Algoritmi di ricostruzione di immagini per sistemi a microonde dedicati all'imaging della mammella

Lo scopo di questa tesi è quello di presentare alcuni degli algoritmi di ricostruzione utilizzati nei sistemi a microonde per l'imaging della mammella. Sebbene, la mammografia a raggi X sia la tecnica che a oggi presenta le migliori caratteristiche per la rilevazione di lesioni tumorali ai tessuti del seno, la compressione necessaria nel processo di imaging e la probabilità non trascurabile di falsi negativi hanno portato alla ricerca e allo sviluppo di metodi alternativi di imaging alla mammella. Tra questi, l'imaging attraverso microonde sfrutta la differenza delle proprietà dielettriche tra tessuto sano e tumorale. Nel seguente elaborato verrà descritto come è ottenuta l'immagine dell'interno della mammella attraverso gli algoritmi di ricostruzione utilizzati da vari prototipi di sistemi di imaging. Successivamente verranno riportati degli esempi che mostrano i risultati ottenuti attraverso simulazioni o, quando possibile, in ambiente clinico.

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.

Laplace operator on finite graphs and a network diffusion model for the progression of the Alzheimer disease

Nella tesi viene descritto il Network Diffusion Model, ovvero il modello di A. Ray, A. Kuceyeski, M. Weiner inerente i meccanismi di progressione della demenza senile. In tale modello si approssima l'encefalo sano con una rete cerebrale (ovvero un grafo pesato), si identifica un generale fattore di malattia e se ne analizza la propagazione che avviene secondo meccanismi analoghi a quelli di un'infezione da prioni. La progressione del fattore di malattia e le conseguenze macroscopiche di tale processo(tra cui principalmente l'atrofia corticale) vengono, poi, descritte mediante approccio matematico. I risultati teoretici vengono confrontati con quanto osservato sperimentalmente in pazienti affetti da demenza senile. Nella tesi, inoltre, si fornisce una panoramica sui recenti studi inerenti i processi neurodegenerativi e si costruisce il contesto matematico di riferimento del modello preso in esame. Si presenta una panoramica sui grafi finiti, si introduce l'operatore di Laplace sui grafi e si forniscono stime dall'alto e dal basso per gli autovalori. Al fine di costruire una cornice matematica completa si analizza la relazione tra caso discreto e continuo: viene descritto l'operatore di Laplace-Beltrami sulle varietà riemanniane compatte e vengono fornite stime dall'alto per gli autovalori dell'operatore di Laplace-Beltrami associato a tali varietà a partire dalle stime dall'alto per gli autovalori del laplaciano sui grafi finiti.

Comprendere le "cose della finanza": il termine cdo nella stampa italiana e tedesca

L’esplosione della crisi nel 2007 ha contribuito alla diffusione di numerosi termini e concetti afferenti al dominio nella finanza strutturata non solo nelle pagine dei quotidiani specializzati, ma anche di quelli generalisti, producendo uno straniante «sentimento neologico» che ha accresciuto il senso di inaccessibilità e soggezione che in molti nutrono nei riguardi delle “cose della finanza” e delle notizie economiche, percepite come ostiche e incomprensibili. Questo lavoro mira a dimostrare che le cause di questo imperante senso di smarrimento di fronte all’informazione economica sono da addurre a più fattori: alla comune scarsa dimestichezza con il linguaggio e le “cose della finanza” dei cittadini; alla complessità dei concetti che i termini in questione veicolano e alla maniera in cui essi vengono presentati dalla vulgata giornalistica. Questa tesi si articola in quattro capitoli: nel primo si discute del tirocinio svolto presso la DGT della Commissione Europea, che ha fornito degli utili spunti per la stesura del presente lavoro; nel secondo si evidenzia l’importanza di una corretta educazione finanziaria per la formazione di una cittadinanza consapevole, in grado alimentare un sistema finanziario sano. Nel terzo capitolo si discute di finanza strutturata, volgendo particolare attenzione al CDO, di cui anche la Consob ha sottolineato l’intrinseca complessità e che ha assunto un ruolo da protagonista nell’esplosione della crisi dei mutui subprime. Nel quarto capitolo si delinea un breve quadro dell’informazione finanziaria in Italia e in Germania; mediante l’analisi di due corpora comparabili e diacronici si mira, infine, a osservare in che modo i giornali, nel corso degli anni, hanno veicolato il concetto che sottende al termine CDO rintracciando, contestualmente, similarità e differenze tra la stampa generalista e quella specializzata e tra i quotidiani tedeschi e quelli italiani.

