Brain-Computer Interfaces for augmented communication: Asynchronous and adaptive algorithms and evaluation with end users

This thesis aimed at addressing some of the issues that, at the state of the art, avoid the P300-based brain computer interface (BCI) systems to move from research laboratories to end users’ home. An innovative asynchronous classifier has been defined and validated. It relies on the introduction of a set of thresholds in the classifier, and such thresholds have been assessed considering the distributions of score values relating to target, non-target stimuli and epochs of voluntary no-control. With the asynchronous classifier, a P300-based BCI system can adapt its speed to the current state of the user and can automatically suspend the control when the user diverts his attention from the stimulation interface. Since EEG signals are non-stationary and show inherent variability, in order to make long-term use of BCI possible, it is important to track changes in ongoing EEG activity and to adapt BCI model parameters accordingly. To this aim, the asynchronous classifier has been subsequently improved by introducing a self-calibration algorithm for the continuous and unsupervised recalibration of the subjective control parameters. Finally an index for the online monitoring of the EEG quality has been defined and validated in order to detect potential problems and system failures. This thesis ends with the description of a translational work involving end users (people with amyotrophic lateral sclerosis-ALS). Focusing on the concepts of the user centered design approach, the phases relating to the design, the development and the validation of an innovative assistive device have been described. The proposed assistive technology (AT) has been specifically designed to meet the needs of people with ALS during the different phases of the disease (i.e. the degree of motor abilities impairment). Indeed, the AT can be accessed with several input devices either conventional (mouse, touchscreen) or alterative (switches, headtracker) up to a P300-based BCI.

Progetto di un convertitore flyback sincrono per applicazioni di energy harvesting piezoelettrico

In questo elaborato è stata trattata la caratterizzazione tramite simulazioni e prove in laboratorio di un circuito in grado di estrarre e accumulare energia elettrica, la quale viene generata da vibrazioni meccaniche tramite l'uso di dispositivi piezoelettrici. Partendo da una tipologia di circuito già esistente è stata studiata una variante nel sistema di conversione dell'energia, in questo caso il convertitore implementato è un convertitore di tipo flyback. Dopo aver studiato il circuito in dettaglio, è stata realizzata una prima simulazione circuitale mediante software Ltspice. Sono stati quindi analizzati gli andamenti delle tensioni di uscita e di ingresso durante il processo di carica della capacità, applicando in ingresso differenti tensioni. Infine i dati ottenuti sono stati elaborati in un foglio elettronico per poter ricavare l'andamento del rendimento.

Sintesi e caratterizzazione di oligo e politiofeni per applicazioni in elettronica e biodiagnostica

Negli ultimi anni sono stati sintetizzati numerosi oligomeri e polimeri del tiofene che, grazie alle loro proprietà di semiconduttori, hanno trovano largo impiego in molti campi di interesse tecnologico come, ad esempio, transistor ad effetto di campo, diodi elettroluminescenti, dispositivi ottici non lineari e celle fotovoltaiche. Più recentemente, oligomeri tiofenici ossidati allo zolfo hanno trovato applicazione sia in campo elettronico, come materiali accettori in blenda con il poli(3-esiltiofene) (P3HT) usato come materiale donatore, in celle solari di tipo Bulk Hetero Junction (BHJ), ma anche in campo biologico come marcatori fluorescenti di proteine e oligonucleotidi. Tuttavia la sintesi di queste specie richiede condizioni di reazione spinte e al contempo rischiose dovute all’utilizzo in largo eccesso di agenti ossidanti molto forti. Uno degli obiettivi di questa tesi è stato lo sviluppo di metodi più versatili per la mono e di-ossidazione selettiva allo zolfo del tiofene di building-blocks dibromurati di diversa natura. Successivamente i building-blocks S-monossido e S,S-diossido derivati sono stati impiegati per la sintesi di oligomeri e polimeri tramite reazioni di cross-coupling Palladio catalizzate. I composti finali sono stati caratterizzati sia dal punto di vista spettroscopico UV-Vis che elettrochimico, mettendo in evidenza le relazioni che esistono fra gli andamenti dei dati sperimentali ottenuti con il diverso stato di ossidazione dei composti tiofenici diversamente sostituiti. Infine i composti finali sono stati testati sia in campo fotovoltaico che biologico.

