Algoritmi di segmentazione di immagini mediche

Nell'ambito dell'elaborazione delle immagini, si definisce segmentazione il processo atto a scomporre un'immagine nelle sue regioni costituenti o negli oggetti che la compongono. Ciò avviene sulla base di determinati criteri di appartenenza dei pixel ad una regione. Si tratta di uno degli obiettivi più difficili da perseguire, anche perché l'accuratezza del risultato dipende dal tipo di informazione che si vuole ricavare dall'immagine. Questa tesi analizza, sperimenta e raffronta alcune tecniche di elaborazione e segmentazione applicate ad immagini digitali di tipo medico. In particolare l'obiettivo di questo studio è stato quello di proporre dei possibili miglioramenti alle tecniche di segmentazione comunemente utilizzate in questo ambito, all'interno di uno specifico set di immagini: tomografie assiali computerizzate (TAC) frontali e laterali aventi per soggetto ginocchia, con ivi impiantate protesi superiore e inferiore. L’analisi sperimentale ha portato allo sviluppo di due algoritmi in grado di estrarre correttamente i contorni delle sole protesi senza rilevare falsi punti di edge, chiudere eventuali gap, il tutto a un basso costo computazionale.

Progettazione e sviluppo di un' applicazione mobile basata su Wi-Fi Direct per la comunicazione tra veicoli e pedoni

Questo documento di tesi si incentra principalmente sullo studio delle reti wireless mobili e dei relativi scenari di utilizzo. In particolare, come esse vengono applicate per il riconoscimento e la prevenzione di incidenti stradali. Vista l’importanza di questo problema a livello di sicurezza stradale, ho deciso di sviluppare un' applicazione per smartphone Android, in grado di riconoscere le attività di uso quotidiano dell’utente e associarle a dei comportamenti, come ad esempio quello di un ciclista, di un pedone o di un automobilista. Nel caso in cui, in uno scenario stradale i dispositivi si trovassero ad una distanza ravvicinata, possono comunicare tramite una connessione Wi-Fi Direct il loro ruolo e lanciare messaggi di pericolo per avvisare la loro presenza, in modo da prevenire collisioni stradali. La realtà in cui si vuole collocare questa applicazione è quella che viene chiamata Pedestrian Detection, già idea di General Motors, che la sta sviluppando sui futuri veicoli che metterà in produzione nei prossimi anni e che sicuramente integreranno funzionalità aggiuntive per la segnalazione di pericoli tramite smartphone e Wi-Fi Direct.

Implementazione e valutazione delle prestazioni di algoritmi di localizzazione Indoor basati su dispositivi Beacon

Questo elaborato di tesi ha lo scopo di illustrare un'applicazione realizzata per dispositivi Android in grado di localizzare l'utente all'interno di un ambiente indoor sfruttando l'utilizzo dei Beacon e dare una valutazione dei risultati ottenuti. L'utente potrà registrare i dispositivi Beacon in suo possesso all'interno dell'applicazione, caricare la planimetria di un ambiente e configurarlo indicando esattamente quale Beacon si trova in una determinata posizione. Infine potrà scegliere quale tra i tre algoritmi implementati (Prossimità, Triangolazione e Fingerprinting) utilizzare per visualizzare la propria posizione sulla mappa. I tre algoritmi sono stati sottoposti a vari test che hanno permesso di analizzare le differenze tra di essi in termini di accuratezza e le performance generali dell'applicativo.

Progettazione ed analisi di algoritmi di mobilità controllata per reti mesh aeree con vincoli di copertura e persistenza

In questo lavoro di tesi verrà presentata l’implementazione di due algoritmi di Deployment e gestione di uno sciame di dispositivi UAV (Unmanned Aerial Vehicles). L’interesse scientifico su cui si fonda quest'analisi ha origine nelle enormi potenzialità degli UAV che garantiscono un'esplorazione aerea di aree pericolose in contesti di emergenze quali ad esempio scenari post catastrofe. La problematica principale affrontata sarà quella della gestione continuativa dell'area disastrata fornendo un algoritmo di schedulazione della cooperazione degli UAV alternando periodi attivi con quelli di ricarica dei dispositivi.

