A Phase Space Box-counting based Method for Arrhythmia Prediction from Electrocardiogram Time Series

Arrhythmia is one kind of cardiovascular diseases that give rise to the number of deaths and potentially yields immedicable danger. Arrhythmia is a life threatening condition originating from disorganized propagation of electrical signals in heart resulting in desynchronization among different chambers of the heart. Fundamentally, the synchronization process means that the phase relationship of electrical activities between the chambers remains coherent, maintaining a constant phase difference over time. If desynchronization occurs due to arrhythmia, the coherent phase relationship breaks down resulting in chaotic rhythm affecting the regular pumping mechanism of heart. This phenomenon was explored by using the phase space reconstruction technique which is a standard analysis technique of time series data generated from nonlinear dynamical system. In this project a novel index is presented for predicting the onset of ventricular arrhythmias. Analysis of continuously captured long-term ECG data recordings was conducted up to the onset of arrhythmia by the phase space reconstruction method, obtaining 2-dimensional images, analysed by the box counting method. The method was tested using the ECG data set of three different kinds including normal (NR), Ventricular Tachycardia (VT), Ventricular Fibrillation (VF), extracted from the Physionet ECG database. Statistical measures like mean (μ), standard deviation (σ) and coefficient of variation (σ/μ) for the box-counting in phase space diagrams are derived for a sliding window of 10 beats of ECG signal. From the results of these statistical analyses, a threshold was derived as an upper bound of Coefficient of Variation (CV) for box-counting of ECG phase portraits which is capable of reliably predicting the impeding arrhythmia long before its actual occurrence. As future work of research, it was planned to validate this prediction tool over a wider population of patients affected by different kind of arrhythmia, like atrial fibrillation, bundle and brunch block, and set different thresholds for them, in order to confirm its clinical applicability.

Systematic investigation of automated plan generation for breast cancer including beam angle and isocenter selection

Il tumore al seno è il più comune tra le donne nel mondo. La radioterapia è comunemente usata dopo la chirurgia per distruggere eventuali cellule maligne rimaste nel volume del seno. Nei trattamenti di radioterapia bisogna cercare di irradiare il volume da curare limitando contemporaneamente la tossicità nei tessuti sani. In clinica i parametri che definiscono il piano di trattamento radioterapeutico sono selezionati manualmente utilizzando un software di simulazione per trattamenti. Questo processo, detto di trial and error, in cui i differenti parametri vengono modificati e il trattamento viene simulato nuovamente e valutato, può richiedere molte iterazioni rendendolo dispendioso in termini di tempo. Lo studio presentato in questa tesi si concentra sulla generazione automatica di piani di trattamento per irradiare l'intero volume del seno utilizzando due fasci approssimativamente opposti e tangenti al paziente. In particolare ci siamo concentrati sulla selezione delle direzioni dei fasci e la posizione dell'isocentro. A questo scopo, è stato investigata l'efficacia di un approccio combinatorio, nel quale sono stati generati un elevato numero di possibili piani di trattamento utilizzando differenti combinazioni delle direzioni dei due fasci. L'intensità del profilo dei fasci viene ottimizzata automaticamente da un algoritmo, chiamato iCycle, sviluppato nel ospedale Erasmus MC di Rotterdam. Inizialmente tra tutti i possibili piani di trattamento generati solo un sottogruppo viene selezionato, avente buone caratteristiche per quel che riguarda l'irraggiamento del volume del seno malato. Dopo di che i piani che mostrano caratteristiche ottimali per la salvaguardia degli organi a rischio (cuore, polmoni e seno controlaterale) vengono considerati. Questi piani di trattamento sono matematicamente equivalenti quindi per selezionare tra questi il piano migliore è stata utilizzata una somma pesata dove i pesi sono stati regolati per ottenere in media piani che abbiano caratteristiche simili ai piani di trattamento approvati in clinica. Questo metodo in confronto al processo manuale oltre a ridurre considerevol-mente il tempo di generazione di un piano di trattamento garantisce anche i piani selezionati abbiano caratteristiche ottimali nel preservare gli organi a rischio. Inizialmente è stato utilizzato l'isocentro scelto in clinica dal tecnico. Nella parte finale dello studio l'importanza dell'isocentro è stata valutata; ne è risultato che almeno per un sottogruppo di pazienti la posizione dell'isocentro può dare un importante contributo alla qualità del piano di trattamento e quindi potrebbe essere un ulteriore parametro da ottimizzare. 

