Approccio network-based alla discriminant analysis mediante HPC per la ricerca di signature ottimali in dati ad alta dimensionalità

Il presente lavoro di tesi si inserisce nell’ambito della classificazione di dati ad alta dimensionalità, sviluppando un algoritmo basato sul metodo della Discriminant Analysis. Esso classifica i campioni attraverso le variabili prese a coppie formando un network a partire da quelle che hanno una performance sufficientemente elevata. Successivamente, l’algoritmo si avvale di proprietà topologiche dei network (in particolare la ricerca di subnetwork e misure di centralità di singoli nodi) per ottenere varie signature (sottoinsiemi delle variabili iniziali) con performance ottimali di classificazione e caratterizzate da una bassa dimensionalità (dell’ordine di 101, inferiore di almeno un fattore 103 rispetto alle variabili di partenza nei problemi trattati). Per fare ciò, l’algoritmo comprende una parte di definizione del network e un’altra di selezione e riduzione della signature, calcolando ad ogni passaggio la nuova capacità di classificazione operando test di cross-validazione (k-fold o leave- one-out). Considerato l’alto numero di variabili coinvolte nei problemi trattati – dell’ordine di 104 – l’algoritmo è stato necessariamente implementato su High-Performance Computer, con lo sviluppo in parallelo delle parti più onerose del codice C++, nella fattispecie il calcolo vero e proprio del di- scriminante e il sorting finale dei risultati. L’applicazione qui studiata è a dati high-throughput in ambito genetico, riguardanti l’espressione genica a livello cellulare, settore in cui i database frequentemente sono costituiti da un numero elevato di variabili (104 −105) a fronte di un basso numero di campioni (101 −102). In campo medico-clinico, la determinazione di signature a bassa dimensionalità per la discriminazione e classificazione di campioni (e.g. sano/malato, responder/not-responder, ecc.) è un problema di fondamentale importanza, ad esempio per la messa a punto di strategie terapeutiche personalizzate per specifici sottogruppi di pazienti attraverso la realizzazione di kit diagnostici per l’analisi di profili di espressione applicabili su larga scala. L’analisi effettuata in questa tesi su vari tipi di dati reali mostra che il metodo proposto, anche in confronto ad altri metodi esistenti basati o me- no sull’approccio a network, fornisce performance ottime, tenendo conto del fatto che il metodo produce signature con elevate performance di classifica- zione e contemporaneamente mantenendo molto ridotto il numero di variabili utilizzate per questo scopo.

Studio di fattibilità di una protesi di piede realizzata con fibra di carbonio a basso costo

Il mondo dei materiali compositi è in continua espansione, e sono sempre di più le aziende che richiedono componenti prodotti con questi materiali, uno dei quali è la fibra di carbonio. Tali aziende producono inevitabilmente scarti di lavorazione derivanti dal taglio di sagome dai fogli di fibra di carbonio; questi ritagli rappresentano ancora una buona materia prima, che, se ben conservata, può essere utilizzata per la fabbricazione di prodotti secondari. Così facendo sarà possibile ridurre il costo di smaltimento della fibra, e, al contempo, ottenere manufatti in fibra di carbonio a basso costo. È in questo contesto che rientra il lavoro e la ricerca di questo elaborato il cui obbiettivo è riutilizzare gli sfridi di lavorazione per realizzare protesi di piede a basso costo in fibra di carbonio. Un ulteriore attenzione è stata posta al metodo di fabbricazione della protesi, il quale deve risultare semplice da realizzare. Per questa ragione si è deciso che la pressione durante la cottura fosse da applicare per via meccanica, attraverso la presenza di uno stampo e di un controstampo, serrati tramite collegamenti bullonati. Nell’elaborato sarà descritto il lavoro svolto per l’ottenimento della forma e della disposizione degli strati di fibra di carbonio, basato su simulazione di modelli ad elementi finiti, che ha condotto alle migliori sagome e al miglior orientamento delle fibre negli strati di materiale composito. Sarà inoltre illustrato il metodo utilizzato per ottenere lo stampo, e le procedure da seguire per la realizzazione del prototipo di protesi. Saranno infine illustrati i risultati ottenuti dalle prove di caratterizzazione di due prototipi differenti, uno ottenuto con fibre intere, e uno realizzato con fibre corte.

Modellazione e simulazione di particelle 'attive' in matrici liquido-cristalline

In questo lavoro di tesi si sono sviluppati un modello molecolare ed una metodologia Molecular Dynamics in grado di simulare il comportamento di particelle attive, alimentate da un motore molecolare, in matrici liquido-cristalline. In particolare, abbiamo sviluppato un metodo di calcolo della temperatura traslazionale ed un algoritmo di termalizzazione compatibili con le condizioni di non-equilibrio del sistema. Dall’analisi delle prove condotte sono emerse variazioni significative nei comportamenti collettivi dei campioni quali segregazioni e flussi coerenti caratterizzati da un alto grado di ordine nematico. Il modello proposto, pur nella nella sua semplicità, può costituire una base per future e più specifiche simulazioni.

