Statistical methods for biomedical signal analysis and processing

Statistical modelling and statistical learning theory are two powerful analytical frameworks for analyzing signals and developing efficient processing and classification algorithms. In this thesis, these frameworks are applied for modelling and processing biomedical signals in two different contexts: ultrasound medical imaging systems and primate neural activity analysis and modelling. In the context of ultrasound medical imaging, two main applications are explored: deconvolution of signals measured from a ultrasonic transducer and automatic image segmentation and classification of prostate ultrasound scans. In the former application a stochastic model of the radio frequency signal measured from a ultrasonic transducer is derived. This model is then employed for developing in a statistical framework a regularized deconvolution procedure, for enhancing signal resolution. In the latter application, different statistical models are used to characterize images of prostate tissues, extracting different features. These features are then uses to segment the images in region of interests by means of an automatic procedure based on a statistical model of the extracted features. Finally, machine learning techniques are used for automatic classification of the different region of interests. In the context of neural activity signals, an example of bio-inspired dynamical network was developed to help in studies of motor-related processes in the brain of primate monkeys. The presented model aims to mimic the abstract functionality of a cell population in 7a parietal region of primate monkeys, during the execution of learned behavioural tasks.

Integrazione di tecnologie non distruttive per la caratterizzazione di rocce ornamentali

ABSTRACT: The dimension stone qualification through the use of non-destructive tests (NDT) is a relevant research topic for the industrial characterisation of finite products, because the competition of low-costs products can be sustained by an offer of highqualification and a top-guarantee products. The synthesis of potentialities offered by the NDT is the qualification and guarantee similar to the well known agro-industrial PDO, Protected Denomination of Origin. In fact it is possible to guarantee both, the origin and the quality of each stone product element, even through a Factory Production Control on line. A specific disciplinary is needed. A research developed at DICMA-Univ. Bologna in the frame of the “OSMATER” INTERREG project, allowed identifying good correlations between destructive and non-destructive tests for some types of materials from Verbano-Cusio-Ossola region. For example non conventional ultrasonic tests, image analysis parameters, water absorption and other measurements showed to be well correlated with the bending resistance, by relationships varying for each product. In conclusion it has been demonstrated that a nondestructive approach allows reaching several goals, among the most important: 1) the identification of materials; 2) the selection of products; 3) the substitution of DT by NDT. Now it is necessary to move from a research phase to the industrial implementation, as well as to develop new ND technologies focused on specific aims.

Physical and mineralogical changes of Hungarian monumental stones exposed to different conditions: stone-testing in-situ and under laboratory conditions

The Székesfehérvár Ruin Garden is a unique assemblage of monuments belonging to the cultural heritage of Hungary due to its important role in the Middle Ages as the coronation and burial church of the Kings of the Hungarian Christian Kingdom. It has been nominated for “National Monument” and as a consequence, its protection in the present and future is required. Moreover, it was reconstructed and expanded several times throughout Hungarian history. By a quick overview of the current state of the monument, the presence of several lithotypes can be found among the remained building and decorative stones. Therefore, the research related to the materials is crucial not only for the conservation of that specific monument but also for other historic structures in Central Europe. The current research is divided in three main parts: i) description of lithologies and their provenance, ii) physical properties testing of historic material and iii) durability tests of analogous stones obtained from active quarries. The survey of the National Monument of Székesfehérvár, focuses on the historical importance and the architecture of the monument, the different construction periods, the identification of the different building stones and their distribution in the remaining parts of the monument and it also included provenance analyses. The second one was the in situ and laboratory testing of physical properties of historic material. As a final phase samples were taken from local quarries with similar physical and mineralogical characteristics to the ones used in the monument. The three studied lithologies are: fine oolitic limestone, a coarse oolitic limestone and a red compact limestone. These stones were used for rock mechanical and durability tests under laboratory conditions. The following techniques were used: a) in-situ: Schmidt Hammer Values, moisture content measurements, DRMS, mapping (construction ages, lithotypes, weathering forms) b) laboratory: petrographic analysis, XRD, determination of real density by means of helium pycnometer and bulk density by means of mercury pycnometer, pore size distribution by mercury intrusion porosimetry and by nitrogen adsorption, water absorption, determination of open porosity, DRMS, frost resistance, ultrasonic pulse velocity test, uniaxial compressive strength test and dynamic modulus of elasticity. The results show that initial uniaxial compressive strength is not necessarily a clear indicator of the stone durability. Bedding and other lithological heterogeneities can influence the strength and durability of individual specimens. In addition, long-term behaviour is influenced by exposure conditions, fabric and, especially, the pore size distribution of each sample. Therefore, a statistic evaluation of the results is highly recommended and they should be evaluated in combination with other investigations on internal structure and micro-scale heterogeneities of the material, such as petrographic observation, ultrasound pulse velocity and porosimetry. Laboratory tests used to estimate the durability of natural stone may give a good guidance to its short-term performance but they should not be taken as an ultimate indication of the long-term behaviour of the stone. The interdisciplinary study of the results confirms that stones in the monument show deterioration in terms of mineralogy, fabric and physical properties in comparison with quarried stones. Moreover stone-testing proves compatibility between quarried and historical stones. Good correlation is observed between the non-destructive-techniques and laboratory tests results which allow us to minimize sampling and assessing the condition of the materials. Concluding, this research can contribute to the diagnostic knowledge for further studies that are needed in order to evaluate the effect of recent and future protective measures.

