Sistemi indossabili per acquisizione e monitoraggio di segnali biomedici

L'elaborato tratterà lo stato della tecnologia nel campo dell'acquisizione e del monitoraggio di segnali fisiologici grazie all'utilizzo di sistemi indossabili. Nel primo capitolo della tesi saranno introdotte le idee e le motivazioni che hanno spinto la ricerca verso una maggiore integrazione tra uomo, tecnologia e qualità della vita. Verranno introdotti poi alcuni dispositivi che spiccano per le loro particolarità e qualità che al meglio rispecchiano la fusione tra ingegneria e medicina. Il secondo capitolo descriverà alcuni dei sensori e in generale le tecnologie utilizzate in questi dispositivi. L'ultima parte della tesi tratterà, attraverso il concetto di mHealth, come questi nuovi strumenti sono e dovrebbero essere regolamentati dagli enti preposti, sottolineando quali vantaggi e svantaggi la direzione che la tecnologia ha intrapreso in questo settore potrà in futuro portare alla salute, alla sanità pubblica e alla qualità della vita.

Progettazione e sviluppo di un prototipo di dispositivo wearable per il monitoraggio dell'attivita elettro-meccanica del cuore

Il presente lavoro di tesi è finalizzato allo sviluppo di un dispositivo indossabile, e minimamente invasivo, in grado di registrare in maniera continua segnali legati all’attività elettromeccanica del muscolo cardiaco, al fine di rilevare eventuali anomalie cardiache. In tal senso il sistema non si limita alla sola acquisizione di un segnale ECG, ma è in grado di rilevare anche i toni cardiaci, ovvero le vibrazioni generate dalla chiusura delle valvole cardiache, la cui ampiezza è espressione della forza contrattile (funzione meccanica) del cuore. Il presente lavoro di tesi ha riguardato sia la progettazione che la realizzazione di un prototipo di tale dispositivo ed è stato svolto presso il laboratorio di Bioingegneria del Dipartimento di Medicina Specialistica Diagnostica e Sperimentale dell’Università di Bologna, sito presso l’Azienda Ospedaliero-Universitaria Policlinico Sant’Orsola-Malpighi. Il sistema finale consiste in un dispositivo applicabile al torace che, attraverso una serie di sensori, è in grado di rilevare dati legati alla meccanica del cuore (toni cardiaci), dati elettrici cardiaci (ECG) e dati accelerometrici di attività fisica. Nello specifico, il sensing dei toni cardiaci avviene attraverso un accelerometro in grado di misurare le vibrazioni trasmesse al torace. I tracciati, raccolti con l’ausilio di una piattaforma Arduino, vengono inviati, tramite tecnologia Bluetooth, ad un PC che, attraverso un applicativo software sviluppato in LabVIEW™, ne effettua l’analisi, il salvataggio e l’elaborazione in real-time, permettendo un monitoraggio wireless ed in tempo reale dello stato del paziente.

Sviluppo e test di una rete di sensori indossabili per il monitoraggio e la riabilitazione di pazienti affetti da morbo di parkinson

Il recente sviluppo commerciale di smartphone, tablet e simili dispositivi, ha portato alla ricerca di soluzioni hardware e software dotate di un alto livello di integrazione, in grado di supportare una potenza di calcolo e una versatilità di utilizzo sempre più crescenti, pur mantenendo bassi i consumi e le dimensioni dei dispositivi. Questo sviluppo ha consentito parallelamente a simili tecnologie di trovare applicazione in tanti altri settori, tra i quali quello biomedicale. Il lavoro esposto in questa tesi si inserisce nel contesto appena descritto e, in particolare, consiste nello sviluppo di un sistema WBAN ideato per garantire maggiore flessibilità, controllo e personalizzazione nella terapia riabilitativa dei pazienti affetti da Morbo di Parkinson. In questo campo è stata dimostrata l'efficacia, in termini di miglioramento delle condizioni di vita dell'individuo, dell'esercizio fisico e in particolare di una serie di fisioterapie riabilitative specifiche. Tuttavia manca ancora uno strumento in grado di garantire più indipendenza, continuità e controllo,per le persone affette da MP, durante l'esecuzione di questi esercizi; senza che sia strettamente necessario l'intervento di personale specializzato per ogni seduta fisioterapeutica. Inoltre manca un sistema che possa essere comodamente trasportato dal paziente nelle attività di tutti i giorni e che consenta di registrare e trasmettere eventi particolari legati alla patologia, come blocchi motori e cadute accidentali. Il presente lavoro di tesi tratta della realizzazione di un Firmware per la gestione di un Nodo Centrale che funge da master in una rete WBAN a tre nodi. L'obbiettivo è quello di integrare in tale firmware le funzioni di acquisizione dati dai sensori on-board, comunicazione tra i nodi della rete e gestione delle periferiche hardware secondarie; in particolare per lo sviluppo è stato usato un Sistema Operativo Real-Time (RTOS) del quale sono esposti vantaggi e svantaggi dell’utilizzo.

