Computational Modelling of Cardiac Electrophysiology: from Cell to Bedside

Heart diseases are the leading cause of death worldwide, both for men and women. However, the ionic mechanisms underlying many cardiac arrhythmias and genetic disorders are not completely understood, thus leading to a limited efficacy of the current available therapies and leaving many open questions for cardiac electrophysiologists. On the other hand, experimental data availability is still a great issue in this field: most of the experiments are performed in vitro and/or using animal models (e.g. rabbit, dog and mouse), even when the final aim is to better understand the electrical behaviour of in vivo human heart either in physiological or pathological conditions. Computational modelling constitutes a primary tool in cardiac electrophysiology: in silico simulations, based on the available experimental data, may help to understand the electrical properties of the heart and the ionic mechanisms underlying a specific phenomenon. Once validated, mathematical models can be used for making predictions and testing hypotheses, thus suggesting potential therapeutic targets. This PhD thesis aims to apply computational cardiac modelling of human single cell action potential (AP) to three clinical scenarios, in order to gain new insights into the ionic mechanisms involved in the electrophysiological changes observed in vitro and/or in vivo. The first context is blood electrolyte variations, which may occur in patients due to different pathologies and/or therapies. In particular, we focused on extracellular Ca2+ and its effect on the AP duration (APD). The second context is haemodialysis (HD) therapy: in addition to blood electrolyte variations, patients undergo a lot of other different changes during HD, e.g. heart rate, cell volume, pH, and sympatho-vagal balance. The third context is human hypertrophic cardiomyopathy (HCM), a genetic disorder characterised by an increased arrhythmic risk, and still lacking a specific pharmacological treatment.

Performance analysis of ray-tracing assisted beamforming techniques for future mm-wave wireless systems.

Il progetto di tesi riguarda principalmente la progettazione di moderni sistemi wireless, come 5G o WiGig, operanti a onde millimetriche, attraverso lo studio di una tecnica avanzata detta Beamforming, che, grazie all'utilizzo di antenne direttive e compatte, permette di superare limiti di link budget dovuti alle alte frequenze e introdurre inoltre diversità spaziale alla comunicazione. L'obiettivo principale del lavoro è stato quello di valutare, tramite simulazioni numeriche, le prestazioni di alcuni diversi schemi di Beamforming integrando come tool di supporto un programma di Ray Tracing capace di fornire le principali informazioni riguardo al canale radio. Con esso infatti è possibile sia effettuare un assessment generale del Beamforming stesso, ma anche formulare i presupposti per innovative soluzioni, chiamate RayTracing-assisted- Beamforming, decisamente promettenti per futuri sviluppi così come confermato dai risultati.

Studio del flusso di neutroni e della funzione di risoluzione nell'esperimento n_TOF al CERN

La tesi è incentrata sullo studio del flusso di neutroni e della funzione di risoluzione del progetto n_TOF al CERN di Ginevra. Dopo aver ricordato le motivazioni scientifiche e tecnologiche che stanno alla base di questo progetto di collaborazione internazionale, si trattano sommariamente alcune delle più importanti applicazioni della fisica neutronica e si descrive la facility di Ginevra. Nella parte finale del lavoro si presenta una misura di precisione ottenuta dal flusso di neutroni utilizzato nell'esperimento n_TOF nel 2012, la cui conoscenza è di fondamentale importanza per la misura di sezioni d'urto di reazioni indotte da neutroni. L'esperimento n_TOF ha proprio lo scopo di misurare sezioni d'urto di reazioni indotte da neutroni, in particolare reazioni di fissione e cattura neutronica. Ad n_TOF si utilizza un fascio di protoni, accelerato a 20 GeV dal ProtoSincrotrone del CERN, per crearne due di neutroni, uno verticale e uno orizzontale, tramite spallazione nucleare indotta su un bersaglio di Piombo. Dalle analisi dei dati si deduce come questo studio possa essere maggiormente ottimizzato migliorando la funzione di risoluzione energetica dei neutroni, attraverso simulazioni Monte Carlo.