Multilaminati piezoelettrici a gradiente funzionale

Aim of this thesis was the production of porosity-graded piezoelectric ceramics for ultrasonic applications by tape casting and screen printing. The study and optimization of each single step of the tape casting process allowed to produce flat and crack-free multilayers of Pb0.988(Zr0.52Ti0.48)0.976Nb0.024O3 (PZTN) of uniform and graded porosity. The multilayers of thickness ranging between 400 and 800 µm were produced stacking optimized green layers with different amount of pore former. The functionally graded materials showed porosity ranging between 10 and 30% with piezoelectric properties suitable for the specific ultrasonic applications. Screen printing inks of PZTN for deposition onto four different substrates were studied and optimized. Thick films with thickness ranging between 4 and 20 µm were produced tailoring the screen printing parameters and number of depositions.

Foetal heart rate recording: analysis and comparison of different methodologies

Monitoring foetal health is a very important task in clinical practice to appropriately plan pregnancy management and delivery. In the third trimester of pregnancy, ultrasound cardiotocography is the most employed diagnostic technique: foetal heart rate and uterine contractions signals are simultaneously recorded and analysed in order to ascertain foetal health. Because ultrasound cardiotocography interpretation still lacks of complete reliability, new parameters and methods of interpretation, or alternative methodologies, are necessary to further support physicians’ decisions. To this aim, in this thesis, foetal phonocardiography and electrocardiography are considered as different techniques. Further, variability of foetal heart rate is thoroughly studied. Frequency components and their modifications can be analysed by applying a time-frequency approach, for a distinct understanding of the spectral components and their change over time related to foetal reactions to internal and external stimuli (such as uterine contractions). Such modifications of the power spectrum can be a sign of autonomic nervous system reactions and therefore represent additional, objective information about foetal reactivity and health. However, some limits of ultrasonic cardiotocography still remain, such as in long-term foetal surveillance, which is often recommendable mainly in risky pregnancies. In these cases, the fully non-invasive acoustic recording, foetal phonocardiography, through maternal abdomen, represents a valuable alternative to the ultrasonic cardiotocography. Unfortunately, the so recorded foetal heart sound signal is heavily loaded by noise, thus the determination of the foetal heart rate raises serious signal processing issues. A new algorithm for foetal heart rate estimation from foetal phonocardiographic recordings is presented in this thesis. Different filtering and enhancement techniques, to enhance the first foetal heart sounds, were applied, so that different signal processing techniques were implemented, evaluated and compared, by identifying the strategy characterized on average by the best results. In particular, phonocardiographic signals were recorded simultaneously to ultrasonic cardiotocographic signals in order to compare the two foetal heart rate series (the one estimated by the developed algorithm and the other provided by cardiotocographic device). The algorithm performances were tested on phonocardiographic signals recorded on pregnant women, showing reliable foetal heart rate signals, very close to the ultrasound cardiotocographic recordings, considered as reference. The algorithm was also tested by using a foetal phonocardiographic recording simulator developed and presented in this research thesis. The target was to provide a software for simulating recordings relative to different foetal conditions and recordings situations and to use it as a test tool for comparing and assessing different foetal heart rate extraction algorithms. Since there are few studies about foetal heart sounds time characteristics and frequency content and the available literature is poor and not rigorous in this area, a data collection pilot study was also conducted with the purpose of specifically characterising both foetal and maternal heart sounds. Finally, in this thesis, the use of foetal phonocardiographic and electrocardiographic methodology and their combination, are presented in order to detect foetal heart rate and other functioning anomalies. The developed methodologies, suitable for longer-term assessment, were able to detect heart beat events correctly, such as first and second heart sounds and QRS waves. The detection of such events provides reliable measures of foetal heart rate, potentially information about measurement of the systolic time intervals and foetus circulatory impedance.

