Dispositivi di supporto alla insufficienza epatica

L’organizzazione mondiale della sanità stima che il 10% della popolazione nel mondo presenta una malattia epatica cronica. L’insufficienza epatica fulminante porta alla morte entro novantasei ore in assenza di trapianto. Questa patologia colpisce circa 2500 persone l’anno e il trapianto di fegato è l’unico trattamento efficiente, ma la mancanza di donatori ha causato un elevato tasso di mortalità in pazienti in lista di attesa per l’organo compatibile. Negli ultimi anni è cresciuta sempre più la lista d’attesa per il trapianto, mentre il numero degli innesti disponibili rimane ridotto. Non tutti i pazienti sono candidati al trapianto. Questo tipo di intervento è rischioso e richiede un trattamento d’immunosoppressione per tutta la vita. Si cercano quindi soluzioni sostitutive, ma lo sviluppo di dispositivi efficaci di assistenza epatica rimane uno dei più alti sforzi dell’ingegneria biomedica. Il fegato, infatti, svolge più di 500 funzioni diverse che sono difficili da riprodurre artificialmente. Un dispositivo di assistenza epatica deve sostituire o integrare la funzione epatica quando scende al di sotto della soglia critica del 30% del normale funzionamento. Per garantire il normale funzionamento dell’organismo, la massa di epatociti disponibile in un paziente adulto deve essere approssimativamente di circa 400g. Se questa massa è disponibile si può avere rigenerazione epatica spontanea. Questo spiega la necessità di raggiungere e garantire, comunque, un livello minimo di funzionalità epatica, al di sotto del quale non si ha né rigenerazione di epatociti (impossibilità di ripristinare l’attività metabolica del fegato), né funzionamento di altri organi del corpo, che dipendono dall’attività epatica. La ricerca e lo sviluppo di dispositivi di assistenza epatica è tesa al raggiungimento e al mantenimento della soglia minima di funzionalità; in questo modo si permette al paziente di sopravvivere fino al trapianto, quando questo è l’unica terapia possibile, oppure di poter raggiungere le condizioni di autorigenerazione spontanea nelle patologie meno gravi. La ricerca sui dispositivi di assistenza epatica risale agli anni 50, e sin da allora sono state sviluppate diverse soluzioni, che possiamo distinguere in sistemi meccanici (sistemi non biologici) e sistemi biochimici o biomeccanici (sistemi biologici). I sistemi non biologici possono avere un ruolo nel trattamento di forme specifiche d’insufficienza epatica. L’obiettivo è di fornire purificazione del sangue, ossia rimuovere tutte le sostanze che si accumulano nel sangue durante la disfunzione epatica, causando anomalie neurologiche, lesioni del fegato e di altri organi e inibizione della rigenerazione epatica. I sistemi biologici possono essere utili nel trattamento d’insufficienza epatica, in cui l’obiettivo primario è quello di fornire tutte le funzioni del fegato che sono state compromesse o perse.

