Imaging Diagnostico utilizzato in neuroradiologia per lo studio degli Aneurismi Cerebrali

Durante la mia tesi mi sono occupata di una grave patologia, l’Aneurisma Cerebrale, che rappresenta una delle principali cause di ospedalizzazione provocando il 10/12% della mortalità globale annua nei paesi industrializzati. In Italia , l’incidenza di aneurismi cerebrali è di 100.000 nuovi casi all’anno. In generale , nei paesi industrializzati, la prevalenza è stimata a circa 600 per 100.000 abitanti . Tuttavia la prevalenza degli aneurismi cerebrali nelle popolazioni in generale , è molto più elevato stimato intorno al 2,3%,il che suggerisce indirettamente che la maggior parte degli aneurismi non va mai incontro a rottura. Negli ultimi vent’anni lo sviluppo della tecnologia ha visto significativi progressi che ci hanno permesso di agire sul problema in modo sempre migliore. Nei primi capitoli ho descritto alcune apparecchiature biomediche che sono di fondamentale importanza nello studio degli aneurismi cerebrali, mettendo in evidenza le varie peculiarità che le contraddistinguono. A seguire, ho parlato del trattamento endovascolare, che consiste nell’esclusione della cavità aneurismatica dal flusso di sangue, il quale viene incanalato in una protesi posizionata all’interno del lume vasale eliminando il rischio di rottura o di embolizzazione di materiale trombotico proveniente dalla sacca aneurismatica. I vantaggi della tecnica endovascolare consistono nella minore invasività rispetto alla tecnica chirurgica standard, la craniotomia. A fronte di ciò, si deduce quanto l’ingegneria biomedica sia una disciplina in evoluzione. Le condizioni di vita delle persone che subiscono questi tipi di interventi sono notevolmente migliorate ottenendo risultati di completa o semi-completa guarigione.

Microwave breast imaging reconstruction

In this thesis I analyzed the microwave tomography method to recognize breast can- cer. I study how identify the dielectric permittivity, the Helmoltz equation parameter used to model the real physic problem. Through a non linear least squares method I solve a problem of parameters identification; I show the theoric approach and the devel- opment to reach the results. I use the Levenberg-Marquardt algorithm, applied on COMSOL software to multiphysic models; so I do numerical proofs on semplified test problems compared to the specific real problem to solve.

Analisi di morfologie carsiche o crio-carsiche in relazione alla mobilizzazione di fluidi nella regione di Arabia Terra, Marte.

This thesis tries to interpret the origin and evolution of karst-like forms present in Arabia Terra, a region of Mars that develops in the equatorial zone of the planet. The work has been carried out specifically in the craters Crommelin (4o 91’ N-10o 51’ E), 12000088 (3o 48’ N-1o 30’ E), NE 12000088 (4° 20’ N-2° 50’ E), C "2" (3° 54’ N-1° W), and in their surrounding areas. These craters contain layered deposits characterized by a high albedo and on which erosion is very pronounced. The area containing the craters is a plateau that has the same characteristics of albedo and texture. The preliminary morphological study has made use of instrumentation such as the Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), in particular HiRISE images (High Resolution Imaging Science Experiment), CTX (Context Camera) and CRISM (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometers for Mars). A regional geomorphological map has been drawn up containing the main morphotypes, and detailed geomorphological maps were prepared for different karst-like morphologies. The analysis of spectral data collected from CRISM instrumentation has allowed to identify the footprint of sulphate minerals in the external area. Data were collected for morphometric negative forms (karst-like) and positive forms (mud volcanoes, dikes and pingos). For the analysis of the relief forms DTMs (Digital Terrain Models) produced by the union of stereographic CTX couples or HiRISE were used. From the analysis of high-resolution images morphological footprints similar to periglacial environments have been identified, including the presence of patterned ground and polygonal cracks found all over the area of investigation, and relief structures similar to pingos present in the crater C "2". These observations allow us to imagine a geological past with a cold climate at the equator able to freeze the few fluids present in the Martian arid terrain. The development of karst-like landforms, on the other hand, can be attributed to a subsequent improval of the weather conditions that led to a normal climate regime for the equatorial areas, resulting in the degradation of the permafrost. The melt waters have thus allowed the partial dissolution of the sulphate layers. The karst-like forms look rather fresh suggesting them to be not that old.

