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.

Ricerca di nuove strategie differenziative: Analisi degli effetti di stimoli fisici e molecolari su cellule mesenchimali umane isolate da tessuto adiposo

Introduzione. Le cellule mesenchimali derivate dal tessuto adiposo (hASC) rappresentano un importante strumento per la terapia cellulare, in quanto derivano da un tessuto adulto abbondante e facilmente reperibile. Con il dispositivo medico Lipogems l’isolamento di tali cellule è eseguito esclusivamente mediante sollecitazioni meccaniche. Il prodotto ottenuto è quindi minimamente manipolato e subito utilizzabile. Ad oggi, il condizionamento pro-differenziativo delle staminali è per lo più attuato mediante molecole di sintesi. Tuttavia, altri fattori possono modulare la fisiologia cellulare, come gli stimoli fisici e molecole naturali. Onde elettromagnetiche hanno indotto in modelli cellulari staminali l’espressione di alcuni marcatori di differenziamento e, in cellule adulte, una riprogrammazione, mentre estratti embrionali di Zebrafish sono risultati antiproliferativi sia in vitro che in vivo. Metodi. La ricerca di nuove strategie differenziative sia di natura fisica che molecolare, nel particolare onde acustiche ed estratti embrionali di Zebrafish, è stata condotta utilizzando come modello cellulare le hASC isolate con Lipogems. Onde acustiche sono state somministrate mediante l’utilizzo di due apparati di trasduzione, un generatore di onde meccaniche e il Cell Exciter . I trattamenti con gli estratti embrionali sono stati effettuati utilizzando diverse concentrazioni e diversi tempi sperimentali. Gli effetti sull’espressione dei marcatori di staminalità e differenziamento relativi ai trattamenti sono stati saggiati in RT-PCR quantitativa relativa e/o in qPCR. Per i trattamenti di tipo molecolare è stata valutata anche la proliferazione. Risultati e conclusioni. La meta-analisi dei dati delle colture di controllo mostra la stabilità d’espressione genica del modello. I trattamenti con i suoni inducono variazioni dell’espressione genica, suggerendo un ruolo regolatorio di tali stimoli, in particolare del processo di commitment cardiovascolare. Due degli estratti embrionali di Zebrafish testati inibiscono la proliferazione alle 72 ore dalla somministrazione. L’analisi d’espressione associata ai trattamenti antiproliferativi suggerisce che tale effetto abbia basi molecolari simili ai processi di differenziamento.

Ottimizzazione di un protocollo di anticoagulazione regionale con citrato in CRRT

Ottimizzazione di un protocollo di anticoagulazione regionale con citrato in CRRT Introduzione: La necessità di un'anticoagulazione continua e l'ipofosforemia in corso di trattamento sono problemi costranti in corso di CRRT. Il nostro studio ha cercato di dimostrare l'efficacia e la sicurezza dell'anticoagulazione regionale con citrato in CVVH basato sull'utilizzo di una soluzione di citrato (18 mmol/L) associata ad una soluzione di reinfusione contenente fosfato, recentemente disponibile in commercio, al fine di ridurre l'ipofosfatemia in corso di CRRT. Metodi: Abbiamo utilizzato il nostro protocollo basato sull'utilizzo di una concentrazione di citrato contenente 18 mmol/l associata ad una soluzione di reinfusione contenente fosfato in un piccolo gruppo di pazienti ricoverati in terapia intensiva post-cardiochirurgica, sottoposti a CRRT per insufficienza renale acuta. Risultati: Il nostro protocollo ha garantito un'adeguata durata del circuito ed un ottimo controllo dell'equilibrio acido-base in ogni paziente. E' stata necessaria solo una minima supplementazione di fosforo in alcuni dei pazienti trattati. Conclusioni: Il nostro protocollo basato sull' utilizzo di una soluzione a concentrazione di citrato maggiore (18 mmol/l), permette un miglior controllo dell'equilibrio acido-base rispetto all'utilizzo della soluzione a più bassa concentrazione di citrato. L'uso di una minore dose di citrato ed il mantenimento di un target maggiore di calcio ionizzato all'interno del circuito sono comunque associati ad un'adeguata durata del circuito. I livelli di fosforemia sono rimasti sostanzialmente stabili nella maggior parte dei pazienti trattati, grazie alla presenza di fosfato nella soluzione utilizzata come reinfusione in post-diluizione.

