Interface electronics for an RF resonance-based displacement sensor

6 p. Paper of the 17th Conference on Sensors and Their Applications held in Dubrovnik, Croatia. Sep 16-18, 2013

Fluorescence optofluidic microscopy and fluorescence microscopy based on the Talbot effect

Light microscopy has been one of the most common tools in biological research, because of its high resolution and non-invasive nature of the light. Due to its high sensitivity and specificity, fluorescence is one of the most important readout modes of light microscopy. This thesis presents two new fluorescence microscopic imaging techniques: fluorescence optofluidic microscopy and fluorescent Talbot microscopy. The designs of the two systems are fundamentally different from conventional microscopy, which makes compact and portable devices possible. The components of the devices are suitable for mass-production, making the microscopic imaging system more affordable for biological research and clinical diagnostics.

Fluorescence optofluidic microscopy (FOFM) is capable of imaging fluorescent samples in fluid media. The FOFM employs an array of Fresnel zone plates (FZP) to generate an array of focused light spots within a microfluidic channel. As a sample flows through the channel and across the array of focused light spots, a filter-coated CMOS sensor collects the fluorescence emissions. The collected data can then be processed to render a fluorescence microscopic image. The resolution, which is determined by the focused light spot size, is experimentally measured to be 0.65 μm.

Fluorescence Talbot microscopy (FTM) is a fluorescence chip-scale microscopy technique that enables large field-of-view (FOV) and high-resolution imaging. The FTM method utilizes the Talbot effect to project a grid of focused excitation light spots onto the sample. The sample is placed on a filter-coated CMOS sensor chip. The fluorescence emissions associated with each focal spot are collected by the sensor chip and are composed into a sparsely sampled fluorescence image. By raster scanning the Talbot focal spot grid across the sample and collecting a sequence of sparse images, a filled-in high-resolution fluorescence image can be reconstructed. In contrast to a conventional microscope, a collection efficiency, resolution, and FOV are not tied to each other for this technique. The FOV of FTM is directly scalable. Our FTM prototype has demonstrated a resolution of 1.2 μm, and the collection efficiency equivalent to a conventional microscope objective with a 0.70 N.A. The FOV is 3.9 mm × 3.5 mm, which is 100 times larger than that of a 20X/0.40 N.A. conventional microscope objective. Due to its large FOV, high collection efficiency, compactness, and its potential for integration with other on-chip devices, FTM is suitable for diverse applications, such as point-of-care diagnostics, large-scale functional screens, and long-term automated imaging.

Coding for information storage

Storage systems are widely used and have played a crucial rule in both consumer and industrial products, for example, personal computers, data centers, and embedded systems. However, such system suffers from issues of cost, restricted-lifetime, and reliability with the emergence of new systems and devices, such as distributed storage and flash memory, respectively. Information theory, on the other hand, provides fundamental bounds and solutions to fully utilize resources such as data density, information I/O and network bandwidth. This thesis bridges these two topics, and proposes to solve challenges in data storage using a variety of coding techniques, so that storage becomes faster, more affordable, and more reliable.

We consider the system level and study the integration of RAID schemes and distributed storage. Erasure-correcting codes are the basis of the ubiquitous RAID schemes for storage systems, where disks correspond to symbols in the code and are located in a (distributed) network. Specifically, RAID schemes are based on MDS (maximum distance separable) array codes that enable optimal storage and efficient encoding and decoding algorithms. With r redundancy symbols an MDS code can sustain r erasures. For example, consider an MDS code that can correct two erasures. It is clear that when two symbols are erased, one needs to access and transmit all the remaining information to rebuild the erasures. However, an interesting and practical question is: What is the smallest fraction of information that one needs to access and transmit in order to correct a single erasure? In Part I we will show that the lower bound of 1/2 is achievable and that the result can be generalized to codes with arbitrary number of parities and optimal rebuilding.

