In this thesis we have developed solutions to common issues regarding widefield microscopes, facing the problem of the intensity inhomogeneity of an image and dealing with two strong limitations: the impossibility of acquiring either high detailed images representative of whole samples or deep 3D objects. First, we cope with the problem of the non-uniform distribution of the light signal inside a single image, named vignetting. In particular we proposed, for both light and fluorescent microscopy, non-parametric multi-image based methods, where the vignetting function is estimated directly from the sample without requiring any prior information. After getting flat-field corrected images, we studied how to fix the problem related to the limitation of the field of view of the camera, so to be able to acquire large areas at high magnification. To this purpose, we developed mosaicing techniques capable to work on-line. Starting from a set of overlapping images manually acquired, we validated a fast registration approach to accurately stitch together the images. Finally, we worked to virtually extend the field of view of the camera in the third dimension, with the purpose of reconstructing a single image completely in focus, stemming from objects having a relevant depth or being displaced in different focus planes. After studying the existing approaches for extending the depth of focus of the microscope, we proposed a general method that does not require any prior information. In order to compare the outcome of existing methods, different standard metrics are commonly used in literature. However, no metric is available to compare different methods in real cases. First, we validated a metric able to rank the methods as the Universal Quality Index does, but without needing any reference ground truth. Second, we proved that the approach we developed performs better in both synthetic and real cases. / In questa tesi abbiamo sviluppato soluzioni a questioni comuni in materia di microscopia a campo largo. Abbiamo affrontato il problema della non omogeneità dell'intensità delle immagini acquisite e due forti limitazioni: l'impossibilità di acquisire immagini ad alto dettaglio rappresentative o dell'intero campione o di oggetti 3D con spessore non trascurabile. Per prima cosa abbiamo studiato le caratteristiche del problema denominato vignettatura, relativo alla distribuzione non uniforme del segnale di luce all'interno di ogni singola immagine. In particolare abbiamo proposto metodi dove la funzione di vignettatura è stimata utilizzando un insieme di immagini acquisite direttamente dal campione. In seguito, abbiamo studiato come risolvere il problema legato alla limitata dimensione del campo di vista della telecamera, al fine di essere in grado di acquisire una singola immagine ad alto ingrandimento rappresentativa dell'intera area del campione osservato. A questo scopo abbiamo sviluppato tecniche di mosaicatura in grado di operare on-line con l'acquisizione delle immagini. Partendo da una serie di immagini acquisite manualmente, abbiamo validato un approccio di registrazione in grado di creare velocemente un mosaico allineando accuratamente le singole immagini acquisite. Infine, abbiamo studiato come estendere virtualmente il campo di vista della telecamera lungo la terza dimensione, con lo scopo di poter ottenere singole immagini completamente a fuoco di oggetti 3D. Abbiamo proposto un metodo generale che non richiede alcuna informazione a priori. Per confrontare i risultati dei diversi metodi, in letteratura sono tipicamente usate diverse metriche comuni. Tuttavia nessuna metrica è in grado di confrontare diversi metodi usando immagini reali. In primo luogo abbiamo validato una metrica in grado di classificare i diversi metodi in accordo all'indice di qualità universale, ma senza bisogno di alcuna verità di riferimento. Poi abbiamo dimostrato che il metodo che abbiamo sviluppato risulta essere il migliore tra tutti quelli testati per estendere la profondità di fuoco.