Modellazione e simulazione di particelle 'attive' in matrici liquido-cristalline

In questo lavoro di tesi si sono sviluppati un modello molecolare ed una metodologia Molecular Dynamics in grado di simulare il comportamento di particelle attive, alimentate da un motore molecolare, in matrici liquido-cristalline. In particolare, abbiamo sviluppato un metodo di calcolo della temperatura traslazionale ed un algoritmo di termalizzazione compatibili con le condizioni di non-equilibrio del sistema. Dall’analisi delle prove condotte sono emerse variazioni significative nei comportamenti collettivi dei campioni quali segregazioni e flussi coerenti caratterizzati da un alto grado di ordine nematico. Il modello proposto, pur nella nella sua semplicità, può costituire una base per future e più specifiche simulazioni.

Spettroscopia di livelli profondi su nanofili di silicio cresciuti con metodo MaCE

Oggetto di studio di questa tesi è la spettroscopia di livelli profondi (DLTS) in due set di nanofili di silicio cresciuti con metodo MaCE presso l’Università di Jena (Germania)nel team di ricerca del Prof. Vladimir Sivakov, utilizzando oro come catalizzatore. Il primo set di nanofili non ha subito ulteriori procedure dopo la crescita, mentre il secondo set è stato sottoposto ad annealing (stress termico) per 60 minuti alla temperatura di 700C. Scopo delle misure DLTS è quello di rivelare i livelli elettronici intragap e determinare l’influenza del processo di annealing su tali livelli. Dai risultati sperimentali si è osservata la presenza di due trappole per elettroni in entrambi i campioni: nel campione non soggetto ad annealing sono stati trovati i seguenti stati intragap: A, con energia di attivazione EA = EC - 0,20eV e sezione di cattura SA = 7E-18cm2; B, con energia di attivazione EB = EC - 0,46eV e sezione di cattura SB = 8E-18cm2; nel campione soggetto ad annealing sono stati trovati i seguenti stati intragap: C, con energia di attivazione EC = EC - 0,17eV e sezione di cattura SC = 3E-17cm2; D, con energia di attivazione ED = EC - 0,30eV e sezione di cattura SD = 3E-19cm2. Risulta quindi evidente che il processo di annealing determina una modifica della configurazione dei livelli intragap. In particolare la trappola B, posizionata nelle vicinanze della metà del bandgap, scompare in seguito allo stress termico. Dalle ricerche fatte in letteratura, potrebbe trattarsi di un livello energetico generato dalla presenza di idrogeno, incorporato nei nanofili durante la crescita. Questi risultati si propongono come una base di partenza per studi futuri riguardanti l’identificazione certa dei difetti responsabili di ciascun livello intragap rivelato, mediante ricerche approfondite in letteratura (riguardo i livelli intragap del silicio bulk) e simulazioni.

Studio teorico e modellizzazione numerica degli effetti di preplasma in regime di accelerazione di ioni tramite laser

Argomento di questo lavoro di tesi è l’accelerazione di ioni tramite interazione laser-plasma. Nel particolare, uno studio teorico sui principali meccanismi di accelerazione e una campagna di simulazioni numeriche volte ad analizzare gli effetti sullo spettro energetico dei protoni accelerati dovuti al preplasma sono stati svolti. Quando laser ad impulsi brevi, ad alta intensità e a contrasto finito, interagiscono con un campione solido è presente un preimpulso che causa la formazione di una regione di preplasma antistante il bersaglio che può rendere più efficace l’accelerazione dei protoni. Vengono dunque introdotti nel primo capitolo i concetti e le tecniche base per studiare a livello teorico e numericamente le interazioni laser-plasma. Nel secondo capitolo sono trattati analiticamente alcuni meccanismi di accelerazione di ioni. Nel terzo ed ultimo capitolo vengono descritti gli effetti di preplasma ed esposti risultati di simulazioni PIC volte a trovare i parametri ottimali per ottenere ioni più energetici.

