Progettazione di un sistema per patient-reported outcome utilizzabile anche su dispositivi mobili

In questo elaborato prenderemo in esame la questione della progettazione di un sistema software atto a gestire alcuni dei problemi legati alla raccolta dei dati in ambito medico. Da tempo infatti si è capita l'importanza di una speciale tecnica di raccolta dei dati clinici, nota in letteratura col nome di "patient-reported outcome", che prevede che siano i pazienti stessi a fornire le informazioni circa l'andamento di una cura, di un test clinico o, più semplicemente, informazioni sul loro stato di salute fisica o mentale. Vedremo in questa trattazione come ciò sia possibile e, soprattutto, come le tecniche e le tecnologie informatiche possano dare un grande contributo ai problemi di questo ambito. Mostreremo non solo come sia conveniente l'uso, in campo clinico, di tecniche automatiche di raccolta dei dati, della loro manipolazione, aggregazione e condivisione, ma anche come sia possibile realizzare un sistema moderno che risolva tutti questi problemi attraverso l'utilizzo di tecnologie esistenti, tecniche di modellazione dei dati strutturati e un approccio che, mediante un processo di generalizzazione, aiuti a semplificare lo sviluppo del software stesso.

A molecular phylogeny of bivalve mollusks: ancient radiations and divergences as revealed by mitochondrial genes

The main scope of my PhD is the reconstruction of the large-scale bivalve phylogeny on the basis of four mitochondrial genes, with samples taken from all major groups of the class. To my knowledge, it is the first attempt of such a breadth in Bivalvia. I decided to focus on both ribosomal and protein coding DNA sequences (two ribosomal encoding genes -12s and 16s -, and two protein coding ones - cytochrome c oxidase I and cytochrome b), since either bibliography and my preliminary results confirmed the importance of combined gene signals in improving evolutionary pathways of the group. Moreover, I wanted to propose a methodological pipeline that proved to be useful to obtain robust results in bivalves phylogeny. Actually, best-performing taxon sampling and alignment strategies were tested, and several data partitioning and molecular evolution models were analyzed, thus demonstrating the importance of molding and implementing non-trivial evolutionary models. In the line of a more rigorous approach to data analysis, I also proposed a new method to assess taxon sampling, by developing Clarke and Warwick statistics: taxon sampling is a major concern in phylogenetic studies, and incomplete, biased, or improper taxon assemblies can lead to misleading results in reconstructing evolutionary trees. Theoretical methods are already available to optimize taxon choice in phylogenetic analyses, but most involve some knowledge about genetic relationships of the group of interest, or even a well-established phylogeny itself; these data are not always available in general phylogenetic applications. The method I proposed measures the "phylogenetic representativeness" of a given sample or set of samples and it is based entirely on the pre-existing available taxonomy of the ingroup, which is commonly known to investigators. Moreover, it also accounts for instability and discordance in taxonomies. A Python-based script suite, called PhyRe, has been developed to implement all analyses.

Kinematics of the Sicily and Calabria Subduction System from Elastic Block Modeling of GPS Data

We use data from about 700 GPS stations in the EuroMediterranen region to investigate the present-day behavior of the the Calabrian subduction zone within the Mediterranean-scale plates kinematics and to perform local scale studies about the strain accumulation on active structures. We focus attenction on the Messina Straits and Crati Valley faults where GPS data show extentional velocity gradients of ∼3 mm/yr and ∼2 mm/yr, respectively. We use dislocation model and a non-linear constrained optimization algorithm to invert for fault geometric parameters and slip-rates and evaluate the associated uncertainties adopting a bootstrap approach. Our analysis suggest the presence of two partially locked normal faults. To investigate the impact of elastic strain contributes from other nearby active faults onto the observed velocity gradient we use a block modeling approach. Our models show that the inferred slip-rates on the two analyzed structures are strongly impacted by the assumed locking width of the Calabrian subduction thrust. In order to frame the observed local deformation features within the present- day central Mediterranean kinematics we realyze a statistical analysis testing the indipendent motion (w.r.t. the African and Eurasias plates) of the Adriatic, Cal- abrian and Sicilian blocks. Our preferred model confirms a microplate like behaviour for all the investigated blocks. Within these kinematic boundary conditions we fur- ther investigate the Calabrian Slab interface geometry using a combined approach of block modeling and χ2ν statistic. Almost no information is obtained using only the horizontal GPS velocities that prove to be a not sufficient dataset for a multi-parametric inversion approach. Trying to stronger constrain the slab geometry we estimate the predicted vertical velocities performing suites of forward models of elastic dislocations varying the fault locking depth. Comparison with the observed field suggest a maximum resolved locking depth of 25 km.

