Comparação de desempenho entre a formulação direta do Método dos Elementos de Contorno com Funções Radiais e o Método dos Elementos Finitos em problemas de Poisson e Helmholtz

O presente trabalho objetiva avaliar o desempenho do MECID (Método dos Elementos de Contorno com Interpolação Direta) para resolver o termo integral referente à inércia na Equação de Helmholtz e, deste modo, permitir a modelagem do Problema de Autovalor assim como calcular as frequências naturais, comparando-o com os resultados obtidos pelo MEF (Método dos Elementos Finitos), gerado pela Formulação Clássica de Galerkin. Em primeira instância, serão abordados alguns problemas governados pela equação de Poisson, possibilitando iniciar a comparação de desempenho entre os métodos numéricos aqui abordados. Os problemas resolvidos se aplicam em diferentes e importantes áreas da engenharia, como na transmissão de calor, no eletromagnetismo e em problemas elásticos particulares. Em termos numéricos, sabe-se das dificuldades existentes na aproximação precisa de distribuições mais complexas de cargas, fontes ou sorvedouros no interior do domínio para qualquer técnica de contorno. No entanto, este trabalho mostra que, apesar de tais dificuldades, o desempenho do Método dos Elementos de Contorno é superior, tanto no cálculo da variável básica, quanto na sua derivada. Para tanto, são resolvidos problemas bidimensionais referentes a membranas elásticas, esforços em barras devido ao peso próprio e problemas de determinação de frequências naturais em problemas acústicos em domínios fechados, dentre outros apresentados, utilizando malhas com diferentes graus de refinamento, além de elementos lineares com funções de bases radiais para o MECID e funções base de interpolação polinomial de grau (um) para o MEF. São geradas curvas de desempenho através do cálculo do erro médio percentual para cada malha, demonstrando a convergência e a precisão de cada método. Os resultados também são comparados com as soluções analíticas, quando disponíveis, para cada exemplo resolvido neste trabalho.

Variabilidade espacial do estado nutricional do cafeeiro conilon utilizando índice DRIS

A combinação da agricultura de precisão e do Sistema Integrado de Recomendação Foliar (DRIS) possibilita monitorar espacialmente o balanço nutricional dos cafezais para fornecer recomendações de adubação mais equilibradas e mais ajustadas economicamente. O objetivo deste trabalho foi avaliar a variabilidade espacial do estado nutricional do cafeeiro conilon, utilizando o Índice de Balanço Nutricional (IBN) e sua relação com a produtividade. A produtividade das plantas em cada ponto amostral foi determinada e construiu-se o seu mapa considerando a variabilidade espacial; determinou-se o Índice de Equilíbrio Nutricional (IBN) das plantas em cada ponto amostral e construiu-se o seu mapa; e utilizou-se a análise de componentes principais (ACP) para estimar o IBN do cafeeiro por cokrigagem. Os dados do cafeeiro conilon foram coletados em fazenda experimental, no município de Cachoeiro de Itapemirim-ES. O IBN do cafeeiro e a sua produtividade foram analisados por meio de geoestatística, com base nos modelos e parâmetros dos semivariogramas, utilizando o método de interpolação krigagem ordinária para estimar valores para locais não amostrados. O índice de Balanço Nutricional da lavoura do cafeeiro conilon apresentou dependência espacial, porém não apresentou correlação linear e nem espacial com a produtividade. A lavoura em estudo se encontra em desequilíbrio nutricional, sendo que entre os macronutrientes, o Potássio foi o que apresentou maior desequilíbrio na área, entre os micronutrientes, o Zinco e o Ferro foram os que apresentaram menores concentrações nas folhas. A confecção dos mapas possibilitou a distinção de regiões com maior e menor desequilíbrio nutricional e produtividade, o que possibilita adotar o manejo de forma diferenciada e localizada. A análise multivariada baseada em componentes principais fornece componentes com alta correlação com as variáveis originais P, Ca, Zn , Cu, K e B. A cokrigagem utilizando as componentes principais permite estimar o IBN e a produtividade da área.

