Time domain design of fractional differintegrators using least-squares

In this paper we propose the use of the least-squares based methods for obtaining digital rational approximations (IIR filters) to fractional-order integrators and differentiators of type sα, α∈R. Adoption of the Padé, Prony and Shanks techniques is suggested. These techniques are usually applied in the signal modeling of deterministic signals. These methods yield suboptimal solutions to the problem which only requires finding the solution of a set of linear equations. The results reveal that the least-squares approach gives similar or superior approximations in comparison with other widely used methods. Their effectiveness is illustrated, both in the time and frequency domains, as well in the fractional differintegration of some standard time domain functions.

CardioML: integrating personal cardiac information for ubiquous diagnosis and analysis

The latest medical diagnosis devices enable the performance of e-diagnosis making the access to these services easier, faster and available in remote areas. However this imposes new communications and data interchange challenges. In this paper a new XML based format for storing cardiac signals and related information is presented. The proposed structure encompasses data acquisition devices, patient information, data description, pathological diagnosis and waveform annotation. When compared with similar purpose formats several advantages arise. Besides the full integrated data model it may also be noted the available geographical references for e-diagnosis, the multi stream data description, the ability to handle several simultaneous devices, the possibility of independent waveform annotation and a HL7 compliant structure for common contents. These features represent an enhanced integration with existent systems and an improved flexibility for cardiac data representation.

Nonlinear dynamics of the patient’s response to drug effect during general anesthesia

In today’s healthcare paradigm, optimal sedation during anesthesia plays an important role both in patient welfare and in the socio-economic context. For the closed-loop control of general anesthesia, two drugs have proven to have stable, rapid onset times: propofol and remifentanil. These drugs are related to their effect in the bispectral index, a measure of EEG signal. In this paper wavelet time–frequency analysis is used to extract useful information from the clinical signals, since they are time-varying and mark important changes in patient’s response to drug dose. Model based predictive control algorithms are employed to regulate the depth of sedation by manipulating these two drugs. The results of identification from real data and the simulation of the closed loop control performance suggest that the proposed approach can bring an improvement of 9% in overall robustness and may be suitable for clinical practice.

Análise do sinal cardíaco ECG através da técnica SVD

Este trabalho surge no âmbito da área Electromedicina, uma componente da Engenharia Electrotécnica cada vez mais influente e em permanente desenvolvimento, existindo nela uma constante inovação e tentativa de desenvolvimento e aplicação de novas tecnologias. Este projecto possui como principal objectivo o estudo aprofundado das aplicações da técnica SVD (Singular Value Decomposition), uma poderosa ferramenta matemática que permite a manipulação de sinais através da decomposição de matrizes, ao caso específico do sinal eléctrico obtido através de um electrocardiograma (ECG). Serão discriminados os princípios da operação do sistema eléctrico cardíaco, as principais componentes do sinal ECG (a onda P, o complexo QRS e a onda T) e os fundamentos da técnica SVD. A última fase deste trabalho consistirá na aplicação, em ambiente Matlab, da técnica SVD a sinais ECG concretos, com enfase na sua filtragem, para efeitos de remoção de ruído. De modo verificar as suas vantagens e desvantagens face a outras técnicas, os resultados da filtragem por SVD serão comparados com aqueles obtidos, em condições similares, através da aplicação de um filtro FIR de coeficientes estáticos e de um filtro adaptativo iterativo.