Dispositivi indossabili per il monitoraggio elettroencefalografico

Dispositivi indossabili che permettono di monitorare parametri vitali con facilità, di peso e dimensioni ridotti. Con l’avanzare della tecnologia siamo in grado ora anche di analizzare i complessi segnali del nostro cervello e di andare incontro a molteplici benefici: come il miglioramento della nostra salute, riducendo lo stress e aumentando la capacità di concentrazione. Il mondo dei dispositivi indossabili è in via di sviluppo e permette un semplice utilizzo a qualsiasi utente, con tali dispositivi saremo in grado di capire le funzionalità del nostro cervello e come il mondo che ci circonda ne influenza notevolmente l’attività e di conseguenza il funzionamento efficiente. Tali dispositivi di semplice utilizzo e non ingombranti interagiscono direttamente con i nostri smartphone , aiutandoci a conoscere il nostro cervello e di utilizzarlo sempre al meglio sfruttando le sue potenzialità. Siamo comunque in un mondo complesso “il cervello” e non è compito facile creare dei dispositivi che possano controllare azioni come il pensiero, il linguaggio o le emozioni ,anche perché è un organo che differisce da persona a persona e inoltre per le sue numerose pieghe è come se mettessimo a confronto le impronta digitali di ogni singola persona. Infatti la maggior parte di tali dispositivi si interfacciano con il nostro cervello attraverso dei sensori che registrano i segnali soprattutto nella fronte o dietro le orecchie in modo da poter essere utilizzato da tutti gli utenti. Segue la trattazione della tesi dove saranno affrontati gli argomenti nel seguente modo : capitolo 1 : struttura e fenomeni connessi all’ attività cerebrale capitolo 2 : modalità di acquisizione dell’attività elettrica cerebrale capitolo 3 : dispositivo indossabile Muse capitolo 4: il sistema Biopac gli ultimi due capitoli mostrano come i due dispositivi indossabili presentati per il monitoraggio EEG, differiscono sia per quanto riguarda la modalità di acquisizione dei segnali elettrici , sia dalle informazioni ottenute e lo scopo dell’utilizzo di tali dispositivi, anche se lo scopo finale di entrambi è quello di migliorare le capacità del nostro cervello.

Caratteristiche ed evoluzione dei dispositivi cardiaci impiantabili

La presente tesi si propone di analizzare i pacemaker e i defibrillatori cardiaci impiantabili, soprattutto dal punto di vista tecnico ma anche dal punto di vista medico per darne una descrizione il più possibile completa e dettagliata, al fine di comprenderne il funzionamento e come questi dispositivi aiutino a correggere i principali disturbi cardiaci.

Esperimenti sul controllo remoto di stazioni per il monitoraggio di processi geofisici per la valutazione di geohazard

In collaborazione con la sezione di Bologna dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) si è dato il via ad un progetto mirato alla costruzione di nuove stazioni monitoranti. Stazioni che dovranno avere un basso impatto in termini di costi e consumi energetici, dando contemporaneamente la possibilità di essere pilotate a distanza. Quest’ultimo è un parametro fondamentale perché permetterebbe di interagire con la stazione anche durante il verificarsi di calamità naturali. Per giungere ad una soluzione si è quindi proceduto analizzando i possibili scenari e le soluzioni attualmente impiegate. Valutandone gli aspetti negativi e positivi. Successivamente, terminata la fase di documentazione, si è passati a vagliare le soluzioni tecnologiche attualmente disponibili sul mercato e ad assemblare un prototipo sperimentale. Non appena in possesso di una macchina sulla quale poter effettuare tutte le prove necessarie si è passati alla fase successiva. L’implementazione di test che potessero rappresentare al meglio una situazione reale. Da qui si è giunti ad una conclusione, tenendo in considerazione diversi fattori: le condizioni imposte dall’ambiente durante le operazioni di test ed i risultati ottenuti.

Dispositivi cardiaci impiantabili senza batteria: le nuove frontiere per l'autoalimentazione

Il testo esamina tre studi svolti nello sviluppo di sistemi di autoalimentazione per pacemaker e defibrillatori impiantabili, volti a risolvere il problema della longevità della batteria. Sono state inizialmente approfondite le modalità di generazione del battito cardiaco, regolato dal passaggio del potenziale d’azione e presentati i tipi di scompenso cardiaco esponendo le modifiche che questi causano alla forma d’onda dell’ECG. Successivamente sono state descritte le tecnologie adottate per trattare i disturbi del ritmo cardiaco, pacemaker e defibrillatori impiantabili. Vengono dunque introdotti gli studi che presentano le innovazioni più recenti che riguardano la possibilità di autoalimentare i dispositivi cardiaci impiantabili. Il primo mostra la realizzazione di un trasduttore di energia meccanica in elettrica che utilizza una lamina di materiale piezoelettrico. Tale dispositivo è stato testato con successo in vitro ed in vivo. Nel secondo studio viene invece sfruttato un dispositivo automatico di un orologio per convertire l’accelerazione generata dal cuore in energia elettrica. Sono stati realizzati tre prototipi ed eseguiti test in vitro ed in vivo. Il terzo studio si focalizza su una microturbina che sfrutta il flusso sanguigno per generare energia elettrica. È stato eseguito un test in vivo su un suino nel quale il sistema è stato connesso ad un pacemaker senza batteria. Questo è riuscito ad aumentare i battiti al minuto producendo più energia di quella necessaria, con il difetto della formazione di trombi. La tesi si conclude con una valutazione critica dei metodi illustrati e la proposta di potenziali sviluppi miglioramenti.