The cardiomyocyte is a complex biological system where many mechanisms interact non-linearly to regulate the coupling between electrical excitation and mechanical contraction. For this reason, the development of mathematical models is fundamental in the field of cardiac electrophysiology, where the use of computational tools has become complementary to the classical experimentation. My doctoral research has been focusing on the development of such models for investigating the regulation of ventricular excitation-contraction coupling at the single cell level. In particular, the following researches are presented in this thesis: 1) Study of the unexpected deleterious effect of a Na channel blocker on a long QT syndrome type 3 patient. Experimental results were used to tune a Na current model that recapitulates the effect of the mutation and the treatment, in order to investigate how these influence the human action potential. Our research suggested that the analysis of the clinical phenotype is not sufficient for recommending drugs to patients carrying mutations with undefined electrophysiological properties. 2) Development of a model of L-type Ca channel inactivation in rabbit myocytes to faithfully reproduce the relative roles of voltage- and Ca-dependent inactivation. The model was applied to the analysis of Ca current inactivation kinetics during normal and abnormal repolarization, and predicts arrhythmogenic activity when inhibiting Ca-dependent inactivation, which is the predominant mechanism in physiological conditions. 3) Analysis of the arrhythmogenic consequences of the crosstalk between β-adrenergic and Ca-calmodulin dependent protein kinase signaling pathways. The descriptions of the two regulatory mechanisms, both enhanced in heart failure, were integrated into a novel murine action potential model to investigate how they concur to the development of cardiac arrhythmias. These studies show how mathematical modeling is suitable to provide new insights into the mechanisms underlying cardiac excitation-contraction coupling and arrhythmogenesis. / Il cardiomiocita è un sistema biologico complesso in cui molti meccanismi interagiscono non linearmente nel processo che accoppia l'eccitazione elettrica alla contrazione meccanica. Lo sviluppo di modelli matematici è quindi fondamentale nel settore dell'elettrofisiologia cardiaca, dove l'uso di strumenti computazionali è diventato complementare alla classica sperimentazione. La mia attività di ricerca si è concentrata sullo sviluppo di tali modelli allo scopo di investigare la regolazione dell'accoppiamento eccitazione-contrazione nella cellula ventricolare. In particolare, questa tesi presenta le seguenti attività: 1) Studio delle inaspettate deleterie conseguenze della somministrazione di un bloccante del canale sodio ad un paziente affetto da sindrome del QT lungo di tipo 3. I risultati sperimentali sono stati usati per riprodurre con un modello di corrente sodio gli effetti di mutazione e trattamento farmacologico, al fine di studiare come questi influenzino il potenziale d'azione umano. La nostra ricerca ha suggerito che l'analisi del fenotipo clinico non è sufficiente per somministrare un farmaco a pazienti che presentano mutazioni con indefinite proprietà elettrofisiologiche. 2) Sviluppo di un modello di inattivazione del canale calcio di tipo L nel cardiomiocita di coniglio allo scopo di riprodurre fedelmente i contributi di inattivazione voltaggio e calcio-dipendente. Il modello, applicato all'analisi delle cinetiche di tale corrente durante normale ed anormale ripolarizzazione, ha predetto lo sviluppo di attività aritmica in caso di inibizione del meccanismo calcio-dipendente, il cui effetto è predominante in condizioni fisiologiche. 3) Analisi delle conseguenze aritmogene dell'interazione tra le vie di segnalazione di stimolazione beta-adrenergica e proteina chinasi calcio-calmodulina dipendente. Le descrizioni dei due sistemi regolatori, entrambi aumentati in condizioni di insufficienza cardiaca, sono state integrate in un nuovo modello di potenziale d'azione murino, al fine di studiare come questi concorrono nell'insorgenza di aritmie. Questi studi mostrano come la modellistica matematica permetta di investigare i meccanismi che regolano l'accoppiamento eccitazione-contrazione e l'aritmogenesi.