Variabilidade espacial e temporal de atributos químicos do solo em povoamento de eucalipto

Nos anos mais recentes, observa-se aumento na adoção das técnicas de silvicultura de precisão em florestas plantadas no Brasil. Os plantios de eucalipto ocorrem preferencialmente em áreas com baixa fertilidade de solo e consequentemente baixa produtividade. Logo, para otimizar ao máximo a produção, é necessário saber o quanto essa cultura pode produzir em cada local (sítio). Objetivou-se aplicar uma metodologia que utiliza técnicas de estatística, geoestatística e geoprocessamento, no mapeamento da variabilidade espacial e temporal de atributos químicos do solo cultivado com eucalipto, em área de 10,09 ha, situada no sul do estado do Espírito Santo. Os atributos químicos da fertilidade do solo estudados foram: fósforo (P), potássio (K), cálcio (Ca) e magnésio (Mg), no ano da implantação do povoamento do eucalipto, em 2008, e três anos após, em 2011. O solo foi amostrado em duas profundidades, 0-0,2 m e 0,2-0,4 m, nos 94 pontos de uma malha regular, com extensão de 33 x 33 m. Os dados foram analisados pela estatística descritiva e, em seguida, pela geoestatística, por meio do ajuste de semivariogramas. Diferentes métodos de interpolação foram testados para produzir mapas temáticos mais precisos e facilitar as operações algébricas utilizadas. Com o auxílio de índices quantitativos, realizou-se uma análise geral da fertilidade do solo, por meio da álgebra de mapas. A metodologia utilizada neste estudo possibilitou mapear a variabilidade espacial e temporal de atributos químicos do solo. A análise variográfica mostrou que todos os atributos estudados apresentaram-se estruturados espacialmente, exceto para o atributo P, no Ano Zero (camada 0-0,2 m) e no Ano Três (ambas as camadas). Os melhores métodos de interpolação para o mapeamento de cada atributo químico do solo foram identificados com a ajuda gráfica do Diagrama de Taylor. Mereceram destaque, os modelos esférico e exponencial nas interpolações para a maioria dos atributos químicos do solo avaliados. Apesar de a variação espacial e temporal dos atributos estudados apresentar-se, em média, com pequena variação negativa, a metodologia usada mostrou variações positivas na fertilidade do solo em várias partes da área de estudo. Além disso, os resultados demonstram que os efeitos observados são majoritariamente em função da cultura, uma vez que não foram coletadas amostras de solo em locais adubados. A produtividade do sítio florestal apresentou-se com tendências semelhantes às variações ocorridas na fertilidade do solo, exceto para o magnésio, que se mostrou com tendências espaciais para suporte de elevadas produtividades, de até 50 m3 ha-1 ano-1. Além de mostrar claramente as tendências observadas para as variações na fertilidade do solo, a metodologia utilizada confirma um caminho operacional acessível para empresas e produtores florestais para o manejo nutricional em florestas plantadas. O uso dos mapas facilita a mobilização de recursos para melhorar a aplicação de fertilizantes e corretivos necessários.

Estudo do comportamento vocal no ciclo menstrual: avaliação perceptivo-auditiva, acústica e auto-perceptiva

