Algorithms for information extraction and signal annotation on long-term biosignals using clustering techniques

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Evaluation of Spatial interpolation techniques for mapping climate variables with low sample density: a case study using a new gridded dataset of Bangladesh

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

Real-time Task-Splitting scheduling algorithms framework

Nos dias de hoje, os sistemas de tempo real crescem em importância e complexidade. Mediante a passagem do ambiente uniprocessador para multiprocessador, o trabalho realizado no primeiro não é completamente aplicável no segundo, dado que o nível de complexidade difere, principalmente devido à existência de múltiplos processadores no sistema. Cedo percebeu-se, que a complexidade do problema não cresce linearmente com a adição destes. Na verdade, esta complexidade apresenta-se como uma barreira ao avanço científico nesta área que, para já, se mantém desconhecida, e isto testemunha-se, essencialmente no caso de escalonamento de tarefas. A passagem para este novo ambiente, quer se trate de sistemas de tempo real ou não, promete gerar a oportunidade de realizar trabalho que no primeiro caso nunca seria possível, criando assim, novas garantias de desempenho, menos gastos monetários e menores consumos de energia. Este último fator, apresentou-se desde cedo, como, talvez, a maior barreira de desenvolvimento de novos processadores na área uniprocessador, dado que, à medida que novos eram lançados para o mercado, ao mesmo tempo que ofereciam maior performance, foram levando ao conhecimento de um limite de geração de calor que obrigou ao surgimento da área multiprocessador. No futuro, espera-se que o número de processadores num determinado chip venha a aumentar, e como é óbvio, novas técnicas de exploração das suas inerentes vantagens têm de ser desenvolvidas, e a área relacionada com os algoritmos de escalonamento não é exceção. Ao longo dos anos, diferentes categorias de algoritmos multiprocessador para dar resposta a este problema têm vindo a ser desenvolvidos, destacando-se principalmente estes: globais, particionados e semi-particionados. A perspectiva global, supõe a existência de uma fila global que é acessível por todos os processadores disponíveis. Este fato torna disponível a migração de tarefas, isto é, é possível parar a execução de uma tarefa e resumir a sua execução num processador distinto. Num dado instante, num grupo de tarefas, m, as tarefas de maior prioridade são selecionadas para execução. Este tipo promete limites de utilização altos, a custo elevado de preempções/migrações de tarefas. Em contraste, os algoritmos particionados, colocam as tarefas em partições, e estas, são atribuídas a um dos processadores disponíveis, isto é, para cada processador, é atribuída uma partição. Por essa razão, a migração de tarefas não é possível, acabando por fazer com que o limite de utilização não seja tão alto quando comparado com o caso anterior, mas o número de preempções de tarefas decresce significativamente. O esquema semi-particionado, é uma resposta de caráter hibrido entre os casos anteriores, pois existem tarefas que são particionadas, para serem executadas exclusivamente por um grupo de processadores, e outras que são atribuídas a apenas um processador. Com isto, resulta uma solução que é capaz de distribuir o trabalho a ser realizado de uma forma mais eficiente e balanceada. Infelizmente, para todos estes casos, existe uma discrepância entre a teoria e a prática, pois acaba-se por se assumir conceitos que não são aplicáveis na vida real. Para dar resposta a este problema, é necessário implementar estes algoritmos de escalonamento em sistemas operativos reais e averiguar a sua aplicabilidade, para caso isso não aconteça, as alterações necessárias sejam feitas, quer a nível teórico quer a nível prá