Sperimentazione della piattaforma IoT Cloud per lo sviluppo di sistemi di monitoraggio

L’Internet of Things (IoT) è un termine utilizzato nel mondo della telecomunicazione che fa riferimento all’estensione di Internet al mondo degli oggetti, che acquisiscono una propria identità, venendo così definiti “intelligenti”. L’uomo in questo ambito avrà sempre meno incidenza sul campo poiché sono le macchine ad interagire tra loro scambiandosi informazioni. Gli ambiti applicativi che comprendono IoT sono innumerevoli ed eterogenei; pertanto, non esiste un'unica soluzione tecnologica che possa coprire qualsiasi scenario. Una delle tecnologie che si prestano bene a svolgere lavori in IoT sono le LoRaWAN. Un punto e una sfida essenziali nell'applicazione della tecnologia LoRaWAN è garantire la massima autonomia dei dispositivi ottenendo il più basso consumo di energia possibile e la ricerca di soluzioni di alimentazione efficienti. L'obiettivo in questo elaborato è quello di realizzare un sistema capace di trasmettere un flusso continuo di informazioni senza l'ausilio e il costante monitoraggio dell'uomo. Viene trattato come controllare dei sensori da remoto e come garantire una migliore autonomia dei dispositivi ottenendo un più basso consumo energetico.

Monitoraggio di un dispositivo a breve raggio: uno studio di fattibilità.

Il contesto generale nel quale è inserito tale elaborato di tesi è la tecnologia RFID; se ne fa una disamina completa, partendo dalla ricostruzione delle tappe storiche che hanno portato alla sua diffusione. Viene data particolare enfasi alle differenze esistenti tra le varie tipologie, alle frequenze a cui possono operare i dispositivi e agli standard legislativi vigenti. Vengono enunciati inoltre i costi dei dispositivi e le critiche verso la tecnologia. L'obiettivo della tesi è quello di valutare la possibilità di realizzare un meccanismo di monitoraggio a breve raggio di dispositivi dotati di rfid: per questo la visione che si da della tecnologia è il più completa possibile. La prerogativa di lunga durata richiesta dal sistema ha portato a valutare se potesse essere utile integrare un meccanismo di recupero energia; per questo si prosegue con una disamina dell'energy harvesting, fornendo dettagli su tutte le fonti da cui è possibile recuperare energia e casi pratici di meccanismi realizzati, sia che questi siano già presenti sul mercato, sia che siano solo risultati di ricerche e prototipi. Si conclude quindi il lavoro valutando le effettive possibilità di realizzazione del sistema, evidenziando le scelte consigliate per una migliore esecuzione.

Sicurezza di rete, analisi del traffico e monitoraggio.

