Studio e sviluppo di tecniche automatiche per la valutazione di massa e volumi del ventricolo sinistro in risonanza magnetica cardiaca

La risonanza magnetica cardiaca è una tecnica di imaging non invasiva, in quanto non necessita l’uso di radiazioni ionizzanti, caratterizzata da un’elevata risoluzione spaziale e che permette acquisizioni in 4-D senza vincoli di orientazione. Grazie a queste peculiarità, la metodica della risonanza magnetica ha mostrato la sua superiorità nei confronti delle altre tecniche diagnostiche ed è riconosciuta come il gold standard per lo studio della fisiologia e fisiopatologia della pompa cardiaca. Nonostante la potenza di questi vantaggi, esistono ancora varie problematiche che, se superate, potrebbero probabilmente migliorare ulteriormente la qualità delle indagini diagnostiche. I software attualmente utilizzati nella pratica clinica per le misure del volume e della massa ventricolare richiedono un tracciamento manuale dei contorni dell’endocardio e dell’epicardio per ciascuna fetta, per ogni frame temporale del ciclo cardiaco. Analogamente avviene per il tracciamento dei contorni del tessuto non vitale. In questo modo l’analisi è spesso qualitativa. Di fatti, la necessità dell’intervento attivo dell’operatore rende questa procedura soggettiva e dipendente dall’esperienza, provocando un’elevata variabilità e difficile ripetibilità delle misure intra e inter operatore, oltre ad essere estremamente dispendiosa in termini di tempo, a causa dell’elevato numero di immagini da analizzare. La disponibilità di una tecnica affidabile per il tracciamento automatico dei contorni dell’endocardio e dell’epicardio consente di superare queste limitazioni ed aumentare l’accuratezza e la ripetibilità delle misure di interesse clinico, quali dimensione, massa e curve di volume ventricolari. Lo scopo di questa tesi è di sviluppare e validare una tecnica di segmentazione automatica che consenta l’identificazione e la quantificazione di cicatrici nel miocardio, a seguito di infarto cardiaco. Il lavoro è composto da due tappe principali. Inizialmente, è presentato un metodo innovativo che permette, in via totalmente automatica, di tracciare in modo accurato e rapido i contorni dell’endocardio e dell’epicardio nel corso dell’intero ciclo cardiaco. Successivamente, l’informazione sulla morfologia cardiaca ricavata nella prima fase è utilizzata per circoscrivere il miocardio e quantificare la transmuralità dell’infarto presente in pazienti ischemici.

Generatore di entropia basato su dinamica caotica con interfaccia usb

È impossibile implementare sorgenti autenticamente casuali su hardware digitale. Quindi, storicamente, si è fatto ampio uso di generatori di numeri pseudo-casuali, evitando così i costi necessari per la progettazione di hardware analogico dedicato. Tuttavia, le sorgenti pseudo-casuali hanno proprietà (riproducibilità e periodicità) che si trasformano in vulnerabilità, nel caso in cui vengano adottate in sistemi di sicurezza informatica e all’interno di algoritmi crittografici. Oggi la richiesta di generatori di numeri autenticamente casuali è ai suoi massimi storici. Alcuni importanti attori dell’ICT sviluppato proprie soluzioni dedicate, ma queste sono disponibili solo sui sistemi moderni e di fascia elevata. È quindi di grande attualità rendere fruibili generatori autenticamente casuali per sistemi già esistenti o a basso costo. Per garantire sicurezza e al tempo stesso contenere i costi di progetto è opportuno pensare ad architetture che consentano di riusare parti analogiche già disponibili. Particolarmente interessanti risultano alcune architetture che, grazie all’utilizzo di dinamiche caotiche, consentono di basare buona parte della catena analogica di elaborazione su ADC. Infatti, tali blocchi sono ampiamente fruibili in forma integrata su architetture programmabili e microcontrollori. In questo lavoro, si propone un’implementazione a basso costo ed elevata flessibilità di un architettura basata su un ADC, inizialmente concepita all’Università di Bologna. La riduzione di costo viene ottenuta sfruttando il convertitore già presente all’interno di un microcontrollore. L’elevata flessibilità deriva dal fatto che il microcontrollore prescelto mette a disposizione una varietà di interfacce di comunicazione, tra cui quella USB, con la quale è possibile rendere facilmente fruibili i numeri casuali generati. Quindi, l’intero apparato comprende solo un microcontrollore e una minima catena analogica di elaborazione esterna e può essere interfacciato con estrema facilità ad elaboratori elettronici o sistemi embedded. La qualità della proposta, in termini di statistica delle sequenze casuali generate, è stata validata sfruttando i test standardizzati dall’U.S. NIST.

