Aplicações das redes de Bragg na biomecânica

O presente trabalho tem como objectivo o estudo, desenvolvimento e aplicações na área da biomecânica de sensores intrínsecos baseados em redes de Bragg em fibras ópticas (FBG). As aplicações são feitas em modelos biomecânicos in vitro tais como: implantes de anca, prótese de joelho, placas de osteossíntese e implantes dentários. A optimização do desenvolvimento de próteses e respectivos elementos de fixação é actualmente dependente da geração e validação experimental de seus modelos computacionais. A validação destes modelos é normalmente feita utilizando-se dados de ensaios não invasivos e invasivos em modelos sintéticos. Em ensaios in vitro os sensores convencionais têm um princípio de funcionamento eléctrico e apresentam por vezes dimensões inadequadas. Existem situações exploradas no presente trabalho, tais como sensoriamento de superfícies irregulares e junções ou ainda análises de deformações internas, onde é recomendável a utilização de sensores FBG, pois apresentam dimensões reduzidas e flexibilidade o que permite efectuar medidas localizadas. O desenvolvimento de um protocolo de utilização de FBG e a sua aplicação no contexto apresentado demonstrou-se mais adequado, pela precisão e segurança futura oferecidas. Foi desenvolvida uma metodologia experimental para medidas de deformações utilizando FBG ao longo de uma placa de osteossíntese metálica aparafusada a um fémur sintético fracturado. Foi efectuada a monitorização da cura do cimento ósseo utilizado como fixador do prato tibial na artroplastia total do joelho através da medida da sua contracção e temperatura. Foi também desenvolvido um sistema refrigerador com resposta às leituras de temperatura com vista a evitar a necrose do osso. Foram efectuados estudos de deformação nesse cimento após a sua cura, como resultado da aplicação de cargas mecânicas estáticas. Foram efectuados estudos da cura de cimento ósseo aplicado a próteses de anca e também de deformações nestas próteses. Foi ainda efectuado o estudo comparativo de vários implantes dentários através da medida da distribuição de deformações como resposta a excitações mecânicas impulsivas. Para a desmodulação das FBG foram inicialmente utilizados sistemas comerciais. Entretanto algumas aplicações não puderam ser implementadas com estes sistemas comerciais devido à baixa reflectividade das FBG utilizadas, mas fundamentalmente devido à necessidade de executar testes com uma taxa de aquisição maior do que os 5 Hz disponíveis (cerca de 15 kHz). Por estes motivos foi desenvolvido um sistema optoelectrónico completo de desmodulação de FBG baseado num filtro sintonizável e que tem como característica principal a alta taxa de aquisição (até 1,2 MHz) mas também se destaca pela facilidade na reconfiguração dos parâmetros de leitura, pela apresentação duma interface de utilizador amigável e pela capacidade de operar com até 5 FBG na mesma fibra óptica.

Management and Control of Water Supply Systems

The fast increase in the energy’s price has brought a growing concern about the highly expensive task of transporting water. By creating an hydraulic model of the Water Supply System’s (WSS) network and predicting its behaviour, it is possible to take advantage of the energy’s tariffs, reducing the total cost on pumping activities. This thesis was developed, in association with a technology transfer project called the E-Pumping. It focuses on finding a flexible supervision and control strategy, adaptable to any existent Water Supply System (WSS), as well as forecasting the water demand on a time period chosen by the end user, so that the pumping actions could be planned to an optimum schedule, that minimizes the total operational cost. The OPC protocol, associated to a MySQL database were used to develop a flexible tool of supervision and control, due to their adaptability to function with equipments from various manufacturers, being another integrated modular part of the E-Pumping project. Furthermore, in this thesis, through the study and performance tests of several statistical models based on time series, specifically applied to this problem, a forecasting tool adaptable to any station, and whose model parameters are automatically refreshed at runtime, was developed and added to the project as another module. Both the aforementioned modules were later integrated with an Graphical User Interface (GUI) and installed in a pilot application at the ADDP’s network. The implementation of this software on WSSs across the country will reduce the water supply companies’ running costs, improving their market competition and, ultimately, lowering the water price to the end costumer.

