Bioprinting: Stato dell'arte ed applicazioni biomediche

L’argomento trattato in questo elaborato riguarda una nuova tecnologia che si sta sviluppando nel settore dell’ingegneria dei tessuti: il Bioprinting. Tale rivoluzionario approccio completamente automatizzato, consiste nell’elaborazione automatica delle immagini CAD (Computer-Aided Design) e nella fabbricazione assistita CAM (Computer-Aided Manufacturing) al fine di ricreare tessuti ed organi. Nel seguito verrà data una definizione del processo, verranno analizzate le varie fasi di laborazione, le tecniche ed i materiali utilizzati. Verranno infine riportati studi riguardanti alcune applicazioni della tecnica, quali la realizzazione di vasi sanguigni, cartilagine e pelle.

Integrazione di dati antropometrici e termografici per l'analisi della distribuzione di temperatura all'interfaccia moncone-protesi d'arto inferiore

Le immagini termiche all’ infrarosso sono utilizzate da molte decadi per monitorare la distribuzione di temperatura della pelle umana. Anormalità come infiammazioni ed infezioni causano un aumento locale della temperatura, visibile sulle immagini sotto forma di hot spot. In tal senso la termografia ad infrarossi può essere utilizzata nel campo ortopedico per rilevare le zone sovra-caricate dalla protesi. Per effettuare una valutazione precisa dell’interfaccia moncone-invasatura può essere utile combinare i dati termografici e i dati antropometrici (superficie tridimensionale del moncone), relativi ai singoli pazienti. Di ciò si occupa tale studio, che dopo aver fornito una panoramica sulla termografia e sulla reverse engineering, sperimenta delle tecniche semplici e low-cost per combinare i dati termici e i dati antropometrici. Buoni risultati si riescono ad ottenere utilizzando un Kinect come scanner e un software open-source per il texture mapping. I termogrammi 3D ricreati costituiscono un ottimo strumento di valutazione, per medici e tecnici ortopedici, circa il design dell’invasatura.

La navigazione neurochirurgica: analisi della tecnologia nello studio di un caso clinico reale

L’avvento delle tecniche di imaging volumetrico, quali la CT (Computed Tomography) e la MRI (Magnetic Resonance Investigation), ha portato ad un crescente interesse verso applicazioni di guida chirurgica che utilizzano processi di allineamento delle immagini diagnostiche provenienti da diverse modalità e di tecniche che ne permettono la visualizzazione in sala operatoria, in modo da fornire al chirurgo il maggior numero di informazioni cliniche possibili durante un intervento. Il crescente interesse verso questo tipo di applicazioni è dovuto anche allo sviluppo di dispositivi di imaging intra-operatorio quali archi a C-mobili radiologici, PC ad alte prestazioni e convertitori A/D 3D con precisione clinicamente accettabile. Questi ultimi due hanno conseguentemente portato a sviluppare ed implementare software dedicati alla pianificazione di un intervento chirurgico, permettendo quindi di elaborare digitalmente le immagini diagnostiche e ricostruire un modello che rappresenta l’effettiva anatomia del paziente. Questo processo nel suo complesso ha portato allo sviluppo di quelli che oggi vengono chiamati sistemi di navigazione chirurgica, abbreviati talvolta in IGSS (Imaging-Guided Surgery Systems), sistemi ovvero che permettono di utilizzare immagini pre-operatorie come guida durante la pratica chirurgica, caratterizzando quindi nuovi metodi di approccio alla chirurgia, le IGS (Image-Guided Surgery) appunto.