Modeling and simulation of a synthetic genetic circuit that implements a multicelled behavior in a growing microcolony of E. coli

Synthetic Biology is a relatively new discipline, born at the beginning of the New Millennium, that brings the typical engineering approach (abstraction, modularity and standardization) to biotechnology. These principles aim to tame the extreme complexity of the various components and aid the construction of artificial biological systems with specific functions, usually by means of synthetic genetic circuits implemented in bacteria or simple eukaryotes like yeast. The cell becomes a programmable machine and its low-level programming language is made of strings of DNA. This work was performed in collaboration with researchers of the Department of Electrical Engineering of the University of Washington in Seattle and also with a student of the Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica at the University of Bologna: Marilisa Cortesi. During the collaboration I contributed to a Synthetic Biology project already started in the Klavins Laboratory. In particular, I modeled and subsequently simulated a synthetic genetic circuit that was ideated for the implementation of a multicelled behavior in a growing bacterial microcolony. In the first chapter the foundations of molecular biology are introduced: structure of the nucleic acids, transcription, translation and methods to regulate gene expression. An introduction to Synthetic Biology completes the section. In the second chapter is described the synthetic genetic circuit that was conceived to make spontaneously emerge, from an isogenic microcolony of bacteria, two different groups of cells, termed leaders and followers. The circuit exploits the intrinsic stochasticity of gene expression and intercellular communication via small molecules to break the symmetry in the phenotype of the microcolony. The four modules of the circuit (coin flipper, sender, receiver and follower) and their interactions are then illustrated. In the third chapter is derived the mathematical representation of the various components of the circuit and the several simplifying assumptions are made explicit. Transcription and translation are modeled as a single step and gene expression is function of the intracellular concentration of the various transcription factors that act on the different promoters of the circuit. A list of the various parameters and a justification for their value closes the chapter. In the fourth chapter are described the main characteristics of the gro simulation environment, developed by the Self Organizing Systems Laboratory of the University of Washington. Then, a sensitivity analysis performed to pinpoint the desirable characteristics of the various genetic components is detailed. The sensitivity analysis makes use of a cost function that is based on the fraction of cells in each one of the different possible states at the end of the simulation and the wanted outcome. Thanks to a particular kind of scatter plot, the parameters are ranked. Starting from an initial condition in which all the parameters assume their nominal value, the ranking suggest which parameter to tune in order to reach the goal. Obtaining a microcolony in which almost all the cells are in the follower state and only a few in the leader state seems to be the most difficult task. A small number of leader cells struggle to produce enough signal to turn the rest of the microcolony in the follower state. It is possible to obtain a microcolony in which the majority of cells are followers by increasing as much as possible the production of signal. Reaching the goal of a microcolony that is split in half between leaders and followers is comparatively easy. The best strategy seems to be increasing slightly the production of the enzyme. To end up with a majority of leaders, instead, it is advisable to increase the basal expression of the coin flipper module. At the end of the chapter, a possible future application of the leader election circuit, the spontaneous formation of spatial patterns in a microcolony, is modeled with the finite state machine formalism. The gro simulations provide insights into the genetic components that are needed to implement the behavior. In particular, since both the examples of pattern formation rely on a local version of Leader Election, a short-range communication system is essential. Moreover, new synthetic components that allow to reliably downregulate the growth rate in specific cells without side effects need to be developed. In the appendix are listed the gro code utilized to simulate the model of the circuit, a script in the Python programming language that was used to split the simulations on a Linux cluster and the Matlab code developed to analyze the data.

