Energy harvesting from piezoelectric devices embedded in a 3D printed wing

This thesis work has been carried out at Clarkson University in Potsdam NY, USA and involved the design of a low elongation wing, consisting of parts made by polylactide (PLA) using the fused deposition model (FDM) technology of Rapid Prototyping, then assembled together in a thin aluminum spar. The aim of the research is to evaluate the feasibility of collecting electrical energy by converting mechanical energy from the vibration of the wing flutter. With this aim piezoelectric stripes were glued in the inner part of the wing, as well as on the aluminum spar, as monomorphic configuration. During the phases of the project, particular attention was given to the geometry and the materials used, in order to trigger the flutter for low flow velocity. The CAD software SolidWorks® was used for the design of the wing and then the drawings were sent to the Clarkson machine shop in order to to produce the parts required by the wing assembly. FEM simulations were performed, using software MSC NASTRAN/PATRAN®, to evaluate the stiffness of the whole wing as well as the natural vibration modes of the structure. These data, in a first approximation, were used to predict the flutter speed. Finally, experimental tests in the Clarkson wind tunnel facility were carried out in order to validate the results obtained from FEM analysis. The power collected by the piezoelectrics under flutter condition was addressed by tuning the resistors downstream the electronic circuit of the piezoelectrics.

La penna 3D e l'insegnamento della geometria: un'esperienza sul campo

In questa tesi si presenta l’attività didattica "Fascinating World of Geometric Forms", la relativa sperimentazione fatta su un campione di 175 studenti al quarto anno di scuola secondaria di secondo grado e i risultati ottenuti. In questo progetto, grazie alla penna 3D, è stato possibile fare matematica costruttiva in classe. Gli studenti hanno potuto disegnare e costruire nello spazio 3D, senza più essere costretti a disegnare in prospettiva sul foglio. La ricerca principalmente tenta di sviluppare l'intuito geometrico, pertanto è facilmente adattabile a studenti di varie età. Si propongono una serie di attività volte a rispondere alla domanda "Come uscire dal piano?" e, a tal proposito, si suggeriscono vari metodi: aggiungere la profondità agli elementi del piano; comporre sviluppi piani di poliedri; ruotare figure geometriche piane limitate attorno a un asse contenuto nel piano della figura; comporre nello spazio sezioni piane di quadriche. Questo progetto di ricerca, sviluppato sotto la supervisione del professor Alberto Parmeggiani del Dipartimento di Matematica di Bologna e in collaborazione con il professor Gianni Brighetti del Dipartimento di Psicologia di Bologna, si pone come obiettivo quello di avvicinare gli studenti allo studio della geometria dello spazio e, soprattutto, di sviluppare in loro la capacità di creare immagini mentali e concetti figurali.

Misure della morfologia e della funzionalita del piede tramite scanner plantare 3D e pedana baropodometrica

Il piede, con la sua complessa struttura anatomica, permette la stabilità e la deambulazione e per questo risulta fondamentale studiarne l’anatomia, la morfologia e la biomeccanica. La Pedana Baropodometrica è uno strumento che misura le pressioni plantari e permette di stimare alcuni parametri morfologici e funzionali del piede in modo veloce e relativamente economico. Lo Scanner Plantare 3D permette di acquisire in tempi brevi la geometria del piede creandone un modello tridimensionale digitale. Queste qualità hanno agevolato la diffusione di questi strumenti nella produzione di ortesi plantari su misura e, dato il crescente interesse del mercato verso le tematiche di customizzazione, alla loro commercializzazione su larga scala. Per ammortizzare i costi, tuttavia, questi strumenti sono spesso basati su tecnologie low-cost. Lo scopo dello studio svolto in questa tesi è quello di determinare la bontà e l’accuratezza di alcuni parametri morfologici e funzionali del piede acquisiti con una pedana baropodometrica resistiva a basso costo. Questi valori sono stati rapportati con misurazione dirette e con dati raccolti dall’elaborazione dell’immagine ricavata con uno scanner plantare 3D. In particolare sono state valutate misure di lunghezza e larghezza del piede, dell’arch index definito come il rapporto tra l’area del mesopiede e l’area totale del piede meno le dita, dell’angolo di progressione del passo e del CPEI, un parametro che indica la variazione della traiettoria del centro di massa. In conclusione la pedana baropodometrica, pur non essendo precisa nel determinare la distribuzione delle pressioni massime, si è dimostrata sufficientemente accurata nella stima delle dimensioni del piede, delle aree di appoggio e di alcune caratteristiche funzionali del piede.