Multicore Scheduling of Real-Time Irregular Parallel Algorithms in Linux

Face à estagnação da tecnologia uniprocessador registada na passada década, aos principais fabricantes de microprocessadores encontraram na tecnologia multi-core a resposta `as crescentes necessidades de processamento do mercado. Durante anos, os desenvolvedores de software viram as suas aplicações acompanhar os ganhos de performance conferidos por cada nova geração de processadores sequenciais, mas `a medida que a capacidade de processamento escala em função do número de processadores, a computação sequencial tem de ser decomposta em várias partes concorrentes que possam executar em paralelo, para que possam utilizar as unidades de processamento adicionais e completar mais rapidamente. A programação paralela implica um paradigma completamente distinto da programação sequencial. Ao contrário dos computadores sequenciais tipificados no modelo de Von Neumann, a heterogeneidade de arquiteturas paralelas requer modelos de programação paralela que abstraiam os programadores dos detalhes da arquitectura e simplifiquem o desenvolvimento de aplicações concorrentes. Os modelos de programação paralela mais populares incitam os programadores a identificar instruções concorrentes na sua lógica de programação, e a especificá-las sob a forma de tarefas que possam ser atribuídas a processadores distintos para executarem em simultâneo. Estas tarefas são tipicamente lançadas durante a execução, e atribuídas aos processadores pelo motor de execução subjacente. Como os requisitos de processamento costumam ser variáveis, e não são conhecidos a priori, o mapeamento de tarefas para processadores tem de ser determinado dinamicamente, em resposta a alterações imprevisíveis dos requisitos de execução. `A medida que o volume da computação cresce, torna-se cada vez menos viável garantir as suas restrições temporais em plataformas uniprocessador. Enquanto os sistemas de tempo real se começam a adaptar ao paradigma de computação paralela, há uma crescente aposta em integrar execuções de tempo real com aplicações interativas no mesmo hardware, num mundo em que a tecnologia se torna cada vez mais pequena, leve, ubíqua, e portável. Esta integração requer soluções de escalonamento que simultaneamente garantam os requisitos temporais das tarefas de tempo real e mantenham um nível aceitável de QoS para as restantes execuções. Para tal, torna-se imperativo que as aplicações de tempo real paralelizem, de forma a minimizar os seus tempos de resposta e maximizar a utilização dos recursos de processamento. Isto introduz uma nova dimensão ao problema do escalonamento, que tem de responder de forma correcta a novos requisitos de execução imprevisíveis e rapidamente conjeturar o mapeamento de tarefas que melhor beneficie os critérios de performance do sistema. A técnica de escalonamento baseado em servidores permite reservar uma fração da capacidade de processamento para a execução de tarefas de tempo real, e assegurar que os efeitos de latência na sua execução não afectam as reservas estipuladas para outras execuções. No caso de tarefas escalonadas pelo tempo de execução máximo, ou tarefas com tempos de execução variáveis, torna-se provável que a largura de banda estipulada não seja consumida por completo. Para melhorar a utilização do sistema, os algoritmos de partilha de largura de banda (capacity-sharing) doam a capacidade não utilizada para a execução de outras tarefas, mantendo as garantias de isolamento entre servidores. Com eficiência comprovada em termos de espaço, tempo, e comunicação, o mecanismo de work-stealing tem vindo a ganhar popularidade como metodologia para o escalonamento de tarefas com paralelismo dinâmico e irregular. O algoritmo p-CSWS combina escalonamento baseado em servidores com capacity-sharing e work-stealing para cobrir as necessidades de escalonamento dos sistemas abertos de tempo real. Enquanto o escalonamento em servidores permite partilhar os recursos de processamento sem interferências a nível dos atrasos, uma nova política de work-stealing que opera sobre o mecanismo de capacity-sharing aplica uma exploração de paralelismo que melhora os tempos de resposta das aplicações e melhora a utilização do sistema. Esta tese propõe uma implementação do algoritmo p-CSWS para o Linux. Em concordância com a estrutura modular do escalonador do Linux, ´e definida uma nova classe de escalonamento que visa avaliar a aplicabilidade da heurística p-CSWS em circunstâncias reais. Ultrapassados os obstáculos intrínsecos `a programação da kernel do Linux, os extensos testes experimentais provam que o p-CSWS ´e mais do que um conceito teórico atrativo, e que a exploração heurística de paralelismo proposta pelo algoritmo beneficia os tempos de resposta das aplicações de tempo real, bem como a performance e eficiência da plataforma multiprocessador.

Qualidade e satisfação do sistema de seguimento à distância de cardioversores-desfibrilhadores implantáveis