We consider the device level and study coding and modulation techniques for emerging non-volatile memories such as flash memory. In particular, rank modulation is a novel data representation scheme proposed by Jiang et al. for multi-level flash memory cells, in which a set of n cells stores information in the permutation induced by the different charge levels of the individual cells. It eliminates the need for discrete cell levels, as well as overshoot errors, when programming cells. In order to decrease the decoding complexity, we propose two variations of this scheme in Part II: bounded rank modulation where only small sliding windows of cells are sorted to generated permutations, and partial rank modulation where only part of the n cells are used to represent data. We study limits on the capacity of bounded rank modulation and propose encoding and decoding algorithms. We show that overlaps between windows will increase capacity. We present Gray codes spanning all possible partial-rank states and using only ``push-to-the-top'' operations. These Gray codes turn out to solve an open combinatorial problem called universal cycle, which is a sequence of integers generating all possible partial permutations.

Optical designs for improved solar cell performance

The solar resource is the most abundant renewable resource on earth, yet it is currently exploited with relatively low efficiencies. To make solar energy more affordable, we can either reduce the cost of the cell or increase the efficiency with a similar cost cell. In this thesis, we consider several different optical approaches to achieve these goals. First, we consider a ray optical model for light trapping in silicon microwires. With this approach, much less material can be used, allowing for a cost savings. We next focus on reducing the escape of radiatively emitted and scattered light from the solar cell. With this angle restriction approach, light can only enter and escape the cell near normal incidence, allowing for thinner cells and higher efficiencies. In Auger-limited GaAs, we find that efficiencies greater than 38% may be achievable, a significant improvement over the current world record. To experimentally validate these results, we use a Bragg stack to restrict the angles of emitted light. Our measurements show an increase in voltage and a decrease in dark current, as less radiatively emitted light escapes. While the results in GaAs are interesting as a proof of concept, GaAs solar cells are not currently made on the production scale for terrestrial photovoltaic applications. We therefore explore the application of angle restriction to silicon solar cells. While our calculations show that Auger-limited cells give efficiency increases of up to 3% absolute, we also find that current amorphous silicion-crystalline silicon heterojunction with intrinsic thin layer (HIT) cells give significant efficiency gains with angle restriction of up to 1% absolute. Thus, angle restriction has the potential for unprecedented one sun efficiencies in GaAs, but also may be applicable to current silicon solar cell technology. Finally, we consider spectrum splitting, where optics direct light in different wavelength bands to solar cells with band gaps tuned to those wavelengths. This approach has the potential for very high efficiencies, and excellent annual power production. Using a light-trapping filtered concentrator approach, we design filter elements and find an optimal design. Thus, this thesis explores silicon microwires, angle restriction, and spectral splitting as different optical approaches for improving the cost and efficiency of solar cells.

An in vitro biomolecular breadboard for prototyping synthetic biological circuits

Biomolecular circuit engineering is critical for implementing complex functions in vivo, and is a baseline method in the synthetic biology space. However, current methods for conducting biomolecular circuit engineering are time-consuming and tedious. A complete design-build-test cycle typically takes weeks' to months' time due to the lack of an intermediary between design ex vivo and testing in vivo. In this work, we explore the development and application of a "biomolecular breadboard" composed of an in-vitro transcription-translation (TX-TL) lysate to rapidly speed up the engineering design-build-test cycle. We first developed protocols for creating and using lysates for conducting biological circuit design. By doing so we simplified the existing technology to an affordable ($0.03/uL) and easy to use three-tube reagent system. We then developed tools to accelerate circuit design by allowing for linear DNA use in lieu of plasmid DNA, and by utilizing principles of modular assembly. This allowed the design-build-test cycle to be reduced to under a business day. We then characterized protein degradation dynamics in the breadboard to aid to implementing complex circuits. Finally, we demonstrated that the breadboard could be applied to engineer complex synthetic circuits in vitro and in vivo. Specifically, we utilized our understanding of linear DNA prototyping, modular assembly, and protein degradation dynamics to characterize the repressilator oscillator and to prototype novel three- and five-node negative feedback oscillators both in vitro and in vivo. We therefore believe the biomolecular breadboard has wide application for acting as an intermediary for biological circuit engineering.

