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Sviluppo e validazione di metodi per la stima della connettività corticale mediante misure non invasive dell'attività cerebrale nell'uomoAstolfi, Laura <1976> 19 April 2007 (has links)
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Models for the motor control of the upper limbBernabucci, Ivan <1976> 19 April 2007 (has links)
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New techniques for the pedalling performance assessment in cyclingBibbo, Daniele <1976> 19 April 2007 (has links)
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Monitoring of daily living activities in a perspective of telerehabilitationCaselli, Paolo <1976> 19 April 2007 (has links)
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3-D reconstruction of the human skeleton during motionDonati, Marco <1978> 19 April 2007 (has links)
L’analisi del movimento umano ha come obiettivo la descrizione del
movimento assoluto e relativo dei segmenti ossei del soggetto e, ove richiesto,
dei relativi tessuti molli durante l’esecuzione di esercizi fisici. La bioingegneria
mette a disposizione dell’analisi del movimento gli strumenti ed i metodi
necessari per una valutazione quantitativa di efficacia, funzione e/o qualità del
movimento umano, consentendo al clinico l’analisi di aspetti non individuabili
con gli esami tradizionali. Tali valutazioni possono essere di ausilio all’analisi
clinica di pazienti e, specialmente con riferimento a problemi ortopedici,
richiedono una elevata accuratezza e precisione perché il loro uso sia valido. Il
miglioramento della affidabilità dell’analisi del movimento ha quindi un
impatto positivo sia sulla metodologia utilizzata, sia sulle ricadute cliniche
della stessa.
Per perseguire gli obiettivi scientifici descritti, è necessario effettuare una
stima precisa ed accurata della posizione e orientamento nello spazio dei
segmenti ossei in esame durante l’esecuzione di un qualsiasi atto motorio. Tale
descrizione può essere ottenuta mediante la definizione di un modello della
porzione del corpo sotto analisi e la misura di due tipi di informazione: una
relativa al movimento ed una alla morfologia. L’obiettivo è quindi stimare il
vettore posizione e la matrice di orientamento necessari a descrivere la
collocazione nello spazio virtuale 3D di un osso utilizzando le posizioni di
punti, definiti sulla superficie cutanea ottenute attraverso la
stereofotogrammetria.
Le traiettorie dei marker, così ottenute, vengono utilizzate per la
ricostruzione della posizione e dell’orientamento istantaneo di un sistema di
assi solidale con il segmento sotto esame (sistema tecnico) (Cappozzo et al.
2005). Tali traiettorie e conseguentemente i sistemi tecnici, sono affetti da due
tipi di errore, uno associato allo strumento di misura e l’altro associato alla
presenza di tessuti molli interposti tra osso e cute. La propagazione di
quest’ultimo ai risultati finali è molto più distruttiva rispetto a quella
dell’errore strumentale che è facilmente minimizzabile attraverso semplici
tecniche di filtraggio (Chiari et al. 2005). In letteratura è stato evidenziato che
l’errore dovuto alla deformabilità dei tessuti molli durante l’analisi del
movimento umano provoca inaccuratezze tali da mettere a rischio
l’utilizzabilità dei risultati. A tal proposito Andriacchi scrive: “attualmente,
uno dei fattori critici che rallentano il progresso negli studi del movimento
umano è la misura del movimento scheletrico partendo dai marcatori posti
sulla cute” (Andriacchi et al. 2000).
Relativamente alla morfologia, essa può essere acquisita, ad esempio,
attraverso l’utilizzazione di tecniche per bioimmagini. Queste vengono fornite
con riferimento a sistemi di assi locali in generale diversi dai sistemi tecnici.
Per integrare i dati relativi al movimento con i dati morfologici occorre
determinare l’operatore che consente la trasformazione tra questi due sistemi
di assi (matrice di registrazione) e di conseguenza è fondamentale
l’individuazione di particolari terne di riferimento, dette terne anatomiche.
