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Dipartimento di Fisica - Politecnico di Milano

Imaging dell'attività funzionale cerebrale e dell'emodinamica muscolare con spettroscopia ottica nel vicino infrarosso risolta nel tempo


 

Titolo: Progettazione, sviluppo e caratterizzazione di un sistema per misura non invasiva del flusso emodinamico mediante tecnica di spettroscopia di correlazione diffusa

Descrizione: La tecnica di spettroscopia di correlazione diffusa (diffuse correlation spectroscopy, DCS) sfrutta le caratteristiche di coerenza temporale di sorgenti laser nel vicino infrarosso per monitorare in maniera non invasiva le variazioni del flusso emodinamico nel muscolo e nel cervello. La tecnica DCS misura le variazioni temporali di intensità del segnale ottico diffuso prodotte, mediante un fenomeno simile all’effetto Doppler, dal movimento dei globuli rossi del sangue nel tessuto biologico. La tecnica DCS accoppiata alla tecnica di spettroscopia nel vicino infrarosso (near infrared spectroscopy, NIRS) permette di fornire una descrizione completa dell’emodinamica di un tessuto biologico in termini di flusso e di volume di sangue. Le applicazioni della tecnica DCS sono nel campo delle Neuroscienze e della Riabilitazione. Nell’ambito del lavoro di tesi si prevede di progettare, assemblare e caratterizzare un sistema per misure DCS. A partire dalle specifiche tecniche di sistemi DCS esistenti verranno selezionati i componenti fotonici ottimali per il sistema DCS (es. laser, rivelatore, elettronica). Successivamente tali componenti verranno caratterizzati in laboratorio e poi integrati in un sistema. La caratterizzazione delle prestazioni verrà effettuata utilizzando sistemi modello calibrati. La validazione in condizioni operative verrà effettuata mediante misure su volontari in collaborazione con gruppi di ricerca clinici.

Requisiti: La tesi è proposta a studenti dei corsi di Ingegneria (Fisica, Elettronica, Biomedica, …) dotati di interesse per le applicazioni della Fotonica. Sono richieste competenze di base in Fisica, Analisi Matematica, Ottica e Optoelettronica. Nel corso dell’attività di tesi si farà uso di strumenti informatici per controllo di strumentazione (es. LabWindows CVI, linguaggio C), simulazioni numeriche (es. Matlab, linguaggio C e/o Fortran), analisi dati (es. Matlab, Excel) e stesura di rapporti e relazioni scientifiche (es. Office, Origin). Motivazione, capacità di lavorare in gruppo e buon senso sono caratteristiche indispensabili.

Durata: L’impegno richiesto è di circa 8 - 12 mesi a tempo pieno. E’ consigliabile non avere più di 2-3 esami da sostenere per evitare di interrompere troppo spesso il lavoro sperimentale. L’attività di tesi è infatti inserita nella corrente attività di ricerca del laboratorio e quindi le assenze dello studente per studio di esami o altri impegni possono ritardare la realizzazione dell’attività di tesi. E’ previsto un periodo iniziale di formazione della durata di 1-2 mesi in cui lo studente acquisisce le competenze necessarie per lo svolgimento della tesi e per l’uso della strumentazione di laboratorio. Successivamente lo studente, in maniera sempre più autonoma, contribuisce alla realizzazione delle attività seguendo un piano di lavoro della durata di 6-8 mesi discusso con i responsabili del laboratorio. Nella fase finale lo studente si dedica alla scrittura della tesi e alla preparazione della presentazione per l’esame di laurea (1-2 mesi).
Il lavoro è caratterizzato da una connotazione fortemente sperimentale. Al termine della tesi lo studente avrà acquisito competenze sulla progettazione di una strumentazione fotonica, sulla sua caratterizzazione mediante misure ottiche ed elettroniche e sulla validazione in condizioni operative.
ll lavoro di tesi si svolgerà presso i laboratori del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano.

