Coluna de som utilizando array de transdutores de ultrasons

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Burrows-wheeler transform in secondary memory

Master’s Thesis in Computer Engineering

Projecto e implementação de osciloscópio digital baseado na norma IEEE1451.0

Os osciloscópios digitais são utilizados em diversas áreas do conhecimento, assumindo-se no âmbito da engenharia electrónica, como instrumentos indispensáveis. Graças ao advento das Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), os instrumentos de medição reconfiguráveis, dadas as suas vantagens, i.e., altos desempenhos, baixos custos e elevada flexibilidade, são cada vez mais uma alternativa aos instrumentos tradicionalmente usados nos laboratórios. Tendo como objectivo a normalização no acesso e no controlo deste tipo de instrumentos, esta tese descreve o projecto e implementação de um osciloscópio digital reconfigurável baseado na norma IEEE 1451.0. Definido de acordo com uma arquitectura baseada nesta norma, as características do osciloscópio são descritas numa estrutura de dados denominada Transducer Electronic Data Sheet (TEDS), e o seu controlo é efectuado utilizando um conjunto de comandos normalizados. O osciloscópio implementa um conjunto de características e funcionalidades básicas, todas verificadas experimentalmente. Destas, destaca-se uma largura de banda de 575kHz, um intervalo de medição de 0.4V a 2.9V, a possibilidade de se definir um conjunto de escalas horizontais, o nível e declive de sincronismo e o modo de acoplamento com o circuito sob análise. Arquitecturalmente, o osciloscópio é constituído por um módulo especificado com a linguagem de descrição de hardware (HDL, Hardware Description Language) Verilog e por uma interface desenvolvida na linguagem de programação Java®. O módulo é embutido numa FPGA, definindo todo o processamento do osciloscópio. A interface permite o seu controlo e a representação do sinal medido. Durante o projecto foi utilizado um conversor Analógico/Digital (A/D) com uma frequência máxima de amostragem de 1.5MHz e 14 bits de resolução que, devido às suas limitações, obrigaram à implementação de um sistema de interpolação multi-estágio com filtros digitais.

Classificação de sons cardíacos usando Motifs: desenvolvimento de uma aplicação móvel

Este documento foi redigido no âmbito da Tese, do Mestrado em Engenharia Informática na área de Tecnologias do Conhecimento e Decisão, do Departamento de Engenharia Informática, do ISEP, cujo tema é classificação de sons cardíacos usando motifs. Neste trabalho, apresenta-se um algoritmo de classificação de sons cardíacos, capaz de identificar patologias cardíacas. A classificação do som cardíaco é um trabalho desafiante dada a dificuldade em separar os sons ambiente (vozes, respiração, contacto do microfone com superfícies como pele ou tecidos) ou de ruído dos batimentos cardíacos. Esta abordagem seguiu a metodologia de descoberta de padrões SAX (motifs) mais frequentes, em séries temporais relacionando-os com a ocorrência sistólica (S1) e a ocorrência diastólica (S2) do coração. A metodologia seguida mostrou-se eficaz a distinguir sons normais de sons correspondentes a patologia. Os resultados foram publicados na conferência internacional IDEAS’14 [Oliveira, 2014], em Julho deste ano. Numa fase seguinte, desenvolveu-se uma aplicação móvel, capaz de captar os batimentos cardíacos, de os tratar e os classificar. A classificação dos sons é feita usando o método referido no parágrafo anterior. A aplicação móvel, depois de tratar os sons, envia-os para um servidor, onde o programa de classificação é executado, e recebe a resposta da classificação. É também descrita a arquitetura aplicacional desenhada e as componentes que a constituem, as ferramentas e tecnologias utilizadas.

