Approcci innovativi per future simulazioni HPC verso l'exascale computing con applicazioni alla fisica dei materiali

In questo lavoro di tesi sono state evidenziate alcune problematiche relative alle macchine exascale (sistemi che sviluppano un exaflops di Potenza di calcolo) e all'evoluzione dei software che saranno eseguiti su questi sistemi, prendendo in esame principalmente la necessità del loro sviluppo, in quanto indispensabili per lo studio di problemi scientifici e tecnologici di più grandi dimensioni, con particolare attenzione alla Material Science, che è uno dei campi che ha avuto maggiori sviluppi grazie all'utilizzo di supercomputer, ed ad uno dei codici HPC più utilizzati in questo contesto: Quantum ESPRESSO. Dal punto di vista del software sono state presentate le prime misure di efficienza energetica su architettura ibrida grazie al prototipo di cluster EURORA sul software Quantum ESPRESSO. Queste misure sono le prime ad essere state pubblicate nel contesto software per la Material Science e serviranno come baseline per future ottimizzazioni basate sull'efficienza energetica. Nelle macchine exascale infatti uno dei requisiti per l'accesso sarà la capacità di essere energeticamente efficiente, così come oggi è un requisito la scalabilità del codice. Un altro aspetto molto importante, riguardante le macchine exascale, è la riduzione del numero di comunicazioni che riduce il costo energetico dell'algoritmo parallelo, poiché in questi nuovi sistemi costerà di più, da un punto di vista energetico, spostare i dati che calcolarli. Per tale motivo in questo lavoro sono state esposte una strategia, e la relativa implementazione, per aumentare la località dei dati in uno degli algoritmi più dispendiosi, dal punto di vista computazionale, in Quantum ESPRESSO: Fast Fourier Transform (FFT). Per portare i software attuali su una macchina exascale bisogna iniziare a testare la robustezza di tali software e i loro workflow su test case che stressino al massimo le macchine attualmente a disposizione. In questa tesi per testare il flusso di lavoro di Quantum ESPRESSO e WanT, un software per calcolo di trasporto, è stato caratterizzato un sistema scientificamente rilevante costituito da un cristallo di PDI - FCN2 che viene utilizzato per la costruzione di transistor organici OFET. Infine è stato simulato un dispositivo ideale costituito da due elettrodi in oro con al centro una singola molecola organica.

Visualization and validation of (Q)SAR models

Analyzing and modeling relationships between the structure of chemical compounds, their physico-chemical properties, and biological or toxic effects in chemical datasets is a challenging task for scientific researchers in the field of cheminformatics. Therefore, (Q)SAR model validation is essential to ensure future model predictivity on unseen compounds. Proper validation is also one of the requirements of regulatory authorities in order to approve its use in real-world scenarios as an alternative testing method. However, at the same time, the question of how to validate a (Q)SAR model is still under discussion. In this work, we empirically compare a k-fold cross-validation with external test set validation. The introduced workflow allows to apply the built and validated models to large amounts of unseen data, and to compare the performance of the different validation approaches. Our experimental results indicate that cross-validation produces (Q)SAR models with higher predictivity than external test set validation and reduces the variance of the results. Statistical validation is important to evaluate the performance of (Q)SAR models, but does not support the user in better understanding the properties of the model or the underlying correlations. We present the 3D molecular viewer CheS-Mapper (Chemical Space Mapper) that arranges compounds in 3D space, such that their spatial proximity reflects their similarity. The user can indirectly determine similarity, by selecting which features to employ in the process. The tool can use and calculate different kinds of features, like structural fragments as well as quantitative chemical descriptors. Comprehensive functionalities including clustering, alignment of compounds according to their 3D structure, and feature highlighting aid the chemist to better understand patterns and regularities and relate the observations to established scientific knowledge. Even though visualization tools for analyzing (Q)SAR information in small molecule datasets exist, integrated visualization methods that allows for the investigation of model validation results are still lacking. We propose visual validation, as an approach for the graphical inspection of (Q)SAR model validation results. New functionalities in CheS-Mapper 2.0 facilitate the analysis of (Q)SAR information and allow the visual validation of (Q)SAR models. The tool enables the comparison of model predictions to the actual activity in feature space. Our approach reveals if the endpoint is modeled too specific or too generic and highlights common properties of misclassified compounds. Moreover, the researcher can use CheS-Mapper to inspect how the (Q)SAR model predicts activity cliffs. The CheS-Mapper software is freely available at http://ches-mapper.org.