Accrescimento di Bondi con electron scattering per buchi neri al centro di galassie

Il modello di Bondi rappresenta il modello di accrescimento più semplice, in quanto studia l'accrescimento su un BH isolato immerso in una distribuzione di gas infinita. In questa semplice trattazione puramente idrodinamica vengono trascurati molti aspetti importanti, come ad esempio il momento angolare, il campo magnetico, gli effetti relativistici, ecc. L'obiettivo di questa Tesi consiste nell'affinare tale modello aggiungendo alcune nuove componenti. In particolare, vogliamo studiare come queste nuove componenti possano influire sul tasso di accrescimento della materia. Dopo una Introduzione (Capitolo 1), nel Capitolo 2 viene presentato il modello di Bondi originale, con lo scopo di ricostruire il procedimento matematico che porta alla soluzione e di verificare il funzionamento del codice numerico scritto per la soluzione dell'equazione di Bondi finale. Tuttavia, il modello di accrescimento sferico stazionario tratta il potenziale gravitazionale di un oggetto puntiforme isolato, mentre in questo lavoro di Tesi si vogliono considerare i BH che si trovano al centro delle galassie. Pertanto, nel Capitolo 3 è stata rivisitata la trattazione matematica del problema di Bondi aggiungendo alle equazioni il potenziale gravitazionale prodotto da una galassia con profilo di densità descritto dal modello di Hernquist. D'altronde, ci si aspetta che l'energia potenziale gravitazionale liberata nell'accrescimento, almeno parzialmente, venga convertita in radiazione. In regime otticamente sottile, nell'interazione tra la radiazione e la materia, domina l'electron scattering, il che permette di estendere in maniera rigorosa la trattazione matematica del problema di Bondi prendendo in considerazione gli effetti dovuti alla pressione di radiazione. Infatti, in un sistema a simmetria sferica la forza esercitata dalla pressione di radiazione segue l'andamento "1/r^2", il che comporta una riduzione della forza gravitazionale della stessa quantità per tutti i raggi. Tale argomento rappresenta l'oggetto di studio del Capitolo 4. L'idea originale alla base di questo lavoro di Tesi, che consiste nell'unire i due modelli sopra descritti (ossia il modello di Bondi con la galassia e il modello di Bondi con feedback radiativo) in un unico modello, è stata sviluppata nel Capitolo 5. Utilizzando questo nuovo modello abbiamo cercato di determinare delle "ricette" per la stima del tasso di accrescimento, da utilizzare nell'analisi dei dati osservativi oppure da considerare nell'ambito delle simulazioni numeriche. Infine, nel Capitolo 6 abbiamo valutato alcune applicazioni del modello sviluppato: come una possibile soluzione al problema di sottoluminosità dei SMBH al centro di alcune galassie dell'universo locale; per la stima della massa del SMBH imponendo la condizione di equilibrio idrostatico; un possibile impiego dei risultati nell'ambito dei modelli semi-analitici di coevoluzione di galassie e SMBH al centro di esse.

Frequency-dependent response of snow in uniaxial compression and comparison with numerical simulation

