Sviluppo di un metodo di radioterapia adattativa tramite immagini portali e Cone-Beam CT

Il presente lavoro, svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria dell’Azienda Ospedaliera Universitaria di Parma, consiste nello sviluppo di un metodo innovativo di radioterapia adattativa. Il metodo è stato applicato a pazienti affetti da varie patologie, trattati con tecnica VMAT, (Volumetric Modulated Arc Therapy), altamente conformata al target. Il metodo sviluppato si compone di due fasi: nella prima fase vengono effettuate due analisi su immagini portali, di ricostruzione della dose all'isocentro e l'analisi gamma 2D. Se almeno una di queste fallisce, si interviene con la seconda fase, che vede l'acquisizione della CBCT del paziente e la taratura in densità elettronica della stessa. Si calcola dunque il piano su CBCT, previa operazione di contouring da parte del medico e, infine, si esegue l'analisi gamma 3D sulle matrici di dose calcolate sulla CT e sulla CBCT del paziente, quantificando gli indici gamma sulle strutture PTV, CTV e OAR di interesse clinico. In base ai risultati, se necessario, si può intervenire sul piano di trattamento. Le analisi gamma 2D e 3D sono state svolte avvalendosi di un software toolkit chiamato GADD-23 (Gamma Analysis on 2D and 3D Dose Distributions) implementato e sviluppato appositamente in ambiente Matlab per questo lavoro di tesi; in particolare, la realizzazione di GADD-23 è stata resa possibile grazie all'interazione con due software di tipo open-source, Elastix e CERR, specifici per l’elaborazione e la registrazione di immagini mediche. I risultati ottenuti mostrano come il metodo sviluppato sia in grado di mettere in luce cambiamenti anatomici che alcuni pazienti hanno subìto, di tipo sistematico, in cui è possibile prendere in considerazione una ripianificazione del trattamento per correggerli, o di tipo casuale, sui quali può essere utile condurre l'attenzione del medico radioterapista, sebbene non sia necessario un replanning.

Tecniche di elaborazione di immagini tomografiche con raggi X finalizzate alla creazione di modelli virtuali 3D

In questo elaborato sono state messe a confronto differenti procedure per la creazione di file in formato STL a partire da dati tomografici. Questo tipo di formato di dati è attualmente molto richiesto in quanto è adottato dalle stampanti 3D. I tre software presi in analisi, nello specifico, sono: DEVIDE, un programma open source, compatibile sia con Windows che con Linux, sviluppato presso la Delft University of Technology, nei Paesi Bassi; Imagej, un programma informatico di elaborazione digitale delle immagini, accessibile a tutti, basato su Sun-Java e sviluppato dal National Institutes of Health negli Stati Uniti; e infine VGStudioMax, un software sviluppato in Germania dalla VolumeGraphics GmbH. Un confronto diretto di questi software ha portato ad evidenziare i pregi ed i difetti d’ognuno di questi programmi, prendendo come criteri svariati fattori, tra cui la possibilità di scelta di uno o più soglie per i livelli di grigio, la velocità di esecuzione, il fatto che sia open-source o meno, ecc. I risultati ottenuti tramite l’utilizzo di slice filtrate riguardanti una Cera Anatomica e un Feticcio Africano, sono stati molto soddisfacenti, in quanto hanno permesso la realizzazione di modelli virtuali 3D di entrambi i reperti nel formato richiesto.

Named Entity Extraction: la piattaforma Gate/Annie

In questo lavoro si introducono i concetti di base di Natural Language Processing, soffermandosi su Information Extraction e analizzandone gli ambiti applicativi, le attività principali e la differenza rispetto a Information Retrieval. Successivamente si analizza il processo di Named Entity Recognition, focalizzando l’attenzione sulle principali problematiche di annotazione di testi e sui metodi per la valutazione della qualità dell’estrazione di entità. Infine si fornisce una panoramica della piattaforma software open-source di language processing GATE/ANNIE, descrivendone l’architettura e i suoi componenti principali, con approfondimenti sugli strumenti che GATE offre per l'approccio rule-based a Named Entity Recognition.

Studio di cavità Fabry-Perot per laser ultrastabili

Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di studiare il comportamento di un fascio laser interagente con un risonatore ottico, grazie al quale il laser può essere stabilizzato agganciando la sua frequenza di missione ad uno dei modi della cavità. In sintesi la lunghezza d’onda del fascio è vincolata ad assumere valori multipli della lunghezza della cavità, dato che in questo modo si possono decisamente migliorare le caratteristiche spettrali di un laser tipico. La stabilizzazione, e il restringimento di riga del laser, vengono effettuati agganciando la sua frequenza sul modo trasverso fondamentale tramite un sistema di feedback. La cavità è però soggetta a sua volta a fluttuazioni di tipo termico e meccanico. Una variazione in lunghezza del risonatore comporta una variazione in frequenza dei modi. Le derive di frequenza dovute agli effetti termici si possono limitare utilizzando materiali con bassa dilatazione termica posti in ambienti la cui temperatura viene stabilizzata tramite un sistema di feedback. Per le vibrazioni, invece, il lavoro è più complicato: non essendo sufficiente mettere il sistema in ambienti isolati per attenuare le fluttuazioni, è stato recentemente proposto di studiare la posizione migliore dei sostegni affinché le fluttuazioni, e quindi le conseguenti variazioni in lunghezza della cavità, risultino minime. Per analizzare questo problema è stato utilizzato un software open-source per l’analisi agli elementi finiti, Salome-Meca, tramite il quale è stata riprodotta la geometria del un risonatore ottico a nostra disposizione, per simularne il comportamento sotto l’effetto del campo gravitazionale. Da qui si sono ottenuti i dati riguardo lo spostamento degli specchi della cavità in funzione della posizione del sostegno, dai quali si è riuscito a trovare il punto di posizionamento del supporto capace di ridurre lo spostamento di un ordine di grandezza.

INSPECTOR-PI: Progettazione e Sviluppo di un Sistema Mobile per il Controllo e il Monitoraggio basato su Tecnologie Embedded e Internet of Things

La nostra sfida è stata sviluppare un dispositivo che potesse riunire differenti funzionalità, dalla telepresenza alla visione dei dati on demand, e fosse in grado di portare innovazione nel panorama attuale. Abbiamo quindi deciso di creare un device che potesse svolgere attività d’ispezione e monitoraggio, concentrandoci nel corso dell’implementazione su alcuni possibili campi di utilizzo. Il sistema che abbiamo realizzato è open-source, modulare e dinamico, in grado di rispondere a esigenze diverse e facilmente riadattabile. Il prototipo progettato è in grado di comunicare con uno smartphone, grazie al quale viene guidato dall’utente primario, e di trasmettere in rete i dati rilevati dai diversi sensori integrati. Le informazioni generate sono gestibili attraverso una piattaforma online: il device utilizza il Cloud per storicizzare i dati, rendendoli potenzialmente accessibili a chiunque. Per la configurazione hardware abbiamo usato la kit-board Pi2Go e la piattaforma Raspberry Pi, alle quali abbiamo unito una videocamera e alcuni sensori di prossimità, temperatura e umidità e distanza. È nato così il prototipo InspectorPi, un veicolo telecomandato tramite dispositivo mobile in grado di esplorare ambienti ostili in cui vi sono difficoltà fisiche o ambientali alle quali sovvenire.

Implementazione dell'accessibilità in OpenTripPlanner

Lo scopo di questa tesi è quella di creare una interfaccia accessibile per il sito Web e software di creazione di percorsi urbani multimodali, denominato Open Trip Planner. L’obiettivo principale è rendere questo servizio di pianificazione di itinerari fruibile ad ogni tipologia di utente, rendendolo accessibile a persone con disabilità sensoriali e motorie, dando a queste ultime un aiuto, a volte indispensabile, per gli spostamenti all’interno delle città. Quello che il programma open source di Open Trip Planner deve fare dunque, è offrire le informazioni riguardanti i percorsi urbani e tutte le restanti informazioni presenti su di una mappa, come ad esempio punti di interesse, in maniera completamente fruibile per ogni utente che utilizza questo tipo di supporto alla navigazione. È stato d’aiuto nella tesi incentrare in un primo momento l’attenzione nei confronti delle leggi e le linee guida di accessibilità Web, studiando dunque come il Web deve essere accessibile per gli utenti, per poi concentrarsi sull’accessibilità delle mappe stesse. Un ulteriore scopo della tesi infatti è stato capire come i dati relativi alla navigazione che vengono prelevati dai satelliti, debbano essere presentati all’interno della mappa, fornendo un grado di accessibilità elevato, sia per gli utenti che per differenti hardware.

Software Defined Networking: tre casi d'uso

Le reti devono essere in grado di gestire i modelli di traffico generati dalle nuove applicazioni, per questo si sta concentrando un interesse senza precedenti nella storia di Internet parlando di Software Defined Networking (SDN), un nuovo modo di concepire le reti. SDN è un paradigma che permette di dividere il piano di controllo dal piano dati consentendo il controllo della rete da un dispositivo unico centralizzato,il controller. In questa tesi abbiamo voluto esaminare due specifici casi di studio, affinché si dimostri come SDN possa fornire il miglior supporto per risolvere il problema delle architetture tradizionali, e uno strumento utile per progettare SDN. Per primo viene analizzato Procera, utilizzato nelle reti domestiche e nelle reti campus per dimostrare che, grazie ad esso, è possibile ridurre la complessità di un’intera rete. Poi è stato visto AgNos, un’architettura basata su azioni svolte da agenti rappresentando così un ottimo strumento di lavoro sia perché gli agenti sono implementati nei controller di rete e sia perché AgNos ha la peculiarità di fornire all’utente (o al sistema) un livello stabile di concretezza. Inoltre sono stati analizzati due problemi comuni su Internet: 1.la mitigazione degli attacchi Ddos, dove i domini SDN collaborano per filtrare i pacchetti dalla fonte per evitare l’esaurimento delle risorse 2.l’attuazione di un meccanismo di prevenzione per risolvere il problema dell’attacco Dos nella fase iniziale rendendo l’aggressione più facile da gestire. L’ultimo argomento trattato è il sistema Mininet, ottimo strumento di lavoro in quanto permette di emulare topologie di rete in cui fanno parte host, switch e controller, creati utilizzando il software. Rappresenta un ottimo strumento per implementare reti SDN ed è molto utile per lo sviluppo, l'insegnamento e la ricerca grazie alla sua peculiarità di essere open source.

Progettazione ed implementazione di un recommendation system di articoli scientifici basato su Apache Mahout

Il focus di questo elaborato è sui sistemi di recommendations e le relative caratteristiche. L'utilizzo di questi meccanism è sempre più forte e presente nel mondo del web, con un parallelo sviluppo di soluzioni sempre più accurate ed efficienti. Tra tutti gli approcci esistenti, si è deciso di prendere in esame quello affrontato in Apache Mahout. Questa libreria open source implementa il collaborative-filtering, basando il processo di recommendation sulle preferenze espresse dagli utenti riguardo ifferenti oggetti. Grazie ad Apache Mahout e ai principi base delle varie tipologie di recommendationè stato possibile realizzare un applicativo web che permette di produrre delle recommendations nell'ambito delle pubblicazioni scientifiche, selezionando quegli articoli che hanno un maggiore similarità con quelli pubblicati dall'utente corrente. La realizzazione di questo progetto ha portato alla definizione di un sistema ibrido. Infatti l'approccio alla recommendation di Apache Mahout non è completamente adattabile a questa situazione, per questo motivo le sue componenti sono state estese e modellate per il caso di studio. Siè cercato quindi di combinare il collaborative filtering e il content-based in un unico approccio. Di Apache Mahout si è mantenuto l'algoritmo attraverso il quale esaminare i dati del data set, tralasciando completamente l'aspetto legato alle preferenze degli utenti, poichè essi non esprimono delle valutazioni sugli articoli. Del content-based si è utilizzata l'idea del confronto tra i titoli delle pubblicazioni. La valutazione di questo applicativo ha portato alla luce diversi limiti, ma anche possibili sviluppi futuri che potrebbero migliorare la qualità delle recommendations, ma soprattuto le prestazioni. Grazie per esempio ad Apache Hadoop sarebbe possibile una computazione distribuita che permetterebbe di elaborare migliaia di dati con dei risultati più che discreti.

Sviluppo di un modello di costo per Spark Sql

La quantità di dati che vengono generati e immagazzinati sta aumentando sempre più grazie alle nuove tecnologie e al numero di utenti sempre maggiore. Questi dati, elaborati correttamente, permettono quindi di ottenere delle informazioni di valore strategico che aiutano nell’effettuare decisioni aziendali a qualsiasi livello, dalla produzione fino al marketing. Sono nati soprattutto negli ultimi anni numerosi framework proprietari e open source che permettono l'elaborazione di questi dati sfruttando un cluster. In particolare tra i più utilizzati e attivi in questo momento a livello open source troviamo Hadoop e Spark. Obiettivo di questa tesi è realizzare un modello di Spark per realizzare una funzione di costo che sia non solo implementabile all’interno dell’ottimizzatore di Spark SQL, ma anche per poter effettuare delle simulazioni di esecuzione di query su tale sistema. Si è quindi studiato nel dettaglio con ducumentazione e test il comportamento del sistema per realizzare un modello. I dati ottenuti sono infine stati confrontati con dati sperimentali ottenuti tramite l'utilizzo di un cluster. Con la presenza di tale modello non solo risulta possibile comprendere in maniera più approfondita il reale comportamento di Spark ma permette anche di programmare applicazioni più efficienti e progettare con maggiore precisione sistemi per la gestione dei dataset che sfruttino tali framework.

A framework for cyber-physical system simulation

In these last years, systems engineering has became one of the major research domains. The complexity of systems has increased constantly and nowadays Cyber-Physical Systems (CPS) are a category of particular interest: these, are systems composed by a cyber part (computer-based algorithms) that monitor and control some physical processes. Their development and simulation are both complex due to the importance of the interaction between the cyber and the physical entities: there are a lot of models written in different languages that need to exchange information among each other. Normally people use an orchestrator that takes care of the simulation of the models and the exchange of informations. This orchestrator is developed manually and this is a tedious and long work. Our proposition is to achieve to generate the orchestrator automatically through the use of Co-Modeling, i.e. by modeling the coordination. Before achieving this ultimate goal, it is important to understand the mechanisms and de facto standards that could be used in a co-modeling framework. So, I studied the use of a technology employed for co-simulation in the industry: FMI. In order to better understand the FMI standard, I realized an automatic export, in the FMI format, of the models realized in an existing software for discrete modeling: TimeSquare. I also developed a simple physical model in the existing open source openmodelica tool. Later, I started to understand how works an orchestrator, developing a simple one: this will be useful in future to generate an orchestrator automatically.

Toward optimal display of physiologic status in critical care: I. Recreating bedside displays from archived physiologic data

BACKGROUND: Physiologic data display is essential to decision making in critical care. Current displays echo first-generation hemodynamic monitors dating to the 1970s and have not kept pace with new insights into physiology or the needs of clinicians who must make progressively more complex decisions about their patients. The effectiveness of any redesign must be tested before deployment. Tools that compare current displays with novel presentations of processed physiologic data are required. Regenerating conventional physiologic displays from archived physiologic data is an essential first step. OBJECTIVES: The purposes of the study were to (1) describe the SSSI (single sensor single indicator) paradigm that is currently used for physiologic signal displays, (2) identify and discuss possible extensions and enhancements of the SSSI paradigm, and (3) develop a general approach and a software prototype to construct such "extended SSSI displays" from raw data. RESULTS: We present Multi Wave Animator (MWA) framework-a set of open source MATLAB (MathWorks, Inc., Natick, MA, USA) scripts aimed to create dynamic visualizations (eg, video files in AVI format) of patient vital signs recorded from bedside (intensive care unit or operating room) monitors. Multi Wave Animator creates animations in which vital signs are displayed to mimic their appearance on current bedside monitors. The source code of MWA is freely available online together with a detailed tutorial and sample data sets.

Software Cartography: Thematic Software Visualization with Consistent Layout

Software visualizations can provide a concise overview of a complex software system. Unfortunately, as software has no physical shape, there is no `natural' mapping of software to a two-dimensional space. As a consequence most visualizations tend to use a layout in which position and distance have no meaning, and consequently layout typically diverges from one visualization to another. We propose an approach to consistent layout for software visualization, called Software Cartography, in which the position of a software artifact reflects its vocabulary, and distance corresponds to similarity of vocabulary. We use Latent Semantic Indexing (LSI) to map software artifacts to a vector space, and then use Multidimensional Scaling (MDS) to map this vector space down to two dimensions. The resulting consistent layout allows us to develop a variety of thematic software maps that express very different aspects of software while making it easy to compare them. The approach is especially suitable for comparing views of evolving software, as the vocabulary of software artifacts tends to be stable over time. We present a prototype implementation of Software Cartography, and illustrate its use with practical examples from numerous open-source case studies.

Dynamic Web Development with Seaside

Seaside is the open source framework of choice for developing sophisticated and dynamic web applications. Seaside uses the power of objects to master the web. With Seaside web applications is as simple as building desktop applications. Seaside lets you build highly dynamic and interactive web applications. Seaside supports agile development through interactive debugging and unit testing. Seaside is based on Smalltalk, a proven and robust language implemented by different vendors. Seaside is now available for all the major Smalltalk including Pharo, Squeak, GNU Smalltalk, Cincom Smalltalk, GemStone Smalltalk, and VA Smalltalk.

ABCtoolbox: a versatile toolkit for approximate Bayesian computations

Background The estimation of demographic parameters from genetic data often requires the computation of likelihoods. However, the likelihood function is computationally intractable for many realistic evolutionary models, and the use of Bayesian inference has therefore been limited to very simple models. The situation changed recently with the advent of Approximate Bayesian Computation (ABC) algorithms allowing one to obtain parameter posterior distributions based on simulations not requiring likelihood computations. Results Here we present ABCtoolbox, a series of open source programs to perform Approximate Bayesian Computations (ABC). It implements various ABC algorithms including rejection sampling, MCMC without likelihood, a Particle-based sampler and ABC-GLM. ABCtoolbox is bundled with, but not limited to, a program that allows parameter inference in a population genetics context and the simultaneous use of different types of markers with different ploidy levels. In addition, ABCtoolbox can also interact with most simulation and summary statistics computation programs. The usability of the ABCtoolbox is demonstrated by inferring the evolutionary history of two evolutionary lineages of Microtus arvalis. Using nuclear microsatellites and mitochondrial sequence data in the same estimation procedure enabled us to infer sex-specific population sizes and migration rates and to find that males show smaller population sizes but much higher levels of migration than females. Conclusion ABCtoolbox allows a user to perform all the necessary steps of a full ABC analysis, from parameter sampling from prior distributions, data simulations, computation of summary statistics, estimation of posterior distributions, model choice, validation of the estimation procedure, and visualization of the results.

Postreperfusion cardiac arrest and resuscitation during orthotopic liver transplantation: dynamic visualization and analysis of physiologic recordings

We recently reported on the Multi Wave Animator (MWA), a novel open-source tool with capability of recreating continuous physiologic signals from archived numerical data and presenting them as they appeared on the patient monitor. In this report, we demonstrate for the first time the power of this technology in a real clinical case, an intraoperative cardiopulmonary arrest following reperfusion of a liver transplant graft. Using the MWA, we animated hemodynamic and ventilator data acquired before, during, and after cardiac arrest and resuscitation. This report is accompanied by an online video that shows the most critical phases of the cardiac arrest and resuscitation and provides a basis for analysis and discussion. This video is extracted from a 33-min, uninterrupted video of cardiac arrest and resuscitation, which is available online. The unique strength of MWA, its capability to accurately present discrete and continuous data in a format familiar to clinicians, allowed us this rare glimpse into events leading to an intraoperative cardiac arrest. Because of the ability to recreate and replay clinical events, this tool should be of great interest to medical educators, researchers, and clinicians involved in quality assurance and patient safety.