Sviluppo di un sistema per l'ottimizzazione della dose in radioterapia tramite "dose-painting" basato sui voxel

Il presente lavoro è stato svolto presso la struttura di Fisica Medica dell'Azienda Ospedaliera IRCCS "Arcispedale S. Maria Nuova" di Reggio Emilia e consiste nello sviluppo di un sistema per l'ottimizzazione della dose in Radioterapia tramite dose-painting basato sui voxel. Il dose painting è una tecnica di pianificazione del trattamento di radioterapia che si basa sull'assegnazione o ridistribuzione della dose secondo le informazioni biologiche e metaboliche che i moderni sistemi di imaging sono in grado di fornire. La realizzazione del modulo di calcolo BioOPT è stata possibile grazie all'utilizzo dei due software open-source Plastimatch e CERR, specifici per l'elaborazione e la registrazione di immagini mediche di diversi tipi e formati e per la gestione, la modifica e il salvataggio di piani di trattamento di radioterapia creati con la maggior parte dei software commerciali ed accademici. Il sistema sviluppato è in grado di registrare le immagini relative ad un paziente, in generale ottenute da diverse tipologie di imaging e acquisite in tempi diversi ed estrarre le informazioni biologiche relative ad una certa struttura. Tali informazioni verranno poi utilizzate per calcolare le distribuzioni di dose "ottimale" che massimizzano il valore delle funzioni radiobiologiche utilizzate per guidare il processo di redistribuzione della dose a livello dei voxel (dose-painting). In questo lavoro il modulo è stato utilizzato principalmente per l'ottimizzazione della dose in pazienti affetti da Glioblastoma, un tumore cerebrale maligno tra i più diffusi e mortali. L'ottimizzatore voxel-based, infatti, è stato sviluppato per essere utilizzabile all'interno di un progetto di ricerca finanziato dal Ministero della Salute per la valutazione di un programma di terapia che include l'uso di un innovativo acceleratore lineare ad alto rateo di dose per la cura di tumori cerebrali in fase avanzata. Al fine di migliorare il trattamento radiante, inoltre, lo studio include la somministrazione della dose tramite dose-painting con lo scopo di verificarne l'efficacia. I risultati ottenuti mostrano che tramite il modulo sviluppato è possibile ottenere distribuzioni di dose eterogenee che tengono conto delle caratteristiche biologiche intratumore stimate a partire dalle immagini multimodali. Inoltre il sistema sviluppato, grazie alla sua natura 'open', è altamente personalizzabile a scopi di ricerca e consente di simulare distribuzioni di dose basate sui voxel e di confrontarle con quelle ottenute con i sistemi commerciali ad uso clinico, che non consentono questo tipo di ottimizzazioni.

Studio delle applicazioni metodologiche di analisi d'immagini in tc perfusionali

La Tomografia Computerizzata perfusionale (TCp) è una tecnica che permette di effettuare studi funzionali di natura emodinamica dei tessuti ispezionati, misurandone la perfusione attraverso l’analisi temporale della diffusione del mezzo di contrasto. Ricerche recenti indicano come alcuni parametri (ad esempio, il blood flow) della perfusione ematica dell’organo interessato rappresentino un valido strumento per la valutazione dell’efficacia delle terapie anti-angiogenetiche. Valutazione che, potendo avvenire già in fase precoce, senza attendere i più tardivi cambiamenti dimensionali, consente un eventuale adeguamento, altrettanto precoce, della terapia in caso di risultati parziali o di insuccesso. Tuttavia diversi problemi, tra cui la difficoltà ad ottenere misure riproducibili, dovuta alla estrema variabilità delle cause di errore, costituiscono un ostacolo alla standardizzazione e, conseguentemente, alla trasposizione in clinica della TCp. Il lavoro di tesi ha avuto come obiettivo quello di identificare le principali sorgenti di errore in tutto il processo di preparazione dell’esame, generazione e archiviazione dei dati TCp al fine di fornire a IRST-IRCCS un protocollo perfusionale che consente di tenere sotto controllo, innanzitutto, tutti i parametri relativi alla somministrazione del mezzo di contrasto e alla fase di acquisizione delle immagini. Successivamente, è stato creato un catalogo di esami perfusionali, facilmente consultabile sia dal personale medico sia da quello ingegneristico. Infine, è stato fornito il supporto, sia ai medici sia agli ingegneri, per la messa a punto di un metodo di validazione visiva dei risultati ottenuti. Contestualmente, uno dei principali risultati del lavoro di Tesi è stato quello di creare, all’interno di IRST-IRCCS, una figura che funga da “collettore” fra i radiologi e gli ingegneri dell’Università di Bologna. Proprio in questo modo è stato possibile standardizzare le procedure di esecuzione degli esami perfusionali e implementare, attraverso l’interfacciamento tra il personale medico ed i ricercatori dell’Università, i protocolli per la gestione ed il trattamento dei dati acquisiti.