Identifizierung und Quantifizierung von sauren Markersubstanzen für troposphärisches sekundäres organisches Aerosol aus biogenen Kohlenwasserstoffen mittels Kapillar-HPLC-ESI-MS n

Sekundäres organisches Aerosol (SOA) ist ein wichtiger Bestandteil von atmosphärischen Aerosolpartikeln. Atmosphärische Aerosole sind bedeutsam, da sie das Klima über direkte (Streuung und Absorption von Strahlung) und indirekte (Wolken-Kondensationskeime) Effekte beeinflussen. Nach bisherigen Schätzungen ist die SOA-Bildung aus biogenen Kohlenwasserstoffen global weit wichtiger als die SOA-Bildung aus anthropogenen Kohlenwasserstoffen. Reaktive Kohlenwasserstoffe, die in großen Mengen von der Vegetation emittiert werden und als die wichtigsten Vorläufersubstanzen für biogenes SOA gelten, sind die Terpene. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode entwickelt, welche die Quantifizierung von aciden Produkten der Terpen-Oxidation ermöglicht. Die Abscheidung des größenselektierten Aerosols (PM 2.5) erfolgte auf Quarzfilter, die unter Zuhilfenahme von Ultraschall mittels Methanol extrahiert wurden. Nach Aufkonzentrierung und Lösungsmittelwechsel auf Wasser sowie Standardaddition wurden die Proben mit einer Kapillar-HPLC-ESI-MSn-Methode analysiert. Das verwendete Ionenfallen-Massenspektrometer (LCQ-DECA) bietet die Möglichkeit, Strukturaufklärung durch selektive Fragmentierung der Qasimolekülionen zu betreiben. Die Quantifizierung erfolgte teilweise im MS/MS-Modus, wodurch Selektivität und Nachweisgrenze verbessert werden konnten. Um Produkte der Terpen-Oxidation zu identifizieren, die nicht als Standards erhältlich waren, wurden Ozonolysexperimente durchgeführt. Dadurch gelang die Identifizierung einer Reihe von Oxidationsprodukten in Realproben. Neben schon bekannten Produkten der Terpen-Oxidation konnten einige Produkte erstmals in Realproben eindeutig als Produkte des α Pinens nachgewiesen werden. In den Proben der Ozonolyseexperimente konnten auch Produkte mit hohem Molekulargewicht (>300 u) nachgewiesen werden, die Ähnlichkeit zeigen zu den als Dimeren oder Polymeren in der Literatur bezeichneten Substanzen. Sie konnten jedoch nicht in Feldproben gefunden werden. Im Rahmen von 5 Messkampagnen in Deutschland und Finnland wurden Proben der atmosphärischen Partikelphase genommen. Die Quantifizierung von Produkten der Oxidation von α-Pinen, β-Pinen, 3-Caren, Sabinen und Limonen in diesen Proben ergab eine große zeitliche und örtliche Variationsbreite der Konzentrationen. Die Konzentration von Pinsäure bewegte sich beispielsweise zwischen etwa 0,4 und 21 ng/m³ während aller Messkampagnen. Es konnten stets Produkte verschiedener Terpene nachgewiesen werden. Produkte einiger Terpene eignen sich sogar als Markersubstanzen für verschiedene Pflanzenarten. Sabinen-Produkte wie Sabinsäure können als Marker für die Emissionen von Laubbäumen wie Buchen oder Birken verwendet werden, während Caren-Produkte wie Caronsäure als Marker für Nadelbäume, speziell Kiefern, verwendet werden können. Mit den quantifizierten Substanzen als Marker wurde unter zu Hilfenahme von Messungen des Gehaltes an organischem und elementarem Kohlenstoff im Aerosol der Anteil des sekundären organischen Aerosols (SOA) errechnet, der von der Ozonolyse der Terpene stammt. Erstaunlicherweise konnten nur 1% bis 8% des SOA auf die Ozonolyse der Terpene zurückgeführt werden. Dies steht im Gegensatz zu der bisherigen Meinung, dass die Ozonolyse der Terpene die wichtigste Quelle für biogenes SOA darstellt. Gründe für diese Diskrepanz werden in der Arbeit diskutiert. Um die atmosphärischen Prozesse der Bildung von SOA vollständig zu verstehen, müssen jedoch noch weitere Anstrengungen unternommen werden.

