Imaging TC ed analisi tessiturale: caratterizzazione del parenchima polmonare di pazienti con broncopneumopatia cronica ostruttiva

La caratterizzazione del parenchima polmonare è un aspetto cruciale per l’identificazione dell’enfisema e dell’air trapping in pazienti affetti da broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO). L’innovazione presente in questo lavoro di tesi è quella di utilizzare a questo scopo l’analisi tessiturale mediante il metodo delle matrici di co-occorrenza su immagini di tomografia computerizzata (TC) acquisite in inspirio ed espirio co-registrate. La co-registrazione che ha portato le immagini acquisite in espirio sullo stesso sistema di riferimento di quelle acquisite in inspirio è avvenuta utilizzando la trasformazione diffeomorfa B-Spline SyN, implementata nel software ANTs, ed è stata applicata sia alle immagini TC che alle features estratte da esse. Dalle matrici di co-occorrenza è stata calcolata la feature Energia, che misura l’uniformità dei livelli di grigio contenuti nell’immagine, e quindi la sua omogeneità. Partendo dal fatto che le aree parenchimali affette da enfisema e air trapping hanno alti livelli di omogeneità dovuti alla presenza dell’aria intrappolata al loro interno, l’idea alla base di questo lavoro è stata quella di identificare queste aree attraverso gli alti valori che l’Energia assume in loro corrispondenza. Sono state quindi stabilite sperimentalmente alcune soglie basate sui valori assunti dall’Energia in inspirio e in espirio. Sulla base di queste il parenchima polmonare è stato clusterizzato in diverse aree identificanti i tessuti sani, quelli affetti da enfisema e quelli affetti dall’air trapping. La clusterizzazione ottenuta è risultata coerente con la reale distribuzione dell’enfisema e dell’air trapping nei pazienti analizzati, dimostrando la validità della tecnica utilizzata e aprendo nuovi scenari futuri alla caratterizzazione del parenchima polmonare in questa patologia.

Un approccio analitico innovativo per lo studio della frazione volatile di oli vergini da olive: Flash-Gascromatography E-Nose

Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di studiare l’efficacia e l’applicabilità dello strumento HERACLES II Flash Gas Chromatography Electronic Nose mediante l’analisi di un set molto ampio di campioni di oli d’oliva vergini reperiti presso un concorso nazionale. Nello specifico, mediante elaborazioni di statistica multivariata dei dati, è stata valutata sia la capacità discriminante del metodo per campioni caratterizzati da un diverso profilo sensoriale, sia la correlazione esistente tra l’intensità delle sensazioni percepite per via sensoriale ed i dati ottenuti mediante l’analisi strumentale. La valutazione delle caratteristiche sensoriali dei campioni è stata realizzata in occasione dello stesso concorso da parte di un gruppo di giudici esperti e secondo le modalità stabilite dai regolamenti comunitari. Ogni campione è stato valutato da almeno 8 assaggiatori che hanno determinato l’intensità di caratteristiche olfattive (eventuali difetti, fruttato e note secondarie positive) e gustative (amaro e piccante). La determinazione dei composti volatili, invece, è stata condotta mediante lo strumento HERACLES II Electronic Nose (AlphaMOS), dotato di due colonne cromatografiche caratterizzate da diversa polarità (MXT-5 con fase stazionaria apolare e MXT-WAX con fase stazionaria polare), ciascuna collegata ad un rivelatore di tipo FID. L’elaborazione multivariata dei dati è stata realizzata mediante il software in dotazione con lo strumento.

Progetto di Sistemi di Regolazione dell'Alimentazione ad Alta Affidabilità per Processori Multi-Core