L’identificazione di queste terne richiede la localizzazione sul segmento osseo
di particolari punti notevoli, detti repere anatomici, rispetto ad un sistema di
riferimento solidale con l’osso sotto esame. Tale operazione prende il nome di
calibrazione anatomica. Nella maggior parte dei laboratori di analisi del
movimento viene implementata una calibrazione anatomica a “bassa
risoluzione” che prevede la descrizione della morfologia dell’osso a partire
dall’informazione relativa alla posizione di alcuni repere corrispondenti a
prominenze ossee individuabili tramite palpazione. Attraverso la
stereofotogrammetria è quindi possibile registrare la posizione di questi repere
rispetto ad un sistema tecnico. Un diverso approccio di calibrazione anatomica
può essere realizzato avvalendosi delle tecniche ad “alta risoluzione”, ovvero
attraverso l’uso di bioimmagini. In questo caso è necessario disporre di una
rappresentazione digitale dell’osso in un sistema di riferimento morfologico e
localizzare i repere d’interesse attraverso palpazione in ambiente virtuale
(Benedetti et al. 1994 ; Van Sint Jan et al. 2002; Van Sint Jan et al. 2003). Un
simile approccio è difficilmente applicabile nella maggior parte dei laboratori
di analisi del movimento, in quanto normalmente non si dispone della
strumentazione necessaria per ottenere le bioimmagini; inoltre è noto che tale
strumentazione in alcuni casi può essere invasiva.
Per entrambe le calibrazioni anatomiche rimane da tenere in
considerazione che, generalmente, i repere anatomici sono dei punti definiti
arbitrariamente all’interno di un’area più vasta e irregolare che i manuali di
anatomia definiscono essere il repere anatomico. L’identificazione dei repere
attraverso una loro descrizione verbale è quindi povera in precisione e la
difficoltà nella loro identificazione tramite palpazione manuale, a causa della
presenza dei tessuti molli interposti, genera errori sia in precisione che in
accuratezza. Tali errori si propagano alla stima della cinematica e della
dinamica articolare (Ramakrishnan et al. 1991; Della Croce et al. 1999). Della
Croce (Della Croce et al. 1999) ha inoltre evidenziato che gli errori che
influenzano la collocazione nello spazio delle terne anatomiche non dipendono
soltanto dalla precisione con cui vengono identificati i repere anatomici, ma
anche dalle regole che si utilizzano per definire le terne. E’ infine necessario
evidenziare che la palpazione manuale richiede tempo e può essere effettuata
esclusivamente da personale altamente specializzato, risultando quindi molto
onerosa (Simon 2004).
La presente tesi prende lo spunto dai problemi sopra elencati e ha come
obiettivo quello di migliorare la qualità delle informazioni necessarie alla
ricostruzione della cinematica 3D dei segmenti ossei in esame affrontando i
problemi posti dall’artefatto di tessuto molle e le limitazioni intrinseche nelle
attuali procedure di calibrazione anatomica. I problemi sono stati affrontati sia
mediante procedure di elaborazione dei dati, sia apportando modifiche ai
protocolli sperimentali che consentano di conseguire tale obiettivo.
Per quanto riguarda l’artefatto da tessuto molle, si è affrontato l’obiettivo
di sviluppare un metodo di stima che fosse specifico per il soggetto e per l’atto
motorio in esame e, conseguentemente, di elaborare un metodo che ne
consentisse la minimizzazione. Il metodo di stima è non invasivo, non impone
restrizione al movimento dei tessuti molli, utilizza la sola misura
stereofotogrammetrica ed è basato sul principio della media correlata. Le
prestazioni del metodo sono state valutate su dati ottenuti mediante una
misura 3D stereofotogrammetrica e fluoroscopica sincrona (Stagni et al. 2005),
(Stagni et al. 2005). La coerenza dei risultati raggiunti attraverso i due
differenti metodi permette di considerare ragionevoli le stime dell’artefatto
ottenute con il nuovo metodo. Tale metodo fornisce informazioni sull’artefatto
di pelle in differenti porzioni della coscia del soggetto e durante diversi compiti
motori, può quindi essere utilizzato come base per un piazzamento ottimo dei
marcatori. Lo si è quindi utilizzato come punto di partenza per elaborare un
metodo di compensazione dell’errore dovuto all’artefatto di pelle che lo modella
come combinazione lineare degli angoli articolari di anca e ginocchio. Il metodo
di compensazione è stato validato attraverso una procedura di simulazione
sviluppata ad-hoc.