Revisione della cartografia geologica di dettaglio del'area di Tataouine (Tunisia)

In questa tesi viene proposta una revisione della cartografia geologica del Bacino di Tataouine, nella Tunisia meridionale, mediante la combinazione di sezioni stratigrafiche rilevate in campagna, acquisizione di cartografie a diversa risoluzione presenti in letteratura e applicazione di tecnologie GIS. In particolare, si è cercato di migliorare la risoluzione del materiale cartografico esaminato in specifici settori dell’area di studio fornendo informazioni dettagliate per le singole unità stratigrafiche affioranti. I dati esaminati si riferiscono principalmente alle successioni esposte lungo la scarpata del Dahar, un elemento morfologico sub-verticale che si estende nell’intera area di studio e che rende particolarmente difficile la rappresentazione in pianta delle diverse unità affioranti. A supporto dei dati di campagna (che si riferiscono a 23 sezioni stratigrafiche e 43 punti di controllo) sono stati integrati i dati ottenuti da immagini satellitari ad alta risoluzione. L’utilizzo di ArcMap ha permesso di unire i diversi dataset e ottenere quindi carte geologiche a maggiore risoluzione stratigrafica rispetto a quelle disponibili. L’applicazione della metodologia illustrata in questo progetto, se trasferita ad altri casi studio, potrebbe divenire una modalità operativa utile per ottenere una maggiore risoluzione nella rappresentazione in carta della geologia di un territorio.

Analisi degli errori di estrazione di minuzie in impronte di bassa qualita

Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare i casi in cui un particolare algoritmo di estrazione delle minuzie da immagini di impronte digitali compie notevoli errori, e di migliorarne le prestazioni.

Valutazione funzionale tramite fluoroscopia 3d di una nuova tecnica chirurgica per la navigazione intra-operatoria dell'articolazione patello-femorale

Una tracciato anormale della rotula può provocare dolore anteriore al ginocchio dopo un’artroplastica e può condurre al fallimento dell’intervento stesso. È importante quindi valutare questo tracciato sia intra che post-operatoriamente, anche per validare disegni protesici innovativi e supportare il chirurgo per le più critiche decisioni chirurgiche al momento dell’impianto. Ad oggi però le valutazioni in-vivo della cinematica femoro-rotulea sono poche e poco attendibili; è per questi motivi che abbiamo deciso di analizzare l’articolazione con la tecnica video-fluoroscopica, appositamente adattata allo scopo di tale studio, a sei mesi di follow-up dall’intervento. Per lo studio abbiamo esaminato, tramite video-fluoroscopia 3D, sette pazienti che hanno subito l’impianto di una protesi totale al ginocchio con ricopertura della rotula. Successivamente le immagini sono state elaborate con un apposito software per ricostruire la cinematica 3D, e sono stati ottenuti i grafici per ogni grado di libertà dell’articolazione. Dall’analisi dei risultati, la tecnica utilizzata è risultata fattibile ed affidabile, infatti dai grafici si nota come la normale cinematica delle articolazioni studiate sia stata ripristinata. Questo studio, oltre a validare l’applicazione della tecnica video-fluoroscopica all’articolazione femoro-rotulea oltre che a quella tibio-femorale, dopo un confronto con i dati derivanti dalla navigazione chirurgica, ha consentito di validare anche questa tecnica intra-operatoria. Questo risultato potrà condurre ad una maggiore precisione nell’allineamento delle componenti protesiche da parte del chirurgo, con conseguente riduzione del rischio di fallimento dell’impianto.

Wie Kinder kommunizieren: Die geheime Sprache von Bildern und Spielen

“Un bambino è un libro da leggere[...]” L’aforisma del poeta e scrittore austriaco Peter Rosegger introduce perfettamente il presente elaborato, il cui scopo è quello di capire il linguaggio segreto delle immagini e dei giochi dei bambini. Il lavoro, infatti, chiarirà come interpretare le immagini infantili e come scoprirne i significati nascosti; inoltre verranno approfonditi i diversi giochi effettuati dai bambini, perché anche questi rappresentano un’importante forma di comunicazione. Per questo, nell’elaborato, verrà attribuito un ruolo di primo piano alla comunicazione non verbale. L’intenzione del presente elaborato è quella di portare l’attenzione del lettore sulle immagini e sui giochi utilizzati dai bambini, in quanto forme di comunicazione che trasmettono messaggi più chiari e veritieri della lingua stessa. Di seguito verranno riportati molti esempi che renderanno più comprensibile l’argomento. L’elaborato è composto da tre macrosezioni: nella prima verrà trattata la prima forma di comunicazione, prestando particolare attenzione al significato del pianto e del sorriso; nella seconda ci si occuperà del linguaggio segreto delle immagini realizzate dai bambini e dell’interpretazione di queste ultime; la terza e ultima sezione, invece, affronterà il linguaggio segreto del gioco attraverso l’analisi di tre giochi conosciuti e significativi.

