High-Content Analysis of Breast Cancer Using Single-Cell Deep Transfer Learning

High-content analysis has revolutionized cancer drug discovery by identifying substances that alter the phenotype of a cell, which prevents tumor growth and metastasis. The high-resolution biofluorescence images from assays allow precise quantitative measures enabling the distinction of small molecules of a host cell from a tumor. In this work, we are particularly interested in the application of deep neural networks (DNNs), a cutting-edge machine learning method, to the classification of compounds in chemical mechanisms of action (MOAs). Compound classification has been performed using image-based profiling methods sometimes combined with feature reduction methods such as principal component analysis or factor analysis. In this article, we map the input features of each cell to a particular MOA class without using any treatment-level profiles or feature reduction methods. To the best of our knowledge, this is the first application of DNN in this domain, leveraging single-cell information. Furthermore, we use deep transfer learning (DTL) to alleviate the intensive and computational demanding effort of searching the huge parameter's space of a DNN. Results show that using this approach, we obtain a 30% speedup and a 2% accuracy improvement.

Towards an efficient and robust foot classification from pedobarographic images

O documento em anexo encontra-se na versão post-print (versão corrigida pelo editor).

Damage analysis of carbon/epoxy plates after drilling

Drilling of composites plates normally uses traditional techniques but damage risk is high. NDT use is important. Damage in a carbon/epoxy plate is evaluated by enhanced X-rays. Four different drills are used. The images are analysed using Computational Vision techniques. Surface roughness is compared. Results suggest strategies for delamination reduction.

Modelização de equivalente eléctrico para rede de nervuras de folhas vegetais

A tese tem como objectivo principal a criação de um modelo equivalente eléctrico da rede de nervuras de algumas folhas vegetais e analisar o seu comportamento a estímulos eléctricos, analisando-se também a respectiva resposta em frequência. A motivação desta tese passa pela observação dos sistemas existentes na natureza. Neste caso, as folhas vegetais e analisar se são sistemas de ordem fraccionária ou não. Para a sua elaboração, fez-se uma breve abordagem à estrutura das plantas, sob o ponto de vista da botânica e elaborou-se um método de fotografia das amostras, mapeamento da rede de nervuras e medição dos segmentos que compõem essa mesma rede. A tese termina com um capítulo de resultados experimentais.

Aplicação de um método de correlação de imagem para a determinação da tenacidade à fratura em corte de adesivos estruturais

Qualquer estrutura hoje em dia deve ser resistente, robusta e leve, o que aumentou o interesse industrial e investigação nas ligações adesivas, nomeadamente pela melhoria das propriedades de resistência e fratura dos materiais. Com esta técnica de união, o projeto de estruturas pode ser orientado para estruturas mais leves, não só em relação à economia direta de peso relativamente às juntas aparafusas ou soldadas, mas também por causa da flexibilidade para ligar materiais diferentes. Em qualquer área da indústria, a aplicação em larga escala de uma determinada técnica de ligação supõe que estão disponíveis ferramentas confiáveis para o projeto e previsão da rotura. Neste âmbito, Modelos de Dano Coesivo (MDC) são uma ferramenta essencial, embora seja necessário estimar as leis MDC do adesivo à tração e corte para entrada nos modelos numéricos. Este trabalho avalia o valor da tenacidade ao corte (GIIC) de juntas coladas para três adesivos com ductilidade distinta. O trabalho experimental consiste na caracterização à fratura ao corte da ligação adesiva por métodos convencionais e pelo Integral-J. Além disso, pelo integral-J, é possível definir a forma exata da lei coesiva. Para o integral-J, é utilizado um método de correlação de imagem digital anteriormente desenvolvido para a avaliação do deslocamento ao corte do adesivo na extremidade da fenda (δs) durante o ensaio, acoplado a uma sub-rotina em Matlab® para a extração automática de δs. É também apresentado um trabalho numérico para avaliar a adequabilidade de leis coesivas triangulares aproximadas em reproduzir as curvas força-deslocamento (P-δ) experimentais dos ensaios ENF. Também se apresenta uma análise de sensibilidade para compreender a influência dos parâmetros coesivos nas previsões numéricas. Como resultado deste trabalho, foram estimadas experimentalmente as leis coesivas de cada adesivo pelo método direto, e numericamente validadas, para posterior previsão de resistência em juntas adesivas. Em conjunto com a caraterização à tração destes adesivos, é possível a previsão da rotura em modo-misto.