Desenvolvimento de técnica de análise de imagens digitais para avaliação do estágio da fibrose em biópsias hepáticas de pacientes portadores de hepatite crônica por vírus da hepatite B e C

As hepatites crônicas por vírus são as mais frequentes, destacando-se os vírus das hepatites B (VHB) e C (VHC). O estudo anatomopatológico da biópsia hepática é considerado o padrão ouro para avaliar com precisão a distorção arquitetural e o grau de fibrose do parênquima do fígado, importantes fatores prognósticos para os pacientes portadores de hepatites crônicas virais. Na avaliação histopatológica atual, em adição aos relatos subjetivos das alterações histológicas, escores semiquantitativos que correlacionam achados morfológicos com graus numéricos são usados, tais como os reconhecidos escores de Ishak e METAVIR. Entretanto, em todos estes sistemas há a desvantagem da subjetividade do examinador e da incorporação de alterações categóricas, sem referências às mudanças quantitativas do colágeno hepático. Técnicas de análise de imagens digitais (AID) que fornecem quantificação objetiva dos graus de fibrose em amostras histológicas têm sido desenvolvidas. Todavia, o alto custo e dificuldade ao acesso das tecnologias descritas restringem seu uso a poucos centros especializados. Este estudo visa o desenvolvimento de uma técnica de custo acessível para a análise de imagens digitais da fibrose hepática em hepatites crônicas virais. Foram estudadas 304 biópsias de pacientes com hepatite crônica por vírus B e C, obtidas através de agulhas Menghini. Todas as amostras tinham pelo menos 15 mm de comprimento ou cinco espaços-porta completos e foram coradas pelo método Tricrômico de Masson. O estadiamento foi feito por um único hepatopatologista experiente, sem o conhecimento dos dados clínicos dos pacientes. Os escores de Ishak e METAVIR foram aplicados. As imagens microscópicas foram digitalizadas. Os índices de fibrose foram determinados de forma automatizada, em técnica desenvolvida no programa Adobe Photoshop. Para o escore de Ishak, observamos os seguintes índices de Fibrose (IF) médios: 0,8% 0,0 (estágio 0), 2.4% 0,6 (estágio 1), 4,7% 1,6 (estágio 2), 7,4% 1,4 (estágio 3), 14,9% 3,7 (estágio 4), 23,4% 2,9 (estágio 5) e 34,5% 1,5 (estágio 6). Para a classificação METAVIR: 0,8% 0,1 (estágio F0), 3,8% 1,8 (estágio F1), 7,4% 1,4 (estágio F2), 20,4% 5,2 (estágio F3) e 34,5% 1,5 (estágio F4). Observamos uma excelente correlação entre os índices de fibrose da AID e os escores de Ishak (r=0,94; p<0,001) e METAVIR (r=0,92; p<0,001). Em relação à indicação de tratamento antiviral, foi observado IF médio de 16,4%. Em relação ao diagnóstico de cirrose, foi observado IF médio de 26,9%, para o escore de Ishak, e 34,5% para a classificação METAVIR. A reprodutibilidade intra-observador foi excelente. Este novo método de análise de imagens digitais para a quantificação de fibrose hepática tem custo acessível e foi desenvolvido com tecnologia que está disponível em todo o mundo, permitindo identificar com precisão todos os estágios de fibrose, com excelente reprodutibilidade intra-observador.

Una propuesta metodológica para evaluar la imagen de una ciudad a través de los mapas asociativos

[ES] Esta investigación ha propuesto un método sencillo, razonablemente económico y fácil de implementar para estudiar la imagen de marca de una ciudad empleando los mapas asociativos (Henderson, Iacobucci y Calder, 1998). Utilizando una combinación de criterios estadísticos e interpretativos se llega a construir un mapa de consenso que refleja las señas de identidad de una ciudad, es decir, las principales asociaciones que realizan sus habitantes cuando piensan en su localidad. Se proporcionan, además, claras orientaciones sobre cómo aplicar este método, el cual debe realizarse periódicamente, con el fin de estudiar la dinámica de las asociaciones mencionadas en función de las acciones estratégicas y tácticas realizadas por los gobernantes y del momento del tiempo en el que se ejecuta. Además, se ilustra su uso con una investigación real, aplicada a la ciudad de Cartagena, y realizada empleando una muestra aleatoria de 195 ciudadanos.

A regularização fundiária de imóveis urbanos através da legitimação da posse com a utilização de parcerias com o setor privado para fins de acesso à moradia.

