Applicazione ed integrazione di metodi di prospezione geofisica: studio idrogeofisico della Zona Insatura in condizioni idriche controllate

Il lavoro è incentrato sull’applicazione ed integrazione di differenti tecniche di indagine geofisica in campo ambientale e ingegneristico/archeologico. Alcuni esempi sono stati descritti al fine di dimostrare l’utilità delle metodologie geofisiche nella risoluzione di svariate problematiche. Nello specifico l’attenzione è stata rivolta all’utilizzo delle tecniche del Ground Penetrating Radar e del Time Domain Reflectometry in misure condotte su un corpo sabbioso simulante una Zona Insatura. L’esperimento è stato realizzato all’interno di un’area test costruita presso l’azienda agricola dell’Università La Tuscia di Viterbo. Hanno partecipato al progetto le Università di Roma Tre, Roma La Sapienza, La Tuscia, con il supporto tecnico della Sensore&Software. Nello studio è stato condotto un approccio definito idrogeofisico al fine di ottenere informazioni da misure dei parametri fisici relativi alla Zona Insatura simulata nell’area test. Il confronto e l’integrazione delle due differenti tecniche di indagine ha offerto la possibilità di estendere la profondità di indagine all’interno del corpo sabbioso e di verificare l’utilità della tecnica GPR nello studio degli effetti legati alle variazioni del contenuto d’acqua nel suolo, oltre a determinare la posizione della superficie piezometrica per i differenti scenari di saturazione. Uno specifico studio è stato realizzato sul segnale radar al fine di stabilire i fattori di influenza sulla sua propagazione all’interno del suolo. Il comportamento dei parametri dielettrici nelle condizioni di drenaggio e di imbibizione del corpo sabbioso è stato riprodotto attraverso una modellizzazione delle proprietà dielettriche ed idrologiche sulla base della dimensione, forma e distribuzione dei granuli di roccia e pori, nonché sulla base della storia relativa alla distribuzione dei fluidi di saturazione all’interno del mezzo. La modellizzazione è stata operata sulle basi concettuali del Differential Effective Medium Approximation.

Tecniche digitali per il rilievo, la modellazione tridimensionale e la rappresentazione nel campo dei beni culturali

Le soluzioni tecnologiche rese oggi disponibili dalle discipline della moderna Geomatica, offrono opportunità di grande interesse per il rilevamento nel settore dei Beni Culturali, sia per quanto riguarda il momento primario del rilievo, cioè la fase di acquisizione del dato metrico, sia per quanto concerne la questione della rappresentazione per oggetti di interesse archeologico, artistico, architettonico. Lo studio oggetto della presente tesi si propone, sulla base di numerose esperienze maturate nel corso del Dottorato dal Laboratorio di Topografia e Fotogrammetria del DISTART, di affrontare e approfondire le problematiche connesse all’utilizzo della fotogrammetria digitale e del laser a scansione terrestre per applicazioni nell’ambito dei Beni Culturali. La ricerca condotta è prettamente applicata, quindi è stata primaria l’esigenza di avere a disposizione reali casi di studio su cui sperimentare le tecniche di interesse; è però importante sottolineare che questo è un campo in cui ogni esperienza presenta proprie caratteristiche e peculiarità che la rendono interessante e difficilmente descrivibile con schemi convenzionali e metodologie standardizzate, quindi le problematiche emerse hanno di volta in volta indirizzato e spinto la ricerca all’approfondimento di certi aspetti piuttosto che altri. A tal proposito è stato evidenziato dalle esperienze effettuate che il campo dei Beni Culturali è forse il più emblematico delle potenzialità rese oggi disponibili dalle moderne tecnologie della Geomatica, e soprattutto dalle possibilità offerte da un approccio integrato e multi – disciplinare di tecniche e tecnologie diverse; per questo nell’Introduzione si è voluto sottolineare questo aspetto, descrivendo l’approccio metodologico adottato in molti lavori in contesto archeologico, che include generalmente diverse tecniche integrate tra loro allo scopo di realizzare in modo veloce e rigoroso un rilievo multi – scala che