Un nuovo modello computazionale di fibra di Purkinje umana: dal modello medio alla popolazione di modelli e ritorno.

Il lavoro presentato in questa tesi è stato svolto presso il Department of Computer Science, University of Oxford, durante il mio periodo all’estero nel Computational Biology Group. Scopo del presente lavoro è stato lo sviluppo di un modello matematico del potenziale d’azione per cellule umane cardiache di Purkinje. Tali cellule appartengono al sistema di conduzione elettrico del cuore, e sono considerate molto importanti nella genesi di aritmie. Il modello, elaborato in linguaggio Matlab, è stato progettato utilizzando la tecnica delle Popolazione di Modelli, un innovativo approccio alla modellazione cellulare sviluppato recentemente proprio dal Computational Biology Group. Tale modello è stato sviluppato in 3 fasi: • Inizialmente è stato sviluppato un nuovo modello matematico di cellula umana del Purkinje cardiaco, tenendo in considerazione i modelli precedenti disponibili in letteratura e le più recenti pubblicazioni in merito alle caratteristiche elettrofisiologiche proprie della cellula cardiaca umana di Purkinje. Tale modello è stato costruito a partire dall’attuale gold standard della modellazione cardiaca ventricolare umana, il modello pubblicato da T. O’Hara e Y. Rudy nel 2011, modificandone sia le specifiche correnti ioniche che la struttura interna cellulare. • Il modello così progettato è stato, poi, utilizzato come “modello di base” per la costruzione di una popolazione di 3000 modelli, tramite la variazione di alcuni parametri del modello all’interno di uno specifico range. La popolazione così generata è stata calibrata sui dati sperimentali di cellule umane del Purkinje. A valle del processo di calibrazione si è ottenuta una popolazione di 76 modelli. • A partire dalla popolazione rimanente, è stato ricavato un nuovo modello ai valori medi, che riproduce le principali caratteristiche del potenziale d’azione di una cellula di Purkinje cardiaca umana, e che rappresenta il dataset sperimentale utilizzato nel processo di calibrazione.

La termografia come strumento per la caratterizzazione costruttiva delle pareti murarie: un'esperienza di laboratorio condotta su un modello dal vero

Il lavoro svolto si concentra sulla termografia attiva e su come essa possa essere usata come tecnica diagnostica non distruttiva. La sperimentazione ha visto la realizzazione di un modello di prova consisntente in una porzione di muro a forma di c costituito da mattoni pieni, intonacato solo su un lato. Attraverso il riscaldamento della porzione intonacata e tramite l'utilizzo di termocoppie sono state monitorate le temperature superficiali interne ed esterne e dell'ambiente interno ed esterno. In fase di raffreddamento il monitoraggio è stato implementato dalle riprese termografiche effettuate ad istanti di tempo regolari, riprendendo la superficie intonacata e riscaldata. Elaborando le immagini è stato possibile individuare sia la tessitura muraria che la discontinuità inserita in fase di costruzione. Per avere una verifica è stato realizzato, tramite un software, un modello bidimensionale dell'elemento studiato, ed è stato studiato il raffreddamento in condizioni dinamiche. Si osserva che i risultati ottenuti sono qualitativamente opposti a quelli riscontrati dalle immagini della sperimentazione, uno dei motivo può essere attribuito all'alta tridimensionalità del problema reale che il modello non tiene in considerazione.

Il nuovo modello di calcolo CEN per la determinazione dell'isolamento acustico degli edifici: analisi critica e applicazione ad un caso studio.

L'obiettivo del presente studio è l'indagine del comportamento acustico di edifici in legno, vista la loro crescente diffusione in Italia. Il lavoro analizza le potenzialità del nuovo metodo trattato nell'aggiornamento della normativa UNI EN 12354 e si propone come caso di sperimentazione del nuovo modello di calcolo per la valutazione prestazionale acustica di un edificio in legno. A supporto dell'analisi della normativa, viene presentato il caso studio di un edificio residenziale in legno che presenta tutti gli elementi oggetto di discussione nello sviluppo normativo. La validazione del modello di calcolo è stata effettuata tramite il confronto dei risultati ottenuti con i dati raccolti precedentemente da misurazioni in opera sull'edificio in esame.