Perfusion CT imaging of the liver has potential to improve evaluation of tumour angiogenesis. Quantitative parameters can be obtained applying mathematical models to Time Attenuation Curve (TAC). However, there are still some difficulties for an accurate quantification of perfusion parameters due, for example, to algorithms employed, to mathematical model, to patient’s weight and cardiac output and to the acquisition system. In this thesis, new parameters and alternative methodologies about liver perfusion CT are presented in order to investigate the cause of variability of this technique. Firstly analysis were made to assess the variability related to the mathematical model used to compute arterial Blood Flow (BFa) values. Results were obtained implementing algorithms based on “ maximum slope method” and “Dual input one compartment model” . Statistical analysis on simulated data demonstrated that the two methods are not interchangeable. Anyway slope method is always applicable in clinical context. Then variability related to TAC processing in the application of slope method is analyzed. Results compared with manual selection allow to identify the best automatic algorithm to compute BFa. The consistency of a Standardized Perfusion Index (SPV) was evaluated and a simplified calibration procedure was proposed. At the end the quantitative value of perfusion map was analyzed. ROI approach and map approach provide related values of BFa and this means that pixel by pixel algorithm give reliable quantitative results. Also in pixel by pixel approach slope method give better results. In conclusion the development of new automatic algorithms for a consistent computation of BFa and the analysis and definition of simplified technique to compute SPV parameter, represent an improvement in the field of liver perfusion CT analysis. / La perfusione CT del fegato ha il vantaggio di migliorare la valutazione dell'angiogenesi tumorale. Parametri quantitativi possono essere ottenuti applicando modelli matematici alle curve di attenuazione del contrasto. Tuttavia, vi sono alcune criticità per una quantificazione accurata dei parametri di perfusione legati, per esempio, agli algoritmi impiegati, al modello matematico, al peso e alla gittata cardiaca del paziente e al sistema di acquisizione. In questa tesi, nuovi parametri e metodologie alternative sono riportati in maniera da cercare le cause di variabilità della tecnica. In primo luogo sono state condotte analisi per valutare la variabilità legata al modello matematico utilizzato per calcolare i valori di Blood Flow arterioso (BFa) . Sono stati analizzati i risultati ottenuti implementando algoritmi basati sul "maximum slope method" e sul "Dual input one compartment model" L'analisi statistica dei dati simulati ha dimostrato che i due metodi non sono intercambiabili. Comunque il metodo della massima pendenza è risultato di più facile applicazione. E’ stata poi analizzata la variabilità legata al processing delle curve TAC. I Risultati confrontati con la selezione manuale hanno consentito di individuare il miglior algoritmo per calcolare il BFa. E’ stata valutata la consistenza di un indice di perfusione standardizzato (SPV) ed è stata proposta una tecnica semplificativa per la calibrazione della CT. E’ stata valutata l’attendibilità dei dati quantitativi ottenibili dalle mappe. I valori ottenuti con l’elaborazione pixel by pixel sono stati confrontati con quelli ottenibili con l’analisi basata sulla ROI e sono risultati correlabili. Questo ha dimostrato la validità quantitativa dell’algoritmo implementato. In conclusione lo sviluppo di nuovi algoritmi per il calcolo automatico del BFa e l'analisi dell’accuratezza del parametro SPV, rappresentano un contributo significativo nel settore della perfusione CT epatica.

The thesis analyze a subject of renewed interest in bioengineering, the research and analysis of exercise parameters that maximize the neuromuscular and cardiovascular involvement in vibration treatment. The research activity was inspired by the increasing use of device able to provide localized or whole body vibration (WBV). In particular, the focus was placed on the vibrating platform and the effect that the vibrations have on the neuromuscular system and cardiovascular system. The aim of the thesis is to evaluate the effectiveness and efficiency of vibration applied to the entire body, in particular, it was investigated the effect of WBV on: 1) Oxygen consumption during static and dynamic squat; 2) Resonant frequency of the muscle groups of the lower limbs; 3) Oxygen consumption and electromyographic signals during static and dynamic squat. In the first three chapters are explained the state of the art concerning vibration treatments, the effects of vibration applied to the entire body, with the explanation of the basic mechanisms (Tonic Vibration Reflex, TVR) and the neuromuscular system, with particular attention to the skeletal muscles and the stretch reflex. In the fourth chapter is illustrated the set-up used for the experiments and the software, implemented in LabWindows in order to control the platform and acquire the electromyographic signal. In the fifth chapter were exposed experiments undertaken during the PhD years. In particular, the analysis of Whole Body Vibration effect on neurological and cardiovascular systems showed interesting results. The results indicate that the static squat with WBV produced higher neuromuscular and cardiorespiratory system activation for exercise duration <60 sec. Otherwise, if the single bout duration was higher than 60 sec, the greater cardiorespiratory system activation was achieved during the dynamic squat with WBV while higher neuromuscular activation was still obtained with the static exercise.

