Projecto de receptores integrados de banda larga

O presente trabalho tem como objectivo o estudo e projecto de receptores optimizados para sistemas de comunicações por fibra óptica de muito alto débito (10Gb/s e 40Gb/s), com a capacidade integrada de compensação adaptativa pós-detecção da distorção originada pela característica de dispersão cromática e de polarização do canal óptico. O capítulo 1 detalha o âmbito de aplicabilidade destes receptores em sistemas de comunicações ópticas com multiplexagem no comprimento de onda (WDM) actuais. O capítulo apresenta ainda os objectivos e principais contribuições desta tese. O capítulo 2 detalha o projecto de um amplificador pós-detecção adequado para sistemas de comunicação ópticos com taxa de transmissão de 10Gb/s. São discutidas as topologias mais adequadas para amplificadores pós detecção e apresentados os critérios que ditaram a escolha da topologia de transimpedância bem como as condições que permitem optimizar o seu desempenho em termos de largura de banda, ganho e ruído. Para além disso são abordados aspectos relacionados com a implementação física em tecnologia monolítica de microondas (MMIC), focando em particular o impacto destes no desempenho do circuito, como é o caso do efeito dos componentes extrínsecos ao circuito monolítico, em particular as ligações por fio condutor do monólito ao circuito externo. Este amplificador foi projectado e produzido em tecnologia pHEMT de Arsenieto de Gálio e implementado em tecnologia MMIC. O protótipo produzido foi caracterizado na fábrica, ainda na bolacha em que foi produzido (on-wafer) tendo sido obtidos dados de caracterização de 80 circuitos protótipo. Estes foram comparados com resultados de simulação e com desempenho do protótipo montado num veículo de teste. O capítulo 3 apresenta o projecto de dois compensadores eléctricos ajustáveis com a capacidade de mitigar os efeitos da dispersão cromática e da dispersão de polarização em sistemas ópticos com débito binário de 10Gb/s e 40Gb/s, com modulação em banda lateral dupla e banda lateral única. Duas topologias possíveis para este tipo de compensadores (a topologia Feed-Forward Equalizer e a topologia Decision Feedback Equaliser) são apresentadas e comparadas. A topologia Feed-Forward Equaliser que serviu de base para a implementação dos compensadores apresentados é analisada com mais detalhe sendo propostas alterações que permitem a sua implementação prática. O capítulo apresenta em detalhe a forma como estes compensadores foram implementados como circuitos distribuídos em tecnologia MMIC sendo propostas duas formas de implementar as células de ganho variável: com recurso à configuração cascode ou com recurso à configuração célula de Gilbert. São ainda apresentados resultados de simulação e experimentais (dos protótipos produzidos) que permitem tirar algumas conclusões sobre o desempenho das células de ganho com as duas configurações distintas. Por fim, o capítulo inclui ainda resultados de desempenho dos compensadores testados como compensadores de um sinal eléctrico afectado de distorção. No capítulo 4 é feita uma análise do impacto da modulação em banda lateral dupla (BLD) em comparação com a modulação em banda lateral única (BLU) num sistema óptico afectado de dispersão cromática e de polarização. Mostra-se que com modulação em BLU, como não há batimento entre portadoras das duas bandas laterais em consequência do processo quadrático de detecção e há preservação da informação da distorção cromática do canal (na fase do sinal), o uso deste tipo de modulação em sistemas de comunicação óptica permite maior tolerância à dispersão cromática e os compensadores eléctricos são muito mais eficientes. O capítulo apresenta ainda resultados de teste dos compensadores desenvolvidos em cenários experimentais de laboratório representativos de sistemas ópticos a 10Gb/s e 40Gb/s. Os resultados permitem comparar o desempenho destes cenários sem e com compensação eléctrica optimizada, para os casos de modulação em BLU e em BLD, e considerando ainda os efeitos da dispersão na velocidade de grupo e do atraso de grupo diferencial. Mostra-se que a modulação BLU em conjunto com compensação adaptativa eléctrica permite um desempenho muito superior á modulação em BLD largamente utilizada nos sistemas de comunicações actuais. Por fim o capítulo 5 sintetiza e apresenta as principais conclusões deste trabalho.

