A Phase Space Box-counting based Method for Arrhythmia Prediction from Electrocardiogram Time Series

Arrhythmia is one kind of cardiovascular diseases that give rise to the number of deaths and potentially yields immedicable danger. Arrhythmia is a life threatening condition originating from disorganized propagation of electrical signals in heart resulting in desynchronization among different chambers of the heart. Fundamentally, the synchronization process means that the phase relationship of electrical activities between the chambers remains coherent, maintaining a constant phase difference over time. If desynchronization occurs due to arrhythmia, the coherent phase relationship breaks down resulting in chaotic rhythm affecting the regular pumping mechanism of heart. This phenomenon was explored by using the phase space reconstruction technique which is a standard analysis technique of time series data generated from nonlinear dynamical system. In this project a novel index is presented for predicting the onset of ventricular arrhythmias. Analysis of continuously captured long-term ECG data recordings was conducted up to the onset of arrhythmia by the phase space reconstruction method, obtaining 2-dimensional images, analysed by the box counting method. The method was tested using the ECG data set of three different kinds including normal (NR), Ventricular Tachycardia (VT), Ventricular Fibrillation (VF), extracted from the Physionet ECG database. Statistical measures like mean (μ), standard deviation (σ) and coefficient of variation (σ/μ) for the box-counting in phase space diagrams are derived for a sliding window of 10 beats of ECG signal. From the results of these statistical analyses, a threshold was derived as an upper bound of Coefficient of Variation (CV) for box-counting of ECG phase portraits which is capable of reliably predicting the impeding arrhythmia long before its actual occurrence. As future work of research, it was planned to validate this prediction tool over a wider population of patients affected by different kind of arrhythmia, like atrial fibrillation, bundle and brunch block, and set different thresholds for them, in order to confirm its clinical applicability.

Setup sperimentale per l'analisi di rumore in dispositivi MOSFET di potenza

Progettazione dell'amplificatore, allestimento del banco di misure e misurazione del rumore di drain nei MOSFET di potenza

La nuova porta urbana : intervento urbano sostenibile a Bertinoro.