Fine arts edutainment: the amateur painter

A new scheme for painterly rendering (NPR) has been developed. This scheme is based on visual perception, in particular themulti-scale line/edge representation in the visual cortex. The Amateur Painter (TAP) is the user interface on top of the rendering scheme. It allows to (semi)automatically create paintings from photographs, with different types of brush strokes and colour manipulations. In contrast to similar painting tools, TAP has a set of menus that reflects the procedure followed by a normal painter. In addition, menus and options have been designed such that they are very intuitive, avoiding a jungle of sub-menus with options from image processing that children and laymen do not understand. Our goal is to create a tool that is extremely easy to use, with the possibility that the user becomes interested in painting techniques, styles, and fine arts in general.

A scalable and open source linear positioning system controller

This paper is on the implementation of a dual axis positioning system controller. The system was designed to be used for space-dependent ultrasound signal acquisition problems, such as pressure field mapping. The work developed can be grouped in two main subjects: hardware and software. Each axis includes one stepper motor connected to a driver circuit, which is then connected to a processing unit. The graphical user interface is simple and clear for the user. The system resolution was computed as 127 mu m with an accuracy of 2.44 mu m. Although the target application is ultrasound signal acquisition, the controller can be applied to other devices that has up to four stepper motors. The application was developed as an open source software, thus it can be used or changed to fit different purposes.

virtX - Ein rechnergestütztes System zum Training des intraoperativen Einsatzes eines mobilen Bildverstärkers

Hintergrund und Fragestellung: Die korrekte intraoperative Positionierung und Einstellung eines mobilen Bildverstärkers (auch C-Bogen) kann zurzeit theoretisch mit Hilfe von Lehrbüchern erlernt, am Gerät selbst aber nur ohne visuelle Rückmeldung, d.h. ohne ein zur Ausrichtung korrespondierendes Röntgenbild, trainiert werden. Hieraus ergibt sich die Fragestellung, inwiefern das Training der Handhabung und richtigen Einstellung des C-Bogens in verschiedenen Operationsszenarien durch ein C-Bogen Simulationssystem als Teil eines CBT-Systems (Computer Based Training) unterstützt werden kann. Methoden: In Kooperation mit Ärzten aus Unfallchirurgie und Radiologie wurde das computer-basierte Trainingssystem virtX entwickelt. virtX kann dem Nutzer verschiedene Aufgaben zur Einstellung eines C-Bogens stellen und die Ausführung und das Ergebnis bewerten. Die Aufgaben können mit Hilfe eines Autorensystems erstellt und vom Trainierenden in verschiedenen Modi erfüllt werden: im rein virtuellen Modus oder im kombinierten virtuell-realen Modus. Im rein virtuellen Modus steuert der Nutzer den virtuellen C-Bogen in einem virtuellen OP-Saal mittels einer grafisch-interaktiven Benutzungsoberfläche. Im virtuell-realen Modus hingegen wird die Ausrichtung eines realen C-Bogens erfasst und auf den virtuellen C-Bogen übertragen. Während der Aufgabenerfüllung kann der Benutzer zu jeder Zeit ein realitätsnahes, virtuelles Röntgenbild erzeugen und dabei alle Parameter wie Blendenstellung, Röntgenintensität, etc. wie bei einem realen C-Bogen steuern. virtX wurde auf einem dreitägigen Kurs für OP-Personal mit 120 Teilnehmern eingesetzt und auf der Basis von Fragebögen evaluiert. Ergebnisse: Von den Teilnehmern gaben 79 einen ausgefüllten Evaluations-Fragebogen ab. Das Durchschnittsalter der 62 weiblichen und 15 männlichen Teilnehmer (zwei o.A.) lag bei 34 ± 9 Jahren, die Berufserfahrung bei 8,3 ± 7,6 Jahren. 18 Personen (23%) gaben an, gelegentlich mit einem C-Bogen zu arbeiten, 61 (77%) arbeiteten regelmäßig damit. Über 83% der befragten Teilnehmer empfanden virtX als eine sinnvolle Ergänzung zur herkömmlichen Ausbildung am C-Bogen. Das virtuelle Röntgen wurde mit einer Zustimmung von 91% der befragten Teilnehmer als besonders wichtig für das Verständnis der Arbeitsweise eines C-Bogens beurteilt. Ebenso erhielt der kombinierte virtuell-reale Modus mit 84% Zustimmung einen vergleichsweise hohen Stellenwert. Schlussfolgerung: Die Befragung zeichnet ein positives Bild der Akzeptanz des virtX-System als substanzielle Ergänzung zur herkömmlichen Ausbildung am C-Bogen.