Posti disponibili: 1-2

Contatti: Prof. Alessandro Torricelli (tel. +39 02 2399 6087, email: alessandro.torricelli@polimi.it), Prof. Davide Contini (tel. +39 02 2399 6148, email: davide.contini@polimi.it)


 

Titolo: La spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso risolta nel tempo per il monitoraggio non invasivo dell’emodinamica in pazienti con ictus cerebrale

Descrizione: Le tecniche correntemente utilizzate per il monitoraggio di pazienti con ictus cerebrale (es. TAC, fMRI, ...) richiedono il trasferimento del paziente dal reparto alle strutture diagnostiche e non sempre per problemi di costo e di opportunità (es. criticità del paziente durante il trasferimento) possono essere impiegate con continuità. Esiste quindi la necessità a livello clinico di dotarsi di una tecnica in grado di monitare in modo non invasivo e continuo lo stato dell’emodinamica corticale. La tecnica di spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso risolta nel tempo (time domain functional near infrared spectroscopy, TD fNIRS) consente di misurare le concentrazioni di emoglobina ossigenata e deossigenata nella corteccia cerebrale. La tecnica fNIRS è non invasiva, non richiede la somministrazione di agenti di contrasto e può essere ripetuta più volte senza effetti collaterali. La strumentazione TD fNIRS è di dimensioni sufficicentemente compatte per poter essere impiegata in reparto al letto del paziente.
Nell’ambito del lavoro di tesi si prevede di ottimizzare un dispositivo medico per misure TD fNIRS, progettato e sviluppato dai ricercatori del fNIRS Lab, per misure di emodinamica cerebrale in volontari sani e pazienti con ictus cerebrale. L’attività prevede di mettere a punto le caratteristiche tecniche del dispositivo medico (es. potenza ottica, durata degli impulsi, tempo di acquisizione), verificarne le prestazioni in laboratorio su sistemi modello calibrati che mimino la struttura della testa dell’uomo (es. campioni multistrato), sviluppare e validare opportuni modelli teorici e algoritmi di analisi dei segnali TD fNIRS, condurre misure su volontari sani e su pazienti con ictus cerebrale. L’attività di ricerca è condotta in collaborazione con il Dipartimento di Neurologia dell’Ospedale San Raffaele di Milano.

Requisiti: La tesi è proposta a studenti dei corsi di Ingegneria (Fisica, Elettronica, Biomedica, …) dotati di interesse per le applicazioni della Fotonica. Sono richieste competenze di base in Fisica, Analisi Matematica, Ottica e Optoelettronica. Nel corso dell’attività di tesi si farà uso di strumenti informatici per controllo di strumentazione (es. LabWindows CVI, linguaggio C), simulazioni numeriche (es. Matlab, linguaggio C e/o Fortran), analisi dati (es. Matlab, Excel) e stesura di rapporti e relazioni scientifiche (es. Office, Origin). Motivazione, capacità di lavorare in gruppo e buon senso sono caratteristiche indispensabili.

Durata: L’impegno richiesto è di circa 8 - 12 mesi a tempo pieno. E’ consigliabile non avere più di 2-3 esami da sostenere per evitare di interrompere troppo spesso il lavoro sperimentale. L’attività di tesi è infatti inserita nella corrente attività di ricerca del laboratorio e quindi le assenze dello studente per studio di esami o altri impegni possono ritardare la realizzazione dell’attività di tesi. E’ previsto un periodo iniziale di formazione della durata di 1-2 mesi in cui lo studente acquisisce le competenze necessarie per lo svolgimento della tesi e per l’uso della strumentazione di laboratorio. Successivamente lo studente, in maniera sempre più autonoma, contribuisce alla realizzazione delle attività seguendo un piano di lavoro della durata di 6-8 mesi discusso con i responsabili del laboratorio. Nella fase finale lo studente si dedica alla scrittura della tesi e alla preparazione della presentazione per l’esame di laurea (1-2 mesi).
Il lavoro è caratterizzato da una connotazione fortemente sperimentale. Al termine della tesi lo studente avrà acquisito competenze sulla progettazione di una strumentazione fotonica, sulla sua caratterizzazione mediante misure ottiche ed elettroniche e sulla validazione in condizioni operative.
ll lavoro di tesi si svolgerà presso i laboratori del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e presso il Dipartimento di Neurologia dell’Ospedale San Raffaele di Milano.