Algorithmen zur labelfreien quantitativen Proteomanalyse auf Basis datenunabhängig-akquirierter LC-MS-Daten

Moderne ESI-LC-MS/MS-Techniken erlauben in Verbindung mit Bottom-up-Ansätzen eine qualitative und quantitative Charakterisierung mehrerer tausend Proteine in einem einzigen Experiment. Für die labelfreie Proteinquantifizierung eignen sich besonders datenunabhängige Akquisitionsmethoden wie MSE und die IMS-Varianten HDMSE und UDMSE. Durch ihre hohe Komplexität stellen die so erfassten Daten besondere Anforderungen an die Analysesoftware. Eine quantitative Analyse der MSE/HDMSE/UDMSE-Daten blieb bislang wenigen kommerziellen Lösungen vorbehalten. rn| In der vorliegenden Arbeit wurden eine Strategie und eine Reihe neuer Methoden zur messungsübergreifenden, quantitativen Analyse labelfreier MSE/HDMSE/UDMSE-Daten entwickelt und als Software ISOQuant implementiert. Für die ersten Schritte der Datenanalyse (Featuredetektion, Peptid- und Proteinidentifikation) wird die kommerzielle Software PLGS verwendet. Anschließend werden die unabhängigen PLGS-Ergebnisse aller Messungen eines Experiments in einer relationalen Datenbank zusammengeführt und mit Hilfe der dedizierten Algorithmen (Retentionszeitalignment, Feature-Clustering, multidimensionale Normalisierung der Intensitäten, mehrstufige Datenfilterung, Proteininferenz, Umverteilung der Intensitäten geteilter Peptide, Proteinquantifizierung) überarbeitet. Durch diese Nachbearbeitung wird die Reproduzierbarkeit der qualitativen und quantitativen Ergebnisse signifikant gesteigert.rn| Um die Performance der quantitativen Datenanalyse zu evaluieren und mit anderen Lösungen zu vergleichen, wurde ein Satz von exakt definierten Hybridproteom-Proben entwickelt. Die Proben wurden mit den Methoden MSE und UDMSE erfasst, mit Progenesis QIP, synapter und ISOQuant analysiert und verglichen. Im Gegensatz zu synapter und Progenesis QIP konnte ISOQuant sowohl eine hohe Reproduzierbarkeit der Proteinidentifikation als auch eine hohe Präzision und Richtigkeit der Proteinquantifizierung erreichen.rn| Schlussfolgernd ermöglichen die vorgestellten Algorithmen und der Analyseworkflow zuverlässige und reproduzierbare quantitative Datenanalysen. Mit der Software ISOQuant wurde ein einfaches und effizientes Werkzeug für routinemäßige Hochdurchsatzanalysen labelfreier MSE/HDMSE/UDMSE-Daten entwickelt. Mit den Hybridproteom-Proben und den Bewertungsmetriken wurde ein umfassendes System zur Evaluierung quantitativer Akquisitions- und Datenanalysesysteme vorgestellt.

