Comparing Different Approaches for Clustering Categorical Data

There are different ways to do cluster analysis of categorical data in the literature and the choice among them is strongly related to the aim of the researcher, if we do not take into account time and economical constraints. Main approaches for clustering are usually distinguished into model-based and distance-based methods: the former assume that objects belonging to the same class are similar in the sense that their observed values come from the same probability distribution, whose parameters are unknown and need to be estimated; the latter evaluate distances among objects by a defined dissimilarity measure and, basing on it, allocate units to the closest group. In clustering, one may be interested in the classification of similar objects into groups, and one may be interested in finding observations that come from the same true homogeneous distribution. But do both of these aims lead to the same clustering? And how good are clustering methods designed to fulfil one of these aims in terms of the other? In order to answer, two approaches, namely a latent class model (mixture of multinomial distributions) and a partition around medoids one, are evaluated and compared by Adjusted Rand Index, Average Silhouette Width and Pearson-Gamma indexes in a fairly wide simulation study. Simulation outcomes are plotted in bi-dimensional graphs via Multidimensional Scaling; size of points is proportional to the number of points that overlap and different colours are used according to the cluster membership.

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.

La Ricostruzione 3D di Bologna nel XVI Secolo

Il lavoro presentato ha come oggetto la ricostruzione tridimensionale della città di Bologna nella sua fase rinascimentale. Tale lavoro vuole fornire un modello 3D delle architetture e degli spazi urbani utilizzabile sia per scopi di ricerca nell’ambito della storia delle città sia per un uso didattico-divulgativo nel settore del turismo culturale. La base del lavoro è una fonte iconografica di grande importanza: l’affresco raffigurante Bologna risalente al 1575 e situato in Vaticano; questa è una veduta a volo d’uccello di grandi dimensioni dell’intero tessuto urbano bolognese all’interno della terza cerchia di mura. In esso sono rappresentate in maniera particolareggiata le architetture civili e ecclesiastiche, gli spazi ortivi e cortilivi interni agli isolati e alcune importanti strutture urbane presenti in città alla fine del Cinquecento, come l’area portuale e i canali interni alla città, oggi non più visibili. La ricostruzione tridimensionale è stata realizzata tramite Blender, software per la modellazione 3D opensource, attraverso le fasi di modellazione, texturing e creazione materiali (mediante campionamento delle principali cromie presenti nell’affresco), illuminazione e animazione. Una parte della modellazione è stata poi testata all’interno di un GIS per verificare l’utilizzo delle geometrie 3D come elementi collegabili ad altre fonti storiche relative allo sviluppo urbano e quindi sfruttabili per la ricerca storica. Grande attenzione infine è stata data all’uso dei modelli virtuali a scopo didattico-divulgativo e per il turismo culturale. La modellazione è stata utilizzata all’interno di un motore grafico 3D per costruire un ambiente virtuale interattivo nel quale un utente anche non esperto possa muoversi per esplorare gli spazi urbani della Bologna del Cinquecento. In ultimo è stato impostato lo sviluppo di un’applicazione per sistemi mobile (Iphone e Ipad) al fine di fornire uno strumento per la conoscenza della città storica in mobilità, attraverso la comparazione dello stato attuale con quello ricostruito virtualmente.

Analysis and Implementation of Multiphase-Multilevel Inverter for Open-Winding Loads

Research work carried out in focusing a novel multiphase-multilevel ac motor drive system much suitable for low-voltage high-current power applications. In specific, six-phase asymmetrical induction motor with open-end stator winding configuration, fed from four standard two-level three-phase voltage source inverters (VSIs). Proposed synchronous reference frame control algorithm shares the total dc source power among the 4 VSIs in each switching cycle with three degree of freedom. Precisely, first degree of freedom concerns with the current sharing between two three-phase stator windings. Based on modified multilevel space vector pulse width modulation shares the voltage between each single VSIs of two three-phase stator windings with second and third degree of freedom, having proper multilevel output waveforms. Complete model of whole ac motor drive based on three-phase space vector decomposition approach was developed in PLECS - numerical simulation software working in MATLAB environment. Proposed synchronous reference control algorithm was framed in MATLAB with modified multilevel space vector pulse width modulator. The effectiveness of the entire ac motor drives system was tested. Simulation results are given in detail to show symmetrical and asymmetrical, power sharing conditions. Furthermore, the three degree of freedom are exploited to investigate fault tolerant capabilities in post-fault conditions. Complete set of simulation results are provided when one, two and three VSIs are faulty. Hardware prototype model of quad-inverter was implemented with two passive three-phase open-winding loads using two TMS320F2812 DSP controllers. Developed McBSP (multi-channel buffered serial port) communication algorithm able to control the four VSIs for PWM communication and synchronization. Open-loop control scheme based on inverse three-phase decomposition approach was developed to control entire quad-inverter configuration and tested with balanced and unbalanced operating conditions with simplified PWM techniques. Both simulation and experimental results are always in good agreement with theoretical developments.