Dimensionamento di una pinna da windsurf mediante tecniche di ottimizzazione

Nel presente lavoro viene trattato il problema del dimensionamento di una pinna da windsurf con l’ottica di massimizzarne le prestazioni idrodinamiche. Il sistema windsurf è stato analizzato e su questo studio è stato sviluppato un modello utile a ricavare condizioni dimensionanti per la pinna. Facendo uso del metodo Monte Carlo è stato elaborato un modello di ottimizzazione dei parametri geometrici e aerodinamici della pinna, e su tale configurazione di pinna è stato eseguito un calcolo dei principali carichi strutturali. I modelli sono stati testati per due date condizione operativa del windsurf e i risultati confrontati.

Vulnerabilità sismica di edifici in muratura: Confronti tra metodi di valutazione

Lo scopo principale di questa tesi di laurea è la valutazione della vulnerabilità sismica di un edificio esistente in muratura portante. In particolare si è esaminato il corpo Est del padiglione 19 del complesso ospedaliero San’Orsola-Malpighi di Bologna. Dopo una prima fase di conoscenza dell’edificio, attraverso sopralluoghi e tramite gli elaborati forniti dall’ufficio tecnico dell’ospedale, si è passati alla modellazione ad elementi finiti mediante il programma di calcolo Sap2000. Mediante modellazione manuale e modellazione FEM sono state eseguite prima le analisi lineari (statiche e dinamiche) e successivamente l’analisi statica non lineare. L’analisi lineare è stata condotta attraverso i tre livelli di analisi sismiche (LV1, LV2, LV3). Nel caso dell’analisi non lineare, si sono studiati prima i singoli maschi murari con modello a mensola e alla Grinter, poi pareti monopiano senza e con fasce di piano. L’analisi della struttura, infine, è stata svolta analizzando pareti multipiano soggette a due differenti distribuzioni di forze orizzontali, confrontando la domanda di spostamento, indotta dall’azione sismica, con la capacità di spostamento della struttura stessa. La tesi si conclude con considerazioni finali in merito ad analogie e differenze riscontrate nei due metodi di analisi utilizzati.

Previsione della disposizione dei tessuti nella laminazione di compositi su stampo

A seconda della forma del modello da realizzare, durante la laminazione su stampo le fibre di cui è composto un materiale composito si dispongono in maniera differente rispetto alla trama originale del tessuto. In questo lavoro di tesi, dopo una descrizione dei materiali compositi, dei processi di produzione e dei metodi implementati attualmente per la loro simulazione in codici di calcolo commerciali, si concentra l'attenzione su un metodo di modellazione dei tessuti, chiamato metodo di Verlet, che consente di studiare la disposizione di un tessuto che si adagia su un corpo di forma qualsiasi, tenendo in conto le deformazioni delle fibre. La tesi si conclude con alcune considerazioni sulla problematica affrontata e sui risultati ottenuti.

La rovina del giocatore: Analisi matematica di alcune dinamiche del gioco d'azzardo

La tesi introduce il problema matematico della rovina del giocatore dopo un'introduzione storica relativa allo sviluppo del gioco d'azzardo ed alla sua concezione sociale. Segue un'analisi di alcuni particolari giochi con un approfondimento sul calcolo della probabilità di vittoria e sul gioco equo. Infine sono introdotti alcuni preliminari matematici relativi alla misura, alle successioni di Bernoulli ed alle leggi dei grandi numeri, necessari per comprendere il problema.

Il teorema di Chebyshev

Dopo aver introdotto alcune nozioni della teoria della probabilità, ho esposto il teorema di Chebyshev ed alcuni teoremi ad esso collegati. Ho infine analizzato un'applicazione legata alle strategie d'investimento.

Tecniche di rigenerazione del fluido di dialisi per trattamenti di sostituzione renale eco-sostenibili

Il riscaldamento globale e i cambiamenti climatici ci portano ad adottare atteggiamenti molto più rispettosi nei confronti dell'ambiente facendo un punto fermo della salvaguardia delle risorse naturali. In ambito di dialisi, tuttavia, il consumo idrico sembra ampiamente ignorato dalle questioni relative ai rifiuti medici creati da un'unica apparecchiatura. Se stimiamo una popolazione che riceve cure dialitiche di circa 2 milioni di pazienti in tutto il mondo, allora un "servizio di dialisi mondiale" avrebbe utilizzato circa 156 miliardi di litri di acqua. L’obiettivo di questo elaborato è fornire informazioni riguardo alle ultime tecniche in ambito di emodialisi per la progettazione di un sistema di eco-dialisi finalizzato alla riduzione del consumo idrico associato alla terapia.