Life cycle assessment of biodiesel production from micro-algae: a case study in Denmark

Le sperimentazioni riguardanti la produzione di biodiesel da alghe sono state condotte solo in laboratorio o in impianti pilota e il processo produttivo non è ancora stato sviluppato su scala industriale. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di valutare la potenziale sostenibilità ambientale ed energetica della produzione industriale di biodiesel da microalghe nella realtà danese ipotizzando la coltivazione in fotobioreattori. La tesi ha analizzato le diverse tecnologie attualmente in sperimentazione cercando di metterne in evidenza punti di forza e punti di debolezza. La metodologia applicata in questa tesi per valutare la sostenibilità ambientale ed energetica dei processi analizzati è LCA strumento che permette di effettuare la valutazione sull’intero ciclo di vita di un prodotto o di un processo. L’unità funzionale scelta è 1 MJ di biodiesel. I confini del sistema analizzato comprendono: coltivazione, raccolta, essicazione, estrazione dell’olio, transesterificazione, digestione anaerobica della biomassa residuale e uso del glicerolo ottenuto come sottoprodotto della transesterificazione. Diverse categorie d’impatto sono state analizzate. In questo caso studio, sono stati ipotizzati 24 diversi scenari differenziati in base alle modalità di coltivazione, di raccolta della biomassa, di estrazione dell’olio algale. 1. la produzione di biodiesel da microalghe coltivate in fotobioreattori non appare ancora conveniente né dal punto di vista energetico né da quello ambientale. 2. l’uso di CO2 di scarto e di acque reflue per la coltivazione, fra l’altro non ancora tecnicamente realizzabili, migliorerebbero le prestazioni energetiche ed ambientali del biodiesel da microalghe 3. la valorizzazione di prodotti secondari svolge un ruolo importante nel processo e nel suo sviluppo su larga scala Si conclude ricordando che il progetto di tesi è stato svolto in collaborazione con la Danish Technical University of Denmark (DTU) svolgendo presso tale università un periodo di tirocinio per tesi di sei mesi

Optimisation of chemical lysis protocol for point-of-care leukocyte differentiation

The full blood cell (FBC) count is the most common indicator of diseases. At present hematology analyzers are used for the blood cell characterization, but, recently, there has been interest in using techniques that take advantage of microscale devices and intrinsic properties of cells for increased automation and decreased cost. Microfluidic technologies offer solutions to handling and processing small volumes of blood (2-50 uL taken by finger prick) for point-of-care(PoC) applications. Several PoC blood analyzers are in use and may have applications in the fields of telemedicine, out patient monitoring and medical care in resource limited settings. They have the advantage to be easy to move and much cheaper than traditional analyzers, which require bulky instruments and consume large amount of reagents. The development of miniaturized point-of-care diagnostic tests may be enabled by chip-based technologies for cell separation and sorting. Many current diagnostic tests depend on fractionated blood components: plasma, red blood cells (RBCs), white blood cells (WBCs), and platelets. Specifically, white blood cell differentiation and counting provide valuable information for diagnostic purposes. For example, a low number of WBCs, called leukopenia, may be an indicator of bone marrow deficiency or failure, collagen- vascular diseases, disease of the liver or spleen. The leukocytosis, a high number of WBCs, may be due to anemia, infectious diseases, leukemia or tissue damage. In the laboratory of hybrid biodevices, at the University of Southampton,it was developed a functioning micro impedance cytometer technology for WBC differentiation and counting. It is capable to classify cells and particles on the base of their dielectric properties, in addition to their size, without the need of labeling, in a flow format similar to that of a traditional flow cytometer. It was demonstrated that the micro impedance cytometer system can detect and differentiate monocytes, neutrophils and lymphocytes, which are the three major human leukocyte populations. The simplicity and portability of the microfluidic impedance chip offer a range of potential applications in cell analysis including point-of-care diagnostic systems. The microfluidic device has been integrated into a sample preparation cartridge that semi-automatically performs erythrocyte lysis before leukocyte analysis. Generally erythrocytes are manually lysed according to a specific chemical lysis protocol, but this process has been automated in the cartridge. In this research work the chemical lysis protocol, defined in the patent US 5155044 A, was optimized in order to improve white blood cell differentiation and count performed by the integrated cartridge.

Evaluation of green algae deployment for organic pollutant removal in urban wastewater through ERE-CALUX potency assessment

The interest of the scientific community towards organic pollutants in freshwater streams is fairly recent. During the past 50 years, thousands of chemicals have been synthesized and released into the general environment. Nowadays their occurrence and effects on several organism, invertebrates, fish, birds, reptiles and also humans are well documented. Because of their action, some of these chemicals have been defined as Endocrine Disrupters Compounds (EDCs) and the public health implications of these EDCs have been the subject of scientific debate. Most interestingly, among those that were noticed to have some influence and effects on the endocrine system were the estrone, the 17β-estradiol, the 17α-estradiol, the estriol, the 17α-ethinylestradiol, the testosterone and the progesterone. This project focused its attention on the 17β-estradiol. Estradiol, or more precisely, 17β-estradiol (also commonly referred to as E2) is a human sex hormone. It belongs to the class of steroid hormones. In spite of the effort to remove these substances from the effluents, the actual wastewater treatment plants are not able to degrade or inactivate these organic compounds that are continually poured in the ecosystem. Through this work a new system for the wastewater treatment was tested, to assess the decrease of the estradiol in the water. It involved the action of Chlorella vulgaris, a fresh water green microalga belonging to the family of the Chlorellaceae. This microorganism was selected for its adaptability and for its photosynthetic efficiency. To detect the decrease of the target compound in the water a CALUX bioassay analysis was chosen. Three different experiments were carried on to pursue the aim of the project. By analysing their results several aspects emerged. It was assessed the presence of EDCs inside the water used to prepare the culture media. C. vulgaris, under controlled conditions, could be efficient for this purpose, although further researches are essential to deepen the knowledge of this complex phenomenon. Ultimately by assessing the toxicity of the effluent against C. vulgaris, it was clear that at determined concentrations, it could affect the normal growth rate of this microorganism.

