Efficient ultrasonic signal processing techniques for aided medical diagnostics

Ultrasound imaging is widely used in medical diagnostics as it is the fastest, least invasive, and least expensive imaging modality. However, ultrasound images are intrinsically difficult to be interpreted. In this scenario, Computer Aided Detection (CAD) systems can be used to support physicians during diagnosis providing them a second opinion. This thesis discusses efficient ultrasound processing techniques for computer aided medical diagnostics, focusing on two major topics: (i) Ultrasound Tissue Characterization (UTC), aimed at characterizing and differentiating between healthy and diseased tissue; (ii) Ultrasound Image Segmentation (UIS), aimed at detecting the boundaries of anatomical structures to automatically measure organ dimensions and compute clinically relevant functional indices. Research on UTC produced a CAD tool for Prostate Cancer detection to improve the biopsy protocol. In particular, this thesis contributes with: (i) the development of a robust classification system; (ii) the exploitation of parallel computing on GPU for real-time performance; (iii) the introduction of both an innovative Semi-Supervised Learning algorithm and a novel supervised/semi-supervised learning scheme for CAD system training that improve system performance reducing data collection effort and avoiding collected data wasting. The tool provides physicians a risk map highlighting suspect tissue areas, allowing them to perform a lesion-directed biopsy. Clinical validation demonstrated the system validity as a diagnostic support tool and its effectiveness at reducing the number of biopsy cores requested for an accurate diagnosis. For UIS the research developed a heart disease diagnostic tool based on Real-Time 3D Echocardiography. Thesis contributions to this application are: (i) the development of an automated GPU based level-set segmentation framework for 3D images; (ii) the application of this framework to the myocardium segmentation. Experimental results showed the high efficiency and flexibility of the proposed framework. Its effectiveness as a tool for quantitative analysis of 3D cardiac morphology and function was demonstrated through clinical validation.

Sviluppo di un sistema tomografico con tubo a raggi x da 300 kv: progettazione e test preliminari.

In questo elaborato sono descritti la progettazione e lo sviluppo di un sistema tomografico con sorgente di raggi X da 300 kV per analisi nel campo dei Beni Culturali; in particolare sono stati effettuati test preliminari sia per verificare le prestazioni del tubo a raggi X e dello schermo scintillatore sia per avere indicazioni utili alla progettazione (e conseguente costruzione) del box di rivelazione. Il collaudo della sorgente di raggi X è stato eseguito con lo studio dell'andamento della dose integrale e/o del rateo di dose in funzione della tensione, della corrente e del tempo d'irraggiamento. La caratterizzazione dello schermo scintillatore di CsI(Tl) è basata sul confronto delle sue caratteristiche con uno schermo analogo di spessore differente nelle stesse condizioni sperimentali, attraverso lo studio dei parametri standard dei dispositivi per imaging, quali la curva di risposta, il rapporto segnale-rumore e la risoluzione spaziale. Inoltre, come ulteriore test, lo schermo scintillatore è stato utilizzato per l’indagine tomografica di alcuni pani di terra contenenti olle di epoca villanoviana. Per la progettazione del box rivelatore sono state invece svolte misure di tipo ottico. I vari test svolti in laboratorio hanno dato risultati positivi e hanno dimostrato la validità dei componenti scelti per il nuovo sistema tomografico, il cui assemblaggio verrà completato a breve, essendo stata ultimata proprio in queste settimane la costruzione del box di rivelazione.

Valutazione della relazione tra composizione corporea e stili di vita in soggetti di età scolare

Il lavoro svolto in questa tesi si propone di valutare la variabilità della composizione corporea nell’infanzia e nell’adolescenza, con particolare attenzione alla transizione dalla prima alla seconda, in relazione allo stato nutrizionale ed agli stili di vita. Lo studio è stato condotto eseguendo misure antropometriche presso scuole primarie e secondarie di Bologna. Sono stati analizzati inoltre dati acquisiti a partire dal 2004. Il campione analizzato comprende 3546 soggetti di età compresa tra 6 anni e 14 anni. In particolare sono state analizzate le principali misurazioni utili per il calcolo della composizione corporea, evidenziando i parametri antropometrici principali quali BMI, circonferenza vita, WHR, %F e FFM. Questi caratteri sono stati quindi messi in relazione con le informazioni inerenti l’attività sportiva extrascolastica e gli stili di vita dei soggetti esaminati. L’analisi trasversale delle principali caratteristiche antropometriche ha fornito un interessante panorama della situazione italiana e del nord Italia; lo studio longitudinale delle variabili antropometriche permette di ottenere un quadro aggiornato dei principali incrementi delle misure corporee. La valutazione della variabilità della composizione corporea in relazione all’attività sportiva e allo stile di vita durante il processo di accrescimento ha indicato come abitudini sane e propensione all’attività motoria sono sicuramente in grado di apportare miglioramenti nella modificazione della composizione corporea nel processo evolutivo specialmente se somministrate con modalità adeguate all’età e alle esigenze individuali. Questi aspetti sono certamente rilevanti e complessi, sarebbe infatti interessante in prospettiva futura riuscire ad indagare ancora più dettagliatamente sull’interazione tra i fattori che determinano e modificano la composizione corporea in un periodo della vita così particolare come la transizione dall’infanzia all’adolescenza.