Enabling Scientific Workflow Sharing through Coarse-Grained Interoperability

E-scientists want to run their scientific experiments on Distributed Computing Infrastructures (DCI) to be able to access large pools of resources and services. To run experiments on these infrastructures requires specific expertise that e-scientists may not have. Workflows can hide resources and services as a virtualization layer providing a user interface that e-scientists can use. There are many workflow systems used by research communities but they are not interoperable. To learn a workflow system and create workflows in this workflow system may require significant efforts from e-scientists. Considering these efforts it is not reasonable to expect that research communities will learn new workflow systems if they want to run workflows developed in other workflow systems. The solution is to create workflow interoperability solutions to allow workflow sharing. The FP7 Sharing Interoperable Workflow for Large-Scale Scientific Simulation on Available DCIs (SHIWA) project developed two interoperability solutions to support workflow sharing: Coarse-Grained Interoperability (CGI) and Fine-Grained Interoperability (FGI). The project created the SHIWA Simulation Platform (SSP) to implement the Coarse-Grained Interoperability approach as a production-level service for research communities. The paper describes the CGI approach and how it enables sharing and combining existing workflows into complex applications and run them on Distributed Computing Infrastructures. The paper also outlines the architecture, components and usage scenarios of the simulation platform.

Support System for Rational Use of Electric Energy

This paper presents the system developed to promote the rational use of electric energy among consumers and, thus, increase the energy efficiency. The goal is to provide energy consumers with an application that displays the energy consumption/production profiles, sets up consuming ceilings, defines automatic alerts and alarms, compares anonymously consumers with identical energy usage profiles by region and predicts, in the case of non-residential installations, the expected consumption/production values. The resulting distributed system is organized in two main blocks: front-end and back-end. The front-end includes user interface applications for Android mobile devices and Web browsers. The back-end provides data storage and processing functionalities and is installed in a cloud computing platform - the Google App Engine - which provides a standard Web service interface. This option ensures interoperability, scalability and robustness to the system.

Controlo de conversores de potência genéricos por FPGA

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica Ramo de Automação e Eletrónica Industrial

Controlo e monitorização de um sistema de Auto-Pull

Esta dissertação descreve o estudo do controlo e da monitorização de um sistema de autopull, bem como o estudo da implementação de um destes sistemasnuma área de negócio. Inicialmente, de modo a percecionar as melhores opções a tomar para a realização deste projeto foram estudadas duas redes de comunicação locais, redes Ethernet e redes CAN, tendo-se optado pelas redes Ethernet, sendo as razões que determinaram esta escolha explanadas no desenvolvimento do relatório. Após ter sido selecionada a rede que foi utilizada, foram estudados os requisitos do sistema e procuradas no mercado soluções que os satisfaçam. Para a comunicação em tempo real foram utilizadas Web Sockets e para a utilização destas,foi necessário um servidor de Web Sockets, tendo a escolha recaídosobre onodejs. Posteriormente, foi elaborada uma interface gráfica que permitiu a criação de um sistema inteligente que auxilia os clientes do espaço a efetuarem pedidos bem como a chamarem os funcionários, não necessitando de passar os longos tempos de espera que normalmenteestão associados a estes espaços. Posto isto, foi realizado um website que deverá apresentar o espaço, os próximos eventos a realizar e outras informações importantes. Este sistema torna-se uma mais-valia para a divulgação da tecnologia implementada e para a divulgação dos espaços que eventualmente venham a adotar um sistema análogo. De seguida foi efetuado um plano de negócios, simulando um espaço físico que eventualmente implementasse esta tecnologia. Para tal, foi estudada a envolvente externa e interna em que este negócio estaria inserido, as políticas de marketing que deveriam ser seguidas e ainda um plano financeiro que descrevesse o investimento, as vendas esperadas e todos os restantes componentes económicos do projeto. Por último foram tecidas as principais conclusões inerentes ao projeto desenvolvido e analisadas as possibilidades de melhorias futuras.