Progettazione e implementazione di una incarnazione biochimica per il simulatore Alchemist

Scopo di questo elaborato di tesi è la modellazione e l’implementazione di una estensione del simulatore Alchemist, denominata Biochemistry, che permetta di simulare un ambiente multi-cellulare. Al fine di simulare il maggior numero possibile di processi biologici, il simulatore dovrà consentire di modellare l’eterogeneità cellulare attraverso la modellazione di diversi aspetti dei sistemi cellulari, quali: reazioni intracellulari, segnalazione tra cellule adiacenti, giunzioni cellulari e movimento. Dovrà, inoltre, essere ammissibile anche l’esecuzione di azioni impossibili nel mondo reale, come la distruzione o la creazione dal nulla di molecole chimiche. In maniera più specifica si sono modellati ed implementati i seguenti processi biochimici: creazione e distruzione di molecole chimiche, reazioni biochimiche intracellulari, scambio di molecole tra cellule adiacenti, creazione e distruzione di giunzioni cellulari. È stata dunque posta particolare enfasi nella modellazione delle reazioni tra cellule vicine, il cui meccanismo è simile a quello usato nella segnalazione cellulare. Ogni parte del sistema è stata modellata seguendo fenomeni realmente presenti nei sistemi multi-cellulari, e documentati in letteratura. Per la specifica delle reazioni chimiche, date in ingresso alla simulazione, è stata necessaria l’implementazione di un Domain Specific Language (DSL) che consente la scrittura di reazioni in modo simile al linguaggio naturale, consentendo l’uso del simulatore anche a persone senza particolari conoscenze di biologia. La correttezza del progetto è stata validata tramite test compiuti con dati presenti in letteratura e inerenti a processi biologici noti e ampiamente studiati.

Simulazione della risposta dei radiometri satellitari nelle microonde AMSU-B e MHS per il retrieval della precipitazione nevosa e studio di sensibilità dell’algoritmo 183-WSL

Il lavoro di questa tesi è focalizzato sulla valutazione della sensibilità delle microonde rispetto a differenti idrometeore per le frequenze a 89 GHz e 150 GHz e nella banda di assorbimento del vapor d'acqua a 183.31 GHz. Il metodo di indagine consiste nell'utilizzo del modello di trasferimento radiativo RTTOV (Eyre, 1991) per simulare radianze dei canali dei sensori satellitari nelle microonde Advanced Microwave Sounding Unit-B (AMSU-B) e Microwave Humidity Sounder (MHS). Le simulazioni basate sul modello RTTOV si sono focalizzate su tre dataset indipendenti, forniti da ECMWF. Il primo passo tiene conto di una selezione di categorie dei profili atmosferici basato su una distinzione della fase delle idrometeore, LWP, IWP e WVP, con sottoclassi terra e oceano. La distinzione in diverse categorie permette di valutare la sensibilità di ciascuna frequenza utilizzata nelle simulazioni al variare del contenuto di acqua e ghiaccio. Un secondo approccio è usato per valutare la risposta di ciascuna frequenza nei casi di nevicate sulla terraferma. Questa indagine ha permesso lo sviluppo di un nuovo algoritmo prototipale per la stima dell'intensità di precipitazione nevosa basato su una serie di test a soglia e una equazione di combinazione lineare multipla che sfrutta una combinazione dei canali più sensibili alla snowfall: 150, 186 e 190 GHz. Una prima verifica su casi di studio pre-selezionati di snowstorm sembra fornire risultati promettenti. Infine è stato realizzato uno studio di sensibilità dell’algoritmo 183-WSL (Laviola and Levizzani, 2011) utilizzando le simulazioni di RTTOV con precipitazione/non precipitazione come predittori discreti e con le intensità di precipitazione come predittori continui. Le simulazioni RTTOV rivelano una sovrastima delle radianze in presenza di profili di pioggia e ciò potrebbe essere dovuto alle approssimazioni e parametrizzazioni adottate nel modello RTTOV-SCATT usato per la risoluzione dello scattering in presenza di precipitazione.