Oggetto di questa tesi di Laurea è la progettazione di un insediamento sostenibile a Bertinoro (FC), in un’area a sud-ovest del centro urbano, in una posizione strategica per l’arrivo e l’accesso alla città alta. Coerentemente con le indicazioni dell’Amministrazione Comunale, l’intervento comprende la realizzazione di edifici terziari e residenziali, di un parcheggio di attestazione per il borgo di Bertinoro, e la riqualificazione dell’area verde ai piedi delle mura storiche. La progettazione ha adottato un approccio integrato dal punto di vista compositivo e costruttivo, mostrando particolare attenzione ai temi ambientali, assunti come determinanti per ambire ad elevati livelli di benessere per gli abitanti e per i fruitori del nuovo polo urbano. Il progetto affronta due scenari: uno a scala urbana e uno a scala architettonica. Alla scala urbana si è scelto di valorizzare e potenziare il sistema di percorsi pedonali esistenti che consente il collegamento tra le diverse parti della città, valorizzando il paesaggio come risorsa primaria. La definizione delle strategie urbane è stata prioritaria, tenendo in considerazione una gestione sostenibile del territorio. Intervenendo in un luogo caratterizzato da forti pendii – sia naturali sia, in parte, anche artificiali- che rendono difficile la mobilità, la tesi si è posta come obiettivo la riduzione dei flussi veicolari all’interno del centro storico, garantendo nel contempo la completa accessibilità di quest’ultimo attraverso nuovi percorsi di risalita nel verde, che possano incentivare la mobilità pedonale. Questo ha portato ad un studio dei percorsi pedonali di Bertinoro e ad una ricerca sui vari tipi di parcheggio, finalizzata alla definizione della soluzione più adeguata per il luogo. Alla scala architettonica, per assicurare l’integrazione del nuovo intervento con il contesto locale e il territorio, il progetto ha condotto un’approfondita analisi del sito, affrontando lo studio di elementi del contesto sociale, culturale, ambientale e paesaggistico. A questi si è affiancata l'analisi degli aspetti relativi al clima, funzionali alla scelta dell’esposizione e sagoma volumetrica degli edifici. La complessità del progetto è stata quella di dare uguale importanza a dati oggettivi e quantificabili, come orientamento, apporti solari, impianti, senza tralasciare i valori storico-paesaggistici di questi luoghi. La sfida è stata quindi quella di progettare un insediamento urbano con requisiti energetici aventi un impatto ambientale sostenibile. La complessità del progetto è stata quella di dare uguale importanza a dati oggettivi e quantificabili, come orientamento, apporti solari, impianti, senza tralasciare i valori storico-paesaggistici, risorsa fondamentale per questi luoghi. La sfida è stata quindi quella di progettare un insediamento dotato di prestazioni energetiche sensibilmente più elevate rispetto alle soglie stabilite dalla normativa e di riuscire ad integrare nel contesto, con il minor impatto ambientale e percettivo, l’intero insediamento urbano. Per garantire un corretto rapporto tra costruito e contesto urbano si è deciso di utilizzare materiali da rivestimento della tradizione locale, come la pietra e l’intonaco, e di attenuare l’impatto visivo del costruito con l’impiego di coperture verdi che possono restituire, in quota, il suolo occupato dai volumi edificati. Il titolo “la nuova porta urbana” sintetizza l’idea del nostro progetto; un progetto che non si limita all’area d’intervento ma guarda ben oltre cercando un rapporto con la città storica e un legame con essa diventando un nuovo polo funzionale e un nuovo accesso per Bertinoro. Durante tutto il processo progettuale si è operato verificando contestualmente ogni scelta dal punto di vista architettonico, tecnologico ed energetico, puntando ad un progetto che possa essere definito sostenibile a tutte le sue scale: urbana e architettonica. La realizzazione di edifici tecnologicamente efficienti dal punto di vista delle prestazioni energetiche rappresenta la premessa per la formazione di una città più responsabile e rispettosa nei confronti dell’ambiente che la circonda.

The effects of hypocalcemia on spatial alternans and ventricular fibrillation studied with the optical mapping technique

The heart is a wonderful but complex organ: it uses electrochemical mechanisms in order to produce mechanical energy to pump the blood throughout the body and allow the life of humans and animals. This organ can be subject to several diseases and sudden cardiac death (SCD) is the most catastrophic manifestation of these diseases, responsible for the death of a large number of people throughout the world. It is estimated that 325000 Americans annually die for SCD. SCD most commonly occurs as a result of reentrant tachyarrhythmias (ventricular tachycardia (VT) and ventricular fibrillation (VF)) and the identification of those patients at higher risk for the development of SCD has been a difficult clinical challenge. Nowadays, a particular electrocardiogram (ECG) abnormality, “T-wave alternans” (TWA), is considered a precursor of lethal cardiac arrhythmias and sudden death, a sensitive indicator of risk for SCD. TWA is defined as a beat-to-beat alternation in the shape, amplitude, or timing of the T-wave on the ECG, indicative of the underlying repolarization of cardiac cells [5]. In other words TWA is the macroscopic effect of subcellular and celluar mechanisms involving ionic kinetics and the consequent depolarization and repolarization of the myocytes. Experimental activities have shown that TWA on the ECG is a manifestation of an underlying alternation of long and short action potential durations (APDs), the so called APD-alternans, of cardiac myocytes in the myocardium. Understanding the mechanism of APDs-alternans is the first step for preventing them to occur. In order to investigate these mechanisms it’s very important to understand that the biological systems are complex systems and their macroscopic properties arise from the nonlinear interactions among the parts. The whole is greater than the sum of the parts, and it cannot be understood only by studying the single parts. In this sense the heart is a complex nonlinear system and its way of working follows nonlinear dynamics; alternans also, they are a manifestation of a phenomenon typical in nonlinear dynamical systems, called “period-dubling bifurcation”. Over the past decade, it has been demonstrated that electrical alternans in cardiac tissue is an important marker for the development of ventricular fibrillation and a significant predictor for mortality. It has been observed that acute exposure to low concentration of calcium does not decrease the magnitude of alternans and sustained ventricular Fibrillation (VF) is still easily induced under these condition. However with prolonged exposure to low concentration of calcium, alternans disappears, but VF is still inducible. This work is based on this observation and tries to make it clearer. The aim of this thesis is investigate the effect of hypocalcemia spatial alternans and VF doing experiments with canine hearts and perfusing them with a solution with physiological ionic concentration and with a solution with low calcium concentration (hypocalcemia); in order to investigate the so called memory effect, the experimental activity was modified during the way. The experiments were performed with the optical mapping technique, using voltage-sensitive dye, and a custom made Java code was used in post-processing. Finding the Nolasco and Dahlen’s criterion [8] inadequate for the prediction of alternans, and takin into account the experimental results, another criterion, which consider the memory effect, has been implemented. The implementation of this criterion could be the first step in the creation of a method, AP-based, discriminating who is at risk if developing VF. This work is divided into four chapters: the first is a brief presentation of the physiology of the heart; the second is a review of the major theories and discovers in the study of cardiac dynamics; the third chapter presents an overview on the experimental activity and the optical mapping technique; the forth chapter contains the presentation of the results and the conclusions.

