Rehabilitation Engineering in Parkinson's disease

Impairment of postural control is a common consequence of Parkinson's disease (PD) that becomes more and more critical with the progression of the disease, in spite of the available medications. Postural instability is one of the most disabling features of PD and induces difficulties with postural transitions, initiation of movements, gait disorders, inability to live independently at home, and is the major cause of falls. Falls are frequent (with over 38% falling each year) and may induce adverse consequences like soft tissue injuries, hip fractures, and immobility due to fear of falling. As the disease progresses, both postural instability and fear of falling worsen, which leads patients with PD to become increasingly immobilized. The main aims of this dissertation are to: 1) detect and assess, in a quantitative way, impairments of postural control in PD subjects, investigate the central mechanisms that control such motor performance, and how these mechanism are affected by levodopa; 2) develop and validate a protocol, using wearable inertial sensors, to measure postural sway and postural transitions prior to step initiation; 3) find quantitative measures sensitive to impairments of postural control in early stages of PD and quantitative biomarkers of disease progression; and 4) test the feasibility and effects of a recently-developed audio-biofeedback system in maintaining balance in subjects with PD. In the first set of studies, we showed how PD reduces functional limits of stability as well as the magnitude and velocity of postural preparation during voluntary, forward and backward leaning while standing. Levodopa improves the limits of stability but not the postural strategies used to achieve the leaning. Further, we found a strong relationship between backward voluntary limits of stability and size of automatic postural response to backward perturbations in control subjects and in PD subjects ON medication. Such relation might suggest that the central nervous system presets postural response parameters based on perceived maximum limits and this presetting is absent in PD patients OFF medication but restored with levodopa replacement. Furthermore, we investigated how the size of preparatory postural adjustments (APAs) prior to step initiation depend on initial stance width. We found that patients with PD did not scale up the size of their APA with stance width as much as control subjects so they had much more difficulty initiating a step from a wide stance than from a narrow stance. This results supports the hypothesis that subjects with PD maintain a narrow stance as a compensation for their inability to sufficiently increase the size of their lateral APA to allow speedy step initiation in wide stance. In the second set of studies, we demonstrated that it is possible to use wearable accelerometers to quantify postural performance during quiet stance and step initiation balance tasks in healthy subjects. We used a model to predict center of pressure displacements associated with accelerations at the upper and lower back and thigh. This approach allows the measurement of balance control without the use of a force platform outside the laboratory environment. We used wearable accelerometers on a population of early, untreated PD patients, and found that postural control in stance and postural preparation prior to a step are impaired early in the disease when the typical balance and gait intiation symptoms are not yet clearly manifested. These novel results suggest that technological measures of postural control can be more sensitive than clinical measures. Furthermore, we assessed spontaneous sway and step initiation longitudinally across 1 year in patients with early, untreated PD. We found that changes in trunk sway, and especially movement smoothness, measured as Jerk, could be used as an objective measure of PD and its progression. In the third set of studies, we studied the feasibility of adapting an existing audio-biofeedback device to improve balance control in patients with PD. Preliminary results showed that PD subjects found the system easy-to-use and helpful, and they were able to correctly follow the audio information when available. Audiobiofeedback improved the properties of trunk sway during quiet stance. Our results have many implications for i) the understanding the central mechanisms that control postural motor performance, and how these mechanisms are affected by levodopa; ii) the design of innovative protocols for measuring and remote monitoring of motor performance in the elderly or subjects with PD; and iii) the development of technologies for improving balance, mobility, and consequently quality of life in patients with balance disorders, such as PD patients with augmented biofeedback paradigms.

Bioimaging of animal embryogenesis: mathematical methods and computational algorithms

Some fundamental biological processes such as embryonic development have been preserved during evolution and are common to species belonging to different phylogenetic positions, but are nowadays largely unknown. The understanding of cell morphodynamics leading to the formation of organized spatial distribution of cells such as tissues and organs can be achieved through the reconstruction of cells shape and position during the development of a live animal embryo. We design in this work a chain of image processing methods to automatically segment and track cells nuclei and membranes during the development of a zebrafish embryo, which has been largely validates as model organism to understand vertebrate development, gene function and healingrepair mechanisms in vertebrates. The embryo is previously labeled through the ubiquitous expression of fluorescent proteins addressed to cells nuclei and membranes, and temporal sequences of volumetric images are acquired with laser scanning microscopy. Cells position is detected by processing nuclei images either through the generalized form of the Hough transform or identifying nuclei position with local maxima after a smoothing preprocessing step. Membranes and nuclei shapes are reconstructed by using PDEs based variational techniques such as the Subjective Surfaces and the Chan Vese method. Cells tracking is performed by combining informations previously detected on cells shape and position with biological regularization constraints. Our results are manually validated and reconstruct the formation of zebrafish brain at 7-8 somite stage with all the cells tracked starting from late sphere stage with less than 2% error for at least 6 hours. Our reconstruction opens the way to a systematic investigation of cellular behaviors, of clonal origin and clonal complexity of brain organs, as well as the contribution of cell proliferation modes and cell movements to the formation of local patterns and morphogenetic fields.