Studio di modelli matematici per la verifica e la progettazione di impianti di digestione anaerobica su scala di laboratorio e industriale

Il lavoro di Dottorato si è incentrato con successo sullo studio della possibilità di applicare il modello ADM1 per la descrizione e verifica di impianti industriali di digestione anaerobica. Dai dati sperimentali il modello e l'implementazione in software di analisi numerica si sono rivelati strumenti efficaci. Il software sviluppato è stato utilizzato come strumento di progettazione di impianti alimentati con biomasse innovative, analizzate con metodiche biochimiche (BMP) in scala di laboratorio. Lo studio è stato corredato con lo studio di fattibilità di un impianto reale con verifica di ottimo economico.

Modelli e strumenti di supporto alla scelta informata del paziente: un argine alla medicina difensiva

L’aumento esponenziale del contenzioso medico-legale – originatosi negli USA negli anni Sessanta in proporzioni tali da far parlare di medical liability crisis, e sviluppatosi in Italia a partire dalla metà degli anni Ottanta – ha comportato e continua a comportare, unitamente ad altre conseguenze negative, il ricorso sempre più frequente dei sanitari alle pratiche di medicina difensiva, con elevatissimi costi a carico del Servizio Sanitario Nazionale dovuti alla sovrabbondanza di trattamenti e ricoveri inutili e di procedure diagnostiche invasive non necessarie, peraltro produttive di stress emotivo nei pazienti. La causa dell’aumento della litigiosità deve essere ricercata in buona parte nella relazione medico-paziente, in particolar modo con riferimento al momento informativo che precede l’acquisizione del consenso informato al trattamento clinico. In Italia, i limiti che per lo più caratterizzano gli studi riguardanti il consenso informato derivano principalmente dal fatto che essi tendono a focalizzarsi unicamente sulla componente scritta del medesimo. Il fulcro del consenso informato, invece, deve ritenersi rappresentato da una comunicazione tra sanitario e paziente relativa ad un trattamento proposto ed alle possibili alternative, alla non sottoposizione ad alcun trattamento e ai rischi e benefici di ciascuna di queste opzioni. In un tale contesto il tema della comunicazione tra il professionista e la persona assistita sta suscitando interesse poiché ci si aspetta che esso conduca a miglioramenti degli outcome dei pazienti e alla diminuzione delle denunce da parte di questi ultimi per casi di responsabilità sanitaria. La maggiore attenzione al rapporto medico - paziente ha fatto emergere il bisogno di migliorare e potenziare le abilità comunicative dei medici, in un’ottica in cui il momento comunicativo possa essere percepito dal professionista come fulcro del rapporto medico-paziente, nella prospettiva di una elaborazione di strategie di prevenzione e contrasto ai fenomeni di medicina difensiva.

Caratterizzazione e simulazione di processi di colata in sabbia di ghise sferoidali

L’oggetto principale delle attività di tesi è la caratterizzazione numerico-sperimentale di processi di colata in sabbia di ghisa sferoidale. Inizialmente è stata effettuata un’approfondita indagine bibliografica per comprendere appieno le problematiche relative all’influenza dei parametri del processo fusorio (composizione chimica, trattamento del bagno, velocità di raffreddamento) sulle proprietà microstrutturali e meccaniche di getti ottenuti e per valutare lo stato dell’arte degli strumenti numerici di simulazione delle dinamiche di solidificazione e di previsione delle microstrutture. Sono state definite, realizzate ed impiegate attrezzature sperimentali di colata per la caratterizzazione di leghe rivolte alla misura ed alla differenziazione delle condizioni di processo, in particolare le velocità di raffreddamento, ed atte a validare strumenti di simulazione numerica e modelli previsionali. Inoltre sono stati progettati ed impiegati diversi sistemi per l’acquisizione ed analisi delle temperature all’interno di getti anche di grandi dimensioni. Lo studio, mediante analisi metallografica, di campioni di materiale ottenuto in condizioni differenziate ha confermato l’effetto dei parametri di processo considerati sulle proprietà microstrutturali quali dimensioni dei noduli di grafite e contenuto di ferrite e perlite. In getti di grandi dimensioni si è riscontrata anche una forte influenza dei fenomeni di macrosegregazione e convezione della lega su microstrutture e difettologie dei getti. Le attività si sono concentrate principalmente nella simulazione numerica FEM dei processi fusori studiati e nell’impiego di modelli empirico-analitici per la previsione delle microstrutture. I dati misurati di temperature di processo e di microstrutture sono stati impiegati per la validazione ed ottimizzazione degli strumenti numerici previsionali impiegati su un ampio intervallo di condizioni di processo. L’impiego di strumenti affidabili di simulazione del processo fusorio, attraverso l’implementazione di correlazioni sperimentali microstrutture-proprietà meccaniche, permette la valutazione di proprietà e difettologie dei getti, fornendo un valido aiuto nell’ottimizzazione del prodotto finito e del relativo processo produttivo.