Il lavoro è stato suddiviso in tre macro-aree. Una prima riguardante un'analisi teorica di come funzionano le intrusioni, di quali software vengono utilizzati per compierle, e di come proteggersi (usando i dispositivi che in termine generico si possono riconoscere come i firewall). Una seconda macro-area che analizza un'intrusione avvenuta dall'esterno verso dei server sensibili di una rete LAN. Questa analisi viene condotta sui file catturati dalle due interfacce di rete configurate in modalità promiscua su una sonda presente nella LAN. Le interfacce sono due per potersi interfacciare a due segmenti di LAN aventi due maschere di sotto-rete differenti. L'attacco viene analizzato mediante vari software. Si può infatti definire una terza parte del lavoro, la parte dove vengono analizzati i file catturati dalle due interfacce con i software che prima si occupano di analizzare i dati di contenuto completo, come Wireshark, poi dei software che si occupano di analizzare i dati di sessione che sono stati trattati con Argus, e infine i dati di tipo statistico che sono stati trattati con Ntop. Il penultimo capitolo, quello prima delle conclusioni, invece tratta l'installazione di Nagios, e la sua configurazione per il monitoraggio attraverso plugin dello spazio di disco rimanente su una macchina agent remota, e sui servizi MySql e DNS. Ovviamente Nagios può essere configurato per monitorare ogni tipo di servizio offerto sulla rete.

Valutazione dell'efficacia dell'elettrocatetere ventricolare sinistro quadripolare nella terapia di resincronizzazione cardiaca

La terapia di resincronizzazione cardiaca (CRT) si è imposta negli ultimi dieci anni come l'alternativa migliore all'approccio farmacologico primario nella cura allo scompenso cardiaco: la stimolazione biventricolare utilizzando un elettrocatetere in ventricolo sinistro si è infatti rivelata uno dei metodi più efficaci per migliorare la dissincronia ventricolare negli stadi più avanzati anche nei pazienti che necessitano di una stimolazione continua e permanente come coloro che sono stati sottoposti ad ablazione del nodo AV. Esistono diversi punti irrisolti su cui la ricerca sta ancora lavorando per poter ottimizzare questa terapia, in particolar modo la percentuale (circa il 25-30%) dei pazienti in cui non si registrano miglioramenti dovuti alla terapia. Questa tesi, proposta dall'azienda St.Jude Medical Inc., segue la costruzione di un registro osservazionale per poter valutare l'efficacia della tecnologia quadripolare di ultima generazione. Dai dati emersi, la possibilità di programmare dieci diversi vettori di stimolazione contro i tre offerti dagli attuali dispositivi bipolari permette una maggiore libertà nel posizionamento dell'elettrocatetere ventricolare sinistro e una più semplice gestione delle complicanze come la stimolazione del nervo frenico (PNS), oltre a strutturare una terapia più specifica a seconda della risposta del paziente; inoltre la tecnologia quadripolare ha evidenziato migliori prestazioni in sede di impianto – tempi minori, più percentuali di successo e maggiori possibilità di posizionamento del catetere in zona ottimale con buoni valori di soglia – e meno interventi in seguito a complicanze. Il miglioramento della percentuale dei responder non è stato particolarmente significativo e necessita di ulteriori studi, ma è comunque incoraggiante e mostra che un numero più alto di configurazioni di stimolazione può essere una soluzione ottimale per la ricerca di una cura personalizzata, specialmente verso quei pazienti che durante l'impianto verrebbero esclusi per mancanza di stimolazioni corrette e possono, in questo modo, rientrare nella terapia fin dall'inizio.