Tecnologie per il monitoraggio qualitativo delle risorse idriche sotterranee in relazione al progetto di riqualificazione della sp46 Rho-Monza

Il presente studio ha analizzato e seguito il monitoraggio ambientale relativo al progetto di adeguamento con caratteristiche autostradali della SP46 Rho-Monza. Più precisamente il progetto dii riqualificazione prevede la realizzazione di nuove infrastrutture, ma anche l’ammodernamento di quelle già esistenti. Più precisamente è stata quindi prevista l’analisi degli interventi eseguiti e delle tecnologie utilizzate per il monitoraggio ambientale presso i comuni di Milano e Paderno Dugnano: realizzazione di perforazioni a distruzione di nucleo, la messa in opera di piezometri a tubo aperto nei fori di sondaggio realizzati, l’esecuzione di rilevazioni chimico-fisiche sulla falda intercettata dai piezometri realizzati. Tramite questo studio è stato così possibile ricostruire il livello freatimetrico della falda direttamente interessata dal progetto di riqualificazione della SP46 ed intercettata dai piezometri. In secondo luogo oltre alla ricostruzione della soggiacenza della falda, è stato valutato l’impatto antropico sulla qualità delle acque sotterranee della falda stessa, grazie alla determinazione di parametri chimico-fisici e ad analisi di laboratorio su campioni di acqua prelevati.

Applicazioni Android basate su tecnologia NFC: rassegna e sperimentazione in contesti di controllo degli accessi

Il documento illustra le funzionalita' della tecnologia NFC, descrive in maniera dettagliata le API pubblicate da Google per lavorare con NFC su Android, e mostra un caso di studio nel contesto di controllo degli accessi..

Dynamic Adaptive Streaming over Http: implementazione e analisi sperimentale di algoritmi di rate adaptation su client Android

Il lavoro svolto in questa tesi consiste nell'implementare un'applicazione Android per lo streaming video, conforme allo standard MPEG-DASH. L'obiettivo è quello di fornire un valido strumento al fine di eseguire delle analisi sperimentali su algoritmi particolari, detti di rate adaptation. MPEG-Dynamic Adaptive Streaming over Http è uno standard emergente ed è considerato da molti il futuro dello streaming multimediale. Questa tecnologia consente di auto-regolare la qualità del video in base alle condizioni della rete, la capacità del dispositivo o le preferenze dell'utente. Inoltre, essendo uno standard, permette di rendere interoperabili i server e i device dei vari fornitori di contenuti multimediali. Nei primi capitoli introduttivi verrà presentato lo standard e i lavori correlati, successivamente verrà descritta la mia proposta applicativa: DashPlayer. In conclusione, verrà compiuta una valutazione sperimentali sugli algoritmi sopracitati che costituiscono la parte logico-funzionale dell'applicazione.

Applicazioni di tecnologie IoT e wearable alla domotica: un caso di studio

Oggigiorno milioni di persone fanno uso di Internet per gli utilizzi più disparati: dalla ricerca di informazioni sul Web al gioco online; dall'invio e ricezione di email all'uso di applicazioni social e tante altre attività. Mentre milioni di dispositivi ci offrono queste possibilità, un grande passo in avanti sta avvenendo in relazione all'uso di Internet come una piattaforma globale che permetta a oggetti di tutti i giorni di coordinarsi e comunicare tra di loro. È in quest'ottica che nasce Internet of Things, l'Internet delle cose, dove un piccolo oggetto come un braccialetto può avere un grande impatto nel campo medico per il monitoraggio da remoto di parametri vitali o per la localizzazione di pazienti e personale e l'effettuazione di diagnosi da remoto; dove un semplice sensore ad infrarosso può allertarci a distanza di una presenza non autorizzata all'interno della nostra abitazione; dove un'autovettura è in grado di leggere i dati dai sensori distribuiti sulla strada. Questa tesi vuole ripercorrere gli aspetti fondamentali di Internet of Things, dai sistemi embedded fino alla loro applicazione nella vita odierna, illustrando infine un progetto che mostra come alcune tecnologie IoT e wearable possano integrarsi nella domotica, come per esempio l'utilizzo di uno smartwatch, come Apple Watch, per il controllo dell'abitazione.