Mass spectrometry parameters optimization for the 46 multiclass pesticides determination in strawberries with gas chromatography ion-trap tandem mass spectrometry

Multiclass analysis method was optimized in order to analyze pesticides traces by gas chromatography with ion-trap and tandem mass spectrometry (GC-MS/MS). The influence of some analytical parameters on pesticide signal response was explored. Five ion trap mass spectrometry (IT-MS) operating parameters, including isolation time (IT), excitation voltage (EV), excitation time (ET),maximum excitation energy or “q” value (q), and isolationmass window (IMW) were numerically tested in order to maximize the instrument analytical signal response. For this, multiple linear regression was used in data analysis to evaluate the influence of the five parameters on the analytical response in the ion trap mass spectrometer and to predict its response. The assessment of the five parameters based on the regression equations substantially increased the sensitivity of IT-MS/MS in the MS/MS mode. The results obtained show that for most of the pesticides, these parameters have a strong influence on both signal response and detection limit.Using the optimized method, a multiclass pesticide analysis was performed for 46 pesticides in a strawberry matrix. Levels higher than the limit established for strawberries by the European Union were found in some samples.

Análise de metais em infusões de chás e ervas aromáticas por espectrofotometria de absorção atómica de alta resolução com fonte contínua

Actualmente tem-se verificado um grande aumento na procura e a utilização de produtos naturais contendo extractos de algas, com fins medicinais, sendo cada vez maior a diversidade de oferta desses produtos, vendidos em ervanária e afins. A bibliografia tem mostrado que as algas têm capacidade de acumulação de metais pesados. As algas, sendo organismos aquáticos, estão sujeitas a contaminações dos locais (não identificados) de onde provêm. O controlo e fiscalização para estes produtos é praticamente inexistente. O objectivo deste projecto foi o desenvolvimento de metodologias analíticas com vista à quantificação de metais em infusões de chás e ervas aromáticas. Foram analisadas 9 amostras: uma de chá verde, uma de chá preto, uma infusão de lima, uma de camomila, uma mistura de chá com ervas e quatro misturas contendo algas. A espectrofotometria de absorção atómica é o método de referência para a análise de metais. Neste trabalho foi utilizado um espectrofotómetro de absorção atómica com fonte de radiação contínua e monocromador de alta resolução. Sendo esta uma tecnologia inovadora foi necessário desenvolver metodologias para os métodos de análise. A atomização em chama foi a técnica utilizada para a quantificação do cálcio, potássio, magnésio, manganês e sódio. A atomização electrotérmica foi usada para o cádmio, cobalto, crómio, cobre, níquel e chumbo. Tendo em conta os limites legislados (Decreto-Lei Nº306/2007 de 27 de Agosto) obtiveram-se teores preocupantes para o níquel (iguais ou superiores ao limite legislado) em todas as amostras analisadas e para o manganês em duas das amostras (chá verde e chá preto). Todas as amostras contendo algas apresentaram teores de Ca, Mg e Na superiores aos das restantes. Para os restantes elementos não foi possível relacionar as concentrações com a composição das infusões, em particular a presença de algas.

Aplicações web multimédia com realidade aumentada “Magic Catalog”

A Realidade Aumentada veio alterar a percepção que o ser humano tem do mundo real. A expansão da nossa realidade à Realidade Virtual possibilita a criação de novas experiencias, cuja aplicabilidade é já tida como natural em diversas situações. No entanto, potenciar este tipo de interacção pode ser um processo complexo, quer por limitações tecnológicas, quer pela gestão dos recursos envolvidos. O desenvolvimento de projectos com realidade aumentada para fins comerciais passa assim muitas vezes pela optimização dos recursos utilizados tendo em consideração as limitações das tecnologias envolventes (sistemas de detecção de movimento e voz, detecção de padrões, GPS, análise de imagens, sensores biométricos, etc.). Com a vulgarização e aceitação das técnicas de Realidade Aumentada em muitas áreas (medicina, educação, lazer, etc.), torna-se também necessário que estas técnicas sejam transversais aos dispositivos que utilizamos diariamente (computadores, tablets, telemóveis etc.). Um dominador comum entre estes dispositivos é a internet uma vez que as aplicações online conseguem abarcar um maior número de pessoas. O objectivo deste projecto era o de criar uma aplicação web com técnicas de Realidade Aumentada e cujos conteúdos fossem geridos pelos utilizadores. O processo de investigação e desenvolvimento deste trabalho passou assim por uma fase fundamental de prototipagem para seleccionar as tecnologias que melhor se enquadravam no tipo de arquitectura pretendida para a aplicação e nas ferramentas de desenvolvimento utilizadas pela empresa onde o projecto foi desenvolvido. A aplicação final é composta por um FrontOffice, responsável por mostrar e interpretar as aplicações criadas e possibilitar a integração com outras aplicações, e um BackOffice que possibilita aos utilizadores, sem conhecimentos de programação, criar novas aplicações de realidade aumentada e gerir os conteúdos multimédia utilizados. A aplicação desenvolvida pode servir de base para outras aplicações e ser reutilizável noutros âmbitos, sempre com o objectivo de reduzir custos de desenvolvimento e de gestão de conteúdos, proporcionando assim a implementação de uma Framework que permite a gestão de conteúdos em diferentes áreas (medicina, educação, lazer, etc.), onde os utilizadores podem criar as suas próprias aplicações, jogos e ferramentas de trabalho. No decorrer do projecto, a aplicação foi validada por especialistas garantindo o cumprimento dos objectivos propostos.