IEEE 802.21: Media Independent Handover

In questo lavoro, dopo un'introduzione sul panorama contemporaneo, si è analizzato lo standard IEEE 802.21, illustrandone i motivi che hanno portato al suo sviluppo, la timeline del processo di standardizzazione, gli obbiettivi del working group, l'architettura del sistema specificato e le sue funzionalità, con particolare riguardo all'utilità in applicazioni reali, al fine di darne un giudizio completo sulla sua effettiva efficacia. Dopo aver citato qualche esempio di possibile applicazione dello standard e descritto lo stato attuale dell'arte, si è studiata una sua implementazione cross-platform chiamata ODTONE, descrivendone i vari componenti e le loro funzionalità, ma anche sottolineando le attuali mancanze per arrivare ad una implementazione completa sotto tutti i punti di vista. Successivamente si è studiata ed implementata un'applicazione, MIH-proxy, che potesse sfruttare in modo costruttivo i servizi specificati dallo standard per creare un proxy che potesse scegliere su quale interfaccia instradare i pacchetti a seconda dello stato attuale di tutti i collegamenti, realizzato in versione unidirezionale e bidirezionale. In particolare questa applicazione è in grado di restare in ascolto di cambiamenti di stato delle interfacce di rete, e.g. quando viene stabilita una connessione oppure cade, e, di conseguenza, stabilire di volta in volta quali collegamenti utilizzare per inviare dati. Nella versione bidirezionale è anche possibile far comunicare tra loro applicazioni che normalmente utilizzerebbero il protocollo di trasporto TCP attraverso un ulteriore componente, phoxy, che si preoccupa di convertire, in modo trasparente, un flusso TCP in datagrammi UDP eventualmente cifrati. Sarà quindi possibile creare un collegamento criptato ad alta affidabilità tra le applicazioni che possa sfruttare tutte le interfacce disponibili, sia per inviare, sia per ricevere.

Esperimenti di integrazione ViewOS-Rump: lo stack di rete NetBSD

In questo lavoro si indaga la possibilita' di includere lo stack TCP-IP NetBSD, estratto come libreria dinamica ed eseguito all'interno di un kernel rump, come sottomodulo di rete della System Call Virtual Machine UMView di Virtual Square. Il risultato ottenuto consiste in umnetbsd, il modulo che ne dimostra la fattibilita', e libvdeif, una libreria per connettere kernel rump a switch VDE.

Erasure error correcting codes applied to DTN communications.