L'efficienza degli indici azionari: un'analisi empirica

La studio dell’efficienza di un indice azionario ha accresciuto la propria importanza nell’industria dell’asset management a seguito della diffusione dell’utilizzo di benchmark e investimenti indicizzati. Il presente lavoro valuta il livello di efficienza dei principali indici del mercato azionario statunitense, dell’Area Euro e italiano. Lo studio empirico ricorre a quattro misure di efficienza: il GRS, un test small-sample multivariato fondato sul CAPM; il test large sample di Wald, implementato tramite una simulazione bootstrap; il test GMM, che è stato applicato in una cornice non-gaussiana attraverso una simulazione block bootstrap; la misura di efficienza relativa di Kandel e Stambaugh. I risultati empirici forniscono una prova evidente della superiore efficienza degli indici equiponderati. Questa conclusione è interpretata sulla base della letteratura scientifica esistente, analizzando le diverse cause di ordine teorico ed empirico che sono state proposte.

Progettazione e implementazione di una rete di sensori mobili Arduino per scenari di Disaster Recovery

Sommario Il progetto descritto in questo documento consiste nella realizzazione di una prima applicazione pratica di uno specifico studio di ricerca rivolto al ripristino di reti wireless in scenari post-calamità naturali. In principio è stata descritta un’ampia analisi delle problematiche di rete che si vengono a creare in seguito ad eventi catastrofici. Successivamente, analizzando le varie tecniche e tecnologie oggetto di studio di diversi gruppi di ricerca, si è scelto di collaborare con il progetto STEM-Mesh, essendo ancora in fase sperimentale, il quale affronta il problema di ristabilire la connettività di rete in questi particolari scenari, attraverso l’utilizzo di tecnologie Cognitive Radio (CR), mobilità controllata e principi di reti auto-organizzanti. Di questo primo approccio pratico sono state poi descritte le fasi di progettazione, implementazione e testing. Nella fase di progettazione sono state studiate le componenti hardware e software che rispettassero il più possibile i requisiti e le caratteristiche dei dispositivi “staminali” STEM-Node cuore del progetto STEM-Mesh, ovvero dei dispositivi wireless altamente auto-riconfiguranti ed auto-organizzanti che possono diventare dispositivi sostituivi ai nodi compromessi in una rete, riconfigurandosi appunto in base alle funzionalità interrotte. Nella fase di implementazione si è passati alla stesura del codice, in Python e Wiring, abilitante il dispositivo STEM-Node. Infine nella fase di testing si è verificato che i risultati fossero quelli desiderati e che il sistema realizzato funzionasse come previsto.

Clustering di ammassi di galassie con cataloghi otticamente selezionati

In questo lavoro di tesi si è studiato il clustering degli ammassi di galassie e la determinazione della posizione del picco BAO per ottenere vincoli sui parametri cosmologici. A tale scopo si è implementato un codice per la stima dell'errore tramite i metodi di jackknife e bootstrap. La misura del picco BAO confrontata con i modelli cosmologici, grazie all'errore stimato molto piccolo, è risultato in accordo con il modelli LambdaCDM, e permette di ottenere vincoli su alcuni parametri dei modelli cosmologici.

Analisi, progettazione e realizzazione di un prototipo di scheduler per attivita commerciali

Negli ultimi anni si è verificato un enorme cambiamento per quanto riguarda le tecnologie utilizzate nello sviluppo di applicazioni, spostandosi sempre verso soluzioni più innovative. In particolare l'utente, diventando sempre più esperto, si ritrova ad essere sempre più esigente. Qui nasce la necessità di modernizzare la gestione degli appuntamenti con la clientela da parte delle attività commerciali tramite l'uso di uno scheduler online. Lo scopo di questo documento è quello di illustrare come è stato realizzato un prototipo di questo sistema, partendo dalle interviste ai committenti e analisi dei relativi problemi, per arrivare poi alla sua realizzazione, utilizzando tecnologie e design innovativi e di ultima generazione.

