Bioinspired fabrication of biosilica-based bone substitution materials

Until today, autogenic bone grafts from various donor regions represent the gold standard in the field of bone reconstruction, providing both osteoinductive and osteoconductive characteristics. However, due to low availability and a disequilibrium between supply and demand, the risk of disease transfer and morbidity, usually associated with autogeneic bone grafts, the development of biomimic materials with structural and chemical properties similar to those of natural bone have been extensively studied. So far,rnonly a few synthetic materials, so far, have met these criteria, displaying properties that allow an optimal bone reconstitution. Biosilica is formed enzymatically under physiological-relevant conditions (temperature and pH) via silicatein (silica protein), an enzyme that was isolated from siliceous sponges, cloned, and prepared in a recombinant way, retaining its catalytic activity. It is biocompatible, has some unique mechanical characteristics, and comprises significant osteoinductive activity.rnTo explore the application of biosilica in the fields of regenerative medicine,rnsilicatein was encapsulated, together with its substrate sodium metasilicate, into poly(D,L-lactide)/polyvinylpyrrolidone(PVP)-based microspheres, using w/o/wrnmethodology with solvent casting and termed Poly(D,L-lactide)-silicatein silicacontaining-microspheres [PLASSM]. Both silicatein encapsulation efficiency (40%) and catalytic activity retention upon polymer encapsulation were enhanced by addition of an essential pre-emulsifying step using PVP. Furthermore, the metabolic stability, cytoxicity as well as the kinetics of silicatein release from the PLASSM were studied under biomimetic conditions, using simulated body fluid. As a solid support for PLASSM, a polyvinylpyrrolidone/starch/Na2HPO4-based matrix (termed plastic-like filler matrix containing silicic acid [PMSA]) was developed and its chemical and physical properties determined. Moreover, due to the non-toxicity and bioinactivity of the PMSA, it is suggested that PMSA acts as osteoconductive material. Both components, PLASSM and PMSA, when added together, form arnbifunctional 2-component implant material, that is (i)non-toxic(biocompatible), (ii)moldable, (iii) self-hardening at a controlled and clinically suitable rate to allows a tight insertion into any bone defect (iv) biodegradable, (v)forms a porous material upon exposure to body biomimetic conditions, and (vi)displays both osteoinductive (silicatein)and osteoconductive (PMSA) properties.rnPreliminary in vivo experiments were carried out with rabbit femurs, by creatingrnartificial bone defects that were subsequently treated with the bifunctional 2-component implant material. After 9 weeks of implantation, both computed tomography (CT) and morphological analyses showed complete resorption of the implanted material, concurrent with complete bone regeneration. The given data can be considered as a significant contribution to the successful introduction of biosilica-based implants into the field of bone substitution surgery.

Das OtCM-System zur elektronischen Compliance-Messung : Qualitätsuntersuchung der OtCM-Blister und e-Dispenser ; Validierung und Nutzenevaluation im Vergleich mit MEMS

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Eignung und Nutzen des „Objective therapy Compliance Measurement“ (OtCMTM)-Systems, einer innovativen Weiterentwicklung im Bereich der elektronischen Compliance-Messung, untersucht. Unter experimentellen Bedingungen wurden Funktionalität und Verlässlichkeit der elektronischen OtCMTM-Blisterpackungen überprüft, um deren Eignung für den klinischen Einsatz zu zeigen. Funktionalität (≥90% lesbare Blister), Richtigkeit (≤2% Fehler) und Robustheit waren bei den OtCMTM-Blistern der Version 3 gegeben, nachdem die Fehler der Versionen 1 und 2 in Zusammenarbeit mit dem Hersteller TCG identifiziert und eliminiert worden waren. Der als Alternative zu den elektronischen Blistern für die Verpackung von klinischen Prüfmustern entwickelte OtCMTM e-Dispenser wurde bezüglich Funktionalität und Anwenderfreundlichkeit in einer Pilotstudie untersucht. Dabei wurde ein Optimierungsbedarf festgestellt. In einer klinischen Studie wurde das OtCMTM-System mit dem als „Goldstandard“ geltenden MEMS® verglichen. Vergleichskriterien waren Datenqualität, Akzeptanz und Anwenderfreundlichkeit, Zeitaufwand bei der Bereitstellung der Medikation und Datenauswertung, sowie Validität. Insgesamt 40 Patienten, die mit Rekawan® retard 600mg behandelt wurden, nahmen an der offenen, randomisierten, prospektiven Studie teil. Das OtCMTM-System zeigte sich bezüglich Validität, Akzeptanz und Anwenderfreundlichkeit mit MEMS® vergleichbar. Eine erwartete Zeitersparnis wurde mit dem OtCMTM-System gegenüber MEMS® nicht erreicht. Vorteile des OtCMTM-Systems sind eine höhere Datenqualität und die Möglichkeit zum Einsatz in der Telemedizin.