Uso di dati di telemetria per studiare la qualità e l'affidabilità di macchine per gelato espresso

L’odierno mercato concorrenziale ha portato le aziende a rinnovare il sistema produttivo, spostandosi da un approccio innovativo convergente, in cui le imprese erano le uniche detentrici del controllo dell’intero processo, fin dalla generazione di nuove idee e proposte di innovazione, ad un approccio aperto, denominato Open Innovation, che fa leva sul concetto di flusso libero e bidirezionale di idee e tecnologie tra l’azienda e l’ambiente esterno. È in questo contesto che è stata progettata in Carpigiani una piattaforma e-maintenance chiamata Teorema che, sfruttando un sistema di telemetria, consente di monitorare in tempo reale le macchine installate presso l’utente finale, acquisendo importanti informazioni sul reale utilizzo e sulle effettive funzionalità impiegate dal cliente. Grazie a tale gestione remota, allo stesso tempo è possibile garantire un’efficace operazione di diagnostica e prognostica atte a prevenire eventuali malfunzionamenti. Il presente elaborato fornisce un concreto metodo di utilizzo di tale piattaforma per il monitoraggio real time di macchine per gelato espresso, al fine di verificarne l’effettivo utilizzo da parte del cliente ed il corretto dimensionamento dell’impianto. Per mezzo della piattaforma Teorema è stato inoltre possibile eseguire un’indagine comparativa sui consumi energetici misurati in macchina, testando l’efficienza di funzionamento. Infine è stata eseguita un’analisi FMEA degli allarmi rilevati sul parco di macchine analizzate, per valutare l’affidabilità della macchina e dei suoi componenti.

Valutazione delle interazioni tra Fiumi Uniti (Ravenna) ed acquifero usando il calore come tracciante

Per molto tempo le risorse di acque sotterranee e quelle di acque superficiali sono state considerate e gestite come due entità a sé stanti; in realtà questi due corpi d’acqua rappresentano le componenti di un’unica risorsa: qualsiasi genere di impatto su una delle due andrà ad influire inevitabilmente sulla quantità o sulla qualità dell’altra. Lo scopo di questa tesi è quello di comprendere che grado di interazione esiste tra i Fiumi Uniti e l’acquifero costiero ravennate mediante due approcci distinti: (1) con l’analisi di profili termici teorici e ottenuti dal monitoraggio di misure termometriche in quattro piezometri, si intende ottenere informazioni riguardanti i flussi idrici sotterranei, (2) con la modellazione numerica dell’area nei pressi dei Fiumi Uniti (mediante Processing Modflow) è possibile ottenere una stima dei flussi sotterranei dal fiume verso l’acquifero nella zona di riferimento. Inoltre durante il monitoraggio del mese di settembre 2015 è stato installato un diver, ad una profondità di -7,4 m, in uno dei piezometri per ottenere un monitoraggio continuo per tutto il mese di ottobre. I dati termici rilevati in campo hanno permesso di confermare l’esistenza di un’importante interazione tra i corsi d’acqua presi in esame e l’acquifero costiero ravennate, testimoniato dall’ampia variazione di temperatura negli strati più superficiali. Inoltre tra il 10 e l’11 ottobre è stata registrata un’anomalia termica causata da un flusso orizzontale di acqua più calda in prossimità del piezometro proveniente dai Fiumi Uniti mediante trasporto per avvezione: tale anomalia viene registrata circa 2 giorni dopo una piena dei Fiumi Uniti. Grazie alla modellazione numerica è stato possibile confermare le tempistiche con cui l’acqua percorre la distanza tra il fiume e il piezometro preso in considerazione.

Utilizzo di cellule MCF-7 in coltura per valutare la presenza di xenoestrogeni e composti genotossici in acque ad uso potabile pre- e post- trattamento

