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.

Diversity of the proximal femur in humans: morphological variations of the head-neck junction

The proximal femur is a high-diversity region of the human skeleton, especially at the anterior junction between head and neck, where various bony morphologies have been recognized since mid nineteenth century. Classical literature on this topic is chaotic and contradictory, making almost impossible the comparison of data from different researches. Starting from an extensive bibliographic review, the first standardized method to score these traits has been created. This method allows representing both the anatomical diversity of the region already described in literature and a part of variability not considered before, giving few and univocal definitions and allowing to collect comparable data. The method has been applied to three identified and five archaeological European skeletal collections, with the aim of investigating the distribution of these features by sex, age and side, in different places and time periods. It has also been applied to 3D digital reconstructions of femurs from CT scan files of coxo-femoral joints from fresh cadavers. In addition to the osseous traits described in the standardized method, the presence and frequency of some features known as herniation pits have been scored both on bones and on CT scans. The various osseous traits of the proximal femur are present at similar frequencies in skeletal samples from different countries and different historical periods, even if with clear local differentiation. Some of the features examined show significant trends related to their distribution by gender and age. Some hypotheses are proposed about the etiology of these morphologies and their possible implication with the acquisition of bipedalism in Humans. It is therefore highlighted the possible relation of some of these traits with the development of disorders of the hip joint. Moreover, it is not recommended the use of any of these features as a specific activity-related marker.

Effects of temperature and acidity on Mediterranean benthic calcifiers, in the face of globale climate change

The Mediterranean Sea is expected to react faster to global change compared to the ocean and is already showing more pronounced warming and acidification rates. A study performed along the Italian western coast showed that porosity of the skeleton increases with temperature in the zooxanthellate (i.e. symbiotic with unicellular algae named zooxanthellae) solitary scleractinian Balanophyllia europaea while it does not vary with temperature in the solitary non-zooxanthellate Leptopsammia pruvoti. These results were confirmed by another study that indicated that the increase in porosity was accompanied by an increase of the fraction of the largest pores in the pore-space, perhaps due to an inhibition of the photosynthetic process at elevated temperatures, causing an attenuation of calcification. B. europaea, L. pruvoti and the colonial non-zooxanthellate Astroides calycularis, transplanted along a natural pH gradient, showed that high temperature exacerbated the negative effect of lowered pH on their mortality rates. The growth of the zooxanthellate species did not react to reduced pH, while the growth of the two non-zooxanthellate species was negatively affected. Reduced abundance of naturally occurring B. europaea, a mollusk, a calcifying and a non-calcifying macroalgae were observed along the gradient while no variation was seen in the abundance of a calcifying green alga. With decreasing pH, the mineralogy of the coral and mollusk did not change, while the two calcifying algae decreased the content of aragonite in favor of the less soluble calcium sulphates and whewellite (calcium oxalate), possibly as a mechanism of phenotypic plasticity. Increased values of porosity and macroporosity with CO2 were observed in B. europaea specimens, indicating reduces the resistance of its skeletons to mechanical stresses with increasing acidity. These findings, added to the negative effect of temperature on various biological parameters, generate concern on the sensitivity of this zooxanthellate species to the envisaged global climate change scenarios.

Progetto di un convertitore flyback sincrono per applicazioni di energy harvesting piezoelettrico

In questo elaborato è stata trattata la caratterizzazione tramite simulazioni e prove in laboratorio di un circuito in grado di estrarre e accumulare energia elettrica, la quale viene generata da vibrazioni meccaniche tramite l'uso di dispositivi piezoelettrici. Partendo da una tipologia di circuito già esistente è stata studiata una variante nel sistema di conversione dell'energia, in questo caso il convertitore implementato è un convertitore di tipo flyback. Dopo aver studiato il circuito in dettaglio, è stata realizzata una prima simulazione circuitale mediante software Ltspice. Sono stati quindi analizzati gli andamenti delle tensioni di uscita e di ingresso durante il processo di carica della capacità, applicando in ingresso differenti tensioni. Infine i dati ottenuti sono stati elaborati in un foglio elettronico per poter ricavare l'andamento del rendimento.