Connessione di sitemi a microcontrollore con reti geografiche

Fra le varie ragioni della crescente pervasività di Internet in molteplici settori di mercato del tutto estranei all’ICT, va senza dubbio evidenziata la possibilità di creare canali di comunicazione attraverso i quali poter comandare un sistema e ricevere da esso informazioni di qualsiasi genere, qualunque distanza separi controllato e controllore. Nel caso specifico, il contesto applicativo è l’automotive: in collaborazione col Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna, ci si è occupati del problema di rendere disponibile a distanza la grande quantità di dati che i vari sotto-sistemi componenti una automobile elettrica si scambiano fra loro, sia legati al tipo di propulsione, elettrico appunto, come i livelli di carica delle batterie o la temperatura dell’inverter, sia di natura meccanica, come i giri motore. L’obiettivo è quello di permettere all’utente (sia esso il progettista, il tecnico riparatore o semplicemente il proprietario) il monitoraggio e la supervisione dello stato del mezzo da remoto nelle sue varie fasi di vita: dai test eseguiti su prototipo in laboratorio, alla messa in strada, alla manutenzione ordinaria e straordinaria. L’approccio individuato è stato quello di collezionare e memorizzare in un archivio centralizzato, raggiungibile via Internet, tutti i dati necessari. Il sistema di elaborazione a bordo richiede di essere facilmente integrabile, quindi di piccole dimensioni, e a basso costo, dovendo prevedere la produzione di molti veicoli; ha inoltre compiti ben definiti e noti a priori. Data la situazione, si è quindi scelto di usare un sistema embedded, cioè un sistema elettronico di elaborazione progettato per svolgere un limitato numero di funzionalità specifiche sottoposte a vincoli temporali e/o economici. Apparati di questo tipo sono denominati “special purpose”, in opposizione ai sistemi di utilità generica detti “general purpose” quali, ad esempio, i personal computer, proprio per la loro capacità di eseguire ripetutamente un’azione a costo contenuto, tramite un giusto compromesso fra hardware dedicato e software, chiamato in questo caso “firmware”. I sistemi embedded hanno subito nel corso del tempo una profonda evoluzione tecnologica, che li ha portati da semplici microcontrollori in grado di svolgere limitate operazioni di calcolo a strutture complesse in grado di interfacciarsi a un gran numero di sensori e attuatori esterni oltre che a molte tecnologie di comunicazione. Nel caso in esame, si è scelto di affidarsi alla piattaforma open-source Arduino; essa è composta da un circuito stampato che integra un microcontrollore Atmel da programmare attraverso interfaccia seriale, chiamata Arduino board, ed offre nativamente numerose funzionalità, quali ingressi e uscite digitali e analogici, supporto per SPI, I2C ed altro; inoltre, per aumentare le possibilità d’utilizzo, può essere posta in comunicazione con schede elettroniche esterne, dette shield, progettate per le più disparate applicazioni, quali controllo di motori elettrici, gps, interfacciamento con bus di campo quale ad esempio CAN, tecnologie di rete come Ethernet, Bluetooth, ZigBee, etc. L’hardware è open-source, ovvero gli schemi elettrici sono liberamente disponibili e utilizzabili così come gran parte del software e della documentazione; questo ha permesso una grande diffusione di questo frame work, portando a numerosi vantaggi: abbassamento del costo, ambienti di sviluppo multi-piattaforma, notevole quantità di documentazione e, soprattutto, continua evoluzione ed aggiornamento hardware e software. È stato quindi possibile interfacciarsi alla centralina del veicolo prelevando i messaggi necessari dal bus CAN e collezionare tutti i valori che dovevano essere archiviati. Data la notevole mole di dati da elaborare, si è scelto di dividere il sistema in due parti separate: un primo nodo, denominato Master, è incaricato di prelevare dall’autovettura i parametri, di associarvi i dati GPS (velocità, tempo e posizione) prelevati al momento della lettura e di inviare il tutto a un secondo nodo, denominato Slave, che si occupa di creare un canale di comunicazione attraverso la rete Internet per raggiungere il database. La denominazione scelta di Master e Slave riflette la scelta fatta per il protocollo di comunicazione fra i due nodi Arduino, ovvero l’I2C, che consente la comunicazione seriale fra dispositivi attraverso la designazione di un “master” e di un arbitrario numero di “slave”. La suddivisione dei compiti fra due nodi permette di distribuire il carico di lavoro con evidenti vantaggi in termini di affidabilità e prestazioni. Del progetto si sono occupate due Tesi di Laurea Magistrale; la presente si occupa del dispositivo Slave e del database. Avendo l’obiettivo di accedere al database da ovunque, si è scelto di appoggiarsi alla rete Internet, alla quale si ha oggi facile accesso da gran parte del mondo. Questo ha fatto sì che la scelta della tecnologia da usare per il database ricadesse su un web server che da un lato raccoglie i dati provenienti dall’autovettura e dall’altro ne permette un’agevole consultazione. Anch’esso è stato implementato con software open-source: si tratta, infatti, di una web application in linguaggio php che riceve, sotto forma di richieste HTTP di tipo GET oppure POST, i dati dal dispositivo Slave e provvede a salvarli, opportunamente formattati, in un database MySQL. Questo impone però che, per dialogare con il web server, il nodo Slave debba implementare tutti i livelli dello stack protocollare di Internet. Due differenti shield realizzano quindi il livello di collegamento, disponibile sia via cavo sia wireless, rispettivamente attraverso l’implementazione in un caso del protocollo Ethernet, nell’altro della connessione GPRS. A questo si appoggiano i protocolli TCP/IP che provvedono a trasportare al database i dati ricevuti dal dispositivo Master sotto forma di messaggi HTTP. Sono descritti approfonditamente il sistema veicolare da controllare e il sistema controllore; i firmware utilizzati per realizzare le funzioni dello Slave con tecnologia Ethernet e con tecnologia GPRS; la web application e il database; infine, sono presentati i risultati delle simulazioni e dei test svolti sul campo nel laboratorio DIE.