Il modello di argomentazione di Toulmin nell’attivitá matematica degli studenti di scuola secondaria

Lo studio decritto in questo progetto di tesi ha avuto origine dalla volontà di analizzare l’atteggiamento di studenti di scuola superiore di I e II grado rispetto alla richiesta di fornire argomentazioni, di giustificare affermazioni o risultati ottenuti in ambito matematico. L’analisi quantitativa dei dati ottenuti sottoponendo gli studenti ad un questionario costituito da quesiti scelti in ambiti differenti tra le prove Invalsi ha evidenziato che solo una parte (36% per le superiori di I grado, 59% per le superiori di II grado) degli studenti che hanno risposto correttamente ai quesiti, è stata in grado di argomentare la risposta. L’analisi è stata a questo punto approfondita sulla base del modello di Toulmin e delle componenti del processo di argomentazione da lui descritte. Si è valutato per ogni argomentazione in quale o quali delle componenti toulminiane si sia concentrato l’errore. Ogni argomentazione considerata errata può infatti contenere errori differenti che possono riguardare una soltanto, diverse o tutte e quattro le componenti di Backing, Warrant, Data e Conclusion. L’informazione che ne è emersa è che nella maggioranza dei casi il fatto che uno studente di scuola superiore non riesca ad argomentare adeguatamente un’affermazione dipende dal richiamo errato di conoscenze sull'oggetto dell'argomentazione stessa ("Warrant" e "Backing"), conoscenze che dovrebbero supportare i passi di ragionamento. Si è infine condotta un’indagine sul terreno logico e linguistico dei passi di ragionamento degli studenti e della loro concatenazione, in modo particolare attraverso l’analisi dell’uso dei connettivi linguistici che esprimono e permettono le inferenze, e della padronanza logica delle concatenazioni linguistiche. Si è osservato per quanto riguarda le scuole superiori di I grado, che le difficoltà di argomentazione dovute anche a scarsa padronanza del linguaggio sono circa l’8% del totale; per le scuole superiori di II grado questa percentuale scende al 6%.

Utilizzo del modello Calpuff per la valutazione della qualità dell'aria da emissioni odorigene da un impianto per la lavorazione di semi oleosi

Il presente elaborato di tesi si concretizza in un inquadramento generale relativo alle emissioni odorigene: cosa sono, i riferimenti normativi, come si misurano. Si è poi fatto riferimento a un caso reale, ovvero un impianto operante nella lavorazione dei semi oleosi che ha subito una modifica della propria configurazione impiantistica. Le emisisoni odorigene sono state modellate, mediante l'utilizzo del software Calpuff, in relazione a due stati: prima e dopo la modifica. Questo ha permesso di fare un confronto in termini di impatto sull'ambiente.

Validazione del modello di film fluido implementato in OpenFOAM

Le prestazioni dei motori a combustione interna sono fortemente influenzate dalla formazione di un film fluido, a seguito dell'impatto di uno spray con una parete. Nell'ottica di favorire la formazione della miscela e di ridurre le emissioni, lo studio approfondito di tale fenomeno deve essere supportato da un processo di simulazione assistita dal calcolatore. Pertanto, la Fluidodinamica Computazionale (Computational Fluid Dynamics, CFD) ed i modelli ad essa associati rappresentano al giorno d'oggi uno strumento vantaggioso e sempre più utilizzato. In questo ambito si colloca il presente lavoro di tesi, che si propone di validare il modello di film fluido implementato nel software OpenFOAM-2.3.0, confrontando i risultati ottenuti, in termini di altezza del film fluido, con quelli del caso sperimentale di Le Coz et al.

