Aplicações das redes de Bragg na biomecânica

O presente trabalho tem como objectivo o estudo, desenvolvimento e aplicações na área da biomecânica de sensores intrínsecos baseados em redes de Bragg em fibras ópticas (FBG). As aplicações são feitas em modelos biomecânicos in vitro tais como: implantes de anca, prótese de joelho, placas de osteossíntese e implantes dentários. A optimização do desenvolvimento de próteses e respectivos elementos de fixação é actualmente dependente da geração e validação experimental de seus modelos computacionais. A validação destes modelos é normalmente feita utilizando-se dados de ensaios não invasivos e invasivos em modelos sintéticos. Em ensaios in vitro os sensores convencionais têm um princípio de funcionamento eléctrico e apresentam por vezes dimensões inadequadas. Existem situações exploradas no presente trabalho, tais como sensoriamento de superfícies irregulares e junções ou ainda análises de deformações internas, onde é recomendável a utilização de sensores FBG, pois apresentam dimensões reduzidas e flexibilidade o que permite efectuar medidas localizadas. O desenvolvimento de um protocolo de utilização de FBG e a sua aplicação no contexto apresentado demonstrou-se mais adequado, pela precisão e segurança futura oferecidas. Foi desenvolvida uma metodologia experimental para medidas de deformações utilizando FBG ao longo de uma placa de osteossíntese metálica aparafusada a um fémur sintético fracturado. Foi efectuada a monitorização da cura do cimento ósseo utilizado como fixador do prato tibial na artroplastia total do joelho através da medida da sua contracção e temperatura. Foi também desenvolvido um sistema refrigerador com resposta às leituras de temperatura com vista a evitar a necrose do osso. Foram efectuados estudos de deformação nesse cimento após a sua cura, como resultado da aplicação de cargas mecânicas estáticas. Foram efectuados estudos da cura de cimento ósseo aplicado a próteses de anca e também de deformações nestas próteses. Foi ainda efectuado o estudo comparativo de vários implantes dentários através da medida da distribuição de deformações como resposta a excitações mecânicas impulsivas. Para a desmodulação das FBG foram inicialmente utilizados sistemas comerciais. Entretanto algumas aplicações não puderam ser implementadas com estes sistemas comerciais devido à baixa reflectividade das FBG utilizadas, mas fundamentalmente devido à necessidade de executar testes com uma taxa de aquisição maior do que os 5 Hz disponíveis (cerca de 15 kHz). Por estes motivos foi desenvolvido um sistema optoelectrónico completo de desmodulação de FBG baseado num filtro sintonizável e que tem como característica principal a alta taxa de aquisição (até 1,2 MHz) mas também se destaca pela facilidade na reconfiguração dos parâmetros de leitura, pela apresentação duma interface de utilizador amigável e pela capacidade de operar com até 5 FBG na mesma fibra óptica.

Photonic devices for optical and RF signal processing

O presente trabalho tem por objectivo o estudo de novos dispositivos fotónicos aplicados a sistemas de comunicações por fibra óptica e a sistemas de processamento de sinais RF. Os dispositivos apresentados baseiam-se em processamento de sinal linear e não linear. Dispositivos lineares ópticos tais como o interferómetro de Mach-Zehnder permitem adicionar sinais ópticos com pesos fixos ou sintonizáveis. Desta forma, este dispositivo pode ser usado respectivamente como um filtro óptico em amplitude com duas saídas complementares, ou, como um filtro óptico de resposta de fase sintonizável. O primeiro princípio de operação serve como base para um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. O segundo princípio de operação é explorado num novo sistema fotónico de direccionamento do campo eléctrico radiado por um agregado de antenas, e também num novo compensador sintonizável de dispersão cromática. O processamento de sinal é não linear quando sinais ópticos são atrasados e posteriormente misturados entre si, em vez de serem linearmente adicionados. Este princípio de operação está por detrás da mistura de um sinal eléctrico com um sinal óptico, que por sua vez é a base de um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. A mistura de sinais ópticos em meios não lineares permite uma operação eficiente numa grande largura espectral. Tal operação é usada para realizar conversão de comprimento de onda sintonizável. Um sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal de elevada largura de banda é misturado com duas bombas ópticas não moduladas com base em processos não lineares paramétricos num guia de ondas de niobato de lítio com inversão periódica da polarização dos domínios ferroeléctricos. Noutro trabalho, uma bomba pulsada em que cada pulso tem um comprimento de onda sintonizável serve como base a um novo conversor de sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal para um sinal óptico com multiplexagem no comprimento de onda. A bomba é misturada com o sinal óptico de entrada através de um processo não linear paramétrico numa fibra óptica com parâmetro não linear elevado. Todos os dispositivos fotónicos de processamento de sinal linear ou não linear propostos são experimentalmente validados. São também modelados teoricamente ou através de simulação, com a excepção dos que envolvem mistura de sinais ópticos. Uma análise qualitativa é suficiente nestes últimos dispositivos.