One-step elettrosintesi: un metodo alternativo per sintetizzare nanoparticelle di Pt

La maggiore richiesta energetica di questi anni, associata alla diminuzione delle riserve di combustibile fossile e ai problemi di inquinamento ambientale hanno spinto il settore scientifico verso la ricerca di nuovi dispositivi che presentino elevata efficienza e quantità di emissioni ridotta. Tra questi, le celle a combustibile (fuel cells) alimentate con idrogeno o molecole organiche come etanolo, acido formico e metanolo, hanno particolare rilevanza anche se attualmente risultano particolarmente costose. Una delle principali sfide di questi ultimi anni è ridurne i costi e aumentarne l'efficienza di conversione in energia. Per questo scopo molti sforzi vengono condotti verso l'ottimizzazione dei catalizzatori a base di Pt spostando l’attenzione verso sistemi nanostrutturati ad elevata attività catalitica e buona stabilità. Durante questo lavoro di tesi si è affrontato lo studio relativo alla preparazione di elettrodi modificati con PtNPs ottenute per elettrodeposizione, un metodo semplice ed efficace per poterne controllare i parametri di deposizione e crescita e per ottenere direttamente le nanoparticelle sulla superficie dell’elettrodo. Come materiale elettroattivo si è utilizzato un foglio di grafite, denominato (Pure Graphite Sheet = PGS). Tale superficie elettrodica, meno costosa e più conduttiva rispetto all’ITO, si presenta sotto forma di fogli flessibili resistenti ad alte temperature e ad ambienti corrosivi e quindi risulta conveniente qualora si pensi ad un suo utilizzo su scala industriale. In particolare è stato studiato come la variazione di alcuni parametri sperimentali quali: i) il tempo di elettrodeposizione e ii) la presenza di stabilizzanti tipo: KI, acido dodecil benzene sulfonico (DBSA), poli vinil pirrolidone (PVP) o poliossietilene ottilfenil etere (Triton-X100) e iii) la concentrazione degli stessi stabilizzanti, potessero influire sulle dimensioni ed eventualmente sulla morfologia delle PtNPs. in fase di elettrodeposizione. L’elettrosintesi è stata effettuata per via cronoamperometria. I film di PtNPs sono stati caratterizzati utilizzando tecniche di superficie quali microscopia a scansione elettronica (SEM) e Voltammetria Ciclica (CV). Al fine di valutare le capacità elettrocatalitiche delle diverse PtNPs ottenute si è studiata la reazione di ossidazione del metanolo in ambiente acido.

Vibration as a method for muscular stimulation

Human reactions to vibration have been extensively investigated in the past. Vibration, as well as whole-body vibration (WBV), has been commonly considered as an occupational hazard for its detrimental effects on human condition and comfort. Although long term exposure to vibrations may produce undesirable side-effects, a great part of the literature is dedicated to the positive effects of WBV when used as method for muscular stimulation and as an exercise intervention. Whole body vibration training (WBVT) aims to mechanically activate muscles by eliciting neuromuscular activity (muscle reflexes) via the use of vibrations delivered to the whole body. The most mentioned mechanism to explain the neuromuscular outcomes of vibration is the elicited neuromuscular activation. Local tendon vibrations induce activity of the muscle spindle Ia fibers, mediated by monosynaptic and polysynaptic pathways: a reflex muscle contraction known as the Tonic Vibration Reflex (TVR) arises in response to such vibratory stimulus. In WBVT mechanical vibrations, in a range from 10 to 80 Hz and peak to peak displacements from 1 to 10 mm, are usually transmitted to the patient body by the use of oscillating platforms. Vibrations are then transferred from the platform to a specific muscle group through the subject body. To customize WBV treatments, surface electromyography (SEMG) signals are often used to reveal the best stimulation frequency for each subject. Use of SEMG concise parameters, such as root mean square values of the recordings, is also a common practice; frequently a preliminary session can take place in order to discover the more appropriate stimulation frequency. Soft tissues act as wobbling masses vibrating in a damped manner in response to mechanical excitation; Muscle Tuning hypothesis suggest that neuromuscular system works to damp the soft tissue oscillation that occurs in response to vibrations; muscles alters their activity to dampen the vibrations, preventing any resonance phenomenon. Muscle response to vibration is however a complex phenomenon as it depends on different parameters, like muscle-tension, muscle or segment-stiffness, amplitude and frequency of the mechanical vibration. Additionally, while in the TVR study the applied vibratory stimulus and the muscle conditions are completely characterised (a known vibration source is applied directly to a stretched/shortened muscle or tendon), in WBV study only the stimulus applied to a distal part of the body is known. Moreover, mechanical response changes in relation to the posture. The transmissibility of vibratory stimulus along the body segment strongly depends