Elaborazione di un modello di simulazione per una rete di trasporto multi-modale

Questo lavoro di tesi si prefigge l’obiettivo di simulare il trasporto di organi destinati a trapianto sul territorio nazionale italiano. Lo scopo della simulazione è mettere in luce le criticità e le eventuali soluzioni alternative in modo da raggiungere un duplice obiettivo: la certezza di portare a compimento il trasporto da un ospedale ad un altro entro i tempi clinici necessari affinché l’organo sia ancora utilizzabile e la riduzione dei costi del trasporto, che negli ultimi anni si sono rivelati elevati a causa del ricorso frequente a voli di Stato. Nella prima parte del lavoro viene delineato il problema e le necessità di ottimizzazione della rete, dopodiché si illustra il modello creato per simulare la situazione di as-is ed infine si espone il modello da utilizzare in futuro, dove si prevedono i tempi futuri di percorrenza. Per la modellazione della situazione attuale sono stati utilizzati due livelli di dettaglio diversi, uno che si basa sulla suddivisione dei trapianti in ingresso e uscita da una regione specifica e uno che approfondisce ulteriormente la rete modellando gli spostamenti di città in città. I modelli predittivi presentati sono due, uno che considera tempi predittivi deterministici e uno che considera tempi stocastici. Dopo ciascuna modellazione vengono esposti i risultati e le statistiche più significative; vengono infine messi in evidenza gli aspetti critici e gli sviluppi futuri della simulazione. Il software scelto per creare e simulare il trasporto degli organi sulla rete è Arena.

Simulazione di finger tapping attraverso un modello neurale

Il seguente elaborato ha lo scopo di analizzare, attraverso modelli neuro-computazionali, le possibili alterazioni delle risposte in pazienti con malattia di Parkinson, sia indotte da alterazioni del livello di dopamina, sia indotte da modificazioni sinaptiche. Il punto chiave per comprendere i sintomi di PD e il loro deterioramento temporale si deve cercare nel rapporto tra l'attività dei neuroni in BG (in particolare nello striato) e i livelli di dopamina (o levodopa) nel cervello. Di conseguenza, l'obiettivo di questo elaborato è quello di quantificare la connessione tra i livelli di levodopa e performance del finger tapping per mezzo di modelli biologici e simulazioni al computer.

II nuovo modello di Contratto di ricerca industriale

Sintesi del Documento: si intende fornire un modello di contratto di ricerca industriale che, sebbene non voglia essere completamente esaustivo, data la vastità della materia, possa comunque essere utilizzato come un valido strumento di lavoro a supporto delle attività di ricerca del Dipartimento e dei suoi Istituti afferenti.

Analisi delle problematiche ambientali dello stabilimento siderurgico ILVA e parziale valutazione dell’impatto delle sue emissioni in atmosfera attraverso il modello CALPUFF