Analisi della relazione tra temperamento, stati psicobiosociali e variabili psicofisiche rispetto ai diversi compiti e strategie metodologiche

L’attività fisica produce effetti benefici a livello mentale (Biddle et al.,2004) e sembra agire sull’emozione modificando attitudini e motivazioni verso la pratica motoria (Digelidis et al., 2003) a partire da sensazioni come il piacere o la noia del fare (Spray et al., 1999). Da questi presupposti il progetto che comprendeva l’analisi di due studi volti a verificare gli effetti dell’attività motoria e sportiva in ambito scolastico, sui comportamenti di adattamento sociale e self efficacy dei bambini. Un terzo studio, di analisi qualitativa, in ambito calcistico, per verificare correlazioni tra orientamento motivazionale genitoriale e comportamenti di adattamento sociale dei figli. Gli strumenti di rilevazione dei livelli di adattamento sociale (Caprara et al, 1992) e self efficacy (Colella, 2008), sono stati somministrati prima e dopo il trattamento delle relative attività motorie mentre, l’orientamento motivazionale dei genitori (Borgogni et al, 2004) è stato rilevato una volta e confrontato con l’adattamento sociale dei figli. Il modulatore del primo studio, l’attività ad alto contenuto emotivo o aggressivo, ha mostrato variazioni significative (p<.05) nei livelli di aggressività fisica-verbale e di comportamento pro sociale tra i 2 gruppi, confermando la letteratura sull’argomento (Pellegrini, in Storch e Roth, 2005; Vaughn, 2005; Tappern e Boulton, 2005). Il modulatore del secondo studio, rappresentato dal giocosport rugby, sempre realizzato nelle ore curricolari di educazione fisica, ha evidenziato differenze significative (p<.05) nell’aumentata self efficacy da parte del gruppo sperimentale, con effetto preponderante sulle femmine rispetto ai maschi. Il terzo studio, descrittivo, ha evidenziato la correlazione tra orientamento motivazionale dei genitori e instabilità emotiva dei figli in risposta a profili genitoriali tendenti alla leadership o al successo nell’ambito lavorativo. I risultati evidenziati mostrano effetti significativi (p<.05), successivi al trattamento, sui comportamenti di adattamento sociale, aggressivo e sulla self efficacy a conferma, della letteratura, sull’importanza di determinate esperienze motorie in età scolare.