Medição automática do diâmetro da aorta torácica em imagens de tomografia computorizada

O calibre da artéria aorta torácica é avaliado em situações de suspeita de patologia ou em pacientes com pre-disposição para desenvolverem doenças vasculares. A medição das suas dimensões, em duas direcções diametralmente opostas e, assim, fulcral na avaliação desta estrutura. Para tal, o exame de primeira linha definido é a Angiografia por Tomografia Computorizada (Angio-TC), injectando-se um produto de contraste na veia radial que irá opacificar os vasos, permitindo a sua distinção das estruturas adjacentes. O presente trabalho, inserido na disciplina de Dissertação/ Projecto/ Estágio Profissional do Mestrado em Engenharia de Computação e Instrumentação Médica e com a cooperação da empresa Efficientia, foi sugerido pela equipa de Angio-TC do Centro Hospitalar de Vila Nova de Gaia (CHVNG) e tem por objectivo o desenvolvimento de uma aplicação para a medição e registo automático do diâmetro da aorta torácica em nove pontos anatómicos pre-definidos em imagens de Tomografia Computorizada (TC). A aplicação foi desenvolvida no ambiente integrado de processamento e análise de imagem, Fiji, sendo a metodologia composta pelas etapas de segmentação, desenho da linha central, determinação dos planos de cortes, segmentação e medição da aorta nos planos de corte. Os resultados obtidos pela metodologia proposta são concordantes com os obtidos por especialistas para o conjunto de teste utilizado neste trabalho.

Modelling and segmentation of the vocal tract during speech production by using deformable models in magnetic resonance images

The first and second authors would like to thank the support of the PhD grants with references SFRH/BD/28817/2006 and SFRH/PROTEC/49517/2009, respectively, from Fundação para a Ciência e Tecnol ogia (FCT). This work was partially done in the scope of the project “Methodologies to Analyze Organs from Complex Medical Images – Applications to Fema le Pelvic Cavity”, wi th reference PTDC/EEA- CRO/103320/2008, financially supported by FCT.

Drilling delamination outcomes on glass and sisal reinforced plastics

Nowadays, fibre reinforced plastics are used in a wide variety of applications. Apart from the most known reinforcement fibres, like glass or carbon, natural fibres can be seen as an economical alternative. However, some mistrust is yet limiting the use of such materials, being one of the main reasons the inconsistency normally found in their mechanical properties. It should be noticed that these materials are more used for their low density than for their high stiffness. In this work, two different types of reinforced plates were compared: glass reinforced epoxy plate and sisal reinforced epoxy plate. For material characterization purposes, tensile and flexural tests were carried out. Main properties of both materials, like elastic modulus, tensile strength or flexural modulus, are presented and compared with reference values. Afterwards, plates were drilled under two different feed rates: low and high, with two diverse tools: twist and brad type drill, while cutting speed was kept constant. Thrust forces during drilling were monitored. Then, delamination area around the hole was assessed by using digital images that were processed using a computational platform previously developed. Finally, drilled plates were mechanically tested for bearing and open-hole resistance. Results were compared and correlated with the measured delamination. Conclusions contribute to the understanding of natural fibres reinforced plastics as a substitute to glass fibres reinforced plastics, helping on cost reductions without compromising reliability, as well as the consequence of delamination on mechanical resistance of this type of composites.

Modification of cell volume and proliferative capacity of Pseudokirchneriella subcapitata cells exposed to metal stress

