Investigação no ensino de engenharia biomédica: dois casos de estudo

Desde os anos oitenta que os avanços das ciências básicas e das ciências da engenharia têm dado um impulso sem precedentes à investigação médica, o que criou as condições para a afirmação da Engenharia Biomédica como ramo autónomo da Engenharia. Este novo ramo da Engenharia impôs-se em domínios que incluem a imagiologia biomédica, a bioinformática, a biotecnologia, a biomecânica, os biomateriais, a engenharia de tecidos, próteses e orgãos artificiais, a análise e modelação de sinais fisiológicos e a gestão de sistemas de saúde. Já no século XXI, o volume de saber acumulado e a motivação para acelerar desenvolvimentos científicos e tecnológicos, levou à criação e organização nas universidades de uma oferta de cursos de graduação e pós-graduação em Engenharia Biomédica. Apesar do espectro muito largo da Engenharia Biomédica e dos cursos criados, é possível, mesmo ao nível de Mestrado pós-Bologna (licenciatura pré-Bologna), dar uma formação avançada que permita aos alunos realizar trabalhos de investigação complexos e com impacto clínico. Neste artigo apresentamos dois destes casos de sucesso, representativos do papel da investigação ao longo do ensino bem actual da Engenharia Biomédica. No primeiro, intitulado “Caracterização Tridimensional da Placa de Ateroma da Bifurcação Carotídea com Ultrasonografia 3D”, é apresentado um método inovador de diagnóstico da Aterosclerose, baseado na reconstrução e caracterização tridimensional da lesão aterosclerótica ao nível da bifurcação carotídea. O segundo trabalho, intitulado “Reconstrução da Frente de Onda e Simulação da Acuidade Visual no Estudo do Impacto das Aberrações Ópticas em Olhos Submetidos a Cirurgia”, apresenta uma ferramenta computacional que gera informação adicional sobre a medição da frente de onda obtida com aparelhos comerciais, permitindo estudar o impacto de aberrações ópticas na acuidade visual de diferentes olhos. Este artigo está organizado em quatro partes. A primeira parte é uma nota histórica introdutória à Engenharia Biomédica em geral. A segunda parte apresenta o que do ponto de vista de ensino superior em Engenharia Biomédica, ao nível de Mestrado Integrado de 1º e 2º ciclos, pode em geral viabilizar a fácil inserção dos estudantes na Investigação, conduzindo-os de imediato a resultados de investigação concretos. A terceira parte constitui a parte central deste artigo onde se apresentam dois exemplos ilustrativos do sucesso da formação de 5 anos em Engenharia Biomédica e da inserção da investigação, desde muito cedo, nessa formação. Por fim, na quarta secção apresentam-se as conclusões.

Desenvolvimento de modelos para análise dinâmica de estruturas: Aplicação a barragens de betão e estruturas auxiliares

Com este trabalho mostra-se a importância da utilização integrada de modelos numéricos e de resultados da observação do comportamento dinâmico com vista ao controlo de segurança de grandes estruturas, particularizando para o caso da barragem do Cabril e da respectiva torre das tomadas de água. Descrevem-se os fundamentos da dinâmica de estruturas sob a perspectiva da realização de estudos no domínio do tempo e no domínio da frequência, e referem-se os princípios em que se baseiam as metodologias de identificação modal, utilizadas na interpretação e análise de resultados de ensaios de vibração ambiental. Apresentam-se os fundamentos do método dos elementos finitos na perspectiva da sua implementação computacional para análise dinâmica de estruturas, e apresenta-se sumariamente o programa MEFDIN3D, desenvolvido em MATLAB no âmbito deste trabalho, o qual permite a análise estática e dinâmica de estruturas utilizando elementos finitos de placa e tridimensionais. Analisam-se os parâmetros dinâmicos da torre, em termos de frequências naturais e configurações modais, utilizando modelos numéricos 2D (MEFDIN3D e SAP 2000) e um modelo 3D em SAP 2000. Os resultados destes modelos numéricos são comparados com resultados experimentais obtidos a partir de: i) ensaios de vibração ambiental com medição de acelerações no topo da torre e no corpo da barragem e; ii) de um sistema de observação em contínuo do comportamento dinâmico da barragem do Cabril, recentemente instalado em obra pelo LNEC. Após a calibração dos modelos numéricos, apresenta-se um estudo de previsão do comportamento dinâmico da torre sob acções sísmicas, efectuando a análise no domínio do tempo e por espectro de resposta. Por fim, apresentam-se resultados de um cálculo sísmico 3D da barragem do Cabril com o MEFDIN3D.

