Inverse Static Analysis of Massive Parallel Arrays of Three-State Actuators via Artificial Intelligence

Massive parallel robots (MPRs) driven by discrete actuators are force regulated robots that undergo continuous motions despite being commanded through a finite number of states only. Designing a real-time control of such systems requires fast and efficient methods for solving their inverse static analysis (ISA), which is a challenging problem and the subject of this thesis. In particular, five Artificial intelligence methods are proposed to investigate the on-line computation and the generalization error of ISA problem of a class of MPRs featuring three-state force actuators and one degree of revolute motion.

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.

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.

Thermodynamic concepts in adaptive resolution simulations

This thesis work is devoted to the conceptual and technical development of the Adaptive Resolution Scheme (AdResS), a molecular dynamics method that allows the simulation of a system with different levels of resolution simultaneously. The simulation domain is divided into high and low resolution zones and a transition region that links them, through which molecules can freely diffuse.rnThe first issue of this work regards the thermodynamic consistency of the method, which is tested and verified in a model liquid of tetrahedral molecules. The results allow the introduction of the concept of the Thermodynamic Force, an external field able to correct spurious density fluctuations present in the transition region in usual AdResS simulations.rnThe AdResS is also applied to a system where two different representations with the same degree of resolution are confronted. This simple test extends the method from an Adaptive Resolution Scheme to an Adaptive Representation Scheme, providing a way of coupling different force fields based on thermodynamic consistency arguments. The Thermodynamic Force is successfully applied to the example described in this work as well.rnAn alternative approach of deducing the Thermodynamic Force from pressure consistency considerations allows the interpretation of AdResS as a first step towards a molecular dynamics simulation in the Grand Canonical ensemble. Additionally, such a definition leads to a practical way of determining the Thermodynamic Force, tested in the well studied tetrahedral liquid. The effects of AdResS and this correction on the atomistic domain are analyzed by inspecting the local distribution of velocities, radial distribution functions, pressure and particle number fluctuation. Their comparison with analogous results coming from purely atomistic simulations shows good agreement, which is greatly improved under the effect of the external field.rnA further step in the development of AdResS, necessary for several applications in biophysics and material science, consists of its application to multicomponent systems. To this aim, the high-resolution representation of a model binary mixture is confronted with its coarse-grained representation systematically parametrized. The Thermodynamic Force, whose development requires a more delicate treatment, also gives satisfactory results.rnFinally, AdResS is tested in systems including two-body bonded forces, through the simulation of a model polymer allowed to adaptively change its representation. It is shown that the distribution functions that characterize the polymer structure are in practice not affected by the change of resolution.rnThe technical details of the implementation of AdResS in the ESPResSo package conclude this thesis work.

Coarse-graining and quantum-classical adaptive coupling in soft matter

Die vorliegende Arbeit untersucht den Zusammenhang zwischen Skalen in Systemen weicher Materie, der für Multiskalen-Simulationen eine wichtige Rolle spielt. Zu diesem Zweck wurde eine Methode entwickelt, die die Approximation der Separierbarkeit von Variablen für die Molekulardynamik und ähnliche Anwendungen bewertet. Der zweite und größere Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der konzeptionellen und technischen Erweiterung des Adaptive Resolution Scheme'' (AdResS), einer Methode zur gleichzeitigen Simulation von Systemen mit mehreren Auflösungsebenen. Diese Methode wurde auf Systeme erweitert, in denen klassische und quantenmechanische Effekte eine Rolle spielen.rnrnDie oben genannte erste Methode benötigt nur die analytische Form der Potentiale, wie sie die meisten Molekulardynamik-Programme zur Verfügung stellen. Die Anwendung der Methode auf ein spezielles Problem gibt bei erfolgreichem Ausgang einen numerischen Hinweis auf die Gültigkeit der Variablenseparation. Bei nicht erfolgreichem Ausgang garantiert sie, dass keine Separation der Variablen möglich ist. Die Methode wird exemplarisch auf ein zweiatomiges Molekül auf einer Oberfläche und für die zweidimensionale Version des Rotational Isomer State (RIS) Modells einer Polymerkette angewandt.rnrnDer zweite Teil der Arbeit behandelt die Entwicklung eines Algorithmus zur adaptiven Simulation von Systemen, in denen Quanteneffekte berücksichtigt werden. Die Quantennatur von Atomen wird dabei in der Pfadintegral-Methode durch einen klassischen Polymerring repräsentiert. Die adaptive Pfadintegral-Methode wird zunächst für einatomige Flüssigkeiten und tetraedrische Moleküle unter normalen thermodynamischen Bedingungen getestet. Schließlich wird die Stabilität der Methode durch ihre Anwendung auf flüssigen para-Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen geprüft.