Analisi di dati citofluorimetrici con tecniche di Data Mining

Il citofluorimetro è uno strumento impiegato in biologia genetica per analizzare dei campioni cellulari: esso, analizza individualmente le cellule contenute in un campione ed estrae, per ciascuna cellula, una serie di proprietà fisiche, feature, che la descrivono. L’obiettivo di questo lavoro è mettere a punto una metodologia integrata che utilizzi tali informazioni modellando, automatizzando ed estendendo alcune procedure che vengono eseguite oggi manualmente dagli esperti del dominio nell’analisi di alcuni parametri dell’eiaculato. Questo richiede lo sviluppo di tecniche biochimiche per la marcatura delle cellule e tecniche informatiche per analizzare il dato. Il primo passo prevede la realizzazione di un classificatore che, sulla base delle feature delle cellule, classifichi e quindi consenta di isolare le cellule di interesse per un particolare esame. Il secondo prevede l'analisi delle cellule di interesse, estraendo delle feature aggregate che possono essere indicatrici di certe patologie. Il requisito è la generazione di un report esplicativo che illustri, nella maniera più opportuna, le conclusioni raggiunte e che possa fungere da sistema di supporto alle decisioni del medico/biologo.

General effective medium model for the complex permittivity extraction with an open-ended coaxial probe in presence of a multilayer material under test

The work presented in this thesis is focused on the open-ended coaxial-probe frequency-domain reflectometry technique for complex permittivity measurement at microwave frequencies of dispersive dielectric multilayer materials. An effective dielectric model is introduced and validated to extend the applicability of this technique to multilayer materials in on-line system context. In addition, the thesis presents: 1) a numerical study regarding the imperfectness of the contact at the probe-material interface, 2) a review of the available models and techniques, 3) a new classification of the extraction schemes with guidelines on how they can be used to improve the overall performance of the probe according to the problem requirements.

Caratteristiche ortopediche-ortodontiche in pazienti affetti da Sindrome di Nooan

La sindrome di Noonan (SN) è una patologia a trasmissione autosomica dominante caratterizzata da bassa statura, difetti cardiaci congeniti, dismorfia facciale. In letteratura sono stati pubblicati pochi case reports riguardanti le condizioni orali-facciali in pazienti affetti da SN. Obiettivo. Individuare patologie di pertinenza ortopedico-ortodontica caratteristiche della sindrome utilizzando un campione di pazienti con diagnosi di SN. Metodi. Un gruppo di 10 pazienti affetti da SN è stato sottoposto a esame obiettivo extraorale ed intraorale, ortopantomografia, teleradiografia latero-laterale, impronte delle arcate dentarie. Le misurazioni sulle TLL sono state effettuate sulla base dell'analisi MBT; i valori palatali provengono dai modelli di studio dell’arcata superiore. È stata utilizzato il test t-Student per mettere a confronto il gruppo di studio e il gruppo di controllo riguardo le misure cefalometriche e i valori palatali. Risultati. Nel gruppo di studio sono state rilevate anomalie di numero (un dente deciduo soprannumerario e una agenesia di un dente permanente). Il test t-Student rivela differenze statisticamente significative per 7 variabili cefalometriche su 13 e per 2 variabili palatali. Conclusioni. Basandosi su questo studio è possibile concludere che i pazienti con SN mostrano II classe scheletrica di tipo mandibolare, crescita iperdivergente, tendenza al morso aperto scheletrico, palatoversione degli incisivi superiori, palato stretto. Questi risultati possono fornire informazioni utili sia per la diagnosi di SN sia per la pianificazione del corretto trattamento ortodontico.