Supernovae di tipo Ia: Sistemi progenitori e modelli di esplosione

Il lavoro di tesi esamina i plausibili sistemi progenitori per le supernovae di tipo di Ia e analizza i principali modelli di esplosione studiati ed implementati dai gruppi di ricerca per le SNe Ia.

Sintesi e caratterizzazione di oligo e politiofeni per applicazioni in elettronica e biodiagnostica

Negli ultimi anni sono stati sintetizzati numerosi oligomeri e polimeri del tiofene che, grazie alle loro proprietà di semiconduttori, hanno trovano largo impiego in molti campi di interesse tecnologico come, ad esempio, transistor ad effetto di campo, diodi elettroluminescenti, dispositivi ottici non lineari e celle fotovoltaiche. Più recentemente, oligomeri tiofenici ossidati allo zolfo hanno trovato applicazione sia in campo elettronico, come materiali accettori in blenda con il poli(3-esiltiofene) (P3HT) usato come materiale donatore, in celle solari di tipo Bulk Hetero Junction (BHJ), ma anche in campo biologico come marcatori fluorescenti di proteine e oligonucleotidi. Tuttavia la sintesi di queste specie richiede condizioni di reazione spinte e al contempo rischiose dovute all’utilizzo in largo eccesso di agenti ossidanti molto forti. Uno degli obiettivi di questa tesi è stato lo sviluppo di metodi più versatili per la mono e di-ossidazione selettiva allo zolfo del tiofene di building-blocks dibromurati di diversa natura. Successivamente i building-blocks S-monossido e S,S-diossido derivati sono stati impiegati per la sintesi di oligomeri e polimeri tramite reazioni di cross-coupling Palladio catalizzate. I composti finali sono stati caratterizzati sia dal punto di vista spettroscopico UV-Vis che elettrochimico, mettendo in evidenza le relazioni che esistono fra gli andamenti dei dati sperimentali ottenuti con il diverso stato di ossidazione dei composti tiofenici diversamente sostituiti. Infine i composti finali sono stati testati sia in campo fotovoltaico che biologico.

Equazioni di stato della materia in astrofisica

Una stella non è un sistema in "vero" equilibrio termodinamico: perde costantemente energia, non ha una composizione chimica costante nel tempo e non ha nemmeno una temperatura uniforme. Ma, in realtà, i processi atomici e sub-atomici avvengono in tempi così brevi, rispetto ai tempi caratteristici dell'evoluzione stellare, da potersi considerare sempre in equilibrio. Le reazioni termonucleari, invece, avvengono su tempi scala molto lunghi, confrontabili persino con i tempi di evoluzione stellare. Inoltre il gradiente di temperatura è dell'ordine di 1e-4 K/cm e il libero cammino medio di un fotone è circa di 1 cm, il che ci permette di assumere che ogni strato della stella sia uno strato adiabatico a temperatura uniforme. Di conseguenza lo stato della materia negli interni stellari è in una condizione di ``quasi'' equilibrio termodinamico, cosa che ci permette di descrivere la materia attraverso le leggi della Meccanica Statistica. In particolare lo stato dei fotoni è descritto dalla Statistica di Bose-Einstein, la quale conduce alla Legge di Planck; lo stato del gas di ioni ed elettroni non degeneri è descritto dalla Statistica di Maxwell-Boltzmann; e, nel caso di degenerazione, lo stato degli elettroni è descritto dalla Statistica di Fermi-Dirac. Nella forma più generale, l'equazione di stato dipende dalla somma dei contributi appena citati (radiazione, gas e degenerazione). Vedremo prima questi contributi singolarmente, e dopo li confronteremo tra loro, ottenendo delle relazioni che permettono di determinare quale legge descrive lo stato fisico di un plasma stellare, semplicemente conoscendone temperatura e densità. Rappresentando queste condizioni su un piano $\log \rho \-- \log T$ possiamo descrivere lo stato del nucleo stellare come un punto, e vedere in che stato è la materia al suo interno, a seconda della zona del piano in cui ricade. È anche possibile seguire tutta l'evoluzione della stella tracciando una linea che mostra come cambia lo stato della materia nucleare nelle diverse fasi evolutive. Infine vedremo come leggi quantistiche che operano su scala atomica e sub-atomica siano in grado di influenzare l'evoluzione di sistemi enormi come quelli stellari: infatti la degenerazione elettronica conduce ad una massa limite per oggetti completamente degeneri (in particolare per le nane bianche) detta Massa di Chandrasekhar.