Relativamente alla calibrazione anatomica si è ritenuto prioritario
affrontare il problema associato all’identificazione dei repere anatomici
perseguendo i seguenti obiettivi:
1. migliorare la precisione nell’identificazione dei repere e, di conseguenza,
la ripetibilità dell’identificazione delle terne anatomiche e della cinematica
articolare,
2. diminuire il tempo richiesto,
3. permettere che la procedura di identificazione possa essere eseguita
anche da personale non specializzato.
Il perseguimento di tali obiettivi ha portato alla implementazione dei
seguenti metodi:
• Inizialmente è stata sviluppata una procedura di palpazione virtuale
automatica. Dato un osso digitale, la procedura identifica automaticamente i
punti di repere più significativi, nella maniera più precisa possibile e senza
l'ausilio di un operatore esperto, sulla base delle informazioni ricavabili da
un osso digitale di riferimento (template), preliminarmente palpato
manualmente.
• E’ stato poi condotto uno studio volto ad indagare i fattori metodologici che
influenzano le prestazioni del metodo funzionale nell’individuazione del
centro articolare d’anca, come prerequisito fondamentale per migliorare la
procedura di calibrazione anatomica. A tale scopo sono stati confrontati
diversi algoritmi, diversi cluster di marcatori ed è stata valutata la
prestazione del metodo in presenza di compensazione dell’artefatto di pelle.
• E’stato infine proposto un metodo alternativo di calibrazione anatomica
basato sull’individuazione di un insieme di punti non etichettati, giacenti
sulla superficie dell’osso e ricostruiti rispetto ad un TF (UP-CAST). A partire
dalla posizione di questi punti, misurati su pelvi coscia e gamba, la
morfologia del relativo segmento osseo è stata stimata senza identificare i
repere, bensì effettuando un’operazione di matching dei punti misurati con
un modello digitale dell’osso in esame. La procedura di individuazione dei
punti è stata eseguita da personale non specializzato nell’individuazione dei
repere anatomici. Ai soggetti in esame è stato richiesto di effettuare dei cicli
di cammino in modo tale da poter indagare gli effetti della nuova procedura
di calibrazione anatomica sulla determinazione della cinematica articolare. I
risultati ottenuti hanno mostrato, per quel che riguarda la identificazione dei
repere, che il metodo proposto migliora sia la precisione inter- che intraoperatore,
rispetto alla palpazione convenzionale (Della Croce et al. 1999). E’
stato inoltre riscontrato un notevole miglioramento, rispetto ad altri
protocolli (Charlton et al. 2004; Schwartz et al. 2004), nella ripetibilità della
cinematica 3D di anca e ginocchio. Bisogna inoltre evidenziare che il
protocollo è stato applicato da operatori non specializzati nell’identificazione
dei repere anatomici. Grazie a questo miglioramento, la presenza di diversi
operatori nel laboratorio non genera una riduzione di ripetibilità. Infine, il
tempo richiesto per la procedura è drasticamente diminuito. Per una analisi
che include la pelvi e i due arti inferiori, ad esempio, l’identificazione dei 16
repere caratteristici usando la calibrazione convenzionale richiede circa 15
minuti, mentre col nuovo metodo tra i 5 e i 10 minuti.
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Biofeedback systems for human postural controlDozza, Marco <1978> 19 April 2007 (has links)
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Mechanics of the upper part of the body during locomotionPecoraro, Fabrizio <1978> 19 April 2007 (has links)
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Parameters and algorithms to evaluate cardiac mechanics by conductance catheterValsecchi, Sergio <1974> 19 April 2007 (has links)
This work is structured as follows:
In Section 1 we discuss the clinical problem of heart failure. In particular, we
present the phenomenon known as ventricular mechanical dyssynchrony: its
impact on cardiac function, the therapy for its treatment and the methods for
its quantification. Specifically, we describe the conductance catheter and its
use for the measurement of dyssynchrony. At the end of the Section 1, we
propose a new set of indexes to quantify the dyssynchrony that are studied
and validated thereafter.
In Section 2 we describe the studies carried out in this work: we report the
experimental protocols, we present and discuss the results obtained.