Procedures for quantitative walking analysis include the assessment of body segment movements within defined gait cycles. Recently, methods to track human body motion using inertial measurement units have been suggested. It is not known if these techniques can be readily transferred to clinical measurement situations. This work investigates the aspects necessary for one inertial measurement unit mounted on the lower back to track orientation, and determine spatio-temporal features of gait outside the confines of a conventional gait laboratory. Apparent limitations of different inertial sensors can be overcome by fusing data using methods such as a Kalman filter. The benefits of optimizing such a filter for the type of motion are unknown. 3D accelerations and 3D angular velocities were collected for 18 healthy subjects while treadmill walking. Optimization of Kalman filter parameters improved pitch and roll angle estimates when compared to angles derived using stereophotogrammetry. A Weighted Fourier Linear Combiner method for estimating 3D orientation angles by constructing an analytical representation of angular velocities and allowing drift free integration is also presented. When tested this method provided accurate estimates of 3D orientation when compared to stereophotogrammetry. Methods to determine spatio-temporal features from lower trunk accelerations generally require knowledge of sensor alignment. A method was developed to estimate the instants of initial and final ground contact from accelerations measured by a waist mounted inertial device without rigorous alignment. A continuous wavelet transform method was used to filter and differentiate the signal and derive estimates of initial and final contact times. The technique was tested with data recorded for both healthy and pathologic (hemiplegia and Parkinson’s disease) subjects and validated using an instrumented mat. The results show that a single inertial measurement unit can assist whole body gait assessment however further investigation is required to understand altered gait timing in some pathological subjects. / L’analisi quantitativa del cammino include la definizione del movimento di segmenti corporei durante il ciclo del passo. Recentemente, sono stati proposti diversi metodi che studiano tale movimento utilizzando unità inerziali. Non è ancora chiaro se queste tecniche possano essere facilmente trasferite in ambito clinico. Il presente lavoro ha come obiettivo lo sviluppo e la validazione di metodi per la stima dell'orientamento di un’unità inerziale posizionata sulla pelvi e per la determinazione delle caratteristiche spazio-temporali durante il cammino. Le principali limitazioni relative alla stima dell'orientamento mediante unità inerziali possono essere superate utilizzando metodi quali il filtro di Kalman, i cui risultati sembrano dipendere dal compito motorio, o eliminando errori di deriva dall’integrazione della velocità angolare tramite algoritmi quali il Weighted Fourier Linear Combiner. Accelerazioni e velocità angolari 3D sono state misurate durante il cammino in 18 soggetti sani e i risultati validati tramite stereofotogrammetria. La stima dell’orientamento mediante un filtro di Kalman ottimizzato per il cammino e l’utilizzo di tecniche per la correzione della deriva forniscono stime dell'orientamento dell’unità inerziale con un’accuratezza dell’ordine di 1°. I metodi per determinare le caratteristiche spazio-temporali durante il cammino a partire dai dati misurati da un’unità inerziale posizionata sulla pelvi richiedono l’allineamento dell’unità rispetto all'anatomia del soggetto. È stato sviluppato un metodo per stimare gli istanti iniziali e finali di contatto del piede al suolo senza la necessità di effettuare un allineamento rigoroso. Il metodo si basa sul filtraggio e la differenziazione dei dati di accelerazione tramite l’uso di Wavelet. Questo metodo è stato testato su 18 soggetti sani e 23 patologici (esiti da ictus e malattia di Parkinson) e validato utilizzando un tappeto strumentato. I risultati del presente lavoro mostrano che è possibile effettuare una valutazione quantitativa del cammino mediante l'uso di un’unità inerziale posizionata sulla pelvi.