Análise da viabilidade de utilização, em caminhos de ferro, de travessas de madeira obtidas a partir de lamelados de madeira, em alternativa às travessas de madeira tradicionais

A utilização de travessas de madeira de Pinho bravo (Pinus pinaster Ait.) no Caminho de Ferro continua a ter uma expressão significativa em Portugal, nomeadamente para instalação em pontes metálicas, em túneis existentes e objecto de electrificação (compatibilização do gabarit de electrificação com a rasante), em aparelhos de mudança de via, na substituição de elementos danificados em linhas existentes e equipadas com este tipo de travessas, etc. Os custos de produção dessas travessas associadas a uma crescente falta ou baixa de qualidade da matéria-prima, conduzem à necessidade de se equacionarem soluções alternativas. Assim, e no intuito de procurar novas soluções com caraterísticas de desempenho no mínimo idênticas e porventura mais interessantes em termos económicos e ambientais, importa conduzir uma análise comparativa da solução tradicional (madeira maciça) com uma solução baseada nos produtos técnicos da madeira (lamelados colados, placa microlamelada colada ou outros). Desta forma o estudo proposto, desenvolvido em colaboração com o Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) – Núcleo de Estruturas de Madeira, pretendeu avaliar o comportamento dos lamelados colados quando sujeitos a um tratamento industrial com creosote, em escala industrial, e o efeito do tratamento com creosote na qualidade da colagem (a curto e a médio prazo). O estudo engloba ainda uma análise simplificada de custos de produção, com o objectivo de permitir avaliar da viabilidade económica da solução apontada. O estudo compreendeu várias soluções de lamelados colados destinados a aplicações em condições exteriores. As soluções diferenciaram-se quanto às espécies de madeira empregues e ao tipo de cola utilizada no seu fabrico. Os resultados obtidos permitem concluir da viabilidade técnica da utilização de lamelado colado, sendo no entanto crucial um controlo apertado da qualidade de fabrico (colagem) e da disposição das lamelas de forma a prevenir a existência de zonas de borne de difícil acesso ao produto, afectando a qualidade do tratamento. No entanto, do ponto de vista de custos a solução com madeira lamelada colada apresenta-se significativamente mais cara.

Guitar solo tracker

A motivação para este trabalho vem da necessidade que o autor tem em poder registar as notas tocadas na guitarra durante o processo de improviso. Quando o músico está a improvisar na guitarra, muitas vezes não se recorda das notas tocadas no momento, este trabalho trata o desenvolvimento de uma aplicação para guitarristas, que permita registar as notas tocadas na guitarra eléctrica ou clássica. O sinal é adquirido a partir da guitarra e processado com requisitos de tempo real na captura do sinal. As notas produzidas pela guitarra eléctrica, ligada ao computador, são representadas no formato de tablatura e/ou partitura. Para este efeito a aplicação capta o sinal proveniente da guitarra eléctrica a partir da placa de som do computador e utiliza algoritmos de detecção de frequência e algoritmos de estimação de duração de cada sinal para construir o registo das notas tocadas. A aplicação é desenvolvida numa perspectiva multi-plataforma, podendo ser executada em diferentes sistemas operativos Windows e Linux, usando ferramentas e bibliotecas de domínio público. Os resultados obtidos mostram a possibilidade de afinar a guitarra com valores de erro na ordem de 2 Hz em relação às frequências de afinação standard. A escrita da tablatura apresenta resultados satisfatórios, mas que podem ser melhorados. Para tal será necessário melhorar a implementação de técnicas de processamento do sinal bem como a comunicação entre processos para resolver os problemas encontrados nos testes efectuados.