International cooperation in endourology: percutaneous and flexible ureteroscopic treatment of lower pole kidney stones

Introduction Lower pole kidney stones represent at time a challenge for the urologist. The gold standard treatment for intrarenal stones <2 cm is Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy (ESWL) while for those >2 cm is Percutaneous Nephrolithotomy (PCNL). The success rate of ESWL, however, decreases when it is employed for lower pole stones, and this is particularly true in the presence of narrow calices or acute infundibular angles. Studies have proved that ureteroscopy (URS) is an efficacious alternative to ESWL for lower pole stones <2 cm, but this is not reflected by either the European or the American guidelines. The aim of this study is to present the results of a large series of flexible ureteroscopies and PCNLs for lower pole kidney stones from high-volume centers, in order to provide more evidences on the potential indications of the flexible ureteroscopy for the treatment of kidney stones. Materials and Methods A database was created and the participating centres retrospectively entered their data relating to the percutaneous and flexible ureteroscopic management of lower pole kidney stones. Patients included were treated between January 2005 and January 2010. Variables analyzed included case load number, preoperative and postoperative imaging, stone burden, anaesthesia (general vs. spinal), type of lithotripter, access location and size, access dilation type, ureteral access sheath use, visual clarity, operative time, stone-free rate, complication rate, hospital stay, analgesic requirement and follow-up time. Stone-free rate was defined as absence of residual fragments or presence of a single fragment <2 mm in size at follow-up imaging. Primary end-point was to test the efficacy and safety of flexible URS for the treatment of lower pole stones; the same descriptive analysis was conducted for the PCNL approach, as considered the gold standard for the treatment of lower pole kidney stones. In this setting, no statistical analysis was conducted owing to the different selection criteria of the patients. Secondary end-point consisted in matching the results of stone-free rates, operative time and complications rate of flexible URS and PCNL in the subgroup of patients harbouring lower pole kidney stones between 1 and 2 cm in the higher diameter. Results A total 246 patients met the criteria for inclusion. There were 117 PCNLs (group 1) and 129 flexible URS (group 2). Ninety-six percent of cases were diagnosed by CT KUB scan. Mean stone burden was 175±160 and 50±62 mm2 for groups 1 and 2, respectively. General anaesthesia was induced in 100 % and 80% of groups 1 and 2, respectively. Pneumo-ultrasonic energy was used in 84% of cases in the PCNL group, and holmium laser in 95% of the cases in the flexible URS group. The mean operative time was 76.9±44 and 63±37 minutes for groups 1 and 2 respectively. There were 12 major complications (11%) in group 1 (mainly Grade II complications according to Clavidien classification) and no major complications in group 2. Mean hospital stay was 5.7 and 2.6 days for groups 1 and 2, respectively. Ninety-five percent of group 1 and 52% of group 2 required analgesia for a period longer than 24 hours. Intraoperative stone-free rate after a single treatment was 88.9% for group 1 and 79.1% for group 2. Overall, 6% of group 1 and 14.7% of group 2 required a second look procedure. At 3 months, stone-free rates were 90.6% and 92.2% for groups 1 and 2, respectively, as documented by follow-up CT KUB (22%) or combination of intra-venous pyelogram, regular KUB and/or kidney ultrasound (78%). In the subanalysis conducted comparing 82 vs 65 patients who underwent PCNL and flexible URS for lower pole stones between 1 and 2 cm, intreoperative stone-free rates were 88% vs 68% (p= 0.03), respectively; anyway, after an auxiliary procedure which was necessary in 6% of the cases in group 1 and 23% in group 2 (p=0.03), stone-free rates at 3 months were not statistically significant (91.5% vs 89.2%; p=0.6). Conversely, the patients undergoing PCNL maintained a higher risk of complications during the procedure, with 9 cases observed in this group versus 0 in the group of patients treated with URS (p=0.01) Conclusions These data highlight the value of flexible URS as a very effective and safe option for the treatment of kidney stones; thanks to the latest generation of flexible devices, this new technical approach seems to be a valid alternative in particular for the treatment of lower pole kidney stones less than 2 cm. In high-volume centres and in the hands of skilled surgeons, this technique can approach the stone-free rates achievable through PCNL in lower pole stones between 1 and 2 cm, with a very low risk of complications. Furthermore, the results confirm the high success rate and relatively low morbidity of modern PCNL for lower pole stones, with no difference detectable between the prone and supine position.

