Shoulder kinematic evaluation in patients with rotator cuff tears using inertial and magnetic sensors.

Questo progetto di tesi fa parte di un più ampio studio clinico condotto all’interno dell’azienda NCS Lab (Carpi,(MO)), in collaborazione con il Dr. Claudio Chillemi (ICOT, Latina (RM)) che mira ad eseguire un confronto tra diverse tecniche chirurgiche per la riparazione della cuffia dei rotatori. Lo studio clinico in questione durerà circa due anni: per questo motivo i dati analizzati in questo progetto di tesi provengono solo dal gruppo di pazienti acquisiti nella fase preoperatoria. Tutti i dati sono stati acquisiti utilizzando i sensori magneto-inerziali WISE (tecnologia proprietaria dell’azienda NCS Lab). Questo lavoro di tesi si propone, quindi, di valutare la ripetibilità del movimento in termini di coefficiente di correlazione multipla e di estrapolare alcuni parametri di interesse clinico come, ad esempio, i range di movimento (ROM) della scapola e dell’omero e il ritmo scapolo-omerale (SHR). Questi parametri sono stati poi caratterizzati da un punto di vista statistico al fine di valutare le differenze tra arto patologico e controlaterale. Sono state calcolate, inoltre, le prediction bands con lo scopo di descrivere le differenze tra arto patologico e controlaterale nella coordinazione scapolo-omerale dei pazienti. Per quanto riguarda la ripetibilità del movimento, i risultati ottenuti in questo lavoro di tesi mostrano che la rotazione medio-laterale è caratterizzata da un eccellente CMC sia per l'arto patologico che per il controlaterale. Inoltre, sono state riscontrate differenze significative dal punto di vista statistico tra le distribuzioni dei range di movimento dell'arto patologico e controlaterale. Tali differenze sono state trovate anche per quanto riguarda il ritmo scapolo-omerale.

Studio di topologie d'antenne su substrati magneto-dielettrici

Le più moderne e diffuse applicazioni wireless attuali sono dedicate a sistemi distribuiti in grandi quantità ed il più possibile miniaturizzati. In questa tesi si discute di tecniche di miniaturizzazione delle antenne di questi sistemi. Tradizionalmente tali tecniche si sono basate su substrati ad elevata costante dielettrica che hanno però, come contropartita, un deterioramento delle prestazioni radianti. Un'alternativa molto promettente è offerta da substrati magneto-dielettrici che, pur garantendo analoghe riduzioni degli ingombri, possono offrire migliori opportunità per il comportamento radiante e per l'adattamento dell'antenna al resto del sistema. In questa tesi, partendo dallo stato dell'arte della letteratura scientifica, si è sviluppato un modello che consente di valutare a priori i vantaggi/svantaggi di diverse topologie d'antenne basate su substrati magneto-dielettrici. Il metodo si basa sul teorema di equivalenza. Infine la tesi affronta il problema di sviluppare un metodo per la caratterizzazione dei parametri costitutivi di tali materiali.

Magneto-optic kerr microscopy for the study of magnetic nanostructures

La microscopia Kerr magneto-ottica è una tecnica di caratterizzazione magnetica che permette di ottenere informazioni sulla magnetizzazione superficiale di un campione ferromagnetico. La sensibilità locale e superficiale di questa tecnica, che è determinata sia dalla capacità di un microscopio ottico di ottenere un'immagine della superficie del campione che dalla profondità di penetrazione della luce visibile nei metalli, la rende adatta allo studio delle proprietà fisiche di nanostrutture magnetiche. Attraverso l'uso del microscopio Kerr di proprietà del Gruppo di Nanomagnetismo parte del Centro Cooperativo di Ricerca nanoGUNE Consolider (San Sebastian - Spagna), è stato possibile indagare l'effetto dato dall'anisotropia di scambio in nanostrutture magnetiche, per capire il comportamento di tale effetto in geometrie confinate al variare della temperatura. Questo studio ha permesso di individuare i limiti dello strumento e di conseguenza di estenderne le funzionalità. I principali interventi eseguiti hanno riguardato la stabilizzazione meccanica del sistema e lo sviluppo di un nuovo programma di acquisizione dati. Inoltre, la capacità di ottenere cicli di isteresi da singole nanostrutture magnetiche è stata sfruttata nello sviluppo di un nuovo tipo di dispositivo per la manipolazione di nanoparticelle magnetiche in soluzione, il cui principio di funzionamento si basa sulla mobilità delle pareti di dominio all'interno di anelli ferromagnetici con dimensione micro o nanometrica e sull'accoppiamento magnetostatico tra tali pareti di dominio e nanoparticelle superparamagnetiche trasportate in soluzione.