Studio e sviluppo di tecniche automatiche per la valutazione di massa e volumi del ventricolo sinistro in risonanza magnetica cardiaca

La risonanza magnetica cardiaca è una tecnica di imaging non invasiva, in quanto non necessita l’uso di radiazioni ionizzanti, caratterizzata da un’elevata risoluzione spaziale e che permette acquisizioni in 4-D senza vincoli di orientazione. Grazie a queste peculiarità, la metodica della risonanza magnetica ha mostrato la sua superiorità nei confronti delle altre tecniche diagnostiche ed è riconosciuta come il gold standard per lo studio della fisiologia e fisiopatologia della pompa cardiaca. Nonostante la potenza di questi vantaggi, esistono ancora varie problematiche che, se superate, potrebbero probabilmente migliorare ulteriormente la qualità delle indagini diagnostiche. I software attualmente utilizzati nella pratica clinica per le misure del volume e della massa ventricolare richiedono un tracciamento manuale dei contorni dell’endocardio e dell’epicardio per ciascuna fetta, per ogni frame temporale del ciclo cardiaco. Analogamente avviene per il tracciamento dei contorni del tessuto non vitale. In questo modo l’analisi è spesso qualitativa. Di fatti, la necessità dell’intervento attivo dell’operatore rende questa procedura soggettiva e dipendente dall’esperienza, provocando un’elevata variabilità e difficile ripetibilità delle misure intra e inter operatore, oltre ad essere estremamente dispendiosa in termini di tempo, a causa dell’elevato numero di immagini da analizzare. La disponibilità di una tecnica affidabile per il tracciamento automatico dei contorni dell’endocardio e dell’epicardio consente di superare queste limitazioni ed aumentare l’accuratezza e la ripetibilità delle misure di interesse clinico, quali dimensione, massa e curve di volume ventricolari. Lo scopo di questa tesi è di sviluppare e validare una tecnica di segmentazione automatica che consenta l’identificazione e la quantificazione di cicatrici nel miocardio, a seguito di infarto cardiaco. Il lavoro è composto da due tappe principali. Inizialmente, è presentato un metodo innovativo che permette, in via totalmente automatica, di tracciare in modo accurato e rapido i contorni dell’endocardio e dell’epicardio nel corso dell’intero ciclo cardiaco. Successivamente, l’informazione sulla morfologia cardiaca ricavata nella prima fase è utilizzata per circoscrivere il miocardio e quantificare la transmuralità dell’infarto presente in pazienti ischemici.

Vergleich der Elastographie-gesteuerten Biopsie mit der Systembiopsie bei der Detektion von Prostatakarzinomen

