An optical sensor for online hematocrit measurement: characterization and fitting algorithm development

Lo scopo del presente lavoro di tesi riguarda la caratterizzazione di un sensore ottico per la lettura di ematocrito e lo sviluppo dell’algoritmo di calibrazione del dispositivo. In altre parole, utilizzando dati ottenuti da una sessione di calibrazione opportunamente pianificata, l’algoritmo sviluppato ha lo scopo di restituire la curva di interpolazione dei dati che caratterizza il trasduttore. I passi principali del lavoro di tesi svolto sono sintetizzati nei punti seguenti: 1) Pianificazione della sessione di calibrazione necessaria per la raccolta dati e conseguente costruzione di un modello black box.  Output: dato proveniente dal sensore ottico (lettura espressa in mV)  Input: valore di ematocrito espresso in punti percentuali ( questa grandezza rappresenta il valore vero di volume ematico ed è stata ottenuta con un dispositivo di centrifugazione sanguigna) 2) Sviluppo dell’algoritmo L’algoritmo sviluppato e utilizzato offline ha lo scopo di restituire la curva di regressione dei dati. Macroscopicamente, il codice possiamo distinguerlo in due parti principali: 1- Acquisizione dei dati provenienti da sensore e stato di funzionamento della pompa bifasica 2- Normalizzazione dei dati ottenuti rispetto al valore di riferimento del sensore e implementazione dell’algoritmo di regressione. Lo step di normalizzazione dei dati è uno strumento statistico fondamentale per poter mettere a confronto grandezze non uniformi tra loro. Studi presenti, dimostrano inoltre un mutazione morfologica del globulo rosso in risposta a sollecitazioni meccaniche. Un ulteriore aspetto trattato nel presente lavoro, riguarda la velocità del flusso sanguigno determinato dalla pompa e come tale grandezza sia in grado di influenzare la lettura di ematocrito.

Multicentre study for a robust protocol in single-voxel spectroscopy: quantification of MRS signals by time-domain fitting algorithms

Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) is an advanced clinical and research application which guarantees a specific biochemical and metabolic characterization of tissues by the detection and quantification of key metabolites for diagnosis and disease staging. The "Associazione Italiana di Fisica Medica (AIFM)" has promoted the activity of the "Interconfronto di spettroscopia in RM" working group. The purpose of the study is to compare and analyze results obtained by perfoming MRS on scanners of different manufacturing in order to compile a robust protocol for spectroscopic examinations in clinical routines. This thesis takes part into this project by using the GE Signa HDxt 1.5 T at the Pavillion no. 11 of the S.Orsola-Malpighi hospital in Bologna. The spectral analyses have been performed with the jMRUI package, which includes a wide range of preprocessing and quantification algorithms for signal analysis in the time domain. After the quality assurance on the scanner with standard and innovative methods, both spectra with and without suppression of the water peak have been acquired on the GE test phantom. The comparison of the ratios of the metabolite amplitudes over Creatine computed by the workstation software, which works on the frequencies, and jMRUI shows good agreement, suggesting that quantifications in both domains may lead to consistent results. The characterization of an in-house phantom provided by the working group has achieved its goal of assessing the solution content and the metabolite concentrations with good accuracy. The goodness of the experimental procedure and data analysis has been demonstrated by the correct estimation of the T2 of water, the observed biexponential relaxation curve of Creatine and the correct TE value at which the modulation by J coupling causes the Lactate doublet to be inverted in the spectrum. The work of this thesis has demonstrated that it is possible to perform measurements and establish protocols for data analysis, based on the physical principles of NMR, which are able to provide robust values for the spectral parameters of clinical use.

Formulazione e messa a punto di una metodologia per il progetto di ventilatori per gallerie del vento con applicazione al "long-pipe" del laboratorio CICLoPE : analisi attraverso l'impiego di modelli matematici in MATLAB

Nell'ottica di un futuro riprogetto, totale o parziale, del ventilatore della galleria del vento del progetto CICLoPE dell'Università di Bologna, è stato messo a punto, grazie a modelli matematici di letteratura, un algoritmo per la determinazione della geometria delle pale di un fan. La procedura si basa su ipotesi di incompressibilità e assenza di vortici di estremità ed è in grado di fornire la geometria del ventilatore una volta che sono state fissate: le condizioni richieste nella sezione di test, l'efficienza del tunnel e alcune proprietà del ventilatore stesso (ad esempio tipologia di profilo aerodinamico e numero di pale). L'algoritmo è in grado di lavorare solamente con la configurazione ventilatore seguito da profili raddrizzatori, ma è in previsione un'estensione che consentirà di studiare anche la configurazione a fan controrotanti (come quella del CICLoPE). Con questo software sono state progettate numerose soluzioni diverse per studiare il legame tra rendimento e geometria del ventilatore. Inoltre sono stati individuati i parametri che permettono di ottenere una pala con rastremazione e svergolatura trascurabili, con lo scopo di abbassare i costi del manufatto. In particolare è stato dimostrato come le configurazioni con diametro della nacelle grande (superiore al 65\% del diametro della sezione di potenza) siano particolarmente adatte a fornire rendimenti alti con la minima complicatezza della pala. Per quanto riguarda l'efficienza aerodinamica del profilo, i test comparativi indicano che questo parametro influisce relativamente poco sul rendimento del macchinario ma modifica profondamente la geometria della pala. Efficienze elevate tendono, secondo lo studio, a richiedere pale estremamente rastremate e poco svergolate; questo porta a preferire l'adozione di profili mediamente efficienti ma dall'ampio intervallo operativo in termini di angolo di attacco.