on the position held by the subject. The aim of this work was the investigation on the effects that the use of vibrations, in particular the effects of whole body vibrations, may have on muscular activity. A new approach to discover the more appropriate stimulus frequency, by the use of accelerometers, was also explored. Different subjects, not affected by any known neurological or musculoskeletal disorders, were voluntarily involved in the study and gave their informed, written consent to participate. The device used to deliver vibration to the subjects was a vibrating platform. Vibrations impressed by the platform were exclusively vertical; platform displacement was sinusoidal with an intensity (peak-to-peak displacement) set to 1.2 mm and with a frequency ranging from 10 to 80 Hz. All the subjects familiarized with the device and the proper positioning. Two different posture were explored in this study: position 1 - hack squat; position 2 - subject standing on toes with heels raised. SEMG signals from the Rectus Femoris (RF), Vastus Lateralis (VL) and Vastus medialis (VM) were recorded. SEMG signals were amplified using a multi-channel, isolated biomedical signal amplifier The gain was set to 1000 V/V and a band pass filter (-3dB frequency 10 - 500 Hz) was applied; no notch filters were used to suppress line interference. Tiny and lightweight (less than 10 g) three-axial MEMS accelerometers (Freescale semiconductors) were used to measure accelerations of onto patient’s skin, at EMG electrodes level. Accelerations signals provided information related to individuals’ RF, Biceps Femoris (BF) and Gastrocnemius Lateralis (GL) muscle belly oscillation; they were pre-processed in order to exclude influence of gravity. As demonstrated by our results, vibrations generate peculiar, not negligible motion artifact on skin electrodes. Artifact amplitude is generally unpredictable; it appeared in all the quadriceps muscles analysed, but in different amounts. Artifact harmonics extend throughout the EMG spectrum, making classic high-pass filters ineffective; however, their contribution was easy to filter out from the raw EMG signal with a series of sharp notch filters centred at the vibration frequency and its superior harmonics (1.5 Hz wide). However, use of these simple filters prevents the revelation of EMG power potential variation in the mentioned filtered bands. Moreover our experience suggests that the possibility of reducing motion artefact, by using particular electrodes and by accurately preparing the subject’s skin, is not easily viable; even though some small improvements were obtained, it was not possible to substantially decrease the artifact. Anyway, getting rid of those artifacts lead to some true EMG signal loss. Nevertheless, our preliminary results suggest that the use of notch filters at vibration frequency and its harmonics is suitable for motion artifacts filtering. In RF SEMG recordings during vibratory stimulation only a little EMG power increment should be contained in the mentioned filtered bands due to synchronous electromyographic activity of the muscle. Moreover, it is better to remove the artifact that, in our experience, was found to be more than 40% of the total signal power. In summary, many variables have to be taken into account: in addition to amplitude, frequency and duration of vibration treatment, other fundamental variables were found to be subject anatomy, individual physiological condition and subject’s positioning on the platform. Studies on WBV treatments that include surface EMG analysis to asses muscular activity during vibratory stimulation should take into account the presence of motion artifacts. Appropriate filtering of artifacts, to reveal the actual effect on muscle contraction elicited by vibration stimulus, is mandatory. However as a result of our preliminary study, a simple multi-band notch filtering may help to reduce randomness of the results. Muscle tuning hypothesis seemed to be confirmed. Our results suggested that the effects of WBV are linked to the actual muscle motion (displacement). The greater was the muscle belly displacement the higher was found the muscle activity. The maximum muscle activity has been found in correspondence with the local mechanical resonance, suggesting a more effective stimulation at the specific system resonance frequency. Holding the hypothesis that muscle activation is proportional to muscle displacement, treatment optimization could be obtained by simply monitoring local acceleration (resonance). However, our study revealed some short term effects of vibratory stimulus; prolonged studies should be assembled in order to consider the long term effectiveness of these results. Since local stimulus depends on the kinematic chain involved, WBV muscle stimulation has to take into account the transmissibility of the stimulus along the body segment in order to ensure that vibratory stimulation effectively reaches the target muscle. Combination of local resonance and muscle response should also be further investigated to prevent hazards to individuals undergoing WBV treatments.

