Analysis of retrieved shoulder prostheses

In the last years the number of shoulder arthroplasties has been increasing. Simultaneously the study of their shape, size and strength and the reasons that bring to a possible early explantation have not yet been examined in detail. The research carried out directly on explants is practically nonexistent, this means a poor understanding of the mechanisms leading the patient and so the surgeon, to their removal. The analysis of the mechanisms which are the cause of instability, dislocation, broken, fracture, etc, may lead to a change in the structure or design of the shoulder prostheses and lengthen the life of the implant in situ. The idea was to analyze 22 explants through three methods in order to find roughness, corrosion and surface wear. In the first method, the humeral heads and/or the glenospheres were examined with the interferometer, a machine that through electromagnetic waves gives information about the roughness of the surfaces under examination. The output of the device was a total profile containing both roughness and information on the waves (representing the spatial waves most characteristic on the surface). The most important value is called "roughness average" and brings the average value of the peaks found in the local defects of the surfaces. It was found that 42% of the prostheses had considerable peak values in the area where the damage was caused by the implant and not only by external events, such as possibly the surgeon's hand. One of the problems of interest in the use of metallic biomaterials is their resistance to corrosion. The clinical significance of the degradation of metal implants has been the purpose of the second method; the interaction between human body and metal components is critical to understand how and why they arrive to corrosion. The percentage of damage in the joints of the prosthetic components has been calculated via high resolution photos and the software ImageJ. The 40% and 50% of the area appeared to have scratches or multiple lines due to mechanical artifacts. The third method of analysis has been made through the use of electron microscopy to quantify the wear surface in polyethylene components. Different joint movements correspond to different mechanisms of damage, which were imprinted in the parts of polyethylene examined. The most affected area was located mainly in the side edges. The results could help the manufacturers to modify the design of the prostheses and thus reduce the number of explants. It could also help surgeons in choosing the model of the prosthesis to be implanted in the patient.

Multi-mode communications in near field exploiting OAM properties

This dissertation analyzes the exploitation of the orbital angular momentum (OAM) of the electromagnetic waves with large intelligent surfaces in the near-field region and line-of-sight conditions, in light of the holographic MIMO communication concept. Firstly, a characterization of the OAM-based communication problem is presented, and the relationship between OAM-carrying waves and communication modes is discussed. Then, practicable strategies for OAM detection using large intelligent surfaces and optimization methods based on beam focusing are proposed. Numerical results characterize the effectiveness of OAM with respect to other strategies, also including the proposed detection and optimization methods. It is shown that OAM waves constitute a particular choice of communication modes, i.e., an alternative basis set, which is sub-optimum with respect to optimal basis functions that can be derived by solving eigenfunction problems. Moreover, even the joint utilization of OAM waves with focusing strategies led to the conclusion that no channel capacity achievements can be obtained with these transmission techniques.

Electromagnetic simulation and measurement of diffuse scattering from building walls

Il fenomeno dello scattering diffuso è stato oggetto di numerosi studi nell’arco degli ultimi anni, questo grazie alla sua rilevanza nell’ambito della propagazione elettromagnetica così come in molti altri campi di applicazione (remote sensing, ottica, fisica, etc.), ma la compresione completa di questo effetto è lungi dall’essere raggiunta. Infatti la complessità nello studio e nella caratterizzazione della diffusione deriva dalla miriade di casistiche ed effetti che si possono incontrare in un ambiente di propagazione reale, lasciando intuire la necessità di trattarne probabilisticamente il relativo contributo. Da qui nasce l’esigenza di avere applicazioni efficienti dal punto di vista ingegneristico che coniughino la definizione rigorosa del fenomeno e la conseguente semplificazione per fini pratici. In tale visione possiamo descrivere lo scattering diffuso come la sovrapposizione di tutti quegli effetti che si scostano dalle classiche leggi dell’ottica geometrica (riflessione, rifrazione e diffrazione) che generano contributi del campo anche in punti dello spazio e direzioni in cui teoricamente, per oggetti lisci ed omogenei, non dovrebbe esserci alcun apporto. Dunque l’effetto principale, nel caso di ambiente di propagazione reale, è la diversa distribuzione spaziale del campo rispetto al caso teorico di superficie liscia ed omogenea in congiunzione ad effetti di depolarizzazione e redistribuzione di energia nel bilancio di potenza. Perciò la complessità del fenomeno è evidente e l’obiettivo di tale elaborato è di proporre nuovi risultati che permettano di meglio descrivere lo scattering diffuso ed individuare altresì le tematiche sulle quali concentrare l’attenzione nei lavori futuri. In principio è stato quindi effettuato uno studio bibliografico così da identificare i modelli e le teorie esistenti individuando i punti sui quali riflettere maggiormente; nel contempo si sono analizzate le metodologie di caratterizzazione della permittività elettrica complessa dei materiali, questo per valutare la possibilità di ricavare i parametri da utilizzare nelle simulazioni utilizzando il medesimo setup di misura ideato per lo studio della diffusione. Successivamente si è realizzato un setup di simulazione grazie ad un software di calcolo elettromagnetico (basato sul metodo delle differenze finite nel dominio del tempo) grazie al quale è stato possibile analizzare la dispersione tridimensionale dovuta alle irregolarità del materiale. Infine è stata condotta una campagna di misure in camera anecoica con un banco sperimentale realizzato ad-hoc per effettuare una caratterizzazione del fenomeno di scattering in banda larga.