Integrazione dei flussi informativi nell'automazione del laboratorio analisi

In virtù della crescente importanza dell’impiego del software nel settore dei dispositivi medici, come software indipendente (stand-alone) oppure come software incorporato in un altro dispositivo medico, un requisito essenziale per il suo utilizzo è la validazione secondo lo stato dell’arte. La certificazione come dispositivo medico diviene in tal modo fonte di garanzia e di sicurezza per il suo impiego. Il Sistema Informativo di Laboratorio (LIS), supportando il processo operativo dei dispositivi medico-diagnostici in vitro, necessita di una regolamentazione in tale direzione. Il workflow del Laboratorio Analisi, suddiviso in fasi preanalitica, analitica e postanalitica, ha beneficiato dell’introduzione di un sistema informatico in grado di gestire le richieste di esami dei pazienti e di processare e memorizzare le informazioni generate dalle apparecchiature presenti nel laboratorio. Più di ogni altro scenario clinico, il Laboratorio Analisi si presta ad essere organizzato sfruttando un modello di gestione fortemente integrato. Le potenzialità ad esso connesse garantiscono un aumento di produttività, una riduzione degli errori di laboratorio e una maggior sicurezza sia per i professionisti sanitari che per l’intero processo analitico. Per l’importanza clinica affidata al dato di laboratorio, la sua diffusione deve avvenire in maniera veloce e sicura; ciò è possibile se il ritorno elettronico dei risultati al medico richiedente si avvale dello standard HL7, il cui utilizzo è promosso dal modello IHE. La presenza di un unico database sanitario contenente anagrafiche univoche, facilmente aggiornabili, riduce il rischio di errata identificazione del paziente e, in particolare, offre la possibilità di disporre dei risultati di esami precedenti, opportunità particolarmente utile nel delineare il quadro clinico di pazienti cronici. Tale vantaggio e molte altre strategie, in grado di migliorare la qualità dell’assistenza e dell’outcome clinico, permettono di definire il laboratorio clinico come “motore di appropriatezza”.

Premio "Capitale verde europea". Studio di una politica dell'Unione europea in tema di sostenibilità ambientale con approfondimento terminologico sul minieolico.

This dissertation is divided into four chapters and combines the study of the European Green Capital Award with a terminology research on small wind turbines, a technical subject in the macro-area of sustainable cities. Chapter I aims at giving an overview of the development of environmental policies and treaties both at the international and European level. Then, after highlighting the crucial role of cities for the global environment, the chapter outlines the urban dimension of the EU environmental policies and defines the vision of a sustainable city promoted by the European Union. Chapter II contains an in-depth analysis of the European Green Capital Award and illustrates its aims, the entire designation process, its communication campaign and its evolution. Chapter III focuses on applicant, finalist and winning cities in order to study the aspect of participation in the competition. It also contains a detailed analysis of two European Green Capitals, i.e. Nantes and Bristol, who respectively won the title in 2013 and 2015. Based on a variety of sources, this chapter examines the successful aspects of their bids and communication campaigns during their year as Green Capitals. Chapter IV presents the terminology research in the field of small wind turbines and the resulting bilingual glossary in English and Italian. The research was carried out using two terminology tools: TranslatorBank and InterpretBank. The former is composed by two software programmes, CorpusCreator and MiniConcordancer DB, which were used to semi-automatically create specialized corpora from the Web and then extract terminology and occurrences of terms from the collected texts. The latter is a software which has been specifically designed for interpreters in order to help them optimize their professional workflow, from gathering information and creating glossaries on a specific subject to the actual interpreting task at a conference. InterpretBank’s tool TermMode was used to create a glossary with term equivalents and additional information such as definitions and the contexts of use.

Una panoramica sulle agenzie di traduzione: caratteristiche, tipologie e flussi di lavoro

Over the last decades the need for translation and interpreting services has increased thanks to globalization and to the progress made in the technology field. However, the organizations which provide these services, the so-called translation agencies or translation companies, are still underrated and, in some cases, virtually unknown to those people who do not belong to the translation market. The present work aims to answer all the most common questions about these companies by describing in as much detail as possible all their aspects, mechanisms, workflows and characteristics. Chapter one introduces translation agencies outlining, in the first place, some of their main definitions and classifications. Particular attention is also devoted to the translation market, to the main trade associations in the field, to the quality standards adopted and to the important role played by social media for the success of translation agencies. Chapter two starts with a theoretical introduction to the concept of “organization” and an examination of the main types of teams commonly adopted in companies, i.e. virtual and traditional. This introduction is then followed by an analysis of the typical workflows taking place in translation agencies, the main professionals involved (such as Project Managers, translators and reviewers) and their essential competences. Finally, chapter three presents a comparison between a traditional translation agency, i.e., Going Green Translations, characterized by a physical office and internal collaborators, and a more innovative translation agency, Qabiria, which on the contrary relies on a completely decentralized team. The interviews have allowed me to highlight similarities and differences as well as advantages and disadvantages of these agencies and their teams. The chapter concludes with a personal commentary on what has emerged from the comparison, and on the future of translation companies.