Conversor estático de potência tolerante a falhas

O trabalho apresentado nesta dissertação refere-se à concepção, projecto e realização experimental de um conversor estático de potência tolerante a falhas. Foram analisados trabalhos de investigação sobre modos de falha de conversores electrónicos de potência, topologias de conversores tolerantes a falhas, métodos de detecção de falhas, entre outros. Com vista à concepção de uma solução, foram nomeados e analisados os principais modos de falhas para três soluções propostas de conversores com topologias tolerantes a falhas onde existem elementos redundantes em modo de espera. Foram analisados os vários aspectos de natureza técnica dos circuitos de potência e guiamento de sinais onde se salientam a necessidade de tempos mortos entre os sinais de disparo de IGBT do mesmo ramo, o isolamento galvânico entre os vários andares de disparo, a necessidade de minimizar as auto-induções entre o condensador DC e os braços do conversor de potência. Com vista a melhorar a fiabilidade e segurança de funcionamento do conversor estático de potência tolerante a falhas, foi concebido um circuito electrónico permitindo a aceleração da actuação normal de contactores e outro circuito responsável pelo encaminhamento e inibição dos sinais de disparo. Para a aplicação do conversor estático de potência tolerante a falhas desenvolvido num accionamento com um motor de corrente contínua, foi implementado um algoritmo de controlo numa placa de processamento digital de sinais (DSP), sendo a supervisão e actuação do sistema realizados em tempo-real, para a detecção de falhas e actuação de contactores e controlo de corrente e velocidade do motor utilizando uma estratégia de comando PWM. Foram realizados ensaios que, mediante uma detecção adequada de falhas, realiza a comutação entre blocos de conversores de potência. São apresentados e discutidos resultados experimentais, obtidos usando o protótipo laboratorial.

Projecto de um conversor redutor CC-CC comutado para SoC

A evolução da tecnologia CMOS tem possibilitado uma maior densidade de integração de circuitos tornando possível o aumento da complexidade dos sistemas. No entanto, a integração de circuitos de gestão de potência continua ainda em estudo devido à dificuldade de integrar todos os componentes. Esta solução apresenta elevadas vantagens, especialmente em aplicações electrónicas portáteis alimentadas a baterias, onde a autonomia é das principais características. No âmbito dos conversores redutores existem várias topologias de circuitos que são estudadas na área de integração. Na categoria dos conversores lineares utiliza-se o LDO (Low Dropout Regulator), apresentando no entanto baixa eficiência para relações de conversão elevadas. Os conversores comutados são elaborados através do recurso a circuitos de comutação abrupta, em que a eficiência deste tipo de conversores não depende do rácio de transformação entre a tensão de entrada e a de saída. A diminuição física dos processos CMOS tem como consequência a redução da tensão máxima que os transístores suportam, impondo o estudo de soluções tolerantes a “altatensão”, com o intuito de manter compatibilidade com tensões superiores que existam na placa onde o circuito é incluído. Os sistemas de gestão de energia são os primeiros a acompanhar esta evolução, tendo de estar aptos a fornecer a tensão que os restantes circuitos requerem. Neste trabalho é abordada uma metodologia de projecto para conversores redutores CCCC comutados em tecnologia CMOS, tendo-se maximizado a frequência com vista à integração dos componentes de filtragem em circuito integrado. A metodologia incide sobre a optimização das perdas totais inerentes à comutação e condução, dos transístores de potência e respectivos circuitos auxiliares. É apresentada uma nova metodologia para o desenvolvimento de conversores tolerantes a “alta-tensão”.