Nondestructive evaluation of concrete compression strength by means of Artificial Neural Network (ANN)

The evaluation of structural performance of existing concrete buildings, built according to standards and materials quite different to those available today, requires procedures and methods able to cover lack of data about mechanical material properties and reinforcement detailing. To this end detailed inspections and test on materials are required. As a consequence tests on drilled cores are required; on the other end, it is stated that non-destructive testing (NDT) cannot be used as the only mean to get structural information, but can be used in conjunction with destructive testing (DT) by a representative correlation between DT and NDT. The aim of this study is to verify the accuracy of some formulas of correlation available in literature between measured parameters, i.e. rebound index, ultrasonic pulse velocity and compressive strength (SonReb Method). To this end a relevant number of DT and NDT tests has been performed on many school buildings located in Cesena (Italy). The above relationships have been assessed on site correlating NDT results to strength of core drilled in adjacent locations. Nevertheless, concrete compressive strength assessed by means of NDT methods and evaluated with correlation formulas has the advantage of being able to be implemented and used for future applications in a much more simple way than other methods, even if its accuracy is strictly limited to the analysis of concretes having the same characteristics as those used for their calibration. This limitation warranted a search for a different evaluation method for the non-destructive parameters obtained on site. To this aim, the methodology of neural identification of compressive strength is presented. Artificial Neural Network (ANN) suitable for the specific analysis were chosen taking into account the development presented in the literature in this field. The networks were trained and tested in order to detect a more reliable strength identification methodology.

Numerical methods for the dispersion analysis of Guided Waves

The use of guided ultrasonic waves (GUW) has increased considerably in the fields of non-destructive (NDE) testing and structural health monitoring (SHM) due to their ability to perform long range inspections, to probe hidden areas as well as to provide a complete monitoring of the entire waveguide. Guided waves can be fully exploited only once their dispersive properties are known for the given waveguide. In this context, well stated analytical and numerical methods are represented by the Matrix family methods and the Semi Analytical Finite Element (SAFE) methods. However, while the former are limited to simple geometries of finite or infinite extent, the latter can model arbitrary cross-section waveguides of finite domain only. This thesis is aimed at developing three different numerical methods for modelling wave propagation in complex translational invariant systems. First, a classical SAFE formulation for viscoelastic waveguides is extended to account for a three dimensional translational invariant static prestress state. The effect of prestress, residual stress and applied loads on the dispersion properties of the guided waves is shown. Next, a two-and-a-half Boundary Element Method (2.5D BEM) for the dispersion analysis of damped guided waves in waveguides and cavities of arbitrary cross-section is proposed. The attenuation dispersive spectrum due to material damping and geometrical spreading of cavities with arbitrary shape is shown for the first time. Finally, a coupled SAFE-2.5D BEM framework is developed to study the dispersion characteristics of waves in viscoelastic waveguides of arbitrary geometry embedded in infinite solid or liquid media. Dispersion of leaky and non-leaky guided waves in terms of speed and attenuation, as well as the radiated wavefields, can be computed. The results obtained in this thesis can be helpful for the design of both actuation and sensing systems in practical application, as well as to tune experimental setup.

Behaviour and applications of elastic waves in structures and metamaterials

The present thesis focuses on elastic waves behaviour in ordinary structures as well as in acousto-elastic metamaterials via numerical and experimental applications. After a brief introduction on the behaviour of elastic guided waves in the framework of non-destructive evaluation (NDE) and structural health monitoring (SHM) and on the study of elastic waves propagation in acousto-elastic metamaterials, dispersion curves for thin-walled beams and arbitrary cross-section waveguides are extracted via Semi-Analytical Finite Element (SAFE) methods. Thus, a novel strategy tackling signal dispersion to locate defects in irregular waveguides is proposed and numerically validated. Finally, a time-reversal and laser-vibrometry based procedure for impact location is numerically and experimentally tested. In the second part, an introduction and a brief review of the basic definitions necessary to describe acousto-elastic metamaterials is provided. A numerical approach to extract dispersion properties in such structures is highlighted. Afterwards, solid-solid and solid-fluid phononic systems are discussed via numerical applications. In particular, band structures and transmission power spectra are predicted for 1P-2D, 2P-2D and 2P-3D phononic systems. In addition, attenuation bands in the ultrasonic as well as in the sonic frequency regimes are experimentally investigated. In the experimental validation, PZTs in a pitch-catch configuration and laser vibrometric measurements are performed on a PVC phononic plate in the ultrasonic frequency range and sound insulation index is computed for a 2P-3D phononic barrier in the sonic frequency range. In both cases the numerical-experimental results comparison confirms the existence of the numerical predicted band-gaps. Finally, the feasibility of an innovative passive isolation strategy based on giant elastic metamaterials is numerically proved to be practical for civil structures. In particular, attenuation of seismic waves is demonstrated via finite elements analyses. Further, a parametric study shows that depending on the soil properties, such an earthquake-proof barrier could lead to significant reduction of the superstructure displacement.

