Computational framework to support integration of biomolecular and clinical data within a translational approach

Background The use of the knowledge produced by sciences to promote human health is the main goal of translational medicine. To make it feasible we need computational methods to handle the large amount of information that arises from bench to bedside and to deal with its heterogeneity. A computational challenge that must be faced is to promote the integration of clinical, socio-demographic and biological data. In this effort, ontologies play an essential role as a powerful artifact for knowledge representation. Chado is a modular ontology-oriented database model that gained popularity due to its robustness and flexibility as a generic platform to store biological data; however it lacks supporting representation of clinical and socio-demographic information. Results We have implemented an extension of Chado – the Clinical Module - to allow the representation of this kind of information. Our approach consists of a framework for data integration through the use of a common reference ontology. The design of this framework has four levels: data level, to store the data; semantic level, to integrate and standardize the data by the use of ontologies; application level, to manage clinical databases, ontologies and data integration process; and web interface level, to allow interaction between the user and the system. The clinical module was built based on the Entity-Attribute-Value (EAV) model. We also proposed a methodology to migrate data from legacy clinical databases to the integrative framework. A Chado instance was initialized using a relational database management system. The Clinical Module was implemented and the framework was loaded using data from a factual clinical research database. Clinical and demographic data as well as biomaterial data were obtained from patients with tumors of head and neck. We implemented the IPTrans tool that is a complete environment for data migration, which comprises: the construction of a model to describe the legacy clinical data, based on an ontology; the Extraction, Transformation and Load (ETL) process to extract the data from the source clinical database and load it in the Clinical Module of Chado; the development of a web tool and a Bridge Layer to adapt the web tool to Chado, as well as other applications. Conclusions Open-source computational solutions currently available for translational science does not have a model to represent biomolecular information and also are not integrated with the existing bioinformatics tools. On the other hand, existing genomic data models do not represent clinical patient data. A framework was developed to support translational research by integrating biomolecular information coming from different “omics” technologies with patient’s clinical and socio-demographic data. This framework should present some features: flexibility, compression and robustness. The experiments accomplished from a use case demonstrated that the proposed system meets requirements of flexibility and robustness, leading to the desired integration. The Clinical Module can be accessed in http://dcm.ffclrp.usp.br/caib/pg=iptrans webcite.

Development of an integrative cessation program for co-smokers of cigarettes and cannabis: demand analysis, program description, and acceptability

Abstract Background Tobacco and cannabis use are strongly interrelated, but current national and international cessation programs typically focus on one substance, and address the other substance either only marginally or not at all. This study aimed to identify the demand for, and describe the development and content of, the first integrative group cessation program for co-smokers of cigarettes and cannabis. Methods First, a preliminary study using expert interviews, user focus groups with (ex-)smokers, and an online survey was conducted to investigate the demand for, and potential content of, an integrative smoking cessation program (ISCP) for tobacco and cannabis co-smokers. This study revealed that both experts and co-smokers considered an ISCP to be useful but expected only modest levels of readiness for participation.Based on the findings of the preliminary study, an interdisciplinary expert team developed a course concept and a recruitment strategy. The developed group cessation program is based on current treatment techniques (such as motivational interviewing, cognitive behavioural therapy, and self-control training) and structured into six course sessions.The program was evaluated regarding its acceptability among participants and course instructors. Results Both the participants and course instructors evaluated the course positively. Participants and instructors especially appreciated the group discussions and the modules that were aimed at developing personal strategies that could be applied during simultaneous cessation of tobacco and cannabis, such as dealing with craving, withdrawal, and high-risk situations. Conclusions There is a clear demand for a double cessation program for co-users of cigarettes and cannabis, and the first group cessation program tailored for these users has been developed and evaluated for acceptability. In the near future, the feasibility of the program will be evaluated. Trial registration Current Controlled Trials ISRCTN15248397

A arquitetura patrimonial através dos jogos digitais

O presente artigo pretende ressaltar o potencial dos jogos digitais como instrumento de assimilação do conhecimento em arquitetura patrimonial, através da pesquisa Patrimônio arquitetônico, design e educação: desenvolvimento de Sistemas Interativos Lúdicos (jogos educativos em meio digital). Nesta pesquisa foram desenvolvidos jogos digitais a partir do levantamento das características arquitetônicas dos edifícios de relevância histórica e cultural da cidade de São Carlos. Através da interação e exploração da interface digital pelo usuário, a apropriação do conhecimento ocorre de uma forma lúdica e criativa. Por meio da manipulação desses jogos, os alunos, cidadãos e visitantes podem aproximar-se da educação patrimonial adquirindo consciência histórica e aprendendo a valorizar as origens da cidade e a arquitetura do município. Ressalta-se a importância das metodologias que permitem viabilizar o desenvolvimento dos jogos eletrônicos (desenho e linguagem de programação) e que se apresentam como importantes ferramentas de representação da arquitetura. Por fim, destaca-se a importância da educação patrimonial para a formação do cidadão e preservação do patrimônio cultural.