Finally, we report the overall conclusions drawn from this work and we try to
envisage future works and possible clinical applications of our results.
Ancillary studies that were carried out during this work mainly to investigate
several aspects of cardiac resynchronization therapy (CRT) are mentioned in
Appendix.
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Ventricular mechanical dyssynchrony plays a regulating role already in normal
physiology but is especially important in pathological conditions, such as
hypertrophy, ischemia, infarction, or heart failure (Chapter 1,2.).
Several prospective randomized controlled trials supported the clinical
efficacy and safety of cardiac resynchronization therapy (CRT) in patients with
moderate or severe heart failure and ventricular dyssynchrony. CRT
resynchronizes ventricular contraction by simultaneous pacing of both left and
right ventricle (biventricular pacing) (Chapter 1.).
Currently, the conductance catheter method has been used extensively to
assess global systolic and diastolic ventricular function and, more recently,
the ability of this instrument to pick-up multiple segmental volume signals has
been used to quantify mechanical ventricular dyssynchrony. Specifically,
novel indexes based on volume signals acquired with the conductance
catheter were introduced to quantify dyssynchrony (Chapter 3,4.).
Present work was aimed to describe the characteristics of the conductancevolume
signals, to investigate the performance of the indexes of ventricular
dyssynchrony described in literature and to introduce and validate improved
dyssynchrony indexes. Morevoer, using the conductance catheter method
and the new indexes, the clinical problem of the ventricular pacing site
optimization was addressed and the measurement protocol to adopt for
hemodynamic tests on cardiac pacing was investigated.
In accordance to the aims of the work, in addition to the classical time-domain
parameters, a new set of indexes has been extracted, based on coherent
averaging procedure and on spectral and cross-spectral analysis (Chapter 4.).
Our analyses were carried out on patients with indications for
electrophysiologic study or device implantation (Chapter 5.). For the first time,
besides patients with heart failure, indexes of mechanical dyssynchrony
based on conductance catheter were extracted and studied in a population of
patients with preserved ventricular function, providing information on the
normal range of such a kind of values.
By performing a frequency domain analysis and by applying an optimized
coherent averaging procedure (Chapter 6.a.), we were able to describe some
characteristics of the conductance-volume signals (Chapter 6.b.).
We unmasked the presence of considerable beat-to-beat variations in
dyssynchrony that seemed more frequent in patients with ventricular
dysfunction and to play a role in discriminating patients. These non-recurrent
mechanical ventricular non-uniformities are probably the expression of the
substantial beat-to-beat hemodynamic variations, often associated with heart
failure and due to cardiopulmonary interaction and conduction disturbances.
We investigated how the coherent averaging procedure may affect or refine
the conductance based indexes; in addition, we proposed and tested a new
set of indexes which quantify the non-periodic components of the volume
signals.
Using the new set of indexes we studied the acute effects of the CRT and the
right ventricular pacing, in patients with heart failure and patients with
preserved ventricular function.
In the overall population we observed a correlation between the hemodynamic
changes induced by the pacing and the indexes of dyssynchrony, and this
may have practical implications for hemodynamic-guided device implantation.
The optimal ventricular pacing site for patients with conventional indications
for pacing remains controversial. The majority of them do not meet current
clinical indications for CRT pacing. Thus, we carried out an analysis to
compare the impact of several ventricular pacing sites on global and regional
ventricular function and dyssynchrony (Chapter 6.c.). We observed that right
ventricular pacing worsens cardiac function in patients with and without
ventricular dysfunction unless the pacing site is optimized. CRT preserves left
ventricular function in patients with normal ejection fraction and improves
function in patients with poor ejection fraction despite no clinical indication for
CRT. Moreover, the analysis of the results obtained using new indexes of
regional dyssynchrony, suggests that pacing site may influence overall global
ventricular function depending on its relative effects on regional function and
synchrony.
Another clinical problem that has been investigated in this work is the optimal
right ventricular lead location for CRT (Chapter 6.d.). Similarly to the previous
analysis, using novel parameters describing local synchrony and efficiency,
we tested the hypothesis and we demonstrated that biventricular pacing with
alternative right ventricular pacing sites produces acute improvement of
ventricular systolic function and improves mechanical synchrony when
compared to standard right ventricular pacing. Although no specific right
ventricular location was shown to be superior during CRT, the right ventricular
pacing site that produced the optimal acute hemodynamic response varied
between patients.