Metodi euristici per il Vehicle Routing Problem

Il problema della consegna di prodotti da un deposito/impianto ai clienti mediante una flotta di automezzi è un problema centrale nella gestione di una catena di produzione e distribuzione (supply chain). Questo problema, noto in letteratura come Vehicle Routing Problem (VRP), nella sua versione più semplice consiste nel disegnare per ogni veicolo disponibile presso un dato deposito aziendale un viaggio (route) di consegna dei prodotti ai clienti, che tali prodotti richiedono, in modo tale che (i) la somma delle quantità richieste dai clienti assegnati ad ogni veicolo non superi la capacità del veicolo, (ii) ogni cliente sia servito una ed una sola volta, (iii) sia minima la somma dei costi dei viaggi effettuati dai veicoli. Il VRP è un problema trasversale ad una molteplicità di settori merceologici dove la distribuzione dei prodotti e/o servizi avviene mediante veicoli su gomma, quali ad esempio: distribuzione di generi alimentari, distribuzione di prodotti petroliferi, raccolta e distribuzione della posta, organizzazione del servizio scuolabus, pianificazione della manutenzione di impianti, raccolta rifiuti, etc. In questa tesi viene considerato il Multi-Trip VRP, in cui ogni veicolo può eseguire un sottoinsieme di percorsi, chiamato vehicle schedule (schedula del veicolo), soggetto a vincoli di durata massima. Nonostante la sua importanza pratica, il MTVRP ha ricevuto poca attenzione in letteratura: sono stati proposti diversi metodi euristici e un solo algoritmo esatto di risoluzione, presentato da Mingozzi, Roberti e Toth. In questa tesi viene presentato un metodo euristico in grado di risolvere istanze di MTVRP in presenza di vincoli reali, quali flotta di veicoli non omogenea e time windows. L’euristico si basa sul modello di Prins. Sono presentati inoltre due approcci di local search per migliorare la soluzione finale. I risultati computazionali evidenziano l’efficienza di tali approcci.

Modelli semplificati per valutazione di vulnerabilità sismica di strutture in muratura

L'obiettivo della tesi è stato quello di indagare il complesso problema della vulnerabilità sismica dei ponte in muratura ad arco utilizzando modelli semplificati. Dopo una descrizione dei materiali da costruzione impiegati nella realizzazione e dei principali elementi dei un ponti in muratura, si è indirizzato lo studio di un ponte ad arco situato nel comune di San Marcello Pistoiese. Viene mostrato un modello numerico che permette di descrivere il comportamento strutturale del ponte sotto azione sismica e di valutare la capacità di carico del ponte sottoposto ad una azione trasversale. In un secondo momento viene descritta la realizzazione di un modello in scala del ponte, che è stato sottoposto a prove distruttive effettuate per valutare la capacità di carico del ponte rispetto ad un ipotetica azione orizzontale. Si è cercato poi di inquadrare il problema in un modello teorico che faccia riferimento all'analisi limite. Esso descrive un cinematismo di collasso a telaio che prende spunto dal quadro fessurativo del modello in muratura. Infine sono stati presentati modelli FEM numerici in ordine di complessità crescente, cercando di inquadrare il comportamento meccanico del prototipo del ponte. Tre tipi di modelli sono rappresentati: un telaio incernierato alle estremità costituito da elementi beam con resistenza alla flessione . Il secondo tipo è costituito da una reticolare equivalente che mima lo schema del ponte ed è formato solo da bielle. Infine, il terzo tipo cerca di descrivere l'intero modello con elementi tridimensionali.