Flexible management of bandwidth and redundancy in fieldbuses

Os sistemas distribuídos embarcados (Distributed Embedded Systems – DES) têm sido usados ao longo dos últimos anos em muitos domínios de aplicação, da robótica, ao controlo de processos industriais passando pela aviónica e pelas aplicações veiculares, esperando-se que esta tendência continue nos próximos anos. A confiança no funcionamento é uma propriedade importante nestes domínios de aplicação, visto que os serviços têm de ser executados em tempo útil e de forma previsível, caso contrário, podem ocorrer danos económicos ou a vida de seres humanos poderá ser posta em causa. Na fase de projecto destes sistemas é impossível prever todos os cenários de falhas devido ao não determinismo do ambiente envolvente, sendo necessária a inclusão de mecanismos de tolerância a falhas. Adicionalmente, algumas destas aplicações requerem muita largura de banda, que também poderá ser usada para a evolução dos sistemas, adicionandolhes novas funcionalidades. A flexibilidade de um sistema é uma propriedade importante, pois permite a sua adaptação às condições e requisitos envolventes, contribuindo também para a simplicidade de manutenção e reparação. Adicionalmente, nos sistemas embarcados, a flexibilidade também é importante por potenciar uma melhor utilização dos, muitas vezes escassos, recursos existentes. Uma forma evidente de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas dos sistemas embarcados distribuídos é a replicação dos barramentos do sistema. Algumas soluções existentes, quer comerciais quer académicas, propõem a replicação dos barramentos para aumento da largura de banda ou para aumento da tolerância a falhas. No entanto e quase invariavelmente, o propósito é apenas um, sendo raras as soluções que disponibilizam uma maior largura de banda e um aumento da tolerância a falhas. Um destes raros exemplos é o FlexRay, com a limitação de apenas ser permitido o uso de dois barramentos. Esta tese apresentada e discute uma proposta para usar a replicação de barramentos de uma forma flexível com o objectivo duplo de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas. A flexibilidade dos protocolos propostos também permite a gestão dinâmica da topologia da rede, sendo o número de barramentos apenas limitado pelo hardware/software. As propostas desta tese foram validadas recorrendo ao barramento de campo CAN – Controller Area Network, escolhido devido à sua grande implantação no mercado. Mais especificamente, as soluções propostas foram implementadas e validadas usando um paradigma que combina flexibilidade com comunicações event-triggered e time-triggered: o FTT – Flexible Time- Triggered. No entanto, uma generalização para CAN nativo é também apresentada e discutida. A inclusão de mecanismos de replicação do barramento impõe a alteração dos antigos protocolos de replicação e substituição do nó mestre, bem como a definição de novos protocolos para esta finalidade. Este trabalho tira partido da arquitectura centralizada e da replicação do nó mestre para suportar de forma eficiente e flexível a replicação de barramentos. Em caso de ocorrência de uma falta num barramento (ou barramentos) que poderia provocar uma falha no sistema, os protocolos e componentes propostos nesta tese fazem com que o sistema reaja, mudando para um modo de funcionamento degradado. As mensagens que estavam a ser transmitidas nos barramentos onde ocorreu a falta são reencaminhadas para os outros barramentos. A replicação do nó mestre baseia-se numa estratégia líder-seguidores (leaderfollowers), onde o líder (leader) controla todo o sistema enquanto os seguidores (followers) servem como nós de reserva. Se um erro ocorrer no nó líder, um dos nós seguidores passará a controlar o sistema de uma forma transparente e mantendo as mesmas funcionalidades. As propostas desta tese foram também generalizadas para CAN nativo, tendo sido para tal propostos dois componentes adicionais. É, desta forma possível ter as mesmas capacidades de tolerância a falhas ao nível dos barramentos juntamente com a gestão dinâmica da topologia de rede. Todas as propostas desta tese foram implementadas e avaliadas. Uma implementação inicial, apenas com um barramento foi avaliada recorrendo a uma aplicação real, uma equipa de futebol robótico onde o protocolo FTT-CAN foi usado no controlo de movimento e da odometria. A avaliação do sistema com múltiplos barramentos foi feita numa plataforma de teste em laboratório. Para tal foi desenvolvido um sistema de injecção de faltas que permite impor faltas nos barramentos e nos nós mestre, e um sistema de medida de atrasos destinado a medir o tempo de resposta após a ocorrência de uma falta.