SCADA Lite View

Progettazione UML (diagrammi classi, casi d'uso, sequenze), programmazione Java per dispositivi Android

Analisi in spettroscopia ottica di cristalli molecolari organici

Nel settore dell'elettronica organica, i monocristalli organici sono particolarmente indicati, grazie al loro alto grado di purezza chimica, per lo studio delle qualità intrinseche di tutta la categoria dei cristalli organici. L'interesse applicativo si concretizza in dispositivi come LED, pannelli solari, sensori, display e componenti elettronici leggeri, flessibili e trasparenti. A tutto questo si aggiungono la biocompatibilità, il basso costo ed il basso impatto ambientale. L'obiettivo del seguente lavoro di tesi è la caratterizzazione di alcuni monocristalli in base alle loro proprietà ottiche ed optoelettroniche, analizzandoli mediante tecniche microscopiche in luce polarizzata e campo scuro e tecniche spettroscopiche di assorbimento e del voltaggio superficiale. Si è concentrata l'attenzione sul monocristallo di 4-idrossicianobenzene (4HCB), per la possibilità di confronto con risultati di precedenti analisi di spettroscopia in fotocorrente e per l'interesse verso applicazioni sensoristiche. Come risultato, per la prima volta, si è riuscito a ottenere uno spettro di assorbimento da un monocristallo di 4HCB dal quale si può stimare direttamente l'energia del bandgap del cristallo. Il valore ottenuto è minore di quello relativo all'analisi in fotocorrente, ma potrebbe corrispondere ad un bandgap di tipo ottico considerando che la presenza di stati localizzati dovuta al disordine molecolare provoca una diminuzione della distanza tra le bande. La misura è preliminare è va confermata, ma apre la strada ad ulteriori analisi spettroscopiche in condizioni sperimentali più favorevoli e/o ad analisi di altro tipo.

Applicazione mobile per supporto alla didattica

Questa tesi descrive le fasi della progettazione e dell'implementazione di una applicazione mobile per il supporto alla didattica del corso di Programmazione del CdL di Ingegneria e Scienze Informatiche del Campus di Cesena. Il progetto ha lo scopo di mettere a disposizione degli studenti e dei docenti una applicazione per dispositivi Android che permetta di usufruire dei servizi attualmente forniti dal portale ufficiale del corso. Le funzionalità principali consistono nell'accesso ai materiali didattici e nella gestione delle consegne di esercizi propedeutici alla prova finale per quanto concerne gli studenti; ai professori è invece fornita la possibilità di eseguire la correzione degli elaborati e seguirne lo stato di avanzamento. Visto l'elevato numero di utenti che utilizzava il portale esistente tramite tablet e smartphone si è ritenuto necessario lo sviluppo di questo prodotto che possa fornire una user experience ottimizzata per questi dispositivi. Durante la progettazione è stata data particolare importanza all'ottimizzazione delle prestazioni, sfruttando gli strumenti più recenti forniti agli sviluppatori, e alla conformità con i principali design pattern della programmazione per dispositivi Android. Allo scopo di fornire un prodotto utilizzabile dalla maggior parte dell'utenza potenziale, si è inoltre data priorità alla compatibilità con tutti i dispositivi e le versioni del sistema operativo, senza rinunciare ad alcuna funzionalità. Il risultato del lavoro consiste in un prototipo pienamente funzionante e utilizzabile che mira a fornire una base stabile su cui eseguire future evoluzioni.

Scripting automation e modelli bayesiani: Applicazioni cliniche in radioterapia e sviluppo di tecniche innovative per adaptive radiation therapy