Acute hemodynamic effects of cardiac pacing are conventionally evaluated
after stabilization episodes. The applied duration of stabilization periods in
most cardiac pacing studies varied considerably.
With an ad hoc protocol (Chapter 6.e.) and indexes of mechanical
dyssynchrony derived by conductance catheter we demonstrated that the
usage of stabilization periods during evaluation of cardiac pacing may mask
early changes in systolic and diastolic intra-ventricular dyssynchrony. In fact,
at the onset of ventricular pacing, the main dyssynchrony and ventricular
performance changes occur within a 10s time span, initiated by the changes
in ventricular mechanical dyssynchrony induced by aberrant conduction and
followed by a partial or even complete recovery.
It was already demonstrated in normal animals that ventricular mechanical
dyssynchrony may act as a physiologic modulator of cardiac performance
together with heart rate, contractile state, preload and afterload. The present
observation, which shows the compensatory mechanism of mechanical
dyssynchrony, suggests that ventricular dyssynchrony may be regarded as an
intrinsic cardiac property, with baseline dyssynchrony at increased level in
heart failure patients.
To make available an independent system for cardiac output estimation, in
order to confirm the results obtained with conductance volume method, we
developed and validated a novel technique to apply the Modelflow method (a
method that derives an aortic flow waveform from arterial pressure by
simulation of a non-linear three-element aortic input impedance model,
Wesseling et al. 1993) to the left ventricular pressure signal, instead of the
arterial pressure used in the classical approach (Chapter 7.).
The results confirmed that in patients without valve abnormalities, undergoing
conductance catheter evaluations, the continuous monitoring of cardiac output
using the intra-ventricular pressure signal is reliable. Thus, cardiac output can
be monitored quantitatively and continuously with a simple and low-cost
method.
During this work, additional studies were carried out to investigate several
areas of uncertainty of CRT. The results of these studies are briefly presented
in Appendix: the long-term survival in patients treated with CRT in clinical
practice, the effects of CRT in patients with mild symptoms of heart failure and
in very old patients, the limited thoracotomy as a second choice alternative to
transvenous implant for CRT delivery, the evolution and prognostic
significance of diastolic filling pattern in CRT, the selection of candidates to
CRT with echocardiographic criteria and the prediction of response to the
therapy.
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Computational analysis of excitability in cardiac myocytesGrandi, Eleonora <1978> 19 April 2007 (has links)
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Models for the study of neuronal activity during cognitive tasks / Modelli per lo studio dell'attività neuronale durante task cognitiviZavaglia, Melissa <1980> 18 April 2008 (has links)
Assessment of brain connectivity among different brain areas during cognitive or motor tasks is a crucial problem in neuroscience today. Aim of this research study is to use neural mass models to assess the effect of various connectivity patterns in cortical EEG power spectral density (PSD), and investigate the possibility to derive connectivity circuits from EEG data. To this end, two different models have been built. In the first model an individual region of interest (ROI) has been built as the parallel arrangement of three populations, each one exhibiting a unimodal spectrum, at low, medium or high frequency. Connectivity among ROIs includes three parameters, which specify the strength of connection in the different frequency bands. Subsequent studies demonstrated that a single population can exhibit many different simultaneous rhythms, provided that some of these come from external sources (for instance, from remote regions). For this reason in the second model an individual ROI is simulated only with a single population. Both models have been validated by comparing the simulated power spectral density with that computed in some cortical regions during cognitive and motor tasks.
Another research study is focused on multisensory integration of tactile and visual stimuli in the representation of the near space around the body (peripersonal space). This work describes an original neural network to simulate representation of the peripersonal space around the hands, in basal conditions and after training with a tool used to reach the far space. The model is composed of three areas for each hand, two unimodal areas (visual and tactile) connected to a third bimodal area (visual-tactile), which is activated only when a stimulus falls within the peripersonal space. Results show that the peripersonal space, which includes just a small visual space around the hand in normal conditions, becomes elongated in the direction of the tool after training, thanks to a reinforcement of synapses.
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