Tactile perception - Perception of tactile distance changes with body site: a neural network modelling study.

La distorsione della percezione della distanza tra due stimoli puntuali applicati sulla superfice della pelle di diverse regioni corporee è conosciuta come Illusione di Weber. Questa illusione è stata osservata, e verificata, in molti esperimenti in cui ai soggetti era chiesto di giudicare la distanza tra due stimoli applicati sulla superficie della pelle di differenti parti corporee. Da tali esperimenti si è dedotto che una stessa distanza tra gli stimoli è giudicata differentemente per diverse regioni corporee. Il concetto secondo cui la distanza sulla pelle è spesso percepita in maniera alterata è ampiamente condiviso, ma i meccanismi neurali che manovrano questa illusione sono, allo stesso tempo, ancora ampiamente sconosciuti. In particolare, non è ancora chiaro come sia interpretata la distanza tra due stimoli puntuali simultanei, e quali aree celebrali siano coinvolte in questa elaborazione. L’illusione di Weber può essere spiegata, in parte, considerando la differenza in termini di densità meccano-recettoriale delle differenti regioni corporee, e l’immagine distorta del nostro corpo che risiede nella Corteccia Primaria Somato-Sensoriale (homunculus). Tuttavia, questi meccanismi sembrano non sufficienti a spiegare il fenomeno osservato: infatti, secondo i risultati derivanti da 100 anni di sperimentazioni, le distorsioni effettive nel giudizio delle distanze sono molto più piccole rispetto alle distorsioni che la Corteccia Primaria suggerisce. In altre parole, l’illusione osservata negli esperimenti tattili è molto più piccola rispetto all’effetto prodotto dalla differente densità recettoriale che affligge le diverse parti del corpo, o dall’estensione corticale. Ciò, ha portato a ipotizzare che la percezione della distanza tattile richieda la presenza di un’ulteriore area celebrale, e di ulteriori meccanismi che operino allo scopo di ridimensionare – almeno parzialmente – le informazioni derivanti dalla corteccia primaria, in modo da mantenere una certa costanza nella percezione della distanza tattile lungo la superfice corporea. E’ stata così proposta la presenza di una sorta di “processo di ridimensionamento”, chiamato “Rescaling Process” che opera per ridurre questa illusione verso una percezione più verosimile. Il verificarsi di questo processo è sostenuto da molti ricercatori in ambito neuro scientifico; in particolare, dal Dr. Matthew Longo, neuro scienziato del Department of Psychological Sciences (Birkbeck University of London), le cui ricerche sulla percezione della distanza tattile e sulla rappresentazione corporea sembrano confermare questa ipotesi. Tuttavia, i meccanismi neurali, e i circuiti che stanno alla base di questo potenziale “Rescaling Process” sono ancora ampiamente sconosciuti. Lo scopo di questa tesi è stato quello di chiarire la possibile organizzazione della rete, e i meccanismi neurali che scatenano l’illusione di Weber e il “Rescaling Process”, usando un modello di rete neurale. La maggior parte del lavoro è stata svolta nel Dipartimento di Scienze Psicologiche della Birkbeck University of London, sotto la supervisione del Dott. M. Longo, il quale ha contribuito principalmente all’interpretazione dei risultati del modello, dando suggerimenti sull’elaborazione dei risultati in modo da ottenere un’informazione più chiara; inoltre egli ha fornito utili direttive per la validazione dei risultati durante l’implementazione di test statistici. Per replicare l’illusione di Weber ed il “Rescaling Proess”, la rete neurale è stata organizzata con due strati principali di neuroni corrispondenti a due differenti aree funzionali corticali: • Primo strato di neuroni (il quale dà il via ad una prima elaborazione degli stimoli esterni): questo strato può essere pensato come parte della Corteccia Primaria Somato-Sensoriale affetta da Magnificazione Corticale (homunculus). • Secondo strato di neuroni (successiva elaborazione delle informazioni provenienti dal primo strato): questo strato può rappresentare un’Area Corticale più elevata coinvolta nell’implementazione del “Rescaling Process”. Le reti neurali sono state costruite includendo connessioni sinaptiche all’interno di ogni strato (Sinapsi Laterali), e connessioni sinaptiche tra i due strati neurali (Sinapsi Feed-Forward), assumendo inoltre che l’attività di ogni neurone dipenda dal suo input attraverso una relazione sigmoidale statica, cosi come da una dinamica del primo ordine. In particolare, usando la struttura appena descritta, sono state implementate due differenti reti neurali, per due differenti regioni corporee (per esempio, Mano e Braccio), caratterizzate da differente risoluzione tattile e differente Magnificazione Corticale, in modo da replicare l’Illusione di Weber ed il “Rescaling Process”. Questi modelli possono aiutare a comprendere il meccanismo dell’illusione di Weber e dare così una possibile spiegazione al “Rescaling Process”. Inoltre, le reti neurali implementate forniscono un valido contributo per la comprensione della strategia adottata dal cervello nell’interpretazione della distanza sulla superficie della pelle. Oltre allo scopo di comprensione, tali modelli potrebbero essere impiegati altresì per formulare predizioni che potranno poi essere verificate in seguito, in vivo, su soggetti reali attraverso esperimenti di percezione tattile. E’ importante sottolineare che i modelli implementati sono da considerarsi prettamente come modelli funzionali e non intendono replicare dettagli fisiologici ed anatomici. I principali risultati ottenuti tramite questi modelli sono la riproduzione del fenomeno della “Weber’s Illusion” per due differenti regioni corporee, Mano e Braccio, come riportato nei tanti articoli riguardanti le illusioni tattili (per esempio “The perception of distance and location for dual tactile pressures” di Barry G. Green). L’illusione di Weber è stata registrata attraverso l’output delle reti neurali, e poi rappresentata graficamente, cercando di spiegare le ragioni di tali risultati.