RESUMO - Com o aumento da esperança de vida e das doenças crónicas, cada vez se tem implantado mais cardioversores-desfibrilhadores (CDI) para prevenção de morte súbita. O aumento exponencial no número de implantes aumenta o número de seguimentos dos dispositivos, sobrecarregando os profissionais de saúde e comprometendo a qualidade dos serviços prestados. Segundo as recomendações internacionais, um CDI deverá ser vigiado a cada 3 meses, o que perfaz 4 consultas por ano/doente no mínimo, se não existirem episódios de “choques” ou “descompensações” clínicas, e mensalmente quando é atingido o indicador de substituição electiva do gerador. A evolução da tecnologia, de algoritmos, visualização de episódios e terapias requer recursos técnicos e humanos diferenciados e um gasto de tempo considerável no seguimento. Em países como os Estados Unidos da América, em que os doentes têm de percorrer distâncias muito grandes para aceder aos cuidados de saúde, tornou-se preemente a necessidade de um sistema de vigilância alternativo. Nesse sentido, e usando o conceito da telemedicina, foi criado o seguimento/monitorização à distância de dispositivos cardíacos. Este reduz os custos em consultas, deslocações e recursos humanos, uma vez que contempla apenas uma consulta presencial por ano. Por outro lado, aumenta a segurança do doente com a monitorização periódica e a criação de alarmes, permitindo uma assistência de qualidade e intervenção adequada imediata. Aproveitando as vantagens que este tipo de sistema de transmissão remota oferece, procedeu-se no meu serviço, à distribuição inicial de 62 comunicadores a doentes portadores de CDI´s ou com Ressincronizadores Cardíacos (TRC´s1). Apesar de ser considerada uma melhoria na qualidade dos serviços prestados, é também uma mudança importante na metodologia da consulta feita até aqui. Segundo vários autores, a avaliação da qualidade dos cuidados em saúde está intrinsecamente ligada ao grau de satisfação dos doentes com esses serviços, ou seja, à relação entre as suas expectativas e os resultados percebidos por eles, sendo considerado um importante indicador de qualidade dos serviços. Com este trabalho, pretende-se avaliar a percepção dos doentes face ao novo seguimento em termos de aceitação, satisfação, validade, segurança e confiança no novo sistema. Se este mantém os mesmos padrões de qualidade que o seguimento presencial. Trata-se de um estudo transversal com uma componente retrospectiva de avaliação da nova metodologia de consulta à distância. Para tal, foi elaborado um questionário, que foi aplicado a 40 doentes (17,5% do género feminino e 82,5% do género masculino; média de idades de 65 anos) que constituíram a amostra do estudo. Verificou-se uma média de 5 anos de tempo de implante do CDI. Dos dados obtidos, é de realçar que 70% dos inquiridos estão satisfeitos e 30% estão muito satisfeitos com esta nova metodologia de consulta e cerca 67,4% prefere a consulta à distância. Quando solicitados para comparar a qualidade do serviço prestado entre as duas consultas, 65% respondeu igual e 27,5% melhor. Todos os inquiridos responderam ter confiança e segurança com o sistema de consulta à distância. Cerca de 87,5% dos inquiridos vê-se mesmo a continuar com este tipo de consulta. Os resultados obtidos são bastante satisfatórios no que diz respeito à transição do modo como a consulta de CDI´s é feita. Reflectem também que a tecnologia não é necessariamente uma barreira no acesso aos profissionais de saúde, desde que suportada por algum contacto directo (telefone e através de uma consulta presencial por ano). 1 TRC – Terapia de Ressincronização Cardíaca

Parasitological stool sample exam by spontaneous sedimentation method using conical tubes: effectiveness, practice, and biosafety

INTRODUCTION: Spontaneous sedimentation is an important procedure for stool examination. A modification of this technique using conical tubes was performed and evaluated. METHODS: Fifty fecal samples were processed in sedimentation glass and in polypropylene conical tubes. Another 50 samples were used for quantitative evaluation of protozoan cysts. RESULTS: Although no significant differences occurred in the frequency of protozoa and helminths detected, significant differences in protozoan cyst counts did occur. CONCLUSIONS: The use of tube predicts a shorter path in the sedimentation of the sample, increases concentration of parasites for microscopy analysis, minimizes the risks of contamination, reduces the odor, and optimizes the workspace.

Laboratory diagnosis of amebiasis in a sample of students from southeastern Brazil and a comparison of microscopy with enzyme-linked immunosorbent assay for screening of infections with Entamoeba sp.

Introduction: Epidemiological studies on amebiasis have been reassessed since Entamoeba histolytica and E. dispar were first recognized as distinct species. Because the morphological similarity of these species renders microscopic diagnosis unreliable, additional tools are required to discriminate between Entamoeba species. The objectives of our study were to compare microscopy with ELISA kit (IVD®) results, to diagnose E. histolytica infection, and to determine the prevalence of amebiasis in a sample of students from southeastern Brazil. Methods: In this study, diagnosis was based on microscopy due to its capacity for revealing potential cysts/trophozoites and on two commercial kits for antigen detection in stool samples. Results: For 1,403 samples collected from students aged 6 to 14 years who were living in Divinópolis, Minas Gerais, Brazil, microscopy underestimated the number of individuals infected with E. histolytica/E. dispar (5.7% prevalence) compared with the ELISA kit (IVD®)-based diagnoses (15.7% for E. histolytica/E. dispar). A comparison of the ELISA (IVD®) and light microscopy results returned a 20% sensitivity, 97% specificity, low positive predictive value, and high negative predictive value for microscopy. An ELISA kit (TechLab®) that was specific for E. histolytica detected a 3.1% (43/1403) prevalence for E. histolytica infection. Conclusions: The ELISA kit (IVD®) can be used as an alternative screening tool. The high prevalence of E. histolytica infection detected in this study warrants the implementation of actions directed toward health promotion and preventive measures.