Quasi tutti i componenti del FIVR (regolatore di tensione Buck che fornisce l'alimentazione ai microprocessori multi-core) sono implementati sul die del SoC e quindi soffrono di problemi di affidabilità associati allo scaling della tecnologia microelettronica. In particolare, la variazione dei parametri di processo durante la fabbricazione e i guasti nei dispostivi di switching (circuiti aperti o cortocircuiti). Questa tesi si svolge in ambito di un progetto di ricerca in collaborazione con Intel Corporation, ed è stato sviluppato in due parti: Inizialmente è stato arricchito il lavoro di analisi dei guasti su FIVR, svolgendo un accurato studio su quelli che sono i principali effetti dell’invecchiamento sulle uscite dei regolatori di tensione integrati su chip. Successivamente è stato sviluppato uno schema di monitoraggio a basso costo in grado di rilevare gli effetti dei guasti più probabili del FIVR sul campo. Inoltre, lo schema sviluppato è in grado di rilevare, durante il tempo di vita del FIVR, gli effetti di invecchiamento che inducono un incorretto funzionamento del FIVR. Lo schema di monitoraggio è stato progettato in maniera tale che risulti self-checking nei confronti dei suoi guasti interni, questo per evitare che tali errori possano compromettere la corretta segnalazione di guasti sul FIVR.

Policitemia Vera: scoperta di saggi di biopsia liquida finalizzata a identificare i biomarcatori correlati al rischio trombotico

La Policitemia Vera (PV) è una neoplasia mieloproliferativa con un aumentato rischio di trombosi e di progressione verso la Mielofibrosi. L'infiammazione cronica è comunemente osservata nelle neoplasie mieloproliferative, compresa la PV. La rete infiammatoria, tra le varie componenti, comprende le vescicole extracellulari (EVs), che svolgono un ruolo nella comunicazione cellula-cellula. Inoltre, le componenti microbiche circolanti sono state recentemente indicate come potenziali modificatori dell'infiammazione, della coagulazione e dell’emopoiesi in generale. Qui abbiamo studiato il DNA microbico delle EVs circolanti attraverso. Sangue periferico e feci sono stati raccolti da pazienti con PV (n=38) e da donatori sani (n=30). Le EVs circolanti derivate da megacariociti (MK) e piastrine (PLT) sono state analizzate mediante citometria a flusso. Dopo l'estrazione del DNA microbico dalle feci e dalle EV isolate, è stata sequenziata la regione V3-V4 del 16S rDNA. La percentuale di EVs di MK era ridotta nei pazienti con PV rispetto ai donatori sani. Al contrario, la proporzione di EVs di PLT era aumentata. La PV è stata associata anche a una firma del DNA microbico delle EVs isolate con una maggiore diversità e una composizione microbica distinta rispetto alla controparte sana. Nei pazienti con PV c’è una maggiore proporzione di EVs associate al lipopolisaccaride. Il profilo del microbioma intestinale non differiva tra PV e doantori. Inoltre, l'aumento della proporzione di EVs di MK e la riduzione di EVs di piastre identificavano i pazienti con pregressa trombosi. Le EVs dei pazienti con trombosi erano impoverite di DNA di Staphylococcus ma arricchite di DNA di Actinobacteria e Anaerococcus. Inoltre, questi pazienti avevano livelli più bassi di EVs associate al lipopolisaccaride. I pazienti con fibrosi midollare avevano una maggiore proporzione di PE-EV ed erano arricchite in DNA di Collinsella e Flavobacterium. Questi dati possono contribuire a perfezionare la prognosi della PV e a identificare nuovi bersagli farmacologici.

Modelli di diffusion MRI avanzati per lo studio microstrutturale del cervello

La quantificazione non invasiva delle caratteristiche microstrutturali del cervello, utilizzando la diffusion MRI (dMRI), è diventato un campo sempre più interessante e complesso negli ultimi due decenni. Attualmente la dMRI è l’unica tecnica che permette di sondare le proprietà diffusive dell’acqua, in vivo, grazie alla quale è possibile inferire informazioni su scala mesoscopica, scala in cui si manifestano le prime alterazioni di malattie neurodegenerative, da tale tipo di dettaglio è potenzialmente possibile sviluppare dei biomarcatori specifici per le fasi iniziali di malattie neurodegenerative. L’evoluzione hardware degli scanner clinici, hanno permesso lo sviluppo di modelli di dMRI avanzati basati su acquisizioni multi shell, i quali permettono di ovviare alle limitazioni della Diffusion Tensor Imaging, in particolare tali modelli permettono una migliore ricostruzione trattografica dei fasci di sostanza bianca, grazie ad un’accurata stima della Orientation Distribution Function e la stima quantitativa di parametri che hanno permesso di raggiungere una miglior comprensione della microstruttura della sostanza bianca e delle sue eventuali deviazioni dalla norma. L’identificazione di biomarcatori sensibili alle prime alterazioni microstrutturali delle malattie neurodegenerative è uno degli obbiettivi principali di tali modelli, in quanto consentirebbero una diagnosi precoce e di conseguenza un trattamento terapeutico tempestivo prima di una significante perdità cellulare. La trattazione è suddivisa in una prima parte di descrizione delle nozioni fisiche di base della dMRI, dell’imaging del tensore di diffusione e le relative limitazioni, ed in una seconda parte dove sono analizzati tre modelli avanzati di dMRI: Diffusion Kurtosis Imaging, Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging e Multi Shell Multi Tissue Constrained Spherical Deconvolution. L'obiettivo della trattazione è quello di offrire una panoramica sulle potenzialità di tali modelli.