Long-term type 1 diabetes impairs decidualization and extracellular matrix remodeling during early embryonic development in mice

Introduction: Endometrial decidualization and associated extracellular matrix (ECM) remodeling are critical events to the establishment of the maternal-fetal interface and successful pregnancy. Here, we investigated the impact of type 1 diabetes on these processes during early embryonic development, in order to contribute to the understanding of the maternal factors associated to diabetic embryopathies. Methods: Alloxan-induced diabetic Swiss female mice were bred after different periods of time to determine the effects of diabetes progression on the development of gestational complications. Furthermore, the analyses focused on decidual development as well as mRNA expression, protein deposition and ultrastructural organization of decidual ECM. Results: Decreased number of implantation sites and decidual dimensions were observed in the group mated 90-110 days after diabetes induction (D), but not in the 50-70D group. Picrosirius staining showed augmentation in the fibrillar collagen network in the 90e110D group and, following immunohistochemical examination, that this was associated with increase in types I and V collagens and decrease in type III collagen and collagen-associated proteoglycans biglycan and lumican. qPCR, however, demonstrated that only type I collagen mRNA levels were increased in the diabetic group. Alterations in the molecular ratio among distinct collagen types and proteoglycans were associated with abnormal collagen fibrillogenesis, analyzed by transmission electron microscopy. Conclusions: Our results support the concept that the development of pregnancy complications is directly related with duration of diabetes (progression of the disease), and that this is a consequence of both systemic factors (i.e. disturbed maternal endocrine-metabolic profile) and uterine factors, including impaired decidualization and ECM remodeling

A Unified Framework for e-Commerce Systems Development : Business Process Pattern Perspective

In electronic commerce, systems development is based on two fundamental types of models, business models and process models. A business model is concerned with value exchanges among business partners, while a process model focuses on operational and procedural aspects of business communication. Thus, a business model defines the what in an e-commerce system, while a process model defines the how. Business process design can be facilitated and improved by a method for systematically moving from a business model to a process model. Such a method would provide support for traceability, evaluation of design alternatives, and seamless transition from analysis to realization. This work proposes a unified framework that can be used as a basis to analyze, to interpret and to understand different concepts associated at different stages in e-Commerce system development. In this thesis, we illustrate how UN/CEFACT’s recommended metamodels for business and process design can be analyzed, extended and then integrated for the final solutions based on the proposed unified framework. Also, as an application of the framework, we demonstrate how process-modeling tasks can be facilitated in e-Commerce system design. The proposed methodology, called BP3 stands for Business Process Patterns Perspective. The BP3 methodology uses a question-answer interface to capture different business requirements from the designers. It is based on pre-defined process patterns, and the final solution is generated by applying the captured business requirements by means of a set of production rules to complete the inter-process communication among these patterns.

Desarrollo de interfaces de usuario para una herramienta de telecontrol y automatización industrial

[ES] Este proyecto de fin de carrera aborda la actualización y refactorización de la aplicación Hecaton. Esta aplicación permite la monitorización y actuación en instalaciones industriales de manera remota a través de un interfaz web. Para ello hace uso de sensores y actuadores que, conectados a través de un equipo de adquisición de datos a un sistema informático servidor, permiten obtener, manipular y almacenar los datos y eventos recibidos. Hecaton ha sido desarrollado enteramente utilizando software libre. Además, el sistema permite ser personalizado, lo que posibilita su uso en todo tipo de escenarios, siendo el usuario quién define las reglas de funcionamiento. Este trabajo se trata del cuarto ciclo de desarrollo, pues la aplicación ha sido crea y ampliada en otros tres proyectos. En este último desarrollo se han actualizado las tecnologías y herramientas que forman parte de la aplicación. Se ha puesto especial énfasis en el rediseño de la interfaz web, adoptando el uso de las últimas tecnologías web que permiten un funcionamiento dinámico de la misma. Por otro lado se han corregido algunos errores de diseño e introducido el uso de nuevas herramientas para la gestión del proyecto software. Se trata por lo tanto de un ejercicio de refactorización software donde se ha puesto especial atención en conseguir un proyecto actualizado y que utilice metodologías de desarrollo actuales y que posibilite que sea actualizado en un futuro.