Realizzazione di un dispositivo elettromeccanico per la simulazione e per la ricerca di una soluzione stabile del sistema dinamico del pendolo inverso

Obiettivo della tesi è la realizzazione di un dispositivo in grado di riprodurre il sistema del pendolo inverso e di trovare soluzioni vicine alla posizione di equilibrio stabile. Verranno ricavate le equazioni del moto che descrivono il sistema attraverso la meccanica Lagrangiana. Una volta integrate numericamente le equazioni, si procederà con la ricerca di una funzione di controllo per mantenere in equilibrio il sistema: l'efficacia della soluzione verrà valutata graficamente, senza approfondire l'approccio proveniente dalla teoria del controllo che ne è alla base. Infine il sistema verrà realizzato praticamente ed utilizzeremo le stesse funzioni studiate in precedenza.

Valutazione sperimentale di algoritmi di visione stereo finalizzata a una successiva implementazione su FPGA

Applicazione di algoritmi di stereo visione con differenti configurazioni con lo scopo di confrontare e valutare quale applicare ad una successiva implementazione su FPGA.

Sviluppo di nuovi algoritmi di pianificazione per sistemi non olonomici e con dinamica non linerare

L'obiettivo del kinodynamic motion planning è quello di determinare una sequenza di input di controllo per guidare un agente da uno stato iniziale ad uno finale, rispettando la dinamica del corpo e i vincoli fisici. In questa tesi sono presentate diverse versioni di algoritmi basati su Rapidly-exploring Random Tree in grado di risolvere questo tipo di problema. In particolare è preso in considerazione il caso di un sistema non lineare con vincoli non olonomici, rappresentativo del rover in dotazione al progetto europeo SHERPA. La qualità degli approcci proposti è inoltre provata con alcuni test di navigazione, in ambiente simulato, confrontando gli algoritmi proposti con alcuni presi nella letteratura di riferimento.

Valutazione di metodologie di aggregazione di costi per algoritmi di visione stereo

Tesi riguardante le metodologie di aggregazione di costi applicate alla visione stereo, incentrata in particolare sull'algoritmo box filtering.

Tecniche innovative di modellazione diretta nell'early stage design

Partendo da un’analisi dei problemi che si incontrano nella fase di conceptual design, si presentano le diverse tecniche di modellazione tridimensionale, con particolare attenzione al metodo subdivision e agli algoritmi che lo governano (Chaikin, Doo – Sabin). Vengono poi proposti alcuni esempi applicativi della modellazione free form e skeleton, con una successiva comparazione, sugli stessi modelli, delle sequenze e operazioni necessarie con le tradizionali tecniche di modellazione parametrica. Si riporta un esempio dell’utilizzo del software IronCAD, il primo software a unire la modellazione parametrica e diretta. Si descrivono le limitazioni della modellazione parametrica e di quella history free nella fase concettuale di un progetto, per arrivare a definire le caratteristiche della hybrid modeling, nuovo approccio alla modellazione. Si presenta brevemente il prototipo, in fase di sviluppo, che tenta di applicare concretamente i concetti dell’hybrid modeling e che vuole essere la base di partenza per una nuova generazione di softwares CAD. Infine si presenta la possibilità di ottenere simulazioni real time su modelli che subiscono modifiche topologiche. La simulazione real time è permessa dalla ridefinizione in forma parametrica del problema lineare elastico che viene successivamente risolto mediante l’applicazione congiunta delle R – Functions e del metodo PGD. Seguono esempi di simulazione real time.

Elaborazione di un modello di simulazione per una rete di trasporto multi-modale

Questo lavoro di tesi si prefigge l’obiettivo di simulare il trasporto di organi destinati a trapianto sul territorio nazionale italiano. Lo scopo della simulazione è mettere in luce le criticità e le eventuali soluzioni alternative in modo da raggiungere un duplice obiettivo: la certezza di portare a compimento il trasporto da un ospedale ad un altro entro i tempi clinici necessari affinché l’organo sia ancora utilizzabile e la riduzione dei costi del trasporto, che negli ultimi anni si sono rivelati elevati a causa del ricorso frequente a voli di Stato. Nella prima parte del lavoro viene delineato il problema e le necessità di ottimizzazione della rete, dopodiché si illustra il modello creato per simulare la situazione di as-is ed infine si espone il modello da utilizzare in futuro, dove si prevedono i tempi futuri di percorrenza. Per la modellazione della situazione attuale sono stati utilizzati due livelli di dettaglio diversi, uno che si basa sulla suddivisione dei trapianti in ingresso e uscita da una regione specifica e uno che approfondisce ulteriormente la rete modellando gli spostamenti di città in città. I modelli predittivi presentati sono due, uno che considera tempi predittivi deterministici e uno che considera tempi stocastici. Dopo ciascuna modellazione vengono esposti i risultati e le statistiche più significative; vengono infine messi in evidenza gli aspetti critici e gli sviluppi futuri della simulazione. Il software scelto per creare e simulare il trasporto degli organi sulla rete è Arena.