Tactile Perception - Perception of tactile distance on a single skin surface changes with stimulus orientation: a neuronal network modelling study

L’interazione che abbiamo con l’ambiente che ci circonda dipende sia da diverse tipologie di stimoli esterni che percepiamo (tattili, visivi, acustici, ecc.) sia dalla loro elaborazione per opera del nostro sistema nervoso. A volte però, l’integrazione e l’elaborazione di tali input possono causare effetti d’illusione. Ciò si presenta, ad esempio, nella percezione tattile. Infatti, la percezione di distanze tattili varia al variare della regione corporea considerata. Il concetto che distanze sulla cute siano frequentemente erroneamente percepite, è stato scoperto circa un secolo fa da Weber. In particolare, una determinata distanza fisica, è percepita maggiore su parti del corpo che presentano una più alta densità di meccanocettori rispetto a distanze applicate su parti del corpo con inferiore densità. Oltre a questa illusione, un importante fenomeno osservato in vivo è rappresentato dal fatto che la percezione della distanza tattile dipende dall’orientazione degli stimoli applicati sulla cute. In sostanza, la distanza percepita su una regione cutanea varia al variare dell’orientazione degli stimoli applicati. Recentemente, Longo e Haggard (Longo & Haggard, J.Exp.Psychol. Hum Percept Perform 37: 720-726, 2011), allo scopo di investigare come sia rappresentato il nostro corpo all’interno del nostro cervello, hanno messo a confronto distanze tattili a diverse orientazioni sulla mano deducendo che la distanza fra due stimoli puntuali è percepita maggiore se applicata trasversalmente sulla mano anziché longitudinalmente. Tale illusione è nota con il nome di Illusione Tattile Orientazione-Dipendente e diversi risultati riportati in letteratura dimostrano che tale illusione dipende dalla distanza che intercorre fra i due stimoli puntuali sulla cute. Infatti, Green riporta in un suo articolo (Green, Percpept Pshycophys 31, 315-323, 1982) il fatto che maggiore sia la distanza applicata e maggiore risulterà l’effetto illusivo che si presenta. L’illusione di Weber e l’illusione tattile orientazione-dipendente sono spiegate in letteratura considerando differenze riguardanti la densità di recettori, gli effetti di magnificazione corticale a livello della corteccia primaria somatosensoriale (regioni della corteccia somatosensoriale, di dimensioni differenti, sono adibite a diverse regioni corporee) e differenze nella dimensione e forma dei campi recettivi. Tuttavia tali effetti di illusione risultano molto meno rilevanti rispetto a quelli che ci si aspetta semplicemente considerando i meccanismi fisiologici, elencati in precedenza, che li causano. Ciò suggerisce che l’informazione tattile elaborata a livello della corteccia primaria somatosensoriale, riceva successivi step di elaborazione in aree corticali di più alto livello. Esse agiscono allo scopo di ridurre il divario fra distanza percepita trasversalmente e distanza percepita longitudinalmente, rendendole più simili tra loro. Tale processo assume il nome di “Rescaling Process”. I meccanismi neurali che operano nel cervello allo scopo di garantire Rescaling Process restano ancora largamente sconosciuti. Perciò, lo scopo del mio progetto di tesi è stato quello di realizzare un modello di rete neurale che simulasse gli aspetti riguardanti la percezione tattile, l’illusione orientazione-dipendente e il processo di rescaling avanzando possibili ipotesi circa i meccanismi neurali che concorrono alla loro realizzazione. Il modello computazionale si compone di due diversi layers neurali che processano l’informazione tattile. Uno di questi rappresenta un’area corticale di più basso livello (chiamata Area1) nella quale una prima e distorta rappresentazione tattile è realizzata. Per questo, tale layer potrebbe rappresentare un’area della corteccia primaria somatosensoriale, dove la rappresentazione della distanza tattile è significativamente distorta a causa dell’anisotropia dei campi recettivi e della magnificazione corticale. Il secondo layer (chiamato Area2) rappresenta un’area di più alto livello che riceve le informazioni tattili dal primo e ne riduce la loro distorsione mediante Rescaling Process. Questo layer potrebbe rappresentare aree corticali superiori (ad esempio la corteccia parietale o quella temporale) adibite anch’esse alla percezione di distanze tattili ed implicate nel Rescaling Process. Nel modello, i neuroni in Area1 ricevono informazioni dagli stimoli esterni (applicati sulla cute) inviando quindi informazioni ai neuroni in Area2 mediante sinapsi Feed-forward eccitatorie. Di fatto, neuroni appartenenti ad uno stesso layer comunicano fra loro attraverso sinapsi laterali aventi una forma a cappello Messicano. E’ importante affermare che la rete neurale implementata è principalmente un modello concettuale che non si preme di fornire un’accurata riproduzione delle strutture fisiologiche ed anatomiche. Per questo occorre considerare un livello astratto di implementazione senza specificare un’esatta corrispondenza tra layers nel modello e regioni anatomiche presenti nel cervello. Tuttavia, i meccanismi inclusi nel modello sono biologicamente plausibili. Dunque la rete neurale può essere utile per una migliore comprensione dei molteplici meccanismi agenti nel nostro cervello, allo scopo di elaborare diversi input tattili. Infatti, il modello è in grado di riprodurre diversi risultati riportati negli articoli di Green e Longo & Haggard.