The space environment has always been one of the most challenging for communications, both at physical and network layer. Concerning the latter, the most common challenges are the lack of continuous network connectivity, very long delays and relatively frequent losses. Because of these problems, the normal TCP/IP suite protocols are hardly applicable. Moreover, in space scenarios reliability is fundamental. In fact, it is usually not tolerable to lose important information or to receive it with a very large delay because of a challenging transmission channel. In terrestrial protocols, such as TCP, reliability is obtained by means of an ARQ (Automatic Retransmission reQuest) method, which, however, has not good performance when there are long delays on the transmission channel. At physical layer, Forward Error Correction Codes (FECs), based on the insertion of redundant information, are an alternative way to assure reliability. On binary channels, when single bits are flipped because of channel noise, redundancy bits can be exploited to recover the original information. In the presence of binary erasure channels, where bits are not flipped but lost, redundancy can still be used to recover the original information. FECs codes, designed for this purpose, are usually called Erasure Codes (ECs). It is worth noting that ECs, primarily studied for binary channels, can also be used at upper layers, i.e. applied on packets instead of bits, offering a very interesting alternative to the usual ARQ methods, especially in the presence of long delays. A protocol created to add reliability to DTN networks is the Licklider Transmission Protocol (LTP), created to obtain better performance on long delay links. The aim of this thesis is the application of ECs to LTP.

Progetto e realizzazione di un sistema di catalogazione dell'eterogeneita di lesioni neoplastiche polmonari in immagini di tc perfusionali

Progettare e realizzare un sistema di catalogazione delle varie tipologie di eterogeneità tissutale di lesioni neoplastiche polmonari, a partire dall’analisi di immagini TCp, in quanto non risulta presente in letteratura una classificazione dell’eterogeneità basata sull’analisi visuale del radiologo.

Charakterisierung einer pflanzlichen Variante des Cytoskelettproteins gamma-Tubulin durch Strukturmodellierung, Überexpression und Analyse der Interaktionspartner

