Implementation of a VLSI amplifier interfaced with biomedical sensors for ultra wide band data transmission

This thesis presents a CMOS Amplifier with High Common Mode rejection designed in UMC 130nm technology. The goal is to achieve a high amplification factor for a wide range of biological signals (with frequencies in the range of 10Hz-1KHz) and to reject the common-mode noise signal. It is here presented a Data Acquisition System, composed of a Delta-Sigma-like Modulator and an antenna, that is the core of a portable low-complexity radio system; the amplifier is designed in order to interface the data acquisition system with a sensor that acquires the electrical signal. The Modulator asynchronously acquires and samples human muscle activity, by sending a Quasi-Digital pattern that encodes the acquired signal. There is only a minor loss of information translating the muscle activity using this pattern, compared to an encoding technique which uses astandard digital signal via Impulse-Radio Ultra-Wide Band (IR-UWB). The biological signals, needed for Electromyographic analysis, have an amplitude of 10-100μV and need to be highly amplified and separated from the overwhelming 50mV common mode noise signal. Various tests of the firmness of the concept are presented, as well the proof that the design works even with different sensors, such as Radiation measurement for Dosimetry studies.

Pattern anticipi e ritardi del trasporto pubblico: un'applicazione di data visualization su dataset reali

La tesi descrive il sistema denominato GARTP che visualizza l'analisi dell'anticipo e del ritardo nel trasporto pubblico, su una mappa cartografica.

Performance analysis of reconstruction algorithms for breast microwave imaging

The problem of localizing a scatterer, which represents a tumor, in a homogeneous circular domain, which represents a breast, is addressed. A breast imaging method based on microwaves is considered. The microwave imaging involves to several techniques for detecting, localizing and characterizing tumors in breast tissues. In all such methods an electromagnetic inverse scattering problem exists. For the scattering detection method, an algorithm based on a linear procedure solution, inspired by MUltiple SIgnal Classification algorithm (MUSIC) and Time Reversal method (TR), is implemented. The algorithm returns a reconstructed image of the investigation domain in which it is detected the scatterer position. This image is called pseudospectrum. A preliminary performance analysis of the algorithm vying the working frequency is performed: the resolution and the signal-to-noise ratio of the pseudospectra are improved if a multi-frequency approach is considered. The Geometrical Mean-MUSIC algorithm (GM- MUSIC) is proposed as multi-frequency method. The performance of the GMMUSIC is tested in different real life computer simulations. The performed analysis shows that the algorithm detects the scatterer until the electrical parameters of the breast are known. This is an evident limit, since, in a real life situation, the anatomy of the breast is unknown. An improvement in GM-MUSIC is proposed: the Eye-GMMUSIC algorithm. Eye-GMMUSIC algorithm needs no a priori information on the electrical parameters of the breast. It is an optimizing algorithm based on the pattern search algorithm: it searches the breast parameters which minimize the Signal-to-Clutter Mean Ratio (SCMR) in the signal. Finally, the GM-MUSIC and the Eye-GMMUSIC algorithms are tested on a microwave breast cancer detection system consisting of an dipole antenna, a Vector Network Analyzer and a novel breast phantom built at University of Bologna. The reconstruction of the experimental data confirm the GM-MUSIC ability to localize a scatterer in a homogeneous medium.

Approccio teorico e numerico per la selezione di topologie d'antenna miniaturizzate su substrati magneto-dielettrici

Lo sviluppo di soluzioni sempre più pervasive, nell’ambito delle telecomunicazioni, ha determinato una necessità crescente di avere sistemi wireless con dimensioni estremamente ridotte. Tale obiettivo deve essere raggiunto evitando di incorrere nelle problematiche in termini di prestazioni di radiazione che si presentano utilizzando antenne dalle dimensioni molto ridotte rispetto la lunghezza d'onda. Tali inefficienze finiscono poi per ripercuotersi sulle funzionalità, ma sopratutto sul consumo energetico e quindi sulla sua autonomia. Nell’ambito di questa tesi, ci si è focalizzati sui materiali e in particolare su come possono essere selezionati in base alle caratteristiche delle varie topologie di antenne, con lo scopo di massimizzare le caratteristiche prestazionali dell'elemento radiante. Sarà inoltre presentata una definizione innovativa e dedicata ai materiali magneto-dielettrici del volume di campo vicino. Si concluderà infine che, nel caso di antenne rappresentate da sorgenti equivalenti magnetiche è conveniente usare materiali magnetici, mentre con sorgenti equivalenti elettriche il solo dielettrico risulta più indicato.