Implementation of a VLSI amplifier interfaced with biomedical sensors for ultra wide band data transmission

This thesis presents a CMOS Amplifier with High Common Mode rejection designed in UMC 130nm technology. The goal is to achieve a high amplification factor for a wide range of biological signals (with frequencies in the range of 10Hz-1KHz) and to reject the common-mode noise signal. It is here presented a Data Acquisition System, composed of a Delta-Sigma-like Modulator and an antenna, that is the core of a portable low-complexity radio system; the amplifier is designed in order to interface the data acquisition system with a sensor that acquires the electrical signal. The Modulator asynchronously acquires and samples human muscle activity, by sending a Quasi-Digital pattern that encodes the acquired signal. There is only a minor loss of information translating the muscle activity using this pattern, compared to an encoding technique which uses astandard digital signal via Impulse-Radio Ultra-Wide Band (IR-UWB). The biological signals, needed for Electromyographic analysis, have an amplitude of 10-100μV and need to be highly amplified and separated from the overwhelming 50mV common mode noise signal. Various tests of the firmness of the concept are presented, as well the proof that the design works even with different sensors, such as Radiation measurement for Dosimetry studies.

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.

Study of a pulsed LED set-up to characterise the light response of SiPM sensors for the EIC dRICH detector

L’Electron Ion Collider (EIC) è un futuro acceleratore di particelle che ha l’obiettivo di approfondire le nostre conoscenze riguardo l’interazione forte, una delle quattro interazioni fondamentali della natura, attraverso collisioni di elettroni su nuclei e protoni. L’infrastruttura del futuro detector comprende un sistema d’identificazione basato sull’emissione di luce Cherenkov, un fenomeno che permette di risalire alla massa delle particelle. Una delle configurazioni prese in considerazione per questo sistema è il dual-radiator RICH, basato sulla presenza di due radiatori all’esterno dei quali si trovano dei fotorivelatori. Un’opzione per questi sensori sono i fotorivelatori al silicio SiPM, oggetto di questo lavoro di tesi. L’obiettivo dell’attività è lo studio di un set-up per la caratterizzazione della risposta di sensori SiPM a basse temperature, illuminati attraverso un LED. Dopo un’analisi preliminare per determinare le condizioni di lavoro, si è trovato che la misura è stabile entro un errore del 3.5%.

