Computational modeling of prefrontal cortex circuits

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology

Modelação e análise não-linear do comportamento dinâmico de um passadiço pedonal

Dissertação para obtencão do Grau de Mestre em Engenharia Civil - Perfil Estruturas

The role of integrated home-based care in patient adherence to antiretroviral therapy

Non-adherence is one of the primary obstacles to successful antiretroviral therapy in HIV+ patients worldwide. In Brazil, the Domiciliary Therapeutic Assistance is a multidisciplinary and integrated home-based assistance program provided for HIV+ patients confined in their homes due to physical deficiency. This study investigated ADT's ability to monitor and promote appropriate adherence to ARV therapy. Fifty-six individuals were recruited from three study groups: Group 1 - patients currently in the ADT program, Group 2 - 21 patients previously treated by the ADT program, and Group 3 - 20 patients who have always been treated using conventional ambulatory care. Using multivariable self-reporting to evaluate adherence, patients in the ADT program had significantly better adherence than patients in ambulatory care (F = 6.66, p = 0.003). This effect was independent of demographic and socioeconomic characteristics as well as medical history. Patients in the ADT program also showed a trend towards greater therapeutic success than ambulatory patients. These results suggest the incorporation of characteristics of ADT in conventional ambulatory care as a strategy to increase adherence to ARV therapy.

Um elemento finito fisicamente não-linear para vigas mistas aço-betão

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil

Produção de compósitos Alumínio/NiTi através do processo híbrido de fricção linear

Os compósitos inteligentes de matriz metálica (CIMM) têm sido intensamente explorados nas últimas décadas devido à capacidade destes sistemas poderem alterar as suas propriedades mediante um estímulo externo. As ligas de Níquel-Titânio (Ni-Ti) são materiais inteligentes e desempenham, maioritariamente, funções de atuação ou controlo de vibrações nos sistemas em que se inserem, permitindo que estes apresentem características funcionais. A soldadura por fricção linear (SFL) tem sido uma alternativa aos processos de soldadura por fusão para materiais difíceis de soldar como as ligas de alumínio (AA) ou ainda na ligação de materiais dissimilares. No entanto, devido à ocorrência de defeitos, gerados como consequência do deficiente fluxo visco-plástico produzidos pela SFL, surgiram novas variantes deste processo, como a SFL assistida por corrente elétrica (SFLACE), que, por efeito de Joule, provoca o aquecimento do material processado e, consequente, aumento do fluxo visco-plástico, diminuindo ou eliminando a presença de defeitos. Este trabalho incide na produção de CIMM utilizando chapas de AA1100 reforçadas com Ni-Ti por SFLACE em configuração de junta sobreposta. As interfaces e os fluxos de material resultantes foram analisados recorrendo às técnicas de microscopia ótica (MO), SEM, EDS e difração de raio-x (DRX). O controlo de vibrações do CIMM produzido foi também estudado através de ensaios de vibração à temperatura ambiente, bem como a temperaturas superiores à de fim da formação da fase austenítica, e efetuaram-se ensaios de flexão e pull-out com vista à caracterização mecânica. Observou-se que o compósito produzido apresenta um fator de amortecimento superior quando o reforço se encontra na fase martensítica. O ensaio de pull-out confirmou a existência da ligação entre a matriz e o reforço, igualmente observada por SEM. O compósito produzido apresenta uma forte ligação entre os materiais dissimilares, com franca melhoria no caso das amostras processadas com corrente elétrica, obtendo-se um material com características funcionais.

Amorphous silicon e 3D sensors applied to object detection

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

Análise não linear do comportamento dinâmico de passadiços pedonais pré-fabricados

Os terramotos têm sido considerados uma das forças mais destrutivas e violentas da natureza, causando grandes tragédias e perdas económicas significativas. O objetivo principal do presente estudo é avaliar o comportamento global e local de três pontes pedonais, pré-fabricadas, durante a ação sísmica regulamentar. Através destas análises, pretende-se avaliar o risco de colapso das estruturas por “descalçamento” do tabuleiro e, caso necessário, propor soluções para evitar este fenómeno e melhorar o desempenho sísmico dos passadiços. No domínio de pontes, o “descalçamento dos apoios” é um tipo de rotura que pode ocorrer em estruturas com tramos simplesmente apoiados, onde os problemas surgem geralmente na interface de ligação tabuleiro-pilar, podendo conduzir ao derrubamento do primeiro. Este tipo de ligação é geralmente constituído por um conjunto de varões de aço – ferrolhos, chumbados verticalmente ao capitel do pilar e que atravessam placas de neoprene, ficando instalados no negativo das vigas. A selagem dos varões é normalmente realizada com argamassa de alta resistência. Os problemas que surgem neste tipo de ligação estão associados, a maior parte das vezes, à falta de manutenção e ao insuficiente comprimento de entrega do tabuleiro na zona dos aparelhos de apoio. A simulação do comportamento da estrutura durante as várias fases construtivas e aplicação de cargas, até ao colapso total, implica a utilização de uma ferramenta adequada. A modelação numérica foi efetuada com recurso ao programa de cálculo não-linear de estruturas Extreme Loading for Structures, baseado no Método dos Elementos Aplicados. O método considera os efeitos da não-linearidade física e geométrica, permitindo analisar o comportamento das estruturas durante a fase elástica e inelástica, passando pela cedência das armaduras, abertura e propagação de fendas até à separação dos elementos. Com base neste trabalho, foi possível verificar alterações significativas na resposta sísmica da estrutura, nomeadamente devido à eventual degradação dos ferrolhos.

Soldadura por fricção linear assistida por corrente eléctrica das ligas AA 6082-T6 a Ti6Al4V

A ligação dissimilar de ligas de alumínio a ligas de titânio tem elevado potencial para aplicações nas indústrias aeroespacial, automóvel e naval, devido à sua baixa razão peso/resistência mecânica. Contudo, soldar ligas de alumínio a ligas de titânio apresenta-se como um grande desafio, principalmente devido à formação de fases intermetálicas frágeis que têm um efeito negativo nas propriedades mecânicas da junta. Neste estudo, foram realizadas ligações dissimilares das ligas AA6082-T6 a Ti6Al4V, por Fricção Linear assistida por Corrente Eléctrica. Para a utilização de corrente eléctrica na Soldadura por Fricção Linear foram desenvolvidas, produzidas e testadas duas novas ferramentas. A estrutura da ligação foi analisada, por microscopia óptica e electrónica de varrimento. Controlando os parâmetros de soldadura foi possível obter soldaduras topo a topo e sobrepostas com um bom aspecto superficial e com continuidade metálica na interface. Nas ligações topo-a-topo observaram-se defeitos na raiz do cordão. As estruturas na zona soldada dependem fortemente da posição do pino em relação à interface. O uso da corrente eléctrica permitiu reduzir os defeitos na raiz, como vazios e falta de ligação na mesma, sem afectar as características metalúrgicas da interface. A utilização da corrente eléctrica permite aumentar a viscoplasticidade do material e facilitar a deformação plástica à volta do pino.

Família de DSLs para integrated modular avionics

Na atualidade existe a necessidade de produzir novos aviões de forma rápida, eficiente e económica com o objetivo de abrir novas rotas de voo, expansão das já existentes e substituição de aviões em fim de vida útil. Neste contexto, e sem nunca deixar de cumprir os apertados requisitos do domínio que incluem a exigência de elevada qualidade, a indústria adotou a arquitetura IMA que permite executar várias aplicações aviónicas num único sistema de computação partilhado. Com esta arquitetura, o desenvolvimento do software para as aeronaves ganhou uma elevada relevância, sendo necessário gerar código automaticamente, reutilizar código já testado proveniente de outras aplicações anteriormente desenvolvidas e garantir o mais cedo possível que o software desenvolvido se encontra de acordo com os standards. Apesar da complexidade do domínio, desenvolveu-se uma ferramenta que permite produzir a estrutura do código de novas aplicações para a aviónica. Aferramenta lida com a variabilidade das diversas linhas de produto e reduz o tempo de desenvolvimento. Uma DSL poderia ser uma solução apropriada, pois permite cobrir diversos requisitos exigidos, no entanto, esta solução não é exequível porque seria necessário produzir uma linguagem para cada configuração de software aviónico diferente se pretendêssemos tirar partido da especificidade. Com esta dissertação, solucionou-se esta dificuldade com recurso à noção de família de DSLs. Trata-se de um conjunto de linguagens para um domínio específico, que apresentam um conjunto comum de conceitos chave, mas que adaptam alguns desses conceitos para cumprir a variabilidade dos requisitos. Utilizou-se a abordagem MDD para desenvolver um gerador automático de DSLs que é capaz de produzir a linguagem desejada de acordo com a configuração de software pretendida para a partição pertencente a um módulo aviónico. As linguagens geradas apresentam um nível de usabilidade adequada para o domínio, bem como têm a capacidade de validar as construções efetuadas usando a DSL e produzir os artefactos pretendidos.