Esperimenti di design pattern di ispirazione biologica

L'informatica, assieme alle sue innovazioni tecnologiche, offre al mondo d'oggi uno scenario in continuo sviluppo evolutivo che permette di facilitare alcune necessità dell'essere umano. Con la nascita di internet e dei nuovi dispositivi cellulari, la comunicazione è stata resa più malleabile e immediata. Tuttavia, le nuove tecnologie utilizzano infrastrutture complesse che non sempre sono ampiamente sfruttate a causa delle loro esigenze quali scalabilità, risposte in tempo reale, o tolleranza. Per far fronte a queste caratteristiche, una nuova tendenza del software è quella di fornire autonomia e pro-attività alle entità nel sistema in modo da incrementare la loro interazione. Queste caratteristiche permettono di responsabilizzare i soggetti rendendo il sistema auto-organizzato, con una migliore scalabilità,robustezza, e quindi riducendo le esigenze di calcolo di ciascuna entità. Lo studio dei sistemi auto-organizzanti è stato ispirato alla natura, e in particolare, ai sistemi biologici. Questi sistemi mostrano le caratteristiche interessanti per gli scenari pervasivi, poichè sono robusti e resistenti, in grado di adattarsi al contesto ambientale e quindi reagiscono a determinate modifiche che si verificano nell'ambiente comportandosi di conseguenza. L'ingegneria dell'auto-organizzazione ha il compito di simulare e testare questi comportamenti presentando uno schema progettuale completo che permetta di presentare soluzioni ricorrenti a problemi noti. Tale schema è definito in termini informatici design pattern. Le entità, definite agenti, per interagire e comunicare tra di loro hanno bisogno di coordinarsi tramite un modello specifico. Nel nostro caso è stato scelto TuCSoN, poichè riesce a separare uno spazio dedicato allo scambio di informazioni da uno spazio dedicato alle specifiche che permette di descrivere delle politiche di comportamento per sistemi MAS implementati nell'opportuno linguaggio di programmazione ReSpecT.

RFID tag localization with virtual multi-antenna systems

In questa tesi si sono valutate le prestazioni di un sistema di localizzazione multi-antenna di tag radio frequency identification (RFID) passivi in ambiente indoor. Il sistema, composto da un reader in movimento che percorre una traiettoria nota, ha come obiettivo localizzare il tag attraverso misure di fase; più precisamente la differenza di fase tra il segnale di interrogazione, emesso dal reader, e il segnale ricevuto riflesso dal tag che è correlato alla distanza tra di essi. Dopo avere eseguito una ricerca sullo stato dell’arte di queste tecniche e aver derivato il criterio maximum likelihood (ML) del sistema si è proceduto a valutarne le prestazioni e come eventuali fattori agissero sul risultato di localizzazione attraverso simulazioni Matlab. Come ultimo passo si è proceduto a effettuare una campagna di misure, testando il sistema in un ambiente reale. Si sono confrontati i risultati di localizzazione di tutti gli algoritmi proposti quando il reader si muove su una traiettoria rettilinea e su una traiettoria angolare, cercando di capire come migliorare i risultati.