Wie alle Eukaryoten besitzen auch höhere Pflanzen ein mikrotubuläres Cytoskelett. Einige Funktionen dieses Cytoskeletts sind relativ stark konserviert, andere dagegen scheinen sehr pflanzenspezifisch zu sein. Dies betrifft insbesondere charakteristische mikrotubuläre Netzwerke, die bei der Neubildung und der Verstärkung der Zellwände wichtige Rollen übernehmen. Wie der Aufbau dieser Netzwerke kontrolliert wird, ist bisher relativ unklar. Typische Mikrotubuli organisierende Zentren (MTOC), insbesondere Centrosomen oder Spindelpolkörper, sind bei höheren Pflanzen nicht beobachtet worden. Von pilzlichen und tierischen Organismen weiß man, dass gamma-Tubulin (gTUB) mit seinen assoziierten Proteinen in den MTOC bei der Nukleation von Mikrotubuli eine Schlüsselfunktion hat. Dieses Mitglied der Tubulin-Superfamilie wird aber auch in Pflanzen gefunden, dessen genaue Funktion bisher unbekannt ist. Zu Beginn der Arbeit wurden mittels in silico Berechnungen Strukturmodelle des pflanzlichen gTUBs aus Nicotiana tabacum erarbeitet, da die Struktur, die zu einem Verständnis der pflanzlichen Wachstumsregulation beitragen könnte, bisher unbekannt ist. Auf Grundlage der bioinformatischen Daten konnte für weitere Studien eine notwendige gTUB-Deletionsmutante entwickelt werden. Für Röntgendiffraktionsstudien und gTUB-Interaktionspartneranalysen war die Verfügbarkeit verhältnismäßig großer Proteinmengen notwendig. Die Expression der gTUB-Volllängensequenz in gelöster und aktiver Form stellte einen immanent wichtigen Zwischenschritt dar. Das Escherichia coli T7/lacO-Expressionssystem lieferte, trotz vielversprechender Erfolge in der Vergangenheit, kein gelöstes rekombinantes gTUB. So wurden zwar verhältnismäßig hohe Expressionsraten erzielt, aber das rekombinante gTUB lag quantitativ als Inclusion bodies vor. Eine Variationen der Expressionsparameter sowie umfangreiche Versuche mittels verschiedenster Konstrukte sowie potentiell die Löslichkeit erhöhenden Tags gTUB in gelöster Form in E. coli zu exprimieren blieben erfolglos. Eine Denaturierung der Inclusion bodies und Rückfaltung wurde aufgrund der wohl bei der Tubulinfaltung notwendigen komplexeren Chaperone sowie thermodynamischer Überlegungen ausgeschlossen. Die höher evolvierte Chaperonausstattung war ein Hauptgrund für die Verwendung der eukaryotischen Hefe-Expressionssysteme K. lactis und des S. cerevisiae-Stammes FGY217 zur gTUB-Expression. So konnten nach der Selektion nur transgene Hefe-Zellen dokumentiert werden, die die gTUB-Expressionskassette nachweislich an der vorgesehenen Zielposition in ihrem Genom integrierten, aber keine dokumentierbare Expression zeigten. Die wahrscheinlichste Begründung hierfür ist, dass ein erhöhter intrazellulärer gTUB-Titer mit dem Zellwachstum und der Zellteilung dieser eukaryotischen Organismen interferierte und durch Rückkopplungen die rekombinante gTUB-CDS aus N. tabacum ausgeschaltet wurde. Der Versuch einer transienten gTUB-Überexpression in differenzierten Blattgeweben höherer Pflanzen war eine logische Konsequenz aus den vorherigen Ergebnissen und lieferte, wenn auch nicht die für eine Proteinkristallisation notwendigen Mengen, gelöstes gTUB. Bestrebungen einer stabilen Transfektion von A. thaliana oder BY-2-Zellkulturen mit einer gTUB-CDS lieferten keine transgenen Organismen, was starke Interferenzen der rekombinanten gTUB-CDS in den Zellen vermuten lies. Transfektionsversuche mit nur GFP tragenden Konstrukten ergaben hingegen eine hohe Anzahl an transgenen Organismen, die auch verhältnismäßig starke Expressionsraten zeigten. Die erzielten Proteinmengen bei der transienten gTUB-Überexpression in N. benthamiana Blattgeweben, in Co-Expression mit dem Posttransriptional Gene Silencing-Suppressorprotein p19, waren für einen Pull-Down sowie eine massenspektroskopische Analyse der Interaktionspartner ausreichend und ergaben Befunde. Eine abschließende Auswertung des erarbeiteten massenspektroskopischen Datensatzes wird jedoch erst dann möglich sein, wenn das Tabak-Proteom vollständig sequenziert ist. Die Erweiterung der bestehenden pflanzlichen Vergleichsdatenbanken um das bisher bekannte Tabak-Proteom vervielfachte die Anzahl der in dieser Studie identifizierten gTUB-Interaktionspartner. Interaktionen mit dem TCP1-Chaperon untermauern die Hypothese der zur Faltung pflanzlichen gTUBs notwendigen Chaperone. Beobachtete gTUB-Degradationsmuster in Verbindung mit Interaktionen des 26S-Proteasoms deuten auf eine Gegenregulationen bei erhöhtem gTUB-Titer auf Proteinebene hin. Da Blattgewebe selbst nur noch über eine sehr geringe und inhomogene Teilungsaktivität verfügen ist diese Regulation hoch spannend. Auch konnte durch Co-Expression des PTGS-Suppressorproteins p19 gezeigt werden, dass bei der gTUB-Expression eine Regulation auf RNA-Ebene erfolgt.

ExoTCP: uno stack di rete minimale e userspace specializzato per il protocollo HTTP

In questo lavoro verrà presentato ExoTCP, uno stack di rete minimale e userspace specializzato per il protocollo HTTP. Verrà inoltre presentato Eth, un server web zerocopy che utilizza ExoTCP per servire contenuti statici. L'obiettivo del lavoro è riuscire ad ottenere prestazioni migliori di quelle di un server web tradizionale che si appoggia ai servizi offerti dal sistema operativo per accedere alla rete.