parte dal territorio, passa attraverso l’area del sito archeologico e degli scavi, ed arriva fino al singolo reperto; questo approccio è caratterizzato dall’avere tutti i dati e risultati in un unico e ben definito sistema di riferimento. In questa chiave di lettura l’attenzione si è poi focalizzata sulle due tecniche che rivestono oggi nel settore in esame il maggiore interesse, cioè fotogrammetria digitale e laser a scansione terrestre. La struttura della tesi segue le fasi classiche del processo che a partire dal rilievo porta alla generazione dei prodotti di rappresentazione; i primi due capitoli, incentrati sull’acquisizione del dato metrico, riguardano quindi da un lato le caratteristiche delle immagini e dei sensori digitali, dall’altro le diverse tipologie di sistemi laser con le corrispondenti specifiche tecniche; sempre nei primi capitoli vengono descritte le caratteristiche metodologiche e tecnico – operative e le relative problematiche delle due tipologie di rilievo. Segue un capitolo sulle procedure di calibrazione delle camere digitali non professionali, imperniato sull’utilizzo di software diversi, commerciali e sviluppati in house per questo scopo, prestando attenzione anche agli strumenti che essi offrono in termini di risultati ottenibili e di controllo statistico sugli stessi. La parte finale della tesi è dedicata al problema della rappresentazione, con l’obiettivo di presentare un quadro generale delle possibilità offerte dalle moderne tecnologie: raddrizzamenti, ortofoto, ortofoto di precisione e infine modelli tridimensionali foto – realistici, generati a partire sia da dati fotogrammetrici sia da dati laser.

3-D reconstruction of the human skeleton during motion

L’analisi del movimento umano ha come obiettivo la descrizione del movimento assoluto e relativo dei segmenti ossei del soggetto e, ove richiesto, dei relativi tessuti molli durante l’esecuzione di esercizi fisici. La bioingegneria mette a disposizione dell’analisi del movimento gli strumenti ed i metodi necessari per una valutazione quantitativa di efficacia, funzione e/o qualità del movimento umano, consentendo al clinico l’analisi di aspetti non individuabili con gli esami tradizionali. Tali valutazioni possono essere di ausilio all’analisi clinica di pazienti e, specialmente con riferimento a problemi ortopedici, richiedono una elevata accuratezza e precisione perché il loro uso sia valido. Il miglioramento della affidabilità dell’analisi del movimento ha quindi un impatto positivo sia sulla metodologia utilizzata, sia sulle ricadute cliniche della stessa. Per perseguire gli obiettivi scientifici descritti, è necessario effettuare una stima precisa ed accurata della posizione e orientamento nello spazio dei segmenti ossei in esame durante l’esecuzione di un qualsiasi atto motorio. Tale descrizione può essere ottenuta mediante la definizione di un modello della porzione del corpo sotto analisi e la misura di due tipi di informazione: una relativa al movimento ed una alla morfologia. L’obiettivo è quindi stimare il vettore posizione e la matrice di orientamento necessari a descrivere la collocazione nello spazio virtuale 3D di un osso utilizzando le posizioni di punti, definiti sulla superficie cutanea ottenute attraverso la stereofotogrammetria. Le traiettorie dei marker, così ottenute, vengono utilizzate per la ricostruzione della posizione e dell’orientamento istantaneo di un sistema di assi solidale con il segmento sotto esame (sistema tecnico) (Cappozzo et al. 2005). Tali traiettorie e conseguentemente i sistemi tecnici, sono affetti da due tipi di errore, uno associato allo strumento di misura e l’altro associato alla presenza di tessuti molli interposti tra osso e cute. La propagazione di quest’ultimo ai risultati finali è molto più distruttiva rispetto a quella dell’errore strumentale che è facilmente minimizzabile attraverso semplici tecniche di filtraggio (Chiari et al. 2005). In letteratura è stato evidenziato che l’errore dovuto alla deformabilità dei tessuti molli durante l’analisi del movimento umano provoca inaccuratezze tali da mettere a rischio l’utilizzabilità dei risultati. A tal proposito Andriacchi scrive: “attualmente, uno