Cálculo automático de estruturas: análise de placas através do método dos elementos finitos

Nesta dissertação desenvolveu-se um programa de cálculo automático que efectua a análise estrutural de placas, sujeitas a acções estáticas e considerando um comportamento isotrópico elástico linear dos materiais. Este programa foi elaborado em linguagem Fortran. O método que se utilizou para o cálculo das estruturas é baseado na teoria dos elementos finitos, tendo sido adoptados elementos finitos com dois graus de liberdade por nó (duas translações), associados ao método dos deslocamentos para a sua resolução. Para permitir a representação dos resultados obtidos pelo programa, utilizou-se um módulo gráfico comercial: GiD. A validação do programa desenvolvido foi feita a partir da comparação dos resultados calculados de alguns exemplos com os obtidos através de um programa de cálculo estrutural de referência: SAP2000. Esta dissertação contempla ainda um manual, que tem como finalidade o fornecimento de indicações para a correcta utilização do software desenvolvido, o qual inclui orientações para a introdução de dados e respectiva interpretação de resultados.

Relatório de estágio no âmbito da coordenação e fiscalização de obras na empresa Tecnoplano

O trabalho desenvolvido é composto por dois módulos distintos. O primeiro módulo corresponde ao estudo e registo detalhado de patologias detectadas na fachada de um edifício, com vista à elaboração de um projecto que permita a reabilitação da fachada. O segundo módulo surge num âmbito mais prático, nomeadamente na Coordenação, Gestão, Fiscalização e Controlo da Qualidade em Obra. No primeiro módulo estudaram-se as patologias existentes nas placas de pedra lioz da fachada ventilada de um Hotel na Avenida da Liberdade em Lisboa. As placas de pedra do Hotel encontravam-se danificadas e frágeis, verificando-se inclusive a queda de algumas delas. Assim, e dado o estado de degradação das mesmas bem como das suas fixações, foi solicitado um estudo com o intuito de aferir quais as condições reais da fachada e o seu grau de degradação e de perigosidade. Com os resultados do referido estudo, pretendia-se saber qual a percentagem de placas de pedra que estaria em condições de ser recuperada, ou seja, retirada e fixada novamente com outro sistema de fixação diferente do existente. Assim, conseguiu-se aferir qual a percentagem de placas de pedra que poderia ser reaproveitada e qual a percentagem de placas de pedra que não garantia condições para tal. O estudo realizado às placas de pedra da fachada foi um estudo bastante exaustivo no sentido em que se pretendia estudar cada placa de pedra individualmente, num total de 4.000 placas de pedra lioz. Este estudo realizou-se com a ajuda de técnicos alpinistas que através de várias descidas conseguiram registar o diagnóstico de cada placa de pedra, incluindo o registo das suas patologias, identificação de cada pedra e respectivo registo fotográfico. Através dos dados obtidos pelos técnicos alpinistas, uma equipa de técnicos especializados em terra fazia o input dos dados de modo a recolher informação suficiente para tirar as conclusões pretendidas. O segundo módulo reflecte o trabalho desenvolvido durante o período em que se integrou numa equipa de fiscalização de uma obra pública, nomeadamente a Empreitada de Modernização da Escola Secundária do Monte de Caparica, uma obra no valor de 11.116.736,27 € e com uma duração prevista de 18 meses. Este módulo permitia verificar como se coordena uma obra e como se efectua o controlo da programação da mesma. O trabalho teve como base o plano de trabalhos, o mapa de mão-de-obra, o mapa de equipamentos e o cronograma financeiro aprovados. Foram efectuados periodicamente balizamentos do plano de trabalhos que permitiram detectar e corrigir desvios. Durante o presente estágio ainda se acompanhou um pouco o modo como se executa o Controlo de Qualidade em obra garantindo que todos os trabalhos executados cumprem as peças escritas e desenhadas e ainda os demais documentos de contrato.