La determinazione del modulo di Young è fondamentale nello studio della propagazione di fratture prima del rilascio di una valanga e per lo sviluppo di affidabili modelli di stabilità della neve. Il confronto tra simulazioni numeriche del modulo di Young e i valori sperimentali mostra che questi ultimi sono tre ordini di grandezza inferiori a quelli simulati (Reuter et al. 2013)⁠. Lo scopo di questo lavoro è stimare il modulo di elasticità studiando la dipendenza dalla frequenza della risposta di diversi tipi di neve a bassa densità, 140-280 kg m-3. Ciò è stato fatto applicando una compressione dinamica uniassiale a -15°C nel range 1-250 Hz utilizzando il Young's modulus device (YMD), prototipo di cycling loading device progettato all'Istituto per lo studio della neve e delle valanghe (SLF). Una risposta viscoelastica della neve è stata identificata a tutte le frequenze considerate, la teoria della viscoelasticità è stata applicata assumendo valida l'ipotesi di risposta lineare della neve. Il valore dello storage modulus, E', a 100 Hz è stato identificato come ragionevolmente rappresentativo del modulo di Young di ciascun campione neve. Il comportamento viscoso è stato valutato considerando la loss tangent e la viscosità ricavata dai modelli di Voigt e Maxwell. Il passaggio da un comportamento più viscoso ad uno più elastico è stato trovato a 40 Hz (~1.1•10-2 s-1). Il maggior contributo alla dissipazione è nel range 1-10 Hz. Infine, le simulazioni numeriche del modulo di Young sono state ottenute nello stesso modo di Reuter et al.. La differenza tra le simulazioni ed i valori sperimentali di E' sono, al massimo, di un fattore 5; invece, in Reuter et al.⁠, era di 3 ordini di grandezza. Pertanto, i nostri valori sperimentali e numerici corrispondono meglio, indicando che il metodo qui utilizzato ha portato ad un miglioramento significativo.

Cyclotron production of 11^C: experimental assessment of saturation yield and validation with Monte Carlo simulation

Nell'ambito della Fisica Medica, le simulazioni Monte Carlo sono uno strumento sempre più diffuso grazie alla potenza di calcolo dei moderni calcolatori, sia nell'ambito diagnostico sia in terapia. Attualmente sono disponibili numerosi pacchetti di simulazione Monte Carlo di carattere "general purpose", tra cui Geant4. Questo lavoro di tesi, svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico "S.Orsola-Malpighi", è basato sulla realizzazione, utilizzando Geant4, di un modello Monte Carlo del target del ciclotrone GE-PETtrace per la produzione di C-11. Nel modello sono stati simulati i principali elementi caratterizzanti il target ed il fascio di protoni accelerato dal ciclotrone. Per la validazione del modello sono stati valutati diversi parametri fisici, tra i quali il range medio dei protoni nell'azoto ad alta pressione e la posizione del picco di Bragg, confrontando i risultati con quelli forniti da SRIM. La resa a saturazione relativa alla produzione di C-11 è stata confrontata sia con i valori forniti dal database della IAEA sia con i dati sperimentali a nostra disposizione. Il modello è stato anche utilizzato per la stima di alcuni parametri di interesse, legati, in particolare, al deterioramento dell'efficienza del target nel corso del tempo. L'inclinazione del target, rispetto alla direzione del fascio di protoni accelerati, è influenzata dal peso del corpo del target stesso e dalla posizione in cui questo é fissato al ciclotrone. Per questo sono stati misurati sia il calo della resa della produzione di C-11, sia la percentuale di energia depositata dal fascio sulla superficie interna del target durante l'irraggiamento, al variare dell'angolo di inclinazione del target. Il modello che abbiamo sviluppato rappresenta, dunque, un importante strumento per la valutazione dei processi che avvengono durante l'irraggiamento, per la stima delle performance del target nel corso del tempo e per lo sviluppo di nuovi modelli di target.

Parallelizzazione e rinormalizzazione numerica

I processori multi core stanno cambiando lo sviluppo dei software in tutti i settori dell'informatica poiché offrono prestazioni più elevate con un consumo energetico più basso. Abbiamo quindi la possibilità di una computazione realmente parallela, distribuita tra i diversi core del processore. Uno standard per la programmazione multithreading è sicuramente OpenMP, il quale si propone di fornire direttive semplici e chiare per lo sviluppo di programmi su sistemi a memoria condivisa, fornendo un controllo completo sulla parallelizzazione. Nella fisica moderna spesso vengono utilizzate simulazioni al computer di sistemi con alti livelli di complessità computazionale. Si ottimizzerà un software che utilizza l'algoritmo DMRG (Density Matrix Renormalization Group), un algoritmo che consente di studiare reticoli lineari di sistemi a molti corpi, al fine di renderlo più veloce nei calcoli cercando di sfruttare al meglio i core del processore. Per fare ciò verrà utilizzata l'API OpenMP, che ci permetterà in modo poco invasivo di parallelizzare l'algoritmo rendendo così più veloce l'esecuzione su architetture multi core.