Analisi sperimentale di un sistema per il posizionamento e la movimentazione di sensori in galleria del vento, con applicazione al "long-pipe" in CICLoPE

Analisi di un sistema per il posizionamento e la movimentazione di sensori in galleria del vento. In particolare l’analisi è stata focalizzata sul sistema di movimentazione sonde (traversing) presente nel long-pipe in CICLoPE (Center for International Cooperation in Long Pipe Experiments). La struttura menzionata nasce per far fronte ad alcuni dei limiti presenti negli attuali laboratori fluidodinamici per lo studio della turbolenza ad alti numeri di Reynolds. Uno degli obiettivi del centro è quello di caratterizzare le più piccole strutture caratteristiche della turbolenza. Al fine di permettere tale studio era necessario migliorare il traversing esistente per ottenere movimenti ad alta precisione, in modo da raggiungere lo stesso ordine di grandezza delle scale più piccole della turbolenza. Il miglioramento di tale strumentazione è stato necessario anche per fornire un valido supporto alle metodologie esistenti per la determinazione della distanza tra sonde e parete, che resta una delle difficoltà nello studio della turbolenza di parete. L’analisi del traversing, svolta attraverso più test, ha fatto emergere problemi sia nella struttura del sistema, sia nel software che gestisce il motore per la movimentazione. La riprogrammazione del software e la rettifica di alcuni componenti del sistema hanno permesso di eliminare gli errori emersi. Le piccole imprecisioni restanti durante la movimentazione, non eliminabili con un’implementazione software, verranno totalmente superate grazie all’impiego del nuovo motore dotato di un encoder rotativo che sarà in grado di retroazionare il sistema, fornendo il reale spostamento effettuato.

Anemometria a filo caldo: studio di un sistema di calibrazione per sonde a due fili con applicazione al "long pipe" in CICLoPE

L’anemometro a filo caldo (in inglese hot wire) é lo strumento maggiormente usato per studiare sperimentalmente la turbolenza. A seconda di quante componenti della velocitá interessa studiare, esistono anemometri a uno, due o tre fili. Questo elaborato di tesi si concentra su sonde a due fili. Per prima cosa, ogni volta che si utilizza questo strumento bisogna effettuare una calibrazione, fase molto importante perché permette di relazionare le tensioni che ogni filo acquisisce con la velocitá reale del flusso. Sono presentati tre differenti metodi utilizzati per sonde a due fili e, dopo averli analizzati, sono stati applicati a dati acquisiti prima al CAT (Coaxial Aerodinamic Tunnel), struttura presente a Forlí, nell’hangar dell’Universitá di Bologna e poi al CICLoPE (Center for International Cooperation in Long Pipe Experiments), Long-Pipe costruito a Predappio, utilizzato per lo studio della turbolenza. La calibrazione per sonde a due fili si puó dividere in due parti, quella di velocitá e quella per gli angoli. Mentre al CAT é possibile effettuarle entrambi, al CICLoPE non é attualmente possibile eseguire la calibrazione angolare perché non esiste alcuno strumento utilizzabile per regolare la sonda all’angolo desiderato. Lo scopo di questo elaborato di tesi è trovare un metodo di calibrazione per sonde a due fili applicabile al CICLoPE eseguendo sul posto solamente una calibrazione di velocitá e adattando quella angolare effettuata precedentemente al CAT. Questo puó provocare dei problemi perché la calibrazione risulta fortemente dipendente da condizioni interne dei fili, come la resistenza, ma anche da condizioni al contorno, come la temperatura e la pressione dell’ambiente esterno. Dopo aver eseguito due campagne sperimentali di test, una al CAT e una al CICLoPE, i dati acquisiti sono stati elaborati per valutare l’efficacia dei vari metodi.

Two-dimensional linear-combination model fitting of magnetic resonance spectra to define the macromolecule baseline using FiTAID, a Fitting Tool for Arrays of Interrelated Datasets

To propose the determination of the macromolecular baseline (MMBL) in clinical 1H MR spectra based on T(1) and T(2) differentiation using 2D fitting in FiTAID, a general Fitting Tool for Arrays of Interrelated Datasets.