An integrated system for building and running reproducible research

Our generation of computational scientists is living in an exciting time: not only do we get to pioneer important algorithms and computations, we also get to set standards on how computational research should be conducted and published. From Euclid’s reasoning and Galileo’s experiments, it took hundreds of years for the theoretical and experimental branches of science to develop standards for publication and peer review. Computational science, rightly regarded as the third branch, can walk the same road much faster. The success and credibility of science are anchored in the willingness of scientists to expose their ideas and results to independent testing and replication by other scientists. This requires the complete and open exchange of data, procedures and materials. The idea of a “replication by other scientists” in reference to computations is more commonly known as “reproducible research”. In this context the journal “EAI Endorsed Transactions on Performance & Modeling, Simulation, Experimentation and Complex Systems” had the exciting and original idea to make the scientist able to submit simultaneously the article and the computation materials (software, data, etc..) which has been used to produce the contents of the article. The goal of this procedure is to allow the scientific community to verify the content of the paper, reproducing it in the platform independently from the OS chosen, confirm or invalidate it and especially allow its reuse to reproduce new results. This procedure is therefore not helpful if there is no minimum methodological support. In fact, the raw data sets and the software are difficult to exploit without the logic that guided their use or their production. This led us to think that in addition to the data sets and the software, an additional element must be provided: the workflow that relies all of them.

La traduzione automatica e i language service provider: il caso di CTI

La presente tesi nasce da un tirocinio avanzato svolto presso l’azienda CTI (Communication Trend Italia) di Milano. Gli obiettivi dello stage erano la verifica della possibilità di inserire gli strumenti automatici nel flusso di lavoro dell’azienda e l'individuazione delle tipologie testuali e delle combinazioni linguistiche a cui essi sono applicabili. Il presente elaborato si propone di partire da un’analisi teorica dei vari aspetti legati all’utilizzo della TA, per poi descriverne l’applicazione pratica nei procedimenti che hanno portato alla creazione dei sistemi custom. Il capitolo 1 offre una panoramica teorica sul mondo della machine translation, che porta a delineare la modalità di utilizzo della TA ad oggi più diffusa: quella in cui la traduzione fornita dal sistema viene modificata tramite post-editing oppure il testo di partenza viene ritoccato attraverso il pre-editing per eliminare gli elementi più ostici. Nel capitolo 2, partendo da una panoramica relativa ai principali software di traduzione automatica in uso, si arriva alla descrizione di Microsoft Translator Hub, lo strumento scelto per lo sviluppo dei sistemi custom di CTI. Nel successivo passaggio, l’attenzione si concentra sull’ottenimento di sistemi customizzati. Un ampio approfondimento è dedicato ai metodi per reperire ed utilizzare le risorse. In seguito viene descritto il percorso che ha portato alla creazione e allo sviluppo dei due sistemi Bilanci IT_EN e Atto Costitutivo IT_EN in Microsoft Translator Hub. Infine, nel quarto ed ultimo capitolo gli output che i due sistemi forniscono vengono rivisti per individuarne le caratteristiche e analizzati tramite alcuni tool di valutazione automatica. Grazie alle informazioni raccolte vengono poi formulate alcune previsioni sul futuro uso dei sistemi presso l’azienda CTI.