Sviluppo di un'applicazione bioinformatica per la gestione dei dati di antibiotico sensibilità di isolati clinici

Il problema dell'antibiotico-resistenza è un problema di sanità pubblica per affrontare il quale è necessario un sistema di sorveglianza basato sulla raccolta e l'analisi dei dati epidemiologici di laboratorio. Il progetto di dottorato è consistito nello sviluppo di una applicazione web per la gestione di tali dati di antibiotico sensibilità di isolati clinici utilizzabile a livello di ospedale. Si è creata una piattaforma web associata a un database relazionale per avere un’applicazione dinamica che potesse essere aggiornata facilmente inserendo nuovi dati senza dover manualmente modificare le pagine HTML che compongono l’applicazione stessa. E’ stato utilizzato il database open-source MySQL in quanto presenta numerosi vantaggi: estremamente stabile, elevate prestazioni, supportato da una grande comunità online ed inoltre gratuito. Il contenuto dinamico dell’applicazione web deve essere generato da un linguaggio di programmazione tipo “scripting” che automatizzi operazioni di inserimento, modifica, cancellazione, visualizzazione di larghe quantità di dati. E’ stato scelto il PHP, linguaggio open-source sviluppato appositamente per la realizzazione di pagine web dinamiche, perfettamente utilizzabile con il database MySQL. E’ stata definita l’architettura del database creando le tabelle contenenti i dati e le relazioni tra di esse: le anagrafiche, i dati relativi ai campioni, microrganismi isolati e agli antibiogrammi con le categorie interpretative relative al dato antibiotico. Definite tabelle e relazioni del database è stato scritto il codice associato alle funzioni principali: inserimento manuale di antibiogrammi, importazione di antibiogrammi multipli provenienti da file esportati da strumenti automatizzati, modifica/eliminazione degli antibiogrammi precedenti inseriti nel sistema, analisi dei dati presenti nel database con tendenze e andamenti relativi alla prevalenza di specie microbiche e alla chemioresistenza degli stessi, corredate da grafici. Lo sviluppo ha incluso continui test delle funzioni via via implementate usando reali dati clinici e sono stati introdotti appositi controlli e l’introduzione di una semplice e pulita veste grafica.

Tecniche investigative ed aspetti criminologici nelle indagini giudiziarie relative ai suicidi ed alle morti equivoche. L'autopsia psicologica

La ricerca è strutturata in due sezioni: nella prima, dopo una premessa storica sul suicidio ed una lettura dei relativi dati statistici italiani integrata dall’analisi delle principali teorie sociologiche e dei principali aspetti psicopatologici e di psicologia clinica, vengono esaminati i risultati forniti da numerosi studi scientifici sul tema complementare delle morti equivoche, con particolare riferimento alle categorie a rischio rappresentate da anziani, carcerati, piloti di aerei, soggetti dediti a pratiche di asfissia autoerotica o roulette russa, istigatori delle forze di polizia e suicida stradali. Successivamente sono esaminati gli aspetti investigativi e medico-legali in tema di suicidi e morti equivoche con particolare riferimento alla tecnica dell’autopsia psicologica analizzandone le origini ed evoluzioni, il suo ambito di utilizzo ed i relativi aspetti metodologici. Nella seconda sezione del lavoro il tema dei suicidi e delle morti equivoche viene approfondito grazie all’apporto di professionisti di discipline diverse esperti in materia di autopsia psicologica ed indagini giudiziarie. A questi è stata presentata, con l’utilizzo della tecnica qualitativa “Dephi, una iniziale ipotesi di protocollo di autopsia psicologica, con le relative modalità applicative, al fine di procedere ad una sua revisione ed adattamento alle esigenze operative italiane grazie alle specifiche esperienze professionali e multidisciplinari maturate dagli esperti. I dati raccolti hanno permesso di giungere alla formulazione di un protocollo di autopsia psicologica, basato sulla elaborazione di domande generali, specifiche e conclusive, a risposta aperta, che possono esser formulate, secondo le modalità previste, alle persone affettivamente significative per la vittima nei confronti della quale si intende procedere con tale strumento investigativo.