Analsi biomeccanica di protesi transtibiali: dai test sulle componenti all'analisi del movimento in pazienti durante postura, cammino e corsa

L’elaborato propone una descrizione generale dei dispositivi protesici transtibiali, dalla storia, al processo di protesizzazione dei pazienti amputati alla struttura costitutiva modulare. Particolare importanza viene, inoltre, conferita all’analisi biomeccanica del movimento, della quale è data descrizione delle tecniche, della strumentazione, e dei risultati che vengono ottenuti nelle indagini di soggetti amputati rispetto alle persone normodotate. Considerazioni sulla biomeccanica di pazienti protesizzati transtibialmente offrono interessanti spunti di riflessione sulle componenti meccaniche, idrauliche ed elettroniche dei dispositivi modulari, delle quali si descrive in modo completo la struttura e il funzionamento, facendo riferimento ai brevetti tecnici più noti. Verranno, infine, riportati risultati di recenti studi e ricerche che evidenziano come l’utilizzo nei moduli prostesici transtibiali di caviglie idrauliche a controllo elettronico dello smorzamento sia la soluzione ottimale per ottenere risultati biomeccanicamente migliori, sia dal punto di vista dell’efficienza del movimento che per quanto riguarda l’equilibrio.

Detezione dei parametri temporali tramite sensori inerziali nello sprint: ottimizzazione e confronto di algoritmi proposti in letteratura per la corsa

In questo studio sono stati analizzati ed ottimizzati alcuni algoritmi proposti in letteratura per la detezione dei parametri temporali della corsa, con l'obiettivo di determinare quale, fra quelli proposti, sia il più affidabile per il suo utilizzo nell'analisi dello sprint. Per fare ciò, sono state condotte delle acquisizioni outdoor su cinque atleti differenti, utilizzando tre sensori inerziali IMU EXL-s3 (EXEL S.r.l., Bologna) con frequenza di acquisizione a 200 Hz, posizionati sul dorso dei due piedi e sul tronco (schiena, livello L1). Gli algoritmi confrontati sono stati sviluppati in ambiente MATLAB (MathWorks Inc., USA) e sono stati riferiti al gold standard di telecamera a 250 fps analizzando, per ciascuno, i limits of agreement. L'algoritmo implementato da Bergamini et al. (si veda l'articolo 'Estimation of temporal parameters during sprint running using a trunk-mounted inertial measurement unit') è risultato il migliore, con un bias di circa 0.005 s e limits of agreement entro gli 0.025 s fra i dati da sensore e il riferimento video, dati questi che confermano anche i risultati ottenuti da Bergamini et al.

Sviluppo del simulatore ALCHEMIST per la modellazione di movimento cellulare

La tesi ha avuto come obiettivo l’estensione dell’incarnazione biochimica del simulatore Alchemist, cioè di quella parte del simulatore dedicata alla modellazione di ambienti multicellulari. L'estensione si è focalizzata sullo sviluppo delle necessarie astrazioni per modellare il movimento cellulare, un fenomeno che riveste una grande importanza in molti eventi di rilevanza biologica e fisiologica. A tal scopo si è definito, e implementato sulla piattaforma ALCHEMIST, un modello di: 1) giunzione cellulare 2) estensione spaziale della cellula 3) ambiente cellulare 4) interazione meccanica. Sono infatti questi quattro elementi chiave necessari per la riproduzione il più fedele possibile dei fenomeni biologici associati al movimento cellulare. Al fine di validare il modello e l'implementazione si sono infine sviluppati alcuni test, tra cui, nei principali, viene riprodotto il fenomeno della chemiotassi e l'inseguimento neutrofilo-batterio.