Desenvolvimento de um programa/base de dados para o controlo automático da engenharia/manutenção aeronáutica

Este documento foi escrito para retratar o trabalho desenvolvido como tese de mestrado “Desenvolvimento de um Programa/Base de dados para o controlo automático da Engenharia/Manutenção Aeronáutica”. O programa criado tem como objectivo de gerir a aeronavegabilidade de uma frota de aeronaves, traduzindo todos os requisitos da autoridade que rege a aeronáutica na Europa. O mesmo fundamenta-se no desenvolvimento de um software aplicado a uma empresa que faz a gestão contínua da aeronavegabilidade de um operador aéreo. A sua realização implica conhecer todas as tarefas na gestão contínua de aeronavegabilidade dentro de uma empresa certificada Part M. Para esse conhecimento foi preciso um estudo sobre todas as entidades, manuais e definições envolventes a essa função. A base da construção do programa foi o anexo II, requisitos exigidos pelo INAC para aprovar um programa desse género. Para uma melhor abordagem foi preciso uma revisão de conceitos da manutenção industrial resultantes da Manutenção Aeronáutica e demais. Num início, comeca-se por definir através de vários pontos de vista a manutenção, planeamento da manutenção, noções de fiabilidade e teorias fiabilisticas que estão na base do desenvolvimento de programas de manutenção, seguido de uma explicação sucinta do que é uma empresa que gere aeronavegabilidade de um operador aéreo. É fei3 ta uma explicação de todas as tarefas para manter todo o material de voo aeronavegável segundo o INAC . No capítulo III temos uma explicação de todas as teorias usadas na manutenção aeronáutica na evolução de programas de manutenção de aeronaves passando pelo MSG1 até à filosofia actual usada no desenvolvimento de programas de manutenção na aeronáutica, MSG3. O capítulo IV descreve todos os documentos técnicos envolvidos na gestão de aeronavegabilidade, desde os manuais emitidos pelo fabricante, passando pelos documentos emitidos pelas autoridades aeronáuticas e documentos técnicos produzidos pelo próprio operador aéreo. No capítulo V é descrita uma organização Part M, subpart G, as tarefas mais importantes na gestão contínua de aeronavegabilidade e as responsabilidades da mesma perante a autoridade aeronáutica nacional e tambem define todo o tipo de manutenção exigida a um operador aéreo para manter o seu material de voo aeronavegável sempre atendendo à segurança. Este capítulo define todo o tipo de trabalho a realizar, desde as manutenções mais leves realizadas na placa com o avião em trânsito até às grandes manutenções realizadas num Hangar e apoiodas por oficinas de especialidade. O capítulo VI descreverá o que foi feito. Este capítulo descreve sucintamente tudo o que foi feito, as razões da criação das tabelas, consultas, formulários e relatórios e importância desses na dinâmica da gestão de aeronavegabilidade. Depois de explicar a razão da criação de todas as tabelas, consultas e formulários segue-se um subcapítulo com dados de manutenção fornecidos gentilmente por uma empresa no ramo de forma a poder demostrar como o programa funciona. O último subcapítulo tem algumas considerações finais sobre aquilo que foi feito e aquilo que deveria ser feito com o objectivo de desempenhar de forma automática todoss os requisitos de gestão de aeronavegabilidade. O capítulo VIII tem algumas recomendações futuras a alguém que quiser dar uma continuidade a esse projecto que pode tornar-se muito interessante para uma empresa Part M.