Metabolic signature of lung cancer: a metabolomic study of human tissues and biofluids

This thesis reports the application of metabolomics to human tissues and biofluids (blood plasma and urine) to unveil the metabolic signature of primary lung cancer. In Chapter 1, a brief introduction on lung cancer epidemiology and pathogenesis, together with a review of the main metabolic dysregulations known to be associated with cancer, is presented. The metabolomics approach is also described, addressing the analytical and statistical methods employed, as well as the current state of the art on its application to clinical lung cancer studies. Chapter 2 provides the experimental details of this work, in regard to the subjects enrolled, sample collection and analysis, and data processing. In Chapter 3, the metabolic characterization of intact lung tissues (from 56 patients) by proton High Resolution Magic Angle Spinning (HRMAS) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy is described. After careful assessment of acquisition conditions and thorough spectral assignment (over 50 metabolites identified), the metabolic profiles of tumour and adjacent control tissues were compared through multivariate analysis. The two tissue classes could be discriminated with 97% accuracy, with 13 metabolites significantly accounting for this discrimination: glucose and acetate (depleted in tumours), together with lactate, alanine, glutamate, GSH, taurine, creatine, phosphocholine, glycerophosphocholine, phosphoethanolamine, uracil nucleotides and peptides (increased in tumours). Some of these variations corroborated typical features of cancer metabolism (e.g., upregulated glycolysis and glutaminolysis), while others suggested less known pathways (e.g., antioxidant protection, protein degradation) to play important roles. Another major and novel finding described in this chapter was the dependence of this metabolic signature on tumour histological subtype. While main alterations in adenocarcinomas (AdC) related to phospholipid and protein metabolisms, squamous cell carcinomas (SqCC) were found to have stronger glycolytic and glutaminolytic profiles, making it possible to build a valid classification model to discriminate these two subtypes. Chapter 4 reports the NMR metabolomic study of blood plasma from over 100 patients and near 100 healthy controls, the multivariate model built having afforded a classification rate of 87%. The two groups were found to differ significantly in the levels of lactate, pyruvate, acetoacetate, LDL+VLDL lipoproteins and glycoproteins (increased in patients), together with glutamine, histidine, valine, methanol, HDL lipoproteins and two unassigned compounds (decreased in patients). Interestingly, these variations were detected from initial disease stages and the magnitude of some of them depended on the histological type, although not allowing AdC vs. SqCC discrimination. Moreover, it is shown in this chapter that age mismatch between control and cancer groups could not be ruled out as a possible confounding factor, and exploratory external validation afforded a classification rate of 85%. The NMR profiling of urine from lung cancer patients and healthy controls is presented in Chapter 5. Compared to plasma, the classification model built with urinary profiles resulted in a superior classification rate (97%). After careful assessment of possible bias from gender, age and smoking habits, a set of 19 metabolites was proposed to be cancer-related (out of which 3 were unknowns and 6 were partially identified as N-acetylated metabolites). As for plasma, these variations were detected regardless of disease stage and showed some dependency on histological subtype, the AdC vs. SqCC model built showing modest predictive power. In addition, preliminary external validation of the urine-based classification model afforded 100% sensitivity and 90% specificity, which are exciting results in terms of potential for future clinical application. Chapter 6 describes the analysis of urine from a subset of patients by a different profiling technique, namely, Ultra-Performance Liquid Chromatography coupled to Mass Spectrometry (UPLC-MS). Although the identification of discriminant metabolites was very limited, multivariate models showed high classification rate and predictive power, thus reinforcing the value of urine in the context of lung cancer diagnosis. Finally, the main conclusions of this thesis are presented in Chapter 7, highlighting the potential of integrated metabolomics of tissues and biofluids to improve current understanding of lung cancer altered metabolism and to reveal new marker profiles with diagnostic value.