Sensor Data Fusion e applicazioni

Un trattato che illustra tutto quello che riguarda il Sensor Data Fusion sin dagli strumenti basilari fino alle applicazioni di specializzate

Analisi del cammino in acqua tramite sensori inerziali: Accuratezza strumentale e fasce di normalita

La biocinematica è una branca della biomeccanica che studia il movimento dei segmenti corporei senza considerare le cause che lo determinano. Le grandezze fisiche di interesse (posizione, velocità ed accelerazione) vengono determinate grazie ai sistemi di analisi del movimento che sfruttano principi fisici di funzionamento differenti con vari gradi di invasività. Lo sviluppo di nuove tecnologie di costruzione dei sensori inerziali, ha fornito una valida alternativa alle tecniche classiche per l’analisi del movimento umano. Gli IMUs (Inertial Measurement Units) sono facilmente indossabili, possono essere facilmente utilizzati fuori dal laboratorio, hanno un costo molto inferiore rispetto a quello dei sistemi opto-elettronici, non richiedono particolari abilità per essere utilizzati dall’utente e si configurano facilmente. In questa tesi verrà analizzato il cammino e costruite le bande di normalità sia in laboratorio che in acqua tramite i sensori inerziali. L’utilizzo in acqua delle tecniche classiche di analisi del movimento presenta dei problemi di accuratezza (legati ad esempio alla presenza delle bolle d’aria in acqua) che impediscono di effettuare un confronto tra i risultati ottenuti dai sensori e quelli ottenuti con un gold standard. Per questo motivo, è stato implementato un test per valutare l’accuratezza dei sensori e l’influenza dei disturbi magnetici sui magnetometri nelle stesse condizioni ambientali in cui si desidera registrare il cammino. Quest’analisi strumentale ha consentito anche di individuare, tra i diversi algoritmi di fusione utilizzati (algoritmo di fabbrica e algoritmo di Madgwick), quello da impiegare nell’analisi del suddetto task motorio per stimare in maniera più accurata l’orientamento dei sensori in acqua e in laboratorio. L'algoritmo di fabbrica viene escluso dal processo di sensor fusion poiché mostra un'accuratezza peggiore rispetto all'algoritmo di Madgwick. Dal momento che il protocollo implementato di analisi del cammino attraverso i sensori inerziali è già stato validato a secco e che le prestazioni dei sensori sono analoghe a secco e in acqua, il protocollo può essere utilizzato per la stima della cinematica degli arti inferiori nell'acqua. Le differenze riscontrate tra le curve del cammino sono da imputare sia alla diversa condizione ambientale che alla minore velocità di progressione che i soggetti manifestano in acqua. Infatti, la velocità media di progressione è 151.1 cm/s in laboratorio e 40.7 cm/s in acqua.

Studio di validità concorrente tra sistema indossabile basato su IMU e stereofotogrammetria usata come gold standard

L’analisi della postura e del movimento umano costituiscono un settore biomedico in forte espansione e di grande interesse dal punto di vista clinico. La valutazione delle caratteristiche della postura e del movimento, nonché delle loro variazioni rispetto ad una situazione di normalità, possono essere di enorme utilità in campo clinico per la diagnosi di particolari patologie, così come per la pianificazione ed il controllo di specifici trattamenti riabilitativi. In particolare è utile una valutazione quantitativa della postura e del movimento che può essere effettuata solo utilizzando metodologie e tecnologie ‘ad hoc’. Negli ultimi anni la diffusione di sensori MEMS e lo sviluppo di algoritmi di sensor fusion hanno portato questi dispositivi ad entrare nel mondo della Motion Capture. Queste piattaforme multi-sensore, comunemente chiamate IMU (Inertial Measurement Unit), possono rappresentare l’elemento base di una rete sensoriale per il monitoraggio del movimento umano.