Optimierung der inhalativen Therapie bei Patienten mit Cystischer Fibrose und bei Kleinkindern

Patienten mit Cystischer Fibrose müssen in der Regel verschiedene Arzneimittel mehrmals täglich inhalieren. Um den hohen Zeitaufwand dafür zu reduzieren werden die Arzneimittel häufig gemischt und simultan inhaliert. Die Kenntnis der physikalisch-chemischen Kompatibilität von Mischinhalationslösungen/ -suspensionen ist deshalb von großer Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wurden die Kompatibilitäten von Mischungen aus Colistimethat-Inhalationslösung (mikrobiologische Wertbestimmung) mit verschiedenen Tobramycin-Inhalationslösungen, Budesonid (HPLC) mit 5,85%-iger Natriumchlorid-Lösung sowie mit Colistimethat-Inhalationslösung und Dornase alfa (SE-HPLC, SDS-PAGE, UV-Spektrometrie, T-SCX-Chromatographie) mit verschiedenen Tobramycin-Inhalationslösungen (Fluoreszenzpolarisations-Immunoassay) nachgewiesen. Durch das Mischen mit Tobramycin-Inhalationslösungen wurden die aerodynamischen Eigenschaften (FPF, MMAD, GSD) von Dornase alfa bei simultaner Verneblung nicht verändert (bestimmt mittels Kaskadenimpaktion).rnDurch die physiologischen und anatomischen Gegebenheiten, sowie die kognitiven Fähigkeiten kleiner Kinder stellt die effektive inhalative Therapie eine große Herausforderung dar. Der Respimat® bietet mit seiner langen Sprühdauer und den kleinen Aerosolpartikeln eine vielversprechende Alternative für die Anwendung bei Kleinkindern. In der vorliegenden Studie wurde untersucht ob bei Kindern unter 5 Jahren der Respimat® als Inhalationsgerät verwendet werden kann und welchen Grad an Hilfestellung sie für ein erfolgreiches Inhalationsmanöver benötigen.rnDie Ergebnisse der Handhabungsuntersuchung, sowie die Bewertung aufgezeichneter Inhalationsprofile zeigten, dass der Respimat® für Kinder < 4 Jahre nur in Kombination mit einer Inhalierhilfe wie dem AeroChamber Plus® verwendet werden sollte. Kinder im Alter von 4 Jahren sind mit entsprechender Schulung in der Lage mit dem Respimat® alleine zu inhalieren.rn

New Application of Piezoelectric Ultrasounds in Maxillo-facial bone surgery

Background: Piezoelectric instrumentation seems to offer 3 important advantages for cutting bone structures. Be more precise because it is produced by micro-vibrations from the cutting insert. Be safer because the ultrasonic frequency used does not affect soft tissue. Thirdly, the less invasive cutting action produces minor tissue damage and consequently probably a better healing Aim of the Study: The aim of this study is to evaluate the effectiveness of piezoelectric device capability in maxillo-facial surgery, in order to take advantage of these favourable capacity. Material and Methods: Considering the several potential application of the piezoelectric technology in Orthognathic, Oncologic and Extractive surgery, we would like to design protocols in order to verify how this new device can modify the surgical technique, the surgical time, the patients healing and its quality of life. Results: Due to the precise Piezosurgery cut, we can manage the Cad-Cam-Custom Made plates protocol in Oncologic Surgery and in Orthognatic Surgery increasing our percentage of comparison between the 3D preoperative plan and the surgical execution. We also found a better quality of life impaction in Patient who underwent and extractive surgery Conclusion: Piezosurgery device seems to be a strong surgical aid were safe and precise cut are needed and its capability to reduce the discomfort Patients need to be study in deep also in major surgery like Orthognatic and Oncologic surgery.

Entwicklung eines Pikoliter-Tropfengenerators für die Massenspektrometrische Spuren- und Speziesanalytik