A framework for using real data with distributed low cost sensors

Currently, due to the widespread use of computers and the internet, students are trading libraries for the World Wide Web and laboratories with simulation programs. In most courses, simulators are made available to students and can be used to proof theoretical results or to test a developing hardware/product. Although this is an interesting solution: low cost, easy and fast way to perform some courses work, it has indeed major disadvantages. As everything is currently being done with/in a computer, the students are loosing the “feel” of the real values of the magnitudes. For instance in engineering studies, and mainly in the first years, students need to learn electronics, algorithmic, mathematics and physics. All of these areas can use numerical analysis software, simulation software or spreadsheets and in the majority of the cases data used is either simulated or random numbers, but real data could be used instead. For example, if a course uses numerical analysis software and needs a dataset, the students can learn to manipulate arrays. Also, when using the spreadsheets to build graphics, instead of using a random table, students could use a real dataset based, for instance, in the room temperature and its variation across the day. In this work we present a framework which uses a simple interface allowing it to be used by different courses where the computers are the teaching/learning process in order to give a more realistic feeling to students by using real data. A framework is proposed based on a set of low cost sensors for different physical magnitudes, e.g. temperature, light, wind speed, which are connected to a central server, that the students have access with an Ethernet protocol or are connected directly to the student computer/laptop. These sensors use the communication ports available such as: serial ports, parallel ports, Ethernet or Universal Serial Bus (USB). Since a central server is used, the students are encouraged to use sensor values results in their different courses and consequently in different types of software such as: numerical analysis tools, spreadsheets or simply inside any programming language when a dataset is needed. In order to do this, small pieces of hardware were developed containing at least one sensor using different types of computer communication. As long as the sensors are attached in a server connected to the internet, these tools can also be shared between different schools. This allows sensors that aren't available in a determined school to be used by getting the values from other places that are sharing them. Another remark is that students in the more advanced years and (theoretically) more know how, can use the courses that have some affinities with electronic development to build new sensor pieces and expand the framework further. The final solution provided is very interesting, low cost, simple to develop, allowing flexibility of resources by using the same materials in several courses bringing real world data into the students computer works.

Ankylosing spondylitis: genomic and functional characterization of candidate genes and their repercussion in clinical practice