Hintergrund: Die Systembiopsie gilt als Goldstandard zum Nachweis eines Prostatakarzinoms, obwohl ein relevanter Anteil an Prostatakarzinomen nicht diagnostiziert wird. Wir wollten mit unserer Arbeit die Frage beantworten, ob mittels elastographisch gezielter Biopsien die Prostatakarzinom-Detektion im Vergleich zur Goldstandard-Systembiopsie verbessert werden kann. Material und Methode: 152 Patienten wurden in einer prospektiven Studie einer 12-fachen Prostata-Systembiopsie unterzogen. In Linksseitenlagerung wurde dabei aus jedem der vordefinierten 6 Prostatasegmente je 1 laterale und 1 mediale Stanze entnommen. Elastographisch suspekte Areale wurden zusätzlich gezielt biopsiert. Als statistisch signifikant wurde p<0,05 angenommen. Ergebnisse: Bei 62 der 152 Patienten (40,8%) wurde ein Prostatakarzinom diagnostiziert. Die Detektionsrate der Systembiopsie betrug 39,5% (60/152), die Detektionsrate der Elastographie 29,6% (45/152). Somit war die Systembiopsie der elastographisch gezielten Biopsie signifikant überlegen (p=0,039).Jedoch war die Wahrscheinlichkeit mit einer Prostatastanze ein Karzinomherd zu entdecken, für die elastographischen Biopsien 3,7-fach höher als für die Systembiopsien. Die Sensitivität der Elastographie betrug 72,6% und die Spezifität 66,6%. Der positive Vorhersagewert für die Elastographie war 60%, der negative Vorhersagewert 78%. Die Kombination von Systembiopsie und elastographisch gezielten Biopsien bot die höchste Detektionsrate. In der rechten Prostatahälfte (48%) verzeichneten wir doppelt so viele elastographisch falsch-positive Befunde wie in der linken Prostatahälfte (25%). Desweiteren fanden sich am häufigsten falsch-positive Befunde im Prostata-Apex (46%) und am seltensten in der Prostata-Basis (29%). Schlussfolgerung: In unserer Studie war die elastographisch gezielte Biopsie der Systembiopsie signifikant unterlegen (p=0,039). Die Kombination von Systembiopsie mit elastographisch gezielten Biopsien bot die höchste Detektionsrate und kann daher empfohlen werden. Die Auffälligkeiten in der Segment-bezogenen Auswertung und ein möglicher Einfluss der Patienten-Lagerung müssen durch weitere Studien überprüft werden.rn

Il monitoraggio della pressione arteriosa in continuo: osservazione su un gruppo di pazienti in area critica.

Il proposito principale di questo studio è valutare, attraverso un confronto tra tecnologia Nexfin e metodo invasivo, se l’attuazione di modelli fisiologici realizzata dal Monitor Nexfin, rende possibile un preciso e accurato monitoraggio dinamico della pressione arteriosa, garantendo in questo modo l’affidabilità della suddetta tecnologia in ambito clinico. È stato deciso di porre come termine di paragone il sistema invasivo in quanto rappresenta il gold standard per la rilevazione della pressione arteriosa. I capitoli sono stati disposti in modo da introdurre gradualmente il lettore all’interno del topic principale dell’elaborato, fornendo di volta in volta tutte le conoscenze essenziali per una comprensione ottimale degli argomenti trattati. Il primo capitolo fornisce inizialmente una breve visione d’insieme sull’apparato cardiocircolatorio, per poi concentrarsi sui fenomeni che concorrono alla definizione e alla caratterizzazione della pressione arteriosa. Il secondo capitolo presenta alcuni cenni storici sulle prime misurazioni di pressione effettuate, in seguito illustra i principali metodi di misurazione non invasivi, articolando il discorso anche attraverso l’analisi dei principali sfigmomanometri ad oggi disponibili. Il terzo capitolo guida il lettore attraverso la scoperta delle più recenti metodiche non invasive per la misurazione della pressione che consentono un monitoraggio dinamico, esponendo nel dettaglio i loro limiti e le loro peculiarità. Nella parte finale del capitolo si affronta anche l’evoluzione del “Volume Clamp Method” di Peñáz partendo dal progetto originale fino a giungere al notevole contributo di Wesseling e alla ricostruzione del segnale di pressione brachiale. Il quarto capitolo delinea brevemente le caratteristiche principali del metodo invasivo, ovvero il gold standard per quanto riguarda il monitoraggio della pressione sanguigna. Il quinto capitolo infine illustra in maniera completa le proprietà del Monitor Nexfin e analizza i risultati conseguiti, confrontando la tecnologia Nexfin con il sistema invasivo, durante lo studio condotto presso l’Ospedale Maurizio Bufalini dell’Azienda USL della Romagna – Sede operativa di Cesena. Lo studio è presentato seguendo una impostazione scientifica.