JavaFMI una librería Java para el estándar Functional Mockup Interface

[ES] El estándar Functional Mockup Interface (FMI), es un estándar abierto e independiente de cualquier aplicación o herramienta que permite compartir modelos de sistemas dinámicos entre aplicaciones. Provee una interfaz escrita en lenguaje C que ha de ser implementada por las distintas herramientas exportadoras y pone en común un conjunto de funciones para manipular los modelos.
JavaFMI es una herramienta que permite utilizar simulaciones que cumplen con el estándar FMI en aplicaciones Java de una manera muy simple, limpia y eficiente. Es un proyecto open source con licencia LGPL V2.1H y su código fuente se encuentra disponible para ser clonado en la pagina del proyecto. El proyecto se encuentra alojado en www.bitbucket.org/siani/javafmi y cuenta con una página de bienvenida donde se explica como se usa la librería, una página para reportar incidencias o solicitar que se implementen nuevas historias y una página donde se listan todas las versiones que hay disponibles para descargar. JavaFMI se distribuye como un fichero zip que contiene el .jar con el código compilado de la librería una carpeta lib con las dos dependencias que tiene con librerías externas y una copia de la licencia. Comparada con JFMI, con menos lineas de código, una API limpia, expresiva y auto documentada, y un rendimiento que es un 66 % mejor, JavaFMI es objetivamente la mejor herramienta Java que existe para manipular FMUs de la versión 1.0 y 2.0 del estándar FMI.

Middleware per la gestione di interfacce di comunicazione e di sorgenti di contesto in ambienti wireless eterogenei

The full exploitation of multi-hop multi-path connectivity opportunities offered by heterogeneous wireless interfaces could enable innovative Always Best Served (ABS) deployment scenarios where mobile clients dynamically self-organize to offer/exploit Internet connectivity at best. Only novel middleware solutions based on heterogeneous context information can seamlessly enable this scenario: middleware solutions should i) provide a translucent access to low-level components, to achieve both fully aware and simplified pre-configured interactions, ii) permit to fully exploit communication interface capabilities, i.e., not only getting but also providing connectivity in a peer-to-peer fashion, thus relieving final users and application developers from the burden of directly managing wireless interface heterogeneity, and iii) consider user mobility as crucial context information evaluating at provision time the suitability of available Internet points of access differently when the mobile client is still or in motion. The novelty of this research work resides in three primary points. First of all, it proposes a novel model and taxonomy providing a common vocabulary to easily describe and position solutions in the area of context-aware autonomic management of preferred network opportunities. Secondly, it presents PoSIM, a context-aware middleware for the synergic exploitation and control of heterogeneous positioning systems that facilitates the development and portability of location-based services. PoSIM is translucent, i.e., it can provide application developers with differentiated visibility of data characteristics and control possibilities of available positioning solutions, thus dynamically adapting to application-specific deployment requirements and enabling cross-layer management decisions. Finally, it provides the MMHC solution for the self-organization of multi-hop multi-path heterogeneous connectivity. MMHC considers a limited set of practical indicators on node mobility and wireless network characteristics for a coarsegrained estimation of expected reliability/quality of multi-hop paths available at runtime. In particular, MMHC manages the durability/throughput-aware formation and selection of different multi-hop paths simultaneously. Furthermore, MMHC provides a novel solution based on adaptive buffers, proactively managed based on handover prediction, to support continuous services, especially by pre-fetching multimedia contents to avoid streaming interruptions.

Il passato nell’epoca della sua (ri)producibilità digitale. Torino 1943 - 45. Metodologia della ricerca con tecnologie informatiche. Sistema storico-territoriale di informazione multimediale