Durante o período pré-menstrual é comum a ocorrência de disfonia, e são poucas as mulheres que se dão conta dessa variação da voz dentro do ciclo menstrual (Quinteiro, 1989). OBJETIVO: Verificar se há diferença no padrão vocal de mulheres no período de ovulação em relação ao primeiro dia do ciclo menstrual, utilizando-se da análise perceptivo-auditiva, da espectrografia, dos parâmetros acústicos e quando esta diferença está presente, se é percebida pelas mulheres. FORMA DE ESTUDO: Caso-controle. MATERIAL E MÉTODO: A amostra coletada foi de 30 estudantes de Fonoaudiologia, na faixa etária de 18 a 25 anos, não-fumantes, com ciclo menstrual regular e sem o uso de contraceptivo oral. As vozes foram gravadas no primeiro dia de menstruação e no décimo-terceiro dia pós-menstruação (ovulação), para posterior comparação. RESULTADOS: Observou-se durante o período menstrual que as vozes estão rouco-soprosa de grau leve a moderado, instáveis, sem a presença de quebra de sonoridade, com pitch e loudness adequados e ressonância equilibrada. Há pior qualidade de definição dos harmônicos, maior quantidade de ruído entre eles e menor extensão dos harmônicos superiores. Encontramos uma f0 mais aguda, jitter e shimmer aumentados e PHR diminuída. CONCLUSÃO: No período menstrual há mudanças na qualidade vocal, no comportamento dos harmônicos e nos parâmetros vocais (f0,jitter, shimmer e PHR). Além disso, a maioria das estudantes de Fonoaudiologia não percebeu a variação da voz durante o ciclo menstrual.

A eficácia da adaptação de prótese auditiva na redução ou eliminação do zumbido

O zumbido é uma desordem extremamente freqüente em pacientes com perda auditiva, atingindo cerca de 40 milhões de pessoas nos EUA, afetando aproximadamente 1/3 da população acima dos 65 anos de idade. A prática clínica tem demonstrado que pacientes portadores de perda auditiva associada a zumbido beneficiam-se com o uso de próteses auditivas, pois estas, além de melhorarem a compreensão da conversação, aliviam o zumbido. OBJETIVO: No presente trabalho, procurou-se verificar a eficiência da adaptação de próteses auditivas na redução ou eliminação do zumbido em pacientes com perda auditiva. FORMA DE ESTUDO: Estudo de série. MATERIAL E MÉTODO: Foram avaliados 47 indivíduos adultos, sendo 32 do sexo feminino e 15 do sexo masculino, com idades entre 32 e 88 anos, com indicação médica para adaptação de prótese auditiva. Realizou-se análise e avaliação subjetiva da sensação de zumbido por meio da técnica da acufenometria, caracterizando-o quanto ao pitch e loudness, e acompanhamento dos pacientes durante um ano afim de verificar se houve melhora do zumbido após a adaptação da prótese auditiva. RESULTADOS: A maioria dos pacientes (87,2%) referiu melhora do zumbido com o uso da prótese auditiva, sendo que em 51% destes o zumbido desapareceu completamente. O tempo de uso da prótese necessário para a melhora do zumbido foi de 3 a 8 meses para a maioria dos indivíduos. As características da prótese auditiva, como modelo, tecnologia e ventilação, não influenciaram a melhora do zumbido. CONCLUSÃO: A adaptação de próteses auditivas mostrou-se eficaz na redução ou eliminação do zumbido em pacientes portadores de perda auditiva associada a zumbido.

Sensibilidade e especificidade da análise perceptivo-auditiva da voz na triagem de distúrbios laríngeos

Apesar da crescente experiência adquirida com as campanhas nacionais da voz na triagem de indivíduos com alterações laríngeas, ainda não estabelecemos qual o melhor método de avaliação: triagem fonoaudiológica exclusiva, exame laringoscópico exclusivo ou trabalho conjunto médico/fonoaudiólogo para triagem. OBJETIVO: O objetivo do atual estudo foi avaliar a sensibilidade, especificidade, valor preditivo positivo e negativo da análise perceptivo auditiva da voz em comparação com videolaringoscopia como método de triagem de indivíduos com alterações laringofaríngeas. MATERIAL E MÉTODO: Foram comparados os aspectos vocais (escala GRBASI, pitch, loudness, CPF e ressonância) e videolaringoscópicos de 567 indivíduos que participaram da Campanha da Voz 2005 em um hospital universitário terciário. RESULTADOS: A alteração laríngea mais freqüente foi o refluxo laringofaríngeo (RLF) (43,5%), seguida de lesões benignas (17%) e suspeitas de malignas (1%). A sensibilidade da avaliação perceptivo-auditiva da voz foi 91% para os pacientes com lesões benignas e 100% nas suspeitas de maligna, porém apenas 76% no RLF. Dos exames considerados normais 52% foram flagrados como tendo alterações vocais. O valor preditivo positivo foi de 71% e o negativo foi de 61%. CONCLUSÕES: Apesar de importante, a análise perceptivo-auditiva não deve ser usada como único instrumento de triagem em campanhas de saúde vocal.