Valutazione del rischio ed analisi di affidabilità della modellazione numerica del comportamento espansivo di terreni argillosi

Il lavoro di tesi presentato ha come obiettivo la valutazione delle potenzialità del metodo di risk assessment per la stima dei rischi nel campo della progettazione geotecnica. In particolare, è stata approfondita l’applicazione dei metodi di trattamento dell’incertezza alla modellazione numerica di terreni caratterizzati da alcune tipologie di argille, il cui comportamento, al variare del grado di saturazione, può oscillare tra ritiro e rigonfiamento, provocando dissesti alle strutture sovrastanti. Ai modelli numerici creati sono stati associati dei modelli probabilistici sui quali sono state eseguite delle analisi di affidabilità associate a parametri del terreno opportunamente scelti in funzione dell’influenza sul meccanismo espansivo del suolo. È stata scelta come soglia, e dunque come stato limite, per il calcolo della probabilità di fallimento, il movimento massimo caratteristico del terreno ottenuto applicando il metodo di Mitchell per i due fenomeni. Questo metodo è adottato nelle Australian Standards, uno dei riferimenti scientifici più rilevanti per la progettazione su suoli espansivi, nonché normativa vigente in Australia, territorio ricco di argille attive. Le analisi hanno permesso di condurre alcune riflessioni circa la conservatività dei termini da normativa, fondati su approcci di carattere puramente deterministico, mostrando come a piccole variazioni plausibili degli input nel modello numerico, si possano ottenere variazioni discutibili nei risultati, illustrando così i vantaggi che comporta il trattamento dell’incertezza sui dati.

Metodi strumentali per l'analisi della frazione volatile in oli di oliva vergini come supporto al panel test

L’olio di oliva è tra i prodotti alimentari principali della dieta mediterranea e possiede delle caratteristiche salutistiche, compositive e sensoriali peculiari. La qualità e la genuinità dell’olio di oliva vergine sono valutate sia mediante determinazioni analitiche chimiche e strumentali, sia attraverso l’analisi sensoriale. Quest’ultima, realizzata con il metodo del panel test, è tra i metodi ufficiali per la classificazione degli oli di oliva vergini nelle tre categorie commerciali extra vergine, vergine e lampante. Tuttavia, l’analisi sensoriale presenta dei limiti legati, in particolare, al numero elevato di campioni di olio da analizzare rispetto alle capacità di lavoro dei panel. Negli ultimi anni è aumentata, così, la necessità di sviluppare e validare metodi analitici strumentali che, pre-classificando gli oli in esame, siano di supporto al panel test e possano ridurre il numero di campioni da sottoporre ad analisi sensoriale. In questo elaborato di tesi sono state prese in considerazione due diverse tecniche analitiche, la gas cromatografica accoppiata alla spettrometria a mobilità ionica (HS-GC-IMS) e la flash gas cromatografia (FGC E-nose), entrambe impiegate per la valutazione della frazione volatile dell’olio di oliva, responsabile degli attributi olfattivi del prodotto. Utilizzando i risultati ottenuti applicando queste due tecniche, mediante analisi multivariata, è stato possibile stimare la categoria merceologica di ogni campione appartenente ad un set di 52 oli di oliva vergini, classificandoli con un determinato livello di probabilità. Entrambe le metodiche analitiche sono già state utilizzate e valutate in precedenti studi; con la sperimentazione effettuata nell’ambito di questa tesi è stato possibile confermare l’efficacia dei modelli di stima che possono essere impiegati con finalità di screening in supporto al panel test, nell’ottica di renderli sempre più robusti ed affidabili per la classificazione degli oli di oliva vergini.