Estrazione di parametri elettromiografici per la quantificazione di un percorso riabilitativo basato su elettroterapia

L'elettromiografia di superficie (sEMG) è la tecnica non invasiva che si occupa della misura e analisi dell'attività elettrica associata alla contrazione del muscolo scheletrico, che viene prelevata tramite elettrodi superficiali. Si vuole dimostrare come questa metodologia rappresenti un valido strumento di monitoraggio quantitativo da affiancare ad un trattamento di elettroterapia. Si sono effettuate rilevazioni elettromiografiche su sette pazienti presso centri fisioterapici e si sono estratti una serie di parametri numerici dal segnale elettromiografico (Media Lavoro, Media Riposo, Deviazione Lavoro, Deviazione Riposo, Tempo Inizio, Tempo Rilassamento, MVC, IEMG) in grado di fornire una misura oggettiva dell'andamento del percorso di riabilitazione. Con il test statistico ANOVA per misure ripetute si è visto come alcuni di questi parametri subiscono miglioramenti statisticamente significativi in seguito alla terapia. Dopo aver messo in evidenza l'impossibilità di estrarre il segnale grezzo, quindi effettuare un'analisi in frequenza, si è proposta un'elaborazione completa del segnale elettromiografico a partire da un tracciato grezzo acquisito su un soggetto sano, mostrando in particolare la possibilità di calcolare ulteriori parametri in frequenza. Si è inoltre sottolineata la necessità di ripetere uno studio analogo su un gruppo di soggetti superiore e che preveda il monitoraggio dell'impedenza di contatto elettrodo-cute.

MR spectroscopy in human prostate: in vitro and in vivo measurements to optimize new quantification algorithms

Il cancro della prostata (PCa) è il tumore maligno non-cutaneo più diffuso tra gli uomini ed è il secondo tumore che miete più vittime nei paesi occidentali. La necessità di nuove tecniche non invasive per la diagnosi precoce del PCa è aumentata negli anni. 1H-MRS (proton magnetic resonance spectroscopy) e 1H-MRSI (proton magnetic resonance spectroscopy imaging) sono tecniche avanzate di spettroscopia in risonanza magnetica che permettono di individuare presenza di metaboliti come citrato, colina, creatina e in alcuni casi poliammine in uno o più voxel nel tessuto prostatico. L’abbondanza o l’assenza di uno di questi metaboliti rende possibile discriminare un tessuto sano da uno patologico. Le tecniche di spettroscopia RM sono correntemente utilizzate nella pratica clinica per cervello e fegato, con l’utilizzo di software dedicati per l’analisi degli spettri. La quantificazione di metaboliti nella prostata invece può risultare difficile a causa del basso rapporto segnale/rumore (SNR) degli spettri e del forte accoppiamento-j del citrato. Lo scopo principale di questo lavoro è di proporre un software prototipo per la quantificazione automatica di citrato, colina e creatina nella prostata. Lo sviluppo del programma e dei suoi algoritmi è stato portato avanti all’interno dell’IRST (Istituto Romagnolo per lo Studio e la cura dei Tumori) con l’aiuto dell’unità di fisica sanitaria. Il cuore del programma è un algoritmo iterativo per il fit degli spettri che fa uso di simulazioni MRS sviluppate con il pacchetto di librerie GAMMA in C++. L’accuratezza delle quantificazioni è stata testata con dei fantocci realizzati all’interno dei laboratori dell’istituto. Tutte le misure spettroscopiche sono state eseguite con il nuovo scanner Philips Ingenia 3T, una delle machine di risonanza magnetica più avanzate per applicazioni cliniche. Infine, dopo aver eseguito i test in vitro sui fantocci, sono stati acquisiti gli spettri delle prostate di alcuni volontari sani, per testare se il programma fosse in grado di lavorare in condizioni di basso SNR.