O papel do Estado ao longo do Historia foi bem diversificado, ora com um caráter interventor, e ora com uma postura de regular o mínimo necessário. Esta última postura, proporcionou grandes déficit no setor de infraestrutura, desequilíbrios sociais, favelização, loteamentos irregulares e a não efetivação do direito à moradia. Deste modo, o Estado precisou ampliar a sua atuação na regularização do solo, visando uma regularização fundiária plena que incluiria desde a instalação da urbanização e infraestrutura adequada à concessão de títulos reconhecendo a posse e/ou propriedade do indivíduo. Suprir a carência de infraestrutura, urbanização e organização do solo que se acumularam nas últimas décadas, esbarra na falência fiscal do Estado Brasileiro, que precisa tomar para si a responsabilidade da regularização, mas, principalmente buscar parcerias com o setor privado. A atuação das organizações sociais, das organizações da sociedade civil de interesse público e as parcerias público-privadas precisam ser ampliadas na efetivação da regularização fundiária. Necessário se faz que o investimento não seja exclusivamente público, possibilitando conceder ao parceiro privado, através da utilização de certos instrumentos jurídicos do próprio Estatuto da Cidade como uma contraprestação interessante a este parceiro. Somente vivenciando uma interpretação e aplicação conjunta dos instrumentos jurídicos à disposição do Estado aliado a vontade política, que poderá ser garantido o desenvolvimento prometido à população brasileira e a efetivação do direito constitucional à moradia.

Propiedades básicas de materiales soporte y parámetros de control en biofiltración.

[ES]En la problemática medioambiental generada por la contaminación atmosférica hay tres aspectos que marcan las directrices de actuación institucional: la presión social, la legislación vigente y la tecnología disponible. En cuanto a este último aspecto, la biofiltración es una tecnología eficaz, asequible y sostenible basada en la actividad biodegradadora de microorganismos específicos adheridos a la superficie de un material soporte que constituye el lecho del biofiltro. La elección de un material soporte adecuado es de especial importancia para asegurar el correcto funcionamiento de los biofiltros. Esta decisión está basada en las propiedades intrínsecas del material que deben ser analizadas previamente a su uso. En este proyecto se ha seleccionado cuales son estas propiedades básicas a partir de una revisión bibliográfica, destacando la capacidad de retención de humedad, superficie específica, porosidad, y estabilidad física y química del material. En este trabajo, también se han fijado los parámetros de control que deben ser medidos de forma rutinaria en un biofiltro para asegurar la eficacia del tratamiento de descontaminación. En base a la información bibliográfica recopilada, se ha concluido que los parámetros básicos son pH, temperatura, contenido de humedad del lecho y pérdidas de carga. A nivel experimental, se han medido las pérdidas de carga generadas en biofiltros empacados con tres materiales soportes que son de especial interés para una investigación posterior a desarrollar por el grupo Biofiltración de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU). Durante el período de arranque inicial de los tres biofiltros, las pérdidas de carga medidas fueron muy bajas en los tres casos, aunque algo superiores cuando la alimentación era en sentido ascendente frente al flujo descendente. Sin embargo, cuando se midieron las pérdidas de carga bajo condiciones de encharcamiento del lecho, que es una de las situaciones más problemáticas en un biofiltro, todos los soportes presentaron un aumento puntual de la pérdida de carga aunque la tendencia en los días posteriores fue claramente descendente, recuperando valores de operación habituales. La comparativa del comportamiento frente a las pérdidas de carga permitió seleccionar el soporte más idóneo de los tres analizados, aunque los otros dos podrían ser alternativas viables en caso de sustitución.

A Novel Micro- and Nano-Scale Positioning Sensor Based on Radio Frequency Resonant Cavities

In many micro- and nano-scale technological applications high sensitivity displacement sensors are needed, especially in ultraprecision metrology and manufacturing. In this work a new way of sensing displacement based on radio frequency resonant cavities is presented and experimentally demonstrated using a first laboratory prototype. The principle of operation of the new transducer is summarized and tested. Furthermore, an electronic interface that can be used together with the displacement transducer is designed and proved. It has been experimentally demonstrated that very high and linear sensitivity characteristic curves, in the range of some kHz/nm; are easily obtainable using this kind of transducer when it is combined with a laboratory network analyzer. In order to replace a network analyzer and provide a more affordable, self-contained, compact solution, an electronic interface has been designed, preserving as much as possible the excellent performance of the transducer, and turning it into a true standalone positioning sensor. The results obtained using the transducer together with a first prototype of the electronic interface built with cheap discrete elements show that positioning accuracies in the micrometer range are obtainable using this cost-effective solution. Better accuracies would also be attainable but using more involved and costly electronics interfaces.