Analysis of classification algorithms for crop detection using LANDSAT 8 images

Remote sensing - the acquisition of information about an object or phenomenon without making physical contact with the object - is applied in a multitude of different areas, ranging from agriculture, forestry, cartography, hydrology, geology, meteorology, aerial traffic control, among many others. Regarding agriculture, an example of application of this information is regarding crop detection, to monitor existing crops easily and help in the region’s strategic planning. In any of these areas, there is always an ongoing search for better methods that allow us to obtain better results. For over forty years, the Landsat program has utilized satellites to collect spectral information from Earth’s surface, creating a historical archive unmatched in quality, detail, coverage, and length. The most recent one was launched on February 11, 2013, having a number of improvements regarding its predecessors. This project aims to compare classification methods in Portugal’s Ribatejo region, specifically regarding crop detection. The state of the art algorithms will be used in this region and their performance will be analyzed.

Genetic algorithms for the non emergency patients transport service

The authors would like to thank the anonymous reviewers for their valuable comments and suggestions to improve the paper. The authors would like to thank Dr. Elaine DeBock for reviewing the manuscript.

Comparison of single and multi-objective evolutionary algorithms for robust link-state routing

Traffic Engineering (TE) approaches are increasingly impor- tant in network management to allow an optimized configuration and resource allocation. In link-state routing, the task of setting appropriate weights to the links is both an important and a challenging optimization task. A number of different approaches has been put forward towards this aim, including the successful use of Evolutionary Algorithms (EAs). In this context, this work addresses the evaluation of three distinct EAs, a single and two multi-objective EAs, in two tasks related to weight setting optimization towards optimal intra-domain routing, knowing the network topology and aggregated traffic demands and seeking to mini- mize network congestion. In both tasks, the optimization considers sce- narios where there is a dynamic alteration in the state of the system, in the first considering changes in the traffic demand matrices and in the latter considering the possibility of link failures. The methods will, thus, need to simultaneously optimize for both conditions, the normal and the altered one, following a preventive TE approach towards robust configurations. Since this can be formulated as a bi-objective function, the use of multi-objective EAs, such as SPEA2 and NSGA-II, came nat- urally, being those compared to a single-objective EA. The results show a remarkable behavior of NSGA-II in all proposed tasks scaling well for harder instances, and thus presenting itself as the most promising option for TE in these scenarios.

An immunity based configuration for multilayer single featured biometric authentication algorithms

Immune systems have been used in the last years to inspire approaches for several computational problems. This paper focus on behavioural biometric authentication algorithms’ accuracy enhancement by using them more than once and with different thresholds in order to first simulate the protection provided by the skin and then look for known outside entities, like lymphocytes do. The paper describes the principles that support the application of this approach to Keystroke Dynamics, an authentication biometric technology that decides on the legitimacy of a user based on his typing pattern captured on he enters the username and/or the password and, as a proof of concept, the accuracy levels of one keystroke dynamics algorithm when applied to five legitimate users of a system both in the traditional and in the immune inspired approaches are calculated and the obtained results are compared.

Algorithms and tools for in silico design of cell factories

PhD thesis in Bioengineering

Testing Nelder-Mead based repulsion algorithms for multiple roots of nonlinear systems via a two-level factorial design of experiments

This paper addresses the challenging task of computing multiple roots of a system of nonlinear equations. A repulsion algorithm that invokes the Nelder-Mead (N-M) local search method and uses a penalty-type merit function based on the error function, known as 'erf', is presented. In the N-M algorithm context, different strategies are proposed to enhance the quality of the solutions and improve the overall efficiency. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm.

Bootstrap performance profiles in stochastic algorithms assessment

Optimization with stochastic algorithms has become a relevant research field. Due to its stochastic nature, its assessment is not straightforward and involves integrating accuracy and precision. Performance profiles for the mean do not show the trade-off between accuracy and precision, and parametric stochastic profiles require strong distributional assumptions and are limited to the mean performance for a large number of runs. In this work, bootstrap performance profiles are used to compare stochastic algorithms for different statistics. This technique allows the estimation of the sampling distribution of almost any statistic even with small samples. Multiple comparison profiles are presented for more than two algorithms. The advantages and drawbacks of each assessment methodology are discussed.

Criação de um sistema de apoio para o suporte avançado de vida

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Eletrónica Médica)