un software agli elementi finiti (FEM). Molteplici superfici mesh, rappresentanti la geometria e l’evoluzione delle parotidi durante le sedute di trattamento, sono state create a partire dai contorni dell’organo definiti dal medico radioterapista sull’immagine tomografica di pianificazione e generati automaticamente sulle immagini di setup e re-positioning giornaliere mediante algoritmi di registrazione rigida/deformabile. I constraints anatomici e il campo di forze del modello sono stati definiti sulla base di ipotesi semplificative considerando l’alterazione strutturale (perdita di cellule acinari) e le barriere anatomiche dovute a strutture circostanti. L’analisi delle mesh ha consentito di studiare la dinamica della deformazione e di individuare le regioni maggiormente soggette a cambiamento. Le previsioni di morphing prodotte dal modello proposto potrebbero essere integrate in un treatment planning system per metodiche di Adaptive Radiation Therapy.

Studio di termoresistenza di lieviti fermentativi

In anni recenti il potenziale degradativo dei lieviti nelle bevande ha assunto un’importanza crescente a causa degli importanti danni economici ad essi associati e i produttori sono sempre più attenti a queste problematiche, anche in relazione alla tendenza di ridurre i trattamenti termici, in una strategia di risparmio energetico e di riduzione del danno termico organolettico. L’obiettivo dell’elaborato è stato quello di testare la termoresistenza di diversi ceppi di lieviti che possono costituire un rischio per bevande di fantasia: sette appartenenti alla specie Saccharomyces cerevisiae, tre Zygosaccharomyces, un ceppo di Saccharomycodes ludwigii, uno di Schizosaccharomyces pombe e uno di Kluyveromyces marxianus. Le prove di termoresistenza sono state condotte in vitro utilizzando terreno di coltura impiegando temperature di 55°C, 60°C e 65°C e i dati sono stati modellati con l’equazione di Weibull per ottenere le curve di morte termica dei diversi ceppi. Questo modello permette di tenere conto dell’approccio vitalistico dell’interazione tra temperatura e cellula e descrive l’inattivazione microbica come risultato del fallimento delle cellule nel contrastare le condizioni ostili dovute all’alta temperatura. I risultati hanno dimostrato che i ceppi erano caratterizzati da termoresistenza molto variabile. In generale, tra le specie non Saccharomyces, i più resistenti erano K. marxianus e Sch. Pombe mentre tra i Saccharomyces il più resistente era il ceppo SPA, isolato in uno stabilimento di bevande e responsabile di un incidente industriale che ha portato all’alterazione di oltre 500000 bottiglie di bibite gassate. Questo screening preliminare per la valutazione della termoresistenza ad un potenziale trattamento industriale ha permesso di individuare i lieviti più resistenti che saranno poi oggetto di un successivo studio in cui verranno tenuti presenti altri fattori tecnologici e di prodotto per poi potersi muovere in un ambiente industriale.