La gestione del contenzioso in sanità: analisi dei profili processuali della responsabilità medico-sanitaria funzionale alla definizione di modelli alternativi di risoluzione.

La tesi approfondisce i profili processuale della responsabilità medica allo scopo di elaborare una proposta alternativa di gestione del contenzioso. Si esamina, altresì, il tema dei limiti di utilizzo della mediazione nelle controversie in cui vengono in gioco interessi di rilievo pubblicistico.

Studio ed ottimizzazione di un sedile ammortizzato per auto sportiva

Ricerca di un sistema in grado di ridurre le vibrazioni trasmesse da un sedile di un'auto sportiva al guidatore, a causa delle asperità della strada, tramite lo sviluppo di un sistema di molle ad aria compressa, un sistema di regolazione del sedile e l'utilizzo di materiali innovativi ad elevato comfort.

Ottimizzazione di metodi numerici e realizzazione di un setup per l'imaging di colture cellulari 3D con tomografia ad impedenza elettrica

Il presente lavoro di tesi presenta la progettazione, realizzazione e applicazione di un setup sperimentale miniaturizzato per la ricostruzione di immagine, con tecnica di Tomografia ad Impedenza Elettrica (EIT). Il lavoro descritto nel presente elaborato costituisce uno studio di fattibilità preliminare per ricostruire la posizione di piccole porzioni di tessuto (ordine di qualche millimetro) o aggregati cellulari dentro uno scaffold in colture tissutali o cellulari 3D. Il setup disegnato incorpora 8 elettrodi verticali disposti alla periferia di una camera di misura circolare del diametro di 10 mm. Il metodo di analisi EIT è stato svolto utilizzando i) elettrodi conduttivi per tutta l’altezza della camera (usati nel modello EIT bidimensionale e quasi-bidimensionale) e ii) elettrodi per deep brain stimulation (conduttivi esclusivamente su un ridotto volume in punta e posti a tre diverse altezze: alto, centro e basso) usati nel modello EIT tridimensionale. Il metodo ad elementi finiti (FEM) è stato utilizzato per la soluzione sia del problema diretto che del problema inverso, con la ricostruzione della mappa di distribuzione della conduttività entro la camera di misura. Gli esperimenti svolti hanno permesso di ricostruire la mappa di distribuzione di conduttività relativa a campioni dell’ordine del millimetro di diametro. Tali dimensioni sono compatibili con quelle dei campioni oggetto di studio in ingegneria tissutale e, anche, con quelle tipiche dei sistemi organ-on-a-chip. Il metodo EIT sviluppato, il prototipo del setup realizzato e la trattazione statistica dei dati sono attualmente in fase di implementazione in collaborazione con il gruppo del Professor David Holder, Dept. Medical Physics and Bioengineering, University College London (UCL), United Kingdom.