dei fattori critici che rallentano il progresso negli studi del movimento umano è la misura del movimento scheletrico partendo dai marcatori posti sulla cute” (Andriacchi et al. 2000). Relativamente alla morfologia, essa può essere acquisita, ad esempio, attraverso l’utilizzazione di tecniche per bioimmagini. Queste vengono fornite con riferimento a sistemi di assi locali in generale diversi dai sistemi tecnici. Per integrare i dati relativi al movimento con i dati morfologici occorre determinare l’operatore che consente la trasformazione tra questi due sistemi di assi (matrice di registrazione) e di conseguenza è fondamentale l’individuazione di particolari terne di riferimento, dette terne anatomiche. L’identificazione di queste terne richiede la localizzazione sul segmento osseo di particolari punti notevoli, detti repere anatomici, rispetto ad un sistema di riferimento solidale con l’osso sotto esame. Tale operazione prende il nome di calibrazione anatomica. Nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento viene implementata una calibrazione anatomica a “bassa risoluzione” che prevede la descrizione della morfologia dell’osso a partire dall’informazione relativa alla posizione di alcuni repere corrispondenti a prominenze ossee individuabili tramite palpazione. Attraverso la stereofotogrammetria è quindi possibile registrare la posizione di questi repere rispetto ad un sistema tecnico. Un diverso approccio di calibrazione anatomica può essere realizzato avvalendosi delle tecniche ad “alta risoluzione”, ovvero attraverso l’uso di bioimmagini. In questo caso è necessario disporre di una rappresentazione digitale dell’osso in un sistema di riferimento morfologico e localizzare i repere d’interesse attraverso palpazione in ambiente virtuale (Benedetti et al. 1994 ; Van Sint Jan et al. 2002; Van Sint Jan et al. 2003). Un simile approccio è difficilmente applicabile nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento, in quanto normalmente non si dispone della strumentazione necessaria per ottenere le bioimmagini; inoltre è noto che tale strumentazione in alcuni casi può essere invasiva. Per entrambe le calibrazioni anatomiche rimane da tenere in considerazione che, generalmente, i repere anatomici sono dei punti definiti arbitrariamente all’interno di un’area più vasta e irregolare che i manuali di anatomia definiscono essere il repere anatomico. L’identificazione dei repere attraverso una loro descrizione verbale è quindi povera in precisione e la difficoltà nella loro identificazione tramite palpazione manuale, a causa della presenza dei tessuti molli interposti, genera errori sia in precisione che in accuratezza. Tali errori si propagano alla stima della cinematica e della dinamica articolare (Ramakrishnan et al. 1991; Della Croce et al. 1999). Della Croce (Della Croce et al. 1999) ha inoltre evidenziato che gli errori che influenzano la collocazione nello spazio delle terne anatomiche non dipendono soltanto dalla precisione con cui vengono identificati i repere anatomici, ma anche dalle regole che si utilizzano per definire le terne. E’ infine necessario evidenziare che la palpazione manuale richiede tempo e può essere effettuata esclusivamente da personale altamente specializzato, risultando quindi molto onerosa (Simon 2004). La presente tesi prende lo spunto dai problemi sopra elencati e ha come obiettivo quello di migliorare la qualità delle informazioni necessarie alla ricostruzione della cinematica 3D dei segmenti ossei in esame affrontando i problemi posti dall’artefatto di tessuto molle e le limitazioni intrinseche nelle attuali procedure di calibrazione anatomica. I problemi sono stati affrontati sia mediante procedure di elaborazione dei dati, sia apportando modifiche ai protocolli sperimentali che consentano di conseguire tale obiettivo. Per quanto riguarda l’artefatto da tessuto molle, si è affrontato l’obiettivo di sviluppare un metodo di stima che fosse specifico per il soggetto e per l’atto motorio in esame e, conseguentemente, di elaborare un metodo che ne consentisse la minimizzazione. Il metodo di stima è non invasivo, non impone restrizione al movimento dei tessuti molli, utilizza