Analisi sperimentale della catena di misura di un sistema di produzione e stoccaggio idrogeno

Eseguire l'analisi della catena di misura di un sistema di produzione e stoccaggio idrogeno risulta fondamentale per la buona riuscita delle prove in quanto evidenzia e mette in risalto eventuali errori dovuti a strumenti presenti in impianto. Ogni strumento di misura facente parte dell’impianto ha i suoi andamenti e le sue tolleranze. Pertanto si è verificata l'affidabilità delle misurazioni eseguite proponendo delle misurazioni aggiuntive necessarie.

Studio del tensore di diffusione per la differenziazione delle strutture renali

La tecnologia della diffusion tensor imaging (DTI) è una tecnica non invasiva, che permette di effettuare una caratterizzazione in vivo di diversi tessuti, è una tecnica consolidata in ambito neurologico e rappresenta una metodica ancora da esplorare ma molto promettente in ambito renale. Questo lavoro di tesi si concentra in primo luogo sulla differenziazione di diverse strutture renali quali, la corteccia e la medulla del rene sano, le cisti del rene affetto dalla malattia policistica autosomica dominante e i carcinomi. La seconda parte del lavoro si concentra sui reni policistici, in quanto è una delle malattie genetiche più comuni e la principale causa di insufficienza renale e non è, ad oggi, stata adeguatamente affrontata in questo genere di studi. Il secondo obiettivo è, quindi, di valutare se la tecnica dell’imaging di diffusione potrebbe essere utile per fornire informazioni sullo stato della malattia e sul grado si avanzamento di essa. Sono stati implementati in Matlab gli algoritmi per la costruzione del tensore di diffusione a partire dalle immagini DWI e per la selezione delle ROI sulle varie regioni di interesse. I risultati ottenuti per l’analisi dei reni policistici dimostrano che per gli intervalli temporali considerati non è possibile correlare il valore di diffusività media del parenchima e lo stadio di avanzamento della malattia, stabilito dai valori di eGFR. Per quanto riguarda i risultati ottenuti dalla differenziazione delle diverse strutture renali la tecnica della diffusion imaging risulta essere potenzialmente in grado di differenziare i diversi tessuti renali e di valutare separatamente la funzionalità dei reni.

Studio e ottimizzazione di un sistema di rigenerazione per pompe di calore ad alta efficienza

Studio e ottimizzazione di un sistema di rigenerazione per pompe di calore ad alta efficienza di concezione innovativa.

Cinematica della corsa con stampelle tramite sensori inerziali: Analisi di soggetti della Nazionale Italiana di Calcio Amputati

L’analisi del movimento umano mira alla raccolta di informazioni quantitative riguardo la meccanica del sistema muscolo-scheletrico durante l’esecuzione di un compito motorio. All’interno di questo contesto, la cinematica del passo rappresenta uno strumento d’indagine tra i più usati. Tra i diversi protocolli di analisi cinematiche si è affermato recentemente l’uso di sensori magnetico-inerziali. Il principale vantaggio di questi dispositivi rispetto alla tecnica tradizionalmente impiegata (la stereofotogrammetria) è che possono essere utilizzati al di fuori di un ambiente di laboratorio, rendendo meno vincolante la scelta del task motorio da analizzare. Lo stato dell’arte offre una molteplicità di studi basati sull’analisi del cammino e della corsa di atleti, professionisti o dilettanti, utilizzando sensori inerziali; nulla, però, è stato dedicato alla corsa con stampelle. In questo lavoro di tesi è stata dunque analizzata la corsa su stampelle di soggetti amputati (in particolare di atleti della Nazionale Italiana di Calcio Amputati). Dalla letteratura sono stati individuati tre metodi, ideati principalmente per la corsa di soggetti normodotati e in questa situazione riadattati per la corsa di soggetti con amputazione/malformazione di un arto inferiore, con i quali è stato possibile ricavare parametri temporali relativi al ciclo del passo; è stato inoltre progettato un nuovo metodo che permette di ricavare parametri temporali della corsa attraverso le fasi delle stampelle. L’elemento che contraddistingue questo studio è la presenza di un gold standard, dato da un riferimento video, con il quale sarà possibile determinare con più affidabilità quale metodo risulti più adeguato per l’analisi di questo tipo di corsa.