Sistemi a microonde per imaging della mammella: proprietà dielettriche dei tessuti e mezzi di accoppiamento

Le tecniche di imaging al seno per la rilevazione di tumori stanno interessando un notevole numero di gruppi di ricerca in campo biomedico soprattutto negli ultimi anni. In particolare si cercano metodologie innovative in quanto le attuali tecniche già sviluppate e utilizzate in campo clinico, mammografia a raggi X e risonanza magnetica (MRI), presentano alcuni limiti. Questa tesi si focalizzerà in particolare su una di queste tecniche emergenti: l’imaging a microonde (MWI). Questo metodo infatti, limita notevolmente i costi, evita disagi per la paziente come la compressione del seno, penetra in modo ottimale nei tessuti e non li ionizza. La MWI si basa sulle diverse proprietà dielettriche, permittività e conduttività, dei vari tessuti che costituiscono la mammella, in particolare tra tessuto sano e maligno. Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare tali proprietà dielettriche, le diversità che i vari tessuti presentano e come tutto ciò venga sfruttato per ottenere l’imaging della mammella. In particolare questo lavoro si propone di riportare e analizzare i principali studi sui tessuti biologici della mammella compiuti nel corso degli anni riguardo queste proprietà dielettriche e i rispettivi risultati ottenuti. Si tratteranno inoltre i mezzi di accoppiamento: soluzioni in cui è immerso l’assetto antenne-oggetto che minimizzano la riflessione del segnale sulla pelle e assicurano una migliore qualità di immagine.

Estrazione di parametri elettromiografici per la quantificazione di un percorso riabilitativo basato su elettroterapia

L'elettromiografia di superficie (sEMG) è la tecnica non invasiva che si occupa della misura e analisi dell'attività elettrica associata alla contrazione del muscolo scheletrico, che viene prelevata tramite elettrodi superficiali. Si vuole dimostrare come questa metodologia rappresenti un valido strumento di monitoraggio quantitativo da affiancare ad un trattamento di elettroterapia. Si sono effettuate rilevazioni elettromiografiche su sette pazienti presso centri fisioterapici e si sono estratti una serie di parametri numerici dal segnale elettromiografico (Media Lavoro, Media Riposo, Deviazione Lavoro, Deviazione Riposo, Tempo Inizio, Tempo Rilassamento, MVC, IEMG) in grado di fornire una misura oggettiva dell'andamento del percorso di riabilitazione. Con il test statistico ANOVA per misure ripetute si è visto come alcuni di questi parametri subiscono miglioramenti statisticamente significativi in seguito alla terapia. Dopo aver messo in evidenza l'impossibilità di estrarre il segnale grezzo, quindi effettuare un'analisi in frequenza, si è proposta un'elaborazione completa del segnale elettromiografico a partire da un tracciato grezzo acquisito su un soggetto sano, mostrando in particolare la possibilità di calcolare ulteriori parametri in frequenza. Si è inoltre sottolineata la necessità di ripetere uno studio analogo su un gruppo di soggetti superiore e che preveda il monitoraggio dell'impedenza di contatto elettrodo-cute.

MR spectroscopy in human prostate: in vitro and in vivo measurements to optimize new quantification algorithms