Methodologies for attitude determination from MEMS sensors in vehicles

The focus of the thesis is the application of different attitude’s determination algorithms on data evaluated with MEMS sensor using a board provided by University of Bologna. MEMS sensors are a very cheap options to obtain acceleration, and angular velocity. The use of magnetometers based on Hall effect can provide further data. The disadvantage is that they have a lot of noise and drift which can affects the results. The different algorithms that have been used are: pitch and roll from accelerometer, yaw from magnetometer, attitude from gyroscope, TRIAD, QUEST, Magdwick, Mahony, Extended Kalman filter, Kalman GPS aided INS. In this work the algorithms have been rewritten to fit perfectly with the data provided from the MEMS sensor. The data collected by the board are acceleration on the three axis, angular velocity on the three axis, magnetic fields on the three axis, and latitude, longitude, and altitude from the GPS. Several tests and comparisons have been carried out installing the electric board on different vehicles operating in the air and on ground. The conclusion that can be drawn from this study is that the Magdwich filter is the best trade-off between computational capabilities required and results obtained. If attitude angles are obtained from accelerometers, gyroscopes, and magnetometer, inconsistent data are obtained for cases where high vibrations levels are noticed. On the other hand, Kalman filter based algorithms requires a high computational burden. TRIAD and QUEST algorithms doesn’t perform as well as filters.

RED-Bridge: A Multiprotocol Tool Prototype for IoT Sensors

The IoT is growing more and more each year and is becoming so ubiquitous that it includes heterogeneous devices with different hardware and software constraints leading to an highly fragmented ecosystem. Devices are using different protocols with different paradigms and they are not compatible with each other; some devices use request-response protocols like HTTP or CoAP while others use publish-subscribe protocols like MQTT. Integration in IoT is still an open research topic. When handling and testing IoT sensors there are some common task that people may be interested in: reading and visualizing the current value of the sensor; doing some aggregations on a set of values in order to compute statistical features; saving the history of the data to a time-series database; forecasting the future values to react in advance to a future condition; bridging the protocol of the sensor in order to integrate the device with other tools. In this work we will show the working implementation of a low-code and flow-based tool prototype which supports the common operations mentioned above, based on Node-RED and Python. Since this system is just a prototype, it has some issues and limitations that will be discussed in this work.

Development of wearable electrochemical sensors for the determination of biological analytes

Wearable biosensors are attracting interest due to their potential to provide continuous, real-time physiological information via dynamic, non-invasive measurements of biochemical markers in biofluids, such as interstitial fluid (ISF). One notable example of their applications is for glycemic monitoring in diabetic patients, which is typically carried out either by direct measurement of blood glucose via finger pricking or by wearable sensors that can continuously monitor glucose in ISF by sampling it from below the skin with a microneedle. In this context, the development of a new and minimally invasive multisensing tattoo-based platform for the monitoring of glucose and other analytes in ISF extracted through reverse iontophoresis in proposed by the GLUCOMFORT project. This elaborate describes the in-vitro development of flexible electrochemical sensors based on inkjet-printed PEDOT:PSS and metal inks that are capable of determining glucose and chloride at biologically relevant concentrations, making them good candidates for application in the GLUCOMFORT platform. In order to make PEDOT:PSS sensitive to glucose at micromolar concentrations, a biocompatible functionalization based on immobilized glucose oxidase and electrodeposited platinum was developed. This functionalization was successfully applied to bulk and flexible amperometric devices, the design of which was also optimized. Using the same strategy, flexible organic electrochemical transistors (OECTs) for glucose sensing were also made and successfully tested. For the sensing of chloride ions, an organic charge-modulated field-effect transistor (OCMFET) featuring a silver/silver chloride modified floating gate electrode was developed and tested.

Private sensors and crowdsourced rainfall data: accuracy and effectiveness for monitoring severe events and mapping pluvial flooding in urban areas

The increasing number of extreme rainfall events, combined with the high population density and the imperviousness of the land surface, makes urban areas particularly vulnerable to pluvial flooding. In order to design and manage cities to be able to deal with this issue, the reconstruction of weather phenomena is essential. Among the most interesting data sources which show great potential are the observational networks of private sensors managed by citizens (crowdsourcing). The number of these personal weather stations is consistently increasing, and the spatial distribution roughly follows population density. Precisely for this reason, they perfectly suit this detailed study on the modelling of pluvial flood in urban environments. The uncertainty associated with these measurements of precipitation is still a matter of research. In order to characterise the accuracy and precision of the crowdsourced data, we carried out exploratory data analyses. A comparison between Netatmo hourly precipitation amounts and observations of the same quantity from weather stations managed by national weather services is presented. The crowdsourced stations have very good skills in rain detection but tend to underestimate the reference value. In detail, the accuracy and precision of crowd- sourced data change as precipitation increases, improving the spread going to the extreme values. Then, the ability of this kind of observation to improve the prediction of pluvial flooding is tested. To this aim, the simplified raster-based inundation model incorporated in the Saferplaces web platform is used for simulating pluvial flooding. Different precipitation fields have been produced and tested as input in the model. Two different case studies are analysed over the most densely populated Norwegian city: Oslo. The crowdsourced weather station observations, bias-corrected (i.e. increased by 25%), showed very good skills in detecting flooded areas.