Development of procedures for the design, optimization and manufacturing of customized orthopaedic and trauma implants: Geometrical/anatomical modelling from 3D medical imaging

Tese de Doutoramento (Programa Doutoral em Engenharia Biomédica)

"In vivo" imaging of atherosclerosis

Atherosclerosis is a systemic and multifocal disease, which starts early in life, and that usually takes decades before overt disease eventually appears as a consequence of progressive obstruction or abrupt thrombotic occlusion. This silent course makes necessary to develop predictors of disease long before symptomatic lesions develop. Besides several classical risk factors and new emerging humoral risk predictors, imaging may constitute a formidable diagnostic and prognostic tool in order to identify presence, extension, progression (or regression) of disease as well as vulnerability of atherosclerotic lesions. This review summarizes the rapidly growing clinical and research field in imaging atherosclerosis from different perspectives opening important opportunities for timely detection and treatment of atherosclerosis.

Progression of human carotid and femoral atherosclerosis: a prospective follow-up study by magnetic resonance vessel wall imaging.

AIMS: The time course of atherosclerosis burden in distinct vascular territories remains poorly understood. We longitudinally evaluated the natural history of atherosclerotic progression in two different arterial territories using high spatial resolution magnetic resonance imaging (HR-MRI), a powerful, safe, and non-invasive tool. METHODS AND RESULTS: We prospectively studied a cohort of 30 patients (mean age 68.3, n = 9 females) with high Framingham general cardiovascular disease 10-year risk score (29.5%) and standard medical therapy with mild-to-moderate atherosclerosis intra-individually at the level of both carotid and femoral arteries. A total of 178 HR-MRI studies of carotid and femoral arteries performed at baseline and at 1- and 2-year follow-up were evaluated in consensus reading by two experienced readers for lumen area (LA), total vessel area (TVA), vessel wall area (VWA = TVA - LA), and normalized wall area index (NWI = VWA/TVA). At the carotid level, LA decreased (-3.19%/year, P = 0.018), VWA increased (+3.83%/year, P = 0.019), and TVA remained unchanged. At the femoral level, LA remained unchanged, VWA and TVA increased (+5.23%/year and +3.11%/year, both P < 0.01), and NWI increased for both carotid and femoral arteries (+2.28%/year, P = 0.01, and +1.8%/year, P = 0.033). CONCLUSION: The atherosclerotic burden increased significantly in both carotid and femoral arteries. However, carotid plaque progression was associated with negative remodelling, whereas the increase in femoral plaque burden was compensated by positive remodelling. This finding could be related to anatomic and flow differences and/or to the distinct degree of obstruction in the two arterial territories.

Is magnetic resonance imaging of hepatic hemangioma any different in liver fibrosis and cirrhosis compared to normal liver?

PURPOSE: To compare qualitative and quantitative magnetic resonance (MR) imaging characteristics of hepatic hemangiomas in patients with normal, fibrotic and cirrhotic livers. MATERIALS AND METHODS: Retrospective, institutional review board approved study (waiver of informed consent). Eighty-nine consecutive patients with 231 hepatic hemangiomas who underwent liver MR imaging for lesion characterization were included. Lesions were classified into three groups according to the patients' liver condition: no underlying liver disease (group 1), fibrosis (group 2) and cirrhosis (group 3). Qualitative and quantitative characteristics (number, size, signal intensities on T1-, T2-, and DW MR images, T2 shine-through effect, enhancement patterns (classical, rapidly filling, delayed filling), and ADC values) were compared. RESULTS: There were 160 (69%), 45 (20%), and 26 (11%) hemangiomas in groups 1, 2 and 3, respectively. Lesions were larger in patients with normal liver (group 1 vs. groups 2 and 3; P=.009). No difference was found between the groups on T2-weighted images (fat-suppressed fast spin-echo (P=.82) and single-shot (P=.25)) and in enhancement patterns (P=.56). Mean ADC values of hemangiomas were similar between groups 1, 2 and 3 (2.11±.52×10(-3)mm(2)/s, 2.1±.53×10(-3)mm(2)/s and 2.14±.44×10(-3)mm(2)/s, P=87, respectively). T2 shine-through effect was less frequently observed in cirrhosis (P=.02). CONCLUSION: MR imaging characteristics of hepatic hemangioma were similar in patients with normal compared to fibrotic and cirrhotic livers. Smaller lesion size was observed with liver disease and less T2 shine-through effect was seen in hemangiomas developed on cirrhosis, the latter being an important finding to highlight in these patients at risk of developing hepatocellular carcinoma.

Intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging in the liver: comparison of mono-, bi- and tri-exponential modelling at 3.0-T.

PURPOSE: To determine whether a mono-, bi- or tri-exponential model best fits the intravoxel incoherent motion (IVIM) diffusion-weighted imaging (DWI) signal of normal livers. MATERIALS AND METHODS: The pilot and validation studies were conducted in 38 and 36 patients with normal livers, respectively. The DWI sequence was performed using single-shot echoplanar imaging with 11 (pilot study) and 16 (validation study) b values. In each study, data from all patients were used to model the IVIM signal of normal liver. Diffusion coefficients (Di ± standard deviations) and their fractions (fi ± standard deviations) were determined from each model. The models were compared using the extra sum-of-squares test and information criteria. RESULTS: The tri-exponential model provided a better fit than both the bi- and mono-exponential models. The tri-exponential IVIM model determined three diffusion compartments: a slow (D1 = 1.35 ± 0.03 × 10(-3) mm(2)/s; f1 = 72.7 ± 0.9 %), a fast (D2 = 26.50 ± 2.49 × 10(-3) mm(2)/s; f2 = 13.7 ± 0.6 %) and a very fast (D3 = 404.00 ± 43.7 × 10(-3) mm(2)/s; f3 = 13.5 ± 0.8 %) diffusion compartment [results from the validation study]. The very fast compartment contributed to the IVIM signal only for b values ≤15 s/mm(2) CONCLUSION: The tri-exponential model provided the best fit for IVIM signal decay in the liver over the 0-800 s/mm(2) range. In IVIM analysis of normal liver, a third very fast (pseudo)diffusion component might be relevant. KEY POINTS: ? For normal liver, tri-exponential IVIM model might be superior to bi-exponential ? A very fast compartment (D = 404.00 ± 43.7 × 10 (-3)  mm (2) /s; f = 13.5 ± 0.8 %) is determined from the tri-exponential model ? The compartment contributes to the IVIM signal only for b ≤ 15 s/mm (2.)

Developing correlative Optical-Photoacustic microscopy for high-resolution in vivo imaging

PhotoAcoustic Imaging (PAI) is a branch in clinical and pre-clinical imaging, that refers to the techniques mapping acoustic signals caused by the absorption of the short laser pulse. This conversion of electromagnetic energy of the light to the mechanical (acoustic) energy is usually called photoacoustic effect. PAI, by combining optical excitation with acoustical detection, is able to preserve the diffraction limited spatial resolution. At the same time, the penetration depth is extended beyond the diffusive limit. The Laser-Scanning PhotoAcoustic Microscope system (LS-PAM) has been developed, that offers the axial resolution of 7.75 µm with the lateral resolution better than 10 µm. The first in vivo imaging experiments were carried out. Thus, in vivo label-free imaging of the mouse ear was performed. The principle possibility to image vessels located in deep layers of the mouse skin was shown. As well as that, a gold printing sample, vasculature of the Chick Chorioallantoic Membrane Assay, Drosophila larvae were imaged by PAI. During the experimental work, a totally new application of PAM was found, in which the acoustic waves, generated by incident light can be used for further imaging of another sample. In order to enhance the performance of the presented system two main recommendation can be offered. First, the current system should be transformed into reflection-mode setup system. Second, a more powerful source of light with the sufficient repetition rate should be introduced into the system.