Localizzazione e tracking tramite filtri statistici in sistemi multi antenna

Uno dei temi più recenti nel campo delle telecomunicazioni è l'IoT. Tale termine viene utilizzato per rappresentare uno scenario nel quale non solo le persone, con i propri dispositivi personali, ma anche gli oggetti che le circondano saranno connessi alla rete con lo scopo di scambiarsi informazioni di diversa natura. Il numero sempre più crescente di dispositivi connessi in rete, porterà ad una richiesta maggiore in termini di capacità di canale e velocità di trasmissione. La risposta tecnologica a tali esigenze sarà data dall’avvento del 5G, le cui tecnologie chiave saranno: massive MIMO, small cells e l'utilizzo di onde millimetriche. Nel corso del tempo la crescita delle vendite di smartphone e di dispositivi mobili in grado di sfruttare la localizzazione per ottenere servizi, ha fatto sì che la ricerca in questo campo aumentasse esponenzialmente. L'informazione sulla posizione viene utilizzata infatti in differenti ambiti, si passa dalla tradizionale navigazione verso la meta desiderata al geomarketing, dai servizi legati alle chiamate di emergenza a quelli di logistica indoor per industrie. Data quindi l'importanza del processo di positioning, l'obiettivo di questa tesi è quello di ottenere la stima sulla posizione e sulla traiettoria percorsa da un utente che si muove in un ambiente indoor, sfruttando l'infrastruttura dedicata alla comunicazione che verrà a crearsi con l'avvento del 5G, permettendo quindi un abbattimento dei costi. Per fare ciò è stato implementato un algoritmo basato sui filtri EKF, nel quale il sistema analizzato presenta in ricezione un array di antenne, mentre in trasmissione è stato effettuato un confronto tra due casi: singola antenna ed array. Lo studio di entrambe le situazioni permette di evidenziare, quindi, i vantaggi ottenuti dall’utilizzo di sistemi multi antenna. Inoltre sono stati analizzati altri elementi chiave che determinano la precisione, quali geometria del sistema, posizionamento del ricevitore e frequenza operativa.

BPAG1 isoform-b: Complex distribution pattern in striated and heart muscle and association with plectin and α-actinin

BPAG1-b is the major muscle-specific isoform encoded by the dystonin gene, which expresses various protein isoforms belonging to the plakin protein family with complex, tissue-specific expression profiles. Recent observations in mice with either engineered or spontaneous mutations in the dystonin gene indicate that BPAG1-b serves as a cytolinker important for the establishment and maintenance of the cytoarchitecture and integrity of striated muscle. Here, we studied in detail its distribution in skeletal and cardiac muscles and assessed potential binding partners. BPAG1-b was detectable in vitro and in vivo as a high molecular mass protein in striated and heart muscle cells, co-localizing with the sarcomeric Z-disc protein alpha-actinin-2 and partially with the cytolinker plectin as well as with the intermediate filament protein desmin. Ultrastructurally, like alpha-actinin-2, BPAG1-b was predominantly localized at the Z-discs, adjacent to desmin-containing structures. BPAG1-b was able to form complexes with both plectin and alpha-actinin-2, and its NH(2)-terminus, which contains an actin-binding domain, directly interacted with that of plectin and alpha-actinin. Moreover, the protein level of BPAG1-b was reduced in muscle tissues from plectin-null mutant mice versus wild-type mice. These studies provide new insights into the role of BPAG1-b in the cytoskeletal organization of striated muscle.

Impact of long-term corticosteroid therapy on the distribution pattern of lower limb atherosclerosis

OBJECTIVE: Ectopic calcification and mediacalcinosis can be promoted by corticosteroid use. Aim of the present investigation is to describe macrovascular disease features in patients with long-term corticosteroid therapy and symptomatic lower limb peripheral arterial occlusive disease (PAD). METHODS: A consecutive series of 2783 patients undergoing clinical and angiographic work-up of PAD were screened for long-term (>5 years) corticosteroid use (group A). Comparison was performed to a randomly selected age-, sex- and risk factor-matched PAD control cohort from the same series without corticosteroid use (group B). Patients with diabetes mellitus or severe renal failure were excluded. Arterial calcification was evaluated by qualitative assessment on radiographic images. Severity of atherosclerotic lesions was analysed from angiographic images using a semi-quantitative score (Bollinger score). RESULTS: In general, 12 patients (5 males, mean age 78.5 +/- 9.0 years) with 15 ischaemic limbs qualified to be enrolled in group A and were compared to 23 matching control patients (6 2 males, mean age 79.5 +/- 6 years) with 32 ischaemic limbs. Incompressibility of ankle arteries determined by measurement of the ankle-brachial index was seen in 12 limbs (80%) in group A compared to 3 limbs (9%) in group B (p = 0.0009). No significant difference was found comparing group A and B for segmental calcification, whereas comparison of the atherosclerotic burden using the angiographic severity score showed a significantly higher score at the infragenicular arterial level in group A (p = 0.001). CONCLUSION: Findings suggest that the long-term corticosteroid therapy is associated with a distally accentuated, calcifying peripheral atherosclerosis inducing arterial incompressibility. This occlusion pattern is comparable to patients with renal failure or diabetes. Further research is required to support our observations.