Studio di un nuovo sistema angiotermografico tridimensionale per la diagnostica del tumore al seno.

L’angiotermografia dinamica (DATG) è una tecnica diagnostica per il tumore al seno non invasiva e che non richiede l'utilizzo di radiazioni ionizzanti. La strumentazione fornisce immagini della vascolarizzazione della mammella rilevate e visualizzate da tre placche a cristalli liquidi. Le immagini, sulla base della teoria della neoangiogenesi, permettono la diagnosi anche precoce del tumore al seno. Inoltre, la DATG può essere impiegata su donne di ogni età e grazie al suo basso costo può coadiuvare le altre tecniche per lo screening. Scopo di questo lavoro è la caratterizzazione della strumentazione e lo studio di un nuovo metodo di elaborazione che permetta di ottenere immagini tridimensionali della vascolarizzazione. Poiché le immagini fornite dalla DATG sono a colori, si è elaborato il calcolo della tonalità (hue) per poter avere un valore da mettere in relazione con la temperatura misurata con una termocamera. Sperimentalmente è stato osservato che le placche rispondono a temperature comprese rispettivamente tra 31,5°C e 34,0°C per quella con cornice bianca, con una risoluzione tra 0,50 e 1,50 mm, tra 32,5oC e 34,5°C per quella con cornice grigia, che è in grado di rivelare dettagli con dimensioni minime dell'ordine di 0,50-2,50 mm e tra 34,0°C e 36,5°C per quella con cornice nera, con una risoluzione compresa tra 0,25 mm e 1,50 mm. Le immagini fornite dalla DATG sono bidimensionali. Per ricavare l’informazione sulla profondità di provenienza del segnale, è stata acquisita una sequenza dinamica angiotermografica in vivo. Per ottenere la distribuzione spaziale della vascolarizzazione in tre dimensioni, sulla base dell’equazione del trasporto del calore di Fourier, è stata ipotizzata una relazione esponenziale tra contributo temporale nella formazione dell’immagine e profondità di provenienza del segnale. I primi test sperimentali mostrano con buona approssimazione che è possibile ottenere immagini tridimensionali angiotermografiche, anche se il metodo andrà ulteriormente affinato. In futuro si cercherà di realizzare dei fantocci dedicati che consentano di verificare ulteriormente la modalità con cui si formano le immagini e di sfruttare i dati raccolti per conoscere con maggior accuratezza la profondità da cui proviene il segnale. Si spera, infine, che questo studio possa contribuire a diffondere la conoscenza di tale metodica e il suo utilizzo sia per la diagnosi che per lo screening del tumore al seno.

Analisi di facies e stratigrafia dei depositi tardo-quaternari della Pianura Padana centrale

La ricostruzione dettagliata dell’architettura stratigrafica e delle facies delle successioni tardo-quaternarie sepolte al di sotto delle pianure alluvionali moderne sta assumendo un’importanza crescente come strumento per le ricostruzioni paleoambientali e paleoclimatiche e per la correlazione dei sistemi deposizionali continentali e costieri, finalizzata alla caratterizzazione geometrica di corpi sedimentari che rappresentano potenziali serbatoi. Un impulso significativo verso la caratterizzazione dell’architettura stratigrafica dei depositi tardo-quaternari del Bacino Padano è stato fornito, negli ultimi quindici anni, da un’intensa campagna di perforazioni operata dal Servizio Geologico, Sismico e dei Suoli di Regione Emilia-Romagna, nell’ambito della realizzazione della Carta geologica d’Italia in scala 1:50.000. Tuttavia, per ottenere un numero sufficiente di informazioni stratigrafiche è necessario un dataset molto esteso e le perforazioni (sondaggi a carotaggio continuo) presentano costi estremamente elevati. I limiti operativi delle descrizioni dei sondaggi a carotaggio continuo possono essere superati utilizzando metodi indiretti che si basano sullo sfruttamento delle proprietà geotecniche dei depositi tardo-quaternari. In questo lavoro di tesi l’analisi delle caratteristiche geotecniche delle prove CPTU è stata sfruttata per caratterizzare le associazioni di facies della Pianura Padana centrale. Una dettagliata analisi dei log stratigrafici e, in particolare, delle curve di resistenza delle prove CPTU inserite nelle sezioni, la costruzione di sezioni stratigrafiche e un meticoloso lavoro di correlazione basato su 19 datazioni radiometriche, ha rivelato una serie di paleosuoli (inceptisuoli) impilati nei 50-60 m più superficiali della successione tardo-quaternaria della Pianura Padana centrale; questi paleosuoli rappresentano l’unico marker stratigrafico all’interno di una successione costituita prevalentemente da depositi argillosi uniformi. L’analisi delle caratteristiche geotecniche di alcuni paleosuoli e dei loro rapporti con la channel belt del Fiume Po risulta fondamentale per comprendere l’evoluzione recente del Bacino Padano e le caratteristiche geometriche dei corpi sedimentari finalizzata allo sfruttamento di potenziali risorse fluide sotterranee.