RESUMO: Introdução: A espondilite anquilosante (EA) é uma doença inflamatória crónica caracterizada pela inflamação das articulações sacroilíacas e da coluna. A anquilose progressiva motiva uma deterioração gradual da função física e da qualidade de vida. O diagnóstico e o tratamento precoces podem contribuir para um melhor prognóstico. Neste contexto, a identificação de biomarcadores, assume-se como sendo muito útil para a prática clínica e representa hoje um grande desafio para a comunidade científica. Objetivos: Este estudo teve como objetivos: 1 - caracterizar a EA em Portugal; 2 - investigar possíveis associações entre genes, MHC e não-MHC, com a suscetibilidade e as características fenotípicas da EA; 3 - identificar genes candidatos associados a EA através da tecnologia de microarray. Material e Métodos: Foram recrutados doentes com EA, de acordo com os critérios modificados de Nova Iorque, nas consultas de Reumatologia dos diferentes hospitais participantes. Colecionaram-se dados demográficos, clínicos e radiológicos e colhidas amostras de sangue periférico. Selecionaram-se de forma aleatória, doentes HLA-B27 positivos, os quais foram tipados em termos de HLA classe I e II por PCR-rSSOP. Os haplótipos HLA estendidos foram estimados pelo algoritmo Expectation Maximization com recurso ao software Arlequin v3.11. As variantes alélicas dos genes IL23R, ERAP1 e ANKH foram estudadas através de ensaios de discriminação alélica TaqMan. A análise de associação foi realizada utilizando testes da Cochrane-Armitage e de regressão linear, tal como implementado pelo PLINK, para variáveis qualitativas e quantitativas, respetivamente. O estudo de expressão génica foi realizado por Illumina HT-12 Whole-Genome Expression BeadChips. Os genes candidatos foram validados usando qPCR-based TaqMan Low Density Arrays (TLDAs). Resultados: Foram incluídos 369 doentes (62,3% do sexo masculino, com idade média de 45,4 ± 13,2 anos, duração média da doença de 11,4 ± 10,5 anos). No momento da avaliação, 49,9% tinham doença axial, 2,4% periférica, 40,9% mista e 7,1% entesopática. A uveíte anterior aguda (33,6%) foi a manifestação extra-articular mais comum. Foram positivos para o HLA-B27, 80,3% dos doentes. Os haplótipo A*02/B*27/Cw*02/DRB1*01/DQB1*05 parece conferir suscetibilidade para a EA, e o A*02/B*27/Cw*01/DRB1*08/DQB1*04 parece conferir proteção em termos de atividade, repercussão funcional e radiológica da doença. Três variantes (2 para IL23R e 1 para ERAP1) mostraram significativa associação com a doença, confirmando a associação destes genes com a EA na população Portuguesa. O mesmo não se verificou com as variantes estudadas do ANKH. Não se verificou associação entre as variantes génicas não-MHC e as manifestações clínicas da EA. Foi identificado um perfil de expressão génica para a EA, tendo sido validados catorze genes - alguns têm um papel bem documentado em termos de inflamação, outros no metabolismo da cartilagem e do osso. Conclusões: Foi estabelecido um perfil demográfico e clínico dos doentes com EA em Portugal. A identificação de variantes génicas e de um perfil de expressão contribuem para uma melhor compreensão da sua fisiopatologia e podem ser úteis para estabelecer modelos com relevância em termos de diagnóstico, prognóstico e orientação terapêutica dos doentes. -----------ABSTRACT: Background: Ankylosing Spondylitis (AS) is a chronic inflammatory disorder characterized by inflammation in the spine and sacroiliac joints leading to progressive joint ankylosis and in progressive deterioration of physical function and quality of life. An early diagnosis and early therapy may contribute to a better prognosis. The identification of biomarkers would be helpful and represents a great challenge for the scientific community. Objectives: The present study had the following aims: 1- to characterize the pattern of AS in Portuguese patients; 2- to investigate MHC and non-MHC gene associations with susceptibility and phenotypic features of AS and; 3- to identify candidate genes associated with AS by means of whole-genome microarray. Material and Methods: AS was defined in accordance to the modified New York criteria and AS cases were recruited from hospital outcares patient clinics. Demographic and clinical data were recorded and blood samples collected. A random group of HLA-B27 positive patients and controls were selected and typed for HLA class I and II by PCR-rSSOP. The extended HLA haplotypes were estimated by Expectation Maximization Algorithm using Arlequin v3.11 software. Genotyping of IL23R, ERAP1 and ANKH allelic variants was carried out with TaqMan allelic discrimination assays. Association analysis was performed using the Cochrane-Armitage and linear regression tests as implemented in PLINK, for dichotomous and quantitative variables, respectively. Gene expression profile was carried out using Illumina HT-12 Whole-Genome Expression BeadChips and candidate genes were validated using qPCR-based TaqMan Low Density Arrays (TLDAs). Results: A total of 369 patients (62.3% male; mean age 45.4±13.2 years; mean disease duration 11.4±10.5 years), were included. Regarding clinical disease pattern, at the time of assessment, 49.9% had axial disease, 2.4% peripheral disease, 40.9% mixed disease and 7.1% isolated enthesopathic disease. Acute anterior uveitis (33.6%) was the most common extra-articular manifestation. 80.3% of AS patients were HLA-B27 positive. The haplotype A*02/B*27/Cw*02/DRB1*01/DQB1*05 seems to confer susceptibility to AS, whereas A*02/B*27/Cw*01/DRB1*08/DQB1*04 seems to provide protection in terms of disease activity, functional and radiological repercussion. Three markers (two for IL23R and one for ERAP1) showed significant single-locus disease associations. Association of these genes with AS in the Portuguese population was confirmed, whereas ANKH markers studied did not show an association with AS. No association was seen between non-MHC genes and clinical manifestations of AS. A gene expression signature for AS was established; among the fourteen validated genes, a number of them have a well-documented inflammatory role or in modulation of cartilage and bone metabolism. Conclusions: A demographic and clinical profile of patients with AS in Portugal was established. Identification of genetic variants of target genes as well as gene expression signatures could provide a better understanding of AS pathophysiology and could be useful to establish models with relevance in terms of susceptibility, prognosis, and potential therapeutic guidance.

Conceção de um tutorial de Iniciação ao co-projeto de Hardware/software

A crescente evolução dos dispositivos contendo circuitos integrados, em especial os FPGAs (Field Programmable Logic Arrays) e atualmente os System on a chip (SoCs) baseados em FPGAs, juntamente com a evolução das ferramentas, tem deixado um espaço entre o lançamento e a produção de materiais didáticos que auxiliem os engenheiros no Co- Projecto de hardware/software a partir dessas tecnologias. Com o intuito de auxiliar na redução desse intervalo temporal, o presente trabalho apresenta o desenvolvimento de documentos (tutoriais) direcionados a duas tecnologias recentes: a ferramenta de desenvolvimento de hardware/software VIVADO; e o SoC Zynq-7000, Z-7010, ambos desenvolvidos pela Xilinx. Os documentos produzidos são baseados num projeto básico totalmente implementado em lógica programável e do mesmo projeto implementado através do processador programável embarcado, para que seja possível avaliar o fluxo de projeto da ferramenta para um projeto totalmente implementado em hardware e o fluxo de projeto para o mesmo projeto implementado numa estrutura de harware/software.

