Metodologia a seguir per la reconstrucció d’imatges mèdiques i la seva transformació en geometries mallades per a l’ús computacional

Estudi elaborat a partir d’una estada a l'Imperial College of London, Gran Bretanya, entre setembre i desembre 2006. Disposar d'una geometria bona i ben definida és essencial per a poder resoldre eficientment molts dels models computacionals i poder obtenir uns resultats comparables a la realitat del problema. La reconstrucció d'imatges mèdiques permet transformar les imatges obtingudes amb tècniques de captació a geometries en formats de dades numèriques . En aquest text s'explica de forma qualitativa les diverses etapes que formen el procés de reconstrucció d'imatges mèdiques fins a finalment obtenir una malla triangular per a poder‐la processar en els algoritmes de càlcul. Aquest procés s'inicia a l'escàner MRI de The Royal Brompton Hospital de Londres del que s'obtenen imatges per a després poder‐les processar amb les eines CONGEN10 i SURFGEN per a un entorn MATLAB. Aquestes eines les han desenvolupat investigadors del Bioflow group del departament d'enginyeria aeronàutica del Imperial College of London i en l'ultim apartat del text es comenta un exemple d'una artèria que entra com a imatge mèdica i surt com a malla triangular processable amb qualsevol programari o algoritme que treballi amb malles.

Bioinformàtica de ARNs: simulacions d'evolució de viroids i xarxes de molècules de ARN

L'objectiu pràctic principal d'aquest projecte va consistir en la construcció d'un codi informàtic destinat a efectuar simulacions de poblacions de molècules de ARN que es repliquen i evolucionen en el temps. Encara que el projecte es va dirigir cap a la investigació de la interacció entre els viroids i els mecanismes de defensa de la planta, els resultats finals del treball efectuat ens van conduir a conclusions aplicables a l'escala del genoma sencer i no només als viroids o ARNs. En aquest estudi es van analitzar, en l’àmbit de la genètica de poblacions, les conseqüències de la selecció natural endarrerida. Estudis clàssics de la evolució en aquest àmbit han considerat que un individu genera fills en proporció amb la seva superioritat reproductiva (o fitness), un procés en que es poden produir mutacions. L'adquisició de mutacions que produeixen en el individu una fitness molt baixa (mutacions deletèries) impliquen l'impossibilitat de reproducció. En la hipòtesi de selecció endarrerida, els individus que adquireixen mutacions deletèries encara es poden reproduir amb normalitat unes quantes generacions. Durant aquest retard o "compte enrere", els danys transmesos als fills podrien ser reparats mitjançant ulteriors mutacions compensatòries. En l'absència d'aquest tipus de mutacions compensatòries, el fill esdevé estèril i per tant no es podrà reproduir. En aquest treball s’ha estudiat les conseqüències genètiques al nivell poblacional d'aquest retard mitjançant simulacions numèriques i modelitzacions teòriques. Els resultats mostren que la selecció amb retard abaixa el llindar d'error (error threshold), posant en perill la supervivència de la població. De l'altra banda, sorprenentment, aquest retard no deixa cap traça al nivell de la diversitat de les seqüències genòmiques en la població. Aquestes conclusions suggereixen que la selecció endarrerida és difícilment detectada en les dades genètiques i per tant, podria ser un fenomen comú però rarament detectat.

L’impacte de les institucions internacionals sobre la Unió Europea: presa de decisions, integració i europeïtzació

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Center for European Integration de la Freie Universität Berlin, Alemania, entre 2007 i 2009. El tema central del projecte consisteix en la descripció matemàtica de processos espai-temporals mitjançant la teoria dels Continuous-Time Random Walks. L'aportació més significativa del nostre treball en aquest camp consisteix en considerar per primera vegada la interacció entre diversos processos actuant de manera acoblada, ja que fins ara els models existents es limitaven a l'estudi de processos individuals o independents. Aquesta idea fa possible, per exemple, plantejar un sistema de transport en l'espai i a la vegada un procés de reacció (una reacció química, per exemple), i estudiar estadísticament com cada un pot alterar el comportament de l'altre. Això suposa un salt qualitatiu important en la descripció de processos de reacció-dispersió, ja que els nostres models permeten incorporar patrons de dispersió i comportaments temporals (cicles de vida) força realistes en comparació amb els models convencionals. Per tal de completar aquest treball teòric ha estat necessari també desenvolupar algunes eines numèriques (models de xarxa) per facilitar la implementació dels models. En la vessant pràctica, hem aplicat aquestes idees al cas de la dinàmica entre virus i el sistema immunològic que té lloc quan es produeix una infecció a l'organisme. Diferents estudis experimentals portats a terme els últims anys mostren com la resposta immunològica dels organismes superiors presenta una dinàmica temporal força complexa (per exemple, en el cas de la resposta programada). Per aquest motiu, les nostres tècniques matemàtiques són d'especial utilitat per a l'anàlisi d'aquests sistemes. Finalment, altres possibles aplicacions dels models, com ara l'estudi d'invasions biològiques, també han estat considerades.