Posti disponibili: 1

Contatti: Prof. Alessandro Torricelli (tel. +39 02 2399 6087, email: alessandro.torricelli@polimi.it), Prof. Davide Contini (tel. +39 02 2399 6148, email: davide.contini@polimi.it)


 

Titolo: La spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso per il monitoraggio non invasivo dell’emodinamica cerebrale in pazienti con glaucoma

Descrizione: Il glaucoma è un gruppo di neuropatie ottiche progressive caratterizzate dalla perdita di cellule gangliari retiniche accompagnata da una progressiva degenerazione del nervo ottico, cambiamenti nella morfologia disco ottico e difetti del campo visivo. L’attività di tesi, condotta in collaborazione con il Dipartimento di Oftalmologia dell’Ospedale Sacco di Milano, ha lo scopo di valutare il coinvolgimento delle strutture cerebrali occipitali (aree visive) e delle vie visive dal nervo ottico alla corteccia occipitale in pazienti affetti da glaucoma cronico semplice. Verranno effettuate misure su volontari sani e su pazienti affetti da glaucoma utilizzando le normali tecniche elettrofisiologiche impiegate per lo studi del glaucoma (es. elettroretinogramma da pattern, PERG, indicatore diretto della funzione delle cellule gangliari della retina; potenziali visivi evocati, PEV per lo studio della conduzione del segnale elettrico dall’occhio fino alla corteccia occipitale) affiancate alla tecnica di spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso risolta nel tempo (time domain functional near infrared spectroscopy, TD fNIRS) che consente di misurare le concentrazioni di emoglobina ossigenata e deossigenata nella corteccia cerebrale. Nell’ambito del lavoro di tesi si prevede di ottimizzare un dispositivo medico per misure TD fNIRS, progettato e sviluppato dai ricercatori del fNIRS Lab, per misure di emodinamica cerebrale in volontari sani e pazienti con glaucoma. L’attività prevede di mettere a punto le caratteristiche tecniche del dispositivo medico (es. potenza ottica, durata degli impulsi, tempo di acquisizione), verificarne le prestazioni in laboratorio su sistemi modello calibrati che mimino la struttura della testa dell’uomo (es. campioni multistrato), sviluppare e validare opportuni modelli teorici e algoritmi di analisi dei segnali TD fNIRS, condurre misure su volontari sani e su pazienti con glaucoma.

Requisiti: La tesi è proposta a studenti dei corsi di Ingegneria (Fisica, Elettronica, Biomedica, …) dotati di interesse per le applicazioni della Fotonica. Sono richieste competenze di base in Fisica, Analisi Matematica, Ottica e Optoelettronica. Nel corso dell’attività di tesi si farà uso di strumenti informatici per controllo di strumentazione (es. LabWindows CVI, linguaggio C), simulazioni numeriche (es. Matlab, linguaggio C e/o Fortran), analisi dati (es. Matlab, Excel) e stesura di rapporti e relazioni scientifiche (es. Office, Origin). Motivazione, capacità di lavorare in gruppo e buon senso sono caratteristiche indispensabili.

Durata: L’impegno richiesto è di circa 8 - 12 mesi a tempo pieno. E’ consigliabile non avere più di 2-3 esami da sostenere per evitare di interrompere troppo spesso il lavoro sperimentale. L’attività di tesi è infatti inserita nella corrente attività di ricerca del laboratorio e quindi le assenze dello studente per studio di esami o altri impegni possono ritardare la realizzazione dell’attività di tesi. E’ previsto un periodo iniziale di formazione della durata di 1-2 mesi in cui lo studente acquisisce le competenze necessarie per lo svolgimento della tesi e per l’uso della strumentazione di laboratorio. Successivamente lo studente, in maniera sempre più autonoma, contribuisce alla realizzazione delle attività seguendo un piano di lavoro della durata di 6-8 mesi discusso con i responsabili del laboratorio. Nella fase finale lo studente si dedica alla scrittura della tesi e alla preparazione della presentazione per l’esame di laurea (1-2 mesi).
Il lavoro è caratterizzato da una connotazione fortemente sperimentale. Al termine della tesi lo studente avrà acquisito competenze sulla progettazione di una strumentazione fotonica, sulla sua caratterizzazione mediante misure ottiche ed elettroniche e sulla validazione in condizioni operative.
ll lavoro di tesi si svolgerà presso i laboratori del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e presso il Dipartimento di Oftalmologia dell’Ospedale Sacco di Milano.