Se il lavoro dello storico è capire il passato come è stato compreso dalla gente che lo ha vissuto, allora forse non è azzardato pensare che sia anche necessario comunicare i risultati delle ricerche con strumenti propri che appartengono a un'epoca e che influenzano la mentalità di chi in quell'epoca vive. Emergenti tecnologie, specialmente nell’area della multimedialità come la realtà virtuale, permettono agli storici di comunicare l’esperienza del passato in più sensi. In che modo la storia collabora con le tecnologie informatiche soffermandosi sulla possibilità di fare ricostruzioni storiche virtuali, con relativi esempi e recensioni? Quello che maggiormente preoccupa gli storici è se una ricostruzione di un fatto passato vissuto attraverso la sua ricreazione in pixels sia un metodo di conoscenza della storia che possa essere considerato valido. Ovvero l'emozione che la navigazione in una realtà 3D può suscitare, è un mezzo in grado di trasmettere conoscenza? O forse l'idea che abbiamo del passato e del suo studio viene sottilmente cambiato nel momento in cui lo si divulga attraverso la grafica 3D? Da tempo però la disciplina ha cominciato a fare i conti con questa situazione, costretta soprattutto dall'invasività di questo tipo di media, dalla spettacolarizzazione del passato e da una divulgazione del passato parziale e antiscientifica. In un mondo post letterario bisogna cominciare a pensare che la cultura visuale nella quale siamo immersi sta cambiando il nostro rapporto con il passato: non per questo le conoscenze maturate fino ad oggi sono false, ma è necessario riconoscere che esiste più di una verità storica, a volte scritta a volte visuale. Il computer è diventato una piattaforma onnipresente per la rappresentazione e diffusione dell’informazione. I metodi di interazione e rappresentazione stanno evolvendo di continuo. Ed è su questi due binari che è si muove l’offerta delle tecnologie informatiche al servizio della storia. Lo scopo di questa tesi è proprio quello di esplorare, attraverso l’utilizzo e la sperimentazione di diversi strumenti e tecnologie informatiche, come si può raccontare efficacemente il passato attraverso oggetti tridimensionali e gli ambienti virtuali, e come, nel loro essere elementi caratterizzanti di comunicazione, in che modo possono collaborare, in questo caso particolare, con la disciplina storica. La presente ricerca ricostruisce alcune linee di storia delle principali fabbriche attive a Torino durante la seconda guerra mondiale, ricordando stretta relazione che esiste tra strutture ed individui e in questa città in particolare tra fabbrica e movimento operaio, è inevitabile addentrarsi nelle vicende del movimento operaio torinese che nel periodo della lotta di Liberazione in città fu un soggetto politico e sociale di primo rilievo. Nella città, intesa come entità biologica coinvolta nella guerra, la fabbrica (o le fabbriche) diventa il nucleo concettuale attraverso il quale leggere la città: sono le fabbriche gli obiettivi principali dei bombardamenti ed è nelle fabbriche che si combatte una guerra di liberazione tra classe operaia e autorità, di fabbrica e cittadine. La fabbrica diventa il luogo di "usurpazione del potere" di cui parla Weber, il palcoscenico in cui si tengono i diversi episodi della guerra: scioperi, deportazioni, occupazioni .... Il modello della città qui rappresentata non è una semplice visualizzazione ma un sistema informativo dove la realtà modellata è rappresentata da oggetti, che fanno da teatro allo svolgimento di avvenimenti con una precisa collocazione cronologica, al cui interno è possibile effettuare operazioni di selezione di render statici (immagini), di filmati precalcolati (animazioni) e di scenari navigabili interattivamente oltre ad attività di ricerca di fonti bibliografiche e commenti di studiosi segnatamente legati all'evento in oggetto. Obiettivo di questo lavoro è far interagire, attraverso diversi progetti, le discipline storiche e l’informatica, nelle diverse opportunità tecnologiche che questa presenta. Le possibilità di ricostruzione offerte dal 3D vengono così messe a servizio della ricerca, offrendo una visione integrale in grado di avvicinarci alla realtà dell’epoca presa in considerazione e convogliando in un’unica piattaforma espositiva tutti i risultati. Divulgazione Progetto Mappa Informativa Multimediale Torino 1945 Sul piano pratico il progetto prevede una interfaccia navigabile (tecnologia Flash) che rappresenti la pianta della città dell’epoca, attraverso la quale sia possibile avere una visione dei luoghi e dei tempi in cui la Liberazione prese forma, sia a livello concettuale, sia a livello pratico. Questo intreccio di coordinate nello spazio e nel tempo non solo migliora la comprensione dei fenomeni, ma crea un maggiore interesse sull’argomento attraverso l’utilizzo di strumenti divulgativi di grande efficacia (e appeal) senza perdere di vista la necessità di valicare le tesi storiche proponendosi come piattaforma didattica. Un tale contesto richiede uno studio approfondito degli eventi storici al fine di ricostruire con chiarezza una mappa della città che sia precisa sia topograficamente sia a livello di navigazione multimediale. La preparazione della cartina deve seguire gli standard del momento, perciò le soluzioni informatiche utilizzate sono quelle fornite da Adobe Illustrator per la realizzazione della topografia, e da Macromedia Flash per la creazione di un’interfaccia di navigazione. La base dei dati descrittivi è ovviamente consultabile essendo contenuta nel supporto media e totalmente annotata nella bibliografia. È il continuo evolvere delle tecnologie d'informazione e la massiccia diffusione dell’uso dei computer che ci porta a un cambiamento sostanziale nello studio e nell’apprendimento storico; le strutture accademiche e gli operatori economici hanno fatto propria la richiesta che giunge dall'utenza (insegnanti, studenti, operatori dei Beni Culturali) di una maggiore diffusione della conoscenza storica attraverso la sua rappresentazione informatizzata. Sul fronte didattico la ricostruzione di una realtà storica attraverso strumenti informatici consente anche ai non-storici di toccare con mano quelle che sono le problematiche della ricerca quali fonti mancanti, buchi della cronologia e valutazione della veridicità dei fatti attraverso prove. Le tecnologie informatiche permettono una visione completa, unitaria ed esauriente del passato, convogliando tutte le informazioni su un'unica piattaforma, permettendo anche a chi non è specializzato di comprendere immediatamente di cosa si parla. Il miglior libro di storia, per sua natura, non può farlo in quanto divide e organizza le notizie in modo diverso. In questo modo agli studenti viene data l'opportunità di apprendere tramite una rappresentazione diversa rispetto a quelle a cui sono abituati. La premessa centrale del progetto è che i risultati nell'apprendimento degli studenti possono essere migliorati se un concetto o un contenuto viene comunicato attraverso più canali di espressione, nel nostro caso attraverso un testo, immagini e un oggetto multimediale. Didattica La Conceria Fiorio è uno dei luoghi-simbolo della Resistenza torinese. Il progetto è una ricostruzione in realtà virtuale della Conceria Fiorio di Torino. La ricostruzione serve a arricchire la cultura storica sia a chi la produce, attraverso una ricerca accurata delle fonti, sia a chi può poi usufruirne, soprattutto i giovani, che, attratti dall’aspetto ludico della ricostruzione, apprendono con più facilità. La costruzione di un manufatto in 3D fornisce agli studenti le basi per riconoscere ed esprimere la giusta relazione fra il modello e l’oggetto storico. Le fasi di lavoro attraverso cui si è giunti alla ricostruzione in 3D della Conceria: . una ricerca storica approfondita, basata sulle fonti, che possono essere documenti degli archivi o scavi archeologici, fonti iconografiche, cartografiche, ecc.; . La modellazione degli edifici sulla base delle ricerche storiche, per fornire la struttura geometrica poligonale che permetta la navigazione tridimensionale; . La realizzazione, attraverso gli strumenti della computer graphic della navigazione in 3D. Unreal Technology è il nome dato al motore grafico utilizzato in numerosi videogiochi commerciali. Una delle caratteristiche fondamentali di tale prodotto è quella di avere uno strumento chiamato Unreal editor con cui è possibile costruire mondi virtuali, e che è quello utilizzato per questo progetto. UnrealEd (Ued) è il software per creare livelli per Unreal e i giochi basati sul motore di Unreal. E’ stata utilizzata la versione gratuita dell’editor. Il risultato finale del progetto è un ambiente virtuale navigabile raffigurante una ricostruzione accurata della Conceria Fiorio ai tempi della Resistenza. L’utente può visitare l’edificio e visualizzare informazioni specifiche su alcuni punti di interesse. La navigazione viene effettuata in prima persona, un processo di “spettacolarizzazione” degli ambienti visitati attraverso un arredamento consono permette all'utente una maggiore immersività rendendo l’ambiente più credibile e immediatamente codificabile. L’architettura Unreal Technology ha permesso di ottenere un buon risultato in un tempo brevissimo, senza che fossero necessari interventi di programmazione. Questo motore è, quindi, particolarmente adatto alla realizzazione rapida di prototipi di una discreta qualità, La presenza di un certo numero di bug lo rende, però, in parte inaffidabile. Utilizzare un editor da videogame per questa ricostruzione auspica la possibilità di un suo impiego nella didattica, quello che le simulazioni in 3D permettono nel caso specifico è di permettere agli studenti di sperimentare il lavoro della ricostruzione storica, con tutti i problemi che lo storico deve affrontare nel ricreare il passato. Questo lavoro vuole essere per gli storici una esperienza nella direzione della creazione di un repertorio espressivo più ampio, che includa gli ambienti tridimensionali. Il rischio di impiegare del tempo per imparare come funziona questa tecnologia per generare spazi virtuali rende scettici quanti si impegnano nell'insegnamento, ma le esperienze di progetti sviluppati, soprattutto all’estero, servono a capire che sono un buon investimento. Il fatto che una software house, che crea un videogame di grande successo di pubblico, includa nel suo prodotto, una serie di strumenti che consentano all'utente la creazione di mondi propri in cui giocare, è sintomatico che l'alfabetizzazione informatica degli utenti medi sta crescendo sempre più rapidamente e che l'utilizzo di un editor come Unreal Engine sarà in futuro una attività alla portata di un pubblico sempre più vasto. Questo ci mette nelle condizioni di progettare moduli di insegnamento più immersivi, in cui l'esperienza della ricerca e della ricostruzione del passato si intreccino con lo studio più tradizionale degli avvenimenti di una certa epoca. I mondi virtuali interattivi vengono spesso definiti come la forma culturale chiave del XXI secolo, come il cinema lo è stato per il XX. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di suggerire che vi sono grosse opportunità per gli storici impiegando gli oggetti e le ambientazioni in 3D, e che essi devono coglierle. Si consideri il fatto che l’estetica abbia un effetto sull’epistemologia. O almeno sulla forma che i risultati delle ricerche storiche assumono nel momento in cui devono essere diffuse. Un’analisi storica fatta in maniera superficiale o con presupposti errati può comunque essere diffusa e avere credito in numerosi ambienti se diffusa con mezzi accattivanti e moderni. Ecco perchè non conviene seppellire un buon lavoro in qualche biblioteca, in attesa che qualcuno lo scopra. Ecco perchè gli storici non devono ignorare il 3D. La nostra capacità, come studiosi e studenti, di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio che il 3D porta con sè, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Una ricostruzione storica può essere molto utile dal punto di vista educativo non sono da chi la visita ma, anche da chi la realizza. La fase di ricerca necessaria per la ricostruzione non può fare altro che aumentare il background culturale dello sviluppatore. Conclusioni La cosa più importante è stata la possibilità di fare esperienze nell’uso di mezzi di comunicazione di questo genere per raccontare e far conoscere il passato. Rovesciando il paradigma conoscitivo che avevo appreso negli studi umanistici, ho cercato di desumere quelle che potremo chiamare “leggi universali” dai dati oggettivi emersi da questi esperimenti. Da punto di vista epistemologico l’informatica, con la sua capacità di gestire masse impressionanti di dati, dà agli studiosi la possibilità di formulare delle ipotesi e poi accertarle o smentirle tramite ricostruzioni e simulazioni. Il mio lavoro è andato in questa direzione, cercando conoscere e usare strumenti attuali che nel futuro avranno sempre maggiore presenza nella comunicazione (anche scientifica) e che sono i mezzi di comunicazione d’eccellenza per determinate fasce d’età (adolescenti). Volendo spingere all’estremo i termini possiamo dire che la sfida che oggi la cultura visuale pone ai metodi tradizionali del fare storia è la stessa che Erodoto e Tucidide contrapposero ai narratori di miti e leggende. Prima di Erodoto esisteva il mito, che era un mezzo perfettamente adeguato per raccontare e dare significato al passato di una tribù o di una città. In un mondo post letterario la nostra conoscenza del passato sta sottilmente mutando nel momento in cui lo vediamo rappresentato da pixel o quando le informazioni scaturiscono non da sole, ma grazie all’interattività con il mezzo. La nostra capacità come studiosi e studenti di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio sottinteso al 3D, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Le esperienze raccolte nelle pagine precedenti ci portano a pensare che in un futuro non troppo lontano uno strumento come il computer sarà l’unico mezzo attraverso cui trasmettere conoscenze, e dal punto di vista didattico la sua interattività consente coinvolgimento negli studenti come nessun altro mezzo di comunicazione moderno.