Projecto e implementação de osciloscópio digital baseado na norma IEEE1451.0

Os osciloscópios digitais são utilizados em diversas áreas do conhecimento, assumindo-se no âmbito da engenharia electrónica, como instrumentos indispensáveis. Graças ao advento das Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), os instrumentos de medição reconfiguráveis, dadas as suas vantagens, i.e., altos desempenhos, baixos custos e elevada flexibilidade, são cada vez mais uma alternativa aos instrumentos tradicionalmente usados nos laboratórios. Tendo como objectivo a normalização no acesso e no controlo deste tipo de instrumentos, esta tese descreve o projecto e implementação de um osciloscópio digital reconfigurável baseado na norma IEEE 1451.0. Definido de acordo com uma arquitectura baseada nesta norma, as características do osciloscópio são descritas numa estrutura de dados denominada Transducer Electronic Data Sheet (TEDS), e o seu controlo é efectuado utilizando um conjunto de comandos normalizados. O osciloscópio implementa um conjunto de características e funcionalidades básicas, todas verificadas experimentalmente. Destas, destaca-se uma largura de banda de 575kHz, um intervalo de medição de 0.4V a 2.9V, a possibilidade de se definir um conjunto de escalas horizontais, o nível e declive de sincronismo e o modo de acoplamento com o circuito sob análise. Arquitecturalmente, o osciloscópio é constituído por um módulo especificado com a linguagem de descrição de hardware (HDL, Hardware Description Language) Verilog e por uma interface desenvolvida na linguagem de programação Java®. O módulo é embutido numa FPGA, definindo todo o processamento do osciloscópio. A interface permite o seu controlo e a representação do sinal medido. Durante o projecto foi utilizado um conversor Analógico/Digital (A/D) com uma frequência máxima de amostragem de 1.5MHz e 14 bits de resolução que, devido às suas limitações, obrigaram à implementação de um sistema de interpolação multi-estágio com filtros digitais.

Adipocyte Secreted Factors Enhance Aggressiveness of Prostate Carcinoma Cells

Obesity has been associated with increased incidence and risk of mortality of prostate cancer. One of the proposed mechanisms underlying this risk association is the change in adipokines expression that could promote the development and progression of the prostate tumor cells. The main goal of this study was to evaluate the effect of preadipocyte and adipocyte secretome in the proliferation, migration and invasion of androgen independent prostate carcinoma cells (RM1) and to assess cell proliferation in the presence of the adiposity signals leptin and insulin. RM1 cells were co-cultured in with preadipocytes, adipocytes or cultured in their respective conditioned medium. Cell proliferation was assessed by flow cytometry and XTT viability test. Cell migration was evaluated using a wound healing injury assay of RM1 cells cultured with conditioned media. Cellular invasion of RM1 cells co-cultured with adipocytes and preadipocytes was assessed using matrigel membranes. Preadipocyte conditioned medium was associated with a small increase in RM1 proliferation, while adipocytes conditioned media significantly increased RM1 cell proliferation (p<0.01). Adipocytes also significantly increased the RM1 cells proliferation in co-culture (p <0.01). Cell migration was higher in RM1 cells cultured with preadipocyte and adipocyte conditioned medium. RM1 cell invasion was significantly increased after co-culture with preadipocytes and adipocytes (p <0.05). Insulin also increased significantly the cell proliferation in contrast to leptin, which showed no effect. In conclusion, prostate carcinoma cells seem to be influenced by factors secreted by adipocytes that are able to increase their ability to proliferate, migrate and invade.

Modelação e identificação de motor DC

O modelo matemático de um sistema real permite o conhecimento do seu comportamento dinâmico e é geralmente utilizado em problemas de engenharia. Por vezes os parâmetros utilizados pelo modelo são desconhecidos ou imprecisos. O envelhecimento e o desgaste do material são fatores a ter em conta pois podem causar alterações no comportamento do sistema real, podendo ser necessário efetuar uma nova estimação dos seus parâmetros. Para resolver este problema é utilizado o software desenvolvido pela empresa MathWorks, nomeadamente, o Matlab e o Simulink, em conjunto com a plataforma Arduíno cujo Hardware é open-source. A partir de dados obtidos do sistema real será aplicado um Ajuste de curvas (Curve Fitting) pelo Método dos Mínimos Quadrados de forma a aproximar o modelo simulado ao modelo do sistema real. O sistema desenvolvido permite a obtenção de novos valores dos parâmetros, de uma forma simples e eficaz, com vista a uma melhor aproximação do sistema real em estudo. A solução encontrada é validada com recurso a diferentes sinais de entrada aplicados ao sistema e os seus resultados comparados com os resultados do novo modelo obtido. O desempenho da solução encontrada é avaliado através do método das somas quadráticas dos erros entre resultados obtidos através de simulação e resultados obtidos experimentalmente do sistema real.