Nanoparticelle e condizione mesoscopica: esempi di proprieta fisiche e analisi di micrografie elettroniche

Nel capitolo 1 si definisce la condizione mesoscopica e sono descritte le tecnologie utilizzate per la produzione e il deposito di particelle. Inoltre si discute come l’organizzazione dei gruppi di particelle sia influenzata dalla loro superficie e dalla loro reciproca interazione. Nel capitolo 2 si presenta un software per l'analisi di micrografie elettroniche, come è stato sviluppato, la sua portata, i limiti. Si descrivono gli algoritmi di base utilizzati per processare l’immagine e ottenere aree e perimetri delle nanoparticelle campionate. Infine il capitolo 3 contiene i risultati dell’analisi immagine e le relative conclusioni fisiche.

Automated Analysis Methods for the Assessment of Bicycle Infrastructure and Demand

A first phase of the research activity has been related to the study of the state of art of the infrastructures for cycling, bicycle use and methods for evaluation. In this part, the candidate has studied the "bicycle system" in countries with high bicycle use and in particular in the Netherlands. Has been carried out an evaluation of the questionnaires of the survey conducted within the European project BICY on mobility in general in 13 cities of the participating countries. The questionnaire was designed, tested and implemented, and was later validated by a test in Bologna. The results were corrected with information on demographic situation and compared with official data. The cycling infrastructure analysis was conducted on the basis of information from the OpenStreetMap database. The activity consisted in programming algorithms in Python that allow to extract data from the database infrastructure for a region, to sort and filter cycling infrastructure calculating some attributes, such as the length of the arcs paths. The results obtained were compared with official data where available. The structure of the thesis is as follows: 1. Introduction: description of the state of cycling in several advanced countries, description of methods of analysis and their importance to implement appropriate policies for cycling. Supply and demand of bicycle infrastructures. 2. Survey on mobility: it gives details of the investigation developed and the method of evaluation. The results obtained are presented and compared with official data. 3. Analysis cycling infrastructure based on information from the database of OpenStreetMap: describes the methods and algorithms developed during the PhD. The results obtained by the algorithms are compared with official data. 4. Discussion: The above results are discussed and compared. In particular the cycle demand is compared with the length of cycle networks within a city. 5. Conclusions

Dynamic networks, text analysis and Gephi: the art math

In numerosi campi scientici l'analisi di network complessi ha portato molte recenti scoperte: in questa tesi abbiamo sperimentato questo approccio sul linguaggio umano, in particolare quello scritto, dove le parole non interagiscono in modo casuale. Abbiamo quindi inizialmente presentato misure capaci di estrapolare importanti strutture topologiche dai newtork linguistici(Degree, Strength, Entropia, . . .) ed esaminato il software usato per rappresentare e visualizzare i grafi (Gephi). In seguito abbiamo analizzato le differenti proprietà statistiche di uno stesso testo in varie sue forme (shuffolato, senza stopwords e senza parole con bassa frequenza): il nostro database contiene cinque libri di cinque autori vissuti nel XIX secolo. Abbiamo infine mostrato come certe misure siano importanti per distinguere un testo reale dalle sue versioni modificate e perché la distribuzione del Degree di un testo normale e di uno shuffolato abbiano lo stesso andamento. Questi risultati potranno essere utili nella sempre più attiva analisi di fenomeni linguistici come l'autorship attribution e il riconoscimento di testi shuffolati.

Add-on in blender per la deformazione di mesh poligonali

L’idea da cui nasce questa tesi è quella di introdurre in Blender un Add-on in linguaggio Python che permetta di applicare alcune deformazioni di tipo surface-based a mesh poligonali. Questa tipologia di deformazioni rappresentano l’alternativa alle deformazioni di mesh poligonali tramite rigging ( cioè l’aggiunta di uno scheletro per controllare e per animare la mesh) e caging (cioè l’utilizzo di una struttura di controllo di tipo reticolare che propaga la sua deformazione su un oggetto in essa immerso), che di solito sono le prescelte in computer animation e in modellazione. Entrambe le deformazioni indicate sono già estremamente radicate in Blender, prova ne è il fatto che esiste più di un modificatore che le implementa, già integrato in codice nativo. Si introduce inizialmente la tecnica di deformazione di mesh poligonali tramite elasticità discreta, che è stata realizzata, quindi, presenteremo diverse metodologie di deformazione. Illustreremo poi come modellare, creare ed editare delle mesh in Blender. Non ci soffermeremo su dettagli puramente dettati dall’interfaccia utente, cercheremo invece di addentrarci nei concetti e nelle strutture teoriche, allo scopo di avere le basi logiche per definire una Add-on che risulti veramente efficace e utile all’interno del sistema di modellazione. Approfondiremo la struttura di due modificatori chiave per la deformazioni di mesh : Lattice Modifier e Mesh Deform Modifier che implementano una metodologia di tipo space-based. Infine ci concentreremo sulla parte di scripting Python in Blender. Daremo un’idea delle strutture dati, dei metodi e delle funzioni da utilizzare per interagire con l’ambiente circostante, con i singoli oggetti ed in particolare con le Mesh e daremo un esempio di script Python. Andremo infine a descrivere l’implementazione della deformazione elastica mediante add-on Python in Blender.