Implementazione di modulatori e demodulatori su piattaforma raspberry-pi

Cattura di un segnale AM e FM stereofonico (radio commerciale) mediante chiavetta NooElec R820T dotata di tecnologia Software Defined Radio (SDR). Implementazione di un codice di demodulazione AM e di algoritmi di modulazione/demodulazione FM stereo attraverso l’ambiente di lavoro MATLAB e lo strumento Simulink- Interfacciamento dei codici con la piattaforma Raspberry-Pi fungente da server TCP/IP la quale permetterà la comunicazione tra chiavetta e PC. Ricostruzione del segnale modulante trasmesso

Misure sperimentali per il monitoraggio e la sorveglianza di aree e strutture mediante reti di sensori wireless

Studio e realizzazione di una rete Wireless Sensor Network per il monitoraggio ambientale di area archeologica. Trasmissione dati raccolti su server tcp. Misure sperimentali su rete di sensori radar UWB per la localizzazione di un target in ambiente indoor

Progetto e realizzazione di un sistema di catalogazione di lesioni neoplastiche polmonari per la validazione visuale di mappe perfusionali da tomografia computerizzata

La TC perfusionale (TCp) è un valido strumento per l'imaging funzionale dei tumori. Tale tecnica consente di misurare in modo oggettivo la perfusione tissutale, attraverso l'analisi matematica dei dati ottenuti effettuando scansioni TC ripetute nel tempo, dopo la somministrazione di un mezzo di contrasto iodato. Il principale obiettivo degli studi perfusionali in oncologia è la valutazione precoce dell’efficacia delle terapie anti-angiogenetiche utilizzate per bloccare la vascolarizzazione che alimenta le lesioni tumorali. Infatti, sin dal primo ciclo di terapie, è possibile rilevare se la vascolarizzazione tumorale si riduce, senza dover attendere i cambiamenti dimensionali che, in genere, avvengono tardivamente. Questa Tesi si focalizza sullo studio del carcinoma polmonare e perviene alla costruzione di un catalogo, completo di mappe colorimetriche, che sintetizza i casi analizzati, i dati relativi al paziente e alle lesioni. L'obiettivo è quindi quello di fornire uno strumento di facile consultazione che consenta di valutare vari aspetti relativi alla malattia, tra cui il tasso di accrescimento, il grado di malignità, presenza di invasione vascolare, al fine di andare sempre più verso una cura personalizzata e più efficace per i pazienti che, attualmente, sono sottoposti a soluzione terapeutica standard. Questa è, senza dubbio, la nuova frontiera della ricerca per tutte i tipi di neoplasie negli anni futuri.

Preparazione dei dati e generazione delle mappe di TC perfusionale nel cancro al polmone

L’introduzione della tomografia computerizzata nelle applicazioni oncologiche è stata rivoluzionaria per la diagnostica delle immagini di molti organi e apparati, superando i limiti della radiologia convenzionale. Questa tecnica rappresenta, infatti, un efficace strumento nella diagnosi e caratterizzazione di numerosi tumori, in quanto questo tipo di applicazione perfusionale amalgama informazioni di natura morfologica, tipiche della TC tradizionale, con studi funzionali sui tessuti in esame. Tuttavia, diversi problemi, tra cui la mancanza di un protocollo standard sia durante la fase di acquisizione dei dati, sia durante la fase di elaborazione dei dati, costituiscono un ostacolo per la trasposizione in clinica della TCp. In questo lavoro di Tesi si è trattato principalmente della modalità di analisi dei dati: ad oggi, infatti, non è ancora stato formulato un protocollo che stabilisca in modo univoco una tecnica di analisi delle mappe perfusionali risultanti dall’elaborazione delle immagini TCp. In particolare, si è tentato di affiancare ai classici metodi di analisi di immagini noti in letteratura un ulteriore tecnica che si basa sull’analisi voxel-by-voxel della regione d’interesse su più slice e non solo su quella di riferimento. Questo studio è stato fortemente motivato dall’elevato grado di eterogeneità che caratterizza molti tessuti neoplastici. A tal proposito, l’elaborato mira ad analizzare in modo qualitativo le mappe perfusionali di slice adiacenti a quella di riferimento e a verificare se queste possano restituire informazioni aggiuntive che risultino indispensabili ai fini della formulazione di una corretta diagnosi e scelta del piano terapeutico da applicare al paziente.