Mathematical models of cognitive processes

The research activity carried out during the PhD course was focused on the development of mathematical models of some cognitive processes and their validation by means of data present in literature, with a double aim: i) to achieve a better interpretation and explanation of the great amount of data obtained on these processes from different methodologies (electrophysiological recordings on animals, neuropsychological, psychophysical and neuroimaging studies in humans), ii) to exploit model predictions and results to guide future research and experiments. In particular, the research activity has been focused on two different projects: 1) the first one concerns the development of neural oscillators networks, in order to investigate the mechanisms of synchronization of the neural oscillatory activity during cognitive processes, such as object recognition, memory, language, attention; 2) the second one concerns the mathematical modelling of multisensory integration processes (e.g. visual-acoustic), which occur in several cortical and subcortical regions (in particular in a subcortical structure named Superior Colliculus (SC)), and which are fundamental for orienting motor and attentive responses to external world stimuli. This activity has been realized in collaboration with the Center for Studies and Researches in Cognitive Neuroscience of the University of Bologna (in Cesena) and the Department of Neurobiology and Anatomy of the Wake Forest University School of Medicine (NC, USA). PART 1. Objects representation in a number of cognitive functions, like perception and recognition, foresees distribute processes in different cortical areas. One of the main neurophysiological question concerns how the correlation between these disparate areas is realized, in order to succeed in grouping together the characteristics of the same object (binding problem) and in maintaining segregated the properties belonging to different objects simultaneously present (segmentation problem). Different theories have been proposed to address these questions (Barlow, 1972). One of the most influential theory is the so called “assembly coding”, postulated by Singer (2003), according to which 1) an object is well described by a few fundamental properties, processing in different and distributed cortical areas; 2) the recognition of the object would be realized by means of the simultaneously activation of the cortical areas representing its different features; 3) groups of properties belonging to different objects would be kept separated in the time domain. In Chapter 1.1 and in Chapter 1.2 we present two neural network models for object recognition, based on the “assembly coding” hypothesis. These models are networks of Wilson-Cowan oscillators which exploit: i) two high-level “Gestalt Rules” (the similarity and previous knowledge rules), to realize the functional link between elements of different cortical areas representing properties of the same object (binding problem); 2) the synchronization of the neural oscillatory activity in the γ-band (30-100Hz), to segregate in time the representations of different objects simultaneously present (segmentation problem). These models are able to recognize and reconstruct multiple simultaneous external objects, even in difficult case (some wrong or lacking features, shared features, superimposed noise). In Chapter 1.3 the previous models are extended to realize a semantic memory, in which sensory-motor representations of objects are linked with words. To this aim, the network, previously developed, devoted to the representation of objects as a collection of sensory-motor features, is reciprocally linked with a second network devoted to the representation of words (lexical network) Synapses linking the two networks are trained via a time-dependent Hebbian rule, during a training period in which individual objects are presented together with the corresponding words. Simulation results demonstrate that, during the retrieval phase, the network can deal with the simultaneous presence of objects (from sensory-motor inputs) and words (from linguistic inputs), can correctly associate objects with words and segment objects even in the presence of incomplete information. Moreover, the network can realize some semantic links among words representing objects with some shared features. These results support the idea that semantic memory can be described as an integrated process, whose content is retrieved by the co-activation of different multimodal regions. In perspective, extended versions of this model may be used to test conceptual theories, and to provide a quantitative assessment of existing data (for instance concerning patients with neural deficits). PART 2. The ability of the brain to integrate information from different sensory channels is fundamental to perception of the external world (Stein et al, 1993). It is well documented that a number of extraprimary areas have neurons capable of such a task; one of the best known of these is the superior colliculus (SC). This midbrain structure receives auditory, visual and somatosensory inputs from different subcortical and cortical areas, and is involved in the control of orientation to external events (Wallace et al, 1993). SC neurons respond to each of these sensory inputs separately, but is also capable of integrating them (Stein et al, 1993) so that the response to the combined multisensory stimuli is greater than that to the individual component stimuli (enhancement). This enhancement is proportionately greater if the modality-specific paired stimuli are weaker (the principle of inverse effectiveness). Several studies have shown that the capability of SC neurons to engage in multisensory integration requires inputs from cortex; primarily the anterior ectosylvian sulcus (AES), but also the rostral lateral suprasylvian sulcus (rLS). If these cortical inputs are deactivated the response of SC neurons to cross-modal stimulation is no different from that evoked by the most effective of its individual component stimuli (Jiang et al 2001). This phenomenon can be better understood through mathematical models. The use of mathematical models and neural networks can place the mass of data that has been accumulated about this phenomenon and its underlying circuitry into a coherent theoretical structure. In Chapter 2.1 a simple neural network model of this structure is presented; this model is able to reproduce a large number of SC behaviours like multisensory enhancement, multisensory and unisensory depression, inverse effectiveness. In Chapter 2.2 this model was improved by incorporating more neurophysiological knowledge about the neural circuitry underlying SC multisensory integration, in order to suggest possible physiological mechanisms through which it is effected. This endeavour was realized in collaboration with Professor B.E. Stein and Doctor B. Rowland during the 6 months-period spent at the Department of Neurobiology and Anatomy of the Wake Forest University School of Medicine (NC, USA), within the Marco Polo Project. The model includes four distinct unisensory areas that are devoted to a topological representation of external stimuli. Two of them represent subregions of the AES (i.e., FAES, an auditory area, and AEV, a visual area) and send descending inputs to the ipsilateral SC; the other two represent subcortical areas (one auditory and one visual) projecting ascending inputs to the same SC. Different competitive mechanisms, realized by means of population of interneurons, are used in the model to reproduce the different behaviour of SC neurons in conditions of cortical activation and deactivation. The model, with a single set of parameters, is able to mimic the behaviour of SC multisensory neurons in response to very different stimulus conditions (multisensory enhancement, inverse effectiveness, within- and cross-modal suppression of spatially disparate stimuli), with cortex functional and cortex deactivated, and with a particular type of membrane receptors (NMDA receptors) active or inhibited. All these results agree with the data reported in Jiang et al. (2001) and in Binns and Salt (1996). The model suggests that non-linearities in neural responses and synaptic (excitatory and inhibitory) connections can explain the fundamental aspects of multisensory integration, and provides a biologically plausible hypothesis about the underlying circuitry.

Study of the thermal effects induced by magnetic resonance on endocardial leads: numerical models and experimental validation

Magnetic resonance imaging (MRI) is today precluded to patients bearing active implantable medical devices AIMDs). The great advantages related to this diagnostic modality, together with the increasing number of people benefiting from implantable devices, in particular pacemakers(PM)and carioverter/defibrillators (ICD), is prompting the scientific community the study the possibility to extend MRI also to implanted patients. The MRI induced specific absorption rate (SAR) and the consequent heating of biological tissues is one of the major concerns that makes patients bearing metallic structures contraindicated for MRI scans. To date, both in-vivo and in-vitro studies have demonstrated the potentially dangerous temperature increase caused by the radiofrequency (RF) field generated during MRI procedures in the tissues surrounding thin metallic implants. On the other side, the technical evolution of MRI scanners and of AIMDs together with published data on the lack of adverse events have reopened the interest in this field and suggest that, under given conditions, MRI can be safely performed also in implanted patients. With a better understanding of the hazards of performing MRI scans on implanted patients as well as the development of MRI safe devices, we may soon enter an era where the ability of this imaging modality may be more widely used to assist in the appropriate diagnosis of patients with devices. In this study both experimental measures and numerical analysis were performed. Aim of the study is to systematically investigate the effects of the MRI RF filed on implantable devices and to identify the elements that play a major role in the induced heating. Furthermore, we aimed at developing a realistic numerical model able to simulate the interactions between an RF coil for MRI and biological tissues implanted with a PM, and to predict the induced SAR as a function of the particular path of the PM lead. The methods developed and validated during the PhD program led to the design of an experimental framework for the accurate measure of PM lead heating induced by MRI systems. In addition, numerical models based on Finite-Differences Time-Domain (FDTD) simulations were validated to obtain a general tool for investigating the large number of parameters and factors involved in this complex phenomenon. The results obtained demonstrated that the MRI induced heating on metallic implants is a real risk that represents a contraindication in extending MRI scans also to patient bearing a PM, an ICD, or other thin metallic objects. On the other side, both experimental data and numerical results show that, under particular conditions, MRI procedures might be consider reasonably safe also for an implanted patient. The complexity and the large number of variables involved, make difficult to define a unique set of such conditions: when the benefits of a MRI investigation cannot be obtained using other imaging techniques, the possibility to perform the scan should not be immediately excluded, but some considerations are always needed.