Simulador para apoio ao ensino do código da estrada

Uma das ambições da sociedade atual é a obtenção da carta de condução, havendo cada vez mais jovens a tirar a sua carta mal atingem a idade mínima necessária. Muitos destes jovens envolvem-se em acidentes rodoviários, provavelmente devido à sua inexperiência e ao seu estilo de vida. Dados os problemas de inexperiência foi realizado um estudo de forma a averiguar se seria possível desenvolver uma ferramenta de modo a contribuir para uma melhoria do ensino do código da estrada, ajudando os atuais e futuros candidatos a condutor a sentirem-se mais bem preparados para quando adquirirem as suas licenças de condução. O objetivo principal do presente estudo focou-se no desenvolvimento de uma solução capaz de simular situações de trânsito permitindo ao instrutor de condução alterar os componentes da simulação, como veículos e sinalização, permitindo a criação de múltiplas situações de trânsito demonstrando aos seus alunos o modo correto de proceder quando confrontados com situações semelhantes. No final são apresentadas as conclusões retiradas do presente estudo, onde são retiradas as conclusões principais da analisa de resultados efetuada, permitindo verificar que a ferramenta desenvolvida é interessante para uma melhoria do ensino atual do código da estrada. No fim são apresentadas as perspetivas de trabalho futuro.

Implementação de uma Interface Homem-máquina baseada em Eletroculografia

A constante evolução da tecnologia permitiu ao ser humano a utilização de dispositivos electrónicos nas suas rotinas diárias. Estas podem ser afetadas quando os utilizadores sofrem de deficiências ou doenças que afetam as suas capacidades motoras. Com o intuito de minimizar este obstáculo surgiram as Interfaces Homem-Computador (HCI). É neste panorama que os sistemas HCI baseados em Eletroculografia (EOG) assumem um papel preponderante na melhoria da qualidade de vida destes indivíduos. A Eletroculografia é o resultado da aquisição do movimento ocular, que pode ser adquirido através de diversos métodos. Os métodos mais convencionais utilizam elétrodos de superfície para aquisição dos sinais elétricos, ou então, utilizam sistemas de gravação de vídeo, que gravam o movimento ocular. O objetivo desta tese é desenvolver um sistema HCI baseado em Eletroculografia, que adquire o sinal elétrico do movimento ocular através de elétrodos de superfície. Para tal desenvolveu-se um circuito eletrónico para a aquisição do sinal de EOG, bem como um algoritmo em Python para análise do mesmo. O circuito foi desenvolvido recorrendo a seis módulos diferentes, cada um deles com uma função específica. Para cada módulo foi necessário desenhar e implementar placas de circuito impresso, que quando conectadas entre si permitem filtrar, amplificar e digitalizar os sinais elétricos, adquiridos através de elétrodos de superfície, originados pelo movimento ocular. O algoritmo criado em Python permite analisar os dados provenientes do circuito e converte-os para coordenadas. Através destas foi possível determinar o sentido e a amplitude do movimento ocular.

Pulseira inteligente para monitorização de funções vitais

A crescente utilização de dispositivos móveis com diferentes finalidades é uma realidade. Com estes dispositivos, o utilizador tem a necessidade de aceder e usar dados em tempo real provenientes de diversas fontes. Uma tendência acentuada passa pela incorporação destes dispositivos móveis no vestuário, designados por dispositivos wearable. Segundo a empresa IMS Research, o mercado deste tipo de dispositivos irá aumentar de 14 milhões de unidades registadas no presente ano (2013), para cerca de 171 milhões em 2016, sendo esta previsão conservadora, segundo o analista da IMS Research, Theo Ahadome [15]. A maioria dos dispositivos portáteis está atualmente projetada para questões de saúde, como a monitorização do nível de glicose e batimento cardíaco. O objetivo deste trabalho passa por definir e implementar um dispositivo wearable para aplicações de saúde com um conjunto de funcionalidades para monitorização dos sinais vitais do utilizador. Posteriormente esta base pode ser aplicada em cenários de aplicação distintos, em que todos os dispositivos comunicam entre si, e fazem o reencaminhamento da informação para onde mais interessar. Foi desenhado e implementado hardware e software, para a construção de aplicações capazes de realizar a monitorização do batimento cardíaco, temperatura e humidade corporal, deteção de quedas, qualidade do sono, e chamadas de emergência. Este trabalho aborda os diferentes cenários e aplicações da utilização deste dispositivo, invocando as necessidades específicas de cada situação, sendo estas necessidades trabalhadas e transformadas em características e especificações do sistema. A plataforma de hardware e software permite criar um ecossistema de aplicações, permitindo usar todas as infraestruturas do sistema desenvolvido em futuros cenários de aplicação.