Memory hierarchy and data communication in heterogeneous reconfigurable SoCs

The miniaturization race in the hardware industry aiming at continuous increasing of transistor density on a die does not bring respective application performance improvements any more. One of the most promising alternatives is to exploit a heterogeneous nature of common applications in hardware. Supported by reconfigurable computation, which has already proved its efficiency in accelerating data intensive applications, this concept promises a breakthrough in contemporary technology development. Memory organization in such heterogeneous reconfigurable architectures becomes very critical. Two primary aspects introduce a sophisticated trade-off. On the one hand, a memory subsystem should provide well organized distributed data structure and guarantee the required data bandwidth. On the other hand, it should hide the heterogeneous hardware structure from the end-user, in order to support feasible high-level programmability of the system. This thesis work explores the heterogeneous reconfigurable hardware architectures and presents possible solutions to cope the problem of memory organization and data structure. By the example of the MORPHEUS heterogeneous platform, the discussion follows the complete design cycle, starting from decision making and justification, until hardware realization. Particular emphasis is made on the methods to support high system performance, meet application requirements, and provide a user-friendly programmer interface. As a result, the research introduces a complete heterogeneous platform enhanced with a hierarchical memory organization, which copes with its task by means of separating computation from communication, providing reconfigurable engines with computation and configuration data, and unification of heterogeneous computational devices using local storage buffers. It is distinguished from the related solutions by distributed data-flow organization, specifically engineered mechanisms to operate with data on local domains, particular communication infrastructure based on Network-on-Chip, and thorough methods to prevent computation and communication stalls. In addition, a novel advanced technique to accelerate memory access was developed and implemented.

Progetto di reti Sensori Wireless e tecniche di Fusione Sensoriale

Ambient Intelligence (AmI) envisions a world where smart, electronic environments are aware and responsive to their context. People moving into these settings engage many computational devices and systems simultaneously even if they are not aware of their presence. AmI stems from the convergence of three key technologies: ubiquitous computing, ubiquitous communication and natural interfaces. The dependence on a large amount of fixed and mobile sensors embedded into the environment makes of Wireless Sensor Networks one of the most relevant enabling technologies for AmI. WSN are complex systems made up of a number of sensor nodes, simple devices that typically embed a low power computational unit (microcontrollers, FPGAs etc.), a wireless communication unit, one or more sensors and a some form of energy supply (either batteries or energy scavenger modules). Low-cost, low-computational power, low energy consumption and small size are characteristics that must be taken into consideration when designing and dealing with WSNs. In order to handle the large amount of data generated by a WSN several multi sensor data fusion techniques have been developed. The aim of multisensor data fusion is to combine data to achieve better accuracy and inferences than could be achieved by the use of a single sensor alone. In this dissertation we present our results in building several AmI applications suitable for a WSN implementation. The work can be divided into two main areas: Multimodal Surveillance and Activity Recognition. Novel techniques to handle data from a network of low-cost, low-power Pyroelectric InfraRed (PIR) sensors are presented. Such techniques allow the detection of the number of people moving in the environment, their direction of movement and their position. We discuss how a mesh of PIR sensors can be integrated with a video surveillance system to increase its performance in people tracking. Furthermore we embed a PIR sensor within the design of a Wireless Video Sensor Node (WVSN) to extend its lifetime. Activity recognition is a fundamental block in natural interfaces. A challenging objective is to design an activity recognition system that is able to exploit a redundant but unreliable WSN. We present our activity in building a novel activity recognition architecture for such a dynamic system. The architecture has a hierarchical structure where simple nodes performs gesture classification and a high level meta classifiers fuses a changing number of classifier outputs. We demonstrate the benefit of such architecture in terms of increased recognition performance, and fault and noise robustness. Furthermore we show how we can extend network lifetime by performing a performance-power trade-off. Smart objects can enhance user experience within smart environments. We present our work in extending the capabilities of the Smart Micrel Cube (SMCube), a smart object used as tangible interface within a tangible computing framework, through the development of a gesture recognition algorithm suitable for this limited computational power device. Finally the development of activity recognition techniques can greatly benefit from the availability of shared dataset. We report our experience in building a dataset for activity recognition. Such dataset is freely available to the scientific community for research purposes and can be used as a testbench for developing, testing and comparing different activity recognition techniques.