Estudo de otimização de imagem e dose em mamografia digital

O objetivo deste trabalho foi efetuar um estudo de otimização dos parâmetros de exposição do mamógrafo digital da marca GE, modelo Senographe DS instalado no Instituto Português de Oncologia de Coimbra (IPOC) baseado numa análise contraste detalhe e avaliar o impacto do resultado obtido na melhoria da capacidade de detecção clínica das estruturas da mama. O mamógrafo em estudo dispõe de um sistema de controle automático da exposição designado por sistema AOP (Automatic Optimization of Parameters) que foi otimizado pelo fabricante a partir da razão contraste ruído. O sistema AOP é usado na prática clínica na quase totalidade dos exames de mamografia realizados no IPOC. Tendo em conta o tipo de estrutura que se pretende visualizar na mamografia, nomeadamente estruturas de baixo contraste como as massas e estruturas de dimensão submilimétrica como as microcalcificações, a análise contraste detalhe poderia constituir uma abordagem mais adequada para o estudo de otimização dos parâmetros de exposição uma vez que permitiria uma avaliação conjunta do contraste, da resolução espacial e do ruído da imagem. Numa primeira fase do trabalho foi efetuada a caracterização da prática clínica realizada no mamógrafo em estudo em termos de espessura de mama comprimida “típica”, dos parâmetros técnicos de exposição e das opções de processamento das imagens aplicadas pelo sistema AOP (combinação alvo/filtro, tensão aplicada na ampola - kVp e produto corrente-tempo da ampola - mAs). Numa segunda fase foi realizado um estudo de otimização da qualidade da imagem versus dose na perspectiva dos parâmetros físicos. Para tal foi efetuada uma análise contrastedetalhe no objeto simulador de mama CDMAM e usada uma figura de mérito definida a partir do IQFinv (inverted image quality figure) e da dose glandular média. Os resultados apontaram para uma diferença entre o ponto ótimo resultante do estudo de otimização e o ponto associado aos parâmetros de exposição escolhidos pelo sistema AOP, designadamente no caso da mama pequena. Sendo a qualidade da imagem na perspectiva clínica um conceito mais complexo cujo resultado da apreciação de uma imagem de boa qualidade deve ter em conta as diferenças entre observadores, foi efetuado na última parte deste trabalho um estudo do impacto clínico da proposta de otimização da qualidade de imagem. A partir das imagens realizadas com o objeto simulador antropomórfico TOR MAM simulando uma mama pequena, seis médicos(as) radiologistas com mais de 5 anos de experiência em mamografia avaliaram as imagens “otimizadas” obtidas utilizando-se os parâmetros técnicos de exposição resultantes do estudo de otimização e a imagem resultante da escolha do sistema AOP. A análise estatística das avaliações feitas pelos médicos indica que a imagem “otimizada” da mama pequena apresenta uma melhor visualização das microcalcificações sem perda da qualidade da imagem na deteção de fibras e de massas em comparação com a imagem “standard”. Este trabalho permitiu introduzir uma nova definição da figura de mérito para o estudo de otimização da qualidade da imagem versus dose em mamografia. Permitiu também estabelecer uma metodologia consistente que pode facilmente ser aplicada a qualquer outro mamógrafo, contribuindo para a área da otimização em mamografia digital que é uma das áreas mais relevantes no que toca à proteção radiológica do paciente.