Die Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung einer alternativen Probenzuführungstechnik für flüssige Proben in der Massenspektrometrie. Obwohl bereits einige Anstrengungen zur Verbesserung unternommen wurden, weisen konventionelle pneumatische Zerstäuber- und Sprühkammersysteme, die in der Elementspurenanalytik mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) standardmäßig verwendet werden, eine geringe Gesamteffizienz auf. Pneumatisch erzeugtes Aerosol ist durch eine breite Tropfengrößenverteilung gekennzeichnet, was den Einsatz einer Sprühkammer bedingt, um die Aerosolcharakteristik an die Betriebsbedingungen des ICPs anzupassen.. Die Erzeugung von Tropfen mit einer sehr engen Tropfengrößenverteilung oder sogar monodispersen Tropfen könnte die Effizienz des Probeneintrags verbessern. Ein Ziel dieser Arbeit ist daher, Tropfen, die mittels des thermischen Tintenstrahldruckverfahrens erzeugt werden, zum Probeneintrag in der Elementmassenspektrometrie einzusetzen. Das thermische Tintenstrahldruckverfahren konnte in der analytischen Chemie im Bereich der Oberflächenanalytik mittels TXRF oder Laserablation bisher zur gezielten, reproduzierbaren Deposition von Tropfen auf Oberflächen eingesetzt werden. Um eine kontinuierliche Tropfenerzeugung zu ermöglichen, wurde ein elektronischer Mikrokontroller entwickelt, der eine Dosiereinheit unabhängig von der Hard- und Software des Druckers steuern kann. Dabei sind alle zur Tropfenerzeugung relevanten Parameter (Frequenz, Heizpulsenergie) unabhängig voneinander einstellbar. Die Dosiereinheit, der "drop-on-demand" Aerosolgenerator (DOD), wurde auf eine Aerosoltransportkammer montiert, welche die erzeugten Tropfen in die Ionisationsquelle befördert. Im Bereich der anorganischen Spurenanalytik konnten durch die Kombination des DOD mit einem automatischen Probengeber 53 Elemente untersucht und die erzielbare Empfindlichkeiten sowie exemplarisch für 15 Elemente die Nachweisgrenzen und die Untergrundäquivalentkonzentrationen ermittelt werden. Damit die Vorteile komfortabel genutzt werden können, wurde eine Kopplung des DOD-Systems mit der miniaturisierten Fließinjektionsanalyse (FIA) sowie miniaturisierten Trenntechniken wie der µHPLC entwickelt. Die Fließinjektionsmethode wurde mit einem zertifizierten Referenzmaterial validiert, wobei für Vanadium und Cadmium die zertifizierten Werte gut reproduziert werden konnten. Transiente Signale konnten bei der Kopplung des Dosiersystems in Verbindung mit der ICP-MS an eine µHPLC abgebildet werden. Die Modifikation der Dosiereinheit zum Ankoppeln an einen kontinuierlichen Probenfluss bedarf noch einer weiteren Reduzierung des verbleibenden Totvolumens. Dazu ist die Unabhängigkeit von den bisher verwendeten, kommerziell erhältlichen Druckerpatronen anzustreben, indem die Dosiereinheit selbst gefertigt wird. Die Vielseitigkeit des Dosiersystems wurde mit der Kopplung an eine kürzlich neu entwickelte Atmosphärendruck-Ionisationsmethode, die "flowing atmospheric-pressure afterglow" Desorptions/Ionisations Ionenquelle (FAPA), aufgezeigt. Ein direkter Eintrag von flüssigen Proben in diese Quelle war bislang nicht möglich, es konnte lediglich eine Desorption von eingetrockneten Rückständen oder direkt von der Flüssigkeitsoberfläche erfolgen. Die Präzision der Analyse ist dabei durch die variable Probenposition eingeschränkt. Mit dem Einsatz des DOD-Systems können flüssige Proben nun direkt in die FAPA eingetragen, was ebenfalls das Kalibrieren bei quantitativen Analysen organischer Verbindungen ermöglicht. Neben illegalen Drogen und deren Metaboliten konnten auch frei verkäufliche Medikamente und ein Sprengstoffanalogon in entsprechend präpariertem reinem Lösungsmittel nachgewiesen werden. Ebenso gelang dies in Urinproben, die mit Drogen und Drogenmetaboliten versetzt wurden. Dabei ist hervorzuheben, dass keinerlei Probenvorbereitung notwendig war und zur Ermittlung der NWG der einzelnen Spezies keine interne oder isotopenmarkierte Standards verwendet wurden. Dennoch sind die ermittelten NWG deutlich niedriger, als die mit der bisherigen Prozedur zur Analyse flüssiger Proben erreichbaren. Um im Vergleich zu der bisher verwendeten "pin-to-plate" Geometrie der FAPA die Lösungsmittelverdampfung zu beschleunigen, wurde eine alternative Elektrodenanordnung entwickelt, bei der die Probe länger in Kontakt mit der "afterglow"-Zone steht. Diese Glimmentladungsquelle ist ringförmig und erlaubt einen Probeneintrag mittels eines zentralen Gasflusses. Wegen der ringförmigen Entladung wird der Name "halo-FAPA" (h-FAPA) für diese Entladungsgeometrie verwendet. Eine grundlegende physikalische und spektroskopische Charakterisierung zeigte, dass es sich tatsächlich um eine FAPA Desorptions/Ionisationsquelle handelt.