Analisi statica equivalente per strutture dotate di smorzatori viscosi

L’installazione di smorzatori viscosi sulle strutture permette di dissipare l’energia che il sisma trasmette, senza provocare danni o rotture degli elementi strutturali principali. Questi dispositivi sono stati l'oggetto di numerosi lavori di ricerca dal 1980 fino ad oggi e l'efficacia nel mitigare gli effetti dell’azione sismica su strutture edilizie è stata ampiamente dimostrata. La maggior parte delle teorie scientifiche per la progettazione e l'ottimizzazione degli smorzatori si basano sofisticati algoritmi, portando talvolta a complessi procedure. L'applicazione di tali algoritmi richiede spesso competenze computazionali e di tempo eccessive. Il fine della tesi è quello di proporre un metodo pratico, cioè diretto e immediato per aiutare gli ingegneri per effettuare analisi sismiche su strutture intelaiate dotate di smorzatori viscosi e di dimensionare tali dispositivi. Tale metodo è stato l’oggetto del lavoro di ricerca scientifica trattato nell’articolo: “Equivalent Static Analyses of framed structures with added viscous dampers” di Palermo et al., 2015. Si riesce così ad estendere così il concetto di analisi statica equivalente anche per strutture dotate di smorzatori viscosi, definendo in maniera intuitiva sia le configurazioni di idealizzazione della strutture durante il sisma sia l’ idealizzazione dell’effetto del sisma sulla struttura. In questi anni di lavoro di ricerca, sono stati proposti vari metodi per il dimensionamento degli smorzatori viscosi. Tra questi, il prof. Ing. Silvestri (Silvestri et al., 2010) ha proposto un approccio progettuale diretto, chiamato "five step procedure” che mira a guidare l'ingegnere professionista, dalla scelta del target di prestazioni alle identificazioni della caratteristiche meccaniche di smorzatori viscosi trovabili in commercio. La procedura originale (Silvestri et al., 2010, Silvestri et al., 2011, Palermo et al., 2013), anche se per lo più basata su espressioni analitiche, richiede ancora lo sviluppo di analisi numeriche Time-History di modelli FEM, al fine di valutare le forze massime negli smorzatori aggiunti. Verrà spiegato e proposto un metodo semplificato (“Direct five step procedure for the dimensioning of added viscous dampers” Palermo et al., 2015) che consente ottenere direttamente, tramite una semplice formula, le forze massime degli smorzatori (spesso un parametro chiave della valutazione del costo degli smorzatori), senza eseguire simulazioni numeriche. Infine, si è applicato il metodo semplificato proposto di analisi statica equivalente per strutture equipaggiate di smorzatori viscosi ad un edificio reale.

Il costume diventa scena. Conseguenze impreviste di una funzione scenica e una proposta operativa.

Questa ricerca vuole mostrare come l'abito di scena,in particolare nel mondo dello spettacolo moderno e contemporaneo, possa assumere una funzione anche scenografica, trasformandosi completamente o parzialmente in arredo scenico oppure completando elementi scenici.

Studio e ottimizzazione di un autoturboreattore

Il ritiro dello Space Shuttle dalla vita operativa avvenuto nel 2011 e le iniziative in corso tra NASA ed aziende commerciali hanno dato il via ad una fase di transizione nel volo spaziale umano volta a fornire servizi di trasporto spaziale maggiormente flessibili. Accanto ad iniziative private che sono principalmente volte al trasporto di turisti nello spazio allo scopo di far loro provare per pochi minuti l’ebbrezza dell’assenza di gravita’ (ad esempio Virgin Galactic), anche la Difesa si sta impegnando in questo campo, in particolar modo negli USA. Inoltre è stata firmata a marzo 2014 una lettera d’intenti tra l’Aeronautica militare e l’Ente Nazionale per l’Aviazione Civile (ENAC) per definire i criteri e le modalità per lo sviluppo della cooperazione nel settore del volo suborbitale e dell’aerospazio. L’accordo segue di pochi giorni la firma a Washington di un Memorandum of Cooperation sul medesimo argomento tra la Federal Aviation Administration americana(FAA) e la stessa ENAC, accordo che fa dell’Italia il primo paese europeo scelto dalla FAA statunitense come partner per la collaborazione nel settore del trasporto spaziale.

Modelli matematici di cardiomiociti derivanti da cellule staminali: una nuova formulazione per riprodurre gli effetti proaritmici del blocco della corrente di potassio

I cardiomiociti derivanti da cellule staminali pluripotenti indotte (hiPSC-CMs) costituiscono un nuovo approccio per lo studio delle proprietà delle cellule cardiache sia degli individui sani che di quelli affetti da malattie ereditarie e possono rappresentare inoltre una piattaforma in vitro per la scoperta di nuovi farmaci e terapie rigenerative. Il grande impatto delle hiPSC-CMs nell’ambito della ricerca si deve soprattutto alle loro proprietà elettrofisiologiche: queste cellule non solo esprimono fenotipi genici e proprietà delle correnti ioniche tipiche delle cellule cardiache, ma sono anche in grado di riprodurre fenomeni aritmici, come le EAD, a seguito della somministrazione di farmaci. Grazie anche alla grande potenza di calcolo oggi disponibile è possibile supportare la pratica in vitro con modelli in silico, abbattendo sia i costi che i tempi richiesti dagli esperimenti in laboratorio. Lo scopo di questo lavoro è quello di simulare il comportamento delle hiPSC-CMs di tipo ventricolare in risposta alla somministrazione di farmaci che interagiscono con la corrente di potassio IKr, principale responsabile della ripolarizzazione cardiaca. L’assunzione di certi farmaci può comportare infatti una riduzione della IKr, con conseguente prolungamento della fase di ripolarizzazione del potenziale d’azione cardiaco. Questo meccanismo è causa dell’insorgenza della sindrome del QT lungo di tipo 2, che in casi estremi può degenerare in aritmie gravi. Ciò suggerisce che queste cellule rappresentano un importante strumento per la valutazione del rischio pro-aritmico che può essere facilitata da simulazioni in silico effettuate utilizzando modelli computazionali basati su dati fisiologici.