Modelação não linear de estruturas metálicas e mistas em situação de incêndio no software OpenSees

Os incêndios em edifícios representam um fenómeno que pode ter consequências devastadoras quando não controlado, não só em termos de perdas de vidas humanas, como em termos económicos. No passado, a ocorrência de incêndios de grandes dimensões mostrou os efeitos do fogo descontrolado nos edifícios, assim como a ineficiência dos meios de segurança ativa ao fogo. Nas últimas duas décadas, estas questões motivaram o estudo e compreensão da ação dos incêndios nas estruturas dos edifícios. Neste trabalho estuda-se a modelação da ação do fogo em estruturas metálicas e mistas, com o objetivo de contribuir para a sua melhor caracterização. A presente tese foca-se na validação e compreensão da implementação de análises termo-mecânicas a estruturas mistas no software de elementos finitos OpenSees (Open System for Earthquake Engineering Simulation), contribuindo assim para futuros estudos, não só de análises de estruturas mistas sujeitas a incêndio, mas também de análises de estruturas mistas sujeitas a eventos consecutivos, como sismo seguido de incêndio. Neste trabalho é feita uma breve descrição do fenómeno fogo, assim como dos processos inerentes à dinâmica de um incêndio que constituem uma fonte de incerteza para a modelação de cenários de incêndio num edifício. Posto isto, são abordados alguns modelos de incêndios presentes nos Eurocódigos, assim como o recente modelo de fogos móveis(“Travelling fires”). São realizados exemplos de aplicação no software e dois casos de estudo. O primeiro consiste na modelação de dois ensaios ao fogo realizados na Alemanha em 1986 em estruturas metálicas à escala 1/4. O segundo consiste na modelação de um ensaio ao fogo a uma viga de betão armado simplesmente apoiada, realizado no Instituto Superior Técnico em 2010. Os modelos numéricos desenvolvidos no OpenSees contabilizam as não linearidades físicas e geométricas, com elementos finitos de plasticidade distribuída e com uma formulação baseada em deslocamentos. Os resultados numéricos são então comparados com os experimentais, de modo a validar as análises termo-mecânicas no OpenSees.

Desenvolvimento experimental e simulação numérica em soldadura por fricção linear assistida por corrente elétrica

A soldadura por fricção linear (SFL) é um processo de ligação no estado sólido com capacidade para soldar materiais dissimilares e ligas metálicas de baixa soldabilidade. Contudo, nas juntas soldadas com uma configuração topo-a-topo é possível o aparecimento de defeitos na raiz do cordão, nomeadamente, de falta de penetração e de alinhamentos de óxidos. Estes defeitos são responsáveis pela diminuição da resistência mecânica das juntas, sobretudo quando sujeitas a esforços de fadiga. Existem variantes do processo para eliminar este tipo de defeitos, no entanto, verificam-se algumas dificuldades tecnológicas e a competitividade do processo é afetada. No âmbito deste trabalho desenvolveu-se uma variante do processo designado soldadura por fricção linear assistida por corrente elétrica (SFLAE). Esta variante consiste em introduzir uma corrente elétrica de elevada intensidade na zona da raiz do cordão, por forma a que o calor gerado por efeito de Joule aqueça o material e aumente o fluxo visco-plástico nessa zona, tendo em vista atenuar ou eliminar os defeitos na raiz. Foram concebidas e produzidas ferramentas de SFL dedicadas, melhorado um modelo analítico do processo, realizadas simulações numéricas para permitir compreender alguns fenómenos físicos envolvidos no processo, e realizados ensaios experimentais de validação. A análise aos cordões permitiu observar uma diminuição da espessura dos defeitos na raiz em três ensaios realizados na liga AA1100 e AA6084-T6 usando intensidades de corrente de 300 A. Dos resultados de microdureza e de medição de condutividade elétrica é possível concluir que a microestrutura do material não é significativamente alterada pela passagem de corrente elétrica.