La circolarita' delle idee nel pensiero medico bolognese: la Societa' Medica Chirurgica in Epoca Pontificia

La tesi di Dottorato, saldamente ancorata alle Medical Humanities, si è concentrata sul modo in cui la storia della letteratura italiana si intreccia con le altre discipline, per arrivare a configurare quell’ampio panorama di storia delle idee che aiuta a valutare l’evoluzione stessa delle credenze e dei pensieri dell’uomo nel corso del tempo. Essa ha contribuito a portare alla luce l’apporto dato dalla Società Medica Chirurgica di Bologna in Epoca Pontificia alla circolarità del pensiero medico, ricordando con forza che le varie correnti storico-mediche non sono appunto il semplice susseguirsi di teorie più o meno esatte. La tesi rende pienamente visibili non solo la struttura e le dinamiche della comunicazione scientifica, ma documenta attraverso la letteratura (anche quella scientifica) la presenza della medicina e delle sue pratiche all’interno della società, soffermandosi sui meccanismi, sui percorsi che legano i fenomeni tra loro; viene declinato anche il complesso e travagliato processo teso a ridefinire la figura del medico durante l’epoca del dominio pontificio nel suo declino, circondata da diffidenze e ostilità. Il fulcro della tesi è dato dalla dimostrazione inconfutabile che esiste ancora un ruolo per la cultura umanistica nella formazione del medico.

Studio preliminare di flusso attorno ad un pantografo per treno ad alta velocità

In questo elaborato di tesi viene presentata la comparazione tra due codici CFD, rispettivamente Fluent e OpenFOAM, mediante simulazioni che sono alla base di uno studio numerico di flusso attorno ad un pantografo per treno ad alta velocità. Si è apprezzato quindi la facilità d’uso di un software venduto tramite licenza e la difficoltà di un software open source come OpenFOAM, il quale però ha vantaggi in termini di adattamento ai casi più specifici. Sono stati quindi studiati due casi, scambio termico in regime laminare attorno ad un cilindro bidimensionale e flusso turbolento completamente sviluppato in un canale. Tutte le simulazioni numeriche hanno raggiunto convergenza e sono state validate positivamente mediante confronto con dati sperimentali. Il primo caso prevede un cilindro investito da un flusso a temperatura minore rispetto alla temperatura della superficie del cilindro; per avere più riscontri, sono state condotte diverse prove a valori differenti del numero di Prandtl, e per ogni simulazione è stato ricavato il corrispettivo numero di Nusselt, successivamente comparato con i dati sperimentali per la validazione delle prove. A partire dalla creazione della griglia di calcolo, è stato effettuato uno studio del fenomeno in questione, creando così una griglia di calcolo sviluppata a valle del cilindro avente maggior densità di celle a ridosso della parte del cilindro. In aggiunta, svolgendo le prove con schemi numerici sia del primo che del secondo ordine, si è constatata la miglior sensibilità degli schemi numerici del secondo ordine rispetto a quelli del primo ordine. La seconda tipologia di simulazioni consiste in un flusso turbolento completamente sviluppato all’interno di un canale; sono state svolte simulazioni senza e con l’uso delle wall functions, e quindi usate griglie di calcolo differenti per i due tipi di simulazioni, già disponibili per entrambi i software. I dati ottenuti mostrano uno sforzo computazionale maggiore per le simulazioni che non prevedono l’uso delle wall functions, e quindi una maggiore praticità per le simulazioni con le wall functions. Inoltre, le simulazioni di questo secondo caso sono state svolte con diversi modelli di turbolenza; in Fluent sono stati utilizzati i modelli k-ε e RSM mentre in OpenFOAM è stato utilizzato solo il modello k-ε in quanto il modello RSM non è presente. La validazione dei risultati è affidata alla comparazione con i dati sperimentali ricavati da Moser et all mediante simulazioni DNS, mettendo in risalto la minor accuratezza delle equazioni RANS.