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.

Dyanote: Hypertext-based note-taking

Dyanote é un programma di note taking dove gli appunti sono gestiti in un ipertesto. E' stato sviluppando usando Django ed AngularJS.

Molekularbiologische Charakterisierung der beiden Untereinheiten des Mega-Hämocyanins der Schnecke Melanoides tuberculata

Bei dem 2010 von unserer Arbeitsgruppe entdeckten Mega-Hämocyanin handelt es sich um einen stark abgewandelten Typ des respiratorischen Proteins Hämocyanin, bestehend aus zwei flankierenden regulären Dekameren und einem zentralen Mega-Dekamer. Diese sind aus zwei immunologisch verschiedenen Untereinheiten mit ~400 bzw. ~550 kDa aufgebaut, die in unserer Arbeitsgruppe bereits proteinbiochemisch charakterisiert wurden. Im Zuge dieser Untersuchungen konnte zudem eine 3D-Rekonstruktion des Oligomers (13,5 MDa) mit einer Auflösung von 13Å erstellt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Aufklärung der Primärstruktur beider Polypeptide bei der Schnecke Melanoides tuberculata (MtH). Es gelang, die cDNAs der beiden Untereinheiten vollständig zu sequenzieren. Die zu typischen Dekameren assemblierende MtH400-Untereinheit umfasst 3445 Aminosäuren und besitzt eine theoretische Molekularmasse von 390 kDa. Nach dem Signalpeptid von 23 Aminosäuren Länge folgen die für Gastropoden-Hämocyanine typischen funktionellen Einheiten FU-a bis FU-h. Insgesamt verfügt die MtH400-Untereinheit über sechs potentielle N-Glykosylierungsstellen. Die MtH550-Untereinheit, welche mit 10 Kopien das Mega-Dekamer bildet, umfasst 4999 Aminosäuren und besitzt eine theoretische Molekularmasse von 567 kDa. Damit handelt es sich bei dieser Untereinheit um die zweitgrößte jemals bei einem Protein detektierte Polypeptidkette. Die MtH550-Untereinheit besteht aus einem Signalpeptid von 20 Aminosäuren Länge und den typischen Wand-FUs (FU-a bis FU-f). Daran anschließend folgen sechs weitere Varianten der FU-f (FU-f1 bis FU-f6). Die MtH550-Untereinheit verfügt über insgesamt zwölf potentielle N-Glykosylierungsstellen. Anhand der ermittelten Primärstrukturdaten wird klar, dass der auffällig vergrößerte Kragenbereich des Mega-Dekamers aus je 10 Kopien der FU-f1 bis FU-f6 besteht. Die ermittelten Sequenzdaten der beiden MtH-Untereinheiten weisen im Vergleich zu anderen Hämocyanin Sequenzen einige sehr charakteristische Indels sowie unübliche N-Glykosylierungsstellen auf. Es war zudem möglich, anhand einer molekularen Uhr den Entstehungszeitpunkt des Mega-Hämocyanins zu datieren (145 ± 35 MYA). Sowohl die Topologie als auch die berechneten Trennungszeitpunkte des an allen Verzweigungen gut unterstützten Stammbaums stimmen mit den bisher publizierten und auf Hämocyanindaten basierenden molekularen Uhren überein.