Implementació logística pel projecte Peccata Mundi

Peccata Mundi arrenca de la iniciativa del director de R+D+I de l'empresa Mas Parés, Jaume Juher, i l’artista plàstic Jaume Xifra, que l’any 2004 van decidir sumar a l’amistat que els uneix un objectiu: convergir en un sol projecte els reptes professionals que es plantejaven individualment des de cadascuna de les seves disciplines: l’art i la investigació gastronòmica. Posteriorment, a l'any 2005, s'incorporen al projecte els experts que constitueixen actualment el nucli central de treball: Josep Bel, expert en anàlisi sensorial i aplicació d'aromes; David Juher, matemàtic i professor de la UdG; Xavier de Palau, músic electrònic; Clara Perxachs, investigadora de la cultura del menjar; i Toni Botella, cuiner. A l'experiència gastronòmico-artística Peccata Mundi el participant tasta un seguit de plats i vins i valora les seves percepcions contestant un qüestionari. Les dades d'aquest qüestionari s'utilitzen, a través d'unes transformacions regides per criteris neurològics, matemàtics, antropològics, etc., per produir unes dades numèriques que seran l'entrada a una aplicació que les farà servir per generar un vídeo amb música d'una durada aproximadament de 2 minuts. Aquest vídeo, que consta d'imatges fractals en moviment i d'una música de fons, generada també utilitzant funcions de comportament caòtic, és el retrat audiovisual de l'experiència sensorial del participant. El projecte consisteix a implementar tota la logística informàtica de l’experiència sensorial Peccata Mundi: dissenyar les aplicacions d'entrada de dades, tractament de la base de dades, processament de les dades del qüestionari, generació del vídeo i la música i producció de l'arxiu audiovisual que finalment el participant s'emporta gravat en suport DVD

Modelització de les propietats òptiques de partícules metàl•liques en matriu dielèctrica

En el marc del projecte "Modelització de les propietats òptiques de partícules metàl•liques en matriu dielèctrica" s'han desenvolupat un conjunt d'eines numèriques que permeten avançar en l'ús de l'espectroscòpia òptica per a l'obtenció d'informació morfològica de materials compostos consistents en partícules metàl•liques en matriu dielèctrica. S'han implementat esquemes numèrics per a calcular les propietats òptiques de materials compostos on les partícules poden presentar una distribució de mides i formes i diferent graus d'ordenament espacial. Les simulacions s'han realitzat a dos nivells: i) amb l’aproximació quasi-estàtica, que permet descriure el comportament d'aquests materials en termes de constants òptiques efectives i ii) amb càlculs electrodinàmics exactes, que han servit per avaluar la validesa de l’aproximació anterior i que han permès d'estudiar la interacció de partícules amb feixos de llum focalitzats o amb polarització no homogènia. A través de l’anàlisi d'aquestes simulacions, s'han desenvolupat models senzills que permeten parametritzar la influència de diferents quantitats físiques en el comportament òptic del material. Aquests models s'han implementat en un programari de càlcul que permeten trobar el valor òptim dels paràmetres físics d'interès mitjançant l'ajust d'espectres òptics. Els models s'han avaluat amb l'anàlisi de dades experimentals subministrades per altres laboratoris.

Impedance boundary conditions for pseudo-spectral time-domain methods in room acoustics

The Pseudo-Spectral Time Domain (PSTD) method is an alternative time-marching method to classical leapfrog finite difference schemes inthe simulation of wave-like propagating phenomena. It is based on the fundamentals of the Fourier transform to compute the spatial derivativesof hyperbolic differential equations. Therefore, it results in an isotropic operator that can be implemented in an efficient way for room acousticssimulations. However, one of the first issues to be solved consists on modeling wall absorption. Unfortunately, there are no references in thetechnical literature concerning to that problem. In this paper, assuming real and constant locally reacting impedances, several proposals toovercome this problem are presented, validated and compared to analytical solutions in different scenarios.

La música dels llacs

Els llacs i embassaments es comporten com oscil·ladors multi modals forçats pel vent. Els modes propers als de l'agent forçant són seleccionats d'entre tot l'espectre possible, com a modes d'oscil·lació de la massa d'aigua. En general els modes predominants són els modes baixos, és a dir els modes amb pocs nodes. Això passa especialment als llacs que es poden considerar formats per dues capes. No obstant, als embassaments mediterranis l'estratificació és quasi continua degut sobretot a l'extracció d'aigua i es poden aproximar per sistemes formats per moltes capes. En aquests casos l'espectre possible d'ones internes és fa molt més gran. Als embassaments de Sau i Béznar el vent té una periodicitat de 24 hores i força modes alts d'oscil·lació. Concretament, a l'embassament de Sau hi hem detectat modes amb 2 i 3 nodes verticals i 2 nodes horitzontals (V2H2 i V3H2) i a l'embassament de Béznar modes de fins a 5 nodes verticals i un node horitzontal (V5H1). Hem fet simulacions numèriques per veure l'estructura oscil·latòria en aquests modes de vibració

Can extreme black Holes have (long) Abelian Higgs hair?

