Noisy Oncology: applications of bounded noise transitions in modelling tumor growth

I tumori macroscopici e microscopici, dopo la loro prima fase di crescita, sono composti da un numero medio elevato di cellule. Così, in assenza di perturbazioni esterne, la loro crescita e i punti di equilibrio possono essere descritti da equazioni differenziali. Tuttavia, il tumore interagisce fortemente col macroambiente che lo circonda e di conseguenza una descrizione del tutto deterministica risulta a volte inappropriata. In questo caso si può considerare l'interazione con fluttuazioni statistiche, causate da disturbi esterni, utilizzando le equazioni differenziali stocastiche (SDE). Questo è vero in modo particolare quando si cerca di modellizzare tumori altamente immunogenici che interagiscono con il sistema immunitario, in quanto la complessità di questa interazione risulta in fenomeni di multistabilità. Così, il rumore può provocare disturbi e indurre transizioni di stato (Noise-Induced-Transitions). E' importante notare che una NIT può avere implicazioni profonde sulla vita di un paziente, dal momento che una transizione da uno stato di equilibrio piccolo, nelle dimensioni del tumore, ad uno stato di equilibrio macroscopico, nella maggior parte dei casi significa il passaggio dalla vita alla morte. Generalmente l'approccio standard è quello di modellizzare le fluttuazioni stocastiche dei parametri per mezzo di rumore gaussiano bianco o colorato. In alcuni casi però questa procedura è altamente inadeguata, a causa della illimitatezza intrinseca dei rumori gaussiani che può portare a gravi incongruenze biologiche: pertanto devono essere utilizzati dei rumori "limitati", che, tuttavia, sono molto meno studiati di quelli gaussiani. Inoltre, l'insorgenza di NIT dipende dal tipo di rumore scelto, che rivela un nuovo livello di complessità in biologia. Lo scopo di questa tesi è quello di studiare le applicazioni di due tipi diversi di "rumori limitati" nelle transizioni indotte in due casi: interazione tra tumore e sistema immunitario e chemioterapia dei tumori. Nel primo caso, abbiamo anche introdotto un nuovo modello matematico di terapia, che estende, in modo nuovo, il noto modello di Norton-Simon.

Influence of microstructure variability on short crack growth behavior

Fatigue life in metals is predicted utilizing regression analysis of large sets of experimental data, thus representing the material’s macroscopic response. Furthermore, a high variability in the short crack growth (SCG) rate has been observed in polycrystalline materials, in which the evolution and distributionof local plasticity is strongly influenced by the microstructure features. The present work serves to (a) identify the relationship between the crack driving force based on the local microstructure in the proximity of the crack-tip and (b) defines the correlation between scatter observed in the SCG rates to variability in the microstructure. A crystal plasticity model based on the fast Fourier transform formulation of the elasto-viscoplastic problem (CP-EVP-FFT) is used, since the ability to account for the both elastic and plastic regime is critical in fatigue. Fatigue is governed by slip irreversibility, resulting in crack growth, which starts to occur during local elasto-plastic transition. To investigate the effects of microstructure variability on the SCG rate, sets of different microstructure realizations are constructed, in which cracks of different length are introduced to mimic quasi-static SCG in engineering alloys. From these results, the behavior of the characteristic variables of different length scale are analyzed: (i) Von Mises stress fields (ii) resolved shear stress/strain in the pertinent slip systems, and (iii) slip accumulation/irreversibilities. Through fatigue indicator parameters (FIP), scatter within the SCG rates is related to variability in the microstructural features; the results demonstrate that this relationship between microstructure variability and uncertainty in fatigue behavior is critical for accurate fatigue life prediction.