Il presente lavoro di tesi riguarda lo studio di un modello di stima delle emissioni per la previsione della contaminazione ambientale in aria. Il lavoro è stato svolto all’interno del DICAM dell’Università di Bologna attraverso il supporto del relatore Giacomo Antonioni e dei correlatori Ada Saracino e Gigliola Spadoni. L’applicazione modellistica, attraverso l’uso del software CALPUFF, ha trattato le emissioni del camino E312 della sezione Agglomerazione dello stabilimento siderurgico ILVA di Taranto nell’anno 2015. Gli inquinanti simulati sono quelli per i quali lo SME fornisce il flusso di massa: SO2, NOx, PM. Le polveri sono state considerate completamente costituite da polveri PM10 e per esse si è calcolata la concentrazione al suolo e la deposizione. A partire dai risultati per le polveri, ipotizzando che siano in parte veicolati da esse, sono state valutate anche le concentrazioni e le deposizioni di Diossine. Della configurazione modellistica “ottimale” sono stati presentati: ▪ Per i macroinquinanti le medie annue di concentrazione al suolo, e quindi, la dispersione degli inquinanti. ▪ Per i microinquinanti i valori massimi di concentrazione annua e di deposizione ottenuti nell’area di studio. Nel caso in esame, lo studio è stato riferito alla rete deposimetrica di gestione ILVA (per mancanza di dati deposimetrici della rete di gestione ARPA). In particolare è stato preso in considerazione il deposimetro del quartiere Tamburi a fronte delle criticità rilevate nei mesi di Novembre 2014 e Febbraio 2015, tale per cui, visti gli elevatissimi valori di deposizione, vista la notevole importanza che i dati deposimetrici hanno rispetto al rischio sanitario per ingestione, è stata aperta un’indagine della procura che ha affidato l’analisi a ARPA PUGLIA congiunta con l’ISPRA (che ne ha mandato ministeriale) e la Regione Puglia. A fronte di tali episodi, il seguente studio ha voluto fornire un resoconto deposimetrico per l’anno 2015.

Il passaggio dalla Business Intelligence all'Advanced Analytics: individuazione e analisi di un modello in merito all'influenza del lobbying nel sistema economico

I Big Data stanno guidando una rivoluzione globale. In tutti i settori, pubblici o privati, e le industrie quali Vendita al dettaglio, Sanità, Media e Trasporti, i Big Data stanno influenzando la vita di miliardi di persone. L’impatto dei Big Data è sostanziale, ma così discreto da passare inosservato alla maggior parte delle persone. Le applicazioni di Business Intelligence e Advanced Analytics vogliono studiare e trarre informazioni dai Big Data. Si studia il passaggio dalla prima alla seconda, mettendo in evidenza aspetti simili e differenze.

Slow waves in un modello di crescita tumorale

In questo elaborato ho analizzato un sistema di reazione-diffusione proposto come modello per descrivere un fenomeno di crescita tumorale. In particolare, è stato approfondito il processo in cui l'invasione neoplastica è originata dalla produzione di un eccesso di ioni acidi da parte delle cellule maligne. Il sistema preso in esame descrive l'andamento di tre grandezze: la concentrazione di tessuto sano, la concentrazione di tessuto maligno e l'eccesso di ioni acidi. Ho quindi cercato soluzioni compatibili con il sistema le quali fossero funzioni della tipologia travelling waves, ossia onde che si propagano lungo l'asse reale con un grafico fissato e ad una velocità costante. I risultati ottenuti in questo lavoro sono stati così suddivisi: nel Capitolo 1 viene descritto il processo di invasione tumorale dal punto di vista biologico, nel Capitolo 2 vengono forniti alcuni lemmi e proposizioni preliminari, nel Capitolo 3 viene calcolata un'approssimazione della soluzione del sistema tramite onde del tipo slow waves e infine nel Capitolo 4 sono state studiate la presenza e la larghezza dello spazio interstiziale, ossia di una regione situata tra il tessuto sano e quello neoplastico nella quale si registra una concentrazione di cellule, sia normali sia maligne, praticamente nulla. Infine, sono state rappresentate graficamente le soluzioni in tre possibili situazioni caratterizzate da un diverso parametro di aggressività del tumore.

Il modello di Hopfield: un'applicazione del modello di Ising alle reti neurali

Il Modello di Hopfield è un tentativo di modellizzare il comportamento di una memoria associativa come proprietà emergente di un network costituito da unità a due stati interagenti tra loro, e costituisce un esempio di come gli strumenti della meccanica statistica possano essere applicati anche al campo delle reti neurali. Nel presente elaborato viene esposta l'analogia tra il Modello di Hopfield e il Modello di Ising nel contesto delle transizioni di fase, applicando a entrambi i modelli la teoria di campo medio. Viene esposta la dinamica a temperatura finita e ricavata e risolta l'equazione di punto a sella per il limite di non saturazione del Modello di Hopfield. Vengono inoltre accennate le principali estensioni del Modello di Hopfield.