Spatiotemporal mechanisms for actomyosin ring assembly and contraction in budding yeast cell division

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Molecular Medicine

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Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática

Old cellulose for new multifunctional networks

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Ciência e Engenharia de Materiais

Amorphous silicon e 3D sensors applied to object detection

Nowadays, existing 3D scanning cameras and microscopes in the market use digital or discrete sensors, such as CCDs or CMOS for object detection applications. However, these combined systems are not fast enough for some application scenarios since they require large data processing resources and can be cumbersome. Thereby, there is a clear interest in exploring the possibilities and performances of analogue sensors such as arrays of position sensitive detectors with the final goal of integrating them in 3D scanning cameras or microscopes for object detection purposes. The work performed in this thesis deals with the implementation of prototype systems in order to explore the application of object detection using amorphous silicon position sensors of 32 and 128 lines which were produced in the clean room at CENIMAT-CEMOP. During the first phase of this work, the fabrication and the study of the static and dynamic specifications of the sensors as well as their conditioning in relation to the existing scientific and technological knowledge became a starting point. Subsequently, relevant data acquisition and suitable signal processing electronics were assembled. Various prototypes were developed for the 32 and 128 array PSD sensors. Appropriate optical solutions were integrated to work together with the constructed prototypes, allowing the required experiments to be carried out and allowing the achievement of the results presented in this thesis. All control, data acquisition and 3D rendering platform software was implemented for the existing systems. All these components were combined together to form several integrated systems for the 32 and 128 line PSD 3D sensors. The performance of the 32 PSD array sensor and system was evaluated for machine vision applications such as for example 3D object rendering as well as for microscopy applications such as for example micro object movement detection. Trials were also performed involving the 128 array PSD sensor systems. Sensor channel non-linearities of approximately 4 to 7% were obtained. Overall results obtained show the possibility of using a linear array of 32/128 1D line sensors based on the amorphous silicon technology to render 3D profiles of objects. The system and setup presented allows 3D rendering at high speeds and at high frame rates. The minimum detail or gap that can be detected by the sensor system is approximately 350 μm when using this current setup. It is also possible to render an object in 3D within a scanning angle range of 15º to 85º and identify its real height as a function of the scanning angle and the image displacement distance on the sensor. Simple and not so simple objects, such as a rubber and a plastic fork, can be rendered in 3D properly and accurately also at high resolution, using this sensor and system platform. The nip structure sensor system can detect primary and even derived colors of objects by a proper adjustment of the integration time of the system and by combining white, red, green and blue (RGB) light sources. A mean colorimetric error of 25.7 was obtained. It is also possible to detect the movement of micrometer objects using the 32 PSD sensor system. This kind of setup offers the possibility to detect if a micro object is moving, what are its dimensions and what is its position in two dimensions, even at high speeds. Results show a non-linearity of about 3% and a spatial resolution of < 2µm.

Métodos de avaliação do impacto económico dos eventos adversos em meio hospitalar