Determinazione sperimentale della minima attivita rivelabile dei calibratori di attivita dei radionuclidi

I calibratori di attività dei radionuclidi sono strumenti fondamentali per la pratica diagnostica e terapeutica in Medicina Nucleare. Il loro ruolo principale è quello di quantificare accuratamente l’attività dei radiofarmaci somministrata ai pazienti, vengono pertanto progettati per avere una accuratezza di misura ottimale per attività relativamente alte. Lo scopo di questo studio è stato quello di determinare il livello di minima attività rivelabile (o Minimum Detectable Activity, MDA) di diversi modelli di calibratori di attività, al fine di estendere l’utilizzo di questi strumenti ad altre applicazioni. E’ stata quindi eseguita un’estesa campagna di misure sperimentali sui principali modelli di calibratori commercialmente distribuiti. Le modalità di misura della MDA sviluppate sono basate su un adattamento delle tecniche di riferimento per altri tipi di strumenti; tali tecniche, non solo rispondono all’obiettivo immediato, ma hanno permesso di dimostrare che è possibile una determinazione generalizzata della MDA di questa classe di apparecchiature. I risultati che verranno presentati sono stati ottenuti con una metodologia indipendente dal tipo di apparecchiatura e sono basati su misurazioni che possono essere replicate in ogni laboratorio.

Travi in parete sottile con deformabilità a taglio e distorsione di sezione: formulazione teorica, modellazione numerica e applicazioni

Il presente lavoro di tesi ha riguardato una riformulazione teorica, una modellazione numerica e una serie di applicazioni della Generalized Beam Theory per lo studio dei profili in parete sottile con particolare riguardo ai profili in acciaio formati a freddo. In particolare, in questo lavoro è proposta una riscrittura della cinematica GBT che introduce in una forma originale la deformabilità a taglio della sezione. Tale formulazione consente di conservare il formato della GBT classica e introducendo uno spostamento di warping variabile lungo lo spessore della generica parete della sezione trasversale, garantisce perfetta coerenza tra la componente flessionale e tagliante della trave. E' mostrato, come tale riscrittura consente in maniera agevole di ricondursi alle teorie classiche di trave, anche deformabili a taglio. Inoltre, in tale contesto, è stata messa a punto una procedura di ricostruzione dello sforzo tridimensionale in grado ricostruire la parte reattiva delle componenti di tensioni dovuta al vincolamento interno proprio di un modello a cinematica ridotta. Sulla base di tali strumenti, è stato quindi proposto un approccio progettuale dedicato ai profili in classe 4, definito ESA (Embedded Stability Analysis), in grado di svolgere le verifiche coerentemente con quanto prescritto dalle normative vigenti. Viene infine presentata una procedura numerica per la progettazione di sistemi di copertura formati a freddo. Tale procedura permette di effettuare in pochi semplici passi il progetto dell'arcareccio e dei dettagli costruttivi relativi alla copertura.

Non-evolutive pattern recognition techniques: An application in medical image diagnostics

Lo studio dell’intelligenza artificiale si pone come obiettivo la risoluzione di una classe di problemi che richiedono processi cognitivi difficilmente codificabili in un algoritmo per essere risolti. Il riconoscimento visivo di forme e figure, l’interpretazione di suoni, i giochi a conoscenza incompleta, fanno capo alla capacità umana di interpretare input parziali come se fossero completi, e di agire di conseguenza. Nel primo capitolo della presente tesi sarà costruito un semplice formalismo matematico per descrivere l’atto di compiere scelte. Il processo di “apprendimento” verrà descritto in termini della massimizzazione di una funzione di prestazione su di uno spazio di parametri per un ansatz di una funzione da uno spazio vettoriale ad un insieme finito e discreto di scelte, tramite un set di addestramento che descrive degli esempi di scelte corrette da riprodurre. Saranno analizzate, alla luce di questo formalismo, alcune delle più diffuse tecniche di artificial intelligence, e saranno evidenziate alcune problematiche derivanti dall’uso di queste tecniche. Nel secondo capitolo lo stesso formalismo verrà applicato ad una ridefinizione meno intuitiva ma più funzionale di funzione di prestazione che permetterà, per un ansatz lineare, la formulazione esplicita di un set di equazioni nelle componenti del vettore nello spazio dei parametri che individua il massimo assoluto della funzione di prestazione. La soluzione di questo set di equazioni sarà trattata grazie al teorema delle contrazioni. Una naturale generalizzazione polinomiale verrà inoltre mostrata. Nel terzo capitolo verranno studiati più nel dettaglio alcuni esempi a cui quanto ricavato nel secondo capitolo può essere applicato. Verrà introdotto il concetto di grado intrinseco di un problema. Verranno inoltre discusse alcuni accorgimenti prestazionali, quali l’eliminazione degli zeri, la precomputazione analitica, il fingerprinting e il riordino delle componenti per lo sviluppo parziale di prodotti scalari ad alta dimensionalità. Verranno infine introdotti i problemi a scelta unica, ossia quella classe di problemi per cui è possibile disporre di un set di addestramento solo per una scelta. Nel quarto capitolo verrà discusso più in dettaglio un esempio di applicazione nel campo della diagnostica medica per immagini, in particolare verrà trattato il problema della computer aided detection per il rilevamento di microcalcificazioni nelle mammografie.