SCADA Lite View

Progettazione UML (diagrammi classi, casi d'uso, sequenze), programmazione Java per dispositivi Android

Analisi in spettroscopia ottica di cristalli molecolari organici

Nel settore dell'elettronica organica, i monocristalli organici sono particolarmente indicati, grazie al loro alto grado di purezza chimica, per lo studio delle qualità intrinseche di tutta la categoria dei cristalli organici. L'interesse applicativo si concretizza in dispositivi come LED, pannelli solari, sensori, display e componenti elettronici leggeri, flessibili e trasparenti. A tutto questo si aggiungono la biocompatibilità, il basso costo ed il basso impatto ambientale. L'obiettivo del seguente lavoro di tesi è la caratterizzazione di alcuni monocristalli in base alle loro proprietà ottiche ed optoelettroniche, analizzandoli mediante tecniche microscopiche in luce polarizzata e campo scuro e tecniche spettroscopiche di assorbimento e del voltaggio superficiale. Si è concentrata l'attenzione sul monocristallo di 4-idrossicianobenzene (4HCB), per la possibilità di confronto con risultati di precedenti analisi di spettroscopia in fotocorrente e per l'interesse verso applicazioni sensoristiche. Come risultato, per la prima volta, si è riuscito a ottenere uno spettro di assorbimento da un monocristallo di 4HCB dal quale si può stimare direttamente l'energia del bandgap del cristallo. Il valore ottenuto è minore di quello relativo all'analisi in fotocorrente, ma potrebbe corrispondere ad un bandgap di tipo ottico considerando che la presenza di stati localizzati dovuta al disordine molecolare provoca una diminuzione della distanza tra le bande. La misura è preliminare è va confermata, ma apre la strada ad ulteriori analisi spettroscopiche in condizioni sperimentali più favorevoli e/o ad analisi di altro tipo.

Applicazione mobile per supporto alla didattica

Questa tesi descrive le fasi della progettazione e dell'implementazione di una applicazione mobile per il supporto alla didattica del corso di Programmazione del CdL di Ingegneria e Scienze Informatiche del Campus di Cesena. Il progetto ha lo scopo di mettere a disposizione degli studenti e dei docenti una applicazione per dispositivi Android che permetta di usufruire dei servizi attualmente forniti dal portale ufficiale del corso. Le funzionalità principali consistono nell'accesso ai materiali didattici e nella gestione delle consegne di esercizi propedeutici alla prova finale per quanto concerne gli studenti; ai professori è invece fornita la possibilità di eseguire la correzione degli elaborati e seguirne lo stato di avanzamento. Visto l'elevato numero di utenti che utilizzava il portale esistente tramite tablet e smartphone si è ritenuto necessario lo sviluppo di questo prodotto che possa fornire una user experience ottimizzata per questi dispositivi. Durante la progettazione è stata data particolare importanza all'ottimizzazione delle prestazioni, sfruttando gli strumenti più recenti forniti agli sviluppatori, e alla conformità con i principali design pattern della programmazione per dispositivi Android. Allo scopo di fornire un prodotto utilizzabile dalla maggior parte dell'utenza potenziale, si è inoltre data priorità alla compatibilità con tutti i dispositivi e le versioni del sistema operativo, senza rinunciare ad alcuna funzionalità. Il risultato del lavoro consiste in un prototipo pienamente funzionante e utilizzabile che mira a fornire una base stabile su cui eseguire future evoluzioni.