Design, realization and characterization of automated millifluidic bioreactors for investigating the molecular evolution of lytic or lysogenic vector phages infecting engineered host e. Coli

In questa tesi viene presentato un bioreattore in grado di mantenere nel tempo condizioni biologiche tali che consentano di massimizzare i cicli di evoluzione molecolare di vettori di clonazione fagici: litico (T7) o lisogeno (M13). Verranno quindi introdtti concetti legati alla Teoria della Quasispecie e alla relazione tra errori di autoreplicazione e pressioni selettive naturali o artificiali su popolazioni di virus: il modello naturale del sistema evolutivo. Tuttavia, mantenere delle popolazioni di virus significa formire loro un substrato dove replicare. Per fare ciò, altri gruppi di ricerca hanno giá sviluppato complessi e costosi prototipi di macchinari per la crescita continua di popolazioni batteriche: i compartimenti dei sistemi evolutivi. Il bioreattore, oggetto di questo lavoro, fa parte del progetto europeo Evoprog: general purpose programmable machine evolution on a chip (Jaramillo’s Lab, University of Warwick) che, utilizzando tecnologie fagiche e regolazioni sintetiche esistenti, sará in grado di produrre funzionalità biocomputazionali di due ordini di grandezza più veloci rispetto alle tecniche convenzionali, riducendo allo stesso tempo i costi complessivi. Il primo prototipo consiste in uno o piú fermentatori, dove viene fatta crescere la cultura batterica in condizioni ottimizzate di coltivazione continua, e in un cellstat, un volume separato, dove avviene solo la replicazione dei virus. Entrambi i volumi sono di pochi millilitri e appropriatamente interconnessi per consentire una sorta di screening continuo delle biomolecole prodotte all’uscita. Nella parte finale verranno presentati i risultati degli esperimenti preliminari, a dimostrazione dell’affidabilità del prototipo costruito e dei protocolli seguiti per la sterilizzazione e l’assemblaggio del bioreattore. Gli esperimenti effettuati dimostrano il successo di due coltivazioni virali continue e una ricombinazione in vivo di batteriofagi litici o lisogeni ingegnerizzati. La tesi si conclude valutando i futuri sviluppi e i limiti del sistema, tenendo in considerazione, in particolare, alcune applicazioni rivolte agli studi di una terapia batteriofagica.

A method for automated generation of radiotherapy treatment plans for lung cancer

La radioterapia è una tecnica molto impiegata per la cura del cancro. Attualmente la somministrazione avviene principalmente attraverso la intensity modulated radiotherapy (IMRT, sovrapposizione di campi ad intensità modulata), un cui sviluppo recente è la volumetric modulated arc therapy (VMAT, irradiazione continua lungo un arco ininterrotto). La generazione di piani richiede esperienza ed abilità: un dosimetrista seleziona cost functions ed obiettivi ed un TPS ottimizza la disposizione dei segmenti ad intensità modulata. Se il medico giudica il risultato non soddisfacente, il processo riparte da capo (trial-and-error). Una alternativa è la generazione automatica di piani. Erasmus-iCycle, software prodotto presso ErasmusMC (Rotterdam, The Netherlands), è un algoritmo di ottimizzazione multicriteriale di piani radioterapici per ottimizzazione di intensità basato su una wish list. L'output consiste di piani Pareto-ottimali ad intensità modulata. La generazione automatica garantisce maggiore coerenza e qualità più elevata con tempi di lavoro ridotti. Nello studio, una procedura di generazione automatica di piani con modalità VMAT è stata sviluppata e valutata per carcinoma polmonare. Una wish list è stata generata attraverso una procedura iterativa su un gruppo ristretto di pazienti con la collaborazione di fisici medici ed oncologi e poi validata su un gruppo più ampio di pazienti. Nella grande maggioranza dei casi, i piani automatici sono stati giudicati dagli oncologi migliori rispetto ai rispettivi piani IMRT clinici generati manualmente. Solo in pochi casi una rapida calibrazione manuale specifica per il paziente si è resa necessaria per soddisfare tutti i requisiti clinici. Per un sottogruppo di pazienti si è mostrato che la qualità dei piani VMAT automatici era equivalente o superiore rispetto ai piani VMAT generati manualmente da un dosimetrista esperto. Complessivamente, si è dimostrata la possibilità di generare piani radioterapici VMAT ad alta qualità automaticamente, con interazione umana minima. L'introduzione clinica della procedura automatica presso ErasmusMC è iniziata (ottobre 2015).