Uma abordagem de matabolómica no estudo comparativo do metabolismo de glucose e galactose no patogénico humano Streptococcus pneumoniae

Dissertação mest., Ciências Biomédicas, Universidade do Algarve, 2010

Tolerância à amónia e grau de ureotelia no xarroco, Halobatrachus didactylus (Bloch & Schneider, 1801)

Tese mest., Biologia Marinha, Universidade do Algarve, Faculdade de Ciências do Mar e do Ambiente, 2008

Cinética de inibição do etanol e consumo de açúcar, em reator biológico, usando resíduos industriais de citrinos e de alfarroba. Aumento de escala de produção em unidade-piloto

Dissertação de mest., Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2013

Regulatory interactions between the metabolic sensors SIRT1 and AMPK in modulating PPARα linked functions, in obesity-dependent type 2 diabetes mellitus

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas (Ciências Funcionais), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2014

Exercise training reduces fatty acid availability and improves the insulin sensitivity of glucose metabolism

Aims/hypothesis - It is not known whether the beneficial effects of exercise training on insulin sensitivity are due to changes in hepatic and peripheral insulin sensitivity or whether the changes in insulin sensitivity can be explained by adaptive changes in fatty acid metabolism, changes in visceral fat or changes in liver and muscle triacylglycerol content. We investigated the effects of 6 weeks of supervised exercise in sedentary men on these variables. Subjects and methods - We randomised 17 sedentary overweight male subjects (age 50 ± 2.6 years, BMI 27.6 ± 0.5 kg/m2) to a 6-week exercise programme (n = 10) or control group (n = 7). The insulin sensitivity of palmitic acid production rate (Ra), glycerol Ra, endogenous glucose Ra (EGP), glucose uptake and glucose metabolic clearance rate were measured at 0 and 6 weeks with a two-step hyperinsulinaemic–euglycaemic clamp [step 1, 0.3 (low dose); step 2, 1.5 (high dose) mU kg−1 min−1]. In the exercise group subjects were studied >72 h after the last training session. Liver and skeletal muscle triacylglycerol content was measured by magnetic resonance spectroscopy and visceral adipose tissue by cross-sectional computer tomography scanning. Results - After 6 weeks, fasting glycerol, palmitic acid Ra (p = 0.003, p = 0.042) and NEFA concentration (p = 0.005) were decreased in the exercise group with no change in the control group. The effects of low-dose insulin on EGP and of high-dose insulin on glucose uptake and metabolic clearance rate were enhanced in the exercise group but not in the control group (p = 0.026; p = 0.007 and p = 0.04). There was no change in muscle triacylglycerol and liver fat in either group. Conclusions/interpretation - Decreased availability of circulating NEFA may contribute to the observed improvement in the insulin sensitivity of EGP and glucose uptake following 6 weeks of moderate exercise.

Efeitos de um programa de exercícios específico em indivíduos integrados num programa de reabilitação cardiovascular no domicílio na tolerância ao exercício

Introdução: As doenças cardiovasculares são a principal causa de morte na Europa e o sedentarismo é um dos seus principais fatores de risco. Os programas de reabilitação cardiovascular (RCV) no domicílio parecem ser eficazes na tolerância ao exercício. No entanto, torna-se difícil reproduzir um protocolo de exercícios no domicílio, por se tratar de estudos pouco específicos. Objetivo: Avaliar os efeitos de um programa de exercícios específico realizado no domicílio, na tolerância ao exercício em pacientes integrados num programa RCV. Metodologia: Estudo quase experimental composto por 20 indivíduos com pelo menos um ano de enfarte agudo do miocárdio, distribuídos aleatoriamente em dois grupos: grupo experimental (GE) e grupo de controlo (GC), ambos com 10 indivíduos. O programa de RCV no domicílio (constituído por 10 exercícios) teve a duração de 8 semanas, com uma frequência de 3 vezes por semana. Avaliou-se a frequência cardíaca (FC), tensão arterial e duplo produto basais e máximos; FC de recuperação; equivalentes metabólicos (METs); velocidade; inclinação; tempo de prova e de recuperação; índice cifótico; equilíbrio; e tempo em atividade moderada a vigorosa. Resultados: Ao fim de 8 semanas de exercício o GE aumentou significativamente os MET’s (p=0,001), tensão arterial sistólica máxima (p<0,001), duplo produto máximo (p<0,001) e tempo de prova (p=0,037) e diminuiu significativamente o tempo de recuperação (p<0,001), quando comparado com o GC. Conclusão: O programa de exercícios no domicílio promoveu uma melhoria na tolerância ao exercício e parece ter melhorado o equilíbrio, para a amostra em estudo.