Approccio teorico e numerico per la selezione di topologie d'antenna miniaturizzate su substrati magneto-dielettrici

Lo sviluppo di soluzioni sempre più pervasive, nell’ambito delle telecomunicazioni, ha determinato una necessità crescente di avere sistemi wireless con dimensioni estremamente ridotte. Tale obiettivo deve essere raggiunto evitando di incorrere nelle problematiche in termini di prestazioni di radiazione che si presentano utilizzando antenne dalle dimensioni molto ridotte rispetto la lunghezza d'onda. Tali inefficienze finiscono poi per ripercuotersi sulle funzionalità, ma sopratutto sul consumo energetico e quindi sulla sua autonomia. Nell’ambito di questa tesi, ci si è focalizzati sui materiali e in particolare su come possono essere selezionati in base alle caratteristiche delle varie topologie di antenne, con lo scopo di massimizzare le caratteristiche prestazionali dell'elemento radiante. Sarà inoltre presentata una definizione innovativa e dedicata ai materiali magneto-dielettrici del volume di campo vicino. Si concluderà infine che, nel caso di antenne rappresentate da sorgenti equivalenti magnetiche è conveniente usare materiali magnetici, mentre con sorgenti equivalenti elettriche il solo dielettrico risulta più indicato.

Description and Prediction of Freezing of Gait in Parkinson's Disease from Wearable Inertial Measurements Units

Parkinson's disease (PD) is a neuro-degenerative disorder, the second most common after Alzheimer's disease. After diagnosis, treatments can help to relieve the symptoms, but there is no known cure for PD. PD is characterized by a combination of motor and no-motor dysfunctions. Among the motor symptoms there is the so called Freezing of Gait (FoG). The FoG is a phenomenon in PD patients in which the feet stock to the floor and is difficult for the patient to initiate movement. FoG is a severe problem, since it is associated with falls, anxiety, loss of mobility, accidents, mortality and it has substantial clinical and social consequences decreasing the quality of life in PD patients. Medicine can be very successful in controlling movements disorders and dealing with some of the PD symptoms. However, the relationship between medication and the development of FoG remains unclear. Several studies have demonstrated that visual or auditory rhythmical cuing allows PD patients to improve their motor abilities. Rhythmic auditory stimulation (RAS) was shown to be particularly effective at improving gait, specially with patients that manifest FoG. While RAS allows to reduce the time and the effects of FoGs occurrence in PD patients after the FoG is detected, it can not avoid the episode due to the latency of detection. An improvement of the system would be the prediction of the FoG. This thesis was developed following two main objectives: (1) the finding of specifics properties during pre FoG periods different from normal walking context and other walking events like turns and stops using the information provided by the inertial measurements units (IMUs) and (2) the formulation of a model for automatically detect the pre FoG patterns in order to completely avoid the upcoming freezing event in PD patients. The first part focuses on the analysis of different methods for feature extraction which might lead in the FoG occurrence.

Condivisione di dati strutturati con Google Fusion Tables

L'elaborato presenta Google Fusion Tables, un software che fa parte dei servizi messi a disposizione da Google, funzionale per la gestione di database. Il servizio gratuito e online ha quindi lo scopo di supportare i compiti di gestori di basi di dati e fornisce operazioni di manipolazione dei dati come estrazione, aggregazione, filtraggio e fusione. Il servizio utilizza dati strutturati, i quali sono estratti dalle pagine Web con appositi motori di ricerca come WebTables, trattato nell'elaborato. Google Fusion Tables è impiegato in ambito scientifico ed è nato per esplicitare le informazioni di ricerche scientifiche che spesso sono contenute in database e fogli di calcolo difficilmente condivisi nel Web. Questo servizio è molto pratico per le aziende, le quali possono integrare dati interni ed esterni all’organizzazione per ampliare la propria conoscenza e ottenere un vantaggio competitivo sui concorrenti. Vengono quindi presentate le caratteristiche distintive che potrebbero indurre numerose organizzazioni a scommettere su questo nuovo servizio.