Il cancro della prostata (PCa) è il tumore maligno non-cutaneo più diffuso tra gli uomini ed è il secondo tumore che miete più vittime nei paesi occidentali. La necessità di nuove tecniche non invasive per la diagnosi precoce del PCa è aumentata negli anni. 1H-MRS (proton magnetic resonance spectroscopy) e 1H-MRSI (proton magnetic resonance spectroscopy imaging) sono tecniche avanzate di spettroscopia in risonanza magnetica che permettono di individuare presenza di metaboliti come citrato, colina, creatina e in alcuni casi poliammine in uno o più voxel nel tessuto prostatico. L’abbondanza o l’assenza di uno di questi metaboliti rende possibile discriminare un tessuto sano da uno patologico. Le tecniche di spettroscopia RM sono correntemente utilizzate nella pratica clinica per cervello e fegato, con l’utilizzo di software dedicati per l’analisi degli spettri. La quantificazione di metaboliti nella prostata invece può risultare difficile a causa del basso rapporto segnale/rumore (SNR) degli spettri e del forte accoppiamento-j del citrato. Lo scopo principale di questo lavoro è di proporre un software prototipo per la quantificazione automatica di citrato, colina e creatina nella prostata. Lo sviluppo del programma e dei suoi algoritmi è stato portato avanti all’interno dell’IRST (Istituto Romagnolo per lo Studio e la cura dei Tumori) con l’aiuto dell’unità di fisica sanitaria. Il cuore del programma è un algoritmo iterativo per il fit degli spettri che fa uso di simulazioni MRS sviluppate con il pacchetto di librerie GAMMA in C++. L’accuratezza delle quantificazioni è stata testata con dei fantocci realizzati all’interno dei laboratori dell’istituto. Tutte le misure spettroscopiche sono state eseguite con il nuovo scanner Philips Ingenia 3T, una delle machine di risonanza magnetica più avanzate per applicazioni cliniche. Infine, dopo aver eseguito i test in vitro sui fantocci, sono stati acquisiti gli spettri delle prostate di alcuni volontari sani, per testare se il programma fosse in grado di lavorare in condizioni di basso SNR.

La risonanza magnetica per la valutazione della funzionalità renale in pazienti affetti da malattia policistica

Scopo. La risonanza magnetica (RM) in diffusione (Diffusion Weighted imaging DWI) permette di ottenere dati quantitativi sul movimento dei protoni liberi in acqua mediante la valutazione di alcuni parametri tra cui il coefficiente di diffusione apparente (Apparent Diffusion Coefficient ADC). Questo parametro potrebbe essere usato per differenziare i diversi tipi di tessuti (cisti di diverso tipo, parenchima sano, parenchima non più funzionante, …) e stabilire il danno renale. Lo scopo del presente lavoro è quello di valutare la correlazione tra il valore di ADC e il tessuto renale al fine di verificare la potenziale capacità di questo parametro di offrire informazioni funzionali e poter predire l’insorgenza di cisti e quindi l’aumento di volume del rene. Materiali e Metodi. 11 pazienti di cui 2 donne e 9 uomini (età compresa tra i 55 e i 75 anni) sono stati sottoposti a esame RM con sistema ad alto campo 1,5T. Tutti i pazienti erano affetti da malattia policistica. Il protocollo prevedeva l’utilizzo di una sequenza SE-EPI pesata in diffusione, le immagini sono state acquisite per diversi valori di b-value (500 s/mm², 700 s/mm², 900 s/mm², e 1500 s/mm²). Risultati. Osservando i valori di ADC (coefficiente di diffusione apparente) ottenuti per diversi valori di b e in due differenti regioni del rene, corrispondenti a cisti e parenchima, si sono riscontrati valori diversi . Indipendentemente dal b-value, le cisti hanno un valore di ADC minore rispetto al valore di ADC delle zone parenchimali. Al crescere del b-value, tali valori diventano più piccoli. Conclusioni. La DWI permette di ottenere valori di ADC in grado di discriminare tessuti.

Valutazione quantitativa delle capacita motorie fondamentali nei bambini: una versione strumentata del TGMD-2

Lo studio dello sviluppo delle attività motorie fondamentali (FMS) nei bambini sta acquisendo in questi anni grande importanza, poiché la padronanza di queste ultime sembra essere correlata positivamente sia con la condizione di benessere fisico, sia con il mantenimento di alti livelli di autostima; si ritiene inoltre che possano contribuire al mantenimento di uno stile di vita sano in età adulta. In questo elaborato di tesi viene preso in considerazione un test di riferimento per la valutazione delle FMS, il TMGD – 2. Lo scopo è quello di fornire una valutazione quantitativa delle performance delle FMS, sulla base degli standard proposti dal protocollo TGMD-2, mediante una versione strumentata del test, utilizzando delle Inertial Measurement Unit (IMU). Questi sensori consentono di superare il limite posto dalla soggettività nella valutazione dell’operatore e permettono di esprimere un giudizio in maniera rapida e automatica. Il TGMD-2 è stato somministrato, in versione strumentata, a 91 soggetti di età compresa tra i 6 e i 10 anni. Sono stati ideati degli algoritmi che, a partire dai segnali di accelerazione e velocità angolare acquisiti mediante le IMU, consentono di conferire una valutazione a ciascuno dei task impartito dal TGMD – 2. Gli algoritmi sono stati validati mediante il confronto fra i risultati ottenuti e i giudizi di un valutatore esperto del TGMD-2, mostrando un alto grado di affinità, in genere tra l’80% e il 90%.