Middleware principles and design for the integration of ubiquitos mobile services

Nowadays, in Ubiquitous computing scenarios users more and more require to exploit online contents and services by means of any device at hand, no matter their physical location, and by personalizing and tailoring content and service access to their own requirements. The coordinated provisioning of content tailored to user context and preferences, and the support for mobile multimodal and multichannel interactions are of paramount importance in providing users with a truly effective Ubiquitous support. However, so far the intrinsic heterogeneity and the lack of an integrated approach led to several either too vertical, or practically unusable proposals, thus resulting in poor and non-versatile support platforms for Ubiquitous computing. This work investigates and promotes design principles to help cope with these ever-changing and inherently dynamic scenarios. By following the outlined principles, we have designed and implemented a middleware support platform to support the provisioning of Ubiquitous mobile services and contents. To prove the viability of our approach, we have realized and stressed on top of our support platform a number of different, extremely complex and heterogeneous content and service provisioning scenarios. The encouraging results obtained are pushing our research work further, in order to provide a dynamic platform that is able to not only dynamically support novel Ubiquitous applicative scenarios by tailoring extremely diverse services and contents to heterogeneous user needs, but is also able to reconfigure and adapt itself in order to provide a truly optimized and tailored support for Ubiquitous service provisioning.

Uniquitous internet middleware: architecture design and prototype evaluation

Technology advances in recent years have dramatically changed the way users exploit contents and services available on the Internet, by enforcing pervasive and mobile computing scenarios and enabling access to networked resources almost from everywhere, at anytime, and independently of the device in use. In addition, people increasingly require to customize their experience, by exploiting specific device capabilities and limitations, inherent features of the communication channel in use, and interaction paradigms that significantly differ from the traditional request/response one. So-called Ubiquitous Internet scenario calls for solutions that address many different challenges, such as device mobility, session management, content adaptation, context-awareness and the provisioning of multimodal interfaces. Moreover, new service opportunities demand simple and effective ways to integrate existing resources into new and value added applications, that can also undergo run-time modifications, according to ever-changing execution conditions. Despite service-oriented architectural models are gaining momentum to tame the increasing complexity of composing and orchestrating distributed and heterogeneous functionalities, existing solutions generally lack a unified approach and only provide support for specific Ubiquitous Internet aspects. Moreover, they usually target rather static scenarios and scarcely support the dynamic nature of pervasive access to Internet resources, that can make existing compositions soon become obsolete or inadequate, hence in need of reconfiguration. This thesis proposes a novel middleware approach to comprehensively deal with Ubiquitous Internet facets and assist in establishing innovative application scenarios. We claim that a truly viable ubiquity support infrastructure must neatly decouple distributed resources to integrate and push any kind of content-related logic outside its core layers, by keeping only management and coordination responsibilities. Furthermore, we promote an innovative, open, and dynamic resource composition model that allows to easily describe and enforce complex scenario requirements, and to suitably react to changes in the execution conditions.

Specification and Verification of Declarative Open Interaction Models - A Logic-based framework

The advent of distributed and heterogeneous systems has laid the foundation for the birth of new architectural paradigms, in which many separated and autonomous entities collaborate and interact to the aim of achieving complex strategic goals, impossible to be accomplished on their own. A non exhaustive list of systems targeted by such paradigms includes Business Process Management, Clinical Guidelines and Careflow Protocols, Service-Oriented and Multi-Agent Systems. It is largely recognized that engineering these systems requires novel modeling techniques. In particular, many authors are claiming that an open, declarative perspective is needed to complement the closed, procedural nature of the state of the art specification languages. For example, the ConDec language has been recently proposed to target the declarative and open specification of Business Processes, overcoming the over-specification and over-constraining issues of classical procedural approaches. On the one hand, the success of such novel modeling languages strongly depends on their usability by non-IT savvy: they must provide an appealing, intuitive graphical front-end. On the other hand, they must be prone to verification, in order to guarantee the trustworthiness and reliability of the developed model, as well as to ensure that the actual executions of the system effectively comply with it. In this dissertation, we claim that Computational Logic is a suitable framework for dealing with the specification, verification, execution, monitoring and analysis of these systems. We propose to adopt an extended version of the ConDec language for specifying interaction models with a declarative, open flavor. We show how all the (extended) ConDec constructs can be automatically translated to the CLIMB Computational Logic-based language, and illustrate how its corresponding reasoning techniques can be successfully exploited to provide support and verification capabilities along the whole life cycle of the targeted systems.

Valutazione del rischio di incidente rilevante con contaminazione del suolo: il caso di un oleodotto.