Two-Dimensional Bin Packing Problem with Guillotine Restrictions

This thesis, after presenting recent advances obtained for the two-dimensional bin packing problem, focuses on the case where guillotine restrictions are imposed. A mathematical characterization of non-guillotine patterns is provided and the relation between the solution value of the two-dimensional problem with guillotine restrictions and the two-dimensional problem unrestricted is being studied from a worst-case perspective. Finally it presents a new heuristic algorithm, for the two-dimensional problem with guillotine restrictions, based on partial enumeration, and computationally evaluates its performance on a large set of instances from the literature. Computational experiments show that the algorithm is able to produce proven optimal solutions for a large number of problems, and gives a tight approximation of the optimum in the remaining cases.

Robust Nonlinear Output Regulation by Identification Tools

The present thesis focuses on the problem of robust output regulation for minimum phase nonlinear systems by means of identification techniques. Given a controlled plant and an exosystem (an autonomous system that generates eventual references or disturbances), the control goal is to design a proper regulator able to process the only measure available, i.e the error/output variable, in order to make it asymptotically vanishing. In this context, such a regulator can be designed following the well known “internal model principle” that states how it is possible to achieve the regulation objective by embedding a replica of the exosystem model in the controller structure. The main problem shows up when the exosystem model is affected by parametric or structural uncertainties, in this case, it is not possible to reproduce the exact behavior of the exogenous system in the regulator and then, it is not possible to achieve the control goal. In this work, the idea is to find a solution to the problem trying to develop a general framework in which coexist both a standard regulator and an estimator able to guarantee (when possible) the best estimate of all uncertainties present in the exosystem in order to give “robustness” to the overall control loop.

Studio anatomico dei muscoli della spalla e del braccio in Pernis apivorus, Accipiter gentilis ed Accipiter nisus

Recentemente, vari ricercatori si sono concentrati sulle proprietà funzionali dei muscoli, sulla meccanica e sulla cinematica legata al volo, ma senza la possibilità di consultare un’adeguata letteratura poiché assente o incompleta. Si è quindi ritenuto utile studiare la miologia della regione della spalla e del braccio di specie non in precedenza esaminate e che mostrassero differenti stili di volo, al fine di creare una base di informazioni per futuri studi funzionali. Tutte le specie prese in esame sono membri della famiglia degli Accipitridae e nello specifico si sono selezionati: il Falco pecchiaiolo (Pernis apivorus Linnaeus, 1758), l’Astore comune (Accipiter gentilis Linnaeus, 1758) e lo Sparviero eurasiatico (Accipiter nisus Linnaeus, 1758). Questi animali attuano stili di volo differenti e sono stati pertanto scelti per capire se diverse performance di volo potessero indurre una differenziazione dell’apparato muscolare. La comparazione dei dati raccolti durante questo studio con quelli presenti in letteratura in altre specie aviarie ha evidenziato che, mentre alcuni muscoli non sembrano andare incontro a grandi modificazioni nei rapaci, altri invece presentano una grande eterogeneità. In particolare, grazie alle caratteristiche dei diversi muscoli, si è potuto raggruppare questi ultimi in base a possibili funzioni comuni: a) muscoli che concorrono a stabilizzare l’ala rispetto al tronco e che assorbono le forze generate durante il volo; b) muscoli con possibile ruolo nel controllo della rotazione dell’omero; c) muscoli con possibile funzione propriocettiva. Il presente studio ha inoltre evidenziato, nei muscoli esaminati, alcune similitudini e molteplici peculiarità anatomiche non precedentemente segnalate in letteratura. Si ritiene che questo studio macroscopico possa rappresentare un punto di partenza per futuri studi microscopici o elettrofisiologici, a dimostrazione dell’importanza della dissezione quale primo strumento di indagine.