La tutela penale ambientale e la nozione di rifiuto fra istanze soprannazionali ed approdi nostrani

Metodi di misurazione e implicazioni dell'albuminuria e della proteinuria nel cane

La proteinuria è un marker di danno renale nel cane. L’obiettivo dello studio è di valutare la capacità del dipstick urinario e dell’UPC di diagnosticare precocemente l’albuminuria nel cane. Sono stati raccolti 868 campioni di urina, con sedimento spento e assenza di ematuria, nell’Ospedale Didattico Veterinario della Facoltà di Medicina Veterinaria di Bologna. Per 550 campioni è stata effettuata l’analisi delle urine, la misurazione dell’UPC e dell’UAC, mentre UPC e UAC sono stati misurati in tutti gli 868 campioni. I campioni di urina sono stati analizzati con il metodo dipstick mediante lettura automatizzata. Utilizzando come valore di riferimento l’UAC è stata valutata l’accuratezza diagnostica del dipstick urinario e dell’UPC. L’intervallo di riferimento dell’UAC (0-0,024) è stato determinato utilizzando 60 cani sani. I dati raccolti sono stati classificati utilizzando differenti cut-off per il peso specifico urinario (1012 o 1030), per la proteinuria al dipstick (30 o 100 mg/dl), per l’UPC (0,2) e per l’UAC (0,024). Sono stati valutati l’agreement diagnostico e la correlazione di Spearman tra dipstick, UPC e UAC. E’ stata stimata l’accuratezza diagnostica misurando l’area al di sotto della curva di ROC nell’analisi dell’UAC. Il livello di significatività è stato definito per p < 0,05. Indipendentemente dal peso specifico urinario, l’agreement diagnostico tra dipstick, UPC e UAC è risultato forte (k=0,62 e k=0,61, rispettivamente; p<0,001) con valori di dipstick ≥30 mg/dl, debole (k=0,27 e k=0,26, rispettivamente; p<0,001) con valori di dipstick ≥100 mg/dl. L’accuratezza diagnostica del dipstick messa a confronto con UPC e con UAC è molto buona (AUC 0,84 e 0,84, rispettivamente; p<0,001) e i risultati negativi al dipstick presentano il 100% di sensitività. UPC e UAC sono fortemente correlate (r=0,90; p<0,001). Mettendo a confronto UPC e UAC, l’accuratezza diagnostica è risultata eccellente (AUC 0,94; p<0,001), con massima sensitività e specificità per UPC≥0.3.

Implementazione di protocolli automatici per la caratterizzazione di microchip mediante interfaccia labview

Uno dei principali passi della catena di produzione di circuiti integrati è quello di testare e valutare una serie di chip campione per verificare che essi rientrino nei valori e nelle specifiche scelte. Si tratta di un passaggio molto importante che determina le caratteristiche del prodotto nella realtà, mostrando le proprie capacità o i propri limiti, permettendo così di valutare un’eventuale produzione su larga scala. Ci permette inoltre di stimare quali dei chip rispetto agli altri presi in esame è migliore in alcuni aspetti, oppure quale risulta più lontano dalle specifiche volute. Il lavoro alle spalle di questa tesi è proprio questo: si è cercato di caratterizzare un microchip chiamato Carbonio, nato nei laboratori della II Facoltà di Ingegneria di Cesena, creando un banco di misura automatico, tramite l’ausilio del software Labview e di una scheda hardware realizzata ad hoc, che desse la possibilità di eseguire alcuni test consecutivi su ogni singolo circuito integrato in modo da caratterizzarlo estrapolando tutte le informazioni cercate e verificandone il funzionamento. Tutti i valori estratti sono stati poi sottoposti a una breve analisi statistica per stabilire per esempio quale circuito integrato fosse meno immune ai disturbi dovuti al rumore elettrico oppure per eseguire un’indagine al fine di vedere come i valori dei parametri scelti si disponessero rispetto ai lori rispettivi valori medi.