Pectus Excavatum postsurgical outcome based on preoperative soft body dynamics simulation

Pectus excavatum is the most common congenital deformity of the anterior chest wall, in which an abnormal formation of the rib cage gives the chest a caved-in or sunken appearance. Today, the surgical correction of this deformity is carried out in children and adults through Nuss technic, which consists in the placement of a prosthetic bar under the sternum and over the ribs. Although this technique has been shown to be safe and reliable, not all patients have achieved adequate cosmetic outcome. This often leads to psychological problems and social stress, before and after the surgical correction. This paper targets this particular problem by presenting a method to predict the patient surgical outcome based on pre-surgical imagiologic information and chest skin dynamic modulation. The proposed approach uses the patient pre-surgical thoracic CT scan and anatomical-surgical references to perform a 3D segmentation of the left ribs, right ribs, sternum and skin. The technique encompasses three steps: a) approximation of the cartilages, between the ribs and the sternum, trough b-spline interpolation; b) a volumetric mass spring model that connects two layers - inner skin layer based on the outer pleura contour and the outer surface skin; and c) displacement of the sternum according to the prosthetic bar position. A dynamic model of the skin around the chest wall region was generated, capable of simulating the effect of the movement of the prosthetic bar along the sternum. The results were compared and validated with patient postsurgical skin surface acquired with Polhemus FastSCAN system

Electromagnetic tracker feasibility in the design of a dental superstructure for edentulous patients

The success of the osseointegration concept and the Brånemark protocol is highly associated to the accuracy in the production of an implant-supported prosthesis. One of most critical steps for long-term success of these prosthesis is the accuracy obtained during the impression procedure, which is affected by factors such as the impression material, implant position, angulation and depth. This paper investigates the feasibility of 3D electromagnetic motion tracking systems as an acquisition method for modeling full-arch implant-supported prosthesis. To this extent, we propose an implant acquisition method at the patient mouth and a calibration procedure, based on a 3D electromagnetic tracker that obtains combined measurements of implant’s position and angulation, eliminating the use of any impression material. Three calibration algorithms (namely linear interpolation, higher-order polynomial and Hardy multiquadric) were tested to compensate for the electromagnetic tracker distortions introduced by the presence of nearby metals. Moreover, implants from different suppliers were also tested to study its impact on tracking accuracy. The calibration methodology and the algorithms employed proved to implement a suitable strategy for the evaluation of novel dental impression techniques. However, in the particular case of the evaluated electromagnetic tracking system, the order of magnitude of the obtained errors invalidates its use for the full-arch modeling of implant-supported prosthesis.

Dense motion field estimation from myocardial boundary displacements

Minimally invasive cardiovascular interventions guided by multiple imaging modalities are rapidly gaining clinical acceptance for the treatment of several cardiovascular diseases. These images are typically fused with richly detailed pre-operative scans through registration techniques, enhancing the intra-operative clinical data and easing the image-guided procedures. Nonetheless, rigid models have been used to align the different modalities, not taking into account the anatomical variations of the cardiac muscle throughout the cardiac cycle. In the current study, we present a novel strategy to compensate the beat-to-beat physiological adaptation of the myocardium. Hereto, we intend to prove that a complete myocardial motion field can be quickly recovered from the displacement field at the myocardial boundaries, therefore being an efficient strategy to locally deform the cardiac muscle. We address this hypothesis by comparing three different strategies to recover a dense myocardial motion field from a sparse one, namely, a diffusion-based approach, thin-plate splines, and multiquadric radial basis functions. Two experimental setups were used to validate the proposed strategy. First, an in silico validation was carried out on synthetic motion fields obtained from two realistic simulated ultrasound sequences. Then, 45 mid-ventricular 2D sequences of cine magnetic resonance imaging were processed to further evaluate the different approaches. The results showed that accurate boundary tracking combined with dense myocardial recovery via interpolation/ diffusion is a potentially viable solution to speed up dense myocardial motion field estimation and, consequently, to deform/compensate the myocardial wall throughout the cardiac cycle. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.