Il presente lavoro di tesi si colloca nell’ambito della valutazione del rischio di incidente rilevante. Ai sensi della normativa europea (direttive Seveso) e del loro recepimento nella legislazione nazionale (D.Lgs. 334/99 e s.m.i.) un incidente rilevante è costituito da un evento incidentale connesso al rilascio di sostanze pericolose in grado di causare rilevanti danni all’uomo e/o all’ambiente. Ora, se da un lato esistono indici di rischio quantitativi per il bersaglio ”uomo” da tempo definiti e universalmente adottati nonché metodologie standardizzate e condivise per il loro calcolo, dall’altro non vi sono analoghi indici di rischio per il bersaglio “ambiente” comunemente accettati né, conseguentemente, procedure per il loro calcolo. Mancano pertanto anche definizioni e metodologie di calcolo di indici di rischio complessivo, che tengano conto di entrambi i bersagli citati dalla normativa. Al fine di colmare questa lacuna metodologica, che di fatto non consente di dare pieno adempimento alle stesse disposizioni legislative, è stata sviluppata all’interno del Dipartimento di Ingegneria Chimica, Mineraria e delle Tecnologie Ambientali dell’Università degli Studi di Bologna una ricerca che ha portato alla definizione di indici di rischio per il bersaglio “ambiente” e alla messa a punto di una procedura per la loro stima. L’attenzione è stata rivolta in modo specifico al comparto ambientale del suolo e delle acque sotterranee (falda freatica) ed ai rilasci accidentali da condotte di sostanze idrocarburiche immiscibili e più leggere dell’acqua, ovvero alle sostanze cosiddette NAPL – Non Acqueous Phase Liquid, con proprietà di infiammabilità e tossicità. Nello specifico si sono definiti per il bersaglio “ambiente” un indice di rischio ambientale locale rappresentato, punto per punto lungo il percorso della condotta, dai volumi di suolo e di acqua contaminata, nonché indici di rischio ambientale sociale rappresentati da curve F/Vsuolo e F/Sacque, essendo F la frequenza con cui si hanno incidenti in grado di provocare contaminazioni di volumi di suolo e di superfici di falda uguali o superiori a Vsuolo e Sacque. Tramite i costi unitari di decontaminazione del suolo e delle acque gli indici di rischio ambientale sociale possono essere trasformati in indici di rischio ambientale sociale monetizzato, ovvero in curve F/Msuolo e F/Macque, essendo F la frequenza con cui si hanno incidenti in grado di provocare inquinamento di suolo e di acque la cui decontaminazione ha costi uguali o superiori a Msuolo ed Macque. Dalla combinazione delle curve F/Msuolo e F/Macque è possibile ottenere la curva F/Mambiente, che esprime la frequenza degli eventi incidentali in grado di causare un danno ambientale di costo uguale o superiore a Mambiente. Dalla curva di rischio sociale per l’uomo ovvero dalla curva F/Nmorti, essendo F la frequenza con cui si verificano incidenti in grado di determinare un numero di morti maggiore o uguale ad Nmorti, tramite il costo unitario della vita umana VSL (Value of a Statistical Life), è possibile ottenete la curva F/Mmorti, essendo F la frequenza con cui si verificano incidenti in grado di determinare un danno monetizzato all’uomo uguale o superiore ad Mmorti. Dalla combinazione delle curve F/Mambiente ed F/Mmorti è possibile ottenere un indice di rischio sociale complessivo F/Mtotale, essendo F la frequenza con cui si verifica un danno economico complessivo uguale o superiore ad Mtotale. La procedura ora descritta è stata implementata in un apposito software ad interfaccia GIS denominato TRAT-GIS 4.1, al fine di facilitare gli onerosi calcoli richiesti nella fase di ricomposizione degli indici di rischio. La metodologia è stata fino ad ora applicata ad alcuni semplici casi di studio fittizi di modeste dimensioni e, limitatamente al calcolo del rischio per il bersaglio “ambiente”, ad un solo caso reale comunque descritto in modo semplificato. Il presente lavoro di tesi rappresenta la sua prima applicazione ad un caso di studio reale, per il quale sono stati calcolati gli indici di rischio per l’uomo, per l’ambiente e complessivi. Tale caso di studio è costituito dalla condotta che si estende, su un tracciato di 124 km, da Porto Marghera (VE) a Mantova e che trasporta greggi petroliferi. La prima parte del lavoro di tesi è consistita nella raccolta e sistematizzazione dei dati necessari alla stima delle frequenze di accadimento e delle conseguenze per l’uomo e per l’ambiente degli eventi dannosi che dalla condotta possono avere origine. In una seconda fase si è proceduto al calcolo di tali frequenze e conseguenze. I dati reperiti hanno riguardato innanzitutto il sistema “condotta”, del quale sono stati reperiti da un lato dati costruttivi (quali il diametro, la profondità di interramento, la posizione delle valvole sezionamento) e operativi (quali la portata, il profilo di pressione, le caratteristiche del greggio), dall’altro informazioni relative alle misure di emergenza automatiche e procedurali in caso di rilascio, al fine di stimare le frequenze di accadimento ed i termini “sorgente” (ovvero le portate di rilascio) in caso di rotture accidentali per ogni punto della condotta. In considerazione delle particolarità della condotta in esame è stata sviluppata una procedura specifica per il calcolo dei termini sorgente, fortemente dipendenti dai tempi degli interventi di emergenza in caso di rilascio. Una ulteriore fase di raccolta e sistematizzazione dei dati ha riguardato le informazioni relative all’ambiente nel quale è posta la condotta. Ai fini del calcolo del rischio per il bersaglio “uomo” si sono elaborati i dati di densità abitativa nei 41 comuni attraversati dall’oleodotto. Il calcolo dell’estensione degli scenari incidentali dannosi per l’uomo è stato poi effettuato tramite il software commerciale PHAST. Allo scopo della stima del rischio per il bersaglio “ambiente” è stata invece effettuata la caratterizzazione tessiturale dei suoli sui quali corre l’oleodotto (tramite l’individuazione di 5 categorie di terreno caratterizzate da diversi parametri podologici) e la determinazione della profondità della falda freatica, al fine di poter calcolare l’estensione della contaminazione punto per punto lungo la condotta, effettuando in tal modo l’analisi delle conseguenze per gli scenari incidentali dannosi per l’ambiente. Tale calcolo è stato effettuato con il software HSSM - Hydrocarbon Spill Screening Model gratuitamente distribuito da US-EPA. La ricomposizione del rischio, basata sui risultati ottenuti con i software PHAST e HSSM, ha occupato la terza ed ultima fase del lavoro di tesi; essa è stata effettuata tramite il software TRAT-GIS 4.1, ottenendo in forma sia grafica che alfanumerica gli indici di rischio precedentemente definiti. L’applicazione della procedura di valutazione del rischio al caso dell’oleodotto ha dimostrato come sia possibile un’analisi quantificata del rischio per l’uomo, per l’ambiente e complessivo anche per complessi casi reali di grandi dimensioni. Gli indici rischio ottenuti consentono infatti di individuare i punti più critici della condotta e la procedura messa a punto per il loro calcolo permette di testare l’efficacia di misure preventive e protettive adottabili per la riduzione del rischio stesso, fornendo al tempo gli elementi per un’analisi costi/benefici connessa all’implementazione di tali misure. Lo studio effettuato per la condotta esaminata ha inoltre fornito suggerimenti per introdurre in alcuni punti della metodologia delle modifiche migliorative, nonché per facilitare l’analisi tramite il software TRAT-GIS 4.1 di casi di studio di grandi dimensioni.

