A Phase Space Box-counting based Method for Arrhythmia Prediction from Electrocardiogram Time Series

Arrhythmia is one kind of cardiovascular diseases that give rise to the number of deaths and potentially yields immedicable danger. Arrhythmia is a life threatening condition originating from disorganized propagation of electrical signals in heart resulting in desynchronization among different chambers of the heart. Fundamentally, the synchronization process means that the phase relationship of electrical activities between the chambers remains coherent, maintaining a constant phase difference over time. If desynchronization occurs due to arrhythmia, the coherent phase relationship breaks down resulting in chaotic rhythm affecting the regular pumping mechanism of heart. This phenomenon was explored by using the phase space reconstruction technique which is a standard analysis technique of time series data generated from nonlinear dynamical system. In this project a novel index is presented for predicting the onset of ventricular arrhythmias. Analysis of continuously captured long-term ECG data recordings was conducted up to the onset of arrhythmia by the phase space reconstruction method, obtaining 2-dimensional images, analysed by the box counting method. The method was tested using the ECG data set of three different kinds including normal (NR), Ventricular Tachycardia (VT), Ventricular Fibrillation (VF), extracted from the Physionet ECG database. Statistical measures like mean (μ), standard deviation (σ) and coefficient of variation (σ/μ) for the box-counting in phase space diagrams are derived for a sliding window of 10 beats of ECG signal. From the results of these statistical analyses, a threshold was derived as an upper bound of Coefficient of Variation (CV) for box-counting of ECG phase portraits which is capable of reliably predicting the impeding arrhythmia long before its actual occurrence. As future work of research, it was planned to validate this prediction tool over a wider population of patients affected by different kind of arrhythmia, like atrial fibrillation, bundle and brunch block, and set different thresholds for them, in order to confirm its clinical applicability.

The effects of hypocalcemia on spatial alternans and ventricular fibrillation studied with the optical mapping technique

The heart is a wonderful but complex organ: it uses electrochemical mechanisms in order to produce mechanical energy to pump the blood throughout the body and allow the life of humans and animals. This organ can be subject to several diseases and sudden cardiac death (SCD) is the most catastrophic manifestation of these diseases, responsible for the death of a large number of people throughout the world. It is estimated that 325000 Americans annually die for SCD. SCD most commonly occurs as a result of reentrant tachyarrhythmias (ventricular tachycardia (VT) and ventricular fibrillation (VF)) and the identification of those patients at higher risk for the development of SCD has been a difficult clinical challenge. Nowadays, a particular electrocardiogram (ECG) abnormality, “T-wave alternans” (TWA), is considered a precursor of lethal cardiac arrhythmias and sudden death, a sensitive indicator of risk for SCD. TWA is defined as a beat-to-beat alternation in the shape, amplitude, or timing of the T-wave on the ECG, indicative of the underlying repolarization of cardiac cells [5]. In other words TWA is the macroscopic effect of subcellular and celluar mechanisms involving ionic kinetics and the consequent depolarization and repolarization of the myocytes. Experimental activities have shown that TWA on the ECG is a manifestation of an underlying alternation of long and short action potential durations (APDs), the so called APD-alternans, of cardiac myocytes in the myocardium. Understanding the mechanism of APDs-alternans is the first step for preventing them to occur. In order to investigate these mechanisms it’s very important to understand that the biological systems are complex systems and their macroscopic properties arise from the nonlinear interactions among the parts. The whole is greater than the sum of the parts, and it cannot be understood only by studying the single parts. In this sense the heart is a complex nonlinear system and its way of working follows nonlinear dynamics; alternans also, they are a manifestation of a phenomenon typical in nonlinear dynamical systems, called “period-dubling bifurcation”. Over the past decade, it has been demonstrated that electrical alternans in cardiac tissue is an important marker for the development of ventricular fibrillation and a significant predictor for mortality. It has been observed that acute exposure to low concentration of calcium does not decrease the magnitude of alternans and sustained ventricular Fibrillation (VF) is still easily induced under these condition. However with prolonged exposure to low concentration of calcium, alternans disappears, but VF is still inducible. This work is based on this observation and tries to make it clearer. The aim of this thesis is investigate the effect of hypocalcemia spatial alternans and VF doing experiments with canine hearts and perfusing them with a solution with physiological ionic concentration and with a solution with low calcium concentration (hypocalcemia); in order to investigate the so called memory effect, the experimental activity was modified during the way. The experiments were performed with the optical mapping technique, using voltage-sensitive dye, and a custom made Java code was used in post-processing. Finding the Nolasco and Dahlen’s criterion [8] inadequate for the prediction of alternans, and takin into account the experimental results, another criterion, which consider the memory effect, has been implemented. The implementation of this criterion could be the first step in the creation of a method, AP-based, discriminating who is at risk if developing VF. This work is divided into four chapters: the first is a brief presentation of the physiology of the heart; the second is a review of the major theories and discovers in the study of cardiac dynamics; the third chapter presents an overview on the experimental activity and the optical mapping technique; the forth chapter contains the presentation of the results and the conclusions.