La presente ricerca consiste nel validare ed automatizzare metodiche di Adaptive Radiation Therapy (ART), che hanno come obiettivo la personalizzazione continua del piano di trattamento radioterapico in base alle variazioni anatomiche e dosimetriche del paziente. Tali variazioni (casuali e/o sistematiche) sono identificabili mediante l’utilizzo dell’imaging diagnostico. Il lavoro svolto presso la struttura di Fisica Medica dell’Azienda Ospedaliera Universitaria del Policlinico di Modena, si inserisce in un progetto del Ministero della Salute del bando Giovani Ricercatori dal titolo: “Dose warping methods for IGRT and ADAPTIVERT: dose accumulation based on organ motion and anatomical variations of the patients during radiation therapy treatments”. Questa metodica si sta affermando sempre più come nuova opportunità di trattamento e, per tale motivo, nasce l’esigenza di studiare e automatizzare processi realizzabili nella pratica clinica, con un utilizzo limitato di risorse. Si sono sviluppati script che hanno permesso l’automazione delle operazioni di Adaptive e deformazioni, raccogliendo i dati di 51 pazienti sottoposti a terapia mediante Tomotherapy. L’analisi delle co-registrazioni deformabili delle strutture e delle dosi distribuite, ha evidenziato criticità del software che hanno reso necessario lo sviluppo di sistemi di controllo dei risultati, per facilitare l’utente nella revisione quotidiana dei casi clinici. La letteratura riporta un numero piuttosto limitato di esperienze sulla validazione e utilizzo su larga scala di questi tools, per tale motivo, si è condotto un esame approfondito della qualità degli algoritmi elastici e la valutazione clinica in collaborazione di fisici medici e medici radioterapisti. Sono inoltre stati sviluppati principi di strutturazione di reti Bayesiane, che consentono di predirre la qualità delle deformazioni in diversi ambiti clinici (H&N, Prostata, Polmoni) e coordinare il lavoro quotidiano dei professionisti, identificando i pazienti, per i quali sono apprezzabili variazioni morfo-dosimetriche significative. Da notare come tale attività venga sviluppata automaticamente durante le ore notturne, sfruttando l’automation come strumento avanzato e indipendente dall’operatore. Infine, il forte sviluppo, negli ultimi anni della biomeccanica applicata al movimento degli organi (dimostrato dalla numerosa letteratura al riguardo), ha avuto come effetto lo sviluppo, la valutazione e l’introduzione di algoritmi di deformazione efficaci. In questa direzione, nel presente lavoro, si sono analizzate quantitivamente le variazioni e gli spostamenti delle parotidi, rispetto all’inizio del trattamento, gettando le basi per una proficua linea di ricerca in ambito radioterapico.

Il monitoraggio della qualità di vita e dei bisogni di pazienti oncologici e caregiver: il caso ANT

La Fondazione ANT rappresenta una delle più ampie esperienze al mondo di assistenza socio-sanitaria gratuita a domicilio ai malati di tumore, tramite équipe di specialisti costituite da medici, psicologi e infermieri. La patologia oncologica ha un enorme impatto sul benessere dei pazienti. Un modo per raggruppare i diversi sintomi di disagio psicologico è utilizzare il concetto di distress, che sarebbe importante monitorare in modo semplice e veloce. Primo studio: 66 pazienti oncologici (40% uomini; età media 54 anni) in cure palliative domiciliari. Il 79% dei pazienti ha mostrato livelli clinicamente significativi di distress. Il 55% dei partecipanti allo studio ha riportato alti livelli di ansia, e l'81% dei pazienti ha riportato alti livelli di depressione. Dall'analisi delle curve ROC il singolo item del Distress Thermometer, con un cut-off maggiore o uguale a 4, è stato in grado di rilevare il 97% dei soggetti con punteggi clinici di ansia e depressione, quindi può essere utilizzato anche come uno strumento di screening precoce rapido ed affidabile per i disturbi dell'umore. I familiari sono la prima risorsa dei malati di tumore, e l'identificazione dei loro bisogni è utile per individuare chi ha maggiore necessità di aiuto ed in quali aree. Secondo studio: 115 caregiver di pazienti oncologici (37% uomini; età media 52 anni). Di seguito i bisogni più frequenti. Salute psicofisica: “preoccupazioni circa il/la paziente” (72%), ansia (53%) e rabbia (52%). Informazioni: “come prendersi cura del paziente” (64%), “terapie alternative e/o complementari” (64%) e “come gestire lo stress” (57%). Servizi e strutture sanitarie: “un operatore di riferimento”, (65%), “cure infermieristiche a domicilio” (62%), “indicazioni su servizi ospedalieri” (57%), ed “assistenza per caregiver, ad esempio consulenza psicologica” (55%). Il monitoraggio dei bisogni consentirebbe un'ottimizzazione dell'assistenza, prevenendo situazioni che potrebbero compromettere il benessere della famiglia e la qualità dell'assistenza fornita al paziente.

Valutazione preoperatoria del rischio chirurgico in pazienti onco-geriatrici (studio PREOP)

La maggior parte dei pazienti che vengono sottoposti a interventi chirurgici per tumori solidi hanno un’età superiore a 70 anni1. Circa il 30% di questi pazienti vengono considerati “fragili”. Questi infatti presentano numerose comorbidità ed hanno un più elevato rischio di sviluppare complicanze postoperatorie con perdita della riserva funzionale residua. Per questo non esistono sistemi semplici di screening che permettano ai medici responsabili del trattamento di identificare questi pazienti con aumentato rischio postoperatorio. Identificare i pazienti a rischio è infatti il primo passo nel processo attraverso il quale è possibile prevenire in necessarie complicanze postoperatorie come delirio, eventi cardiovascolari e perdita della funzionalità complessiva con conseguente perdita di autonomia. Scopo di questo studio è quello di confrontare l’accuratezza nella previsione di mortalità e morbidità a 30 giorni dei tre test preditivi “Groningen Frailty Index” (GFI); “Vulnerable Elders Survey” (VES-13); “timed up and go test” con alcune componenti del Preoperative Assessment of Cancer in the Elderly (PACE). Lo studio verrà effettuato sui pazienti con età maggiore di 70 anni che dovranno essere sottoposti a intervento chirurgico in anestesia generale per la presenza di una neoplasia solida.