Validation of percutaneous puncture trajectory during renal access using 4D ultrasound reconstruction

Background: An accurate percutaneous puncture is essential for disintegration and removal of renal stones. Although this procedure has proven to be safe, some organs surrounding the renal target might be accidentally perforated. This work describes a new intraoperative framework where tracked surgical tools are superimposed within 4D ultrasound imaging for security assessment of the percutaneous puncture trajectory (PPT). Methods: A PPT is first generated from the skin puncture site towards an anatomical target, using the information retrieved by electromagnetic motion tracking sensors coupled to surgical tools. Then, 2D ultrasound images acquired with a tracked probe are used to reconstruct a 4D ultrasound around the PPT under GPU processing. Volume hole-filling was performed in different processing time intervals by a tri-linear interpolation method. At spaced time intervals, the volume of the anatomical structures was segmented to ascertain if any vital structure is in between PPT and might compromise the surgical success. To enhance the volume visualization of the reconstructed structures, different render transfer functions were used. Results: Real-time US volume reconstruction and rendering with more than 25 frames/s was only possible when rendering only three orthogonal slice views. When using the whole reconstructed volume one achieved 8-15 frames/s. 3 frames/s were reached when one introduce the segmentation and detection if some structure intersected the PPT. Conclusions: The proposed framework creates a virtual and intuitive platform that can be used to identify and validate a PPT to safely and accurately perform the puncture in percutaneous nephrolithotomy.

Grid structure impact in sparse point representation of derivatives

In the Sparse Point Representation (SPR) method the principle is to retain the function data indicated by significant interpolatory wavelet coefficients, which are defined as interpolation errors by means of an interpolating subdivision scheme. Typically, a SPR grid is coarse in smooth regions, and refined close to irregularities. Furthermore, the computation of partial derivatives of a function from the information of its SPR content is performed in two steps. The first one is a refinement procedure to extend the SPR by the inclusion of new interpolated point values in a security zone. Then, for points in the refined grid, such derivatives are approximated by uniform finite differences, using a step size proportional to each point local scale. If required neighboring stencils are not present in the grid, the corresponding missing point values are approximated from coarser scales using the interpolating subdivision scheme. Using the cubic interpolation subdivision scheme, we demonstrate that such adaptive finite differences can be formulated in terms of a collocation scheme based on the wavelet expansion associated to the SPR. For this purpose, we prove some results concerning the local behavior of such wavelet reconstruction operators, which stand for SPR grids having appropriate structures. This statement implies that the adaptive finite difference scheme and the one using the step size of the finest level produce the same result at SPR grid points. Consequently, in addition to the refinement strategy, our analysis indicates that some care must be taken concerning the grid structure, in order to keep the truncation error under a certain accuracy limit. Illustrating results are presented for 2D Maxwell's equation numerical solutions.

A flexible side information generation framework for distributed video coding

One of the most efficient approaches to generate the side information (SI) in distributed video codecs is through motion compensated frame interpolation where the current frame is estimated based on past and future reference frames. However, this approach leads to significant spatial and temporal variations in the correlation noise between the source at the encoder and the SI at the decoder. In such scenario, it would be useful to design an architecture where the SI can be more robustly generated at the block level, avoiding the creation of SI frame regions with lower correlation, largely responsible for some coding efficiency losses. In this paper, a flexible framework to generate SI at the block level in two modes is presented: while the first mode corresponds to a motion compensated interpolation (MCI) technique, the second mode corresponds to a motion compensated quality enhancement (MCQE) technique where a low quality Intra block sent by the encoder is used to generate the SI by doing motion estimation with the help of the reference frames. The novel MCQE mode can be overall advantageous from the rate-distortion point of view, even if some rate has to be invested in the low quality Intra coding blocks, for blocks where the MCI produces SI with lower correlation. The overall solution is evaluated in terms of RD performance with improvements up to 2 dB, especially for high motion video sequences and long Group of Pictures (GOP) sizes.