Multiple pathogen detection using nanoplasmonic sensing

Opportunistic diseases caused by Human Immunodeficiency Virus (HIV) and Hepatitis B Virus (HBV) is an omnipresent global challenge. In order to manage these epidemics, we need to have low cost and easily deployable platforms at the point-of-care in high congestions regions like airports and public transit systems. In this dissertation we present our findings in using Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR)-based detection of pathogens and other clinically relevant applications using microfluidic platforms at the point-of-care setting in resource constrained environment. The work presented here adopts the novel technique of LSPR to multiplex a lab-on-a-chip device capable of quantitatively detecting various types of intact viruses and its various subtypes, based on the principle of a change in wavelength occurring when metal nano-particle surface is modified with a specific surface chemistry allowing the binding of a desired pathogen to a specific antibody. We demonstrate the ability to detect and quantify subtype A, B, C, D, E, G and panel HIV with a specificity of down to 100 copies/mL using both whole blood sample and HIV-patient blood sample discarded from clinics. These results were compared against the gold standard Reverse Transcriptase Polymerase Chain Reaction (RT-qPCR). This microfluidic device has a total evaluation time for the assays of about 70 minutes, where 60 minutes is needed for the capture and 10 minutes for data acquisition and processing. This LOC platform eliminates the need for any sample preparation before processing. This platform is highly multiplexable as the same surface chemistry can be adapted to capture and detect several other pathogens like dengue virus, E. coli, M. Tuberculosis, etc.

Assessment of gait spatio-temporal parameters in neurological disorders using wearable inertial sensors

Movement analysis carried out in laboratory settings is a powerful, but costly solution since it requires dedicated instrumentation, space and personnel. Recently, new technologies such as the magnetic and inertial measurement units (MIMU) are becoming widely accepted as tools for the assessment of human motion in clinical and research settings. They are relatively easy-to-use and potentially suitable for estimating gait kinematic features, including spatio-temporal parameters. The objective of this thesis regards the development and testing in clinical contexts of robust MIMUs based methods for assessing gait spatio-temporal parameters applicable across a number of different pathological gait patterns. First, considering the need of a solution the least obtrusive as possible, the validity of the single unit based approach was explored. A comparative evaluation of the performance of various methods reported in the literature for estimating gait temporal parameters using a single unit attached to the trunk first in normal gait and then in different pathological gait conditions was performed. Then, the second part of the research headed towards the development of new methods for estimating gait spatio-temporal parameters using shank worn MIMUs on different pathological subjects groups. In addition to the conventional gait parameters, new methods for estimating the changes of the direction of progression were explored. Finally, a new hardware solution and relevant methodology for estimating inter-feet distance during walking was proposed. Results of the technical validation of the proposed methods at different walking speeds and along different paths against a gold standard were reported and showed that the use of two MIMUs attached to the lower limbs associated with a robust method guarantee a much higher accuracy in determining gait spatio-temporal parameters. In conclusion, the proposed methods could be reliably applied to various abnormal gaits obtaining in some cases a comparable level of accuracy with respect to normal gait.