Progettazione di un impianto industriale per la satinatura del vetro

In questo lavoro si è cercato di comprendere il processo di satinatura del vetro e la progettazione di un impianto finalizzato a questo scopo. Sono stati analizzati il funzionamento e le problematiche riscontrate cercando di ottimizzare le soluzioni avendo come principi la sicurezza, l'affidabilità e il basso consumo energetico.

Modernizzazione dei sistemi satellitari di posizionamento globale (GNSS)

In questa tesi, sono esposti i sistemi di navigazione che si sono evoluti, parimenti con il progresso scientifico e tecnologico, dalle prime misurazioni della Terra, per opera della civiltà ellenica, circa 2.500 anni fa, sino ai moderni sistemi satellitari e ai mai tramontati sistemi di radionavigazione. I sistemi di navigazione devono rispondere alla sempre maggiore richiesta di precisione, affidabilità, continuità e globalità del servizio, della società moderna. È sufficiente pensare che, attualmente, il solo traffico aereo civile fa volare 5 miliardi di passeggeri ogni anno, in oltre 60 milioni di voli e con un trasporto cargo di 85 milioni di tonnellate (ACI - World Airports Council International, 2012). La quota di traffico marittimo mondiale delle merci, è stata pari a circa 650 milioni di TEU (twenty-foot equivalent unit - misura standard di volume nel trasporto dei container ISO, corrisponde a circa 40 metri cubi totali), nel solo anno 2013 (IAPH - International Association of Ports and Harbors, 2013). Questi pochi, quanto significativi numeri, indicano una evidente necessità di “guidare” questo enorme flusso di aerei e navi in giro per il mondo, sempre in crescita, nella maniera più opportuna, tracciando le rotte adeguate e garantendo la sicurezza necessaria anche nelle fasi più delicate (decollo e atterraggio per gli aeroplani e manovre in porto per le grandi navi). Nello sviluppo della tesi si proverà a capire quali e quanto i sistemi di navigazione possono assolvere al ruolo di “guida” del trasporto aereo e marittimo.

Tomographic 3D reconstruction through linear inversion for breast microwave imaging

In the present thesis we address the problem of detecting and localizing a small spherical target with characteristic electrical properties inside a volume of cylindrical shape, representing female breast, with MWI. One of the main works of this project is to properly extend the existing linear inversion algorithm from planar slice to volume reconstruction; results obtained, under the same conditions and experimental setup are reported for the two different approaches. Preliminar comparison and performance analysis of the reconstruction algorithms is performed via numerical simulations in a software-created environment: a single dipole antenna is used for illuminating the virtual breast phantom from different positions and, for each position, the corresponding scattered field value is registered. Collected data are then exploited in order to reconstruct the investigation domain, along with the scatterer position, in the form of image called pseudospectrum. During this process the tumor is modeled as a dielectric sphere of small radius and, for electromagnetic scattering purposes, it's treated as a point-like source. To improve the performance of reconstruction technique, we repeat the acquisition for a number of frequencies in a given range: the different pseudospectra, reconstructed from single frequency data, are incoherently combined with MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) method which returns an overall enhanced image. We exploit multi-frequency approach to test the performance of 3D linear inversion reconstruction algorithm while varying the source position inside the phantom and the height of antenna plane. Analysis results and reconstructed images are then reported. Finally, we perform 3D reconstruction from experimental data gathered with the acquisition system in the microwave laboratory at DIFA, University of Bologna for a recently developed breast-phantom prototype; obtained pseudospectrum and performance analysis for the real model are reported.