Modifiche al protocollo di trasporto LTP per migliorarne le prestazioni in presenza di perdite elevate

La presente tesi si pone come obiettivo quello di analizzare il protocollo LTP (in particolare in ION) e proporre dei miglioramenti utili al caso in cui siano presenti perdite elevate. Piu in dettaglio, una prima parte introduttiva motiva l'inefficacia del TCP/IP in ambito interplanetario e introduce l'architettura DTN Bundle Protocol (Cap.1). La tesi prosegue con la descrizione delle specifiche del protocollo LTP (Cap.2), in particolar modo evidenziando come un bundle venga incapsulato in un blocco LTP, come questo sia successivamente diviso in tanti segmenti LTP e come questi vengano successivamente inviati con il protocollo UDP o con un protocollo analogo. Viene quindi presentata un'approfondita analisi delle penalizzazioni dovute alle perdite dei segmenti LTP, sia di tipo dati che di segnalazione (Cap. 3). Quest'analisi permette di dimostrare la criticita degli effetti delle perdite, in particolare per quello che riguarda i segmenti LTP di segnalazione. Mentre in presenza di perdite basse tali effetti hanno in media un impatto minimo sul tempo di consegna di un blocco LTP (quindi del bundle in esso contenuto), in quanto avvengono raramente, in presenza di perdite elevate rappresentano un collo di bottiglia per il tempo di consegna di un blocco LTP. A tal proposito sono state proposte alcune modifiche che permettono di migliorare le prestazioni di LTP (Cap. 4) compatibilmente con le specifiche RFC in modo da garantire l'interoperabilita con le diverse implementazioni del protocollo. Successivamente nel Cap. 5 viene mostrato come sono state implementate le modifiche proposte in ION 3.4.1. Nel capitolo finale (Cap. 6) sono presenti i risultati numerici relativi ad alcuni test preliminari eseguiti confrontando la versione originale del protocollo con le versioni modificate contenenti i miglioramenti proposti. I test sono risultati molto positivi per elevate perdite, confermando cosi la validita dell'analisi e dei miglioramenti introdotti.

DTN discovery and routing: from space applications to terrestrial networks.

L'argomento di questa tesi è l'architettura di rete Delay-/Disruption-Tolerant Networking (DTN), progettata per operare nelle reti “challenged”, dove la suite di protocolli TCP/IP risulta inefficace a causa di lunghi ritardi di propagazione del segnale, interruzioni e disturbi di canale, ecc. Esempi di reti “challenged” variano dalle reti interplanetarie alle Mobile Ad-Hoc Networks (MANETs). Le principali implementazioni dell'architettura DTN sono DTN2, implementazione di riferimento, e ION, sviluppata da NASA JPL per applicazioni spaziali. Una grande differenza tra reti spaziali e terrestri è che nello spazio i movimenti dei nodi sono deterministici, mentre non lo sono per i nodi mobili terrestri, i quali generalmente non conoscono la topologia della rete. Questo ha portato allo sviluppo di diversi algoritmi di routing: deterministici per le reti spaziali e opportunistici per quelle terrestri. NASA JPL ha recentemente deciso di estendere l'ambito di applicazione di ION per supportare anche scenari non deterministici. Durante la tesi, svolta presso NASA JPL, mi sono occupato di argomenti diversi, tutti finalizzati a questo obiettivo. Inizialmente ho testato la nuova implementazione dell'algoritmo IP Neighbor Discovery (IPND) di ION, corretti i bug e prodotta la documentazione ufficiale. Quindi ho contribuito ad integrare il Contact Graph Routing (CGR) di ION nel simulatore DTN “ONE” utilizzando la Java Native Interface (JNI) come ponte tra il codice Java di ONE e il codice C di ION. In particolare ho adattato tutte le librerie di ION necessarie per far funzionare CGR all'interno dell'ambiente di ONE. Infine, dopo aver analizzato un dataset di tracce reali di nodi mobili, ho contribuito a progettare e a sviluppare OCGR, estensione opportunistica del CGR, quindi ne ho curato l'integrazione in ONE. I risultati preliminari sembrano confermare la validità di OCGR che, una volta messo a punto, può diventare un valido concorrente ai più rinomati algoritmi opportunistici.