Influenza dei difetti sul comportamento a fatica della lega AlSi10Mg prodotta con Laser Powder Bed Fusion

La tesi in oggetto ha lo scopo di valutare la fattibilità di sviluppare, sulla base di dati sperimentali, un metodo previsionale per il comportamento a fatica della lega AlSi10Mg prodotta mediante Laser Powder Bed Fusion, adattabile a componenti di dimensioni qualsiasi. La lega è stata trattata con invecchiamento diretto (T5) ottimizzato per ottenere una parziale riduzione delle tensioni residue senza comprometterne la durezza. Partendo da prove di fatica a flessione rotante condotte seguendo il metodo statistico Stair-Case per la definizione della resistenza a fatica, si vuole correlare il difetto killer, ossia quello che innesca la rottura del provino, alla caratterizzazione dei difetti condotta pre-prova con tomografia computerizzata ad alta risoluzione (µCT). Il difetto killer, osservato sulle superfici di frattura, viene analizzato in termini di dimensione, posizione e forma. Contemporaneamente è stato sviluppato un metodo per l’analisi dei difetti ottenuta con µCT tale da poter identificare quelli considerati più pericolosi, sulla base dello stato tensionale del campione, di posizione e dimensione dei difetti. Inoltre, è stata eseguita una caratterizzazione microstrutturale sulle sezioni trasversali dei campioni per valutare la quantità, dimensione e forma dei difetti e confrontarla con i dati di µCT. Per mostrare la relazione tra le dimensioni del difetto killer e la resistenza a fatica è stato adottato il diagramma di Kitagawa-Takahashi, con il modello di El Haddad. Dal confronto tra le metodologie è stata riscontrata una buona correlazione tra i difetti individuati come pericolosi dai dati di µCT e quelli che hanno effettivamente portato a rottura il campione, osservati in frattografia, supportando quindi la possibilità di sviluppare un metodo previsionale del comportamento a fatica. Quantitativamente, le dimensioni dei difetti killer sono nell’intervallo 90-130 µm e si trovano ad una distanza massima dalla superficie di non oltre 250 µm.

Dataset Fusion application on deep learning Object Detection task

Application of dataset fusion techniques to an object detection task, involving the use of deep learning as convolutional neural networks, to manage to create a single RCNN architecture able to inference with good performances on two distinct datasets with different domains.

Aspetti microstrutturali, proprietà meccaniche e ottimizzazione del trattamento termico di un acciaio inossidabile PH processato con laser powder bed fusion

L’attività di ricerca svolta in questa tesi ha riguardato gli aspetti microstrutturali, le proprietà meccaniche e l’ottimizzazione del trattamento termico di un acciaio inossidabile indurente per precipitazione processato mediante tecnologia additiva Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). I provini, realizzati presso il competence center Bi-REX (Bologna) e lavorati presso il laboratorio di Metallurgia del DIN, sono stati oggetto di vari trattamenti termici sperimentali in cui è stata fatta variare la temperatura e la durata di mantenimento in forno, al fine di identificare la combinazione ottimale di temperatura e tempo sia per la fase di solubilizzazione che di invecchiamento. Nello specifico, la scelta dei parametri di solubilizzazione e invecchiamento è stata fatta solo sulla base dei trend di durezza. Da queste attività sono stati scelti i parametri di trattamento che garantissero elevata durezza, prossima alla massima ottenibile, senza durate di invecchiamento eccessive. L'esito della sperimentazione ha permesso di ridurre sensibilmente temperatura e durata di solubilizzazione rispetto al trattamento benchmark senza penalizzazione della durezza risultante. Dopodiché è stata eseguita una caratterizzazione microstrutturale e meccanica dell’acciaio, in termini di durezza, trazione e resilienza, per confrontare il trattamento termico ottimizzato con la condizione As-Built (AB) e con il trattamento termico standard indicato dal produttore. L’elevata durezza misurata dopo invecchiamento si deve alla presenza di precipitati di rinforzo in grado di ostacolare il moto delle dislocazioni. Le prove meccaniche hanno confermato l’ottenimento di elevata resistenza a snervamento e a trazione, superiore al benchmark, ma di un basso allungamento a rottura e bassissima resilienza a causa di difetti quali porosità, mancate fusioni e spattering. Infine, lo studio delle superfici di frattura ha permesso di analizzare i meccanismi di rottura dei campioni di trazione e resilienza.