Le virtù elettriche del lucido pennello. Sulla traduzione italiana del Treatise of electricity di Tiberio Cavallo

Questa tesi ha per argomento l'analisi linguistica della traduzione italiana del Treatise of electricity di Tiberio Cavallo (1777) ad opera di Ferdinando Fossi – Trattato completo d'elettricità – (1779). Con questo studio, che prende in esame un particolare episodio letterario, si è inteso esaminare un momento della storia del lessico scientifico italiano al fine di individuarne le peculiarità e sottolinearne le differenze rispetto ai corrispettivi di altre lingue, con speciale attenzione alla lingua inglese. I capitoli introduttivi riportano notizie biografiche e sulla formazione di T. Cavallo e F. Fossi. Nel terzo capitolo viene delineato un quadro della formazione e costituzione del lessico elettrologico italiano, seguendone l'evoluzione nel cinquantennio '40/'90 del XVIII secolo. Una parte della tesi è poi dedicata al fenomeno culturale rappresentato dalle scienze elettriche in cui si inscrive la traduzione del Treatise. Sono qui riportate notizie relative alla fortuna mondana dell'elettricità, per le quali si è attinto a carteggi, documenti d'archivio, testi antichi e studi moderni. L'analisi linguistica vera e propria si è basata sul confronto tra il testo originale di Tiberio Cavallo e la traduzione di Ferdinando Fossi. Partendo dal Treatise abbiamo isolato particolari gruppi di parole: 1) voci corrispondenti a termini propri dei fenomeni elettrici; 2) verbi; 3) strumenti scientifici. Per ognuna della voci abbiamo controllato la ricorsività; poi abbiamo cercato i traducenti corrispondenti, suddividendoli in “corrispondenze assolute” – il traducente è corrispettivo del termine originale –, “corrispondenze mancate” – variazioni nella traduzione di termini ripetuti costantemente –, “tendenza omologatrice” – traduzione univoca di termini semanticamente simili –. Un capitolo sulla lettura critica della traduzione spiega come da parte del Fossi si sia rilevata una sostanziale e sistematica assenza di sensibilità per la precisione terminologica che caratterizza il testo di Cavallo; ove si dimostra che il testo inglese insiste sulla ripetizione dei termini – già stabilizzati e facenti parte di un corpus omogeneo e condiviso –, mentre il testo italiano predilige il ricorso alla "variatio", ricercando una migliore resa stilistica d'insieme piuttosto che la precisione scientifica. Il momento storico-linguistico preso in esame attraverso il particolare caso della traduzione del Treatise vede la lingua italiana sprovvista di una lessico elettrico univoco e condiviso. Complici di questa mancata corrispondenza alle esigenze del linguaggio scientifico moderno sono certamente pregiudizi di ordine retorico, che esaltano l'importanza dello stile e alimentano il disprezzo per i tecnicismi, ma anche e soprattutto la diffusione di traduzioni eterogenee, che danno atto ad una moltiplicazione semantica dei termini realmente in grado di ritardare la formazione di un corpus lessicale condiviso dalla comunità scientifica italiana.

Analisi dell'utilizzo dell'effetto Coanda come metodo di sostentazione su corpi assialsimmetrici

Il presente documento affronta l’impiego dell’effetto Coanda come metodo di sostentamento per velivoli UAV/UAS. A tal proposito è stato valutato il dimostratore costruito presso la facoltà mediante l’ottimizzazione del sistema propulsivo impiegato e la variazione di configurazioni atte a ricercare l’influenza sulla trazione, di alcuni parametri individuati dalla bibliografia. I dati raccolti sono stati posti a confronto con quelli pubblicati e in parte stimati, con alcuni dimostratori attualmente volanti. Dalle conclusioni elaborate dalla sperimentazione con il dimostratore, si è analizzato l’effetto Coanda su un semi-modello a profilo ellittico, variando la collocazione e la portata della sorgente, dandone una prima descrizione analitica.

Implementazione di algoritmi di stima della distanza con segnali a bassa frequenza

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di definire degli algoritmi in grado di comprendere le prestazioni raggiungibili dalla tecnica NFER alternativa in termini di ranging e accuratezza e, di conseguenza, dedurre se il sistema sia utilizzabile o meno.

Sistemi di conversione energetica ibridi termo-fotovoltaici

In questa tesi viene trattata la possibile integrazione di un sistema fotovoltaico con un sistema solare termico, analizzando qualitativamente questa nuova tecnologia.