Modello stocastico per la plasticità sinaptica

Nel sistema nervoso centrale i neuroni comunicano l'uno con l'altro attraverso le connessioni sinaptiche e sono soggetti a centinaia di stimoli, ma hanno la capacità di distinguerli l'uno dall'altro. L'abilità delle sinapsi di interpretare questi cambiamenti morfologici e biochimici è detta \textit{plasticità sinaptica} e l'obiettivo di questa tesi è proprio studiare un modello per le dinamiche di questo affascinante processo, da un punto di vista prima deterministico e poi stocastico. Infatti le reazioni che inducono la plasticità sinaptica sono ben approssimate da equazioni differenziali non lineari, ma nel caso di poche molecole bisogna tener conto delle fluttuazioni e quindi sono necessari dei metodi di analisi stocastici. Nel primo capitolo, dopo aver introdotto gli aspetti fondamentali del sistema biochimico coinvolto e dopo aver accennato ai diversi studi che hanno approcciato l'argomento, viene illustrato il modello basato sull'aggregazione delle proteine (PADP) volto a spiegare la plasticità sinaptica. Con il secondo capitolo si introducono i concetti matematici che stanno alla base dei processi stocastici, strumenti utili per studiare e descrivere la dinamica dei sistemi biochimici. Il terzo capitolo introduce una giustificazione matematica riguardo la modellizzazione in campo medio e vede una prima trattazione del modello, con relativa applicazione, sui moscerini. Successivamente si applica il modello di cui sopra ai mammiferi e se ne studia nel dettaglio la dinamica del sistema e la dipendenza dai parametri di soglia che portano alle varie transizioni di fase che coinvolgono le proteine. Infine si è voluto osservare questo sistema da un punto di vista stocastico inserendo il rumore di Wiener per poi confrontare i risultati con quelli ottenuti dall'approccio deterministico.

Creazione e validazione del modello fluidodinamico di un ventilatore centrifugo e possibili ottimizzazioni.

La seguente tesi nasce dall’esigenza di ottimizzare, da un punto di vista acustico e prestazionale, un ventilatore centrifugo preesistente in azienda. Nei primi tre capitoli si è analizzato il problema da un punto di vista teorico, mentre nel terzo e quarto capitolo da un punto di vista computazionale sfruttando tecniche CFD. Nel primo capitolo è stata fatta una trattazione generale dei ventilatori centrifughi, concentrandosi sul tipo di problematiche a cui questi vanno incontro. Nel secondo capitolo è stata presentata la teoria che sta alla base di una rilevazione sperimentale e di un’analisi acustica. Unitamente a ciò sono stati riportati alcuni articoli che mostrano tecniche di ottimizzazione acustica in ventilatori centrifughi. Nel terzo capitolo è stata riassunta la teoria alla base della fluidodinamica e di uno studio fluidodinamico. Nel quarto capitolo viene spiegato come è stato creato il modello fluidodinamico. Si è optato per un’analisi del problema in stato stazionario, sfruttando il Moving Reference Frame, e considerando l’aria come incomprimibile, visto il ridotto numero di Mach. L’analisi acustica è stata effettuata nel post-processing sfruttando il modello di Proudman. Infine è stata dimostrata la correlazione che intercorre tra i tre punti della curva resistente del ventilatore di funzionamento reale, permettendo di estendere i risultati ricavati dalla analisi di uno di questi agli altri due. Nel quinto capitolo è stata effettuata un’analisi dei risultati ottenuti dalle simulazioni fluidodinamiche e sono state proposte diverse modifiche della geometria. La modifica scelta ha visto un miglioramento delle prestazioni e una minore rumorosità. Infine sono state proposte nelle conclusioni ulteriori possibili strade da percorre per un’indagine e ottimizzazione del ventilatore più accurata.