Renal insufficiency is independently associated with a distal distribution pattern of symptomatic lower-limb atherosclerosis

Objectives The purpose of this study was to assess the impact of renal insufficiency (RI) on the distribution pattern of peripheral arterial disease (PAD). We hypothesised that RI is associated with a distally accentuated involvement of the peripheral arterial tree. Design This is a retrospective analysis. Materials and Methods Analysis was based on a consecutive series of 2709 patients with chronic PAD of atherosclerotic origin undergoing primary endovascular treatment of lower-extremity arteries. Atherosclerotic pattern was grouped into femoropopliteal (n = 2085) and infragenicular (n = 892) disease according to target lesions treated while using iliac disease (n = 1133) as reference. Univariable and multivariable multinomial regression analyses were performed to assess relation with RI. Results are shown as relative risk ratio (RRRs) with 95% confidence intervals (95% CIs). A p < 0.05 was considered statistically significant. RI was defined as glomerular filtration rate (GFR) < 60 ml min−1 1.73 m−2. Results Presence of RI was an independent risk factor for a centrifugal lesion pattern (RRR 1.48, 95% CI: 1.17–1.86, p = 0.001). Moreover, a decrease in GFR by 10 ml min−1 1.73 m−2 was associated with an RRR of 1.08 for below-the-knee arterial disease (95% CI: 1.03–1.13, p = 0.003). Conclusion Presence and severity of RI are independent predictors of a distal obstructive pattern in patients with symptomatic PAD.

Distribution pattern of 68Ga-DOTATATE in disease-free patients

68Ga-DOTA-DPhe1,Tyr3-octreotate (68Ga-DOTATATE) is a somatostatin analogue that shows high affinity for somatostatin receptor subtype 2 (sst2) and has been used for imaging neuroendocrine tumours. However, normal uptake patterns and potential pitfalls have not been described with this high-sensitivity radiotracer. The aim of this study was therefore to outline the normal distribution pattern of 68Ga-DOTATATE in disease-free patients, to provide standardized uptake values (SUVs) of various organs and to compare our results with the current knowledge on sst2 receptor expression in vitro.

3D bloodstain pattern analysis: ballistic reconstruction of the trajectories of blood drops and determination of the centres of origin of the bloodstains

For crime scene investigation in cases of homicide, the pattern of bloodstains at the incident site is of critical importance. The morphology of the bloodstain pattern serves to determine the approximate blood source locations, the minimum number of blows and the positioning of the victim. In the present work, the benefits of the three-dimensional bloodstain pattern analysis, including the ballistic approximation of the trajectories of the blood drops, will be demonstrated using two illustrative cases. The crime scenes were documented in 3D, using the non-contact methods digital photogrammetry, tachymetry and laser scanning. Accurate, true-to-scale 3D models of the crime scenes, including the bloodstain pattern and the traces, were created. For the determination of the areas of origin of the bloodstain pattern, the trajectories of up to 200 well-defined bloodstains were analysed in CAD and photogrammetry software. The ballistic determination of the trajectories was performed using ballistics software. The advantages of this method are the short preparation time on site, the non-contact measurement of the bloodstains and the high accuracy of the bloodstain analysis. It should be expected that this method delivers accurate results regarding the number and position of the areas of origin of bloodstains, in particular the vertical component is determined more precisely than using conventional methods. In both cases relevant forensic conclusions regarding the course of events were enabled by the ballistic bloodstain pattern analysis.