Security control brought back to the user

The activity of the Ph.D. student Juri Luca De Coi involved the research field of policy languages and can be divided in three parts. The first part of the Ph.D. work investigated the state of the art in policy languages, ending up with: (i) identifying the requirements up-to-date policy languages have to fulfill; (ii) defining a policy language able to fulfill such requirements (namely, the Protune policy language); and (iii) implementing an infrastructure able to enforce policies expressed in the Protune policy language. The second part of the Ph.D. work focused on simplifying the activity of defining policies and ended up with: (i) identifying a subset of the controlled natural language ACE to express Protune policies; (ii) implementing a mapping between ACE policies and Protune policies; and (iii) adapting the ACE Editor to guide users step by step when defining ACE policies. The third part of the Ph.D. work tested the feasibility of the chosen approach by applying it to meaningful real-world problems, among which: (i) development of a security layer on top of RDF stores; and (ii) efficient policy-aware access to metadata stores. The research activity has been performed in tight collaboration with the Leibniz Universität Hannover and further European partners within the projects REWERSE, TENCompetence and OKKAM.

Development of analytical methodologies for iodine species in gaseous and particulate phases of the coastal atmosphere

It has been demonstrated that iodine does have an important influence on atmospheric chemistry, especially the formation of new particles and the enrichment of iodine in marine aerosols. It was pointed out that the most probable chemical species involved in the production or growth of these particles are iodine oxides, produced photochemically from biogenic halocarbon emissions and/or iodine emission from the sea surface. However, the iodine chemistry from gaseous to particulate phase in the coastal atmosphere and the chemical nature of the condensing iodine species are still not understood. A Tenax / Carbotrap adsorption sampling technique and a thermo-desorption / cryo-trap / GC-MS system has been further developed and improved for the volatile organic iodine species in the gas phase. Several iodo-hydrocarbons such as CH3I, C2H5I, CH2ICl, CH2IBr and CH2I2 etc., have been measured in samples from a calibration test gas source (standards), real air samples and samples from seaweeds / macro-algae emission experiments. A denuder sampling technique has been developed to characterise potential precursor compounds of coastal particle formation processes, such as molecular iodine in the gas phase. Starch, TMAH (TetraMethylAmmonium Hydroxide) and TBAH (TetraButylAmmonium Hydroxide) coated denuders were tested for their efficiencies to collect I2 at the inner surface, followed by a TMAH extraction and ICP/MS determination, adding tellurium as an internal standard. The developed method has been proved to be an effective, accurate and suitable process for I2 measurement in the field, with the estimated detection limit of ~0.10 ng∙L-1 for a sampling volume of 15 L. An H2O/TMAH-Extraction-ICP/MS method has been developed for the accurate and sensitive determination of iodine species in tropospheric aerosol particles. The particle samples were collected on cellulose-nitrate filters using conventional filter holders or on cellulose nitrate/tedlar-foils using a 5-stage Berner impactor for size-segregated particle analysis. The water soluble species as IO3- and I- were separated by anion exchanging process after water extraction. Non-water soluble species including iodine oxide and organic iodine were digested and extracted by TMAH. Afterwards the triple samples were analysed by ICP/MS. The detection limit for particulate iodine was determined to be 0.10~0.20 ng•m-3 for sampling volumes of 40~100 m3. The developed methods have been used in two field measurements in May 2002 and September 2003, at and around the Mace Head Atmospheric Research Station (MHARS) located at the west coast of Ireland. Elemental iodine as a precursor of the iodine chemistry in the coastal atmosphere, was determined in the gas phase at a seaweed hot-spot around the MHARS, showing I2 concentrations were in the range of 0~1.6 ng∙L-1 and indicating a positive correlation with the ozone concentration. A seaweed-chamber experiment performed at the field measurement station showed that the I2 emission rate from macro-algae was in the range of 0.019~0.022 ng•min-1•kg-1. During these experiments, nanometer-particle concentrations were obtained from the Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) measurements. Particle number concentrations were found to have a linear correlation with elemental iodine in the gas phase of the seaweeds chamber, showing that gaseous I2 is one of the important precursors of the new particle formation in the coastal atmosphere. Iodine contents in the particle phase were measured in both field campaigns at and around the field measurement station. Total iodine concentrations were found to be in the range of 1.0 ~ 21.0 ng∙m-3 in the PM2.5 samples. A significant correlation between the total iodine concentrations and the nanometer-particle number concentrations was observed. The particulate iodine species analysis indicated that iodide contents are usually higher than those of iodate in all samples, with ratios in the range of 2~5:1. It is possible that those water soluble iodine species are transferred through the sea-air interface into the particle phase. The ratio of water soluble (iodate + iodide) and non-water soluble species (probably iodine oxide and organic iodine compounds) was observed to be in the range of 1:1 to 1:2. It appears that higher concentrated non-water soluble species, as the products of the photolysis from the gas phase into the particle phase, can be obtained in those samples while the nucleation events occur. That supports the idea that iodine chemistry in the coastal boundary layer is linked with new particle formation events. Furthermore, artificial aerosol particles were formed from gaseous iodine sources (e.g. CH2I2) using a laboratory reaction-chamber experiment, in which the reaction constant of the CH2I2 photolysis was calculated to be based upon the first order reaction kinetic. The end products of iodine chemistry in the particle phase were identified and quantified.

