Calculation of electric fields induced by body and head motion in high-field MRI

In modern magnetic resonance imaging (MRI), patients are exposed to strong, nonuniform static magnetic fields outside the central imaging region, in which the movement of the body may be able to induce electric currents in tissues which could be possibly harmful. This paper presents theoretical investigations into the spatial distribution of induced electric fields and currents in the patient when moving into the MRI scanner and also for head motion at various positions in the magnet. The numerical calculations are based on an efficient, quasi-static, finite-difference scheme and an anatomically realistic, full-body, male model. 3D field profiles from an actively shielded 4T magnet system are used and the body model projected through the field profile with a range of velocities. The simulation shows that it possible to induce electric fields/currents near the level of physiological significance under some circumstances and provides insight into the spatial characteristics of the induced fields. The results are extrapolated to very high field strengths and tabulated data shows the expected induced currents and fields with both movement velocity and field strength. (C) 2003 Elsevier Science (USA). All rights reserved.

Influence of magnetically-induced E-fields on cardiac electric activity during MRI: A modeling study

In modern magnetic resonance imaging (MRI), patients are exposed to strong, time-varying gradient magnetic fields that may be able to induce electric fields (E-fields)/currents in tissues approaching the level of physiological significance. In this work we present theoretical investigations into induced E-fields in the thorax, and evaluate their potential influence on cardiac electric activity under the assumption that the sites of maximum E-field correspond to the myocardial stimulation threshold (an abnormal circumstance). Whole-body cylindrical and planar gradient coils were included in the model. The calculations of the induced fields are based on an efficient, quasi-static, finite-difference scheme and an anatomically realistic, whole-body model. The potential for cardiac stimulation was evaluated using an electrical model of the heart. Twelve-lead electrocardiogram (ECG) signals were simulated and inspected for arrhythmias caused by the applied fields for both healthy and diseased hearts. The simulations show that the shape of the thorax and the conductive paths significantly influence induced E-fields. In healthy patients, these fields are not sufficient to elicit serious arrhythmias with the use of contemporary gradient sets. However, raising the strength and number of repeated switching episodes of gradients, as is certainly possible in local chest gradient sets, could expose patients to increased risk. For patients with cardiac disease, the risk factors are elevated. By the use of this model, the sensitivity of cardiac pathologies, such as abnormal conductive pathways, to the induced fields generated by an MRI sequence can be investigated. (C) 2003 Wiley-Liss, Inc.

alpha-conotoxins PnIA and [A10L] PnIA stabilize different states of the alpha 7-L247T nicotinic acetylcholine receptor

The effects of the native alpha-conotoxin PnIA, its synthetic derivative [ A10L] PnIA and alanine scan derivatives of [ A10L] PnIA were investigated on chick wild type alpha7 and alpha7-L247T mutant nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) expressed in Xenopus oocytes. PnIA and [A10L] PnIA inhibited acetylcholine (ACh)-activated currents at wtalpha7 receptors with IC50 values of 349 and 168 nM, respectively. Rates of onset of inhibition were similar for PnIA and [ A10L] PnIA; however, the rate of recovery was slower for [ A10L] PnIA, indicating that the increased potency of [ A10L] PnIA at alpha7 receptors is conveyed by its slower rate of dissociation from the receptors. All the alanine mutants of [ A10L] PnIA inhibited ACh-activated currents at wtalpha7 receptors. Insertion of an alanine residue between position 5 and 13 and at position 15 significantly reduced the ability of [ A10L] PnIA to inhibit ACh-evoked currents. PnIA inhibited the non-desensitizing ACh-activated currents at alpha7-L247T receptors with an IC50 194 nM. In contrast, [ A10L] PnIA and the alanine mutants potentiated the ACh-activated current alpha7-L247T receptors and in addition [ A10L] PnIA acted as an agonist. PnIA stabilized the receptor in a state that is non-conducting in both the wild type and mutant receptors, whereas [ A10L] PnIA stabilized a state that is non-conducting in the wild type receptor and conducting in the alpha7-L247T mutant. These data indicate that the change of a single amino acid side-chain, at position 10, is sufficient to change the toxin specificity for receptor states in the alpha7-L247T mutant.

Structure of the HERG K+ channel S5P extracellular linker - Role of an amphipathic alpha-helix in C-type inactivation

The HERG K+ channel has very unusual kinetic behavior that includes slow activation but rapid inactivation. These features are critical for normal cardiac repolarization as well as in preventing lethal ventricular arrhythmias. Mutagenesis studies have shown that the extracellular peptide linker joining the fifth transmembrane domain to the pore helix is critical for rapid inactivation of the HERG K+ channel. This peptide linker is also considerably longer in HERG K+ channels, 40 amino acids, than in most other voltage-gated K+ channels. In this study we show that a synthetic 42-residue peptide corresponding to this linker region of the HERG K+ channel does not have defined structural elements in aqueous solution; however, it displays two well defined helical regions when in the presence of SDS micelles. The helices correspond to Trp(585)-Ile(593) and Gly(604)-Tyr(611) of the channel. The Trp(585)-Ile(593) helix has distinct hydrophilic and hydrophobic surfaces. The Gly(604)-Tyr(611) helix corresponds to an N-terminal extension of the pore helix. Electrophysiological studies of HERG currents following application of exogenous S5P peptides show that the amphipathic helix in the S5P linker interacts with the pore region of the channel in a voltage-dependent manner.

Muscarinic and nicotinic ACh receptor activation differentially mobilize Ca2+ in rat intracardiac ganglion neurons

The origin of intracellular Ca2+ concentration ([Ca2+](i)) transients stimulated by nicotinic ( nAChR) and muscarinic ( mAChR) receptor activation was investigated in fura-2-loaded neonatal rat intracardiac neurons. ACh evoked [Ca2+](i) increases that were reduced to similar to 60% of control in the presence of either atropine ( 1 muM) or mecamylamine ( 3 muM) and to < 20% in the presence of both antagonists. Removal of external Ca2+ reduced ACh-induced responses to 58% of control, which was unchanged in the presence of mecamylamine but reduced to 5% of control by atropine. The nAChR-induced [Ca2+](i) response was reduced to 50% by 10 μM ryanodine, whereas the mAChR-induced response was unaffected by ryanodine, suggesting that Ca2+ release from ryanodine-sensitive Ca2+ stores may only contribute to the nAChR-induced [Ca2+](i) responses. Perforated-patch whole cell recording at - 60 mV shows that the rise in [Ca2+](i) is concomitant with slow outward currents on mAChR activation and with rapid inward currents after nAChR activation. In conclusion, different signaling pathways mediate the rise in [Ca2+](i) and membrane currents evoked by ACh binding to nicotinic and muscarinic receptors in rat intracardiac neurons.

Morfologia e distribuição sedimentar em um sistema estuarino tropical : Baía de Vitória, ES

A Baía de Vitória é um sistema estuarino da costa leste do Brasil que apresenta grande importância econômica e características ímpares, já que se desenvolveu entre três unidades geomorfológicas distintas. Apesar disto, este ambiente apresenta poucos estudos relacionados às suas características geológicas e oceanográficas. O presente trabalho se focou no preenchimento desta lacuna através da descrição da morfologia, da distribuição sedimentar e dos padrões sonográficos da Baía de Vitória, buscando relações entre os mesmos e inferindo os processos sedimentares dominantes em cada trecho do estuário. A análise integrada mostrou boa correlação entre os métodos e revelou a grande complexidade deste sistema estuarino. Três diferentes regiões foram identificadas mostrando processos distintos: o estuário superior apresentou input sedimentar fluvial e processos estuarinos; um largo trecho da região central do sistema apresentou características erosivas, relacionadas a adaptações morfológicas e ao aumento das correntes provocadas pelos estreitamentos artificiais da baía, propiciando a formação de formas de fundo; e a boca do estuário se apresentou dominada por processos marinhos. Parte da região central do estuário mostrou características mascaradas pela atividade antrópica através da instalação de pontes, aterros e dragagens.

Occurrence of storm-generated bedforms along the inner continental shelf - Southeastern Brazil

Levantamentos sonográficos desenvolvidos em duas áreas da plataforma interna adjacente ao estado do Espírito Santo revelam formas de fundo cuja origem é fortemente relacionada a eventos de tempestades. Estas são caracterizadas por alternâncias de bandas de areias finas sobrepostas, de forma alternada, a um fundo de areias grossas, gerando manchas de areias grossas intercaladas abruptamente com faixas de areias finas a profundidades de 25-30 m para GUA e de 05-08 m para BES. Em ambas as áreas as faixas de areias grossas apresentam marcas de ondulação geradas por ondas com orientação levemente paralela a linha de costa. A sedimentologia de GUA é composta por areias finas a muito finas lamosas carbonáticas com cascalhos siliciclásticos e a de BES por areias grossas e médias com cascalhos biodetríticos. Desta forma, é clara a ação de correntes/ondas de tempestade no fundo marinho de GUA e de BES; porém, a classificação quanto ao comportamento hidrodinâmico e ao transporte de sedimento é necessária para as estimativas sobre a formação, transporte e manutenção das feições encontradas.

Modelagem da dispersão de odores em ambientes urbanos

O presente trabalho investigou o problema da modelagem da dispersão de compostos odorantes em presença de obstáculos (cúbicos e com forma complexa) sob condição de estabilidade atmosférica neutra. Foi empregada modelagem numérica baseada nas equações de transporte (CFD1) bem como em modelos algébricos baseados na pluma Gausseana (AERMOD2, CALPUFF3 e FPM4). Para a validação dos resultados dos modelos e a avaliação do seu desempenho foram empregados dados de experimentos em túnel de vento e em campo. A fim de incluir os efeitos da turbulência atmosférica na dispersão, dois diferentes modelos de sub-malha associados à Simulação das Grandes Escalas (LES5) foram investigados (Smagorinsky dinâmico e WALE6) e, para a inclusão dos efeitos de obstáculos na dispersão nos modelos Gausseanos, foi empregado o modelo PRIME7. O uso do PRIME também foi proposto para o FPM como uma inovação. De forma geral, os resultados indicam que o uso de CFD/LES é uma ferramenta útil para a investigação da dispersão e o impacto de compostos odorantes em presença de obstáculos e também para desenvolvimento dos modelos Gausseanos. Os resultados também indicam que o modelo FPM proposto, com a inclusão dos efeitos do obstáculo baseado no PRIME também é uma ferramenta muito útil em modelagem da dispersão de odores devido à sua simplicidade e fácil configuração quando comparado a modelos mais complexos como CFD e mesmo os modelos regulatórios AERMOD e CALPUFF. A grande vantagem do FPM é a possibilidade de estimar-se o fator de intermitência e a relação pico-média (P/M), parâmetros úteis para a avaliação do impacto de odores. Os resultados obtidos no presente trabalho indicam que a determinação dos parâmetros de dispersão para os segmentos de pluma, bem como os parâmetros de tempo longo nas proximidades da fonte e do obstáculo no modelo FPM pode ser melhorada e simulações CFD podem ser usadas como uma ferramenta de desenvolvimento para este propósito. Palavras chave: controle de odor, dispersão, fluidodinâmica computacional, modelagem matemática, modelagem gaussiana de pluma flutuante, simulação de grandes vórtices (LES).

Predictive Optimal Matrix Converter Control for a Dynamic Voltage Restorer with Flywheel Energy Storage

This paper presents a predictive optimal matrix converter controller for a flywheel energy storage system used as Dynamic Voltage Restorer (DVR). The flywheel energy storage device is based on a steel seamless tube mounted as a vertical axis flywheel to store kinetic energy. The motor/generator is a Permanent Magnet Synchronous Machine driven by the AC-AC Matrix Converter. The matrix control method uses a discrete-time model of the converter system to predict the expected values of the input and output currents for all the 27 possible vectors generated by the matrix converter. An optimal controller minimizes control errors using a weighted cost functional. The flywheel and control process was tested as a DVR to mitigate voltage sags and swells. Simulation results show that the DVR is able to compensate the critical load voltage without delays, voltage undershoots or overshoots, overcoming the input/output coupling of matrix converters.

Stability Condition Based Sliding Mode Modulators for Multilevel Power Converters

Sliding mode controllers for power converters usually employ hysteresis comparators to directly generate the power semiconductors switching states. This paper presents a new sliding mode modulator based on the direct implementation of the sliding mode stability condition, which for multilevel power converters shows advantages, as branch equalized switching frequencies and less distortion on the ac currents when operating near the rated converter power. The new sliding mode multilevel modulator is used to control a three-phase multilevel converter, operated as a reactive power compensator (STATCOM), implementing the stability condition in a digital signal processing system. The performance of this new sliding mode modulator is compared with a multilevel modulator based on hysteresis comparators. Simulation and experimental results are presented in order to highlight the system operation and control robustness.

A two-Higgs doublet model with remarkable CP properties

We analyze generalized CP symmetries of two-Higgs doublet models, extending them from the scalar to the fermion sector of the theory. We show that, other than the usual CP transformation, there is only one of those symmetries which does not imply massless charged fermions. That single model which accommodates a fermionic mass spectrum compatible with experimental data possesses a remarkable feature. Through a soft breaking of the symmetry it displays a new type of spontaneous CP violation, which does not occur in the scalar sector responsible for the symmetry breaking mechanism but, rather, in the fermion sector.

Renormalization-group constraints on Yukawa alignment in multi-Higgs-doublet models

We write down the renormalization-group equations for the Yukawa-coupling matrices in a general multi-Higgs-doublet model. We then assume that the matrices of the Yukawa couplings of the various Higgs doublets to right-handed fermions of fixed quantum numbers are all proportional to each other. We demonstrate that, in the case of the two-Higgs-doublet model, this proportionality is preserved by the renormalization-group running only in the cases of the standard type-I, II, X, and Y models. We furthermore show that a similar result holds even when there are more than two Higgs doublets: the Yukawa-coupling matrices to fermions of a given electric charge remain proportional under the renormalization-group running if and only if there is a basis for the Higgs doublets in which all the fermions of a given electric charge couple to only one Higgs doublet.