Mathematical Optimization Applied to Thermal and Electrical Energy Systems

This Thesis aims at building and discussing mathematical models applications focused on Energy problems, both on the thermal and electrical side. The objective is to show how mathematical programming techniques developed within Operational Research can give useful answers in the Energy Sector, how they can provide tools to support decision making processes of Companies operating in the Energy production and distribution and how they can be successfully used to make simulations and sensitivity analyses to better understand the state of the art and convenience of a particular technology by comparing it with the available alternatives. The first part discusses the fundamental mathematical background followed by a comprehensive literature review about mathematical modelling in the Energy Sector. The second part presents mathematical models for the District Heating strategic network design and incremental network design. The objective is the selection of an optimal set of new users to be connected to an existing thermal network, maximizing revenues, minimizing infrastructure and operational costs and taking into account the main technical requirements of the real world application. Results on real and randomly generated benchmark networks are discussed with particular attention to instances characterized by big networks dimensions. The third part is devoted to the development of linear programming models for optimal battery operation in off-grid solar power schemes, with consideration of battery degradation. The key contribution of this work is the inclusion of battery degradation costs in the optimisation models. As available data on relating degradation costs to the nature of charge/discharge cycles are limited, we concentrate on investigating the sensitivity of operational patterns to the degradation cost structure. The objective is to investigate the combination of battery costs and performance at which such systems become economic. We also investigate how the system design should change when battery degradation is taken into account.

Fault detection, diagnosis and active fault tolerant control for a satellite attitude control system

Modern control systems are becoming more and more complex and control algorithms more and more sophisticated. Consequently, Fault Detection and Diagnosis (FDD) and Fault Tolerant Control (FTC) have gained central importance over the past decades, due to the increasing requirements of availability, cost efficiency, reliability and operating safety. This thesis deals with the FDD and FTC problems in a spacecraft Attitude Determination and Control System (ADCS). Firstly, the detailed nonlinear models of the spacecraft attitude dynamics and kinematics are described, along with the dynamic models of the actuators and main external disturbance sources. The considered ADCS is composed of an array of four redundant reaction wheels. A set of sensors provides satellite angular velocity, attitude and flywheel spin rate information. Then, general overviews of the Fault Detection and Isolation (FDI), Fault Estimation (FE) and Fault Tolerant Control (FTC) problems are presented, and the design and implementation of a novel diagnosis system is described. The system consists of a FDI module composed of properly organized model-based residual filters, exploiting the available input and output information for the detection and localization of an occurred fault. A proper fault mapping procedure and the nonlinear geometric approach are exploited to design residual filters explicitly decoupled from the external aerodynamic disturbance and sensitive to specific sets of faults. The subsequent use of suitable adaptive FE algorithms, based on the exploitation of radial basis function neural networks, allows to obtain accurate fault estimations. Finally, this estimation is actively exploited in a FTC scheme to achieve a suitable fault accommodation and guarantee the desired control performances. A standard sliding mode controller is implemented for attitude stabilization and control. Several simulation results are given to highlight the performances of the overall designed system in case of different types of faults affecting the ADCS actuators and sensors.

L'algoritmo advanced encryption standard (AES)

Descrizione dell'algoritmo crittografico AES, criteri adottati dal NIST per la scelta di AES e considerazioni sulla sua sicurezza.

Absolute Hodge cycles and Deligne's principle b

I cicli di Hodge assoluti sono stati utilizzati da Deligne per dividere la congettura di Hodge in due sotto-congetture. La prima dice che tutte le classi di Hodge su una varietà complessa proiettiva liscia sono assolute, la seconda che le classi assolute sono algebriche. Deligne ha dato risposta affermativa alla prima sottocongettura nel caso delle varietà abeliane. La dimostrazione si basa su due teoremi, conosciuti rispettivamente come Principio A e Principio B. In questo lavoro vengono presentate la teoria delle classi di Hodge assolute e la dimostrazione del Principio B.