Neonatal plasmacytoid dendritic cells at the interface of innate and adaptive immunity = Neonatale plasmazytoide dendritische Zellen - an der Schnittstelle zwischen angeborener und adaptiver Immunität

Human cord blood plasmacytoid dendritic cells (PDC) react to stimulation with CPG A and CPG B with an increase in cell surface activation and maturation markers and cytokine production, similar to adult PDC. Intracellular phosphorylation in neonatal PDC did not benefit from CPG stimulation, in contrast to adult PDC. Cord blood PDC primed with CPG A, CPG B and CD40L do not promote division of autologous T cells contrary to adult PDC. Priming of neonatal PDC with CPG A or CPG B does not induce a clear bias in T helper cell response towards Th1 or Th2 while adult PDC trend towards a Th2 response.

The interaction of Leishmania major parasites with human myeloid cells and its consequence for adaptive immunity

In der vorliegenden Arbeit fokussierten wir uns auf drei verschiedene Aspekte der Leishmanien-Infektion. Wir charakterisierten den Prozess des Zelltods „Apoptose“ bei Parasiten (1), untersuchten die Eignung von Makrophagen und dendritischen Zellen als Wirtszelle für die Entwicklung der Parasiten (2) und analysierten die Konsequenzen der Infektion für die Entstehung einer adaptiven Immunantwort im humanen System. Von zentraler Bedeutung für dieses Projekt war die Hypothese, dass apoptotische Leishmanien den Autophagie-Mechanismus ihrer Wirtszellen ausnutzen, um eine T-Zell-vermittelte Abtötung der Parasiten zu vermindern.rnWir definierten eine apoptotische Leishmanien-Population, welche durch eine rundliche Morphologie und die Expression von Phosphatidylserin auf der Parasitenoberfläche charakterisiert war. Die apoptotischen Parasiten befanden sich zudem in der SubG1-Phase und wiesen weniger und fragmentierte DNA auf, welche durch TUNEL-Assay nachgewiesen werden konnte. Bei der Interaktion der Parasiten mit humanen Makrophagen und dendritischen Zellen zeigte sich, dass die anti-inflammatorischen Makrophagen anfälliger für Infektionen waren als die pro-inflammatorischen Makrophagen oder die dendritischen Zellen. Interessanterweise wurde in den dendritischen Zellen jedoch die effektivste Umwandlung zur krankheitsauslösenden, amastigoten Lebensform beobachtet. Da sowohl Makrophagen als auch dendritische Zellen zu den antigenpräsentierenden Zellen gehören, könnte dies zur Aktivierung der T-Zellen des adaptiven Immunsystems führen. Tatsächlich konnte während der Leishmanien-Infektion die Proliferation von T-Zellen beobachtet werden. Dabei stellten wir fest, dass es sich bei den proliferierenden T-Zellen um CD3+CD4+ T-Zellen handelte, welche sich überraschenderweise als Leishmanien-spezifische CD45RO+ T-Gedächtniszellen herausstellten. Dies war unerwartet, da ein vorheriger Kontakt der Spender mit Leishmanien als unwahrscheinlich gilt. In Gegenwart von apoptotischen Parasiten konnte eine signifikant schwächere T-Zell-Proliferation in Makrophagen, jedoch nicht in dendritischen Zellen beobachtet werden. Da sich die T-Zell-Proliferation negativ auf das Überleben der Parasiten auswirkt, konnten die niedrigsten Überlebensraten in dendritischen Zellen vorgefunden werden. Innerhalb der Zellen befanden sich die Parasiten in beiden Zelltypen im Phagosom, welches allerdings nur in Makrophagen den Autophagie-Marker LC3 aufwies. Chemische Induktion von Autophagie führte, ebenso wie die Anwesenheit von apoptotischen Parasiten, zu einer stark reduzierten T-Zell-Proliferation und dementsprechend zu einem höheren Überleben der Parasiten.rnZusammenfassend lässt sich aus unseren Daten schließen, dass Apoptose in Einzellern vorkommt. Während der Infektion können sowohl Makrophagen, als auch dendritische Zellen mit Leishmanien infiziert und das adaptive Immunsystem aktivert werden. Die eingeleitete T-Zell-Proliferation nach Infektion von Makrophagen ist in Gegenwart von apoptotischen Parasiten reduziert, weshalb sie im Vergleich zu dendritischen Zellen die geeigneteren Wirtszellen für Leishmanien darstellen. Dafür missbrauchen die Parasiten den Autophagie-Mechanismus der Makrophagen als Fluchtstrategie um das adaptive Immunsystem zu umgehen und somit das Überleben der Gesamtpopulation zu sichern. Diese Ergebnisse erklären den Vorteil von Apoptose in Einzellern und verdeutlichen, dass der Autophagie-Mechanismus als potentielles therapeutisches Ziel für die Behandlung von Leishmaniose dienen kann.rn