Analisi delle prestazioni della piattaforma semantica smart-m3 mediante il benchmark lubm

Il software Smart-M3, ereditato dal progetto europeo SOFIA, conclusosi nel 2011, permette di creare una piattaforma d'interoperabilità indipendente dal tipo di dispositivi e dal loro dominio di utilizzo e che miri a fornire un Web Semantico di informazioni condivisibili fra entità software e dispositivi, creando ambienti intelligenti e collegamenti tra il mondo reale e virtuale. Questo è un campo in continua ascesa grazie al progressivo e regolare sviluppo sia della tecnologia, nell'ambito della miniaturizzazione dei dispositivi, che delle potenzialità dei sistemi embedded. Questi sistemi permettono, tramite l'uso sempre maggiore di sensori e attuatori, l'elaborazione delle informazioni provenienti dall’esterno. È evidente, come un software di tale portata, possa avere una molteplicità di applicazioni, alcune delle quali, nell’ambito della Biomedica, può esprimersi nella telemedicina e nei sistemi e-Heath. Per e-Health si intende infatti l’utilizzo di strumenti basati sulle tecnologie dell'informazione e della comunicazione, per sostenere e promuovere la prevenzione, la diagnosi, il trattamento e il monitoraggio delle malattie e la gestione della salute e dello stile di vita. Obiettivo di questa tesi è fornire un set di dati che mirino ad ottimizzare e perfezionare i criteri nella scelta applicativa di tali strutture. Misureremo prestazioni e capacità di svolgere più o meno velocemente, precisamente ed accuratamente, un particolare compito per cui tale software è stato progettato. Ciò si costruisce sull’esecuzione di un benchmark su diverse implementazioni di Smart-M3 ed in particolare sul componente centrale denominato SIB (Semantic Information Broker).

La radioterapia guidata dalle bioimmagini di risonanza magnetica

La radioterapia guidata dalle immagini è una terapia medica che utilizza acquisizioni frequenti di immagini durante la radioterapia. Scopo di questo elaborato è di dimostrare come l'acquisizione di bioimmagini con risonanza magnetica durante l'erogazione del trattamento radioterapico possa portare a una notevole riduzione dei problemi a cui la radioterapia è legata: errori di posizionamento del paziente, localizzazione del volume bersaglio, movimento degli organi durante l'erogazione del trattamento. Partendo dai meccanismi biologici e fisici di iterazione tra le particelle del fascio di erogazione del trattamento e quelle tumorali costituenti il tessuto bersaglio, si è descritta la radioterapia guidata dalle immagini, accostandola alla risonanza magnetica nel trattamento di specifici tumori situati nei polmoni, nella zona del collo e della testa, e nella prostata. Infine si sono descritti gli impianti di ultima generazione che integrano il sistema per l'erogazione del trattamento radioterapico con quello di acquisizione di immagini con risonanza magnetica.