It has been argued that a black hole horizon can support the long-range fields of a Nielsen-Olesen string and that one can think of such a vortex as black hole "hair." In this paper, we examine the properties of an Abelian Higgs vortex in the presence of a charged black hole as we allow the hole to approach extremality. Using both analytical and numerical techniques, we show that the magnetic field lines (as well as the scalar field) of the vortex are completely expelled from the black hole in the extreme limit. This was to be expected, since extreme black holes in Einstein-Maxwell theory are known to exhibit such a "Meissner effect" in general. This would seem to imply that a vortex does not want to be attached to an extreme black hole. We calculate the total energy of the vortex fields in the presence of an extreme black hole. When the hole is small relative to the size of the vortex, it is energetically favored for the hole to remain inside the vortex region, contrary to the intuition that the hole should be expelled. However, as we allow the extreme horizon radius to become very large compared to the radius of the vortex, we do find evidence of an instability. This proves that it is energetically unfavorable for a thin vortex to interact with a large extreme black hole. This would seem to dispel the notion that a black hole can support "long" Abelian Higgs hair in the extreme limit. We show that these considerations do not go through in the near-extreme limit. Finally, we discuss the implications for strings that end at black holes, as in the processes where a string snaps by nucleating black holes.

Generalized Weyl solutions

It was shown by Weyl that the general static axisymmetric solution of the vacuum Einstein equations in four dimensions is given in terms of a single axisymmetric solution of the Laplace equation in three-dimensional flat space. Weyls construction is generalized here to arbitrary dimension D>~4. The general solution of the D-dimensional vacuum Einstein equations that admits D-2 orthogonal commuting non-null Killing vector fields is given either in terms of D-3 independent axisymmetric solutions of Laplaces equation in three-dimensional flat space or by D-4 independent solutions of Laplaces equation in two-dimensional flat space. Explicit examples of new solutions are given. These include a five-dimensional asymptotically flat black ring with an event horizon of topology S1S2 held in equilibrium by a conical singularity in the form of a disk.

Singularity-free space-time

We show that the solution published in the paper by Senovilla [Phys. Rev. Lett. 64, 2219 (1990)] is geodesically complete and singularity-free. We also prove that the solution satisfies the stronger energy and causality conditions, such as global hyperbolicity, the strong energy condition, causal symmetry, and causal stability. A detailed discussion about which assumptions in the singularity theorems are not satisfied is performed, and we show explicitly that the solution is in accordance with those theorems. A brief discussion of the results is given.

Soliton solutions and cosmological gravitational waves

We examine plane-symmetric cosmological solutions to Einstein's equations which can be generated by the "soliton" technique, using the homogeneous Bianchi solutions as seeds and arbitrary numbers of real or complex poles. In some circumstances, these solutions can be interpreted as "incipient" gravitational waves on the Bianchi background. At early times they look like nonlinear inhomogeneities propagating at nearly the speed of light ("gravisolitons"), while at late times they look like cosmological gravitational waves.

Multisoliton solutions to Einstein's equations

We discuss a multisoliton solution to Einsteins equations in vacuum. The solution is interpreted as many gravitational solitons propagating and colliding on a homogeneous cosmological background. Following a previous letter, we characterize the solitons by their localizability and by their peculiar properties under collisions. Furthermore, we define an associated frame-dependent velocity field which illustrates the solitonic character of these gravitational solitons in the classical sense.

Radiative isotropic cosmologies with extra dimensions

We solve Einsteins equations in an n-dimensional vacuum with the simplest ansatz leading to a Friedmann-Robertson-Walker (FRW) four-dimensional space time. We show that the FRW model must be of radiation. For the open models the extra dimensions contract as a result of cosmological evolution. For flat and closed models they contract only when there is one extra dimension.

Cosmic strings and Einstein-Rosen soliton waves

We consider all generalized soliton solutions of the Einstein-Rosen form in the cylindrical context. They are Petrov type-I solutions which describe solitonlike waves interacting with a line source placed on the symmetry axis. Some of the solutions develop a curvature singularity on the axis which is typical of massive line sources, whereas others just have the conical singularity revealing the presence of a static cosmic string. The analysis is based on the asymptotic behavior of the Riemann and metric tensors, the deficit angle, and a C-velocity associated to Thornes C-energy. The C-energy is found to be radiated along the null directions.

Particle creation due to cosmological contraction of extra dimensions

Particle production in a cosmological spacetime with extra dimensions is discussed. A five-dimensional cosmological model with a three-dimensional space expanding isotropically like in a radiative Friedmann-Robertson-Walker model and an internal space contracting to a constant small size is considered. The parameters of the model are adjusted so that time variations in internal space are compatible with present limits on time variations of the fundamental constants. By requiring that the energy density of the particles produced be less than the critical density at the radiation era we set restrictions on two more parameters: namely, the initial time of application of the semiclassical approach and the relative sizes between the internal space and the horizon of the ordinary Universe at this time. Whereas the production of massless particles allows a large range of variation to these parameters, the production of massive particles sets severe constraints on them, since, if they are overproduced, their energy density might very soon dominate the Universe and make cosmological dimensional reduction by extradimensional contraction unlikely.