Low Complexity Intra Mode Selection for Efficient Distributed Video Coding

Motion compensated frame interpolation (MCFI) is one of the most efficient solutions to generate side information (SI) in the context of distributed video coding. However, it creates SI with rather significant motion compensated errors for some frame regions while rather small for some other regions depending on the video content. In this paper, a low complexity Infra mode selection algorithm is proposed to select the most 'critical' blocks in the WZ frame and help the decoder with some reliable data for those blocks. For each block, the novel coding mode selection algorithm estimates the encoding rate for the Intra based and WZ coding modes and determines the best coding mode while maintaining a low encoder complexity. The proposed solution is evaluated in terms of rate-distortion performance with improvements up to 1.2 dB regarding a WZ coding mode only solution.

Modeling, control and simulation of full-power converter wind turbines equipped with permanent magnet synchronous generator

In this paper, two wind turbines equipped with a permanent magnet synchronous generator (PMSG) and respectively with a two-level or a multilevel converter are simulated in order to access the malfunction transient performance. Three different drive train mass models, respectively, one, two and three mass models, are considered in order to model the bending flexibility of the blades. Moreover, a fractional-order control strategy is studied comparatively to a classical integer-order control strategy. Computer simulations are carried out, and conclusions about the total harmonic distortion (THD) of the electric current injected into the electric grid are in favor of the fractional-order control strategy.

Concepção de uma pequena turbina eólica destinada ao segmento doméstico (simplificação e análise aerodinâmica das pás)

O trabalho que se apresenta incide sobre o estudo aerodinâmico das pás de uma turbina eólica de pequeno porte, com vista à simplificação geométrica, de forma a que estas sejam baratas e de fácil concepção. A teoria da quantidade de movimento do elemento de pá (BEMT), que é o modelo de referência para o projecto e análise aerodinâmica das pás das turbinas eólicas, foi utilizada neste trabalho de forma a projectar e analisar aerodinamicamente as pás da turbina. Sendo assim, desenvolveu-se um programa computacional em MATLAB, denominado de “Turbina”, de forma a implementar a teoria BEM. Introduzindo os dados dos parâmetros de projecto no programa (potência requerida, o número de pás, velocidade do vento, a TSR e o tipo de perfil alar), obtêm-se os parâmetros geométricos das pás (distribuição da corda ao longo da envergadura, o raio da pá e a distribuição da torção da pá), os parâmetros aerodinâmicos e de desempenho. Uma pá ideal foi calculada e de seguida foi modificada de forma a obter-se uma pá simples e menos carregada aerodinamicamente. Introduzidas as modificações na geometria da pá ideal, obtiveram-se duas configurações distintas. Uma configuração linear, onde a distribuição da corda e do ângulo de torção se tornam lineares, e outra configuração bi-linear, onde a distribuição da corda continua linear mas o ângulo de torção se torna bi-linear, isto é, a pá é composta por dois troços onde cada troço apresenta uma distribuição linear do ângulo de torção geométrica. As conclusões demonstram que a configuração bi-linear é uma boa alternativa a configuração ideal, apresentando uma redução do desempenho do rotor de 2.8% para um aumento do raio da pá em 1.41%, para se obter a mesma potência da configuração ideal. A análise aos perfis alares, utilizados neste trabalho, foi efectuada a partir dos programas comerciais ICEM e FLUENT. De forma a automatizar a análise de CFD, três programas foram desenvolvidos utilizando a linguagem de programação “C”. Os programas são denominados de “Malha2D”, “Calcula_Coeficientes” e “Plot_Graficos”. Finalmente, um estudo paramétrico foi feito de forma a avaliar a influências das variáveis de projecto no desempenho geral da turbina.