Studio parametrico del comportamento di opere di sostegno flessibili mediante modellazione numerica

Oggetto di questa tesi è lo studio parametrico del comportamento di paratie mediante modellazione numerica agli elementi finiti. Si è anche analizzato l’aspetto normativo relativo ad esse ed in particolare si è applicato il D.M. 2008 ad una paratia sottolineando le innovazioni nella progettazione geotecnica. Le paratie sono opere di sostegno flessibili interagenti con i fronti di scavo e costituite da una porzione fuori terra, soggetta a condizioni di spinta attiva, e una porzione interrata che contrappone la resistenza passiva del terreno. Le opere di sostegno flessibile si dividono in due categorie: diaframmi e palancole che differiscono molto fra loro sia per il materiale con cui sono realizzate, sia per la tecnica di messa in opera, sia per la geometria, ma hanno in comune il meccanismo di funzionamento. Sono stati illustrati i metodi di calcolo per lo studio delle paratie: metodi dell’equilibrio limite a rottura, metodi a molle e metodi agli elementi finiti. I metodi agli elementi finiti negli ultimi anni hanno avuto maggior successo grazie alla possibilità di definire il modello costitutivo sforzi-deformazioni, le condizioni al contorno e le condizioni iniziali. Esistono numerosi programmi di calcolo che si basano sul metodo agli elementi finiti, tra i quali è da annoverare il programma Plaxis che viene molto usato grazie alla presenza di vari modelli costitutivi in grado di simulare il comportamento del terreno. Tra i legami costitutivi presenti nel programma Plaxis, sono stati presi in esame il modello Mohr-Coulomb, l’Hardening model e il Soft Soil Creep model e sono poi stati applicati per eseguire uno studio parametrico del comportamento delle paratie. Si è voluto comprendere la sensibilità dei modelli al variare dei parametri inseriti nel programma. In particolare si è posta attenzione alla modellazione dei terreni in base ai diversi modelli costitutivi studiando il loro effetto sui risultati ottenuti. Si è inoltre eseguito un confronto tra il programma Plaxis e il programma Paratie. Quest’ultimo è un programma di calcolo che prevede la modellazione del terreno con molle elasto-plastiche incrudenti. Il lavoro di tesi viene illustrato in questo volume come segue: nel capitolo 1 si analizzano le principali caratteristiche e tipologie di paratie mettendo in evidenza la complessità dell’analisi di queste opere e i principali metodi di calcolo usati nella progettazione, nel capitolo 2 si è illustrato lo studio delle paratie secondo le prescrizioni del D.M. 2008. Per comprendere l’argomento è stato necessario illustrare i principi base di questo decreto e le caratteristiche generali del capitolo 6 dedicato alla progettazione geotecnica. Le paratie sono poi state studiate in condizioni sismiche secondo quanto previsto dal D.M. 2008 partendo dall’analisi degli aspetti innovativi nella progettazione sismica per poi illustrare i metodi pseudo-statici utilizzati nello studio delle paratie soggette ad azione sismica. Nel capitolo 3 si sono presi in esame i due programmi di calcolo maggiormente utilizzati per la modellazione delle paratie: Paratie e Plaxis. Dopo aver illustrato i due programmi per comprenderne le potenzialità, i limiti e le differenze, si sono analizzati i principali modelli costituitivi implementati nel programma Plaxis, infine si sono mostrati alcuni studi di modellazione presenti in letteratura. Si è posta molta attenzione ai modelli costitutivi, in particolare a quelli di Mohr-Coulomb, Hardening Soil model e Soft Soil Creep model capaci di rappresentare il comportamento dei diversi tipi di terreno. Nel capitolo 4, con il programma Plaxis si è eseguita un’analisi parametrica di due modelli di paratie al fine di comprendere come i parametri del terreno, della paratia e dei modelli costitutivi condizionino i risultati. Anche in questo caso si è posta molta attenzione alla modellazione del terreno, aspetto che in questa tesi ha assunto notevole importanza. Dato che nella progettazione delle paratie è spesso utilizzato il programma Paratie (Ceas) si è provveduto ad eseguire un confronto tra i risultati ottenuti con questo programma con quelli ricavati con il programma Plaxis. E’ stata inoltra eseguita la verifica della paratia secondo le prescrizioni del D.M. 2008 dal momento che tale decreto è cogente.