The impact of metals (Cd, Cr, Cu and Zn) on growth, cell volume and cell division of the freshwateralga Pseudokirchneriella subcapitata exposed over a period of 72 h was investigated. The algal cells wereexposed to three nominal concentrations of each metal: low (closed to 72 h-EC10values), intermediate(closed to 72 h-EC50values) and high (upper than 72 h-EC90values). The exposure to low metal concen-trations resulted in a decrease of cell volume. On the contrary, for the highest metal concentrations anincrease of cell volume was observed; this effect was particularly notorious for Cd and less pronouncedfor Zn. Two behaviours were found when algal cells were exposed to intermediate concentrations ofmetals: Cu(II) and Cr(VI) induced a reduction of cell volume, while Cd(II) and Zn(II) provoked an oppositeeffect. The simultaneous nucleus staining and cell image analysis, allowed distinguishing three phases inP. subcapitata cell cycle: growth of mother cell; cell division, which includes two divisions of the nucleus;and, release of four autospores. The exposure of P. subcapitata cells to the highest metal concentrationsresulted in the arrest of cell growth before the first nucleus division [for Cr(VI) and Cu(II)] or after thesecond nucleus division but before the cytokinesis (release of autospores) when exposed to Cd(II). Thedifferent impact of metals on algal cell volume and cell-cycle progression, suggests that different toxic-ity mechanisms underlie the action of different metals studied. The simultaneous nucleus staining andcell image analysis, used in the present work, can be a useful tool in the analysis of the toxicity of thepollutants, in P. subcapitata, and help in the elucidation of their different modes of action.

Imagiologia Espetral - Análise Forense de Notas e Escrita Manual

A análise forense de documentos é uma das áreas das Ciências Forenses, responsável pela verificação da autenticidade dos documentos. Os documentos podem ser de diferentes tipos, sendo a moeda ou escrita manual as evidências forenses que mais frequentemente motivam a análise. A associação de novas tecnologias a este processo de análise permite uma melhor avaliação dessas evidências, tornando o processo mais célere. Esta tese baseia-se na análise forense de dois tipos de documentos - notas de euro e formulários preenchidos por escrita manual. Neste trabalho pretendeu-se desenvolver técnicas de processamento e análise de imagens de evidências dos tipos referidos com vista a extração de medidas que permitam aferir da autenticidade dos mesmos. A aquisição das imagens das notas foi realizada por imagiologia espetral, tendo-se definidas quatro modalidades de aquisição: luz visível transmitida, luz visível refletida, ultravioleta A e ultravioleta C. Para cada uma destas modalidades de aquisição, foram também definidos 2 protocolos: frente e verso. A aquisição das imagens dos documentos escritos manualmente efetuou-se através da digitalização dos mesmos com recurso a um digitalizador automático de um aparelho multifunções. Para as imagens das notas desenvolveram-se vários algoritmos de processamento e análise de imagem, específicos para este tipo de evidências. Esses algoritmos permitem a segmentação da região de interesse da imagem, a segmentação das sub-regiões que contém as marcas de segurança a avaliar bem como da extração de algumas características. Relativamente as imagens dos documentos escritos manualmente, foram também desenvolvidos algoritmos de segmentação que permitem obter todas as sub-regiões de interesse dos formulários, de forma a serem analisados os vários elementos. Neste tipo de evidências, desenvolveu-se ainda um algoritmo de análise para os elementos correspondentes à escrita de uma sequência numérica o qual permite a obtenção das imagens correspondentes aos caracteres individuais. O trabalho desenvolvido e os resultados obtidos permitiram a definição de protocolos de aquisição de imagens destes tipos de evidências. Os algoritmos automáticos de segmentação e análise desenvolvidos ao longo deste trabalho podem ser auxiliares preciosos no processo de análise da autenticidade dos documentos, o qual, ate então, é feito manualmente. Apresentam-se ainda os resultados dos estudos feitos às diversas evidências, nomeadamente as performances dos diversos algoritmos analisados, bem como algumas das adversidades encontradas durante o processo. Apresenta-se também uma discussão da metodologia adotada e dos resultados, bem como de propostas de continuação deste trabalho, nomeadamente, a extração de características e a implementação de classificadores capazes aferir da autenticidade dos documentos.

Real-Time Visual Ground-Truth System for Indoor Robotic Applications

The robotics community is concerned with the ability to infer and compare the results from researchers in areas such as vision perception and multi-robot cooperative behavior. To accomplish that task, this paper proposes a real-time indoor visual ground truth system capable of providing accuracy with at least more magnitude than the precision of the algorithm to be evaluated. A multi-camera architecture is proposed under the ROS (Robot Operating System) framework to estimate the 3D position of objects and the implementation and results were contextualized to the Robocup Middle Size League scenario.

Structured Light System Calibration for Perception in Underwater Tanks

The process of visually exploring underwater environments is still a complex problem. Underwater vision systems require complementary means of sensor information to help overcome water disturbances. This work proposes the development of calibration methods for a structured light based system consisting on a camera and a laser with a line beam. Two different calibration procedures that require only two images from different viewpoints were developed and tested in dry and underwater environments. Results obtained show, an accurate calibration for the camera/projector pair with errors close to 1 mm even in the presence of a small stereos baseline.