Studio e ottimizzazione dell'aerodinamica della vettura Astura

Studio del coefficiente di resistenza aerodinamica, della potenza aerodinamica e del comportamento in caso di raffica di vento laterale, su un modello del restyling della vettura Astura, disegnato in SolidWorks. Attraverso le simulazioni in una galleria del vento fittizia realizzata in Flow Simulation si è ottenuta la resistenza aerodinamica del modello. Da questa è stato possibile ottenere il valore del coefficiente di resistenza e la potenza aerodinamica assorbita. Il coefficiente di resistenza è stato confrontato con quello di veicoli presenti sul mercato. Si è poi studiato il comportamento della vettura in caso di raffica laterale, ricorrendo all'ellisse di aderenza degli pneumatici e verificando che la stabilità con raffiche fino a 150 km/h non venga compromessa. Lo stesso stuido è stato fatto nel caso in cui si inizi una frenata sempre sotto l'influenza di una raffica laterale; si è visto che, al fine di non perdere aderenza, lo spazio di frenata deve aumentare. Si è quindi calcolato lo spazio minimo necessario per la frenata, in presenza di una raffica di 150 km/h, senza che si verifichi una perdita di aderenza.

The gas mass fraction and the dynamical state in x-ray luminous clusters of galaxies at low redshift

Gli ammassi di galassie sono le strutture gravitazionalmente legate con le più profonde buche di potenziale, pertanto è previsto che questi contengano una frazione di barioni non molto diversa da quella cosmologica. Con l’introduzione di modelli sempre più accurati di fisica barionica all’interno di simulazioni idrodinamiche è stato possibile predire la percentuale cosmica di barioni presente negli ammassi di galassie. Unendo questi modelli previsionali con misure della frazione di gas in ammassi e informazioni sulla densità di barioni dell’Universo si può ottenere una stima della densità di materia cosmica Ωm. L'obiettivo di questo lavoro di Tesi è la stima di Ωm a partire dalla frazione di gas osservata in questi sistemi. Questo lavoro era stato già fatto in precedenza, ma tenendo in considerazione solo gli ammassi più massivi e dinamicamente rilassati. Usando parametri che caratterizzano la morfologia della distribuzione di brillanza superficiale nei raggi X, abbiamo classificato i nostri oggetti come rilassati o disturbati, laddove presentassero evidenze di recenti attività di interazione. Abbiamo dunque valutato l’impatto degli oggetti disturbati sulla stima del parametro cosmologico Ωm, computando il Chi2 tra la frazione di massa barionica nell’Universo e quella da noi ricavata. Infine abbiamo investigato una relazione tra il valore della frazione di gas degli ammassi rilassati e quello dei disturbati, in modo da correggere quindi questi ultimi, riportandoli nei dintorni del valore medio per i rilassati e usarli per ampliare il campione e porre un vincolo più stringente su Ωm. Anche con il limitato campione a nostra disposizione, è stato possibile porre un vincolo più stretto su Ωm, utilizzando un maggior numero di oggetti e riducendo così l’errore statistico.