Development of bionanotechnological strategies for signal enhancement in nucleic acids biosensors

Nucleic acid biosensors represent a powerful tool for clinical and environmental pathogens detection. For applications such as point-of-care biosensing, it is fundamental to develop sensors that should be automatic, inexpensive, portable and require a professional skill of the user that should be as low as possible. With the goal of determining the presence of pathogens when present in very small amount, such as for the screening of pathogens in drinking water, an amplification step must be implemented. Often this type of determinations should be performed with simple, automatic and inexpensive hardware: the use of a chemical (or nanotechnological) isothermal solution would be desirable. My Ph.D. project focused on the study and on the testing of four isothermal reactions which can be used to amplify the nucleic acid analyte before the binding event on the surface sensor or to amplify the signal after that the hybridization event with the probe. Recombinase polymerase amplification (RPA) and ligation-mediated rolling circle amplification (L-RCA) were investigated as methods for DNA and RNA amplification. Hybridization chain reaction (HCR) and Terminal deoxynucleotidil transferase-mediated amplification were investigated as strategies to achieve the enhancement of the signal after the surface hybridization event between target and probe. In conclusion, it can be said that only a small subset of the biochemical strategies that are proved to work in solution towards the amplification of nucleic acids does truly work in the context of amplifying the signal of a detection system for pathogens. Amongst those tested during my Ph.D. activity, recombinase polymerase amplification seems the best candidate for a useful implementation in diagnostic or environmental applications.

Query rewriting in information retrieval: automatic context extraction from local user documents to improve query results

The central objective of research in Information Retrieval (IR) is to discover new techniques to retrieve relevant information in order to satisfy an Information Need. The Information Need is satisfied when relevant information can be provided to the user. In IR, relevance is a fundamental concept which has changed over time, from popular to personal, i.e., what was considered relevant before was information for the whole population, but what is considered relevant now is specific information for each user. Hence, there is a need to connect the behavior of the system to the condition of a particular person and his social context; thereby an interdisciplinary sector called Human-Centered Computing was born. For the modern search engine, the information extracted for the individual user is crucial. According to the Personalized Search (PS), two different techniques are necessary to personalize a search: contextualization (interconnected conditions that occur in an activity), and individualization (characteristics that distinguish an individual). This movement of focus to the individual's need undermines the rigid linearity of the classical model overtaken the ``berry picking'' model which explains that the terms change thanks to the informational feedback received from the search activity introducing the concept of evolution of search terms. The development of Information Foraging theory, which observed the correlations between animal foraging and human information foraging, also contributed to this transformation through attempts to optimize the cost-benefit ratio. This thesis arose from the need to satisfy human individuality when searching for information, and it develops a synergistic collaboration between the frontiers of technological innovation and the recent advances in IR. The search method developed exploits what is relevant for the user by changing radically the way in which an Information Need is expressed, because now it is expressed through the generation of the query and its own context. As a matter of fact the method was born under the pretense to improve the quality of search by rewriting the query based on the contexts automatically generated from a local knowledge base. Furthermore, the idea of optimizing each IR system has led to develop it as a middleware of interaction between the user and the IR system. Thereby the system has just two possible actions: rewriting the query, and reordering the result. Equivalent actions to the approach was described from the PS that generally exploits information derived from analysis of user behavior, while the proposed approach exploits knowledge provided by the user. The thesis went further to generate a novel method for an assessment procedure, according to the "Cranfield paradigm", in order to evaluate this type of IR systems. The results achieved are interesting considering both the effectiveness achieved and the innovative approach undertaken together with the several applications inspired using a local knowledge base.