Entwicklung und Charakterisierung eines Drop-on-Demand-Aerosolgenerators für die Probenzuführung kleinster Flüssigkeitsmengen in der analytischen Atomspektroskopie

Die pneumatische Zerstäubung ist die häufigste Methode der Probenzuführung von Flüssigkeiten in der Plasmaspektrometrie. Trotz der bekannten Limitierungen dieser Systeme, wie die hohen Probenverluste, finden diese Zerstäuber aufgrund ihrer guten Robustheit eine breite Anwendung. Die flussratenabhängige Aerosolcharakteristik und pumpenbasierte Signalschwankungen limitieren bisher Weiterentwicklungen. Diese Probleme werden umso gravierender, je weiter die notwendige Miniaturisierung dieser Systeme fortschreitet. Der neuartige Ansatz dieser Arbeit basiert auf dem Einsatz modifizierter Inkjet-Druckerpatronen für die Dosierung von pL-Tropfen. Ein selbst entwickelter Mikrokontroller ermöglicht den Betrieb von matrixkodierten Patronen des Typs HP45 mit vollem Zugriff auf alle essentiellen Betriebsparameter. Durch die neuartige Aerosoltransportkammer gelang die effiziente Kopplung des Tropfenerzeugungssystems an ein ICP-MS. Das so aufgebaute drop-on-demand-System (DOD) zeigt im Vergleich zu herkömmlichen und miniaturisierten Zerstäubern eine deutlich gesteigerte Empfindlichkeit (8 - 18x, elementabhängig) bei leicht erhöhtem, aber im Grunde vergleichbarem Signalrauschen. Darüber hinaus ist die Flexibilität durch die große Zahl an Freiheitsgraden des Systems überragend. So ist die Flussrate über einen großen Bereich variabel (5 nL - 12,5 µL min-1), ohne dabei die primäre Aerosolcharakteristik zu beeinflussen, welche vom Nutzer durch Wahl der elektrischen Parameter bestimmt wird. Das entwickelte Probenzuführungssystem ist verglichen mit dem pneumatischen Referenzsystem weniger anfällig gegenüber Matrixeffekten beim Einsatz von realen Proben mit hohen Anteilen gelöster Substanzen. So gelingt die richtige Quantifizierung von fünf Metallen im Spurenkonzentrationsbereich (Li, Sr, Mo, Sb und Cs) in nur 12 µL Urin-Referenzmaterial mittels externer Kalibrierung ohne Matrixanpassung. Wohingegen beim pneumatischen Referenzsystem die aufwändigere Standardadditionsmethode sowie über 250 µL Probenvolumen für eine akkurate Bestimmung der Analyten nötig sind. Darüber hinaus wird basierend auf der Dosierfrequenz eines dualen DOD-Systems eine neuartige Kalibrierstrategie vorgestellt. Bei diesem Ansatz werden nur eine Standard- und eine Blindlösung anstelle einer Reihe unterschiedlich konzentrierter Standards benötigt, um eine lineare Kalibrierfunktion zu erzeugen. Zusätzlich wurde mittels selbst entwickelter, zeitlich aufgelöster ICP-MS umfangreiche Rauschspektren aufgenommen. Aus diesen gelang die Ermittlung der Ursache des erhöhten Signalrauschens des DOD, welches maßgeblich durch das zeitlich nicht äquidistante Eintreffen der Tropfen am Detektor verursacht wird. Diese Messtechnik erlaubt auch die Detektion einzeln zugeführter Tropfen, wodurch ein Vergleich der Volumenverteilung der mittels ICP-MS detektierten, gegenüber den generierten und auf optischem Wege charakterisierten Tropfen möglich wurde. Dieses Werkzeug ist für diagnostische Untersuchungen äußerst hilfreich. So konnte aus diesen Studien neben der Aufklärung von Aerosoltransportprozessen die Transporteffizienz des DOD ermittelt werden, welche bis zu 94 Vol.-% beträgt.

Disamina dell'effetto dei trattamenti superficiali sulle prestazioni a fatica di diversi materiali metallici

Lo studio del comportamento a fatica dei componenti è uno degli aspetti principali della progettazione. I trattamenti superficiali permettono di migliorare la resistenza dei componenti sollecitati a fatica. A tale scopo, in questo documento sono stati analizzati alcuni trattamenti superficiali applicati a differenti materiali metallici per valutarne una eventuale applicazione.