Effetto di composti d'aroma sulla risposta fisiologica di Listeria monocytgenes

La citofluorimetria è una tecnica applicata per misurare le caratteristiche fisiche, morfologiche e fisiologiche di cellule microbiche ed ha il pregio di generare un dato per ogni singola particella (cellula) analizzata. Poiché è noto che l’assenza di sviluppo in piastra non implica necessariamente l’assenza di forme microbiche vitali, questa tecnica ha un grande potenziale nello studio dei trattamenti termici che mirano alla stabilizzazione ed alla sicurezza igienico-sanitaria dei prodotti alimentari. Infatti, nel contesto industriale la tendenza è quella di ridurre l’entità di questi trattamenti (tempi/temperature). Ciò può avvenire anche grazie all’utilizzo di composti d’aroma, la cui attività antimicrobica è ben documentata, poiché il trattamento termico, incrementando la tensione di vapore di queste sostanze, ne potenzia l’attività antimicrobica. Questa tesi è incentrata su due aspetti: da una parte, l’effetto dell’esposizione di L. monocytogenes a diverse concentrazioni di timolo e carvacrolo (terpenoidi prevalenti in oli essenziali di Labiatae tra cui timo e origano), dall’altra la valutazione degli effetti di trattamenti termici subletali (45, 50, 55°C), anche in presenza di composti d’aroma, sulla disattivazione e sul successivo recupero di L. monocytogenes. I risultati hanno confermato la forte sinergia tra trattamento termico e presenza di sostanze terpeniche. È stato inoltre dimostrato che la presenza di tali composti incide drasticamente sulle potenzialità di recupero degli eventuali sopravvissuti dopo il trattamento termico. I risultati a volte discordanti tra l’analisi citofluorimetrica (focalizzata sull’integrità della membrana) e i conteggi in piastra hanno evidenziato come i due approcci debbano essere utilizzanti in modo complementare. L’utilizzo di altri coloranti legati ad altre funzioni biologiche e metaboliche permetterà l’ottenimento di informazioni aggiuntive circa la risposta fisiologica di questo microrganismo.

Effetto di olio essenziale di Satureja Montana ed estratto di Cotinus coggygria sulle curve di morte termica di Listeria monocytogenes e Saccharomyces cerevisiae

Negli ultimi anni, è aumentato notevolmente l'interesse per piante e prodotti vegetali, e composti da essi derivati od estratti, in alternativa ai conservanti chimici per prevenire o ritardare lo sviluppo microbico negli alimenti. Questo deriva dalla percezione negativa, ormai diffusa a livello pubblico, nei confronti di sostanze di sintesi che sono ampiamente utilizzate come conservanti nell’industria alimentare. Sono stati effettuati diversi studi sull’attività antimicrobica di questi composti negli alimenti, anche se il loro utilizzo a livello industriale è limitato. Ciò dipende dalla difficile standardizzazione di queste sostanze, dovuta alla variabilità della matrice alimentare che ne può alterarne l’attività antimicrobica. In questa sperimentazione si sono utilizzati l’olio essenziale di Sateureja montana e l’estratto di Cotinus coggygria e sono state fatte delle prove preliminari, determinandone le componenti volatili tramite gas-cromatografia abbinata a microestrazione in fase solida. Sono stati selezionati un ceppo di Listeria monocytogenes (Scott A) e uno di Saccharomyces cerevisiae (SPA), e sono stati utilizzati per realizzare curve di morte termica in sistema modello e in sistema reale. Dai risultati ottenuti si può affermare che Satureja montana e Cotinus coggygria possono essere presi in considerazione come antimicrobici naturali da impiegare per la stabilizzazione di alimenti, nonché per ridurre l’entità dei trattamenti termici atti a salvaguardare le proprietà nutrizionali ed organolettiche di alimenti, come ad esempio succhi di frutta, garantendone la sicurezza e qualità microbiologica.

Impianti di depurazione delle acque: SBR

In questo elaborato è stato discusso il tema della depurazione delle acque reflue, in particolar modo il sistema SBR. L'SBR (Sequencing Batch Reactors) è un sistema di impianti di depurazione composto da una vasca di raccolta del liquame e una o più vasche in parallelo, i reattori, che consistono nel vero e proprio cure dell'impianto. Di fatto le fasi del processo depurativo restano immutate rispetto ad un impianto tradizionale, ma l'SBR introduce come nuovo parametro dimensionale il tempo. infatti, tutti i trattamenti depurativi sono svolti sequenzialmente nel reattore. Un programma gestisce le varie fasi del trattamento esclusivamente sulla base della loro durata (stabilita relativamente alla natura del refluo e quindi ai trattamenti da svolgere in maniera più o meno intensiva). Questa caratteristica rende l'intero impianto molto versatile nel caso di variazioni dei dati in ingresso. Per questo motivo gli impianti SBR sono ottimi per la piccola media impresa, in quanto sono facilmente adattabili alle variazioni stagionali di produzione. Sono inoltre possibili realizzazioni di impianti per il trattamento di ingenti portate, o elevate concentrazioni, ponendo più reattori in parallelo alimentati dalle stessa vasca di accumulo. In questo modo è possibile svolgere un maggiore numero di cicli depurativi al giorno e quindi rispettare i valori normativi in uscita dell'impianto. In conclusione questa tipologia d'impianto presenta notevoli vantaggi fra i quali anche quello di avere bassi costi operativi. La motivazione di ciò sta nel fatto che l'impianto lavora solo se ha effettivamente una portata, per cui se non vi è presenza di refluo il reattore non lavora e quindi non comporta costi.