Radiologia distribuita: Cloud e Post Processing 3D

L’effetto dell’informatica e dell’automazione sulle procedure medico sanitarie si sta manifestando in maniera sempre più ampia, portando notevoli vantaggi per la salute e il benessere di tutti i pazienti e al tempo stesso ponendo sfide sempre più complesse alle istituzioni sanitarie e ai produttori di dispositivi medico-sanitari. Al di là dei meriti del singolo prodotto o tecnologia, esiste un fattore strategico che dovrebbe essere sempre considerato nel momento di progettare un software o un dispositivo da utilizzare in ambito sanitario (da parte dei produttori) o nel momento di pianificare l’acquisto di sistemi medicali o diagnostici complessi (da parte delle istituzioni sanitarie): l’aspetto dell’Integrazione, ovvero la capacità del sistema di inserirsi in maniera semplice, efficace e poco costosa in un Workflow (flusso di lavoro) completamente integrato. Nel primo capitolo di questo elaborato finale è stato fatto un quadro generale sull’organizzazione del flusso di lavoro in radiologia e sono stati trattati i vari standard di comunicazione e scambio dati in ambito clinico, in primis DICOM, HL7 e IHE. L’oggetto del secondo capitolo è l’organizzazione e gli obbiettivi del Dipartimento di Radiologia attuati dal Gruppo Villa Maria (GVM) e il confronto di questi ultimi con il contenuto del documento: ‘Linee guida per l’assicurazione di qualita` in teleradiologia ‘che è stata redatta dal Istituto Superiore di Sanita` destinata ad apportare, non solo ai medici radiologi ed ai TSRM ma anche agli altri professionisti della sanità coinvolti, gli elementi di informazione e di metodo per l’organizzazione della teleradiologia nel rispetto delle esigenze della deontologia medica, della sicurezza del paziente, compreso il consenso, anche per quanto riguarda la radioprotezione, la privacy e la qualità. Nel terzo capitolo sono elencati gli strumenti con cui il Dipartimento di radiologia intende perseguire i suoi obbiettivi. Il quarto capitolo tratta la mia esperienza presso una clinica esterna al GVM, in particolare la clinica Santo Stefano, di Porto Potenza Picena, dove sono stati fatti dei test volti a valutare i tempi di caricamento di esami di TAC e RMN sul cloud di GVM.

Progettazione e sviluppo di un framework per la realizzazione di process-aware Web applications.

Il potenziale che il Web ha raggiunto in termini di accessibilità, gestione e flessibilità, ha spinto i più svariati settori ad approcciarsi ad esso e ad adottarlo all’interno delle proprie organizzazioni. É stato quindi necessario applicare alle tradizionali applicazioni web, nuove soluzioni al fine di integrare gli elementi di workflow management con il modello dei dati di navigazione e di presentazione. In questo lavoro di tesi, si affrontano gli aspetti legati ai processi di business, con riferimento alla progettazione e allo sviluppo di applicazioni Web. Verranno introdotti standard di modellazione come UML e BPMN per poi descrivere soluzioni e casi di studio esistenti. Nella seconda parte dell'elaborato invece, verranno presentate le tecnologie utilizzate per il design e lo sviluppo di un framework, a supporto delle process-aware Web applications.

Computer Aided Surgery for Percutaneous Nephrolithotomy: Clinical Requirement Analysis and System Design

Percutaneous nephrolithotomy (PCNL) for the treatment of renal stones and other related renal diseases has proved its efficacy and has stood the test of time compared with open surgical methods and extracorporal shock wave lithotripsy. However, access to the collecting system of the kidney is not easy because the available intra-operative image modalities only provide a two dimensional view of the surgical scenario. With this lack of visual information, several punctures are often necessary which, increases the risk of renal bleeding, splanchnic, vascular or pulmonary injury, or damage to the collecting system which sometimes makes the continuation of the procedure impossible. In order to address this problem, this paper proposes a workflow for introduction of a stereotactic needle guidance system for PCNL procedures. An analysis of the imposed clinical requirements, and a instrument guidance approach to provide the physician with a more intuitive planning and visual guidance to access the collecting system of the kidney are presented.