Synthese und Evaluierung makrozyklischer 68 Ga-MPI-Tracer auf Pyridaben-Basis

Herz-Kreislauf-Erkrankungen zählen weltweit zu den Hauptursachen, die zu frühzeitigem Tod führen. Pathophysiologisch liegt eine Gefäßwandverdickung durch Ablagerung arteriosklerotischer Plaques (Arteriosklerose) vor. Die molekulare Bildgebung mit den nuklearmedizinischen Verfahren SPECT und PET zielt darauf ab, minderperfundierte Myokardareale zu visualisieren, um den Krankheitsverlauf durch frühzeitige Therapie abschwächen zu können. Routinemäßig eingesetzt werden die SPECT-Perfusionstracer [99mTc]Sestamibi und [99mTc]Tetrofosmin. Zum Goldstandard für die Quantifizierung der Myokardperfusion werden allerdings die PET-Tracer [13N]NH3 und [15O]H2O, da eine absolute Bestimmung des Blutflusses in mL/min/g sowohl in der Ruhe als auch bei Belastung möglich ist. 2007 wurde [18F]Flurpiridaz als neuer Myokardtracer vorgestellt, dessen Bindung an den MC I sowohl in Ratten, Hasen, Primaten als auch in ersten klinischen Humanstudien eine selektive Myokardaufnahme zeigte. Um eine Verfügbarkeit des Radionuklids über einen Radionuklidgenerator gewährleisten zu können, sollten makrozyklische 68Ga-Myokard-Perfusionstracer auf Pyridaben-Basis synthetisiert und evaluiert werden. Die neue Tracer-Klasse setzte sich aus dem makrozyklischen Chelator, einem Linker und dem Insektizid Pyridaben als Targeting-Vektor zusammen. Struktur-Affinitätsbeziehungen konnten auf Grund von Variation des Linkers (Länge und Polarität), der Komplexladung (neutral und einfach positiv geladen), des Chelators (DOTA, NODAGA, DO2A) sowie durch einen Multivalenzansatz (Monomer und Dimer) aufgestellt werden. Insgesamt wurden 16 neue Verbindungen synthetisiert. Ihre 68Ga-Markierung wurde hinsichtlich pH-Wert, Temperatur, Vorläufermenge und Reaktionszeit optimiert. Die DOTA/NODAGA-Pyridaben-Derivate ließen sich mit niedrigen Substanzmengen (6 - 25 nmol) in 0,1 M HEPES-Puffer (pH 3,4) bei 95°C innerhalb 15 min mit Ausbeuten > 95 % markieren. Für die DO2A-basierenden Verbindungen bedurfte es einer mikrowellengestützen Markierung (300 W, 1 min, 150°C), um vergleichbare Ausbeuten zu erzielen. Die in vitro-Stabilitätstests aller Verbindungen erfolgten in EtOH, NaCl und humanem Serum. Es konnten keine Instabilitäten innerhalb 80 min bei 37°C festgestellt werden. Unter Verwendung der „shake flask“-Methode wurden die Lipophilien (log D = -1,90 – 1,91) anhand des Verteilungs-quotienten in Octanol/PBS-Puffer ermittelt. Die kalten Referenzsubstanzen wurden mit GaCl3 hergestellt und zur Bestimmung der IC50-Werte (34,1 µM – 1 µM) in vitro auf ihre Affinität zum MC I getestet. In vivo-Evaluierungen erfolgten mit den zwei potentesten Verbindungen [68Ga]VN160.MZ und [68Ga]VN167.MZ durch µ-PET-Aufnahmen (n=3) in gesunden Ratten über 60 min. Um die Organverteilung ermitteln zu können, wurden ex vivo-Biodistributionsstudien (n=3) vorgenommen. Sowohl die µ-PET-Untersuchungen als auch die Biodistributionsstudien zeigten, dass es bei [68Ga]VN167.MZ zwar zu einer Herzaufnahme kam, die jedoch eher perfusionsabhängig ist. Eine Retention des Tracers im Myokard konnte in geringem Umfang festgestellt werden.

Macrocyclic bisphosphonates for PET-diagnosis and endoradiotherapy of bone metastases