Dynamic Adaptive Streaming over Http: implementazione e analisi sperimentale di algoritmi di rate adaptation su client Android

Il lavoro svolto in questa tesi consiste nell'implementare un'applicazione Android per lo streaming video, conforme allo standard MPEG-DASH. L'obiettivo è quello di fornire un valido strumento al fine di eseguire delle analisi sperimentali su algoritmi particolari, detti di rate adaptation. MPEG-Dynamic Adaptive Streaming over Http è uno standard emergente ed è considerato da molti il futuro dello streaming multimediale. Questa tecnologia consente di auto-regolare la qualità del video in base alle condizioni della rete, la capacità del dispositivo o le preferenze dell'utente. Inoltre, essendo uno standard, permette di rendere interoperabili i server e i device dei vari fornitori di contenuti multimediali. Nei primi capitoli introduttivi verrà presentato lo standard e i lavori correlati, successivamente verrà descritta la mia proposta applicativa: DashPlayer. In conclusione, verrà compiuta una valutazione sperimentali sugli algoritmi sopracitati che costituiscono la parte logico-funzionale dell'applicazione.

Evaluation of new HTTP Adaptive Streaming algorithms: the clients’ and network’s perspectives

Lo streaming è una tecnica per trasferire contenuti multimediali sulla rete globale, utilizzato per esempio da servizi come YouTube e Netflix; dopo una breve attesa, durante la quale un buffer di sicurezza viene riempito, l'utente può usufruire del contenuto richiesto. Cisco e Sandvine, che con cadenza regolare pubblicano bollettini sullo stato di Internet, affermano che lo streaming video ha, e avrà sempre di più, un grande impatto sulla rete globale. Il buon design delle applicazioni di streaming riveste quindi un ruolo importante, sia per la soddisfazione degli utenti che per la stabilità dell'infrastruttura. HTTP Adaptive Streaming indica una famiglia di implementazioni volta a offrire la migliore qualità video possibile (in termini di bit rate) in funzione della bontà della connessione Internet dell'utente finale: il riproduttore multimediale può cambiare in ogni momento il bit rate, scegliendolo in un insieme predefinito, adattandosi alle condizioni della rete. Per ricavare informazioni sullo stato della connettività, due famiglie di metodi sono possibili: misurare la velocità di scaricamento dei precedenti trasferimenti (approccio rate-based), oppure, come recentemente proposto da Netflix, utilizzare l'occupazione del buffer come dato principale (buffer-based). In questo lavoro analizziamo algoritmi di adattamento delle due famiglie, con l'obiettivo di confrontarli su metriche riguardanti la soddisfazione degli utenti, l'utilizzo della rete e la competizione su un collo di bottiglia. I risultati dei nostri test non definiscono un chiaro vincitore, riconoscendo comunque la bontà della nuova proposta, ma evidenziando al contrario che gli algoritmi buffer-based non sempre riescono ad allocare in modo imparziale le risorse di rete.

Implementazione e analisi di un’applicazione Android per il Dynamic Adaptive Streaming cooperativo tramite Http e WiFi-Direct

Questo lavoro ha lo scopo di presentare l’implementazione e la valutazione di un’applicazione Android che permetta la riproduzione di uno streaming auto-adattante conforme allo standard DASH sfruttando le funzionalità offerte dal player ”ExoPLayer” a cui viene aggiunta la funzionalità di caching e condivisione dei relativi segmenti tramite WiFi-Direct. Questo al fine di raggiungere diversi obiettivi come la riduzione dell’utilizzo di reti mobili, l’aumento della qualità e/o una riproduzione più fluida. Si è inoltre sviluppato un simulatore in C++ che permette di valutare il comportamento dell’applicazione, l’algoritmo usato per la scelta dei segmenti, e i vantaggi correlati.