An accuracy approach to robotic microsurgery in the ear

Concerns of rising healthcare costs and the ever increasing desire to improve surgical outcome have motivated the development of a new robotic assisted surgical procedure for the implantation of artificial hearing devices (AHDs). This paper describes our efforts to enable minimally invasive, cost effective surgery for the implantation of AHDs. We approach this problem with a fundamental goal to reduce errors from every component of the surgical workflow from imaging and trajectory planning to patient tracking and robot development. These efforts were successful in reducing overall system error to a previously unattained level.

Information Filtering for Ultrasound-based Real-time Registration

This paper presents methods based on Information Filters for solving matching problems with emphasis on real-time, or effectively real-time applications. Both applications discussed in this work deal with ultrasound-based rigid registration in computer-assisted orthopedic surgery. In the first application, the usual workflow of rigid registration is reformulated such that registration algorithms would iterate while the surgeon is acquiring ultrasound images of the anatomy to be operated. Using this effectively real-time approach to registration, the surgeon would then receive feedback in order to better gauge the quality of the final registration outcome. The second application considered in this paper circumvents the need to attach physical markers to bones for anatomical referencing. Experiments using anatomical objects immersed in water are performed in order to evaluate and compare the different methods presented herein, using both 2D as well as real-time 3D ultrasound.

An interactive surgical planning tool for acetabular fractures: initial results

Background Acetabular fractures still are among the most challenging fractures to treat because of complex anatomy, involved surgical access to fracture sites and the relatively low incidence of these lesions. Proper evaluation and surgical planning is necessary to achieve anatomic reduction of the articular surface and stable fixation of the pelvic ring. The goal of this study was to test the feasibility of preoperative surgical planning in acetabular fractures using a new prototype planning tool based on an interactive virtual reality-style environment. Methods 7 patients (5 male and 2 female; median age 53 y (25 to 92 y)) with an acetabular fracture were prospectively included. Exclusion criterions were simple wall fractures, cases with anticipated surgical dislocation of the femoral head for joint debridement and accurate fracture reduction. According to the Letournel classification 4 cases had two column fractures, 2 cases had anterior column fractures and 1 case had a T-shaped fracture including a posterior wall fracture. The workflow included following steps: (1) Formation of a patient-specific bone model from preoperative computed tomography scans, (2) interactive virtual fracture reduction with visuo-haptic feedback, (3) virtual fracture fixation using common osteosynthesis implants and (4) measurement of implant position relative to landmarks. The surgeon manually contoured osteosynthesis plates preoperatively according to the virtually defined deformation. Screenshots including all measurements for the OR were available. The tool was validated comparing the preoperative planning and postoperative results by 3D-superimposition. Results Preoperative planning was feasible in all cases. In 6 of 7 cases superimposition of preoperative planning and postoperative follow-up CT showed a good to excellent correlation. In one case part of the procedure had to be changed due to impossibility of fracture reduction from an ilioinguinal approach. In 3 cases with osteopenic bone patient-specific prebent fixation plates were helpful in guiding fracture reduction. Additionally, anatomical landmark based measurements were helpful for intraoperative navigation. Conclusion The presented prototype planning tool for pelvic surgery was successfully integrated in a clinical workflow to improve patient-specific preoperative planning, giving visual and haptic information about the injury and allowing a patient-specific adaptation of osteosynthesis implants to the virtually reduced pelvis.

Soft-Tissue Simulation for Cranio-Maxillofacial Surgery: Clinical Needs and Technical Aspects

Computerized soft-tissue simulation can provide unprecedented means for predicting facial outlook pre-operatively. Surgeons can virtually perform several surgical plans to have the best surgical results for their patients while considering corresponding soft-tissue outcome. It could be used as an interactive communication tool with their patients as well. There has been comprehensive amount of works for simulating soft-tissue for cranio-maxillofacial surgery. Although some of them have been realized as commercial products, none of them has been fully integrated into clinical practice due to the lack of accuracy and excessive amount of processing time. In this chapter, state-of-the-art and general workflow in facial soft-tissue simulation will be presented, along with an example of patient-specific facial soft-tissue simulation method.