Nelle matrici ambientali sono spesso presenti xenoestrogeni, molecole sintetiche o di origine naturale ad attività estrogenica in grado di alterare il normale equilibrio ormonale di organismi esposti, incidendo negativamente su alcune funzioni vitali come la riproduzione ed il metabolismo. Diverse sostanze chimiche presenti in ambiente, tra cui alcune molecole ad attività estrogenica, sono anche potenziali composti genotossici, in grado, cioè, di interagire con il DNA ed esercitare effetti anche a lungo termine come l’insorgenza di tumori nei vertebrati, uomo compreso. L’obiettivo del presente lavoro di tesi è stato quello di mettere a punto ed utilizzare due saggi biologici, il saggio E-screen ed il test dei micronuclei, per valutare la presenza di xenoestrogeni e composti genotossici in campioni di acque prelevate prima e dopo i trattamenti di potabilizzazione, utilizzando cellule MCF-7 di adenocarcinoma mammario come modello sperimentale in vitro. Le indagini biologiche sono state condotte sulla base di una convenzione di ricerca con la Società acquedottistica Romagna Acque- Società delle fonti e hanno previsto tre campagne di monitoraggio. I campioni di acqua sperimentale, raccolti prima e dopo i trattamenti presso diversi impianti di potabilizzazione, sono stati preventivamente filtrati, estratti in fase solida, fatti evaporare sotto leggero flusso di azoto, ed infine, saggiati sulle cellule. Il test E-screen, di cui abbiamo dimostrato un elevato livello di sensibilità, ha permesso di escludere la presenza di composti ad attività estrogenica nei campioni esaminati. Allo stesso modo, i risultati del test dei micronuclei hanno dimostrato l’assenza di effetti genotossici, confermando la buona qualità delle acque analizzate. Nell’ambito delle attività di monitoraggio, le indagini biologiche risultano essenziali per la valutazione di una potenziale contaminazione ambientale, in quanto forniscono informazioni anche quando non sono state condotte analisi chimiche. Inoltre, anche quando le analisi chimiche siano state condotte, i test biologici informano della potenzialità tossica di una matrice causata eventualmente da sostanze non oggetto del saggio chimico. Infine, i test biologici permettono di identificare eventuali sinergie tra più contaminanti presenti nelle acque, affermandosi come test da condurre in maniera complementare ai saggi chimici. I test biologici come quelli impiegati nel lavoro di tesi sono molto sensibili ed informativi, ma necessitano della definizione di protocolli standardizzati per garantirne un’uniforme applicazione alle acque ad uso potabile, almeno a livello nazionale.

Esperimenti sul controllo remoto di stazioni per il monitoraggio di processi geofisici per la valutazione di geohazard

In collaborazione con la sezione di Bologna dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) si è dato il via ad un progetto mirato alla costruzione di nuove stazioni monitoranti. Stazioni che dovranno avere un basso impatto in termini di costi e consumi energetici, dando contemporaneamente la possibilità di essere pilotate a distanza. Quest’ultimo è un parametro fondamentale perché permetterebbe di interagire con la stazione anche durante il verificarsi di calamità naturali. Per giungere ad una soluzione si è quindi proceduto analizzando i possibili scenari e le soluzioni attualmente impiegate. Valutandone gli aspetti negativi e positivi. Successivamente, terminata la fase di documentazione, si è passati a vagliare le soluzioni tecnologiche attualmente disponibili sul mercato e ad assemblare un prototipo sperimentale. Non appena in possesso di una macchina sulla quale poter effettuare tutte le prove necessarie si è passati alla fase successiva. L’implementazione di test che potessero rappresentare al meglio una situazione reale. Da qui si è giunti ad una conclusione, tenendo in considerazione diversi fattori: le condizioni imposte dall’ambiente durante le operazioni di test ed i risultati ottenuti.

Emergency direct: studio e implementazione di un'applicazione android per disseminazione di messaggi d'allarme in reti spontanee

In questa tesi inizialmente ci si è occupati di definire ed approfondire le caratteristiche della tecnologia Wi-Fi Direct, illustrandone il funzionamento, l’architettura e gli scenari di utilizzo. Successivamente è stata sviluppata un’applicazione basata su tale tecnologia, con lo scopo di fornire un servizio di disseminazione di messaggi d’aiuto in situazioni di emergenza o di catastrofi naturali, nelle quali la rete cellulare viene inevitabilmente meno. In queste occasioni c’è il bisogno di avere uno strumento che permetta di comunicare in maniera facile, veloce e che sia alla portata di tutti. Caratteristiche e qualità proprie di uno smartphone, dispositivo che oggigiorno è presente nelle tasche di ognuno di noi. L’obiettivo finale infatti, sarebbe quello di creare un applicativo che possa idealmente essere preinstallato in ogni nostro dispositivo, un servizio che sia diffuso, compreso ed utilizzabile istantaneamente da tutti, in modo tale da essere una sicurezza e un aiuto di vitale importanza in situazioni di pericolo. Per lo sviluppo di una tale applicazione ci si è basati sul sistema operativo Android, che è il più diffuso tra gli utenti di tutto il mondo. Nel primo capitolo ci si è occupati di di presentare ed approfondire la tecnologia Wi-Fi Direct, definendone gli ambiti generali di utilizzo e le problematiche che vengono affrontate. Nel secondo capitolo si prosegue con la presentazione della tecnologia in ambiente Android, descrivendo le API fornite da Google per l’utilizzo del servizio in questione. Nel terzo capitolo, dopo un’analisi dei progetti che coinvolgono tale tecnologia, viene illustrata l’applicazione creata, le sue funzionalità e caratteristiche ed eventuali casi d’uso. Nel quarto capitolo è stata inserita la parte più tecnica, dove illustro i problemi incontrati e le modalità di risoluzione degli stessi, insieme alle strutture ed agli oggetti messi a disposizione da Java che sono stati utilizzati. Infine nel capitolo conclusivo è stato fatto un riepilogo del lavoro svolto, indicando le difficoltà incontrate ed eventuali possibili miglioramenti e sviluppi futuri del mio progetto.