Os negros ascendentes na região metropolitana do Rio de Janeiro: trajetórias e perspectivas

O presente trabalho tem como objeto de estudo homens e mulheres negros que estavam inseridos nos estratos médio e alto da sociedade fluminense. O interesse que fundamenta a pesquisa é compreender a trajetória social destas pessoas. Entender os caminhos que possibilitaram que elas estivessem presentes em níveis sociais pouco acessíveis para a população brasileira em geral, e para a população preta e parda, em especial, é um dos elementos centrais na perspectiva de mapear esta população e os mecanismos sociais que possibilitaram romper com a histórica sobreposição entre cor e estrato social, característica duradoura que as transformações sociais e econômicas não foram capazes de alterar plenamente. Focado na compreensão das trajetórias neste grupo, compreendendo a origem de sua família e o percurso feito para a inserção em uma posição de classe privilegiada ou reprodução desta posição herdada, o presente trabalho reconstrói, através de entrevistas, a trajetória dessas pessoas, dá acesso também ao conjunto das limitações que, eventualmente, possam ter se colocado frente a eles. Ou, quando possível, destaca os elementos importantes de uma configuração social que possibilitou esta inserção privilegiada.

Validação da impedância bioelétrica para determinação da composição corporal em mulheres no período pós parto

O período pós-parto pode ser considerado a fase em que a mulher está exposta a retenção de massa corporal (MC) e desenvolvimento da obesidade. Na maioria das situações valorizam-se mais a perda de MC e pouco se conhece a respeito dos componentes que estão sendo mobilizados. Desta forma, há interesse de se validar técnicas acessíveis, como a impedância bioelétrica (BIA), que possam ser aplicadas no acompanhamento nutricional destas mulheres. O presente estudo teve como objetivo validar diferentes modelos de impedância bioelétrica (BIA) para a determinação da composição corporal em mulheres pós-parto tendo como ?padrão ouro? a técnica de absorciometria de dupla energia de raio X(DXA). A amostra foi composta por 46 mulheres no período pós-parto com idade acima de 18anos, inicialmente recrutadas e convidadas a participar da pesquisa, logo após o parto, para posteriormente serem avaliadas. A composição corporal (CC) foi mensurada através de três aparelhos distintos de BIA: RJL , BIO e Tanita e pela DXA. Os componentes101450BC 533corporais medidos foram: massa livre de gordura (MLG), massa gorda (MG) e percentual degordura corporal (%GC). Na análise estatística foram calculadas as médias e desvio-padrãodas variáveis contínuas. A concordância entre os componentes corporais determinados pelaDXA e cada BIA foi avaliada pelo método de Bland & Altman e pelo coeficiente decorrelação de concordância (CCC). Para comparação de médias das variáveis obtidas por BIAe DXA para cada faixa de índice de massa corporal (IMC), foi aplicada a ANOVA e oadotado o teste post-hoc de Tukey. O nível de significância adotado foi de 95% (p=0,05). Amédia ( desvio padrão) de idade foi de 25,5 4,6 anos, a MC de 73,6 12,2kg, o IMC de28,7 4,3kg/m, a MG de 29,87,4kg, a MLG de 43,25,7kg e o %GC de 41,84,3%,obtidos pelo DXA. Ao comparar-se os resultados dos diferentes equipamentos com o método padrão-ouro, verificou-se que houve diferença significativa entre a DXA e as BIA para todos componentes corporais, com exceção da MG fornecida pelo RJL (27,1Kg) e TAN (27,1Kg)em relação à DXA (29,8Kg). Os resultados mostraram haver uma boa reprodutibilidade emrelação aos aparelhos de BIA TAN (r=0,74; r=0,90) e RJL (r=0,78; r=0,89) para MLG e MG.Verificou-se que os equipamentos de BIA TAN e RJL forneceram estimativas semelhantes em relação à MLG, MG e %GC. Em relação aos valores da DXA o equipamento que mais se aproximou foi a TAN e o RJL quando avaliada a MG considerando todas as mulheres, mas quando estratificadas segundo o IMC, a análise foi mais acurada em mulheres obesas.Entretanto, a concordância não foi satisfatória entre os componentes corporais fornecidos pelas BIA em relação à DXA. As BIAs avaliadas no presente estudo subestimaram o %GC e superestimaram a MLG para esse grupo de mulheres no período pós-parto. Conclui-se que as BIA avaliadas não são recomendadas para avaliação da CC neste grupo de mulheres no período pós-parto.