Studio del tensore di diffusione per la differenziazione delle strutture renali

La tecnologia della diffusion tensor imaging (DTI) è una tecnica non invasiva, che permette di effettuare una caratterizzazione in vivo di diversi tessuti, è una tecnica consolidata in ambito neurologico e rappresenta una metodica ancora da esplorare ma molto promettente in ambito renale. Questo lavoro di tesi si concentra in primo luogo sulla differenziazione di diverse strutture renali quali, la corteccia e la medulla del rene sano, le cisti del rene affetto dalla malattia policistica autosomica dominante e i carcinomi. La seconda parte del lavoro si concentra sui reni policistici, in quanto è una delle malattie genetiche più comuni e la principale causa di insufficienza renale e non è, ad oggi, stata adeguatamente affrontata in questo genere di studi. Il secondo obiettivo è, quindi, di valutare se la tecnica dell’imaging di diffusione potrebbe essere utile per fornire informazioni sullo stato della malattia e sul grado si avanzamento di essa. Sono stati implementati in Matlab gli algoritmi per la costruzione del tensore di diffusione a partire dalle immagini DWI e per la selezione delle ROI sulle varie regioni di interesse. I risultati ottenuti per l’analisi dei reni policistici dimostrano che per gli intervalli temporali considerati non è possibile correlare il valore di diffusività media del parenchima e lo stadio di avanzamento della malattia, stabilito dai valori di eGFR. Per quanto riguarda i risultati ottenuti dalla differenziazione delle diverse strutture renali la tecnica della diffusion imaging risulta essere potenzialmente in grado di differenziare i diversi tessuti renali e di valutare separatamente la funzionalità dei reni.

Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy in higher eukaryotes

Research in autophagy continues to accelerate,(1) and as a result many new scientists are entering the field. Accordingly, it is important to establish a standard set of criteria for monitoring macroautophagy in different organisms. Recent reviews have described the range of assays that have been used for this purpose.(2,3) There are many useful and convenient methods that can be used to monitor macroautophagy in yeast, but relatively few in other model systems, and there is much confusion regarding acceptable methods to measure macroautophagy in higher eukaryotes. A key point that needs to be emphasized is that there is a difference between measurements that monitor the numbers of autophagosomes versus those that measure flux through the autophagy pathway; thus, a block in macroautophagy that results in autophagosome accumulation needs to be differentiated from fully functional autophagy that includes delivery to, and degradation within, lysosomes (in most higher eukaryotes) or the vacuole (in plants and fungi). Here, we present a set of guidelines for the selection and interpretation of the methods that can be used by investigators who are attempting to examine macroautophagy and related processes, as well as by reviewers who need to provide realistic and reasonable critiques of papers that investigate these processes. This set of guidelines is not meant to be a formulaic set of rules, because the appropriate assays depend in part on the question being asked and the system being used. In addition, we emphasize that no individual assay is guaranteed to be the most appropriate one in every situation, and we strongly recommend the use of multiple assays to verify an autophagic response.

Continental-scale temperature variability during the past two millennia

Past global climate changes had strong regional expression. To elucidate their spatio-temporal pattern, we reconstructed past temperatures for seven continental-scale regions during the past one to two millennia. The most coherent feature in nearly all of the regional temperature reconstructions is a long-term cooling trend, which ended late in the nineteenth century. At multi-decadal to centennial scales, temperature variability shows distinctly different regional patterns, with more similarity within each hemisphere than between them. There were no globally synchronous multi-decadal warm or cold intervals that define a worldwide Medieval Warm Period or Little Ice Age, but all reconstructions show generally cold conditions between ad 1580 and 1880, punctuated in some regions by warm decades during the eighteenth century. The transition to these colder conditions occurred earlier in the Arctic, Europe and Asia than in North America or the Southern Hemisphere regions. Recent warming reversed the long-term cooling; during the period ad 1971–2000, the area-weighted average reconstructed temperature was higher than any other time in nearly 1,400 years.