la sola misura stereofotogrammetrica ed è basato sul principio della media correlata. Le prestazioni del metodo sono state valutate su dati ottenuti mediante una misura 3D stereofotogrammetrica e fluoroscopica sincrona (Stagni et al. 2005), (Stagni et al. 2005). La coerenza dei risultati raggiunti attraverso i due differenti metodi permette di considerare ragionevoli le stime dell’artefatto ottenute con il nuovo metodo. Tale metodo fornisce informazioni sull’artefatto di pelle in differenti porzioni della coscia del soggetto e durante diversi compiti motori, può quindi essere utilizzato come base per un piazzamento ottimo dei marcatori. Lo si è quindi utilizzato come punto di partenza per elaborare un metodo di compensazione dell’errore dovuto all’artefatto di pelle che lo modella come combinazione lineare degli angoli articolari di anca e ginocchio. Il metodo di compensazione è stato validato attraverso una procedura di simulazione sviluppata ad-hoc. Relativamente alla calibrazione anatomica si è ritenuto prioritario affrontare il problema associato all’identificazione dei repere anatomici perseguendo i seguenti obiettivi: 1. migliorare la precisione nell’identificazione dei repere e, di conseguenza, la ripetibilità dell’identificazione delle terne anatomiche e della cinematica articolare, 2. diminuire il tempo richiesto, 3. permettere che la procedura di identificazione possa essere eseguita anche da personale non specializzato. Il perseguimento di tali obiettivi ha portato alla implementazione dei seguenti metodi: • Inizialmente è stata sviluppata una procedura di palpazione virtuale automatica. Dato un osso digitale, la procedura identifica automaticamente i punti di repere più significativi, nella maniera più precisa possibile e senza l'ausilio di un operatore esperto, sulla base delle informazioni ricavabili da un osso digitale di riferimento (template), preliminarmente palpato manualmente. • E’ stato poi condotto uno studio volto ad indagare i fattori metodologici che influenzano le prestazioni del metodo funzionale nell’individuazione del centro articolare d’anca, come prerequisito fondamentale per migliorare la procedura di calibrazione anatomica. A tale scopo sono stati confrontati diversi algoritmi, diversi cluster di marcatori ed è stata valutata la prestazione del metodo in presenza di compensazione dell’artefatto di pelle. • E’stato infine proposto un metodo alternativo di calibrazione anatomica basato sull’individuazione di un insieme di punti non etichettati, giacenti sulla superficie dell’osso e ricostruiti rispetto ad un TF (UP-CAST). A partire dalla posizione di questi punti, misurati su pelvi coscia e gamba, la morfologia del relativo segmento osseo è stata stimata senza identificare i repere, bensì effettuando un’operazione di matching dei punti misurati con un modello digitale dell’osso in esame. La procedura di individuazione dei punti è stata eseguita da personale non specializzato nell’individuazione dei repere anatomici. Ai soggetti in esame è stato richiesto di effettuare dei cicli di cammino in modo tale da poter indagare gli effetti della nuova procedura di calibrazione anatomica sulla determinazione della cinematica articolare. I risultati ottenuti hanno mostrato, per quel che riguarda la identificazione dei repere, che il metodo proposto migliora sia la precisione inter- che intraoperatore, rispetto alla palpazione convenzionale (Della Croce et al. 1999). E’ stato inoltre riscontrato un notevole miglioramento, rispetto ad altri protocolli (Charlton et al. 2004; Schwartz et al. 2004), nella ripetibilità della cinematica 3D di anca e ginocchio. Bisogna inoltre evidenziare che il protocollo è stato applicato da operatori non specializzati nell’identificazione dei repere anatomici. Grazie a questo miglioramento, la presenza di diversi operatori nel laboratorio non genera una riduzione di ripetibilità. Infine, il tempo richiesto per la procedura è drasticamente diminuito. Per una analisi che include la pelvi e i due arti inferiori, ad esempio, l’identificazione dei 16 repere caratteristici usando la calibrazione convenzionale richiede circa 15 minuti, mentre col nuovo metodo tra i 5 e i 10 minuti.