Radiologia distribuita: Cloud e Post Processing 3D

L’effetto dell’informatica e dell’automazione sulle procedure medico sanitarie si sta manifestando in maniera sempre più ampia, portando notevoli vantaggi per la salute e il benessere di tutti i pazienti e al tempo stesso ponendo sfide sempre più complesse alle istituzioni sanitarie e ai produttori di dispositivi medico-sanitari. Al di là dei meriti del singolo prodotto o tecnologia, esiste un fattore strategico che dovrebbe essere sempre considerato nel momento di progettare un software o un dispositivo da utilizzare in ambito sanitario (da parte dei produttori) o nel momento di pianificare l’acquisto di sistemi medicali o diagnostici complessi (da parte delle istituzioni sanitarie): l’aspetto dell’Integrazione, ovvero la capacità del sistema di inserirsi in maniera semplice, efficace e poco costosa in un Workflow (flusso di lavoro) completamente integrato. Nel primo capitolo di questo elaborato finale è stato fatto un quadro generale sull’organizzazione del flusso di lavoro in radiologia e sono stati trattati i vari standard di comunicazione e scambio dati in ambito clinico, in primis DICOM, HL7 e IHE. L’oggetto del secondo capitolo è l’organizzazione e gli obbiettivi del Dipartimento di Radiologia attuati dal Gruppo Villa Maria (GVM) e il confronto di questi ultimi con il contenuto del documento: ‘Linee guida per l’assicurazione di qualita` in teleradiologia ‘che è stata redatta dal Istituto Superiore di Sanita` destinata ad apportare, non solo ai medici radiologi ed ai TSRM ma anche agli altri professionisti della sanità coinvolti, gli elementi di informazione e di metodo per l’organizzazione della teleradiologia nel rispetto delle esigenze della deontologia medica, della sicurezza del paziente, compreso il consenso, anche per quanto riguarda la radioprotezione, la privacy e la qualità. Nel terzo capitolo sono elencati gli strumenti con cui il Dipartimento di radiologia intende perseguire i suoi obbiettivi. Il quarto capitolo tratta la mia esperienza presso una clinica esterna al GVM, in particolare la clinica Santo Stefano, di Porto Potenza Picena, dove sono stati fatti dei test volti a valutare i tempi di caricamento di esami di TAC e RMN sul cloud di GVM.

Content characterization of 3D Videos

Il principale scopo di questa tesi è focalizzato alla ricerca di una caratterizzazione dei contenuti in video 3D. In una prima analisi, le complessità spaziale e temporale di contenuti 3D sono state studiate seguendo le convenzionali tecniche applicate a video 2D. In particolare, Spatial Information (SI) e Temporal Information (TI) sono i due indicatori utilizzati nella caratterizzazione 3D di contenuti spaziali e temporali. Per presentare una descrizione completa di video 3D, deve essere considerata anche la caratterizzazione in termini di profondità. A questo riguardo, nuovi indicatori di profondità sono stati proposti sulla base di valutazioni statistiche degli istogrammi di mappe di profondità. Il primo depth indicator è basato infatti sullo studio della media e deviazione standard della distribuzione dei dati nella depth map. Un'altra metrica proposta in questo lavoro stima la profondità basandosi sul calcolo dell’entropia della depth map. Infine, il quarto algoritmo implementato applica congiuntamente una tecnica di sogliatura (thresholding technique) e analizza i valori residui dell’istogramma calcolando l’indice di Kurtosis. Gli algoritmi proposti sono stati testati con un confronto tra le metriche proposte in questo lavoro e quelle precedenti, ma anche con risultati di test soggettivi. I risultati sperimentali mostrano l’efficacia delle soluzioni proposte nel valutare la profondità in video 3D. Infine, uno dei nuovi indicatori è stato applicato ad un database di video 3D per completare la caratterizzazione di contenuti 3D.

Sviluppo di funzionalità di Image Targeting con apps basate su realtà aumentata

Dopo una breve introduzione sulla realtà aumentata (definizione, storia e stato dell’arte) viene effettuata un'analisi delle librerie esistenti per l’implementazione su dispositivi mobile. Considerando compatibilità con i recenti SO, frequenza degli aggiornamenti, costi per le licenze e funzionalità offerte viene scelta la libreria Vuforia, originariamente sviluppata da Qualcomm e poi acquistata da PTC inc. Si conviene poi che le apps basate su realtà aumentata creano il contenuto “aumentato” in due maniere: o tramite riconoscimento di una specifica immagine oppure tramite localizzazione GPS. Di questi due metodi descritti, il primo risulta molto più affidabile e per questo viene sviluppata una app che crea un contenuto in 3D (aumentato) riconoscendo una immagine: funzionalità di Image Targeting. Il progetto considera le seguenti varianti: l’immagine da riconoscere, chiamata “target”, può essere in un database locale oppure cloud mentre il contenuto in 3D aumentato può essere sia statico che animato. Durante la fase di implementazione vengono fornite anche alcuni nozioni di base di Computer Graphic per il rendering del modello 3D. La tesi si conclude con una panoramica di apps presenti sullo store che funzionano secondo questo principio di Image Targeting, i possibili utilizzi in ambito educativo/ludico ed i costi di realizzazione.