Sulla dinamica del corpo rigido: alcuni teoremi fondamentali e l'ellissoide di inerzia

Scopo di questo elaborato è la trattazione del momento di inerzia di un sistema meccanico rispetto ad una retta, con particolare attenzione alla struttura geometrica associata a questa nozione, ovvero all’ellissoide di inerzia. Si parte dalla definizione delle grandezze meccaniche fondamentali, passando per le equazioni cardinali della dinamica, arrivando a dimostrare il teorema di König. Viene poi studiato il momento di inerzia ed evidenziato il suo ruolo importante per la determinazione del momento angolare e dell’energia cinetica: in particolare è emersa la centralità dell’ellissoide d’inerzia. Si conclude con la dimostrazione del teorema di Huyghens e alcuni esempi espliciti di calcolo dell’ellissoide di inerzia.

Studio della fluidodinamica e della reazione chimica in un reattore agitato tramite modellazione cfd

L’attività di tesi è stata rivolta a realizzare l’accoppiamento tra modelli di reazione chimica e modelli di fluidodinamica per una reazione eterogenea solido-liquido in un reattore agitato, in ambito di un codice commerciale di fluidodinamica numerica. Lo studio ha avuto come punto di partenza la definizione e la discretizzazione del dominio di calcolo tramite un apposito programma. Per una trattazione completa, si sono svolti studi preliminari volti ad identificare le incertezze dovute ai metodi numerici e i limiti dovuti alla formulazione dei modelli per la descrizione del sistema. Lo studio si è svolto considerando sistemi di complessità crescente, partendo da simulazioni monofase fino ad arrivare allo studio di diverse soluzioni per sistemi reagenti con reazioni eterogenee solido-liquido. Questi ultimi esempi applicativi sono serviti come verifica del modello sviluppato (dove con modello si è indicato l’insieme dei modelli relativi alla fluidodinamica accoppiati al modello di reazione). Questa attività ha contribuito ad affrontare un problema di simulazione completa e completamente predittiva dei reattori chimici, essendo la letteratura a riguardo limitata, a differenza di quella relativa alle simulazioni puramente fluidodinamiche.

Bitcoin: aspetti tecnici, economici e politici di una crittovaluta

Bitcoin è una moneta digitale decentralizzata e parzialmente anonima. Viene scambiata tramite un software open source che utilizza la crittografia per garantire l'integrità e l'autenticità delle transazioni. Permette di inviare denaro digitale in maniera rapida, sicura ed economica attraverso Internet. La tesi si propone di analizzarne il fenomeno, partendo dalla sua storia fino alle possibili evoluzioni future. Vengono introdotte le basi di crittografia per comprenderne i concetti ed i meccanismi di funzionamento. In seguito viene analizzata l'implementazione del software e vengono discussi i principali vantaggi e criticità. La tesi esplora le possibili conseguenze di una sua adozione dal punto di vista economico e politico, e le innovazioni che potrebbe portare al sistema finanziario. Vengono infine mostrati alcuni esempi di software ispirati a Bitcoin che ne estendono ed ampliano le funzionalità nell'ambito dei sistemi distribuiti.

Matrix Designs and Methods for Secure and Efficient Compressed Sensing

The idea of balancing the resources spent in the acquisition and encoding of natural signals strictly to their intrinsic information content has interested nearly a decade of research under the name of compressed sensing. In this doctoral dissertation we develop some extensions and improvements upon this technique's foundations, by modifying the random sensing matrices on which the signals of interest are projected to achieve different objectives. Firstly, we propose two methods for the adaptation of sensing matrix ensembles to the second-order moments of natural signals. These techniques leverage the maximisation of different proxies for the quantity of information acquired by compressed sensing, and are efficiently applied in the encoding of electrocardiographic tracks with minimum-complexity digital hardware. Secondly, we focus on the possibility of using compressed sensing as a method to provide a partial, yet cryptanalysis-resistant form of encryption; in this context, we show how a random matrix generation strategy with a controlled amount of perturbations can be used to distinguish between multiple user classes with different quality of access to the encrypted information content. Finally, we explore the application of compressed sensing in the design of a multispectral imager, by implementing an optical scheme that entails a coded aperture array and Fabry-Pérot spectral filters. The signal recoveries obtained by processing real-world measurements show promising results, that leave room for an improvement of the sensing matrix calibration problem in the devised imager.