Ponte de Muxima: análise e dimensionamento segundo os eurocódigos e relatório de construção

Com este trabalho pretendeu-se abordar duas fases distintas e complexas de uma megaestrutura do calibre de uma obra de arte especial, como pode ser considerado o objeto de estudo do trabalho, a fase de projeto e a fase de construção. Percebe-se, por intermédio deste trabalho, a importância da utilização de modelos numéricos, com recurso aos mais sofisticados programas de modelação tridimensional, onde é imprescindível a modelação tomando em consideração os efeitos das fases construtivas. Os fenómenos físicos como a fluência e retração são de consideração imperativa, tal como a influência das sobrecargas de serviço, como é o caso das sobrecargas regulamentares que já incluem os seus efeitos dinâmicos. Realizou-se um modelo longitudinal de elementos finitos de barra, utilizando os programas GP2004 e RM2004, para a análise da fase construtiva, da fase de entrada em serviço e a longo prazo, considerando-se os 8000 dias como sendo a fase em que a obra se encontra estabilizada em termos de redistribuição de tensões. Deste modelo foi possível obter as envolventes de esforços e de tensões e os deslocamentos em todos os elementos, cruciais para o dimensionamento dos vários elementos constituintes da obra, tais como tabuleiros, pilares, fundações, juntas de dilatação, aparelhos de apoio e sistemas de equilíbrio. Neste caso concreto, e por questões de economia de espaço, é apresentado o dimensionamento do tabuleiro da ponte, para as fases acima referidas e para a situação de estados limites últimos de resistência à flexão composta (secção 6.1 de EC2) e de resistência ao esforço transverso (secção 6.2 do EC2) e aos momentos torsores (secção 6.3 do EC2); e estados limites de serviço, nomeadamente para a abertura de fendas e para a descompressão. Deste modelo, comprovou-se que para as ações consideradas, a armadura longitudinal principal, armadura transversal das almas e armadura de suspensão da laje de fundo, cumprem as suas funções resistentes, em termos de momentos fletores, de esforços transversos máximos com momentos torsores associados e de momentos torsores máximos com esforços transversos associados. Desenvolveu-se e analisou-se, também, um modelo transversal em elementos finitos de placa para o estudo e dimensionamento da secção em caixão do tabuleiro da ponte, modelado numa primeira fase no programa CSI Bridge e posteriormente exportado para o programa SAP2000, onde foram introduzidas as ações atuantes. A análise foi efetuada para as secções de apoio e para a secção a meio vão, no entanto, apresenta-se apenas o dimensionamento da secção de meio vão. Deste modelo obtém-se a armadura transversal necessária para suprir as necessidades em termos de esforços nas zonas de encastramento transversal das lajes e consolas, nas zonas de variação de espessura e zonas centrais da laje. Obtém-se ainda a armadura longitudinal secundária para as zonas das lajes e consolas. Adquiriu-se e desenvolveu-se competências ao nível de dimensionamento de estruturas de betão armado utilizando as normativas europeias, nomeadamente o Eurocódigo 0 na definição das combinações a considerar para os diversos estados limite, o Eurocódigo 1 para a adoção das ações relevantes para o estudo da obra em questão e o Eurocódigo 2 para a definição e/ou dimensionamento dos tabuleiros de betão armado. As conclusões relativamente às diferenças que advêm da adoção de ações segundo as SATCC, utilizadas no projeto de execução original, contra as dos Eurocódigos são evidentes. São apontadas, no capítulo da conclusão, algumas considerações finais relativamente às diferenças de resultados entre o projeto original e o presente estudo, tendo em conta os regulamentos utilizados. Para além do atrás exposto em termos de verificação de segurança dos tabuleiros, compilou-se alguma informação referente à fase de construção da obra, nomeadamente, na apresentação de algumas fases mais relevantes, assim como referências ao estaleiro adotado para uma obra desta envergadura e num território tão complexo, quanto o Angolano.

A biosignal embedded system for physiological computing

Thesis submitted in the fulfilment of the requirements for the Degree of Master in Electronic and Telecomunications Engineering

Comparative study of amine solutions used in CO2 absorption/desorption cycles

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

NZEB e os novos revestimentos

Dissertação de natureza científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Sistema de multiprocessamento para simulação de N-corpos em FPGA

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Síntese e caracterização de redes metalo-orgânicas de fármacos

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica