903 resultados para Structural development
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Novel poly(phenylene sulphide) (PPS) nanocomposites reinforced with an aminated derivative (PPS-NH2) covalently attached to acid-treated single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) were prepared via simple melt-blending technique. Their morphology, viscoelastic behaviour, electrical conductivity, mechanical and tribological properties were investigated. Scanning electron microscopy revealed that the grafting process was effective in uniformly dispersing the SWCNTs within the matrix. The storage and loss moduli as a function of frequency increased with the SWCNT content, tending to a plateau in the low-frequency regime. The electrical conductivity of the nanocomposites was considerably enhanced in the range 0.1?0.5 wt% SWCNTs; electrical and rheological percolation thresholds occurred at similar nanotube concentrations. Mechanical tests demonstrated that with only 1.0 wt% SWCNTs the Young's modulus and tensile strength of the matrix improved by 51 and 37%, respectively, without decrement in toughness, ascribed to a very efficient load transfer. A moderate decrease in the friction coefficient and a 75% reduction in wear rate were found for the abovementioned nanotube loading, indicating that PPS-NH2-g-SWCNTs are good tribological additives for thermoplastic polymers. Based on the promising results obtained in this work, it is expected that these nanofillers will be used to develop high-performance thermoplastic/CNT nanocomposites for structural applications.
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The paths towards high efficiency multijunction solar cells operating inside real concentrators at ultra high concentration (>1000 suns) are described. The key addressed factors comprehend: 1) the development of an optimized tunnel junction with a high peak current density (240 A/cm2) to mitigate the non-uniform light profiles created by concentrators, 2) the inclusion of highly conductive semiconductor lateral layers to minimize the effects of the non-uniform light profiles in general, and the chromatic aberration in particular; and 3) an adequate design of reliability studies to test multijunction solar cells for real operation conditions in order to determine the fragile parts in the device and improve them. These challenges are faced by means of experimental and theoretical investigation using a quasi-3D distributed circuital model.
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La prevalencia de las alergias está aumentando desde mediados del siglo XX, y se estima que actualmente afectan a alrededor del 2-8 % de la población, pero las causas de este aumento aún no están claras. Encontrar el origen del mecanismo por el cual una proteína inofensiva se convierte en capaz de inducir una respuesta alérgica es de vital importancia para prevenir y tratar estas enfermedades. Aunque la caracterización de alérgenos relevantes ha ayudado a mejorar el manejo clínico y a aclarar los mecanismos básicos de las reacciones alérgicas, todavía queda un largo camino para establecer el origen de la alergenicidad y reactividad cruzada. El objetivo de esta tesis ha sido caracterizar las bases moleculares de la alergenicidad tomando como modelo dos familias de panalergenos (proteínas de transferencia de lípidos –LTPs- y taumatinas –TLPs-) y estudiando los mecanismos que median la sensibilización y la reactividad cruzada para mejorar tanto el diagnóstico como el tratamiento de la alergia. Para ello, se llevaron a cabo dos estrategias: estudiar la reactividad cruzada de miembros de familias de panalérgenos; y estudiar moléculas-co-adyuvantes que pudieran favorecer la capacidad alergénica de dichas proteínas. Para estudiar la reactividad cruzada entre miembros de la misma familia de proteínas, se seleccionaron LTPs y TLPs, descritas como alergenos, tomando como modelo la alergia a frutas. Por otra parte, se estudiaron los perfiles de sensibilización a alérgenos de trigo relacionados con el asma del panadero, la enfermedad ocupacional más relevante de origen alérgico. Estos estudios se llevaron a cabo estandarizando ensayos tipo microarrays con alérgenos y analizando los resultados por la teoría de grafos. En relación al estudiar moléculas-co-adyuvantes que pudieran favorecer la capacidad alergénica de dichas proteínas, se llevaron a cabo estudios sobre la interacción de los alérgenos alimentarios con células del sistema inmune humano y murino y el epitelio de las mucosas, analizando la importancia de moléculas co-transportadas con los alérgenos en el desarrollo de una respuesta Th2. Para ello, Pru p 3(LTP y alérgeno principal del melocotón) se selección como modelo para llevarlo a cabo. Por otra parte, se analizó el papel de moléculas activadoras del sistema inmune producidas por patógenos en la inducción de alergias alimentarias seleccionando el modelo kiwi-alternaria, y el papel de Alt a 1, alérgeno mayor de dicho hongo, en la sensibilización a Act d 2, alérgeno mayor de kiwi. En resumen, el presente trabajo presenta una investigación innovadora aportando resultados de gran utilidad tanto para la mejora del diagnóstico como para nuevas investigaciones sobre la alergia y el esclarecimiento final de los mecanismos que caracterizan esta enfermedad. ABSTRACT Allergies are increasing their prevalence from mid twentieth century, and they are currently estimated to affect around 2-8% of the population but the underlying causes of this increase remain still elusive. The understanding of the mechanism by which a harmless protein becomes capable of inducing an allergic response provides us the basis to prevent and treat these diseases. Although the characterization of relevant allergens has led to improved clinical management and has helped to clarify the basic mechanisms of allergic reactions, it seems justified in aspiring to molecularly dissecting these allergens to establish the structural basis of their allergenicity and cross-reactivity. The aim of this thesis was to characterize the molecular basis of the allergenicity of model proteins belonging to different families (Lipid Transfer Proteins –LTPs-, and Thaumatin-like Proteins –TLPs-) in order to identify mechanisms that mediate sensitization and cross reactivity for developing new strategies in the management of allergy, both diagnosis and treatment, in the near future. With this purpose, two strategies have been conducted: studies of cross-reactivity among panallergen families and molecular studies of the contribution of cofactors in the induction of the allergic response by these panallergens. Following the first strategy, we studied the cross-reactivity among members of two plant panallergens (LTPs , Lipid Transfer Proteins , and TLPs , Thaumatin-like Proteins) using the peach allergy as a model. Similarly, we characterized the sensitization profiles to wheat allergens in baker's asthma development, the most relevant occupational disease. These studies were performed using allergen microarrays and the graph theory for analyzing the results. Regarding the second approach, we analyzed the interaction of plant allergens with immune and epithelial cells. To perform these studies , we examined the importance of ligands and co-transported molecules of plant allergens in the development of Th2 responses. To this end, Pru p 3, nsLTP (non-specific Lipid Transfer Protein) and peach major allergen, was selected as a model to investigate its interaction with cells of the human and murine immune systems as well as with the intestinal epithelium and the contribution of its ligand in inducing an allergic response was studied. Moreover, we analyzed the role of pathogen associated molecules in the induction of food allergy. For that, we selected the kiwi- alternaria system as a model and the role of Alt a 1 , major allergen of the fungus, in the development of Act d 2-sensitization was studied. In summary, this work presents an innovative research providing useful results for improving diagnosis and leading to further research on allergy and the final clarification of the mechanisms that characterize this disease.
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An understanding of spatial patterns of plant species diversity and the factors that drive those patterns is critical for the development of appropriate biodiversity management in forest ecosystems. We studied the spatial organization of plants species in human- modified and managed oak forests (primarily, Quercus faginea) in the Central Pre- Pyrenees, Spain. To test whether plant community assemblages varied non-randomly across the spatial scales, we used multiplicative diversity partitioning based on a nested hierarchical design of three increasingly coarser spatial scales (transect, stand, region). To quantify the importance of the structural, spatial, and topographical characteristics of stands in patterning plant species assemblages and identify the determinants of plant diversity patterns, we used canonical ordination. We observed a high contribution of ˟-diversity to total -diversity and found ˟-diversity to be higher and ˞-diversity to be lower than expected by random distributions of individuals at different spatial scales. Results, however, partly depended on the weighting of rare and abundant species. Variables expressing the historical management intensities of the stand such as mean stand age, the abundance of the dominant tree species (Q. faginea), age structure of the stand, and stand size were the main factors that explained the compositional variation in plant communities. The results indicate that (1) the structural, spatial, and topographical characteristics of the forest stands have the greatest effect on diversity patterns, (2) forests in landscapes that have different land use histories are environmentally heterogeneous and, therefore, can experience high levels of compositional differentiation, even at local scales (e.g., within the same stand). Maintaining habitat heterogeneity at multiple spatial scales should be considered in the development of management plans for enhancing plant diversity and related functions in human-altered forests
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This paper presents a project for providing the students of Structural Engineering with the flexibility to learn outside classroom schedules. The goal is a framework for adaptive E-learning based on a repository of open educational courseware with a set of basic Structural Engineering concepts and fundamentals. These are paramount for students to expand their technical knowledge and skills in structural analysis and design of tall buildings, arch-type structures as well as bridges. Thus, concepts related to structural behaviour such as linearity, compatibility, stiffness and influence lines have traditionally been elusive for students. The objective is to facilitate the student a teachinglearning process to acquire the necessary intuitive knowledge, cognitive skills and the basis for further technological modules and professional development in this area. As a side effect, the system is expected to help the students improve their preparation for exams on the subject. In this project, a web-based open-source system for studying influence lines on continuous beams is presented. It encompasses a collection of interactive user-friendly applications accessible via Web, written in JavaScript under JQuery and Dygraph Libraries, taking advantage of their efficiency and graphic capabilities. It is performed in both Spanish and English languages. The student is enabled to set the geometric, topologic, boundary and mechanic layout of a continuous beam. While changing the loading and the support conditions, the changes in the beam response prompt on the screen, so that the effects of the several issues involved in structural analysis become apparent. This open interaction with the user allows the student to simulate and virtually infer the structural response. Different levels of complexity can be handled, whereas an ongoing help is at hand for any of them. Students can freely boost their experiential learning on this subject at their own pace, in order to further share, process, generalize and apply the relevant essential concepts of Structural Engineering analysis. Besides, this collection is being added to the "Virtual Lab of Continuum Mechanics" of the UPM, launched in 2013 (http://serviciosgate.upm.es/laboratoriosvirtuales/laboratorios/medios-continuos-en-construcci%C3%B3n)
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Esta Tesis tiene como objetivo principal el desarrollo de métodos de identificación del daño que sean robustos y fiables, enfocados a sistemas estructurales experimentales, fundamentalmente a las estructuras de hormigón armado reforzadas externamente con bandas fibras de polímeros reforzados (FRP). El modo de fallo de este tipo de sistema estructural es crítico, pues generalmente es debido a un despegue repentino y frágil de la banda del refuerzo FRP originado en grietas intermedias causadas por la flexión. La detección de este despegue en su fase inicial es fundamental para prevenir fallos futuros, que pueden ser catastróficos. Inicialmente, se lleva a cabo una revisión del método de la Impedancia Electro-Mecánica (EMI), de cara a exponer sus capacidades para la detección de daño. Una vez la tecnología apropiada es seleccionada, lo que incluye un analizador de impedancias así como novedosos sensores PZT para monitorización inteligente, se ha diseñado un procedimiento automático basado en los registros de impedancias de distintas estructuras de laboratorio. Basándonos en el hecho de que las mediciones de impedancias son posibles gracias a una colocación adecuada de una red de sensores PZT, la estimación de la presencia de daño se realiza analizando los resultados de distintos indicadores de daño obtenidos de la literatura. Para que este proceso sea automático y que no sean necesarios conocimientos previos sobre el método EMI para realizar un experimento, se ha diseñado e implementado un Interfaz Gráfico de Usuario, transformando la medición de impedancias en un proceso fácil e intuitivo. Se evalúa entonces el daño a través de los correspondientes índices de daño, intentando estimar no sólo su severidad, sino también su localización aproximada. El desarrollo de estos experimentos en cualquier estructura genera grandes cantidades de datos que han de ser procesados, y algunas veces los índices de daño no son suficientes para una evaluación completa de la integridad de una estructura. En la mayoría de los casos se pueden encontrar patrones de daño en los datos, pero no se tiene información a priori del estado de la estructura. En este punto, se ha hecho una importante investigación en técnicas de reconocimiento de patrones particularmente en aprendizaje no supervisado, encontrando aplicaciones interesantes en el campo de la medicina. De ahí surge una idea creativa e innovadora: detectar y seguir la evolución del daño en distintas estructuras como si se tratase de un cáncer propagándose por el cuerpo humano. En ese sentido, las lecturas de impedancias se emplean como información intrínseca de la salud de la propia estructura, de forma que se pueden aplicar las mismas técnicas que las empleadas en la investigación del cáncer. En este caso, se ha aplicado un algoritmo de clasificación jerárquica dado que ilustra además la clasificación de los datos de forma gráfica, incluyendo información cualitativa y cuantitativa sobre el daño. Se ha investigado la efectividad de este procedimiento a través de tres estructuras de laboratorio, como son una viga de aluminio, una unión atornillada de aluminio y un bloque de hormigón reforzado con FRP. La primera ayuda a mostrar la efectividad del método en sencillos escenarios de daño simple y múltiple, de forma que las conclusiones extraídas se aplican sobre los otros dos, diseñados para simular condiciones de despegue en distintas estructuras. Demostrada la efectividad del método de clasificación jerárquica de lecturas de impedancias, se aplica el procedimiento sobre las estructuras de hormigón armado reforzadas con bandas de FRP objeto de esta tesis, detectando y clasificando cada estado de daño. Finalmente, y como alternativa al anterior procedimiento, se propone un método para la monitorización continua de la interfase FRP-Hormigón, a través de una red de sensores FBG permanentemente instalados en dicha interfase. De esta forma, se obtienen medidas de deformación de la interfase en condiciones de carga continua, para ser implementadas en un modelo de optimización multiobjetivo, cuya solución se haya por medio de una expansión multiobjetivo del método Particle Swarm Optimization (PSO). La fiabilidad de este último método de detección se investiga a través de sendos ejemplos tanto numéricos como experimentales. ABSTRACT This thesis aims to develop robust and reliable damage identification methods focused on experimental structural systems, in particular Reinforced Concrete (RC) structures externally strengthened with Fiber Reinforced Polymers (FRP) strips. The failure mode of this type of structural system is critical, since it is usually due to sudden and brittle debonding of the FRP reinforcement originating from intermediate flexural cracks. Detection of the debonding in its initial stage is essential thus to prevent future failure, which might be catastrophic. Initially, a revision of the Electro-Mechanical Impedance (EMI) method is carried out, in order to expose its capabilities for local damage detection. Once the appropriate technology is selected, which includes impedance analyzer as well as novel PZT sensors for smart monitoring, an automated procedure has been design based on the impedance signatures of several lab-scale structures. On the basis that capturing impedance measurements is possible thanks to an adequately deployed PZT sensor network, the estimation of damage presence is done by analyzing the results of different damage indices obtained from the literature. In order to make this process automatic so that it is not necessary a priori knowledge of the EMI method to carry out an experimental test, a Graphical User Interface has been designed, turning the impedance measurements into an easy and intuitive procedure. Damage is then assessed through the analysis of the corresponding damage indices, trying to estimate not only the damage severity, but also its approximate location. The development of these tests on any kind of structure generates large amounts of data to be processed, and sometimes the information provided by damage indices is not enough to achieve a complete analysis of the structural health condition. In most of the cases, some damage patterns can be found in the data, but none a priori knowledge of the health condition is given for any structure. At this point, an important research on pattern recognition techniques has been carried out, particularly on unsupervised learning techniques, finding interesting applications in the medicine field. From this investigation, a creative and innovative idea arose: to detect and track the evolution of damage in different structures, as if it were a cancer propagating through a human body. In that sense, the impedance signatures are used to give intrinsic information of the health condition of the structure, so that the same clustering algorithms applied in the cancer research can be applied to the problem addressed in this dissertation. Hierarchical clustering is then applied since it also provides a graphical display of the clustered data, including quantitative and qualitative information about damage. The performance of this approach is firstly investigated using three lab-scale structures, such as a simple aluminium beam, a bolt-jointed aluminium beam and an FRP-strengthened concrete specimen. The first one shows the performance of the method on simple single and multiple damage scenarios, so that the first conclusions can be extracted and applied to the other two experimental tests, which are designed to simulate a debonding condition on different structures. Once the performance of the impedance-based hierarchical clustering method is proven to be successful, it is then applied to the structural system studied in this dissertation, the RC structures externally strengthened with FRP strips, where the debonding failure in the interface between the FRP and the concrete is successfully detected and classified, proving thus the feasibility of this method. Finally, as an alternative to the previous approach, a continuous monitoring procedure of the FRP-Concrete interface is proposed, based on an FBGsensors Network permanently deployed within that interface. In this way, strain measurements can be obtained under controlled loading conditions, and then they are used in order to implement a multi-objective model updating method solved by a multi-objective expansion of the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The feasibility of this last proposal is investigated and successfully proven on both numerical and experimental RC beams strengthened with FRP.
Resumo:
El control del estado en el que se encuentran las estructuras ha experimentado un gran auge desde hace varias décadas, debido a que los costes de rehabilitación de estructuras tales como los oleoductos, los puentes, los edificios y otras más son muy elevados. En las últimas dos décadas, se han desarrollado una gran cantidad de métodos que permiten identificar el estado real de una estructura, basándose en modelos físicos y datos de ensayos. El ensayo modal es el más común; mediante el análisis modal experimental de una estructura se pueden determinar parámetros como la frecuencia, los modos de vibración y la amortiguación y también la función de respuesta en frecuencia de la estructura. Mediante estos parámetros se pueden implementar diferentes indicadores de daño. Sin embargo, para estructuras complejas y grandes, la implementación de metodologías basadas en la función de respuesta en frecuencia requeriría realizar hipótesis sobre la fuerza utilizada para excitar la estructura. Dado que el análisis modal operacional utiliza solamente las señales de respuesta del sistema para extraer los parámetros dinámicos estructurales y, por tanto, para evaluar el estado de una estructura, el uso de la transmisibilidad sería posible. En este sentido, dentro del análisis modal operacional, la transmisibilidad ha concentrado mucha atención en el mundo científico en la última década. Aunque se han publicado muchos trabajos sobre el tema, en esta Tesis se proponen diferentes técnicas para evaluar el estado de una estructura basándose exclusivamente en la transmisibilidad. En primer lugar, se propone un indicador de daño basado en un nuevo parámetro, la coherencia de transmisibilidad; El indicador se ha valido mediante resultados numéricos y experimentales obtenidos sobre un pórtico de tres pisos. En segundo lugar, la distancia de Mahalanobis se aplica sobre la transmisibilidad como procedimiento para detectar variaciones estructurales provocadas por el daño. Este método se ha validado con éxito sobre una viga libre-libre ensayada experimentalmente. En tercer lugar, se ha implementado una red neuronal basada en medidas de transmisibilidad como metodología de predicción de daño sobre una viga simulada numéricamente. ABSTRACT Structural health monitoring has experienced a huge development from several decades ago since the cost of rehabilitation of structures such as oil pipes, bridges and tall buildings is very high. In the last two decades, a lot of methods able to identify the real stage of a structure have been developed basing on both models and experimental data. Modal testing is the most common; by carrying out the experimental modal analysis of a structure, some parameters, such as frequency, mode shapes and damping, as well as the frequency response function of the structure can be obtained. From these parameters, different damage indicators have been proposed. However, for complex and large structures, any frequency domain approach that relies on frequency response function estimation would be of difficult application since an assumption of the input excitations to the system should be carried out. Operational modal analysis uses only output signals to extract the structural dynamic parameters and, therefore, to identify the structural stage. In this sense, within operational modal analysis, transmissibility has attracted a lot of attention in the scientific field in the last decade. In this work new damage detection approaches based on transmissibility are developed. Firstly, a new theory of transmissibility coherence is developed and it is tested with a three-floor-structure both in simulation and in experimental data analysis; secondly, Mahalanobis distance is taken into use with the transmissibility, and a free-free beam is used to test the approach performance; thirdly, neural networks are used in transmissibility for structural health monitoring; a simulated beam is used to validate the proposed method.
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El control del estado en el que se encuentran las estructuras ha experimentado un gran auge desde hace varias décadas, debido a que los costes de rehabilitación de estructuras tales como los oleoductos, los puentes, los edificios y otras más son muy elevados. En las últimas dos décadas, se han desarrollado una gran cantidad de métodos que permiten identificar el estado real de una estructura, basándose en modelos físicos y datos de ensayos. El ensayo modal es el más común; mediante el análisis modal experimental de una estructura se pueden determinar parámetros como la frecuencia, los modos de vibración y la amortiguación y también la función de respuesta en frecuencia de la estructura. Mediante estos parámetros se pueden implementar diferentes indicadores de daño. Sin embargo, para estructuras complejas y grandes, la implementación de metodologías basadas en la función de respuesta en frecuencia requeriría realizar hipótesis sobre la fuerza utilizada para excitar la estructura. Dado que el análisis modal operacional utiliza solamente las señales de respuesta del sistema para extraer los parámetros dinámicos estructurales y, por tanto, para evaluar el estado de una estructura, el uso de la transmisibilidad sería posible. En este sentido, dentro del análisis modal operacional, la transmisibilidad ha concentrado mucha atención en el mundo científico en la última década. Aunque se han publicado muchos trabajos sobre el tema, en esta Tesis se proponen diferentes técnicas para evaluar el estado de una estructura basándose exclusivamente en la transmisibilidad. En primer lugar, se propone un indicador de daño basado en un nuevo parámetro, la coherencia de transmisibilidad; El indicador se ha valido mediante resultados numéricos y experimentales obtenidos sobre un pórtico de tres pisos. En segundo lugar, la distancia de Mahalanobis se aplica sobre la transmisibilidad como procedimiento para detectar variaciones estructurales provocadas por el daño. Este método se ha validado con éxito sobre una viga libre-libre ensayada experimentalmente. En tercer lugar, se ha implementado una red neuronal basada en medidas de transmisibilidad como metodología de predicción de daño sobre una viga simulada numéricamente. ABSTRACT Structural health monitoring has experienced a huge development from several decades ago since the cost of rehabilitation of structures such as oil pipes, bridges and tall buildings is very high. In the last two decades, a lot of methods able to identify the real stage of a structure have been developed basing on both models and experimental data. Modal testing is the most common; by carrying out the experimental modal analysis of a structure, some parameters, such as frequency, mode shapes and damping, as well as the frequency response function of the structure can be obtained. From these parameters, different damage indicators have been proposed. However, for complex and large structures, any frequency domain approach that relies on frequency response function estimation would be of difficult application since an assumption of the input excitations to the system should be carried out. Operational modal analysis uses only output signals to extract the structural dynamic parameters and, therefore, to identify the structural stage. In this sense, within operational modal analysis, transmissibility has attracted a lot of attention in the scientific field in the last decade. In this work new damage detection approaches based on transmissibility are developed. Firstly, a new theory of transmissibility coherence is developed and it is tested with a three-floor-structure both in simulation and in experimental data analysis; secondly, Mahalanobis distance is taken into use with the transmissibility, and a free-free beam is used to test the approach performance; thirdly, neural networks are used in transmissibility for structural health monitoring; a simulated beam is used to validate the proposed method.
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Los sistemas empotrados han sido concebidos tradicionalmente como sistemas de procesamiento específicos que realizan una tarea fija durante toda su vida útil. Para cumplir con requisitos estrictos de coste, tamaño y peso, el equipo de diseño debe optimizar su funcionamiento para condiciones muy específicas. Sin embargo, la demanda de mayor versatilidad, un funcionamiento más inteligente y, en definitiva, una mayor capacidad de procesamiento comenzaron a chocar con estas limitaciones, agravado por la incertidumbre asociada a entornos de operación cada vez más dinámicos donde comenzaban a ser desplegados progresivamente. Esto trajo como resultado una necesidad creciente de que los sistemas pudieran responder por si solos a eventos inesperados en tiempo diseño tales como: cambios en las características de los datos de entrada y el entorno del sistema en general; cambios en la propia plataforma de cómputo, por ejemplo debido a fallos o defectos de fabricación; y cambios en las propias especificaciones funcionales causados por unos objetivos del sistema dinámicos y cambiantes. Como consecuencia, la complejidad del sistema aumenta, pero a cambio se habilita progresivamente una capacidad de adaptación autónoma sin intervención humana a lo largo de la vida útil, permitiendo que tomen sus propias decisiones en tiempo de ejecución. Éstos sistemas se conocen, en general, como sistemas auto-adaptativos y tienen, entre otras características, las de auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación. Típicamente, la parte soft de un sistema es mayoritariamente la única utilizada para proporcionar algunas capacidades de adaptación a un sistema. Sin embargo, la proporción rendimiento/potencia en dispositivos software como microprocesadores en muchas ocasiones no es adecuada para sistemas empotrados. En este escenario, el aumento resultante en la complejidad de las aplicaciones está siendo abordado parcialmente mediante un aumento en la complejidad de los dispositivos en forma de multi/many-cores; pero desafortunadamente, esto hace que el consumo de potencia también aumente. Además, la mejora en metodologías de diseño no ha sido acorde como para poder utilizar toda la capacidad de cómputo disponible proporcionada por los núcleos. Por todo ello, no se están satisfaciendo adecuadamente las demandas de cómputo que imponen las nuevas aplicaciones. La solución tradicional para mejorar la proporción rendimiento/potencia ha sido el cambio a unas especificaciones hardware, principalmente usando ASICs. Sin embargo, los costes de un ASIC son altamente prohibitivos excepto en algunos casos de producción en masa y además la naturaleza estática de su estructura complica la solución a las necesidades de adaptación. Los avances en tecnologías de fabricación han hecho que la FPGA, una vez lenta y pequeña, usada como glue logic en sistemas mayores, haya crecido hasta convertirse en un dispositivo de cómputo reconfigurable de gran potencia, con una cantidad enorme de recursos lógicos computacionales y cores hardware empotrados de procesamiento de señal y de propósito general. Sus capacidades de reconfiguración han permitido combinar la flexibilidad propia del software con el rendimiento del procesamiento en hardware, lo que tiene la potencialidad de provocar un cambio de paradigma en arquitectura de computadores, pues el hardware no puede ya ser considerado más como estático. El motivo es que como en el caso de las FPGAs basadas en tecnología SRAM, la reconfiguración parcial dinámica (DPR, Dynamic Partial Reconfiguration) es posible. Esto significa que se puede modificar (reconfigurar) un subconjunto de los recursos computacionales en tiempo de ejecución mientras el resto permanecen activos. Además, este proceso de reconfiguración puede ser ejecutado internamente por el propio dispositivo. El avance tecnológico en dispositivos hardware reconfigurables se encuentra recogido bajo el campo conocido como Computación Reconfigurable (RC, Reconfigurable Computing). Uno de los campos de aplicación más exóticos y menos convencionales que ha posibilitado la computación reconfigurable es el conocido como Hardware Evolutivo (EHW, Evolvable Hardware), en el cual se encuentra enmarcada esta tesis. La idea principal del concepto consiste en convertir hardware que es adaptable a través de reconfiguración en una entidad evolutiva sujeta a las fuerzas de un proceso evolutivo inspirado en el de las especies biológicas naturales, que guía la dirección del cambio. Es una aplicación más del campo de la Computación Evolutiva (EC, Evolutionary Computation), que comprende una serie de algoritmos de optimización global conocidos como Algoritmos Evolutivos (EA, Evolutionary Algorithms), y que son considerados como algoritmos universales de resolución de problemas. En analogía al proceso biológico de la evolución, en el hardware evolutivo el sujeto de la evolución es una población de circuitos que intenta adaptarse a su entorno mediante una adecuación progresiva generación tras generación. Los individuos pasan a ser configuraciones de circuitos en forma de bitstreams caracterizados por descripciones de circuitos reconfigurables. Seleccionando aquellos que se comportan mejor, es decir, que tienen una mejor adecuación (o fitness) después de ser evaluados, y usándolos como padres de la siguiente generación, el algoritmo evolutivo crea una nueva población hija usando operadores genéticos como la mutación y la recombinación. Según se van sucediendo generaciones, se espera que la población en conjunto se aproxime a la solución óptima al problema de encontrar una configuración del circuito adecuada que satisfaga las especificaciones. El estado de la tecnología de reconfiguración después de que la familia de FPGAs XC6200 de Xilinx fuera retirada y reemplazada por las familias Virtex a finales de los 90, supuso un gran obstáculo para el avance en hardware evolutivo; formatos de bitstream cerrados (no conocidos públicamente); dependencia de herramientas del fabricante con soporte limitado de DPR; una velocidad de reconfiguración lenta; y el hecho de que modificaciones aleatorias del bitstream pudieran resultar peligrosas para la integridad del dispositivo, son algunas de estas razones. Sin embargo, una propuesta a principios de los años 2000 permitió mantener la investigación en el campo mientras la tecnología de DPR continuaba madurando, el Circuito Virtual Reconfigurable (VRC, Virtual Reconfigurable Circuit). En esencia, un VRC en una FPGA es una capa virtual que actúa como un circuito reconfigurable de aplicación específica sobre la estructura nativa de la FPGA que reduce la complejidad del proceso reconfiguración y aumenta su velocidad (comparada con la reconfiguración nativa). Es un array de nodos computacionales especificados usando descripciones HDL estándar que define recursos reconfigurables ad-hoc: multiplexores de rutado y un conjunto de elementos de procesamiento configurables, cada uno de los cuales tiene implementadas todas las funciones requeridas, que pueden seleccionarse a través de multiplexores tal y como ocurre en una ALU de un microprocesador. Un registro grande actúa como memoria de configuración, por lo que la reconfiguración del VRC es muy rápida ya que tan sólo implica la escritura de este registro, el cual controla las señales de selección del conjunto de multiplexores. Sin embargo, esta capa virtual provoca: un incremento de área debido a la implementación simultánea de cada función en cada nodo del array más los multiplexores y un aumento del retardo debido a los multiplexores, reduciendo la frecuencia de funcionamiento máxima. La naturaleza del hardware evolutivo, capaz de optimizar su propio comportamiento computacional, le convierten en un buen candidato para avanzar en la investigación sobre sistemas auto-adaptativos. Combinar un sustrato de cómputo auto-reconfigurable capaz de ser modificado dinámicamente en tiempo de ejecución con un algoritmo empotrado que proporcione una dirección de cambio, puede ayudar a satisfacer los requisitos de adaptación autónoma de sistemas empotrados basados en FPGA. La propuesta principal de esta tesis está por tanto dirigida a contribuir a la auto-adaptación del hardware de procesamiento de sistemas empotrados basados en FPGA mediante hardware evolutivo. Esto se ha abordado considerando que el comportamiento computacional de un sistema puede ser modificado cambiando cualquiera de sus dos partes constitutivas: una estructura hard subyacente y un conjunto de parámetros soft. De esta distinción, se derivan dos lineas de trabajo. Por un lado, auto-adaptación paramétrica, y por otro auto-adaptación estructural. El objetivo perseguido en el caso de la auto-adaptación paramétrica es la implementación de técnicas de optimización evolutiva complejas en sistemas empotrados con recursos limitados para la adaptación paramétrica online de circuitos de procesamiento de señal. La aplicación seleccionada como prueba de concepto es la optimización para tipos muy específicos de imágenes de los coeficientes de los filtros de transformadas wavelet discretas (DWT, DiscreteWavelet Transform), orientada a la compresión de imágenes. Por tanto, el objetivo requerido de la evolución es una compresión adaptativa y más eficiente comparada con los procedimientos estándar. El principal reto radica en reducir la necesidad de recursos de supercomputación para el proceso de optimización propuesto en trabajos previos, de modo que se adecúe para la ejecución en sistemas empotrados. En cuanto a la auto-adaptación estructural, el objetivo de la tesis es la implementación de circuitos auto-adaptativos en sistemas evolutivos basados en FPGA mediante un uso eficiente de sus capacidades de reconfiguración nativas. En este caso, la prueba de concepto es la evolución de tareas de procesamiento de imagen tales como el filtrado de tipos desconocidos y cambiantes de ruido y la detección de bordes en la imagen. En general, el objetivo es la evolución en tiempo de ejecución de tareas de procesamiento de imagen desconocidas en tiempo de diseño (dentro de un cierto grado de complejidad). En este caso, el objetivo de la propuesta es la incorporación de DPR en EHW para evolucionar la arquitectura de un array sistólico adaptable mediante reconfiguración cuya capacidad de evolución no había sido estudiada previamente. Para conseguir los dos objetivos mencionados, esta tesis propone originalmente una plataforma evolutiva que integra un motor de adaptación (AE, Adaptation Engine), un motor de reconfiguración (RE, Reconfiguration Engine) y un motor computacional (CE, Computing Engine) adaptable. El el caso de adaptación paramétrica, la plataforma propuesta está caracterizada por: • un CE caracterizado por un núcleo de procesamiento hardware de DWT adaptable mediante registros reconfigurables que contienen los coeficientes de los filtros wavelet • un algoritmo evolutivo como AE que busca filtros wavelet candidatos a través de un proceso de optimización paramétrica desarrollado específicamente para sistemas caracterizados por recursos de procesamiento limitados • un nuevo operador de mutación simplificado para el algoritmo evolutivo utilizado, que junto con un mecanismo de evaluación rápida de filtros wavelet candidatos derivado de la literatura actual, asegura la viabilidad de la búsqueda evolutiva asociada a la adaptación de wavelets. En el caso de adaptación estructural, la plataforma propuesta toma la forma de: • un CE basado en una plantilla de array sistólico reconfigurable de 2 dimensiones compuesto de nodos de procesamiento reconfigurables • un algoritmo evolutivo como AE que busca configuraciones candidatas del array usando un conjunto de funcionalidades de procesamiento para los nodos disponible en una biblioteca accesible en tiempo de ejecución • un RE hardware que explota la capacidad de reconfiguración nativa de las FPGAs haciendo un uso eficiente de los recursos reconfigurables del dispositivo para cambiar el comportamiento del CE en tiempo de ejecución • una biblioteca de elementos de procesamiento reconfigurables caracterizada por bitstreams parciales independientes de la posición, usados como el conjunto de configuraciones disponibles para los nodos de procesamiento del array Las contribuciones principales de esta tesis se pueden resumir en la siguiente lista: • Una plataforma evolutiva basada en FPGA para la auto-adaptación paramétrica y estructural de sistemas empotrados compuesta por un motor computacional (CE), un motor de adaptación (AE) evolutivo y un motor de reconfiguración (RE). Esta plataforma se ha desarrollado y particularizado para los casos de auto-adaptación paramétrica y estructural. • En cuanto a la auto-adaptación paramétrica, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante registros que permite la adaptación paramétrica de los coeficientes de una implementación hardware adaptativa de un núcleo de DWT. – Un motor de adaptación basado en un algoritmo evolutivo desarrollado específicamente para optimización numérica, aplicada a los coeficientes de filtros wavelet en sistemas empotrados con recursos limitados. – Un núcleo IP de DWT auto-adaptativo en tiempo de ejecución para sistemas empotrados que permite la optimización online del rendimiento de la transformada para compresión de imágenes en entornos específicos de despliegue, caracterizados por tipos diferentes de señal de entrada. – Un modelo software y una implementación hardware de una herramienta para la construcción evolutiva automática de transformadas wavelet específicas. • Por último, en cuanto a la auto-adaptación estructural, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante reconfiguración nativa de FPGAs caracterizado por una plantilla de array sistólico en dos dimensiones de nodos de procesamiento reconfigurables. Es posible mapear diferentes tareas de cómputo en el array usando una biblioteca de elementos sencillos de procesamiento reconfigurables. – Definición de una biblioteca de elementos de procesamiento apropiada para la síntesis autónoma en tiempo de ejecución de diferentes tareas de procesamiento de imagen. – Incorporación eficiente de la reconfiguración parcial dinámica (DPR) en sistemas de hardware evolutivo, superando los principales inconvenientes de propuestas previas como los circuitos reconfigurables virtuales (VRCs). En este trabajo también se comparan originalmente los detalles de implementación de ambas propuestas. – Una plataforma tolerante a fallos, auto-curativa, que permite la recuperación funcional online en entornos peligrosos. La plataforma ha sido caracterizada desde una perspectiva de tolerancia a fallos: se proponen modelos de fallo a nivel de CLB y de elemento de procesamiento, y usando el motor de reconfiguración, se hace un análisis sistemático de fallos para un fallo en cada elemento de procesamiento y para dos fallos acumulados. – Una plataforma con calidad de filtrado dinámica que permite la adaptación online a tipos de ruido diferentes y diferentes comportamientos computacionales teniendo en cuenta los recursos de procesamiento disponibles. Por un lado, se evolucionan filtros con comportamientos no destructivos, que permiten esquemas de filtrado en cascada escalables; y por otro, también se evolucionan filtros escalables teniendo en cuenta requisitos computacionales de filtrado cambiantes dinámicamente. Este documento está organizado en cuatro partes y nueve capítulos. La primera parte contiene el capítulo 1, una introducción y motivación sobre este trabajo de tesis. A continuación, el marco de referencia en el que se enmarca esta tesis se analiza en la segunda parte: el capítulo 2 contiene una introducción a los conceptos de auto-adaptación y computación autonómica (autonomic computing) como un campo de investigación más general que el muy específico de este trabajo; el capítulo 3 introduce la computación evolutiva como la técnica para dirigir la adaptación; el capítulo 4 analiza las plataformas de computación reconfigurables como la tecnología para albergar hardware auto-adaptativo; y finalmente, el capítulo 5 define, clasifica y hace un sondeo del campo del hardware evolutivo. Seguidamente, la tercera parte de este trabajo contiene la propuesta, desarrollo y resultados obtenidos: mientras que el capítulo 6 contiene una declaración de los objetivos de la tesis y la descripción de la propuesta en su conjunto, los capítulos 7 y 8 abordan la auto-adaptación paramétrica y estructural, respectivamente. Finalmente, el capítulo 9 de la parte 4 concluye el trabajo y describe caminos de investigación futuros. ABSTRACT Embedded systems have traditionally been conceived to be specific-purpose computers with one, fixed computational task for their whole lifetime. Stringent requirements in terms of cost, size and weight forced designers to highly optimise their operation for very specific conditions. However, demands for versatility, more intelligent behaviour and, in summary, an increased computing capability began to clash with these limitations, intensified by the uncertainty associated to the more dynamic operating environments where they were progressively being deployed. This brought as a result an increasing need for systems to respond by themselves to unexpected events at design time, such as: changes in input data characteristics and system environment in general; changes in the computing platform itself, e.g., due to faults and fabrication defects; and changes in functional specifications caused by dynamically changing system objectives. As a consequence, systems complexity is increasing, but in turn, autonomous lifetime adaptation without human intervention is being progressively enabled, allowing them to take their own decisions at run-time. This type of systems is known, in general, as selfadaptive, and are able, among others, of self-configuration, self-optimisation and self-repair. Traditionally, the soft part of a system has mostly been so far the only place to provide systems with some degree of adaptation capabilities. However, the performance to power ratios of software driven devices like microprocessors are not adequate for embedded systems in many situations. In this scenario, the resulting rise in applications complexity is being partly addressed by rising devices complexity in the form of multi and many core devices; but sadly, this keeps on increasing power consumption. Besides, design methodologies have not been improved accordingly to completely leverage the available computational power from all these cores. Altogether, these factors make that the computing demands new applications pose are not being wholly satisfied. The traditional solution to improve performance to power ratios has been the switch to hardware driven specifications, mainly using ASICs. However, their costs are highly prohibitive except for some mass production cases and besidesthe static nature of its structure complicates the solution to the adaptation needs. The advancements in fabrication technologies have made that the once slow, small FPGA used as glue logic in bigger systems, had grown to be a very powerful, reconfigurable computing device with a vast amount of computational logic resources and embedded, hardened signal and general purpose processing cores. Its reconfiguration capabilities have enabled software-like flexibility to be combined with hardware-like computing performance, which has the potential to cause a paradigm shift in computer architecture since hardware cannot be considered as static anymore. This is so, since, as is the case with SRAMbased FPGAs, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is possible. This means that subsets of the FPGA computational resources can now be changed (reconfigured) at run-time while the rest remains active. Besides, this reconfiguration process can be triggered internally by the device itself. This technological boost in reconfigurable hardware devices is actually covered under the field known as Reconfigurable Computing. One of the most exotic fields of application that Reconfigurable Computing has enabled is the known as Evolvable Hardware (EHW), in which this dissertation is framed. The main idea behind the concept is turning hardware that is adaptable through reconfiguration into an evolvable entity subject to the forces of an evolutionary process, inspired by that of natural, biological species, that guides the direction of change. It is yet another application of the field of Evolutionary Computation (EC), which comprises a set of global optimisation algorithms known as Evolutionary Algorithms (EAs), considered as universal problem solvers. In analogy to the biological process of evolution, in EHW the subject of evolution is a population of circuits that tries to get adapted to its surrounding environment by progressively getting better fitted to it generation after generation. Individuals become circuit configurations representing bitstreams that feature reconfigurable circuit descriptions. By selecting those that behave better, i.e., with a higher fitness value after being evaluated, and using them as parents of the following generation, the EA creates a new offspring population by using so called genetic operators like mutation and recombination. As generations succeed one another, the whole population is expected to approach to the optimum solution to the problem of finding an adequate circuit configuration that fulfils system objectives. The state of reconfiguration technology after Xilinx XC6200 FPGA family was discontinued and replaced by Virtex families in the late 90s, was a major obstacle for advancements in EHW; closed (non publicly known) bitstream formats; dependence on manufacturer tools with highly limiting support of DPR; slow speed of reconfiguration; and random bitstream modifications being potentially hazardous for device integrity, are some of these reasons. However, a proposal in the first 2000s allowed to keep investigating in this field while DPR technology kept maturing, the Virtual Reconfigurable Circuit (VRC). In essence, a VRC in an FPGA is a virtual layer acting as an application specific reconfigurable circuit on top of an FPGA fabric that reduces the complexity of the reconfiguration process and increases its speed (compared to native reconfiguration). It is an array of computational nodes specified using standard HDL descriptions that define ad-hoc reconfigurable resources; routing multiplexers and a set of configurable processing elements, each one containing all the required functions, which are selectable through functionality multiplexers as in microprocessor ALUs. A large register acts as configuration memory, so VRC reconfiguration is very fast given it only involves writing this register, which drives the selection signals of the set of multiplexers. However, large overheads are introduced by this virtual layer; an area overhead due to the simultaneous implementation of every function in every node of the array plus the multiplexers, and a delay overhead due to the multiplexers, which also reduces maximum frequency of operation. The very nature of Evolvable Hardware, able to optimise its own computational behaviour, makes it a good candidate to advance research in self-adaptive systems. Combining a selfreconfigurable computing substrate able to be dynamically changed at run-time with an embedded algorithm that provides a direction for change, can help fulfilling requirements for autonomous lifetime adaptation of FPGA-based embedded systems. The main proposal of this thesis is hence directed to contribute to autonomous self-adaptation of the underlying computational hardware of FPGA-based embedded systems by means of Evolvable Hardware. This is tackled by considering that the computational behaviour of a system can be modified by changing any of its two constituent parts: an underlying hard structure and a set of soft parameters. Two main lines of work derive from this distinction. On one side, parametric self-adaptation and, on the other side, structural self-adaptation. The goal pursued in the case of parametric self-adaptation is the implementation of complex evolutionary optimisation techniques in resource constrained embedded systems for online parameter adaptation of signal processing circuits. The application selected as proof of concept is the optimisation of Discrete Wavelet Transforms (DWT) filters coefficients for very specific types of images, oriented to image compression. Hence, adaptive and improved compression efficiency, as compared to standard techniques, is the required goal of evolution. The main quest lies in reducing the supercomputing resources reported in previous works for the optimisation process in order to make it suitable for embedded systems. Regarding structural self-adaptation, the thesis goal is the implementation of self-adaptive circuits in FPGA-based evolvable systems through an efficient use of native reconfiguration capabilities. In this case, evolution of image processing tasks such as filtering of unknown and changing types of noise and edge detection are the selected proofs of concept. In general, evolving unknown image processing behaviours (within a certain complexity range) at design time is the required goal. In this case, the mission of the proposal is the incorporation of DPR in EHW to evolve a systolic array architecture adaptable through reconfiguration whose evolvability had not been previously checked. In order to achieve the two stated goals, this thesis originally proposes an evolvable platform that integrates an Adaptation Engine (AE), a Reconfiguration Engine (RE) and an adaptable Computing Engine (CE). In the case of parametric adaptation, the proposed platform is characterised by: • a CE featuring a DWT hardware processing core adaptable through reconfigurable registers that holds wavelet filters coefficients • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate wavelet filters through a parametric optimisation process specifically developed for systems featured by scarce computing resources • a new, simplified mutation operator for the selected EA, that together with a fast evaluation mechanism of candidate wavelet filters derived from existing literature, assures the feasibility of the evolutionary search involved in wavelets adaptation In the case of structural adaptation, the platform proposal takes the form of: • a CE based on a reconfigurable 2D systolic array template composed of reconfigurable processing nodes • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate configurations of the array using a set of computational functionalities for the nodes available in a run time accessible library • a hardware RE that exploits native DPR capabilities of FPGAs and makes an efficient use of the available reconfigurable resources of the device to change the behaviour of the CE at run time • a library of reconfigurable processing elements featured by position-independent partial bitstreams used as the set of available configurations for the processing nodes of the array Main contributions of this thesis can be summarised in the following list. • An FPGA-based evolvable platform for parametric and structural self-adaptation of embedded systems composed of a Computing Engine, an evolutionary Adaptation Engine and a Reconfiguration Engine. This platform is further developed and tailored for both parametric and structural self-adaptation. • Regarding parametric self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through reconfigurable registers that enables parametric adaptation of the coefficients of an adaptive hardware implementation of a DWT core. – An AE based on an Evolutionary Algorithm specifically developed for numerical optimisation applied to wavelet filter coefficients in resource constrained embedded systems. – A run-time self-adaptive DWT IP core for embedded systems that allows for online optimisation of transform performance for image compression for specific deployment environments characterised by different types of input signals. – A software model and hardware implementation of a tool for the automatic, evolutionary construction of custom wavelet transforms. • Lastly, regarding structural self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through native FPGA fabric reconfiguration featured by a two dimensional systolic array template of reconfigurable processing nodes. Different processing behaviours can be automatically mapped in the array by using a library of simple reconfigurable processing elements. – Definition of a library of such processing elements suited for autonomous runtime synthesis of different image processing tasks. – Efficient incorporation of DPR in EHW systems, overcoming main drawbacks from the previous approach of virtual reconfigurable circuits. Implementation details for both approaches are also originally compared in this work. – A fault tolerant, self-healing platform that enables online functional recovery in hazardous environments. The platform has been characterised from a fault tolerance perspective: fault models at FPGA CLB level and processing elements level are proposed, and using the RE, a systematic fault analysis for one fault in every processing element and for two accumulated faults is done. – A dynamic filtering quality platform that permits on-line adaptation to different types of noise and different computing behaviours considering the available computing resources. On one side, non-destructive filters are evolved, enabling scalable cascaded filtering schemes; and on the other, size-scalable filters are also evolved considering dynamically changing computational filtering requirements. This dissertation is organized in four parts and nine chapters. First part contains chapter 1, the introduction to and motivation of this PhD work. Following, the reference framework in which this dissertation is framed is analysed in the second part: chapter 2 features an introduction to the notions of self-adaptation and autonomic computing as a more general research field to the very specific one of this work; chapter 3 introduces evolutionary computation as the technique to drive adaptation; chapter 4 analyses platforms for reconfigurable computing as the technology to hold self-adaptive hardware; and finally chapter 5 defines, classifies and surveys the field of Evolvable Hardware. Third part of the work follows, which contains the proposal, development and results obtained: while chapter 6 contains an statement of the thesis goals and the description of the proposal as a whole, chapters 7 and 8 address parametric and structural self-adaptation, respectively. Finally, chapter 9 in part 4 concludes the work and describes future research paths.
Resumo:
El daño cerebral adquirido (DCA) es un problema social y sanitario grave, de magnitud creciente y de una gran complejidad diagnóstica y terapéutica. Su elevada incidencia, junto con el aumento de la supervivencia de los pacientes, una vez superada la fase aguda, lo convierten también en un problema de alta prevalencia. En concreto, según la Organización Mundial de la Salud (OMS) el DCA estará entre las 10 causas más comunes de discapacidad en el año 2020. La neurorrehabilitación permite mejorar el déficit tanto cognitivo como funcional y aumentar la autonomía de las personas con DCA. Con la incorporación de nuevas soluciones tecnológicas al proceso de neurorrehabilitación se pretende alcanzar un nuevo paradigma donde se puedan diseñar tratamientos que sean intensivos, personalizados, monitorizados y basados en la evidencia. Ya que son estas cuatro características las que aseguran que los tratamientos son eficaces. A diferencia de la mayor parte de las disciplinas médicas, no existen asociaciones de síntomas y signos de la alteración cognitiva que faciliten la orientación terapéutica. Actualmente, los tratamientos de neurorrehabilitación se diseñan en base a los resultados obtenidos en una batería de evaluación neuropsicológica que evalúa el nivel de afectación de cada una de las funciones cognitivas (memoria, atención, funciones ejecutivas, etc.). La línea de investigación en la que se enmarca este trabajo de investigación pretende diseñar y desarrollar un perfil cognitivo basado no sólo en el resultado obtenido en esa batería de test, sino también en información teórica que engloba tanto estructuras anatómicas como relaciones funcionales e información anatómica obtenida de los estudios de imagen. De esta forma, el perfil cognitivo utilizado para diseñar los tratamientos integra información personalizada y basada en la evidencia. Las técnicas de neuroimagen representan una herramienta fundamental en la identificación de lesiones para la generación de estos perfiles cognitivos. La aproximación clásica utilizada en la identificación de lesiones consiste en delinear manualmente regiones anatómicas cerebrales. Esta aproximación presenta diversos problemas relacionados con inconsistencias de criterio entre distintos clínicos, reproducibilidad y tiempo. Por tanto, la automatización de este procedimiento es fundamental para asegurar una extracción objetiva de información. La delineación automática de regiones anatómicas se realiza mediante el registro tanto contra atlas como contra otros estudios de imagen de distintos sujetos. Sin embargo, los cambios patológicos asociados al DCA están siempre asociados a anormalidades de intensidad y/o cambios en la localización de las estructuras. Este hecho provoca que los algoritmos de registro tradicionales basados en intensidad no funcionen correctamente y requieran la intervención del clínico para seleccionar ciertos puntos (que en esta tesis hemos denominado puntos singulares). Además estos algoritmos tampoco permiten que se produzcan deformaciones grandes deslocalizadas. Hecho que también puede ocurrir ante la presencia de lesiones provocadas por un accidente cerebrovascular (ACV) o un traumatismo craneoencefálico (TCE). Esta tesis se centra en el diseño, desarrollo e implementación de una metodología para la detección automática de estructuras lesionadas que integra algoritmos cuyo objetivo principal es generar resultados que puedan ser reproducibles y objetivos. Esta metodología se divide en cuatro etapas: pre-procesado, identificación de puntos singulares, registro y detección de lesiones. Los trabajos y resultados alcanzados en esta tesis son los siguientes: Pre-procesado. En esta primera etapa el objetivo es homogeneizar todos los datos de entrada con el objetivo de poder extraer conclusiones válidas de los resultados obtenidos. Esta etapa, por tanto, tiene un gran impacto en los resultados finales. Se compone de tres operaciones: eliminación del cráneo, normalización en intensidad y normalización espacial. Identificación de puntos singulares. El objetivo de esta etapa es automatizar la identificación de puntos anatómicos (puntos singulares). Esta etapa equivale a la identificación manual de puntos anatómicos por parte del clínico, permitiendo: identificar un mayor número de puntos lo que se traduce en mayor información; eliminar el factor asociado a la variabilidad inter-sujeto, por tanto, los resultados son reproducibles y objetivos; y elimina el tiempo invertido en el marcado manual de puntos. Este trabajo de investigación propone un algoritmo de identificación de puntos singulares (descriptor) basado en una solución multi-detector y que contiene información multi-paramétrica: espacial y asociada a la intensidad. Este algoritmo ha sido contrastado con otros algoritmos similares encontrados en el estado del arte. Registro. En esta etapa se pretenden poner en concordancia espacial dos estudios de imagen de sujetos/pacientes distintos. El algoritmo propuesto en este trabajo de investigación está basado en descriptores y su principal objetivo es el cálculo de un campo vectorial que permita introducir deformaciones deslocalizadas en la imagen (en distintas regiones de la imagen) y tan grandes como indique el vector de deformación asociado. El algoritmo propuesto ha sido comparado con otros algoritmos de registro utilizados en aplicaciones de neuroimagen que se utilizan con estudios de sujetos control. Los resultados obtenidos son prometedores y representan un nuevo contexto para la identificación automática de estructuras. Identificación de lesiones. En esta última etapa se identifican aquellas estructuras cuyas características asociadas a la localización espacial y al área o volumen han sido modificadas con respecto a una situación de normalidad. Para ello se realiza un estudio estadístico del atlas que se vaya a utilizar y se establecen los parámetros estadísticos de normalidad asociados a la localización y al área. En función de las estructuras delineadas en el atlas, se podrán identificar más o menos estructuras anatómicas, siendo nuestra metodología independiente del atlas seleccionado. En general, esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas relativas a la identificación automática de lesiones utilizando estudios de imagen médica estructural, concretamente estudios de resonancia magnética. Basándose en estos cimientos, se han abrir nuevos campos de investigación que contribuyan a la mejora en la detección de lesiones. ABSTRACT Brain injury constitutes a serious social and health problem of increasing magnitude and of great diagnostic and therapeutic complexity. Its high incidence and survival rate, after the initial critical phases, makes it a prevalent problem that needs to be addressed. In particular, according to the World Health Organization (WHO), brain injury will be among the 10 most common causes of disability by 2020. Neurorehabilitation improves both cognitive and functional deficits and increases the autonomy of brain injury patients. The incorporation of new technologies to the neurorehabilitation tries to reach a new paradigm focused on designing intensive, personalized, monitored and evidence-based treatments. Since these four characteristics ensure the effectivity of treatments. Contrary to most medical disciplines, it is not possible to link symptoms and cognitive disorder syndromes, to assist the therapist. Currently, neurorehabilitation treatments are planned considering the results obtained from a neuropsychological assessment battery, which evaluates the functional impairment of each cognitive function (memory, attention, executive functions, etc.). The research line, on which this PhD falls under, aims to design and develop a cognitive profile based not only on the results obtained in the assessment battery, but also on theoretical information that includes both anatomical structures and functional relationships and anatomical information obtained from medical imaging studies, such as magnetic resonance. Therefore, the cognitive profile used to design these treatments integrates information personalized and evidence-based. Neuroimaging techniques represent an essential tool to identify lesions and generate this type of cognitive dysfunctional profiles. Manual delineation of brain anatomical regions is the classical approach to identify brain anatomical regions. Manual approaches present several problems related to inconsistencies across different clinicians, time and repeatability. Automated delineation is done by registering brains to one another or to a template. However, when imaging studies contain lesions, there are several intensity abnormalities and location alterations that reduce the performance of most of the registration algorithms based on intensity parameters. Thus, specialists may have to manually interact with imaging studies to select landmarks (called singular points in this PhD) or identify regions of interest. These two solutions have the same inconvenient than manual approaches, mentioned before. Moreover, these registration algorithms do not allow large and distributed deformations. This type of deformations may also appear when a stroke or a traumatic brain injury (TBI) occur. This PhD is focused on the design, development and implementation of a new methodology to automatically identify lesions in anatomical structures. This methodology integrates algorithms whose main objective is to generate objective and reproducible results. It is divided into four stages: pre-processing, singular points identification, registration and lesion detection. Pre-processing stage. In this first stage, the aim is to standardize all input data in order to be able to draw valid conclusions from the results. Therefore, this stage has a direct impact on the final results. It consists of three steps: skull-stripping, spatial and intensity normalization. Singular points identification. This stage aims to automatize the identification of anatomical points (singular points). It involves the manual identification of anatomical points by the clinician. This automatic identification allows to identify a greater number of points which results in more information; to remove the factor associated to inter-subject variability and thus, the results are reproducible and objective; and to eliminate the time spent on manual marking. This PhD proposed an algorithm to automatically identify singular points (descriptor) based on a multi-detector approach. This algorithm contains multi-parametric (spatial and intensity) information. This algorithm has been compared with other similar algorithms found on the state of the art. Registration. The goal of this stage is to put in spatial correspondence two imaging studies of different subjects/patients. The algorithm proposed in this PhD is based on descriptors. Its main objective is to compute a vector field to introduce distributed deformations (changes in different imaging regions), as large as the deformation vector indicates. The proposed algorithm has been compared with other registration algorithms used on different neuroimaging applications which are used with control subjects. The obtained results are promising and they represent a new context for the automatic identification of anatomical structures. Lesion identification. This final stage aims to identify those anatomical structures whose characteristics associated to spatial location and area or volume has been modified with respect to a normal state. A statistical study of the atlas to be used is performed to establish which are the statistical parameters associated to the normal state. The anatomical structures that may be identified depend on the selected anatomical structures identified on the atlas. The proposed methodology is independent from the selected atlas. Overall, this PhD corroborates the investigated research hypotheses regarding the automatic identification of lesions based on structural medical imaging studies (resonance magnetic studies). Based on these foundations, new research fields to improve the automatic identification of lesions in brain injury can be proposed.
Resumo:
Nonobese diabetic (NOD) mice develop insulin-dependent diabetes mellitus due to autoimmune T lymphocyte-mediated destruction of pancreatic β cells. Although both major histocompatibility complex class I-restricted CD8+ and class II-restricted CD4+ T cell subsets are required, the specific role each subset plays in the pathogenic process is still unclear. Here we show that class I-dependent T cells are required for all but the terminal stages of autoimmune diabetes development. To characterize the diabetogenic CD8+ T cells responsible, we isolated and propagated in vitro CD8+ T cells from the earliest insulitic lesions of NOD mice. They were cytotoxic to NOD islet cells, restricted to H-2Kd, and showed a diverse T cell receptor β chain repertoire. In contrast, their α chain repertoire was more restricted, with a recurrent amino acid sequence motif in the complementarity-determining region 3 loop and a prevalence of Vα17 family members frequently joined to the Jα42 gene segment. These results suggest that a number of the CD8+ T cells participating in the initial phase of autoimmune β cell destruction recognize a common structural component of Kd/peptide complexes on pancreatic β cells, possibly a single peptide.
Resumo:
The Candida albicans genes, CST20 and HST7, were cloned by their ability to suppress the mating defects of Saccharomyces cerevisiae mutants in the ste20 and ste7 genes, which code for elements of the mating mitogen-activated protein (MAP) kinase pathway. These Candida genes are both structural and functional homologs of the cognate Saccharomyces genes. The pattern of suppression in Saccharomyces is related to their presumptive position in the MAP kinase cascade. Null alleles of these genes were constructed in Candida. The Candida homozygous null mutants are defective in hyphal formation on some media, but are still induced to form hyphae by serum, showing that serum induction of hyphae is independent of the MAP kinase cascade. The Candida heterozygotes CST20/cst20 and HST7/hst7 are also defective in hyphal formation. This lack of dominance of the wild-type allele suggests that gene dosage is important in Candida.
Resumo:
We used targeted gene disruption in mice to ablate nonmuscle myosin heavy chain B (NMHC-B), one of the two isoforms of nonmuscle myosin II present in all vertebrate cells. Approximately 65% of the NMHC-B−/− embryos died prior to birth, and those that were born suffered from congestive heart failure and died during the first day. No abnormalities were detected in NMHC-B+/− mice. The absence of NMHC-B resulted in a significant increase in the transverse diameters of the cardiac myocytes from 7.8 ± 1.8 μm (right ventricle) and 7.8 ± 1.3 μm (left ventricle) in NMHC-B+/+ and B+/− mice to 14.7 ± 1.1 μm and 13.8 ± 2.3 μm, respectively, in NMHC-B−/− mice (in both cases, P < 0.001). The increase in size of the cardiac myocytes was seen as early as embryonic day 12.5 (4.5 ± 0.2 μm for NMHC-B+/+ and B+/− vs. 7.2 ± 0.6 μm for NMHC-B−/− mice (P < 0.01)). Six of seven NMHC-B−/− newborn mice analyzed by serial sectioning also showed structural cardiac defects, including a ventricular septal defect, an aortic root that either straddled the defect or originated from the right ventricle, and muscular obstruction to right ventricular outflow. Some of the hearts of NMHC-B−/− mice showed evidence for up-regulation of NMHC-A protein. These studies suggest that nonmuscle myosin II-B is required for normal cardiac myocyte development and that its absence results in structural defects resembling, in part, two common human congenital heart diseases, tetralogy of Fallot and double outlet right ventricle.
Resumo:
Childhood exposure to low-level lead can permanently reduce intelligence, but the neurobiologic mechanism for this effect is unknown. We examined the impact of lead exposure on the development of cortical columns, using the rodent barrel field as a model. In all areas of mammalian neocortex, cortical columns constitute a fundamental structural unit subserving information processing. Barrel field cortex contains columnar processing units with distinct clusters of layer IV neurons that receive sensory input from individual whiskers. In this study, rat pups were exposed to 0, 0.2, 1, 1.5, or 2 g/liter lead acetate in their dam's drinking water from birth through postnatal day 10. This treatment, which coincides with the development of segregated columns in the barrel field, produced blood lead concentrations from 1 to 31 μg/dl. On postnatal day 10, the area of the barrel field and of individual barrels was measured. A dose-related reduction in barrel field area was observed (Pearson correlation = −0.740; P < 0.001); mean barrel field area in the highest exposure group was decreased 12% versus controls. Individual barrels in the physiologically more active caudoventral group were affected preferentially. Total cortical area measured in the same sections was not altered significantly by lead exposure. These data support the hypothesis that lead exposure may impair the development of columnar processing units in immature neocortex. We demonstrate that low levels of blood lead, in the range seen in many impoverished inner-city children, cause structural alterations in a neocortical somatosensory map.
Resumo:
PAS domains are found in diverse proteins throughout all three kingdoms of life, where they apparently function in sensing and signal transduction. Although a wealth of useful sequence and functional information has become recently available, these data have not been integrated into a three-dimensional (3D) framework. The very early evolutionary development and diverse functions of PAS domains have made sequence analysis and modeling of this protein superfamily challenging. Limited sequence similarities between the ∼50-residue PAS repeats and one region of the bacterial blue-light photosensor photoactive yellow protein (PYP), for which ground-state and light-activated crystallographic structures have been determined to high resolution, originally were identified in sequence searches using consensus sequence probes from PAS-containing proteins. Here, we found that by changing a few residues particular to PYP function, the modified PYP sequence probe also could select PAS protein sequences. By mapping a typical ∼150-residue PAS domain sequence onto the entire crystallographic structure of PYP, we show that the PAS sequence similarities and differences are consistent with a shared 3D fold (the PAS/PYP module) with obvious potential for a ligand-binding cavity. Thus, PYP appears to prototypically exhibit all the major structural and functional features characteristic of the PAS domain superfamily: the shared PAS/PYP modular domain fold of ∼125–150 residues, a sensor function often linked to ligand or cofactor (chromophore) binding, and signal transduction capability governed by heterodimeric assembly (to the downstream partner of PYP). This 3D PAS/PYP module provides a structural model to guide experimental testing of hypotheses regarding ligand-binding, dimerization, and signal transduction.