Reconfigurable transmitters for software-defined radios

Flexible radio transmitters based on the Software-Defined Radio (SDR) concept are gaining an increased research importance due to the unparalleled proliferation of new wireless standards operating at different frequencies, using dissimilar coding and modulation schemes, and targeted for different ends. In this new wireless communications paradigm, the physical layer of the radio transmitter must be able to support the simultaneous transmission of multi-band, multi-rate, multi-standard signals, which in practice is very hard or very inefficient to implement using conventional approaches. Nevertheless, the last developments in this field include novel all-digital transmitter architectures where the radio datapath is digital from the baseband up to the RF stage. Such concept has inherent high flexibility and poses an important step towards the development of SDR-based transmitters. However, the truth is that implementing such radio for a real world communications scenario is a challenging task, where a few key limitations are still preventing a wider adoption of this concept. This thesis aims exactly to address some of these limitations by proposing and implementing innovative all-digital transmitter architectures with inherent higher flexibility and integration, and where improving important figures of merit, such as coding efficiency, signal-to-noise ratio, usable bandwidth and in-band and out-of-band noise will also be addressed. In the first part of this thesis, the concept of transmitting RF data using an entirely digital approach based on pulsed modulation is introduced. A comparison between several implementation technologies is also presented, allowing to state that FPGAs provide an interesting compromise between performance, power efficiency and flexibility, thus making them an interesting choice as an enabling technology for pulse-based all-digital transmitters. Following this discussion, the fundamental concepts inherent to pulsed modulators, its key advantages, main limitations and typical enhancements suitable for all-digital transmitters are also presented. The recent advances regarding the two most common classes of pulse modulated transmitters, namely the RF and the baseband-level are introduced, along with several examples of state-of-the-art architectures found on the literature. The core of this dissertation containing the main developments achieved during this PhD work is then presented and discussed. The first key contribution to the state-of-the-art presented here consists in the development of a novel ΣΔ-based all-digital transmitter architecture capable of multiband and multi-standard data transmission in a very flexible and integrated way, where the pulsed RF output operating in the microwave frequency range is generated inside a single FPGA device. A fundamental contribution regarding the simultaneous transmission of multiple RF signals is then introduced by presenting and describing novel all-digital transmitter architectures that take advantage of multi-gigabit data serializers available on current high-end FPGAs in order to transmit in a time-interleaved approach multiple independent RF carriers. Further improvements in this design approach allowed to provide a two-stage up-conversion transmitter architecture enabling the fine frequency tuning of concurrent multichannel multi-standard signals. Finally, further improvements regarding two key limitations inherent to current all-digital transmitter approaches are then addressed, namely the poor coding efficiency and the combined high quality factor and tunability requirements of the RF output filter. The followed design approach based on poliphase multipath circuits allowed to create a new FPGA-embedded agile transmitter architecture that significantly improves important figures of merit, such as coding efficiency and SNR, while maintains the high flexibility that is required for supporting multichannel multimode data transmission.

Channel estimation and parameters acquisition systems employing cooperative diversity

This work investigates new channel estimation schemes for the forthcoming and future generation of cellular systems for which cooperative techniques are regarded. The studied cooperative systems are designed to re-transmit the received information to the user terminal via the relay nodes, in order to make use of benefits such as high throughput, fairness in access and extra coverage. The cooperative scenarios rely on OFDM-based systems employing classical and pilot-based channel estimators, which were originally designed to pointto-point links. The analytical studies consider two relaying protocols, namely, the Amplifyand-Forward and the Equalise-and-Forward, both for the downlink case. The relaying channels statistics show that such channels entail specific characteristics that comply to a proper filter and equalisation designs. Therefore, adjustments in the estimation process are needed in order to obtain the relay channel estimates, refine these initial estimates via iterative processing and obtain others system parameters that are required in the equalisation. The system performance is evaluated considering standardised specifications and the International Telecommunication Union multipath channel models.

Fiber-optic components for optical communicatios and sensing

Nos últimos anos, a Optoelectrónica tem sido estabelecida como um campo de investigação capaz de conduzir a novas soluções tecnológicas. As conquistas abundantes no campo da óptica e lasers, bem como em comunicações ópticas têm sido de grande importância e desencadearam uma série de inovações. Entre o grande número de componentes ópticos existentes, os componentes baseados em fibra óptica são principalmente relevantes devido à sua simplicidade e à elevada de transporte de dados da fibra óptica. Neste trabalho foi focado um destes componentes ópticos: as redes de difracção em fibra óptica, as quais têm propriedades ópticas de processamento únicas. Esta classe de componentes ópticos é extremamente atraente para o desenvolvimento de dispositivos de comunicações ópticas e sensores. O trabalho começou com uma análise teórica aplicada a redes em fibra e foram focados os métodos de fabricação de redes em fibra mais utilizados. A inscrição de redes em fibra também foi abordado neste trabalho, onde um sistema de inscrição automatizada foi implementada para a fibra óptica de sílica, e os resultados experimentais mostraram uma boa aproximação ao estudo de simulação. Também foi desenvolvido um sistema de inscrição de redes de Bragg em fibra óptica de plástico. Foi apresentado um estudo detalhado da modulação acústico-óptica em redes em fibra óptica de sílica e de plástico. Por meio de uma análise detalhada dos modos de excitação mecânica aplicadas ao modulador acústico-óptico, destacou-se que dois modos predominantes de excitação acústica pode ser estabelecidos na fibra óptica, dependendo da frequência acústica aplicada. Através dessa caracterização, foi possível desenvolver novas aplicações para comunicações ópticas. Estudos e implementação de diferentes dispositivos baseados em redes em fibra foram realizados, usando o efeito acústico-óptico e o processo de regeneração em fibra óptica para várias aplicações tais como rápido multiplexador óptico add-drop, atraso de grupo sintonizável de redes de Bragg, redes de Bragg com descolamento de fase sintonizáveis, método para a inscrição de redes de Bragg com perfis complexos, filtro sintonizável para equalização de ganho e filtros ópticos notch ajustáveis.

Multi-standard reconfigurable wireless transmitter architectures

The continuous demand for highly efficient wireless transmitter systems has triggered an increased interest in switching mode techniques to handle the required power amplification. The RF carrier amplitude-burst transmitter, i.e. a wireless transmitter chain where a phase-modulated carrier is modulated in amplitude in an on-off mode, according to some prescribed envelope-to-time conversion, such as pulse-width or sigma-delta modulation, constitutes a promising architecture capable of efficiently transmitting signals of highly demanding complex modulation schemes. However, the tested practical implementations present results that are way behind the theoretically advanced promises (perfect linearity and efficiency). My original contribution to knowledge presented in this thesis is the first thorough study and model of the power efficiency and linearity characteristics that can be actually achieved with this architecture. The analysis starts with a brief revision of the theoretical idealized behavior of these switched-mode amplifier systems, followed by the study of the many sources of impairments that appear when the real system is implemented. In particular, a special attention is paid to the dynamic load modulation caused by the often ignored interaction between the narrowband signal reconstruction filter and the usual single-ended switched-mode power amplifier, which, among many other performance impairments, forces a two transistor implementation. The performance of this architecture is clearly explained based on the presented theory, which is supported by simulations and corresponding measured results of a fully working implementation. The drawn conclusions allow the development of a set of design rules for future improvements, one of which is proposed and verified in this thesis. It suggests a significant modification to this traditional architecture, where now the phase modulated carrier is always on – and thus allowing a single transistor implementation – and the amplitude is impressed into the carrier phase according to a bi-phase code.

Phase transitions and nonlinear phenomena in neuronal network models

Communication and cooperation between billions of neurons underlie the power of the brain. How do complex functions of the brain arise from its cellular constituents? How do groups of neurons self-organize into patterns of activity? These are crucial questions in neuroscience. In order to answer them, it is necessary to have solid theoretical understanding of how single neurons communicate at the microscopic level, and how cooperative activity emerges. In this thesis we aim to understand how complex collective phenomena can arise in a simple model of neuronal networks. We use a model with balanced excitation and inhibition and complex network architecture, and we develop analytical and numerical methods for describing its neuronal dynamics. We study how interaction between neurons generates various collective phenomena, such as spontaneous appearance of network oscillations and seizures, and early warnings of these transitions in neuronal networks. Within our model, we show that phase transitions separate various dynamical regimes, and we investigate the corresponding bifurcations and critical phenomena. It permits us to suggest a qualitative explanation of the Berger effect, and to investigate phenomena such as avalanches, band-pass filter, and stochastic resonance. The role of modular structure in the detection of weak signals is also discussed. Moreover, we find nonlinear excitations that can describe paroxysmal spikes observed in electroencephalograms from epileptic brains. It allows us to propose a method to predict epileptic seizures. Memory and learning are key functions of the brain. There are evidences that these processes result from dynamical changes in the structure of the brain. At the microscopic level, synaptic connections are plastic and are modified according to the dynamics of neurons. Thus, we generalize our cortical model to take into account synaptic plasticity and we show that the repertoire of dynamical regimes becomes richer. In particular, we find mixed-mode oscillations and a chaotic regime in neuronal network dynamics.

Comparison of different methods to detect genetic barriers in a small mammal population

Habitat fragmentation and the consequently the loss of connectivity between populations can reduce the individuals interchange and gene flow, increasing the chances of inbreeding, and the increase the risk of local extinction. Landscape genetics is providing more and better tools to identify genetic barriers.. To our knowledge, no comparison of methods in terms of consistency has been made with observed data and species with low dispersal ability. The aim of this study is to examine the consistency of the results of five methods to detect barriers to gene flow in a Mediterranean pine vole population Microtus duodecimcostatus: F-statistics estimations, Non-Bayesian clustering, Bayesian clustering, Boundary detection and Simple/Partial Mantel tests. All methods were consistent in detecting the stream as a non-genetic barrier. However, no consistency in results among the methods were found regarding the role of the highway as a genetic barrier. Fst, Bayesian clustering assignment test and Partial Mantel test identifyed the highway as a filter to individual interchange. The Mantel tests were the most sensitive method. Boundary detection method (Monmonier’s Algorithm) and Non-Bayesian approaches did not detect any genetic differentiation of the pine vole due to the highway. Based on our findings we recommend that the genetic barrier detection in low dispersal ability populations should be analyzed with multiple methods such as Mantel tests, Bayesian clustering approaches because they show more sensibility in those scenarios and with boundary detection methods by having the aim of detect drastic changes in a variable of interest between the closest individuals. Although simulation studies highlight the weaknesses and the strengths of each method and the factors that promote some results, tests with real data are needed to increase the effectiveness of genetic barrier detection.