WebGIS applied to improve spatial knowledge of high school students

This research seeks to design and implement a WebGIS application allowing high school students to work with information related to the disciplinary competencies of the competency-teaching model, in Mexico. This paradigm assumes knowledge to be acquired through the application of new technologies and to link it with everyday life situations of students. The WebGIS provides access to maps regarding natural risks in Mexico, e.g. volcanism, seismic activities, or hurricanes; the prototype's user interface was designed with special emphasis on scholar needs for high school students.

Projecto de criação de metodologia de análise da Usabilidade para selecção de plataforma SaaS de Gestão de Projectos online CATCH, Global Marketing

O aparecimento de soluções de software baseadas na Cloud vieram democratizar o acesso a aplicações de suporte à actividade empresarial, permitindo a micro e pequenas empresas aceder a ferramentas que outrora apenas as grandes empresas poderiam financiar, dada a introdução de novas formas de pagamento mensais com base em contratos flexíveis, acesso via internet e ausência de instalação de hardware específico ou compra de licenças por utilizador – a verdadeira utilização de software como um serviço, vulgo SaaS (Software as a Service). As aplicações de tipo SaaS aportam inúmeros benefícios para as empresas e mesmo vantagens competitivas importantes, estando disponíveis soluções em diversas áreas, nomeadamente para a Gestão de Projectos, como ferramentas de CRM (Customer Relationship Management) e CMS (Content Management System), entre outros. Assim, as empresas de Marketing e Comunicação, caso da empresa em que se centra este Projecto, têm hoje em dia acesso a um conjunto de aplicações SaaS, que pelo seu custo acessível e fácil acesso online, permitem às empresas mais pequenas serem rapidamente tão competitivas quanto as maiores, por norma com processos mais pesados e tradicionais. Adicionalmente, assistimos também ao fenómeno da consumerização das TI, em que os consumidores passam a querer ter o mesmo tipo de User Experience (UX) de que usufruem na utilização de aplicações fora do seu trabalho, aplicadas à vida empresarial. Este Projecto argumenta que a Usabilidade deve ser um dos elementos chave para a selecção correcta de uma aplicação online de Gestão de Projectos (do tipo SaaS), algo que deveria ser facilitado pela aplicação de uma metodologia de teste da Usabilidade, disponível numa plataforma online de acesso livre. A metodologia deverá ser eficaz e passível de ser utilizada por colaboradores de uma micro ou pequena empresa, apoiando o seu processo decisório de investimento, sendo eles especialistas ou não na matéria. A metodologia proposta neste projecto exploratório pressupõe uma complementaridade entre a avaliação Heurística de Usabilidade pelo método de Nielsen e o Método de Purdue - Purdue Usability Testing Questionnaire (PUTQ).