Ricostruzione 3D di oggetti ad alto potere diffusivo mediante triangolazione laser

L'obiettivo principale che questa tesi intende perseguire e la progettazione di un sistema di acquisizione 3D a basso costo basato sul metodo di triangolazione a lama laser. A tale scopo si adotterà una telecamera general-purpose, e si provvederà sia alla realizzazione di un prototipo di sistema di attuazione per automatizzare la scansione dell'oggetto, sia all'implementazione di algoritmi per la calibrazione della geometria laser-telecamera, il rilevamento del profilo laser nell'immagine e la sua successiva ricostruzione 3D, tenendo anche conto delle complicazioni che l'uso di oggetti ad alto potere diffusivo apporta a tale problema, a causa dei marcati effetti di subsurface scattering della luce laser. Il sistema di triangolazione sarà validato caratterizzando, mediante il confronto con pezzi di dimensioni note, la precisione e l'accuratezza delle misurazioni, e valutando i tempi di esecuzione degli algoritmi. Inoltre, le prestazioni ed i risultati delle acquisizioni saranno messi a confronto con quelli ottenuti adottando una telecamera high-end dedicata. Lo studio preliminare svolto in questa sede e propedeutico per la futura realizzazione di un sistema per la ricostruzione in camera bianca di protesi d'osso su misura.

Metodologie di apprendimento automatico applicate alla generazione di dati 3D

Il framework in oggetto, è un ambiente ideato con lo scopo di applicare tecniche di Machine Learning (in particolare le Random Forest) alle funzionalità dell'algoritmo di stereo matching SGM (Semi Global Matching), al fine di incrementarne l'accuratezza in versione standard. Scopo della presente tesi è quello di modificare alcune impostazioni di tale framework rendendolo un ambiente che meglio si adatti alla direzionalità delle scanline (introducendo finestre di supporto rettangolari e ortogonali e il training di foreste separate in base alla singola scanline) e ampliarne le funzionalità tramite l'aggiunta di alcune nuove feature, quali la distanza dal più vicino edge direzionale e la distintività calcolate sulle immagini Left della stereo pair e gli edge direzionali sulle mappe di disparità. Il fine ultimo sarà quello di eseguire svariati test sui dataset Middlebury 2014 e KITTI e raccogliere dati che descrivano l'andamento in positivo o negativo delle modifiche effettuate.

Realizzazione di un sistema di ricostruzione 3D su piattaforma mobile.

Porting dell'esecuzione dell'algoritmo KinectFusion su piattaforma mobile (Android).

Tomographic 3D reconstruction through linear inversion for breast microwave imaging

In the present thesis we address the problem of detecting and localizing a small spherical target with characteristic electrical properties inside a volume of cylindrical shape, representing female breast, with MWI. One of the main works of this project is to properly extend the existing linear inversion algorithm from planar slice to volume reconstruction; results obtained, under the same conditions and experimental setup are reported for the two different approaches. Preliminar comparison and performance analysis of the reconstruction algorithms is performed via numerical simulations in a software-created environment: a single dipole antenna is used for illuminating the virtual breast phantom from different positions and, for each position, the corresponding scattered field value is registered. Collected data are then exploited in order to reconstruct the investigation domain, along with the scatterer position, in the form of image called pseudospectrum. During this process the tumor is modeled as a dielectric sphere of small radius and, for electromagnetic scattering purposes, it's treated as a point-like source. To improve the performance of reconstruction technique, we repeat the acquisition for a number of frequencies in a given range: the different pseudospectra, reconstructed from single frequency data, are incoherently combined with MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) method which returns an overall enhanced image. We exploit multi-frequency approach to test the performance of 3D linear inversion reconstruction algorithm while varying the source position inside the phantom and the height of antenna plane. Analysis results and reconstructed images are then reported. Finally, we perform 3D reconstruction from experimental data gathered with the acquisition system in the microwave laboratory at DIFA, University of Bologna for a recently developed breast-phantom prototype; obtained pseudospectrum and performance analysis for the real model are reported.