Metodi operativi per la riduzione dell'impatto acustico delle operazioni aeroportuali: efficacia delle noise abatement procedures

Il rumore causato dagli aeromobili nelle varie operazioni aeroportuali è uno dei problemi più sentiti dalle popolazioni che risiedono nelle aree adiacenti gli aeroporti.Nonostante i progressi fatti dal punto di vista tecnologico, che hanno portato a una notevole riduzione del fenomeno, il continuo aumento della domanda di traffico aereo ha ridotto l’efficacia di queste migliorie tecniche, anche a causa di una scarsa pianificazione territoriale nel corso degli anni. Ci sono numerosi interventi possibili per ridurre l'inquinamento acustico, in questa tesi vengono analizzate in special modo le NAP e la loro applicazione al caso dell'aeroporto di Bologna.

Noise mapping of highly trafficked roads of the province of Bologna according to D.Lgs. 194/2005

The European Community has stressed the importance of achieving a common understanding to deal with the environmental noise through community actions of the Member States. This implies the use of harmonized indicators and specific information regarding the values of indicators, the exceedance of limits and the number of people and dwellings exposed to noise. The D.Lgs. 149/2005 in compliance with the European Directive 2002/49/EC defines methodologies, noise indicators and types of outputs required. In this dissertation the work done for the noise mapping of highly trafficked roads of the Province of Bologna will be reported. The study accounts for the environmental noise generated by the road infrastructure outside the urban agglomeration of Bologna. Roads characterized by an annual traffic greater than three millions of vehicles will be considered. The process of data collection and validation will be reported, as long as the implementation of the calculation method in the software and the procedure to create and calibrate the calculation model. Results will be provided as required by the legislation, in forms of maps and tables. Moreover results regarding each road section accounted will be combined to gain a general understanding of the situation of the overall studied area. Although the understanding of the noise levels and the number of people exposed is paramount, it is not sufficient to develop strategies of noise abatement interventions. Thus a further step will be addressed: the creation of priority maps as the basis of action plans for organizing and prioritizing solutions for noise reduction and abatement. Noise reduction measures are reported in a qualitative way in the annex and constitute a preliminary research.

Valutazione dell'efficacia delle "noise abatement procedures": il caso dell'aeroporto G. Marconi di Bologna

A partire dalle caratteristiche chiave dell’inquinamento acustico, lo scopo della tesi è stato quello di valutare quantitativamente l’entità del rumore aeronautico prodotto dall'aeroporto Marconi e di analizzare le soluzioni tecniche e gestionali disponibili per definire misure adeguate alle caratteristiche infrastrutturali e operative dello scalo e capaci di mitigare il disturbo subito dalla popolazione. Si è tenuto conto delle profonde modificazioni in atto nel mondo dell’aviazione, il quale, avendo come obiettivo quello di fornire un servizio di trasporto sempre più sostenibile, efficace, competitivo e omogeneo sul territorio europeo, sollecita profonde innovazioni nei requisiti funzionali e tecnici. Inizialmente l’attenzione è stata rivolta alla descrizione del rumore aeronautico e del contesto in cui è inserito, soffermandosi sul concetto di sostenibilità di un’infrastruttura di trasporto. Si è proseguito con un'analisi dettagliata della normativa vigente, italiana ed europea, al fine di affrontare gli aspetti legislativi del problema e di delineare le line guida per la valutazione del rumore. Segue uno studio, dal punto di vista tecnico e infrastrutturale, dell’evoluzione della navigazione aerea e del concetto innovativo di performance based navigation, focalizzando l’interesse sul curved approach, procedura di avvicinamento non convenzionale. L'attenzione è stata, poi, dedicata alla descrizione del caso di studio e alla presentazione della metodologia usata. Mediante il supporto dell’INM, sono state determinate le curve isofoniche, quantificando la popolazione esposta a specifici livelli di rumore aeronautico per lo scenario consuntivo dell’anno 2015. Infine, sono state eseguite simulazioni future, sulla base delle previsioni di crescita del volume di traffico aereo, per definire un limite massimo per lo sfruttamento del sistema ILS in testata 30 e per valutare il beneficio generato dall’introduzione del curved approach.