Un'analisi dell'impatto dell'informatica sul mercato del lavoro

In questa analisi si cercherà di comprendere cosa caratterizza questa l'ondata di progresso tecnologico che sta cambiando il mercato del lavoro. Il principale aspetto negativo di questo progresso si chiama "Technological Unemployment". Benché gli esperti si trovino in disaccordo su quali siano le cause della persistente alta disoccupazione, Brynjolfsson e McAfee puntano il dito contro l'automazione che ha soppiantato i lavori ripetitivi delle aziende. Tuttavia, è anche vero che il progresso ha sempre portato aumenti di produttività, e soprattutto nuovi tipi di occupazioni che hanno compensato la perdita di posti di lavoro, nel medio-lungo termine. Keynes evidenzia che la disoccupazione dovuta alla scoperta di strumenti economizzatori di manodopera procede con ritmo più rapido di quello con cui riusciamo a trovare nuovi impieghi per la manodopera stessa. Da ciò si crea ansia per il futuro, più o meno motivata. Gli stessi esperti sono spaccati a metà tra chi ha fiducia nei possibili risvolti positivi del progresso e chi invece teme possa comportare scenari catastrofici. Le macchine ci rubano lavoro o ci liberano da esso? Con questa ricerca ci si pone l'obiettivo di analizzare le effettive prospettive dei prossimi decenni. Nel capitolo 2 che è il corpo della tesi prenderemo soprattutto in conto il lavoro accademico di Frey ed Osborne dell'Oxford Martin School, intitolato "The future of employment: how susceptible are jobs to computerisation?" (2013). Essi sono stati tra i primi a studiare e quantificare cosa comporteranno le nuove tecnologie in termini di impiego. Il loro obiettivo era individuare le occupazioni a rischio, da qui a vent'anni, nel mercato del lavoro degli Stati Uniti e la relazione che intercorre tra la loro probabilità di essere computerizzati e i loro salari e livello d'istruzione medi, il tutto valutato attraverso l'ausilio di una nuova metodologia che si vedrà nel dettaglio. A conclusioni simili alle loro, per certi aspetti, è successivamente giunto anche Autor; tra l'altro viene spesso citato per altre sue opere dagli stessi Frey e Osborne, che usano le sue categorizzazioni per impostare la struttura del loro calcolo dell'automatizzabilità dei lavori utilizzando i recenti miglioramenti nelle scienze ingegneristiche quali ML (Machine Learning ad esempio Data mining, Machine vision, Computational statistics o più in generale AI) e MR (Mobile robotics) come strumenti di valutazione. Oltre alle sue ricerche, si presenteranno brevemente i risultati di un recente sondaggio tenuto dal Pew Research Center in cui importanti figure dell'informatica e dell'economia esprimono il loro giudizio sul futuro panorama del mondo del lavoro, considerando l'imminente ondata di innovazioni tecnologiche. La tesi si conclude con un'elaborazione personale. In questo modo si prenderà coscienza dei problemi concreti che il progresso tecnologico potrebbe procurare, ma anche dei suoi aspetti positivi.

Implementazione di algoritmi di localizzazione di sorgenti audio

Questo progetto è stato ideato con lo scopo di implementare e simulare un algoritmo di stima della posizione di una sorgente sonora. E' stato scelto di utilizzare MATLAB come strumento di sviluppo. Tutti i dispositivi hardware utilizzati sono compatibili, interfacciabili tra loro ed ampiamente descritti all'interno di questo elaborato.

Campagna sperimentale per lo studio di vibrazioni su un caricatore automatico di barre

Il lavoro è stato svolto presso IEMCA, azienda attiva nel settore della produzione di caricatori automatici di barre, e si è composto a grandi linee di tre fasi. Nella prima di queste tre fasi è stata analizzata la strumentazione adatta ad eseguire i rilievi di vibrazioni disponibile in azienda con il fine di comprenderne le potenzialità. Questa prima parte del lavoro si è conclusa con il consolidamento di una buona conoscenza del software e dell'hardware a disposizione. Nella seconda fase ci si è concentrati invece sull'elaborazione di un metodo di analisi delle vibrazioni applicabile alle macchine prodotte da IEMCA. A questo scopo si è studiata la macchina denominata Master80Up con il fine di ricavare una procedura di indagine estendibile in futuro anche agli altri sistemi automatici prodotti da IEMCA. La scelta di questo particolare modello è discesa dall'essere in corso di aggiornamento nel momento particolare in cui si è svolto il lavoro. La seconda fase ha visto inizialmente l'elaborazione di un modello fisico della macchina, utilizzato poi nel seguito come supporto all'esecuzione dell'analisi della vibrazione libera della struttura che ha permesso di ottenere una stima qualitativa delle frequenze naturali e dei modi di vibrare del sistema. Nella terza fase infine si è ripetuta la procedura elaborata sulla versione aggiornata della macchina, denominata Master80HD, per verificare gli effetti di irrobustimenti strutturali studiati dall'ufficio tecnico i quali si sono rivelati utili in generale alla riduzione della vibrazione della macchina.

Ottimizzazione e validazione di un protocollo di acquisizione dati per un sistema di impedenziometria

Il seguente progetto di tesi si basa sull’ottimizzazione del protocollo impiegato da un impedenziometro per l’analisi spettrale della pelle, con l’obiettivo di individuare la presenza di un tumore. Il lavoro è poi proseguito con la validazione dello strumento per mezzo di un lavoro di misura su resistenze semplici e impedenze complesse.