Deposizione di grafene su superfici porose 3D col metodo CVD

L’attività di tesi, svolta presso i laboratori dell’Istituto CNR-IMM di Bologna, si è focalizzata sulla crescita tramite Deposizione Chimica da Fase Vapore di schiume di grafene - network tridimensionali costituiti da fogli di grafene interconnessi, in grado di unire le straordinarie proprietà del grafene ad una elevatissima area superficiale - e sulla loro caratterizzazione, con l’obiettivo di sintetizzare strutture 3D di grafene con una porosità controllata e buone caratteristiche strutturali. Nel primo capitolo della tesi vengono illustrate da un punto di vista generale le caratteristiche e proprietà salienti del grafene, sia dal punto di vista strutturale che fisico. il secondo capitolo è dedicato alle tecniche di produzione del materiale, dall’esfoliazione meccaniche, a quella chimica, per arrivare alle tecniche di crescita vere e proprie. Maggiore attenzione viene chiaramente riservata alla Deposizione Chimica da Fase Vapore, utilizzata poi nell’ambito dell’attività sperimentale svolta. Nel terzo capitolo vengono descritti in dettaglio tutti gli apparati sperimentali utilizzati, sia per la sintesi del materiale (il sistema CVD), che per la sua caratterizzazione (microscopia elettronica a scansione, diffrazione a raggi X, spettroscopia fotoelettronica a raggi X e Raman). Il quarto ed il quinto capitolo sono dedicati alla parte sperimentale vera e propria. Nel quarto si descrive e si discute il processo messo a punto per crescere strutture tridimensionali di grafene a partire da schiume metalliche commerciali, mentre nel quinto vengono infine descritti gli approcci originali messi a punto per la sintesi di strutture con porosità controllata. Nelle conclusioni, infine, oltre a tirare le somme di tutto il lavoro svolto, vengono delineate le prospettive applicative dei materiali prodotti e le attività che sono attualmente in corso relative alla loro caratterizzazione e al loro impiego.

Virtobot--a multi-functional robotic system for 3D surface scanning and automatic post mortem biopsy

The Virtopsy project, a multi-disciplinary project that involves forensic science, diagnostic imaging, computer science, automation technology, telematics and biomechanics, aims to develop new techniques to improve the outcome of forensic investigations. This paper presents a new approach in the field of minimally invasive virtual autopsy for a versatile robotic system that is able to perform three-dimensional (3D) surface scans as well as post mortem image-guided soft tissue biopsies.

Single fluoroscopic image based 2D/3D reconstruction of a scaled, patient-specific vertebral model

Purpose Accurate three-dimensional (3D) models of lumbar vertebrae can enable image-based 3D kinematic analysis. The common approach to derive 3D models is by direct segmentation of CT or MRI datasets. However, these have the disadvantages that they are expensive, timeconsuming and/or induce high-radiation doses to the patient. In this study, we present a technique to automatically reconstruct a scaled 3D lumbar vertebral model from a single two-dimensional (2D) lateral fluoroscopic image. Methods Our technique is based on a hybrid 2D/3D deformable registration strategy combining a landmark-to-ray registration with a statistical shape model-based 2D/3D reconstruction scheme. Fig. 1 shows different stages of the reconstruction process. Four cadaveric lumbar spine segments (total twelve lumbar vertebrae) were used to validate the technique. To evaluate the reconstruction accuracy, the surface models reconstructed from the lateral fluoroscopic images were compared to the associated ground truth data derived from a 3D CT-scan reconstruction technique. For each case, a surface-based matching was first used to recover the scale and the rigid transformation between the reconstructed surface model Results Our technique could successfully reconstruct 3D surface models of all twelve vertebrae. After recovering the scale and the rigid transformation between the reconstructed surface models and the ground truth models, the average error of the 2D/3D surface model reconstruction over the twelve lumbar vertebrae was found to be 1.0 mm. The errors of reconstructing surface models of all twelve vertebrae are shown in Fig. 2. It was found that the mean errors of the reconstructed surface models in comparison to their associated ground truths after iterative scaled rigid registrations ranged from 0.7 mm to 1.3 mm and the rootmean squared (RMS) errors ranged from 1.0 mm to 1.7 mm. The average mean reconstruction error was found to be 1.0 mm. Conclusion An accurate, scaled 3D reconstruction of the lumbar vertebra can be obtained from a single lateral fluoroscopic image using a statistical shape model based 2D/3D reconstruction technique. Future work will focus on applying the reconstructed model for 3D kinematic analysis of lumbar vertebrae, an extension of our previously-reported imagebased kinematic analysis. The developed method also has potential applications in surgical planning and navigation.