The research field of the Thesis is the evaluation of motor variability and the analysis of motor stability for the assessment of fall risk. Since many falls occur during walking, a better understanding of motor stability could lead to the definition of a reliable fall risk index aiming at measuring and assessing the risk of fall in the elderly, in the attempt to prevent traumatic events. Several motor variability and stability measures are proposed in the literature, but still a proper methodological characterization is lacking. Moreover, the relationship between many of these measures and fall history or fall risk is still unknown, or not completely clear. The aim of this thesis is hence to: i) analyze the influence of experimental implementation parameters on variability/stability measures and understand how variations in these parameters affect the outputs; ii) assess the relationship between variability/stability measures and long- short-term fall history. Several implementation issues have been addressed. Following the need for a methodological standardization of gait variability/stability measures, highlighted in particular for orbital stability analysis through a systematic review, general indications about implementation of orbital stability analysis have been showed, together with an analysis of the number of strides and the test-retest reliability of several variability/stability numbers. Indications about the influence of directional changes on measures have been provided. The association between measures and long/short-term fall history has also been assessed. Of all the analyzed variability/stability measures, Multiscale entropy and Recurrence quantification analysis demonstrated particularly good results in terms of reliability, applicability and association with fall history. Therefore, these measures should be taken in consideration for the definition of a fall risk index. / L’ambito di ricerca della tesi è la valutazione della variabilità motoria e l'analisi della stabilità motoria per la stima del rischio di caduta. Dal momento che molte cadute avvengono durante il cammino, una migliore comprensione della stabilità motoria potrebbe portare alla definizione di un indice affidabile del rischio caduta con lo scopo di misurare e valutare il rischio di caduta negli anziani, nel tentativo di evitare l’insorgere di eventi traumatici. Diverse misure di variabilità e stabilità motoria sono proposte in letteratura, ma manca ancora una scrupolosa caratterizzazione metodologica. Inoltre, il rapporto tra molte di queste misure e la storia di cadute o il rischio caduta è ancora sconosciuto, o non del tutto chiaro. Lo scopo di questa tesi è quindi di: i) analizzare l'influenza dei parametri implementativi sperimentali sulle misure di variabilità/stabilità e analizzare come le variazioni di questi parametri influenzano le uscite; ii) valutare la relazione tra le misure di variabilità/stabilità e la storia di cadute a lungo e breve termine. Diversi aspetti implementativi sono state affrontati. A seguito della necessità di una standardizzazione metodologica delle misure di variabilità/stabilità, evidenziata, in particolare, da una revisione sistematica della letteratura sull’analisi di stabilità orbitale, indicazioni generali riguardanti l’implementazione della suddetta analisi sono stati presentate, assieme ad un'analisi del numero di passi richiesti e affidabilità test-retest di diverse misure di variabilità/stabilità. Indicazioni circa l'influenza dei cambi direzionali sulle sono state inoltre fornite. L’associazione tra le misure e la storia di cadute a lungo e breve termine è stata valutata. Di tutte le misure di variabilità/stabilità analizzate, la Multiscale entropy e la Recurrence quantification analysis hanno dimostrato risultati particolarmente buoni in termini di affidabilità, applicabilità e associazione con la storia di cadute. Pertanto, tali misure dovrebbero essere prese in considerazione per la definizione di un indice di rischio di caduta.