Experimental set up and characterization of a prototype for breast microwave imaging

Nella presente tesi è stato sviluppato un sistema di acquisizione automatico finalizzato allo studio del breast microwave imaging. Le misure sono state eseguite in configurazione monostatica, in cui viene acquisito un segnale da diverse posizioni lungo il perimetro dell’area di indagine. A questo scopo, è stato installato un motore ad alta precisione che permette la rotazione del fantoccio e l’esecuzione automatica delle misure da un numero di posizioni fissato. Per automatizzare il processo di acquisizione, è stato inoltre sviluppato appositamente un software in ambiente LabView. Successivamente, è stata eseguita una intensa sessione di misure finalizzate alla caratterizzazione del sistema sviluppato al variare delle condizioni di misura. Abbiamo quindi utilizzato dei fantocci di tumore di diverse dimensioni e permittività elettrica per studiare la sensibilità della strumentazione in condizione di mezzo omogeneo. Dall’analisi delle ricostruzioni multifrequenza effettuate tramite diversi algoritmi di tipo TR-MUSIC sul range di frequenze selezionato, abbiamo notato che il tumore è ricostruito correttamente in tutti gli scenari testati. Inoltre, abbiamo creato un ulteriore fantoccio per simulare la presenza di una disomogeneità nel dominio di imaging. In questo caso, abbiamo studiato le performances del sistema di acquisizione al variare della posizione del tumore, le cui caratteristiche sono state fissate, e della permittività associata al fantoccio. Dall’analisi dei risultati appare che le performances di ricostruzione sono condizionate dalla presenza della disomogeneità, in modo particolare se il tumore è posizionato all’interno di essa. Infine, abbiamo studiato delle performance di due algoritmi di ricostruzione 3D: uno di essi è basato sulla sovrappo- sizione tomografica e sfrutta metodi di interpolazione, l’altro si basa sull’utilizzo di un propagatore 3D per il dipolo Hertziano in approssimazione scalare.

Confronto di dati volumetrici di neuroimaging RM, acquisiti con differenti sonde a radiofrequenza

Il lavoro di questa tesi si propone di esaminare i dati di immagini cerebrali ricevuti da due differentii bobine RF per l'imaging in risonanza magnetica. La strumentazione utilizzata é: un apparecchio di RMN che utilizza uno scanner a 1.5T (GE Medical System signa HDx 15) e due differenti bobine a radiofrequenza: 1) 8-channel brain phased array coil GE (1.5T HD 8 Channel High Resolution Head Array per il GE HDx MR System); 2) GE Quad HEAD Birdcage Coil. I software utilizzati invece sono stati quattro, due per la segmentazione e la parcellizzazione dei dati dalle acquisizioni di MRI (FSL e Freesurfer), e due per l'analisi dei dati (SPSS e Microsoft Excel). I tool utilizzati di FSL sono stati SIENA, per un'indagine sulla variazione percentile della totalitá del volume cerebrale; SIENAX invece permette una segmentazione di volumi di 6 sotto regioni: sostanza grigia (GREY), sostanza bianca (WHITE), totalitá del cervello (BRAIN), liquor cerebrospinale dei ventricoli (vcsf), scaling volumetrico (vscaling), sostanza grigia periferica (pgrey). Freesurfer invece parcellizza la corteccia cerebrale e segmenta le zone della sostanza grigia profonda cerebrale. Lo scopo ultimo era quello di analizzare come la differenza di segnale acquisito dalle due bobine variasse i risultati delle analisi volumetriche delle immagini e vedere se il t-test evidenziasse variazioni sistematiche. Questa analisi aveva come scopo quello di determinare la possibilità di confrontare i soggetti i cui dati sono stati ottenuti con due bobine differenti. I dati analizzati non hanno evidenziato particolari differenze tra le due bobine, se non per i valori del liquor dei ventricoli che sono risultati variare, verosimilmente, per i processi fisiologici di atrofia della sostanza grigia cerebrale che avvengono nel tempo intercorso tra un'acquisizione e l'altra.