Développement d’un système d’administration de l’anesthésie en boucle fermée

En salle d’opération, les tâches de l’anesthésiste sont nombreuses. Alors que l’utilisation de nouveaux outils technologiques l’informe plus fidèlement sur ce qui se passe pour son patient, ces outils font que ses tâches deviennent plus exigeantes. En vue de diminuer cette charge de travail, nous avons considérer l’administration automatique d’agents anesthésiques en se servant de contrôle en boucle fermée. À cette fin, nous avons développé un système d’administration d’un agent anesthésique (le propofol) visant à maintenir à un niveau optimal la perte de conscience du patient pendant toute la durée d’une chirurgie. Le système comprend un ordinateur, un moniteur d’anesthésie et une pompe de perfusion. L’ordinateur est doté d’un algorithme de contrôle qui, à partir d’un indice (Bispectral IndexTM ou BIS) fournit par le moniteur d’anesthésie détermine le taux d’infusion de l’agent anesthésiant. Au départ, l’anesthésiste choisit une valeur cible pour la variable de contrôle BIS et l’algorithme, basé sur système expert, calcule les doses de perfusion de propofol de sorte que la valeur mesurée de BIS se rapproche le plus possible de la valeur cible établie. Comme interface-utilisateur pour un nouveau moniteur d’anesthésie, quatre sortes d’affichage ont été considérés: purement numérique, purement graphique, un mélange entre graphique et numérique et un affichage graphique intégré (soit bidimensionnel). À partir de 20 scenarios différents où des paramètres normaux et anormaux en anesthésie étaient présentés à des anesthésistes et des résidents, l’étude des temps de réaction, de l’exactitude des réponses et de la convivialité (évaluée par le NASA-TLX) a montré qu’un affichage qui combine des éléments graphiques et numériques était le meilleur choix comme interface du système. Une étude clinique a été réalisée pour comparer le comportement du système d’administration de propofol en boucle fermée comparativement à une anesthésie contrôlée de façon manuelle et conventionnelle où le BIS était aussi utilisé. Suite à l’approbation du comité d’éthique et le consentement de personnes ayant à subir des chirurgies générales et orthopédiques, 40 patients ont été distribués également et aléatoirement soit dans le Groupe contrôle, soit dans le Groupe boucle fermée. Après l’induction manuelle de propofol (1.5 mg/kg), le contrôle en boucle fermée a été déclenché pour maintenir l’anesthésie à une cible de BIS fixée à 45. Dans l’autre groupe, le propofol a été administré à l’aide d’une pompe de perfusion et l’anesthésiste avait aussi à garder manuellement l’indice BIS le plus proche possible de 45. En fonction du BIS mesuré, la performance du contrôle exercé a été définie comme excellente pendant les moments où la valeur du BIS mesurée se situait à ±10% de la valeur cible, bonne si comprise de ±10% à ±20%, faible si comprise de ±20% à ±30% ou inadéquate lorsque >±30%. Dans le Groupe boucle fermée, le système a montré un contrôle excellent durant 55% du temps total de l’intervention, un bon contrôle durant 29% du temps et faible que pendant 9% du temps. Le temps depuis l’arrêt de la perfusion jusqu’à l’extubation est de 9 ± 3.7 min. Dans le Groupe contrôle, un contrôle excellent, bon, et faible a été enregistré durant 33%, 33% et 15% du temps respectivement et les doses ont été changées manuellement par l’anesthésiste en moyenne 9.5±4 fois par h. L’extubation a été accomplie après 11.9 ± 3.3 min de l’arrêt de la perfusion. Dans le Groupe boucle fermée, un contrôle excellent a été obtenu plus longtemps au cours des interventions (P<0.0001) et un contrôle inadéquat moins longtemps (P=0.001) que dans le Groupe contrôle. Le système en boucle fermée d’administration de propofol permet donc de maintenir plus facilement l’anesthésie au voisinage d’une cible choisie que l’administration manuelle.

Les coulisses de la Toile : étude sur les demarches de conception de sites web

À l’ère du web 2.0, l’usage des sites web se multiplie et génère de nouveaux enjeux. La satisfaction en rapport à l’interactivité, facteur d’efficacité des sites, détermine la popularité, et donc la visibilité de ceux-ci sur la Toile. Par conséquent, dans cette étude, nous considérons que les utilisateurs ont un rôle à jouer lors du processus de conception de ces derniers. Certes, autant en théorie que dans la pratique, les concepteurs semblent bel et bien tenir compte des utilisateurs; toutefois, ils ne les intègrent pas comme participants actifs dans leurs démarches. Cette étude vise au moyen d’une recherche documentaire et d’observations sur le terrain à comprendre les principales catégories et morphologies des sites web ainsi que les usages qui en découlent. Une analyse des diverses démarches de conception et des perceptions et attentes des internautes est réalisée sur la base de ces résultats. Pour répondre à ces objectifs, cette analyse cible deux catégories de sites réalisés par des professionnels et par des amateurs. Celle-ci nous permet de démontrer que les résultats de chacune de ces démarches, exprimés à travers les interfaces graphiques des sites, diffèrent au niveau de la qualité perceptible. Cette étude souligne également l’importance d’un traitement efficace de la communication graphique des éléments des sites web, afin de structurer la lecture et transmettre au final un message clair et compréhensible aux internautes. Dans le but consolider nos propositions, nous faisons référence à deux théories de communication graphique, la Gestalt et la sémiotique, l’une s’intéressant à la perception visuelle, l’autre à l’interprétation des signes. Celles-ci se sont révélées pertinentes pour analyser la qualité et l’efficacité des éléments de contenus. Notre étude révèle que les participants ne sont pas satisfaits des deux sites testés car l’utilisabilité du site conçu par des professionnels est trop complexe et l’interface du site conçu par un amateur manque de professionnalisme et de cohérence. Ces résultats soulignent la pertinence d’une approche centrée sur l’utilisateur pour la conception de sites web, car elle permet d’identifier et de résoudre des erreurs de conception. Nos résultats permettent également de souligner que les professionnels ayant un savoir technique et théorique se démarquent des amateurs au niveau des intervenants, des outils et des limites. Des pistes de solution, via des critères de design centré sur l’utilisateur, sont proposées à la fin de cette étude dans le but d’optimiser la qualité et l’efficacité des interfaces graphiques web.