Padrão de ativação de músculos do core abdominal e tilt pélvico no teste de extensão da anca, em indivíduos com e sem dor lombo- pélvica

Introdução: Os padrões de movimento podem sofrer alterações por atraso no timing de ativação e/ou modificações na sequência de recrutamento muscular, predispondo o indivíduo a disfunções, nomeadamente a dor lombo-pélvica. Objetivo: Investigar o timing e o padrão de ativação de músculos do core abdominal, durante o movimento de extensão da anca, do membro dominante, em indivíduos com e sem dor lombo- pélvica crónica inespecífica. Pretende-se, também, pesquisar a existência do padrão de ativação considerado “normal“ e verificar a relação entre o padrão de ativação e o tilt pélvico, em ambos os indivíduos. Métodos: Estudo transversal, com 64 estudantes universitários, divididos em dois grupos: 31 sem e 33 com dor lombo-pélvica. Através de eletromiografia de superfície foi recolhida a atividade muscular dos Eretores da Espinha ipsilateral e contralateral, Glúteo Máximo e Bicípite Femoral ipsilaterais. Foi analisado o timing de ativação muscular e as respetivas ordens de ativação. Adicionalmente foi medido o tilt pélvico. Resultados: O grupo com dor lombo-pélvica apresentou um atraso significativo no timing de ativação dos músculos Glúteo Máximo ipsilateral (t=-3,171;p=0,002) e Bicípite Femoral ipsilateral (t=-2,092;p=0,041), em comparação com o grupo sem dor. Verificou-se uma associação significativa entre as 5 ordens de ativação mais frequentes e a presença de dor lombo-pélvica (xf2=11,54;p=0,015). A ordem de ativação "normal" – Glúteo Máximo ipsilateral>Bicípite Femoral ipsilateral>Eretor da Espinha contralateral>Eretor da Espinha ipsilateral – não foi utilizada. Verificou-se que o Bicípite Femoral ipsilateral foi maioritariamente o primeiro a ativar-se e o Glúteo Máximo ipsilateral o último em ambos os grupos. Verificou-se um tilt pélvico significativamente superior nos indivíduos que ativam primeiro o Bicípite Femoral ipsilateral nos grupos com (U=51;p=0,001) e sem dor (U=41p=0,001). Conclusão: Os indivíduos com dor lombo-pélvica apresentaram um atraso no timing de ativação dos músculos do core abdominal. Os resultados parecem refutar a ordem de ativação "normal" que tem sido proposta. Não foi possível apoiar nem contestar a teoria de que um atraso na ativação do Glúteo Máximo está associado com dor lombo-pélvica.

Projecto, montagem e teste de uma unidade modular de detecção de radiação Geiger-Muller

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial

Structure to function studies in UDP-glucose dehydrogenases and nitroreductases

The thesis is divided into two parts corresponding to structural studies on two different proteins. The first part concerns the study of two UDP-glucose dehydrogenases (UGDs) from Sphingomonas elodea ATCC 31461 and Burkholderia cepacia IST 408, both involved in exopolysaccharide production. Their relevance arises because some of these bacterial exopolysaccharides are valuable as established biotechnological products, the former case, whilst others are highly problematic, when used by pathogens in biofilm formation over biological surfaces, as the latter case, namely in the human lungs. The goal of these studies is to increase our knowledge regarding UGDs structural properties, which can potentiate either the design of activity enhancers to respond to the increased demand of useful biofilms, or the design of inhibitors of biofilm production, in order to fight invading pathogens present in several infections. The thesis reports the production and crystallisation of both proteins, the determination of initial phases by single-wavelength anomalous dispersion (SAD) in S. elodea crystals using a seleno-methionine isoform, and phasing of B. cepacia crystals by molecular replacement (MR) using the S. elodea model, as well as the refinement, structural analysis and comparison between the several UGDs structures available during this work.(...)