Polimeri tiofenici funzionali e loro applicazioni nel fotovoltaico

Recentemente, sempre più attenzione è stata rivolta all' utilizzo di coloranti organici come assorbitori di luce per la preparazione di strati fotoattivi in celle solari organiche (OPV). I coloranti organici presentano un'elevata abilità nella cattura della luce solare grazie all'elevato coefficiente di estinzione molare e buone proprietà fotofisiche. Per questi motivi sono eccellenti candidati per l'incremento della conversione fotoelettrica in OPV. In questa tesi viene descritta una nuova strategia per l'incorporazione di derivati porfirinici in catena laterale a copolimeri tiofenici. Gli studi svolti hanno dimostrato che poli(3-bromoesil)tiofene può essere variamente funzionalizzato con idrossitetrafenilporfirina (TPPOH), per l'ottenimento di copolimeri utilizzabili come materiali p-donatori nella realizzazione di OPV. I copolimeri poli[3-(6-bromoesil)tiofene-co-(3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfirinil]esil tiofene] P[T6Br-co-T6TPP] contenenti differenti quantità di porfirina, sono stati sintetizzati sia con metodi non regiospecifici che regiospecifici, con lo scopo di confrontarene le proprietà e di verificare se la strutture macromolecolare che presenta una regiochimica di sostituzione sempre uguale, promuove o meno il trasporto della carica elettrica, migliorando di conseguenza l'efficienza. E' stato inoltre effettuato un ulteriore confronto tra questi derivati e derivati simili P[T6H-co-T6TPP] che non contengono l'atomo di bromo in catena laterale con lo scopo di verificare se l'assenza del gruppo reattivo, migliora o meno la stabilità termica e chimica dei film polimerici, agendo favorevolmete sulle performance dei dispositivi fotovoltaici. Tutti i copolimeri sono stati caratterizzati con differenti tecniche: spettroscopia NMR, FT-IR e UV-Vis, analisi termiche DSC e TGA, e GPC. Le celle solari Bulk Heterojunction, preparate utilizzando PCBM come materiale elettron-accettore e i copolimeri come materilai elettron-donatori, sono state testate utilizzando un multimetro Keithley e il Solar Simulator.

Environmental influence on the phenotype: Morphological variation in human dentition

This work is about the role that environment plays in the production of evolutionary significant variations. It starts with an historical introduction about the concept of variation and the role of environment in its production. Then, I show how a lack of attention to these topics may lead to serious mistakes in data interpretation. A statistical re-analysis of published data on the effects of malnutrition on dental eruption, shows that what has been interpreted as an increase in the mean value, is actually linked to increase of variability. In Chapter 3 I present the topic of development as a link between variability and environmental influence, giving a review of the possible mechanisms by which development influences evolutionary dynamics. Chapter 4 is the core chapter of the thesis; I investigated the role of environment in the development of dental morphology. I used dental hypoplasia as a marker of stress, characterizing two groups. Comparing the morphology of upper molars in the two groups, three major results came out: (i) there is a significant effect of environmental stressors on the overall morphology of upper molars; (ii) the developmental response increases morphological variability of the stressed population; (iii) increase of variability is directional: stressed individuals have increased cusps dimensions and number. I also hypothesized the molecular mechanisms that could be responsible of the observed effects. In Chapter 5, I present future perspectives for developing this research. The direction of dental development response is the same direction of the trend in mammalian dental evolution. Since malnutrition triggers the developmental response, and this particular kind of stressor must have been very common in our class evolutionary history, I propose the possibility that environmental stress actively influenced mammals evolution. Moreover, I discuss the possibility of reconsidering the role of natural selection in the evolution of dental morphology.

Reproduction of Mediterranean zooxanthellate and azooxanthellate scleractinian corals along environmental gradients