Limiting Internal Supply Voltage Spikes in DC-DC Converters

Implementing monolithic DC-DC converters for low power portable applications with a standard low voltage CMOS technology leads to lower production costs and higher reliability. Moreover, it allows miniaturization by the integration of two units in the same die: the power management unit that regulates the supply voltage for the second unit, a dedicated signal processor, that performs the functions required. This paper presents original techniques that limit spikes in the internal supply voltage on a monolithic DC-DC converter, extending the use of the same technology for both units. These spikes are mainly caused by fast current variations in the path connecting the external power supply to the internal pads of the converter power block. This path includes two parasitic inductances inbuilt in bond wires and in package pins. Although these parasitic inductances present relative low values when compared with the typical external inductances of DC-DC converters, their effects can not be neglected when switching high currents at high switching frequency. The associated overvoltage frequently causes destruction, reliability problems and/or control malfunction. Different spike reduction techniques are presented and compared. The proposed techniques were used in the design of the gate driver of a DC-DC converter included in a power management unit implemented in a standard 0.35 mu m CMOS technology.

A energia das ondas e o seu aproveitamento

As crises energéticas surgidas no decorrer do último século, incluindo a crise do petróleo, obrigaram o Homem a procurar cada vez mais fontes de energia alternativas e preferencialmente inesgotáveis. Desta situação, resultou uma forte aposta na exploração das fontes de energias renováveis, que são uma das principais alternativas para responder a um aumento de procura, e também, face às exigências de consumos actuais, beneficiando de ao se apostar numa energia limpa e renovável existir uma forte redução nos impactes ambientais que outras fontes de energia não apresentam. O aproveitamento dos recursos provenientes de fontes de energia renováveis para a produção de energia já existe há vários anos, e, em alguns casos, atingiram já um estado de maturidade considerável, como é caso da energia eólica. Em comparação, o mesmo já não acontece com a energia das ondas. Embora o oceano apresente um recurso com enorme potencial para ser explorado, incluindo as ondas e correntes oceânicas, os dispositivos tecnológicos necessários para a exploração deste recurso encontram-se maioritariamente ainda em fase experimental, havendo casos pontuais que atingiram a fase pré-comercial. Assim, não existe até à data um dispositivo padrão para a exploração da energia das ondas em grande escala, contrariamente ao que acontece com a energia eólica. Para esta situação, contribuiu o elevado número de dispositivos patenteados para a exploração da energia das ondas, nenhum deles com vantagens significativas relativamente a outros, e também, devido ao facto de a exploração deste tipo de energia não poder ser feito de igual modo na costa ou a muitos quilómetros dela. Na presente dissertação são apresentados alguns dos principais dispositivos existentes para a extracção de energia proveniente das ondas oceânicas, com especial atenção para os dispositivos de coluna de água oscilante.

Conversor multinível NPC de cinco níveis como ondulador de tensão ligado à rede

O crescimento da utilização de accionamentos electromecânicos de velocidade variável entre outros dispositivos que necessitam de tensões elevadas, na ordem dos kV e com elevados níveis de qualidade, despertou o interesse pelos conversores multinível. Este tipo de conversor consegue alcançar elevadas tensões de funcionamento e simultaneamente melhorar a qualidade das formas de onda de tensão e corrente nas respectivas fases. Esta dissertação de mestrado tem por objectivo apresentar um estudo sobre o conversor multinível com díodos de ligação ao neutro (NPC – neutral point clamped), de cinco níveis utilizado como ondulador de tensão ligado à rede. O trabalho começa por desenvolver o modelo matemático do conversor multinível com díodos de ligação ao neutro de cinco níveis e a respectiva interligação com a rede eléctrica. Com base no modelo do conversor são realizadas simulações numéricas desenvolvidas em Matlab-Simulink. Para controlo do trânsito de energia no conversor é utilizando controlo por modo de deslizamento aplicado às correntes nas fases. As simulações efectuadas são comparadas com resultados de simulação obtidos para um ondulador clássico de dois níveis. Resultados de simulação do conversor multinível são posteriormente comparados com resultados experimentais para diferentes valores de potências activa e reactiva. Foi desenvolvido um protótipo experimental de um conversor multinível com díodos de ligação ao neutro de cinco níveis e a respectiva electrónica associada para comando e disparo dos semicondutores de potência.