Valutazione dell’efficacia di barriere chimiche contro l’umidita’ da risalita capillare nelle murature mediante modelli di laboratorio

La risalita capillare di umidità nelle murature storiche è la principale responsabile del degrado dei materiali. La metodologia ad oggi più utilizzata in tale campo è quella basata sull’iniezione di prodotti chimici in grado di formare barriere artificiali che blocchino il flusso ascendente dell’acqua, ma è ancora in fase di perfezionamento. Per potere svolgere tale perfezionamento, è utile disporre di una metodologia attendibile per la valutazione dell’esito dei trattamenti, ossia un metodo standardizzato che possa garantire una corretta misurazione del contenuto di umidità nelle murature pre e post iniezioni. Nella presente tesi, che ha lo scopo di valutare l’efficacia di alcuni prodotti per barriere chimiche nelle murature, si è utilizzato un metodo di laboratorio standardizzato proposto dai ricercatori del LASTM (DICAM), che permette di riprodurre in laboratorio il processo di risalita dell’umidità e, allo stesso tempo, permette di potere svolgere le misurazioni del contenuto d’acqua interno ai materiali con il metodo diretto. I trattamenti, svolti in collaborazione con la Azienda inglese “Safeguard”, produttrice di resine impermeabilizzanti, sono stati effettuati su vari modelli, costituiti di laterizi e malta, preventivamente sottoposti a differenti condizioni ambientali. Successivamente si è svolto un monitoraggio periodico per potere determinare sia l’efficacia dell’intervento che l’attendibilità del modello. Dopo avere studiato un sistema di controllo delle condizioni di laboratorio, si è ritenuto opportuno svolgere anche alcune prove di caratterizzazione dei materiali utilizzati nella costruzione dei vari modelli, per conoscerne appieno le caratteristiche e potere valutare con maggiore attendibilità i risultati dei trattamenti. Infine, per approfondire le dinamiche di diffusione dei formulati chimici all’interno dei materiali, si sono svolte prove su travetti di malta.

Sistemi di Mobile-Health per il monitoraggio e l'assistenza alla gravidanza

Con il termine "Mobile-Health" si intende l’uso di tecnologie mobili in ambito medico-sanitario. Questa tesi si propone di fornire un quadro generale di come i sistemi di Mobile-Health possano aiutare nell'assistenza e nel monitoraggio della gravidanza. Attraverso l'analisi delle ricerche effettuate in questo campo, e lo studio dei sistemi attualmente utilizzati in ambito ospedaliero, si cerca di valutare se effettivamente questo tipo di tecnologie può fornire un contributo significativo nell'assistere le donne incinte. Viene trattato il tema del Self-Management che riguarda appunto l'auto-gestione della propria condizione di salute attraverso l’uso di tecnologie mobili. Vengono introdotti problemi e complicazioni della gravidanza e i corrispettivi trattamenti. Si analizzano studi e ricerche che riguardano dispositivi e software per le donne incinte, compreso il tema delle “app mediche”. Infine, grazie al contributo delle dottoresse Iliana Colonna e Marina Carfagna (coordinatrici ostetriche negli ospedali di Rimini e Cesena), si presenta una panoramica sull’attuale uso di tecnologie nei reparti ospedalieri di ostetricia.