Primary stability in cementless total hip replacement: measurement techniques and aided-surgery

Primary stability of stems in cementless total hip replacements is recognized to play a critical role for long-term survival and thus for the success of the overall surgical procedure. In Literature, several studies addressed this important issue. Different approaches have been explored aiming to evaluate the extent of stability achieved during surgery. Some of these are in-vitro protocols while other tools are coinceived for the post-operative assessment of prosthesis migration relative to the host bone. In vitro protocols reported in the literature are not exportable to the operating room. Anyway most of them show a good overall accuracy. The RSA, EBRA and the radiographic analysis are currently used to check the healing process of the implanted femur at different follow-ups, evaluating implant migration, occurance of bone resorption or osteolysis at the interface. These methods are important for follow up and clinical study but do not assist the surgeon during implantation. At the time I started my Ph.D Study in Bioengineering, only one study had been undertaken to measure stability intra-operatively. No follow-up was presented to describe further results obtained with that device. In this scenario, it was believed that an instrument that could measure intra-operatively the stability achieved by an implanted stem would consistently improve the rate of success. This instrument should be accurate and should give to the surgeon during implantation a quick answer concerning the stability of the implanted stem. With this aim, an intra-operative device was designed, developed and validated. The device is meant to help the surgeon to decide how much to press-fit the implant. It is essentially made of a torsional load cell, able to measure the extent of torque applied by the surgeon to test primary stability, an angular sensor that measure the relative angular displacement between stem and femur, a rigid connector that enable connecting the device to the stem, and all the electronics for signals conditioning. The device was successfully validated in-vitro, showing a good overall accuracy in discriminating stable from unstable implants. Repeatability tests showed that the device was reliable. A calibration procedure was then performed in order to convert the angular readout into a linear displacement measurement, which is an information clinically relevant and simple to read in real-time by the surgeon. The second study reported in my thesis, concerns the evaluation of the possibility to have predictive information regarding the primary stability of a cementless stem, by measuring the micromotion of the last rasp used by the surgeon to prepare the femoral canal. This information would be really useful to the surgeon, who could check prior to the implantation process if the planned stem size can achieve a sufficient degree of primary stability, under optimal press fitting conditions. An intra-operative tool was developed to this aim. It was derived from a previously validated device, which was adapted for the specific purpose. The device is able to measure the relative micromotion between the femur and the rasp, when a torsional load is applied. An in-vitro protocol was developed and validated on both composite and cadaveric specimens. High correlation was observed between one of the parameters extracted form the acquisitions made on the rasp and the stability of the corresponding stem, when optimally press-fitted by the surgeon. After tuning in-vitro the protocol as in a closed loop, verification was made on two hip patients, confirming the results obtained in-vitro and highlighting the independence of the rasp indicator from the bone quality, anatomy and preserving conditions of the tested specimens, and from the sharpening of the rasp blades. The third study is related to an approach that have been recently explored in the orthopaedic community, but that was already in use in other scientific fields. It is based on the vibration analysis technique. This method has been successfully used to investigate the mechanical properties of the bone and its application to evaluate the extent of fixation of dental implants has been explored, even if its validity in this field is still under discussion. Several studies have been published recently on the stability assessment of hip implants by vibration analysis. The aim of the reported study was to develop and validate a prototype device based on the vibration analysis technique to measure intra-operatively the extent of implant stability. The expected advantages of a vibration-based device are easier clinical use, smaller dimensions and minor overall cost with respect to other devices based on direct micromotion measurement. The prototype developed consists of a piezoelectric exciter connected to the stem and an accelerometer attached to the femur. Preliminary tests were performed on four composite femurs implanted with a conventional stem. The results showed that the input signal was repeatable and the output could be recorded accurately. The fourth study concerns the application of the device based on the vibration analysis