Progettazione e realizzazione di servizi e applicativi con architettura REST in ambito sanitario

Le patologie croniche quali nefropatie, obesità, cardiopatie e diabete, nelle prime fasi del loro sviluppo sono asintomatiche. È stato realizzato un'applicativo web, denominato Viewpoint, in grado di prevedere l'insorgenza dell'insufficienza renale cronica, a partire dai risultati delle analisi di laboratorio, per poter applicare un'azione di prevenzione sui pazienti. Il sistema si avvale di risorse REST e utilizza l'architettura EJB. In particolare, è stata curata la sezione analitica, in grado di visualizzare dati aggregati ed effettuare analisi what-if sul numero dei pazienti e sulle risorse dispensate dal SSN.

Tasso di fuga per perturbazioni aperte di sistemi dinamici caotici

Si dimostra che una classe di trasformazioni espandenti a tratti sull'intervallo unitario soddisfa le ipotesi di un teorema di analisi funzionale contenuto nell'articolo "Rare Events, Escape Rates and Quasistationarity: Some Exact Formulae" di G. Keller e C. Liverani. Si considera un sistema dinamico aperto, con buco di misura epsilon. Se al diminuire di epsilon i buchi costituiscono una famiglia decrescente di sottointervalli di I, e per epsilon che tende a zero essi tendono a un buco formato da un solo punto, allora il teorema precedente consente di dimostrare la differenziabilità del tasso di fuga del sistema aperto, visto come funzione della dimensione del buco. In particolare, si ricava una formula esplicita per l'espansione al prim'ordine del tasso di fuga .

Sviluppo e ottimizzazione di algoritmi per predire la risposta alla terapia di resincronizzazione cardiaca

La necessità di indagine sul fronte dell’insufficienza cardiaca deriva dall’elevato impatto sociale della patologia, non soltanto per l’effetto invalidante sulla condizione del paziente che ne è affetto, bensì anche per la notevole incidenza sui servizi sanitari nazionali, per l’importante valore di mortalità e morbilità che ne è associato. Il numero di ospedalizzazioni per scompenso cardiaco è consistente; ciò rende ragione dell’elevato assorbimento di risorse dovuto a questa patologia. Il razionale dell’impiego della Terapia di Resincronizzazione Cardiaca (CRT) consiste nella correzione della dissincronia cardiaca come causa di disfunzione meccanica atriale e ventricolare. Il metodo analitico sviluppato origina dalle indagini sugli spostamenti dell’elettrocatetere posizionato in Seno Coronarico, sulla base del fatto che il sito di stimolazione risulta un fattore determinante per la buona risposta alla terapia. Dovendo studiare le posizioni nel tempo del catetere, si è pensato di valutarne le variazioni nel periodo pre e post attivazione della CRT ricostruendone la traiettoria in 3D. Lo studio parametrico di quest’ultima ha permesso di individuare un indice predittore della risposta alla CRT al follow-up a sei mesi. La prosecuzione della ricerca presentata ha l’intento di migliorare gli algoritmi di elaborazione dei dati per rendere più robuste le misure, sfruttando tecniche che possano aumentare riproducibilità, ripetibilità, e ininfluenza rispetto alla variabilità delle condizioni analitiche. Sviluppando nuovi modelli si è eliminata l'interazione dell'operatore nelle fasi d'indagine, rendendo le analisi completamente automatiche. I metodi sono stati testati e applicati.

Studio di fattibilità di un ausilio di manipolazione per persone con deficit all'arto superiore

Partendo da uno studio preliminare riguardante le specifiche di progetto, è stato sviluppato un dispositivo di supporto statico atto all’ausilio di persone con deficit all’arto superiore. Il dispositivo è stato pensato per permettere il bloccaggio (sul piano o nello spazio) di una determinata categoria di oggetti, in modo da rendere possibile ai soggetti ai quali è indirizzato tutta una serie di mansioni, per loro altrimenti impossibili o comunque molto difficili da svolgere. Il dispositivo, completo di ogni sua parte, è stato disegnato al CAD, ne è stato spiegato il funzionamento qualitativo ed è stato sviluppato un modello matematico grazie al quale è possibile il calcolo di alcune variabili in gioco, in particolare del valore delle costanti elastiche delle molle presenti.