Polimeri tiofenici funzionali e loro applicazioni nel fotovoltaico

Recentemente, sempre più attenzione è stata rivolta all' utilizzo di coloranti organici come assorbitori di luce per la preparazione di strati fotoattivi in celle solari organiche (OPV). I coloranti organici presentano un'elevata abilità nella cattura della luce solare grazie all'elevato coefficiente di estinzione molare e buone proprietà fotofisiche. Per questi motivi sono eccellenti candidati per l'incremento della conversione fotoelettrica in OPV. In questa tesi viene descritta una nuova strategia per l'incorporazione di derivati porfirinici in catena laterale a copolimeri tiofenici. Gli studi svolti hanno dimostrato che poli(3-bromoesil)tiofene può essere variamente funzionalizzato con idrossitetrafenilporfirina (TPPOH), per l'ottenimento di copolimeri utilizzabili come materiali p-donatori nella realizzazione di OPV. I copolimeri poli[3-(6-bromoesil)tiofene-co-(3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfirinil]esil tiofene] P[T6Br-co-T6TPP] contenenti differenti quantità di porfirina, sono stati sintetizzati sia con metodi non regiospecifici che regiospecifici, con lo scopo di confrontarene le proprietà e di verificare se la strutture macromolecolare che presenta una regiochimica di sostituzione sempre uguale, promuove o meno il trasporto della carica elettrica, migliorando di conseguenza l'efficienza. E' stato inoltre effettuato un ulteriore confronto tra questi derivati e derivati simili P[T6H-co-T6TPP] che non contengono l'atomo di bromo in catena laterale con lo scopo di verificare se l'assenza del gruppo reattivo, migliora o meno la stabilità termica e chimica dei film polimerici, agendo favorevolmete sulle performance dei dispositivi fotovoltaici. Tutti i copolimeri sono stati caratterizzati con differenti tecniche: spettroscopia NMR, FT-IR e UV-Vis, analisi termiche DSC e TGA, e GPC. Le celle solari Bulk Heterojunction, preparate utilizzando PCBM come materiale elettron-accettore e i copolimeri come materilai elettron-donatori, sono state testate utilizzando un multimetro Keithley e il Solar Simulator.

In vivo evaluation of the translations of the gleno-humeral joint using Magnetic resonance imaging

Gleno-humeral joint (GHJ) is the most mobile joint of the human body. This is related to theincongr uence between the large humeral head articulating with the much smaller glenoid (ratio 3:1). The GHJ laxity is the ability of the humeral head to be passively translated on the glenoid fossa and, when physiological, it guarantees the normal range of motion of the joint. Three-dimensional GHJ linear displacements have been measured, both in vivo and in vitro by means of different instrumental techniques. In vivo gleno-humeral displacements have been assessed by means of stereophotogrammetry, electromagnetic tracking sensors, and bio-imaging techniques. Both stereophotogrammetric systems and electromagnetic tracking devices, due to the deformation of the soft tissues surrounding the bones, are not capable to accurately assess small displacements, such as gleno-humeral joint translations. The bio-imaging techniques can ensure for an accurate joint kinematic (linear and angular displacement) description, but, due to the radiation exposure, most of these techniques, such as computer tomography or fluoroscopy, are invasive for patients. Among the bioimaging techniques, an alternative which could provide an acceptable level of accuracy and that is innocuous for patients is represented by magnetic resonance imaging (MRI). Unfortunately, only few studies have been conducted for three-dimensional analysis and very limited data is available in situations where preset loads are being applied. The general aim of this doctoral thesis is to develop a non-invasive methodology based on open-MRI for in-vivo evaluation of the gleno-humeral translation components in healthy subjects under the application of external loads.

Applicazione mobile per la condivisione di interessi geolocalizzati

Progetto e implementazione di un applicazione mobile per Android per la condivisione di interessi con gli utenti vicini. L'app consente ai dispositivi dove è installata di identificarsi e quindi interagire fra loro, tutto all'interno di un raggio di azione limitato. L’utente non deve effettuare nessuna ricerca ma viene informato automaticamente della vicinanza di un altro utente con cui condivide interessi. A questo scopo è stato utilizzato il Wi-Fi Direct.