Die Fallzahlen von Prostata- und Brustkrebs nehmen aktuell die Spitzenplätze bei Krebserkrankungen weltweit ein. Eine schwerwiegende Folge dieser Erkrankung stellen Metastasierungen in das Knochengewebe dar, welche zu einer dramatischen Verschlechterung des Allgemeinzustandes und der Lebensqualität des Patienten führen. Die Symptome sind gekennzeichnet durch enorme Schmerzen in Kombination mit osteoblastischen und osteolytischen Knochenveränderungen, bis hin zu Frakturen und spinalen Kompressionssyndromen, sowie einer metabolischen Hypercalcaemie.rnBei der Diagnose und Therapie nehmen verschiedene Radiopharmaka eine Schlüsselrolle ein. Konjugate aus makrozyklischen Chelatoren und knochenaffinen Bisphosphonaten stellen ein geeignetes Mittel dar als so genannte Theranostika, die Diagnose und Therapie in einem Molekül vereinen. Hierbei konnten mit dem Generator basierenden PET-Nuklid 68Ga(III) und dem Therapienuklid 177Lu(III) erste Erfolge mit der Verbindung BPAMD am Patienten erzielt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist es gelungen, die pharmakologischen Eigenschaften der BPAMD-Leitstruktur weiter zu optimieren und neue Derivate erfolgreich zu synthetisieren. Diese zeichneten sich durch eine erhöhte Knochenaffinität und eines besseren ´target to background´ Verhältnisses aus. Im Zuge der Derivatisierung ist es außerdem gelungen, erfolgreich eine Substanz darzustellen, welche über eine gesteigerte Blutretention verfügt und die letztendlich die Bioverfügbarkeit des Tracers erhöhte. Verbindungen solchen Typs können zu einem besseren Tumor zu gesundem Knochen Verhältnis beitragen und eventuell einen höheren Therapieerfolg erzielen. Eines dieser neuen vielversprechenden Bisphosphonate, [68Ga]NO2APBP konnte innerhalb einer klinischen Phase 0 bzw. I sein großes Potential als Diagnostikum zur Erfassung von Skelettmetastasen unter Beweis stellen. Innerhalb einer Testreihe mit 12 Patienten wurde eine hohe diagnostische Übereinstimmung mit dem Goldstandard 18F-Fluorid erreicht. In ausgesuchten Metastasen konnte sogar eine höhere Tracer-Aufnahme erzielt werden.rnIn Zukunft können makrozyklische Bisphosphonate eine wichtige Rolle bei der palliativen Schmerztherapie von Knochenmetastasen einnehmen. rn

Monitoraggio del cammino nei soggetti con malattia di parkinson tramite l'utilizzo di sensori inerziali: Disegno e sviluppo di algoritmi per la stima della clearance dei piedi e dell'inclinazione del tronco

La malattia di Parkinson è un disturbo neurodegenerativo con eziologia sconosciuta che colpisce in particolare le aree del cervello che sono coinvolte nel controllo del movimento. Tale disturbo neurologico causa anomalie sull’andatura del soggetto portandolo ad esempio a strisciare i piedi e flettere il busto più del necessario; anomalie che causano una camminata insicura che può sfociare in inciampi e cadute. Lo scopo di questo studio è disegnare e sviluppare algoritmi in grado di stimare la clearance dei piedi e l’inclinazione del tronco, al fine di essere inseriti nel progetto CuPiD, il quale fornisce un feedback vocale ogni volta in cui il soggetto parkinsoniano presenti valori dei parametri monitorati al di fuori di un range fisiologico. Sono stati reclutati 20 soggetti, 10 a cui è stata diagnosticata la malattia di Parkinson idiopatica e 10 asintomatici.
Nella valutazione sperimentale si è acquisita la camminata dei soggetti coinvolti nell’esperimento, utilizzando un sistema inerziale ed un sistema stereofotogrammetrico come gold standard. Ogni soggetto ha eseguito 4 camminate, ciascuna della durata di 2 minuti, nelle seguenti diverse condizioni: camminata normale, focus sui piedi, focus sul tronco, audio stroop. Inoltre si è valutata l’entità delle differenze cliniche dei due parametri stimati, tra il gruppo dei soggetti malati di Parkinson ed il gruppo dei soggetti sani. Dallo studio effettuato si propone un algoritmo per la stima della clearance che presenta un errore relativamente alto

Analisi del cammino in acqua tramite sensori inerziali: Accuratezza strumentale e fasce di normalita