Tecniche Cloud Avanzate per Adaptive Hadoop Load Balancing tramite Sahara

Ogni giorno vengono generati grandi moli di dati attraverso sorgenti diverse. Questi dati, chiamati Big Data, sono attualmente oggetto di forte interesse nel settore IT (Information Technology). I processi digitalizzati, le interazioni sui social media, i sensori ed i sistemi mobili, che utilizziamo quotidianamente, sono solo un piccolo sottoinsieme di tutte le fonti che contribuiscono alla produzione di questi dati. Per poter analizzare ed estrarre informazioni da questi grandi volumi di dati, tante sono le tecnologie che sono state sviluppate. Molte di queste sfruttano approcci distribuiti e paralleli. Una delle tecnologie che ha avuto maggior successo nel processamento dei Big Data, e Apache Hadoop. Il Cloud Computing, in particolare le soluzioni che seguono il modello IaaS (Infrastructure as a Service), forniscono un valido strumento all'approvvigionamento di risorse in maniera semplice e veloce. Per questo motivo, in questa proposta, viene utilizzato OpenStack come piattaforma IaaS. Grazie all'integrazione delle tecnologie OpenStack e Hadoop, attraverso Sahara, si riesce a sfruttare le potenzialita offerte da un ambiente cloud per migliorare le prestazioni dell'elaborazione distribuita e parallela. Lo scopo di questo lavoro e ottenere una miglior distribuzione delle risorse utilizzate nel sistema cloud con obiettivi di load balancing. Per raggiungere questi obiettivi, si sono rese necessarie modifiche sia al framework Hadoop che al progetto Sahara.

Urinary metabolomics in Fxr-null mice reveals activated adaptive metabolic pathways upon bile acid challenge

Farnesoid X receptor (FXR) is a nuclear receptor that regulates genes involved in synthesis, metabolism, and transport of bile acids and thus plays a major role in maintaining bile acid homeostasis. In this study, metabolomic responses were investigated in urine of wild-type and Fxr-null mice fed cholic acid, an FXR ligand, using ultra-performance liquid chromatography (UPLC) coupled with electrospray time-of-flight mass spectrometry (TOFMS). Multivariate data analysis between wild-type and Fxr-null mice on a cholic acid diet revealed that the most increased ions were metabolites of p-cresol (4-methylphenol), corticosterone, and cholic acid in Fxr-null mice. The structural identities of the above metabolites were confirmed by chemical synthesis and by comparing retention time (RT) and/or tandem mass fragmentation patterns of the urinary metabolites with the authentic standards. Tauro-3alpha,6,7alpha,12alpha-tetrol (3alpha,6,7alpha,12alpha-tetrahydroxy-5beta-cholestan-26-oyltaurine), one of the most increased metabolites in Fxr-null mice on a CA diet, is a marker for efficient hydroxylation of toxic bile acids possibly through induction of Cyp3a11. A cholestatic model induced by lithocholic acid revealed that enhanced expression of Cyp3a11 is the major defense mechanism to detoxify cholestatic bile acids in Fxr-null mice. These results will be useful for identification of biomarkers for cholestasis and for determination of adaptive molecular mechanisms in cholestasis.

Two-dimensional linear-combination model fitting of magnetic resonance spectra to define the macromolecule baseline using FiTAID, a Fitting Tool for Arrays of Interrelated Datasets

To propose the determination of the macromolecular baseline (MMBL) in clinical 1H MR spectra based on T(1) and T(2) differentiation using 2D fitting in FiTAID, a general Fitting Tool for Arrays of Interrelated Datasets.

Surface-acoustic-wave counterflow micropumps for on-chip liquid motion control in two-dimensional microchannel arrays

Fully controlled liquid injection and flow in hydrophobic polydimethylsiloxane (PDMS) two-dimensional microchannel arrays based on on-chip integrated, low-voltage-driven micropumps are demonstrated. Our architecture exploits the surface-acoustic-wave (SAW) induced counterflow mechanism and the effect of nebulization anisotropies at crossing areas owing to lateral propagating SAWs. We show that by selectively exciting single or multiple SAWs, fluids can be drawn from their reservoirs and moved towards selected positions of a microchannel grid. Splitting of the main liquid flow is also demonstrated by exploiting multiple SAW beams. As a demonstrator, we show simultaneous filling of two orthogonal microchannels. The present results show that SAW micropumps are good candidates for truly integrated on-chip fluidic networks allowing liquid control in arbitrarily shaped two-dimensional microchannel arrays.