El ADPIC y la corrupción de la industria farmacéutica: el acceso a los medicamentos en los países del Norte y del Sur

Resumen (Castellano): El acceso a los medicamentos ha sido en las últimas décadas un tema a debatir tanto en los países del Sur como en los países del Norte. Los precios impuestos por la industria farmacéutica para enfermedades tan graves como el VIH-SIDA han sido excesivos y consecuentemente inalcanzables para los países más pobres. Sin embargo, actualmente los países más ricos del Norte están sufriendo estas mismas consecuencias a causa del nuevo tratamiento contra la hepatitis C, cuyos precios astronómicos han excluido a numerosos enfermos del acceso al mismo. El derecho humano a la salud está siendo vulnerado, y las principales responsables son las empresas farmacéuticas, las cuales han corrompido los sistemas de salud. La fijación de precios monopólicos, tras el fortalecimiento de las patentes farmacéuticas con la firma del Acuerdo sobre Derechos de Propiedad Intelectual relacionados con el Comercio (ADPIC), ha constituido un obstáculo para la realización del mismo, agrandado por las disposiciones ADPIC-plus incluidas en los tratados de libre comercio . No obstante, la consolidación de la industria de medicamentos genéricos ha logrado competir contra ellas, suministrando medicamentos asequibles y promoviendo los intereses de los más necesitados.

Remote Sensing and Field Assessment of Tsunami Effects on Coastal Pond Aquaculture in Northern Sumatra

An attempt was made to conduct spatial assessment of the pattern and extent of damage to coastal aquaculture ponds along the east coast of Aceh province in Sumatra, Indonesia, resulting from the tsunami event of 26 December 2004. High-resolution satellite imagery, i.e., SPOT-5 multispectral scenes covering the 700 km stretch of the coast, acquired before and after the tsunami, were digitally enhanced and visually interpreted to delineate pockets of aquaculture ponds that were discerned to be damaged and relatively intact. Field checks were conducted at 87 sites in the four eastern coastal districts. The results indicate that SPOT-5 multispectral imagery was minimally sufficient to detect areas of damaged and relatively intact aquaculture ponds, but the 10-m spatial resolution poses limitations to evaluating the extent of pond damage. Nevertheless, the 60 km swath of the imagery makes it reasonably affordable for large-area assessment to identify pockets of severe damage for targeting more detailed assessments. The image maps produced from a mosaic of the SPOT-5 scenes can also serve as base maps for spatial planning in the challenging task of reconstruction and rehabilitation of the disrupted livelihoods of the coastal communities.

Remote sensing and field assessment of tsunami effects on coastal pond aquaculture in northern Sumatra

An attempt was made to conduct spatial assessment of the pattern and extent of damage to coastal aquaculture ponds along the east coast of Aceh province in Sumatra, Indonesia, resulting from the tsunami event of 26 December 2004. High-resolution satellite imagery, i.e., SPOT-5 multispectral scenes covering the 700 km stretch of the coast, acquired before and after the tsunami, were digitally enhanced and visually interpreted to delineate pockets of aquaculture ponds that were discerned to be damaged and relatively intact. Field checks were conducted at 87 sites in the four eastern coastal districts. The results indicate that SPOT-5 multispectral imagery was minimally sufficient to detect areas of damaged and relatively intact aquaculture ponds, but the 10-m spatial resolution poses limitations to evaluating the extent of pond damage. Nevertheless, the 60 km swath of the imagery makes it reasonably affordable for large-area assessment to identify pockets of severe damage for targeting more detailed assessments. The image maps produced from a mosaic of the SPOT-5 scenes can also serve as base maps for spatial planning in the challenging task of reconstruction and rehabilitation of the disrupted livelihoods of the coastal communities.