RESUMO - O sistema de saúde é constantemente sujeito a pressões sendo as mais relevantes a pressão para o aumento da qualidade e a necessidade de contenção de custos. Os Eventos Adversos (EAs) ocorridos em meio hospitalar constituem um sério problema de qualidade na prestação de cuidados de saúde, com consequências clinicas, sociais, económicas e de imagem, que afectam pacientes, profissionais, organizações e o próprio sistema de saúde. Os custos associados à ocorrência de EAs em meio hospitalar, incrementam significativamente os custos hospitalares, representando cerca de um em cada sete dólares gastos no atendimento dos doentes. Só na última década surgiram estudos com o objectivo principal de avaliar esse impacto em meio hospitalar, subsistindo ainda uma grande indefinição quanto às variáveis e métodos a utilizar. O objectivo principal deste trabalho de projecto foi conhecer e caracterizar as diferentes metodologias utilizadas para avaliação dos custos económicos, nomeadamente dos custos directos, relacionados com a ocorrência de eventos adversos em meio hospitalar. Tendo em atenção as dificuldades referidas, utilizou-se como metodologia a revisão narrativa da literatura, complementada com a realização de uma técnica de grupo nominal. Os resultados obtidos foram os seguintes: i) a metodologia utilizada na maioria dos estudos para determinar a frequência, natureza e consequências dos EAs ocorridos em meio hospitalar, utiliza matrizes de base observacional, analítica, com base em estudos de coorte retrospectivo recorrendo aos critérios definidos pelo Harvard Medical Practice Study; ii) a generalidade dos estudos realizados avaliam os custos directos dos EAs em meio hospitalar, iii) verificou-se a existência de uma grande diversidade de métodos para a determinação dos custos associados aos EAs. A generalidade dos estudos determina esse valor com base na contabilização do número de dias adicionais de internamento, resultantes do EA, valorizados com base em custos médios; iv) o grupo de peritos, propôs como metodologia para a determinação do custo associado a cada EA, a utilização de sistemas de custeio por doente; v) propõe-se o desenvolvimento de uma plataforma informática, que permita o cruzamento da informação disponível no registo clinico electrónico do doente com um sistema automático de identificação de EAs, a desenvolver, e com sistemas de custeio por doente, de modo a valorizar os custos por doente e por tipo de EA. A avaliação dos custos directos associados à ocorrência de EAs em contexto hospitalar, pelo impacto económico e social que tem nos doentes e organizações, será seguramente uma das áreas de estudo e investigação futuras, no sentido de melhorar a eficiência do sistema de saúde e a qualidade e segurança dos cuidados prestados aos doentes.

Nanostructuring silicon probes via electrodeposition: characterization of electrode coatings for acute in vivo neural recordings

Understanding how the brain works will require tools capable of measuring neuron elec-trical activity at a network scale. However, considerable progress is still necessary to reliably increase the number of neurons that are recorded and identified simultaneously with existing mi-croelectrode arrays. This project aims to evaluate how different materials can modify the effi-ciency of signal transfer from the neural tissue to the electrode. Therefore, various coating materials (gold, PEDOT, tungsten oxide and carbon nano-tubes) are characterized in terms of their underlying electrochemical processes and recording ef-ficacy. Iridium electrodes (177-706 μm2) are coated using galvanostatic deposition under different charge densities. By performing electrochemical impedance spectroscopy in phosphate buffered saline it is determined that the impedance modulus at 1 kHz depends on the coating material and decreased up to a maximum of two orders of magnitude for PEDOT (from 1 MΩ to 25 kΩ). The electrodes are furthermore characterized by cyclic voltammetry showing that charge storage capacity is im-proved by one order of magnitude reaching a maximum of 84.1 mC/cm2 for the PEDOT: gold nanoparticles composite (38 times the capacity of the pristine). Neural recording of spontaneous activity within the cortex was performed in anesthetized rodents to evaluate electrode coating performance.

Improving silicon probe performance through layer-by-layer coating

Fully comprehending brain function, as the scale of neural networks, will only be possi-ble with the development of tools by micro and nanofabrication. Regarding specifically silicon microelectrodes arrays, a significant improvement in long-term performance of these implants is essential. This project aims to create a silicon microelectrode coating that provides high-quality electrical recordings, while limiting the inflammatory response of chronic implants. To this purpose, a combined chitosan and gold nanoparticles coating was produced allied with electrodes modification by electrodeposition with PEDOT/PSS in order to reduce the im-pedance at 1kHz. Using a dip-coating mechanism, the silicon probe was coated and then charac-terized both morphologically and electrochemically, with focus on the stability of post-surgery performance in anesthetized rodents. Since not only the inflammatory response analysis is vital, the electrodes recording degradation over time was also studied. The produced film presented a thickness of approximately 50 μm that led to an increase of impedance of less than 20 kΩ in average. On a 3 week chronic implant, the impedance in-crease on the coated probe was of 641 kΩ, compared with 2.4 MΩ obtained for the uncoated probe. The inflammatory response was also significantly reduced due to the biocompatible film as proved by histological tests.

Mapping numbers onto space in preschool children and adults

Tese de Doutoramento em Psicologia - Especialidade em Psicologia Experimental e Ciências Cognitivas