La neuroriabilitazione è un processo attraverso cui individui affetti da patologie neurologiche mirano al conseguimento di un recupero completo o alla realizzazione del loro potenziale ottimale benessere fisico, mentale e sociale. Elementi essenziali per una riabilitazione efficace sono: una valutazione clinica da parte di un team multidisciplinare, un programma riabilitativo mirato e la valutazione dei risultati conseguiti mediante misure scientifiche e clinicamente appropriate. Obiettivo principale di questa tesi è stato sviluppare metodi e strumenti quantitativi per il trattamento e la valutazione motoria di pazienti neurologici. I trattamenti riabilitativi convenzionali richiedono a pazienti neurologici l’esecuzione di esercizi ripetitivi, diminuendo la loro motivazione. La realtà virtuale e i feedback sono in grado di coinvolgerli nel trattamento, permettendo ripetibilità e standardizzazione dei protocolli. È stato sviluppato e valutato uno strumento basato su feedback aumentati per il controllo del tronco. Inoltre, la realtà virtuale permette l’individualizzare il trattamento in base alle esigenze del paziente. Un’applicazione virtuale per la riabilitazione del cammino è stata sviluppata e testata durante un training su pazienti di sclerosi multipla, valutandone fattibilità e accettazione e dimostrando l'efficacia del trattamento. La valutazione quantitativa delle capacità motorie dei pazienti viene effettuata utilizzando sistemi di motion capture. Essendo il loro uso nella pratica clinica limitato, una metodologia per valutare l’oscillazione delle braccia in soggetti parkinsoniani basata su sensori inerziali è stata proposta. Questi sono piccoli, accurati e flessibili ma accumulano errori durante lunghe misurazioni. È stato affrontato questo problema e i risultati suggeriscono che, se il sensore è sul piede e le accelerazioni sono integrate iniziando dalla fase di mid stance, l’errore e le sue conseguenze nella determinazione dei parametri spaziali sono contenuti. Infine, è stata presentata una validazione del Kinect per il tracking del cammino in ambiente virtuale. Risultati preliminari consentono di definire il campo di utilizzo del sensore in riabilitazione. / Neurorehabilitation is a process by which neurological individuals achieve full recovery or, when not possible, realize their optimal physical, mental and social potential. Essential components of effective motor rehabilitation process include an expert multidisciplinary assessment, a realistic goal-oriented program and the evaluation of patient’s achievements through clinically appropriate, scientifically sound outcome measures. The main aim of this thesis was to develop quantitative methods and tools for the clinical treatment and assessment of neurological patients. Conventional rehabilitation treatments typically require neurological patients to execute repetitive exercises, consequently limiting their engagement and motivation. Virtual reality and augmented feedback are tools which have shown to involve patients, allowing repeatability and standardization of protocols. An augmented feedback tool for trunk control was developed and evaluated. Moreover, virtual reality allows individualizing the treatment on patient’s needs gradually adapting the difficulty level to the progress. A virtual reality-based application for gait rehabilitation was developed and tested in a 6-weeks training program on multiple sclerosis subjects. Its feasibility and acceptance were evaluated and the effectiveness of treatment demonstrated. Traditionally, quantitative motor assessments have been performed using motion capture systems. Unfortunately, their effective use in clinical practice is still limited. To overcome these limitations inertial sensors have been introduced. A methodology based on their use to assess arm swing in Parkinson’s diseased is proposed. Inertial sensors, are small, accurate, flexible and portable but accumulate significant drift during long measurements. This issue has been analyzed and findings suggest that drift and its consequences in determining gait parameters can be contained if the inertial unit is placed on the foot and accelerations are integrated starting from the mid stance phase. Finally, a validation of the Microsoft Kinect in tracking gait in a virtual reality-based training is presented. Preliminary results allow defining its range of use in rehabilitation.

Despite several clinical tests that have been developed to qualitatively describe complex motor tasks by functional testing, these methods often depend on clinicians' interpretation, experience and training, which make the assessment results inconsistent, without the precision required to objectively assess the effect of the rehabilitative intervention. A more detailed characterization is required to fully capture the various aspects of motor control and performance during complex movements of lower and upper limbs. The need for cost-effective and clinically applicable instrumented tests would enable quantitative assessment of performance on a subject-specific basis, overcoming the limitations due to the lack of objectiveness related to individual judgment, and possibly disclosing subtle alterations that are not clearly visible to the observer. Postural motion measurements at additional locations, such as lower and upper limbs and trunk, may be necessary in order to obtain information about the inter-segmental coordination during different functional tests involved in clinical practice. With these considerations in mind, this Thesis aims: i) to suggest a novel quantitative assessment tool for the kinematics and dynamics evaluation of a multi-link kinematic chain during several functional motor tasks (i.e. squat, sit-to-stand, postural sway), using one single-axis accelerometer per segment, ii) to present a novel quantitative technique for the upper limb joint kinematics estimation, considering a 3-link kinematic chain during the Fugl-Meyer Motor Assessment and using one inertial measurement unit per segment. The suggested methods could have several positive feedbacks from clinical practice. The use of objective biomechanical measurements, provided by inertial sensor-based technique, may help clinicians to: i) objectively track changes in motor ability, ii) provide timely feedback about the effectiveness of administered rehabilitation interventions, iii) enable intervention strategies to be modified or changed if found to be ineffective, and iv) speed up the experimental sessions when several subjects are asked to perform different functional tests.