La biocinematica è una branca della biomeccanica che studia il movimento dei segmenti corporei senza considerare le cause che lo determinano. Le grandezze fisiche di interesse (posizione, velocità ed accelerazione) vengono determinate grazie ai sistemi di analisi del movimento che sfruttano principi fisici di funzionamento differenti con vari gradi di invasività. Lo sviluppo di nuove tecnologie di costruzione dei sensori inerziali, ha fornito una valida alternativa alle tecniche classiche per l’analisi del movimento umano. Gli IMUs (Inertial Measurement Units) sono facilmente indossabili, possono essere facilmente utilizzati fuori dal laboratorio, hanno un costo molto inferiore rispetto a quello dei sistemi opto-elettronici, non richiedono particolari abilità per essere utilizzati dall’utente e si configurano facilmente. In questa tesi verrà analizzato il cammino e costruite le bande di normalità sia in laboratorio che in acqua tramite i sensori inerziali. L’utilizzo in acqua delle tecniche classiche di analisi del movimento presenta dei problemi di accuratezza (legati ad esempio alla presenza delle bolle d’aria in acqua) che impediscono di effettuare un confronto tra i risultati ottenuti dai sensori e quelli ottenuti con un gold standard. Per questo motivo, è stato implementato un test per valutare l’accuratezza dei sensori e l’influenza dei disturbi magnetici sui magnetometri nelle stesse condizioni ambientali in cui si desidera registrare il cammino. Quest’analisi strumentale ha consentito anche di individuare, tra i diversi algoritmi di fusione utilizzati (algoritmo di fabbrica e algoritmo di Madgwick), quello da impiegare nell’analisi del suddetto task motorio per stimare in maniera più accurata l’orientamento dei sensori in acqua e in laboratorio. L'algoritmo di fabbrica viene escluso dal processo di sensor fusion poiché mostra un'accuratezza peggiore rispetto all'algoritmo di Madgwick. Dal momento che il protocollo implementato di analisi del cammino attraverso i sensori inerziali è già stato validato a secco e che le prestazioni dei sensori sono analoghe a secco e in acqua, il protocollo può essere utilizzato per la stima della cinematica degli arti inferiori nell'acqua. Le differenze riscontrate tra le curve del cammino sono da imputare sia alla diversa condizione ambientale che alla minore velocità di progressione che i soggetti manifestano in acqua. Infatti, la velocità media di progressione è 151.1 cm/s in laboratorio e 40.7 cm/s in acqua.

Caratterizzazione e confronto di misuratori di portata per utilizzo in emodialisi

La dialisi è una terapia essenziale alla sopravvivenza delle persone colpite da insufficienza renale. Senza questo trattamento periodico l’aspettativa di vita si riduce a pochi giorni. Il fine di questo trattamento è il ripristino dell’equilibrio idro-elettrolitico e acido-base del paziente e la rimozione del fluido in eccesso che l’organismo non è in grado di espellere autonomamente. La parte di liquido che passa attraverso il filtro dal lato sangue, alla parte di bagno dialisi prende il nome di ultrafiltrato. Ciò comporta che nelle macchine per emodialisi ci sia un sistema di controllo dedicato all’ultrafiltrazione. La durata della seduta è variabile, è finalizzata a riportare il paziente al peso ottimale in un tempo limitato. Il seguente elaborato è stato svolto presso il laboratorio della start-up IBD Italian Biomedical Devices, uno dei progetti in via di sviluppo è la realizzazione di una macchina per emodialisi a basso costo. Obiettivo della tesi è stato quello di confrontare due misuratori di portata e valutarne l’adeguatezza per la gestione del sistema di ultrafiltrazione. È stato esplorato tutto il range di portate a cui potrebbero essere sottoposti durante l’utilizzo del macchinario. I sensori oggetto di studio sono l’Oval Gears Flowmeters ed il flussimetro Series 800, entrambi adatti all’impiego in ambito biomedicale. Appartengono a due diverse classi: il primo è un contatore volumetrico, registra il numero di volumi base lo che attraversano. Il secondo è un misuratore a turbina, genera impulsi verso l’esterno in numero proporzionale alla velocità del fluido. Lo studio necessita anche di una parte di acquisizione dei segnali provenienti dai sensori, è stata implementata interamente sulla piattaforma Arduino. I dati acquisiti sono stati elaborati ed analizzati al fine di avere un confronto tra i misuratori e con il gold-standard. Per poter confrontare le prestazioni è stato realizzato e seguito un protocollo sperimentale.