Étude empirique du contexte d’utilisation des interfaces de vidéocommunication mobile

Ce document présente les résultats d’une étude empirique sur l’utilisation de la vidéoconférence mobile selon le contexte de l’usager afin de proposer des lignes directrices pour la conception des interfaces des dispositifs de communication vidéo mobile. Grâce à un échange riche d’informations, ce type de communication peut amener un sentiment de présence fort, mais les interfaces actuelles manquent de flexibilité qui permettrait aux usagers d’être créatifs et d’avoir des échanges plus riches lors d’une vidéoconférence. Nous avons mené une recherche avec seize participants dans trois activités où leurs conversations, leurs réactions et leurs comportements ont été observés. Deux groupes de discussion ont aussi servi à identifier les habitudes développées à partir de leur utilisation régulière de la vidéoconférence. Les résultats suggèrent une différence importante entre l’utilisation de la caméra avant et la caméra arrière de l’appareil mobile, et la nécessité de fournir des outils qui offrent plus de contrôle sur l’échange dans la conversation. L’étude propose plusieurs lignes directrices de conception pour les interfaces de communication vidéo mobiles, concernant la construction du contexte mobile de l’utilisateur.

Statistical Machine Learning Techniques for the Prediction of Learning Disabilities in School-Age Children

Learning Disability (LD) is a general term that describes specific kinds of learning problems. It is a neurological condition that affects a child's brain and impairs his ability to carry out one or many specific tasks. The learning disabled children are neither slow nor mentally retarded. This disorder can make it problematic for a child to learn as quickly or in the same way as some child who isn't affected by a learning disability. An affected child can have normal or above average intelligence. They may have difficulty paying attention, with reading or letter recognition, or with mathematics. It does not mean that children who have learning disabilities are less intelligent. In fact, many children who have learning disabilities are more intelligent than an average child. Learning disabilities vary from child to child. One child with LD may not have the same kind of learning problems as another child with LD. There is no cure for learning disabilities and they are life-long. However, children with LD can be high achievers and can be taught ways to get around the learning disability. In this research work, data mining using machine learning techniques are used to analyze the symptoms of LD, establish interrelationships between them and evaluate the relative importance of these symptoms. To increase the diagnostic accuracy of learning disability prediction, a knowledge based tool based on statistical machine learning or data mining techniques, with high accuracy,according to the knowledge obtained from the clinical information, is proposed. The basic idea of the developed knowledge based tool is to increase the accuracy of the learning disability assessment and reduce the time used for the same. Different statistical machine learning techniques in data mining are used in the study. Identifying the important parameters of LD prediction using the data mining techniques, identifying the hidden relationship between the symptoms of LD and estimating the relative significance of each symptoms of LD are also the parts of the objectives of this research work. The developed tool has many advantages compared to the traditional methods of using check lists in determination of learning disabilities. For improving the performance of various classifiers, we developed some preprocessing methods for the LD prediction system. A new system based on fuzzy and rough set models are also developed for LD prediction. Here also the importance of pre-processing is studied. A Graphical User Interface (GUI) is designed for developing an integrated knowledge based tool for prediction of LD as well as its degree. The designed tool stores the details of the children in the student database and retrieves their LD report as and when required. The present study undoubtedly proves the effectiveness of the tool developed based on various machine learning techniques. It also identifies the important parameters of LD and accurately predicts the learning disability in school age children. This thesis makes several major contributions in technical, general and social areas. The results are found very beneficial to the parents, teachers and the institutions. They are able to diagnose the child’s problem at an early stage and can go for the proper treatments/counseling at the correct time so as to avoid the academic and social losses.