Ossidazione anodica al plasma della lega di alluminio A357 prodotta mediante Laser - Powder Bed Fusion: microstruttura e comportamento tribologico

In questo elaborato è stato analizzato il comportamento tribologico della lega di alluminio A357 realizzata tramite Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). In particolare, è stato studiato l’effetto del processo di anodizzazione ECO (ElectroChemical Oxidation) su tale lega, sia allo stato as-built che dopo trattamento termico T6R, in termini di attrito e usura a temperatura ambiente (i.e. 25°C) e a 200°C. Lo studio tribologico è stato svolto mediante prove di strisciamento non lubrificato in moto reciprocante (geometria ball-on-disc contro allumina). Nella prima parte del lavoro sono state effettuate prove a temperatura ambiente, su strati ECO a rugosità variabile, con carichi applicati nell’intervallo 1-8N. Nella seconda parte l’attività sperimentale si è invece rivolta al confronto nel comportamento tribologico della lega a 25°C e 200°C, mantenendo il carico invariato pari a 1 N e analizzando la risposta in termini di attrito e usura, sia per campioni rivestiti ECO che per campioni non rivestiti. Il rivestimento anodico ha mostrato a temperatura ambiente una maggiore resistenza ad usura quando applicato su superfici pre-lucidate, nonostante un maggiore coefficiente di attrito, dando luogo a cedimento completo ad un carico di 8 N (contro i 5 N del non lucidato). Dalla seconda fase di questo studio è invece risultato come il rivestimento ECO abbia notevolmente migliorato la resistenza ad usura rispetto al materiale non rivestito, sia a 25°C che a 200°C, mantenendo invariato il coefficiente d’attrito all’aumentare della temperatura, al contrario dei campioni A357 non rivestiti, che hanno invece manifestato un aumento del coefficiente di attrito di circa il doppio. Vale inoltre la pena notare come la pre-lucidatura ed il trattamento termico dei campioni A357 ECO siano risultati superflui in termini di comportamento tribologico; i campioni a superficie rugosa hanno dato luogo addirittura a minori coefficienti di attrito sia a 25°C che a 200°C, a parità di profondità d’usura.

Studio del comportamento meccanico e tribologico della lega AlSi10Mg prodotta mediante Laser-based Powder Bed Fusion sottoposta ad un ciclo tecnologico ottimizzato

AlSi10Mg alloy is one of the most widely used alloys for producing structural components by Laser-based Powder Fusion (L-PBF) technology due to the high mechanical and technological properties. The present work aims to characterize mechanically and tribologically the L-PBF AlSi10Mg alloy subjected to both heat treatment and surface modification cycles. Specifically, the effects of three heat treatments on the tribological and mechanical properties of the alloy were analyzed: T5 (artificial aging at 160 °C for 4 h), T6 rapid solution heat treatment (solution heat treatment at 510 °C for 1h and aging at 160 °C for 6 h), and T6 benchmark (solution heat treatment at 540 °C for 1h and aging at 160 °C for 4 h), the latter used as a benchmark. The study highlighted how the better balance between strength and ductility properties induced by the introduction of heat treatments leads to lower wear resistance and not significant variations in the friction coefficient of the alloy. The tribological and mechanical behavior of the alloy coated with two different coating structures, consisting of (i) chemical Ni (Ni-P) and (ii) Ni-P + DLC, was also evaluated. The goal was the identification of a deposition cycle such as to guarantee the optimization of the mechanical and tribological behavior of the alloy. The Ni-P coating provided good wear resistance but an increase in the coefficient of friction. In contrast, using the DLC top coating resulted in excellent tribological performance in wear resistance and friction coefficient. The samples characterized by the Ni-P + DLC multilayer coating were subsequently subjected to mechanical characterization. The results obtained highlighted problems of adhesion and incipient breaking of the material due to the different mechanical behavior of the coating, considerably reducing the mechanical performance of the alloy coated with Ni-P+DLC multilayer solution compared to the specimens in the un-coated condition.