in the everyday clinical practice. Having this in mind, the choice of a simple setup would not be enough because, even if the setup is quick and simple, the instrumental assessment would still be in addition to the daily routine. The will to overcome this limit has led to the idea of instrumenting already existing and widely used functional tests. In this way the sensor based assessment becomes an integral part of the clinical assessment. Reliable and validated signal processing methods have been successfully implemented in Personal Health Systems based on smartphone technology. At the end of this research project there is evidence that such solution can really and easily used in clinical practice in both supervised and unsupervised settings. Smartphone based solution, together or in place of dedicated wearable sensing units, can truly become a pervasive and low-cost means for providing suitable testing solutions for quantitative movement analysis with a clear clinical value, ultimately providing enhanced balance and mobility support to an aging population. / Una analisi obiettiva richiede un approccio di misura strumentale. La valutazione clinica impiega strumenti veloci e di facile impiego ma i risultati sono spesso dipendenti dall’operatore e ci sono effetti soffitto e pavimento che rendono queste metodiche poco sensibile per poter rilevare e monitorare piccoli cambiamenti di stato. L’analisi strumentale applicata alla valutazione funzionale invece fa uso di algoritmi autimatici per un analisi obiettiva della performance motoria che va al di la delle semplici misure che si ottengono con gli strumenti tradizionalmente in uso come i cronometri. Non solo i clinici hanno bisogno di informazioni chiare ed affidabili ma è altrettanto importante fornire queste informazione con il minimo sforzo da parte dell’utente altrimenti queste metodiche non avranno mai una reale penetrazione nella pratica clinica. Per superare i limiti dell’approccio di valutazione tradizionale si è scelto di andare a strumentare i test di valutazione più utilizzati nella pratica ordinaria. Sono stati quindi sviluppati e validati nuovi metodi di analisi per dati e segnali che diventano parte inegrante della routine clinica. Facendo uso di soluzioni basate su smartphone, queste metodiche sono entrate a far parte dei cosidetti Personal Health Systems che forniscono soluzioni pervasive e a basso costo per l’analisi del movimento in ambiente supervisionato e non supervisionato.

This thesis proposes an integrated holistic approach to the study of neuromuscular fatigue in order to encompass all the causes and all the consequences underlying the phenomenon. Starting from the metabolic processes occurring at the cellular level, the reader is guided toward the physiological changes at the motorneuron and motor unit level and from this to the more general biomechanical alterations. In Chapter 1 a list of the various definitions for fatigue spanning several contexts has been reported. In Chapter 2, the electrophysiological changes in terms of motor unit behavior and descending neural drive to the muscle have been studied extensively as well as the biomechanical adaptations induced. In Chapter 3 a study based on the observation of temporal features extracted from sEMG signals has been reported leading to the need of a more robust and reliable indicator during fatiguing tasks. Therefore, in Chapter 4, a novel bi-dimensional parameter is proposed. The study on sEMG-based indicators opened a scenario also on neurophysiological mechanisms underlying fatigue. For this purpose, in Chapter 5, a protocol designed for the analysis of motor unit-related parameters during prolonged fatiguing contractions is presented. In particular, two methodologies have been applied to multichannel sEMG recordings of isometric contractions of the Tibialis Anterior muscle: the state-of-the-art technique for sEMG decomposition and a coherence analysis on MU spike trains. The importance of a multi-scale approach has been finally highlighted in the context of the evaluation of cycling performance, where fatigue is one of the limiting factors. In particular, the last chapter of this thesis can be considered as a paradigm: physiological, metabolic, environmental, psychological and biomechanical factors influence the performance of a cyclist and only when all of these are kept together in a novel integrative way it is possible to derive a clear model and make correct assessments.