Satellite and in situ data integrated analysis to study the upper ocean an coastal environment of the Italian seas

The thesis objectives are to develop new methodologies for study of the space and time variability of Italian upper ocean ecosystem through the combined use of multi-sensors satellite data and in situ observations and to identify the capability and limits of remote sensing observations to monitor the marine state at short and long time scales. Three oceanographic basins have been selected and subjected to different types of analyses. The first region is the Tyrrhenian Sea where a comparative analysis of altimetry and lagrangian measurements was carried out to study the surface circulation. The results allowed to deepen the knowledge of the Tyrrhenian Sea surface dynamics and its variability and to defined the limitations of satellite altimetry measurements to detect small scale marine circulation features. Channel of Sicily study aimed to identify the spatial-temporal variability of phytoplankton biomass and to understand the impact of the upper ocean circulation on the marine ecosystem. An combined analysis of the satellite of long term time series of chlorophyll, Sea Surface Temperature and Sea Level field data was applied. The results allowed to identify the key role of the Atlantic water inflow in modulating the seasonal variability of the phytoplankton biomass in the region. Finally, Italian coastal marine system was studied with the objective to explore the potential capability of Ocean Color data in detecting chlorophyll trend in coastal areas. The most appropriated methodology to detect long term environmental changes was defined through intercomparison of chlorophyll trends detected by in situ and satellite. Then, Italian coastal areas subject to eutrophication problems were identified. This work has demonstrated that satellites data constitute an unique opportunity to define the features and forcing influencing the upper ocean ecosystems dynamics and can be used also to monitor environmental variables capable of influencing phytoplankton productivity.

Continuos Flow Single Cell Separation into Open Microwell Arrays

A novel design based on electric field-free open microwell arrays for the automated continuous-flow sorting of single or small clusters of cells is presented. The main feature of the proposed device is the parallel analysis of cell-cell and cell-particle interactions in each microwell of the array. High throughput sample recovery with a fast and separate transfer from the microsites to standard microtiter plates is also possible thanks to the flexible printed circuit board technology which permits to produce cost effective large area arrays featuring geometries compatible with laboratory equipment. The particle isolation is performed via negative dielectrophoretic forces which convey the particles’ into the microwells. Particles such as cells and beads flow in electrically active microchannels on whose substrate the electrodes are patterned. The introduction of particles within the microwells is automatically performed by generating the required feedback signal by a microscope-based optical counting and detection routine. In order to isolate a controlled number of particles we created two particular configurations of the electric field within the structure. The first one permits their isolation whereas the second one creates a net force which repels the particles from the microwell entrance. To increase the parallelism at which the cell-isolation function is implemented, a new technique based on coplanar electrodes to detect particle presence was implemented. A lock-in amplifying scheme was used to monitor the impedance of the channel perturbed by flowing particles in high-conductivity suspension mediums. The impedance measurement module was also combined with the dielectrophoretic focusing stage situated upstream of the measurement stage, to limit the measured signal amplitude dispersion due to the particles position variation within the microchannel. In conclusion, the designed system complies with the initial specifications making it suitable for cellomics and biotechnology applications.

Data Mining in Clinical Practice for the Quantification of Motor Impairment in Parkinson's Disease

Advances in biomedical signal acquisition systems for motion analysis have led to lowcost and ubiquitous wearable sensors which can be used to record movement data in different settings. This implies the potential availability of large amounts of quantitative data. It is then crucial to identify and to extract the information of clinical relevance from the large amount of available data. This quantitative and objective information can be an important aid for clinical decision making. Data mining is the process of discovering such information in databases through data processing, selection of informative data, and identification of relevant patterns. The databases considered in this thesis store motion data from wearable sensors (specifically accelerometers) and clinical information (clinical data, scores, tests). The main goal of this thesis is to develop data mining tools which can provide quantitative information to the clinician in the field of movement disorders. This thesis will focus on motor impairment in Parkinson's disease (PD). Different databases related to Parkinson subjects in different stages of the disease were considered for this thesis. Each database is characterized by the data recorded during a specific motor task performed by different groups of subjects. The data mining techniques that were used in this thesis are feature selection (a technique which was used to find relevant information and to discard useless or redundant data), classification, clustering, and regression. The aims were to identify high risk subjects for PD, characterize the differences between early PD subjects and healthy ones, characterize PD subtypes and automatically assess the severity of symptoms in the home setting.