Posti disponibili: 1

Contatti: Prof. Alessandro Torricelli (tel. +39 02 2399 6087, email: alessandro.torricelli@polimi.it), Prof. Davide Contini (tel. +39 02 2399 6148, email: davide.contini@polimi.it)


 

Titolo: La spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso per il monitoraggio non invasivo del metabolismo muscolare in pazienti sarcopenici

Descrizione: La sarcopenia è definibile come una sindrome caratterizzata da una progressiva e non specifica perdita / riduzione di massa muscolare e di forza con un conseguente aumento del rischio di eventi avversi, disabilità fisica e peggioramento della qualità di vita. I principali meccanismi imputabili nell’insorgenza e progressione del fenomeno sarcopenico sono di natura endocrina, neuro-degenerativa, nutrizionale, età correlati ed il disuso muscolare. Lo scopo di questo studio, condotto in collaborazione con l’Istituto Ortopedico G.Pini di Milano, è quello di valutare l’applicabilità della tecnica di spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso risolta nel tempo (time domain functional near infrared spectroscopy, TD fNIRS) nei pazienti anziani sarcopenici in esiti di chirurgia dell’apparato locomotore e correlare i parametri misurati all’esito funzionale del paziente ed all’attivazione muscolare durante il processo di recupero. In prospettiva l’implementazione di questa metodica non invasiva potrebbe migliorare il monitoraggio della terapia riabilitativa e guidare il percorso di recupero funzionale. L’attività prevede di mettere a punto le caratteristiche tecniche del dispositivo medico (es. potenza ottica, durata degli impulsi, tempo di acquisizione), verificarne le prestazioni in laboratorio su sistemi modello calibrati che mimino la struttura dell’arto dell’uomo (es. campioni multistrato), sviluppare e validare opportuni modelli teorici e algoritmi di analisi dei segnali TD fNIRS, condurre misure su volontari sani e su pazienti sarcopenici.

Requisiti: La tesi è proposta a studenti dei corsi di Ingegneria (Fisica, Elettronica, Biomedica, …) dotati di interesse per le applicazioni della Fotonica. Sono richieste competenze di base in Fisica, Analisi Matematica, Ottica e Optoelettronica. Nel corso dell’attività di tesi si farà uso di strumenti informatici per controllo di strumentazione (es. LabWindows CVI, linguaggio C), simulazioni numeriche (es. Matlab, linguaggio C e/o Fortran), analisi dati (es. Matlab, Excel) e stesura di rapporti e relazioni scientifiche (es. Office, Origin). Motivazione, capacità di lavorare in gruppo e buon senso sono caratteristiche indispensabili.

Durata: L’impegno richiesto è di circa 8 - 12 mesi a tempo pieno. E’ consigliabile non avere più di 2-3 esami da sostenere per evitare di interrompere troppo spesso il lavoro sperimentale. L’attività di tesi è infatti inserita nella corrente attività di ricerca del laboratorio e quindi le assenze dello studente per studio di esami o altri impegni possono ritardare la realizzazione dell’attività di tesi. E’ previsto un periodo iniziale di formazione della durata di 1-2 mesi in cui lo studente acquisisce le competenze necessarie per lo svolgimento della tesi e per l’uso della strumentazione di laboratorio. Successivamente lo studente, in maniera sempre più autonoma, contribuisce alla realizzazione delle attività seguendo un piano di lavoro della durata di 6-8 mesi discusso con i responsabili del laboratorio. Nella fase finale lo studente si dedica alla scrittura della tesi e alla preparazione della presentazione per l’esame di laurea (1-2 mesi).
Il lavoro è caratterizzato da una connotazione fortemente sperimentale. Al termine della tesi lo studente avrà acquisito competenze sulla progettazione di una strumentazione fotonica, sulla sua caratterizzazione mediante misure ottiche ed elettroniche e sulla validazione in condizioni operative.
ll lavoro di tesi si svolgerà presso i laboratori del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e presso l’Istituto Ortopedico G.Pini di Milano.