Stima ottimale del guadagno del filtro di Kalman per l'analisi del cammino tramite sensori inerziali

L’analisi del movimento ha acquisito, soprattutto negli ultimi anni, un ruolo fondamentale in ambito terapeutico e riabilitativo. Infatti una dettagliata analisi del movimento di un paziente permette la formulazione di diagnosi dettagliate e l’adozione di un adeguato trattamento terapeutico. Inoltre sistemi di misura del movimento sono utilizzati anche in ambito sportivo, ad esempio come strumento di supporto per il miglioramento delle prestazioni e la prevenzione dell’infortunio. La cinematica è la branca della biomeccanica che si occupa di studiare il movimento, senza indagare le cause che lo generano e richiede la conoscenza delle variabili cinematiche caratteristiche. Questa tesi si sviluppa nell’ambito dell’analisi della cinematica articolare per gli arti inferiori durante il cammino, mediante l’utilizzo di Unità di Misura Magnetico-Inerziali, o IMMU, che consistono nella combinazione di sensori inerziali e magnetici. I dati in uscita da accelerometri, giroscopi e magnetometri vengono elaborati mediante un algoritmo ricorsivo, il filtro di Kalman, che fornisce una stima dell’orientamento del rilevatore nel sistema di riferimento globale. Lo scopo di questa tesi è quello di ottimizzare il valore del guadagno del filtro di Kalman, utilizzando un algoritmo open-source implementato da Madgwick. Per ottenere il valore ottimale è stato acquisito il cammino di tre soggetti attraverso IMMU e contemporaneamente tramite stereofotogrammetria, considerata come gold standard. Il valore del guadagno che permette una vicinanza maggiore con il gold standard viene considerato il valore ottimale da utilizzare per la stima della cinematica articolare.

Analisi del cammino e della corsa con stampelle in soggetti amputati tramite sensori inerziali

L’obiettivo dello studio era quello di analizzare la corsa con stampelle in soggetti amputati, attraverso sensori inerziali indossabili. Nello specifico sono stati individuati in letteratura i metodi classici per il calcolo dei parametri temporali nella corsa di normodotati e applicati alla corsa di un soggetto amputato. Dato il numero ristretto di prove e la mancanza di un gold standard, in questa prima analisi sono stati studiati i vari metodi utilizzabili per il calcolo dei parametri temporali, e confrontati tra loro in maniera qualitativa. Utilizzando come riferimento un’analisi video dei primi 4 cicli della corsa del soggetto amputato sono stati identificati come più affidabili i metodi che sfruttano gli angoli articolari della caviglia e la derivata seconda della velocità angolare della pelvi.

Cinematica della corsa con stampelle tramite sensori inerziali: Analisi di soggetti della Nazionale Italiana di Calcio Amputati

L’analisi del movimento umano mira alla raccolta di informazioni quantitative riguardo la meccanica del sistema muscolo-scheletrico durante l’esecuzione di un compito motorio. All’interno di questo contesto, la cinematica del passo rappresenta uno strumento d’indagine tra i più usati. Tra i diversi protocolli di analisi cinematiche si è affermato recentemente l’uso di sensori magnetico-inerziali. Il principale vantaggio di questi dispositivi rispetto alla tecnica tradizionalmente impiegata (la stereofotogrammetria) è che possono essere utilizzati al di fuori di un ambiente di laboratorio, rendendo meno vincolante la scelta del task motorio da analizzare. Lo stato dell’arte offre una molteplicità di studi basati sull’analisi del cammino e della corsa di atleti, professionisti o dilettanti, utilizzando sensori inerziali; nulla, però, è stato dedicato alla corsa con stampelle. In questo lavoro di tesi è stata dunque analizzata la corsa su stampelle di soggetti amputati (in particolare di atleti della Nazionale Italiana di Calcio Amputati). Dalla letteratura sono stati individuati tre metodi, ideati principalmente per la corsa di soggetti normodotati e in questa situazione riadattati per la corsa di soggetti con amputazione/malformazione di un arto inferiore, con i quali è stato possibile ricavare parametri temporali relativi al ciclo del passo; è stato inoltre progettato un nuovo metodo che permette di ricavare parametri temporali della corsa attraverso le fasi delle stampelle. L’elemento che contraddistingue questo studio è la presenza di un gold standard, dato da un riferimento video, con il quale sarà possibile determinare con più affidabilità quale metodo risulti più adeguato per l’analisi di questo tipo di corsa.