Principi di funzionamento della pet/tc e campi applicativi

Una delle aree di maggiore innovazione nella diagnostica per immagini è rappresentata dalla possibilità di fondere le scansioni PET e TC in un sistema di acquisizione ibrido che realizza entrambi gli studi in un'unica seduta. Questa tecnica abbina infatti la capacità di raccogliere le immagini ad alta definizione della TC che può essere eseguita anche con il mezzo di contrasto tradizionale, con informazioni metaboliche estremamente dettagliate raccolte dalla PET, unificandole in un sistema di immagini ibride. Attualmente la PET ha un preminente utilizzo in campo oncologico, tanto che circa l’80% degli esami effettuati è mirato a monitorare la risposta dei pazienti a trattamenti contro il cancro e a discriminare o caratterizzare lesioni dubbie evidenziate in studi morfologici effettuati con CT e MRI. Oltre all’ambito delle patologie neoplastiche, le tecniche di imaging PET/CT hanno dimostrato una importanza rilevante anche in applicazioni di cardiologia e neurologia.

Emodinamica e nuove tecniche di imaging cardiaco

Lavoro di tesi che mette a confronto una tecnica affermata nel campo della diagnostica cardiaca, come la coronarografia e il cateterismo cardiaco, con tecniche di ultima generazione quali cardio-TC e cardio-RM.

Caratterizzazione biomolecolare delle neoplasie lipomatose

Tra i liposarcomi, il tumore lipomatoso atipico/liposarcoma ben differenziato e il liposarcoma dedifferenziato rappresentano i sottotipi più frequenti. Spesso è difficile distinguere questi tumori da altri con caratteristiche morfologiche simili. Da un punto di vista citogenetico sono caratterizzati dalla presenza di cromosomi soprannumerari giganti e cromosomi ad anello costituiti principalmente da sequenze amplificate della regione 12q13-15. In questa regione mappano numerosi geni tra cui il gene MDM2 (murine double minute-2). La caratterizzazione molecolare di tali sottotipi diventa estremamente importante sia a fini diagnostici sia per un corretto indirizzo terapeutico, soprattutto oggi, dopo l’introduzione nella pratica clinica di terapie biologiche mirate (targeted therapies). Nel presente studio viene analizzato il ruolo dell’analisi FISH per la valutazione dello status di MDM2 nelle neoplasie lipomatose e per stabilire se questo marcatore possa essere utilizzato nella diagnosi differenziale di questi tumori. Sebbene questo studio confermi l’utilità diagnostica dell’amplificazione di MDM2 nella diagnosi del tumore lipomatoso atipico/liposarcoma ben differenziato ed il liposarcoma dedifferenziato, questo marcatore potrebbe avere in futuro anche una più ampia applicazione. Data la recente introduzione degli inibitori selettivi di MDM2 tale ricerca risulta importante non solo a fini diagnostici ma anche per la selezione dei pazienti che potranno in futuro beneficiare del trattamento con tali inibitori. Questo studio è stato effettuato anche per analizzare la rilevanza biologica del percorso che vede coinvolto il gene AKT nel liposarcoma ben differenziato e dedifferenziato e per stabilire se questo percorso possa rappresentare un utile bersaglio terapeutico in questi tumori. I dati ottenuti dimostrano che AKT è espresso ed attivato in tutti i casi di tumore lipomatoso atipico/liposarcoma ben differenziato e liposarcoma dedifferenziato.

Cognitive radio in sistemi di comunicazione satellitari

La tesi descrive alcune applicazioni in ambito satellitare delle tecniche di radio cognitiva. In particolare si analizza la loro possibile implementazione in uno scenario dual-satellite in banda Ka nel quale l'utente primario si avvale dello standard DVB-S2 per la trasmissione. A seguire la verifica delle performance degli algoritmi di spectum sensing per la detection del segnale primario attraverso simulazioni in ambiente matlab con curve ROC e curve di probabilità di detection in funzione del rapporto segnale rumore.