technique to several cases, considering both composite and cadaveric specimens. Different degrees of bone quality were tested, as well as different femur anatomies and several levels of press-fitting were considered. The aim of the study was to verify if it is possible to discriminate between stable and quasi-stable implants, because this is the most challenging detection for the surgeon in the operation room. Moreover, it was possible to validate the measurement protocol by comparing the results of the acquisitions made with the vibration-based tool to two reference measurements made by means of a validated technique, and a validated device. The results highlighted that the most sensitive parameter to stability is the shift in resonance frequency of the stem-bone system, showing high correlation with residual micromotion on all the tested specimens. Thus, it seems possible to discriminate between many levels of stability, from the grossly loosened implant, through the quasi-stable implants, to the definitely stable one. Finally, an additional study was performed on a different type of hip prosthesis, which has recently gained great interest thus becoming fairly popular in some countries in the last few years: the hip resurfacing prosthesis. The study was motivated by the following rationale: although bone-prosthesis micromotion is known to influence the stability of total hip replacement, its effect on the outcome of resurfacing implants has not been investigated in-vitro yet, but only clinically. Thus the work was aimed at verifying if it was possible to apply to the resurfacing prosthesis one of the intraoperative devices just validated for the measurement of the micromotion in the resurfacing implants. To do that, a preliminary study was performed in order to evaluate the extent of migration and the typical elastic movement for an epiphyseal prosthesis. An in-vitro procedure was developed to measure micromotions of resurfacing implants. This included a set of in-vitro loading scenarios that covers the range of directions covered by hip resultant forces in the most typical motor-tasks. The applicability of the protocol was assessed on two different commercial designs and on different head sizes. The repeatability and reproducibility were excellent (comparable to the best previously published protocols for standard cemented hip stems). Results showed that the procedure is accurate enough to detect micromotions of the order of few microns. The protocol proposed was thus completely validated. The results of the study demonstrated that the application of an intra-operative device to the resurfacing implants is not necessary, as the typical micromovement associated to this type of prosthesis could be considered negligible and thus not critical for the stabilization process. Concluding, four intra-operative tools have been developed and fully validated during these three years of research activity. The use in the clinical setting was tested for one of the devices, which could be used right now by the surgeon to evaluate the degree of stability achieved through the press-fitting procedure. The tool adapted to be used on the rasp was a good predictor of the stability of the stem. Thus it could be useful for the surgeon while checking if the pre-operative planning was correct. The device based on the vibration technique showed great accuracy, small dimensions, and thus has a great potential to become an instrument appreciated by the surgeon. It still need a clinical evaluation, and must be industrialized as well. The in-vitro tool worked very well, and can be applied for assessing resurfacing implants pre-clinically.

Catalysts for H2 production

The research of new catalysts for the hydrogen production described in this thesis was inserted within a collaboration of Department of Industrial Chemistry and Materials of University of Bologna and Air Liquide (Centre de Recherche Claude-Delorme, Paris). The aim of the work was focused on the study of new materials, active and stable in the hydrogen production from methane, using either a new process, the catalytic partial oxidation (CPO), or a enhanced well-established process, the steam methane reforming (SMR). Two types of catalytic materials were examined: 1) Bulk catalysts, i.e. non-supported materials, in which the active metals (Ni and/or Rh) are stabilized inside oxidic matrix, obtained from perovskite type compounds (PVK) and from hydrotalcite type precursors (HT); 2) Structured catalysts, i.e. catalysts supported on materials having high thermal conductivity (SiC and metallic foams). As regards the catalytic partial oxidation, the effect of the metal (Ni and/or Rh), the role of the metal/matrix ratio and the matrix formulation of innovative catalysts obtained from hydrotalcite type precursors and from perovskites were examined. In addition, about steam reforming process, the study was carried out first on commercial type catalysts, examining the deactivation in industrial conditions, the role of the operating conditions and the activity of different type of catalysts. Then, innovative materials bulk (PVK and HT) and structured catalysts (SiC and metallic foam) were studied and a new preparation method was developed.