Confronto tra le tecniche XRD e IHD per la misura di tensioni residue

Le rotture a fatica dei componenti sono dovute principalmente alle tensioni di trazione generate da carichi ciclici e variabili nel tempo. Le cricche causate da questo tipo di tensioni possono propagarsi e crescere fino a causare danni catastrofici nel componente. La fatica costituisce uno dei fattori principali di rottura delle strutture aeronautiche; in campo aeronautico sono quindi molto diffusi dei trattamenti superficiali che permettono di indurre tensioni di compressione che contrastano quelle di trazione, in modo tale da ritardare o prevenire le rotture dovute al fenomeno della fatica. Esistono diverse tecniche per raggiungere questo risultato e permettere di prolungare la vita a fatica di un componente metallico, la più nota è sicuramente il Laser Shock Peening (LSP). Nel corso degli ultimi anni la maggior parte delle ricerche condotte rispetto a questa tecnica sono state incentrate sugli effetti meccanici che questo trattamento ha sul materiale in modo da determinare la configurazione ottimale per ottenere una distribuzione delle tensioni il più efficace possibile ai fini della vita a fatica; sono state svolte diverse prove sperimentali per studiare il ruolo dei parametri del laser e ottimizzare la procedura del LSP. Tra le tecniche utilizzate per valutare gli effetti del LSP in termini di tensioni residue, spiccano, oltre ai metodi computazionali, l'X-ray Diffraction (XRD) e l'Incremental Hole Drilling (IHD). L'elaborato di tesi qui presentato ha come scopo il confronto tra i livelli di tensioni residue riscontrate all'interno di provini sottili in lega di alluminio, sottoposti a differenti trattamenti laser, attraverso i suddetti metodi XRD e IHD. I risultati, già noti, ottenuti con la tecnica l'XRD sono stati posti a verifica attraverso dei test svolti con l'IHD presso i laboratori MaSTeRLab della Scuola di Ingegneria dell'Università di Bologna.

Modellazione muscoloscheletrica subject-specific: applicazione a casi clinici e analisi delle incertezze

Lo sviluppo sistematico di modelli subject-specific computerizzati per l’analisi di trattamenti personalizzati è attualmente una realtà. Infatti di recente sono state sviluppate molte tecnologie per la creazione di modelli virtuali ad elementi finiti, che ricreano accuratamente le geometrie specifiche del soggetto e tutte le proprietà fondamentali per ricreare le capacità motorie, basandosi su analisi d’immagine quantitative. Tuttavia, per determinare le forze agenti sul sistema, necessitiamo di una intera analisi di cammino, solitamente in combinazione con uno studio di simulazione di dinamica inversa. In questo elaborato, mi propongo di illustrare i procedimenti per creare un modello subject-specific partendo da dati di imaging (da tomografie computerizzate) di un paziente reale affetto da displasia congenita dell’anca, e gli strumenti che ci permettono di effettuare le simulazioni del modello, al fine di ottenere informazioni quantitative circa le grandezze che governano la dinamica del cammino del paziente. Il corpi rigidi del modello scheletrico saranno costruiti mediante la tecnica della segmentazione 3D, e verranno utilizzati per costruire un sistema articolato dotato di attuatori muscolo-tendinei e giunti articolari a due o tre gradi di libertà. Per conseguire questo obiettivo si farà uso del software, “NMSBuilder”, per poi inserirlo in un programma di simulazione di dinamica del movimento, “OpenSim”, che ci permetterà di calcolare forze muscolari, forze di contatto e momenti articolari del modello. Questi risultati saranno di fondamentale importanza per studiare riabilitazioni ad hoc per pazienti affetti da DCA che devono essere sottoposti ad artroprotesi totale. Lo scopo di questo studio sarà anche quello di analizzare la sensibilità delle previsioni dei modelli specifici durante la deambulazione tenendo conto delle incertezze nell'identificazione delle posizioni dei body-landmarks, della massima tensione muscolare e della geometria muscolo-tendinea.

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.