Caratterizzazione idrogeologica dell'acquifero presente all'interno di cordoni litoranei antropizzati: casi studio di Marina Romea e Porto Corsini

Secondo l'Agenzia Europea dell'Ambiente una delle principali minacce per le risorse di acqua dolce della zone costiere italiane è l’intrusione salina. L’obiettivo di questa tesi magistrale è la caratterizzazione idrogeologica di una frazione dell’acquifero freatico costiero situato in due differenti corpi dunosi. L’indagine proseguita per cinque mesi ha evidenziano differenze tra un’area sottoposta a forte pressione antropica (Marina Romea) e un’area che mostra un relativo sviluppo naturale del sistema spiaggia-duna (Porto Corsini). La tecnica di campionamento utilizzata è il sistema a minifiltri (multi level samplers), metodologia innovativa che garantisce tempistiche di monitoraggio rapide e una campionatura multi-livello puntuale e precisa. La campagna di monitoraggio ha coinvolto misure di freatimetria, conduttività elettrica e analisi chimiche delle acque che hanno portato ad una loro classificazione geo-chimica. Dai risultati si evidenzia che l’acquifero è molto salinizzato, gli strati d’acqua dolce sono isolati in lenti superficiali e i tipi di acque presenti sono dominati da ioni sodio e cloro. Tra i due siti il più vulnerabile risulta essere Marina Romea per molti fattori: l’erosione costiera che assottiglia la fascia dunale adibita alla ricarica di acqua dolce, un’estensione spaziale della duna minore rispetto a Porto Corsini, la presenza di infrastrutture turistiche che hanno frazionato la duna, la vicinanza al canale di drenaggio che causa la risalita delle acque profonde saline, la presenza di specie arboree idro-esigenti che attingono e quindi assottigliano le lenti d’acqua dolce. Si propone di migliorare la qualità dell’acqua sotterranea con una migliore gestione del canale di drenaggio, sostituendo alcuni esemplari di pinacee con specie arbustive tipiche degli ambienti dunosi ed infine imponendo misure per il risparmio idrico durante la stagione turistica.

Stabilità e variabilità del cammino in acqua

La camminata, sia in acqua sia a secco, è un esercizio praticato frequentemente in ambito riabilitativo. Lo scopo di questa tesi è di confrontare variabilità e stabilità del cammino dentro e fuori dall’acqua, al fine di comprendere le caratteristiche dei due tipi di cammino. L’analisi si è focalizzata sulla valutazione di misure di stabilità e variabilità che non erano mai state indagate prima per la camminata in acqua: Harmonic Ratio, Plot di Poincarè, moltiplicatori di Floquet, esponenti di Lyapunov, multiscale entropy, recurrence rate, determinism, averaged diagonal line length, maximum diagonal line length e divergenza. Gli indici sono stati calcolati su camminate di 30 e di 90 passi. Da questa analisi possiamo stimare anche quale parametro è già affidabile a 30 passi e non cambia se analizzato a 90 o se un parametro necessita di più passi per risultare affidabile. Inoltre è stata effettuata indagine statistica tramite test di Kruskal-Wallis. Dall'analisi è emerso che la camminata in acqua è più stabile, meno smooth, c’è un maggiore controllo posturale lungo gli assi antero-posteriore e medio-laterale e che il cammino è condotto in maniera meno automatica.

Regolazione di coppia e velocità di un motore in corrente continua con Arduino

Il controllo di coppia e velocità di un attuatore è una funzione molto importante per molte applicazioni nelle quali è richiesta una regolazione indipendente dal carico. L’elaborato mostra come, mediante l’implementazione di controlli a catena chiusa, è possibile regolare coppia e velocità di un motore in corrente continua a magneti permanenti. In particolare si evidenzia come la presenza di controlli a catena chiusa, fissato un segnale di riferimento, consente al sistema, basato su Arduino Uno, la regolazione autonoma della velocità angolare di rotazione del motore tale che questa rimanga costante anche in condizioni di variazione del carico applicato.