Fenomeni di interazione audio-visiva in soggetti sani e in soggetti autistici: analisi mediante rete neurale

Negli ultimi anni, studi scientifici hanno evidenziato come il nostro sistema nervoso abbia la capacità di combinare e integrare informazioni di diversa natura sensoriale. Una interazione ampiamente studiata è quella audiovisiva. Oggetto principale di questa tesi è un esempio di interazione audiovisiva, ovvero un fenomeno illusorio visivo indotto dal suono che prende il nome “sound-induced flash illusion”: quando una coppia flash+beep è preceduta o seguita - ad una distanza temporale detta Stimulus Onset Asynchorny (SOA) - da un secondo beep, i soggetti spesso riportano la percezione di aver visto due flash. Il fenomeno illusorio tende a svanire al crescere dell’SOA, e si definisce “finestra temporale d’integrazione” l’intervallo di valori di SOA all’interno del quale si verifica l’illusione. Il fenomeno illusorio è presente anche nei soggetti autistici; questi, rispetto ai soggetti sani, presentano una maggiore propensione nel riportare l’illusione e una finestra temporale d’integrazione di durata maggiore. Obiettivo di questo lavoro è stato approfondire questi fenomeni di interazione mediante l’utilizzo di un modello di rete neurale precedentemente sviluppato dal gruppo di Bioingegneria dell’Università di Bologna. Tale modello era in grado di simulare il fenomeno illusorio, ma presentava il limite di non considerare l’intera finestra temporale in cui tale fenomeno si verifica. Un’analisi di sensitività del modello ha individuato quali variazioni dei parametri potessero spiegare l’illusione in un ampio intervallo temporale e interpretare le differenze tra soggetti sani e soggetti autistici. I risultati delle simulazioni hanno evidenziato un soddisfacente accordo con i dati di letteratura. Le analisi svolte possono contribuire a chiarire i meccanismi alla base del fenomeno illusorio e della finestra temporale in cui esso ha luogo e a fare luce sulle possibili alterazioni nelle singole aree cerebrali e nella interazione tra esse che possono interpretare le differenze osservate nei soggetti autistici rispetto ai sani.

Metodi matematici per lo sviluppo di una nuova distanza genetica per inferire eventi demografici da dati di sequenziamento di popolazioni umane

La tesi individua un metodo matematico per inferire alcuni eventi demografici relativi a popolazioni umane, attraverso l’analisi di dati, reali e simulati, e con strumenti di statistica e analisi numerica (Cluster Analysis, Analisi Discriminate, Analisi della varianza, Interpolazione).

Analisi del processo di estrusione di leghe leggere con il software Qform: validazione e previsione della microstruttura

Il gruppo di tecnologie e sistemi di lavorazione del Dipartimento di Ingegneria Industriale, D.I.N, dell’Università di Bologna ha compiuto in collaborazione con il Dipartimento IUL della TU di Dortmund, negli ultimi anni, due campagne sperimentali effettuando processi di estrusione di leghe di alluminio. Nella prima, utilizzando leghe AA6060 e il metodo della visioplasticità, sono stati raccolti dati volti a ricavare le condizioni di attrito di tali processi, tramite confronto con valori ottenuti in simulazioni agli elementi finiti. Nella seconda, utilizzando invece una lega AA6082, è stata valutata la microstruttura al fine di permettere, tramite programmi agli elementi finiti, la determinazione di correlazioni fra variabili che prevedano la dimensione della microstruttura della lega stessa a seguito di lavorazioni per deformazione plastica. Basandosi quindi su queste prove sperimentali e utilizzando il software “QuantorForm versione 7.2.4”, è stato svolto il lavoro di tesi finalizzato a conseguire i seguenti obiettivi: • individuare il modello di attrito che si sviluppa nei processi di estrusione analizzati per la lega di alluminio AA6060; • determinare i parametri di settaggio ottimale del software, confrontando i risultati ottenuti nelle simulazioni con quelli sperimentali; • determinare le curve che descrivono la dimensione di un grano cristallino di AA6082 in funzione della deformazione; • implementare come subroutine in Qform, tramite l’utilizzo del linguaggio “Lua”, il modello di microstruttura ottenuto.