"In vivo" imaging of atherosclerosis

Atherosclerosis is a systemic and multifocal disease, which starts early in life, and that usually takes decades before overt disease eventually appears as a consequence of progressive obstruction or abrupt thrombotic occlusion. This silent course makes necessary to develop predictors of disease long before symptomatic lesions develop. Besides several classical risk factors and new emerging humoral risk predictors, imaging may constitute a formidable diagnostic and prognostic tool in order to identify presence, extension, progression (or regression) of disease as well as vulnerability of atherosclerotic lesions. This review summarizes the rapidly growing clinical and research field in imaging atherosclerosis from different perspectives opening important opportunities for timely detection and treatment of atherosclerosis.

A multivariate approach for processing magnetization effects in triggered event-related functional magnetic resonance imaging time series

Triggered event-related functional magnetic resonance imaging requires sparse intervals of temporally resolved functional data acquisitions, whose initiation corresponds to the occurrence of an event, typically an epileptic spike in the electroencephalographic trace. However, conventional fMRI time series are greatly affected by non-steady-state magnetization effects, which obscure initial blood oxygen level-dependent (BOLD) signals. Here, conventional echo-planar imaging and a post-processing solution based on principal component analysis were employed to remove the dominant eigenimages of the time series, to filter out the global signal changes induced by magnetization decay and to recover BOLD signals starting with the first functional volume. This approach was compared with a physical solution using radiofrequency preparation, which nullifies magnetization effects. As an application of the method, the detectability of the initial transient BOLD response in the auditory cortex, which is elicited by the onset of acoustic scanner noise, was used to demonstrate that post-processing-based removal of magnetization effects allows to detect brain activity patterns identical with those obtained using the radiofrequency preparation. Using the auditory responses as an ideal experimental model of triggered brain activity, our results suggest that reducing the initial magnetization effects by removing a few principal components from fMRI data may be potentially useful in the analysis of triggered event-related echo-planar time series. The implications of this study are discussed with special caution to remaining technical limitations and the additional neurophysiological issues of the triggered acquisition.

Spray characterization under flash boiling conditions of a DI multi-hole injector at high injection pressures in a combustion vessel

Spray characterization under flash boiling conditions was investigated utilizing a symmetric multi-hole injector applicable to the gasoline direct injection (GDI) engine. Tests were performed in a constant volume combustion vessel using a high-speed schlieren and Mie scattering imaging systems. Four fuels including n-heptane, 100% ethanol, pure ethanol blended with 15% iso-octane by volume, and test grade E85 were considered in the study. Experimental conditions included various ambient pressure, fuel temperature, and fuel injection pressure. Visualization of the vaporizing spray development was acquired by utilizing schlieren and laser-based Mie scattering techniques. Time evolved spray tip penetration, spray angle, and the ratio of the vapor to liquid region were analyzed by utilizing digital image processing techniques in MATLAB. This research outlines spray characteristics at flash boiling and non-flash boiling conditions. At flash boiling conditions it was observed that individual plumes merge together, leading to significant contraction in spray angle as compared to non-flash boiling conditions. The results indicate that at flash boiling conditions, spray formation and expansion of vapor region is dependent on momentum exchange offered by the ambient gas. A relation between momentum exchange and liquid spray angle formed was also observed.