Despite extensive studies focus mainly on sexual reproductive characteristics in tropical scleractinian species, there is limited knowledge on temperate regions. The Mediterranean is a biodiversity hotspot under intense pressure from anthropogenic impacts. Climatic models further predict that the Mediterranean basin will be one of the most impacted regions by the ongoing warming trend. This makes it a potential model of more global patterns to occur in the world’s marine biota, and a natural focus of interest for research on climate. The present research contributed to increase data on reproductive modes and sexuality of temperate scleractinian corals, highlighting their developmental plasticity, showing different forms of propagation and different responses to environmental change. For the first time, sexuality and reproductive mode in Caryophyllia inornata were determined. An unusual embryogenesis without a clear seasonal pattern was observed, suggesting the possibility of an asexual origin. Sexual reproduction of Astroides calycularis was governed by annual changes in seawater temperature, as observed for other Mediterranean dendrophylliids. Defining the reproductive biology of these species is the starting point for studying their potential response to variations of environmental parameters, on a global climate change context. The results on the influence of temperature on reproductive output of the zooxanthellate (symbiosis with unicellular algae) Balanophyllia europaea and the non-zooxanthellate Leptopsammia pruvoti suggest that the latter may be quite tolerant to temperature increase, since the zooxanthellate species resulted less efficient at warm temperatures. A possible explanation could be related to their different trophic system. In B. europaea thermal tolerance is primarily governed by the symbiotic algae, making it more sensitive to temperature changes. On the contrary, the absence of symbionts in L. pruvoti might make it more resistant to temperature. In a progressively warming Mediterranean, the efficiency on scleractinian reproduction could be influenced in different ways, reflecting their extraordinary adaptability.

Late Quaternary geological evolution of the Montenegro and Northern Albania continental margins

The object of this work has been the analysis of natural processes controlling the geological evolution of the Montenegro and Northern Albania Continental Margin (MACM) during the Late Quaternary. These include the modern sediment dispersal system and oceanographic regime, the building and shaping of the shelf margin at the scale of 100 kyr and relative to the most recent transition between glacial and interglacial periods. The analysis of the new data shows that the MACM is a shelf-slope system formed by a suite of physiographic elements, including: an inner and an outer continental shelf, separated by two tectonically-controlled morphological highs; a lobated drowned mid-shelf paleodelta, formed during the last sea level fall and low stand; an upper continental slope, affected by gravity-driven instability and a system of extensional faults with surficial displacement, featuring an orientation coherent with the regional tectonics. The stratigraphic study of the MACM shows a clear correspondence between the Late Pleistocene/Holocene mud-wedge and the low reflectivity sectors of the inner shelf. Conversely, most of the outer shelf and part of the continental slope expose deposits from the last sea level low stand, featuring a general sediment starving condition or the presence of a thin postglacial sediments cover. The MACM shows uplift in correspondence of the Kotor and Bar ridges, and subsidence in the outer shelf and upper slope sectors. In fact, seaward of these tectonic ridges, the sparker seismic profile show the presence of four well-defined seismo-stratigraphic sequences, interpreted as forced regression deposits, formed during the last four main glacial phases. In this way, the MACM records the 100 kyr scale sea level fluctuations on its seismo-stratigraphic architecture over the last 350 kyr. Over such time range, through the identification of the paleoshoreline deposits, we estimated an average subsidence rate of about 1.2 mm/yr.

In vivo evaluation of the translations of the gleno-humeral joint using Magnetic resonance imaging

Gleno-humeral joint (GHJ) is the most mobile joint of the human body. This is related to theincongr uence between the large humeral head articulating with the much smaller glenoid (ratio 3:1). The GHJ laxity is the ability of the humeral head to be passively translated on the glenoid fossa and, when physiological, it guarantees the normal range of motion of the joint. Three-dimensional GHJ linear displacements have been measured, both in vivo and in vitro by means of different instrumental techniques. In vivo gleno-humeral displacements have been assessed by means of stereophotogrammetry, electromagnetic tracking sensors, and bio-imaging techniques. Both stereophotogrammetric systems and electromagnetic tracking devices, due to the deformation of the soft tissues surrounding the bones, are not capable to accurately assess small displacements, such as gleno-humeral joint translations. The bio-imaging techniques can ensure for an accurate joint kinematic (linear and angular displacement) description, but, due to the radiation exposure, most of these techniques, such as computer tomography or fluoroscopy, are invasive for patients. Among the bioimaging techniques, an alternative which could provide an acceptable level of accuracy and that is innocuous for patients is represented by magnetic resonance imaging (MRI). Unfortunately, only few studies have been conducted for three-dimensional analysis and very limited data is available in situations where preset loads are being applied. The general aim of this doctoral thesis is to develop a non-invasive methodology based on open-MRI for in-vivo evaluation of the gleno-humeral translation components in healthy subjects under the application of external loads.