Accessibilità delle mappe

L’obiettivo di questa tesi di laurea è quello di descrivere le principali caratteristiche delle mappe digitali e dei sistemi di navigazione che possono essere fruiti dagli utenti attraverso l’utilizzo di dispositivi con diverse caratteristiche (quali i dispositivi mobili, come smart phone, tablet, eccetera). Questi sistemi offrono dei servizi estremamente utili, che mirano a migliorare la mobilità e l’indipendenza dell’utente e, quindi, possono rappresentare un valido supporto agli utenti con disabilità che desiderano spostarsi negli ambienti urbani in modo autonomo. D’altra parte, i contenuti digitali e i servizi offerti dalle mappe e dai sistemi di navigazione possono comportare delle barriere tecnologiche che influenzano la fruizione e la navigazione da parte di questi utenti. Nell’ambito di questa tesi saranno descritte anche le caratteristiche tecniche delle mappe digitali e dei sistemi di navigazione, con particolare attenzione alle barriere tecnologiche che queste possono rappresentare per gli utenti con disabilità. Infine, l’obiettivo principale di questa tesi è quello di illustrare alcuni progetti di ricerca che offrono delle soluzioni e dei validi supporti agli utenti con differenti disabilità nell’accesso e nella fruizione delle mappe digitali e dei sistemi di navigazione. In particolare, saranno presentati i progetti di ricerca più interessanti e quelli che maggiormente hanno avuto un riscontro pratico, offrendo delle soluzioni effettivamente utilizzabili dagli utenti che fanno uso di determinate tecnologie assistive e che hanno vincoli e bisogni specifici. Nell’ambito di questa tesi sarà dato spazio anche a progetti che offrono agli utenti mappe tematiche (comunque accessibili) che mirano ad offrire informazioni sull’accessibilità urbana, consentendo, così, agli utenti di avere dati aggiuntivi e di migliorare ulteriormente la loro autonomia nel muoversi in città.

Surface preparation and characterization of semipolar (20-21) ingan layers

In questa tesi vengono studiate le proprietà fisiche della superficie di eterostrutture InGaN/GaN cresciute con orientazione semipolare (20-21). Questi materiali fornirebbero una valida alternativa alle eterostrutture cresciute secondo la tradizionale direzione di crescita polare (0001) per la realizzazione di LED e diodi laser. I dispositivi cresciuti con orientazione semipolare (20-21) sono studiati soltanto da pochi anni e hanno già fornito dei risultati che incitano significativamente il proseguimento della ricerca in questo campo. Oltre all’ottimizzazione dell’efficienza di questi dispositivi, sono richieste ulteriori ricerche al fine di raccogliere delle informazioni mancanti come un chiaro modello strutturale della superficie (20-21). I capitoli 1 e 2 forniscono un quadro generale sul vasto campo dei semiconduttori basati sui nitruri del terzo gruppo. Il capitolo 1 tratta le proprietà generali, come le caratteristiche della struttura cristallina della wurtzite, l’energy gap e il più comune metodo di crescita epitassiale. Il capitolo 2 tratta le proprietà specifiche della superficie (20-21) come struttura, morfologia e proprietà legate all’eterostruttura InGaN/GaN (incorporazione di indio, strain e spessore critico). Nel capitolo 3 vengono descritte sinteticamente le tecniche sperimentali utilizzate per studiare i campioni di InGaN. Molte di queste tecniche richiedono condizioni operative di alto vuoto e appositi metodi di preparazione superficiale. Nel capitolo 4 vengono discussi i risultati sperimentali riguardanti la preparazione superficiale e le proprietà strutturali dei campioni. Il trattamento termico in ambiente ricco di azoto si rivela essere un metodo molto efficiente per ottenere superfici pulite. La superficie dei campioni presenta una morfologia ondulatoria e una cella unitaria superficiale di forma rettangolare. Nel capitolo 4 vengono discussi i risultati sperimentali relativi alle proprietà elettroniche e ottiche dei campioni. Immagini alla risoluzione atomica rivelano la presenza di ondulazioni alla scala dei nanometri. Vengono misurati l’energy gap e l’incurvamento superficiale della bande. Inoltre vengono identificate una serie di transizioni interbanda dovute all’interfaccia InGaN/GaN.

Shooter game 2d per piattaforme mobili

Obiettivo della tesi è quello di analizzare le diverse tecnologie messe a disposizioe dai dispositivi mobili, in particolare smartphon e tablet. Verranno analizzate le principali innovazioni portate da questi dispositivi nel campo dei videogiochi e verrà proposto un caso di sviluppo di Shooter game 2d multi piattaforma.