Analisi ed ottimizzazione di sistemi multistadio di trattamento fumi: applicazione ad un termovalorizzatore di rifiuti urbani e speciali

Questo studio è mirato ad analizzare ed ottimizzare il consumo dei reagenti solidi impiegati da uno stabilimento di termovalorizzazione di rifiuti solidi urbani e speciali (Silea S.p.A, presso Valmadrera (LC)), per abbattere le correnti acide trattate nelle due linee fumi multistadio. Dopo aver scelto quale delle due linee prendere come riferimento, per poi riportare i risultati ottenuti anche sull’altra con opportune correzioni, il lavoro è stato condotto in diverse fasi, e affiancato da un costante confronto diretto con gli ingegneri e i tecnici dello stabilimento. Una volta preso atto delle normali condizioni di funzionamento dell’impianto, si è proceduto all’esecuzione di test, mirati a quantificare l’efficienza di rimozione dell’acido cloridrico, da parte del bicarbonato di sodio e dell’innovativo sorbente dolomitico, brevettato sotto il nome: Depurcal® MG. I test sono stati suddivisi in giornate differenti in base al tipo di reattivo da analizzare (e quindi lo stadio) e programmati in modo che permettessero di correlare la conversione dell’HCl alla portata di reagente solido introdotto. Una volta raccolti i dati, essi sono stati elaborati e filtrati in base a criteri oggettivi, per poi essere analizzati con senso critico, fornendo un quadro completo sulla reale potenzialità dell’impianto. Attraverso l’utilizzo di un opportuno modello è stato possibile caratterizzarlo e individuare la migliore condizione economico-operativa per ognuno dei possibili scenari individuati.

Modelli e metodi per il dimensionamento di buffer floor-storage in magazzini scaffalati.

In questa tesi sono stati studiati i fattori che influenzano l'utilizzo del buffer in un magazzino manuale. Per poter realizzare le analisi è stato realizzato un programma C# che simula la gestione del magazzino. Per ottimizzare l'assegnamento dei pallet alle location si è inoltre costruito un modello AMPL. L'obiettivo del modello è minimizzare la differenza tra le classi ottime dei codici in ingresso e i posti pallet ai quali questi vengono assegnati. Il programma C# oltre all'interfaccia con il risolutore AMPL Gurobi, deve interfacciarsi anche con il data base Access nel quale sono stati organizzati i dati necessari per l'analisi. Questi dati sono reali e relativi agli ingressi e alle uscite di un magazzino contenente materiale farmaceutico di due settimane di lavoro. Per facilitare e velocizzare lo studio le informazioni considerate sono quelle di due soli corridoi e non dell'intero magazzino. I risultati hanno evidenziato quattro fattori principali che influenzano la differenza tra un l'allocazione dei pallet in ingresso ad un magazzino. Questi elementi sono: costo di utilizzo del buffer, numero di location libere ad inizio simulazione, momento d'esecuzione del picking a magazzino e tipologia di location vute ad inizio della simulazione. Per ognuno di questi si è cercato, per quanto possibile, di individuare le implicazioni che quanto studiato può avere nella progettazione di un sistema di stoccaggio reale sia dal punto di vista logistico sia dal punto di vista economico. Non sempre le osservazioni reali alle quali si è arrivati hanno un risvolto pratico immediato, ma senza dubbio possono essere utili nello studio preliminare per la realizzazione di un sistema di stoccaggio. All'interno delle conclusioni sono state inserite anche possibili studi e approfondimenti futuri che possono essere eseguiti partendo dal progetto di tesi qui presentato.