Posti disponibili: 1

Contatti: Prof. Alessandro Torricelli (tel. +39 02 2399 6087, email: alessandro.torricelli@polimi.it), Prof. Davide Contini (tel. +39 02 2399 6148, email: davide.contini@polimi.it)


 

Titolo: Modellizzazione della propagazione di fotoni in strutture diffondenti eterogenee

Descrizione: La tecnica di spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso risolta nel tempo (time domain functional near ifrared spectroscopy, TD fNIRS) consente di misurare le concentrazioni di emoglobina ossigenata e deossigenata nei tessuti biologici. La tecnica fNIRS consiste nella determinazione del ritardo, dell’attenuazione e dell’allargamento temporale subiti da un breve (durata <100 ps) impulso ottico, nell’intervallo spettrale del visibile e del vicino infrarosso, che si propaga in un mezzo torbido quale un tessuto biologico. I principali tessuti di interesse clinico sono la corteccia cerebrale e i muscoli nell’uomo. Tali strutture sono caratterizzate da un elevato grado di eterogeneità e in prima approssimazione possono essere modellizzate come strutture a strati: il muscolo è infatti ricoperto da uno strato di tessuto adiposo e epidermico, mentre la corteccia cerebrale è rivestita da liquido cerebrospinale, cranio e scalpo. La conoscenza a priori dei parametri ottici e anatomici di tali strutture è fondamentale per una stima accurata dei parametri di interesse per la tecnica fNIRS.
L’attività di tesi prevede di validare modelli fisico-matematici per la propagazione di fotoni in strutture eterogenee (es. strutture a 2 o 3 strati, modelli perturbativi) tipicamente ricavati nell’ambito della teoria del trasporto radiativo o della diffusione di fotoni. Verranno realizzate simulazioni numeriche e misure in laboratorio su sistemi modello calibrati che mimino le strutture di interesse (es. campioni multistrato). Si svilupperanno e valideranno inootre modelli e algoritmi semi-empirici per l’analisi dei segnali TD fNIRS (es. analisi multi-spettrali).

Requisiti: La tesi è proposta a studenti dei corsi di Ingegneria (Fisica, Matematica, Elettronica, Biomedica, …) dotati di interesse per la modellistica fisica e matematica. Sono richieste competenze di base in Fisica, Analisi Matematica, e Calcolo Numerico. Nel corso dell’attività di tesi si farà uso di strumenti informatici per simulazioni numeriche (es. Matlab, linguaggio C e/o Fortran), analisi dati (es. Matlab, Excel) e stesura di rapporti e relazioni scientifiche (es. Office, Origin). Motivazione, capacità di lavorare in gruppo e buon senso sono caratteristiche indispensabili.

Durata: L’impegno richiesto è di circa 8 - 12 mesi a tempo pieno. E’ consigliabile non avere più di 2-3 esami da sostenere per evitare di interrompere troppo spesso il lavoro sperimentale. L’attività di tesi è infatti inserita nella corrente attività di ricerca del laboratorio e quindi le assenze dello studente per studio di esami o altri impegni possono ritardare la realizzazione dell’attività di tesi. E’ previsto un periodo iniziale di formazione della durata di 1-2 mesi in cui lo studente acquisisce le competenze necessarie per lo svolgimento della tesi. Successivamente lo studente, in maniera sempre più autonoma, contribuisce alla realizzazione delle attività seguendo un piano di lavoro della durata di 6-8 mesi discusso con i responsabili del laboratorio. Nella fase finale lo studente si dedica alla scrittura della tesi e alla preparazione della presentazione per l’esame di laurea (1-2 mesi).
Il lavoro è caratterizzato da una connotazione teorica ma guidata da requisiti applicativi e sperimentali. Al termine della tesi lo studente avrà acquisito competenze sulla validazione in condizioni operative di modelli teorici e algoritmi per la stima di parametri di interesse clinico.
ll lavoro di tesi si svolgerà presso i laboratori del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano.

Posti disponibili: 1

Contatti: Prof. Alessandro Torricelli (tel. +39 02 2399 6087, email: alessandro.torricelli@polimi.it), Prof. Lorenzo Spinelli (tel +39 02 2399 6097, email: lorenzo.spinelli@polimi.it)