Un framework per applicazioni di monitoraggio e domotica basato su tecnologie android e arduino

Questa tesi tratta dello sviluppo di un progetto chiamato Faxa e di una sua concreta applicazione nell’ambito della domotica (CasaDomotica). Faxa è un framework per la comunicazione via wireless tra dispositivi che supportano il sistema operativo Android e dispositivi Arduino Ethernet, comunicazione che avviene localmente attraverso il wi-fi. Il progetto si inserisce nel panorama più ampio chiamato “Internet of Things”, ovvero internet delle cose, dove ogni oggetto di uso domestico è collegato ad Internet e può essere quindi manipolato attraverso la rete in modo da realizzare una vera e propria “smart house”; perchè ciò si attui occorre sviluppare applicazioni semplici e alla portata di tutti. Il mio contributo comincia con la realizzazione del framework Faxa, così da fornire un supporto semplice e veloce per comporre programmi per Arduino e Android, sfruttando metodi ad alto livello. Il framework è sviluppato su due fronti: sul lato Android è composto sia da funzioni di alto livello, necessarie ad inviare ordini e messaggi all'Arduino, sia da un demone per Android; sul lato Arduino è composto dalla libreria, per inviare e ricevere messaggi. Per Arduino: sfruttando le librerie Faxa ho redatto un programma chiamato “BroadcastPin”. Questo programma invia costantemente sulla rete i dati dei sensori e controlla se ci sono ordini in ricezione. Il demone chiamato “GetItNow” è una applicazione che lavora costantemente in background. Il suo compito è memorizzare tutti i dati contenuti nei file xml inviati da Arduino. Tali dati corrispondono ai valori dei sensori connessi al dispositivo. I dati sono salvati in un database pubblico, potenzialmente accessibili a tutte le applicazioni presenti sul dispositivo mobile. Sul framework Faxa e grazie al demone “GetItNow” ho implementato “CasaDomotica”, un programma dimostrativo pensato per Android in grado di interoperare con apparecchi elettrici collegati ad un Arduino Ethernet, impiegando un’interfaccia video semplice e veloce. L’utente gestisce l’interfaccia per mezzo di parole chiave, a scelta comandi vocali o digitali, e con essa può accendere e spegnere luci, regolare ventilatori, attuare la rilevazione di temperatura e luminosità degli ambienti o quanto altro sia necessario. Il tutto semplicemente connettendo gli apparecchi all’Arduino e adattando il dispositivo mobile con pochi passi a comunicare con gli elettrodomestici.