The characteristic time of glucose diffusion measured for muscle tissue at optical clearing

The study of agent diffusion in biological tissues is very important to understand and characterize the optical clearing effects and mechanisms involved: tissue dehydration and refractive index matching. From measurements made to study the optical clearing, it is obvious that light scattering is reduced and that the optical properties of the tissue are controlled in the process. On the other hand, optical measurements do not allow direct determination of the diffusion properties of the agent in the tissue and some calculations are necessary to estimate those properties. This fact is imposed by the occurrence of two fluxes at optical clearing: water typically directed out of and agent directed into the tissue. When the water content in the immersion solution is approximately the same as the free water content of the tissue, a balance is established for water and the agent flux dominates. To prove this concept experimentally, we have measured the collimated transmittance of skeletal muscle samples under treatment with aqueous solutions containing different concentrations of glucose. After estimating the mean diffusion time values for each of the treatments we have represented those values as a function of glucose concentration in solution. Such a representation presents a maximum diffusion time for a water content in solution equal to the tissue free water content. Such a maximum represents the real diffusion time of glucose in the muscle and with this value we could calculate the corresponding diffusion coefficient.

Glucose-dependent insulinotropic polypeptide receptor deficiency leads to modifications of trabecular bone volume and quality in mice.

A role for the gastro-intestinal tract in controlling bone remodeling is suspected since serum levels of bone remodeling markers are affected rapidly after a meal. Glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP) represents a suitable candidate in mediating this effect. The aim of the present study was to investigate the effect of total inhibition of GIP signaling on trabecular bone volume, microarchitecture and quality. We used GIP receptor (GIPR) knockout mice and investigated trabecular bone volume and microarchitecture by microCT and histomorphometry. GIPR-deficient animals at 16 weeks of age presented with a significant (20%) increase in trabecular bone mass accompanied by an increase (17%) in trabecular number. In addition, the number of osteoclasts and bone formation rate was significantly reduced and augmented, respectively in these animals when compared with wild-type littermates. These modifications of trabecular bone microarchitecture are linked to a remodeling in the expression pattern of adipokines in the GIPR-deficient mice. On the other hand, despite significant enhancement in bone volume, intrinsic mechanical properties of the bone matrix was reduced as well as the distribution of bone mineral density and the ratio of mature/immature collagen cross-links. Taken together, these results indicate an increase in trabecular bone volume in GIPR KO animals associated with a reduction in bone quality.

Insulin secretion is regulated by the glucose-dependent production of islet beta cell macrophage migration inhibitory factor.

Macrophage migration inhibitory factor (MIF), originally identified as a cytokine secreted by T lymphocytes, was found recently to be both a pituitary hormone and a mediator released by immune cells in response to glucocorticoid stimulation. We report here that the insulin-secreting beta cell of the islets of Langerhans expresses MIF and that its production is regulated by glucose in a time- and concentration-dependent manner. MIF and insulin colocalize by immunocytochemistry within the secretory granules of the pancreatic islet beta cells, and once released, MIF appears to regulate insulin release in an autocrine fashion. In perifusion studies performed with isolated rat islets, immunoneutralization of MIF reduced the first and second phase of the glucose-induced insulin secretion response by 39% and 31%, respectively. Conversely, exogenously added recombinant MIF was found to potentiate insulin release. Constitutive expression of MIF antisense RNA in the insulin-secreting INS-1 cell line inhibited MIF protein synthesis and decreased significantly glucose-induced insulin release. MIF is therefore a glucose-dependent, islet cell product that regulates insulin secretion in a positive manner and may play an important role in carbohydrate metabolism.