Palladio digitale. Studio e ricostruzione di un progetto palladiano : villa Mocenigo.

L’obiettivo che l’elaborato si prefigge consiste nel dar forma ad un progetto palladiano rimasto sulla carta attraverso l’utilizzo delle tecnologie informatiche. Nello specifico si è ricostruita Villa Mocenigo in forma tridimensionale attraverso uno schizzo del progetto fatto su carta dallo stesso Palladio nel 1550. Lo schizzo della pianta, conservato al RIBA di Londra, anticiperebbe il successivo progetto finale pubblicato ne “I Quattro Libri dell’Architettura” ma rimasto comunque incompiuta. Il linguaggio di base utilizzato per la definizione dell’ipotesi progettuale del modello 3D è stato attinto dalle regole generali di proporzionamento “alla maniera degli antichi” che lo stesso Architetto illustra nel suo trattato. Al fine di rendere l’ipotesi ricostruttiva il più possibile in linea con il metodo di proporzionamento palladiano, come esercitazione, si è partiti dallo studio preparatorio di un altro progetto: Villa Sarego, edificata solo in parte. A partire quindi dalla ricostruzione 3D basata sui disegni dei rilievi eseguiti dal CISAAP è stata avanzata l’ipotesi di ricostruzione totale della villa, completa della parte incompiuta. Lo studio sintetizzato in questo elaborato ha anche riguardato: la composizione architettonica e lo studio delle regole proporzionali evolutesi nel tempo; il processo di digitalizzazione e archiviazione delle opere palladiane e i progetti attualmente in corso; escursus storico sulle ville romane; le opera di Palladio, costruite e progettate.

Viserbella: la nuova spiaggia

Questa tesi di laurea si pone in continuità rispetto all’esperienza maturata nel Laboratorio di Sintesi Finale di Urbanistica “Spiagge urbane. Paesaggi, luoghi, architetture nella città balneare adriatica”. Nel corso del Laboratorio è stata condotta una riflessione sulle possibili strategie di “dedensificazione” della località balneare di Viserbella, nella Riviera di Rimini. La tesi è quindi l’occasione per ripensare lo sviluppo e la trasformazione di una parte del litorale riminese, creando una città balneare capace di conferire un’impronta indelebile nel tessuto esistente. L’esigenza di “dedensificare” nasce per dare una concreta risposta ad un incontrollato sviluppo turistico che ha creato contemporaneamente l’affascinante prodotto che è la costa romagnola, e il tessuto completamente saturo e senza alcuna pianificazione urbanistica, sviluppatosi, per lo più, tra la linea di costa e la linea ferroviaria. La storia di Viserbella, posta tra Torre Pedrera e Viserba, inizia nei primi decenni del Novecento, ma il vero sviluppo, legato al boom turistico, avviene negli anni Cinquanta, quando la località si satura di edifici, alcuni dei quali di scarso valore architettonico e collocati sull’arenile, e di infrastrutture inefficienti. Lo studio dell’area di progetto si articola in quattro fasi. La prima riguarda l’analisi territoriale della costa romagnola compresa tra Cesenatico e Cattolica, con un raffronto particolare tra la piccola località e la città di Rimini. La seconda parte è volta a ricostruire, invece, le fasi dello sviluppo urbano dell’agglomerato. La ricerca bibliografica, archivistica, cartografica e le interviste agli abitanti ci hanno permesso la ricostruzione della storia di Viserbella. La terza parte si concentra sull’analisi urbana, territoriale, ambientale e infrastrutturale e sull’individuazione delle criticità e delle potenzialità della località determinate, in particolar modo, dai sopraluoghi e dai rilievi fotografici. Basilari sono state, in questo senso, le indagini svolte tra i residenti che ci hanno mostrato le reali necessità e le esigenze della località e il raffronto con gli strumenti urbanistici vigenti. La fase di ricerca è stata seguita da diversi docenti e professionisti che hanno lavorato con noi per approfondire diversi aspetti come i piani urbanistici, lo studio del paesaggio e dell’area. Con i risultati ottenuti dalle indagini suddette abbiamo redatto il metaprogetto alla scala urbana che identifica le strategie di indirizzo attraverso le quali si delineano le azioni di programmazione, finalizzate al raggiungimento di un risultato. La conoscenza del territorio, le ricerche e le analisi effettuate, permettono infatti di poter operare consapevolmente nella quarta fase: quella progettuale. Il progetto urbanistico di “dedensificazione” per la località di Viserbella ha come presupposto primario la sostituzione dell’attuale linea ferroviaria Rimini-Ravenna con una linea a raso che migliori i collegamenti con le località vicine e la qualità della vita, dando ulteriori possibilità di sviluppo all’insediamento oltre la ferrovia. Da questo emergono gli altri obiettivi progettuali tra cui: riqualificare l’area a monte della ferrovia che attualmente si presenta degradata e abbandonata; rafforzare e creare connessioni tra entroterra e litorale; riqualificare il tessuto esistente con l’inserimento di spazi pubblici e aree verdi per la collettività; “restituire” la spiaggia al suo uso tradizionale, eliminando gli edifici presenti sull’arenile; migliorare i servizi esistenti e realizzarne di nuovi allo scopo di rinnovare la vita della collettività e di creare spazi adeguati alle esigenze di tutti. Restituire un’identità a questo luogo, è l’intento primario raggiungibile integrando gli elementi artificiali con quelli naturali e creando un nuovo skyline della città. La progettazione della nuova Viserbella pone le basi per forgiare degli spazi urbani e naturali vivibili dagli abitanti della località e dai turisti, sia in estate che in inverno.