Diffusion-weighted MR imaging including bi-exponential fitting for the detection of recurrent or residual tumour after (chemo)radiotherapy for laryngeal and hypopharyngeal cancers

To assess whether diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI) including bi-exponential fitting helps to detect residual/recurrent tumours after (chemo)radiotherapy of laryngeal and hypopharyngeal carcinoma.

An integrative transcranial magnetic stimulation mapping technique using non-linear curve fitting

The aim of this study is to develop a new simple method for analyzing one-dimensional transcranial magnetic stimulation (TMS) mapping studies in humans. Motor evoked potentials (MEP) were recorded from the abductor pollicis brevis (APB) muscle during stimulation at nine different positions on the scalp along a line passing through the APB hot spot and the vertex. Non-linear curve fitting according to the Levenberg-Marquardt algorithm was performed on the averaged amplitude values obtained at all points to find the best-fitting symmetrical and asymmetrical peak functions. Several peak functions could be fitted to the experimental data. Across all subjects, a symmetric, bell-shaped curve, the complementary error function (erfc) gave the best results. This function is characterized by three parameters giving its amplitude, position, and width. None of the mathematical functions tested with less or more than three parameters fitted better. The amplitude and position parameters of the erfc were highly correlated with the amplitude at the hot spot and with the location of the center of gravity of the TMS curve. In conclusion, non-linear curve fitting is an accurate method for the mathematical characterization of one-dimensional TMS curves. This is the first method that provides information on amplitude, position and width simultaneously.

Fitting of Mixtures with Unspecified Number of Components Using Cross Validation Distance Estimate

Estimation of the number of mixture components (k) is an unsolved problem. Available methods for estimation of k include bootstrapping the likelihood ratio test statistics and optimizing a variety of validity functionals such as AIC, BIC/MDL, and ICOMP. We investigate the minimization of distance between fitted mixture model and the true density as a method for estimating k. The distances considered are Kullback-Leibler (KL) and “L sub 2”. We estimate these distances using cross validation. A reliable estimate of k is obtained by voting of B estimates of k corresponding to B cross validation estimates of distance. This estimation methods with KL distance is very similar to Monte Carlo cross validated likelihood methods discussed by Smyth (2000). With focus on univariate normal mixtures, we present simulation studies that compare the cross validated distance method with AIC, BIC/MDL, and ICOMP. We also apply the cross validation estimate of distance approach along with AIC, BIC/MDL and ICOMP approach, to data from an osteoporosis drug trial in order to find groups that differentially respond to treatment.

Fitting ACE Structural Equation Models to Case-Control Family Data

Investigators interested in whether a disease aggregates in families often collect case-control family data, which consist of disease status and covariate information for families selected via case or control probands. Here, we focus on the use of case-control family data to investigate the relative contributions to the disease of additive genetic effects (A), shared family environment (C), and unique environment (E). To this end, we describe a ACE model for binary family data and then introduce an approach to fitting the model to case-control family data. The structural equation model, which has been described previously, combines a general-family extension of the classic ACE twin model with a (possibly covariate-specific) liability-threshold model for binary outcomes. Our likelihood-based approach to fitting involves conditioning on the proband’s disease status, as well as setting prevalence equal to a pre-specified value that can be estimated from the data themselves if necessary. Simulation experiments suggest that our approach to fitting yields approximately unbiased estimates of the A, C, and E variance components, provided that certain commonly-made assumptions hold. These assumptions include: the usual assumptions for the classic ACE and liability-threshold models; assumptions about shared family environment for relative pairs; and assumptions about the case-control family sampling, including single ascertainment. When our approach is used to fit the ACE model to Austrian case-control family data on depression, the resulting estimate of heritability is very similar to those from previous analyses of twin data.

NONLINEAR TUBE-FITTING FOR THE ANALYSIS OF ANATOMICAL AND FUNCTIONAL STRUCTURES

We are concerned with the estimation of the exterior surface of tube-shaped anatomical structures. This interest is motivated by two distinct scientific goals, one dealing with the distribution of HIV microbicide in the colon and the other with measuring degradation in white-matter tracts in the brain. Our problem is posed as the estimation of the support of a distribution in three dimensions from a sample from that distribution, possibly measured with error. We propose a novel tube-fitting algorithm to construct such estimators. Further, we conduct a simulation study to aid in the choice of a key parameter of the algorithm, and we test our algorithm with validation study tailored to the motivating data sets. Finally, we apply the tube-fitting algorithm to a colon image produced by single photon emission computed tomography (SPECT)and to a white-matter tract image produced using diffusion tensor `imaging (DTI).