Terahertz spectroscopy and imaging at the nanoscale for biological and security applications

The chemical specificity of terahertz spectroscopy, when combined with techniques for sub-wavelength sensing, is giving new understanding of processes occurring at the nanometre scale in biological systems and offers the potential for single molecule detection of chemical and biological agents and explosives. In addition, terahertz techniques are enabling the exploration of the fundamental behaviour of light when it interacts with nanoscale optical structures, and are being used to measure ultrafast carrier dynamics, transport and localisation in nanostructures. This chapter will explain how terahertz scale modelling can be used to explore the fundamental physics of nano-optics, it will discuss the terahertz spectroscopy of nanomaterials, terahertz near-field microscopy and other sub-wavelength techniques, and summarise recent developments in the terahertz spectroscopy and imaging of biological systems at the nanoscale. The potential of using these techniques for security applications will be considered.

La qualità erogata da un'azienda di trasporto collettivo in ambito urbano: calcolo del livello di servizio delle principali linee di ATC (BO)

Oggetto di questa tesi è lo studio della qualità del servizio di trasporto erogato che condiziona la qualità percepita dall’utente, poiché spesso proprio a causa di un errato processo di pianificazione e gestione della rete, molte aziende non sono in grado di consolidare un alto livello di efficienza che permetta loro di attrarre e servire la crescente domanda. Per questo motivo, si è deciso di indagare sugli aspetti che determinano la qualità erogata e sui fattori che la influenzano, anche attraverso la definizione di alcuni indicatori rappresentativi del servizio erogato. L’area di studio considerata è stata quella urbana di Bologna, e sono state prese in esame due linee di ATC, la 19 e la 27, caratterizzate entrambe da una domanda di trasporto molto elevata. L’interesse è ricaduto in modo particolare sugli aspetti legati alla regolarità del servizio, ovvero al rispetto della cadenza programmata delle corse e alla puntualità, ossia il rispetto dell’orario programmato delle stesse. Proprio da questi due aspetti, infatti, dipende in larga misura la percezione della qualità che gli utenti hanno del servizio di trasporto collettivo. Lo studio è stato condotto sulla base di dati raccolti attraverso due campagne di rilevamento, una effettuata nel mese di maggio dell’anno 2008 e l’altra nel mese di settembre dello stesso anno. La scelta del periodo, della zona e delle modalità di rilevamento è strettamente connessa all’obiettivo prefissato. Il servizio è influenzato dalle caratteristiche del sistema di trasporto: sia da quelle legate alla domanda che da quelle legate all’offerta. Nel caso della domanda di trasporto si considera l’influenza sul servizio del numero di passeggeri saliti e del tempo di sosta alle fermate. Nel caso dell’offerta di trasporto si osservano soprattutto gli aspetti legati alla rete di trasporto su cui si muovono gli autobus, analizzando quindi i tempi di movimento e le velocità dei mezzi, per vedere come le caratteristiche dell’infrastruttura possano condizionare il servizio. A tale proposito è opportuno dire che, mentre i dati della prima analisi ci sono utili per lo studio dell’influenza del tempo di sosta sull’intertempo, nella seconda analisi si vuole cercare di effettuare ulteriori osservazioni sull’influenza del tempo di movimento sulla cadenza, prendendo in esame altri elementi, come ad esempio tratti di linea differenti rispetto al caso precedente. Un’attenzione particolare, inoltre, verrà riservata alla verifica del rispetto della cadenza, dalla quale scaturisce la definizione del livello di servizio per ciò che riguarda la regolarità. Per quest’ultima verrà, inoltre, determinato anche il LOS relativo alla puntualità. Collegato al problema del rispetto della cadenza è il fenomeno dell’accodamento: questo si verifica quando i mezzi di una stessa linea arrivano contemporaneamente ad una fermata uno dietro l’altro. L’accodamento ha, infatti, origine dal mancato rispetto della cadenza programmata tra i mezzi ed è un’evidente manifestazione del mal funzionamento di un servizio di trasporto. Verrà infine condotta un’analisi dei fattori che possono influenzare le prestazioni del servizio di trasporto pubblico, così da collocare i dati ottenuti dalle operazioni di rilevamento in un quadro più preciso, capace di sottolineare alcuni elementi di criticità e possibili rapporti di causalità.