Integrated care approaches and skills mix policies in Europe

ABSTRACT - Background: Integration of health care services is emerging as a central challenge of health care delivery, particularly for patients with elderly and complex chronic conditions. In 2003, the World Health Organization (WHO) already began to identify it as one of the key pathways to improve primary care. In 2005, the European Commission declared integrated care as vital for the sustainability of social protection systems in Europe. Nowadays, it is recognized as a core component of health and social care reforms across European countries. Implementing integrated care requires coordination between settings, organizations, providers and professionals. In order to address the challenge of integration in such complex scenario, an effective workforce is required capable of working across interdependent settings. The World Health Report 2006 noted that governments should prepare their workforce and explore what tasks the different levels of health workers are trained to do and are capable of performing (skills mix). Comparatively to other European countries, Portugal is at an early stage in what integrated care is concerned facing a growing elderly population and the subsequent increase in the pressure on institutions and professionals to provide social and medical care in the most cost-effective way. In 2006 the Portuguese government created the Portuguese Network for Integrated Care Development (PNICD) to solve the existing long-term gap in social support and healthcare. On what concerns health workforce, the Portuguese government already recognized the importance of redefine careers keeping professional motivation and satisfaction. Aim of the study: This study aims to contribute new evidence to the debate surrounding integrated care and skills mix policies in Europe. It also seeks to provide the first evidence that incorporates both the current dynamics of implementing integrated care in Portugal and the developments of international literature. The first ambition of our study is to contribute to the growing interest in integrated care and to the ongoing research in this area by identifying its different approaches and retrieve a number of experiences in some European countries. Our second goal of this research is to produce an update on the knowledge developed on skills mix to the international healthcare management community and to policy makers involved in reforming healthcare systems and organizations. To better inform Portuguese health policies makers in a third stage we explore the current dynamics of implementing integrated care in Portugal and contextualize them with the developments reported in the international literature. Methodology: This is essentially an exploratory and descriptive study using qualitative methodology. In order to identify integrated care approaches in Europe, a systematic literature review was undertaken which resulted in a paper published in the Journal of Management and Marketing in Health care titled: Approaches to developing integrated care in Europe: a systematic literature review. This article was recommended and included into a list of references identified by The King's Fund Library. A second systematic literature review was undertaken which resulted in a paper published in the International Journal of Healthcare Management titled: Skills mix in healthcare: An international update for the management debate. Semi-structured interviews were performed on experts representing the regional coordination teams of the Portuguese Network for Integrated Care Development. In a last stage a questionnaire survey was developed based on the findings of both systematic literature reviews and semi-structured interviews. Conclusions: Even though integrated care is a worldwide trend in health care reforms, there is no unique definition. Definitions can be grouped according to their sectorial focus: community-based care, combined health and social care, combined acute and primary care, the integration of providers, and in a more comprehensive approach the whole health system. Indeed, models that seek to apply the principles of integrated care have a similar background and are continually evolving and depend on the different initiatives taken at national level. . Despite the fact that we cannot argue that there is one single set typology of models for integrated care, it is possible to identify and categorize some of the basic approaches that have been taken in attempts to implement integrated care according to: changes in organizational structure, workforce reconfiguring, and changes in the financing system. The systematic literature review on skills mix showed that despite the widely acknowledged interest on skills mix initiatives there is a lack of evidence on skills mix implications, constraints, outcomes, and quality impact that would allow policy makers to take sustained and evidence-based decisions. Within the Portuguese health system, the integrated care approach is rather organizational and financial, whereas little attention is given to workforce integration. On what concerns workforce planning Portugal it is still in the stage of analyzing the acceptability of health workforce skills mix. In line with the international approaches, integration of health and social services and bridging primary and acute care are the main goals of the national government strategy. The findings from our interviews clarify perceptions which show no discrepancy with the related literature but are rather scarce comparing to international experience. Informants hold a realistic but narrow view of integrated care related issues. They seem to be limited to the regional context, requiring a more comprehensive perspective. The questionnaire developed in this thesis is an instrument which, when applied, will allow policy makers to understand the basic set of concepts and managerial motivations behind national and regional integrated care programs. The instrument developed can foster evidence on the three essential components of integrated care policies: organizational, financial, and human resources development, and can give additional input on the context in which integrated care is being developed, the type of providers and organizations involved, barriers and constraints, and the workforce skills mix planning related strategies. The thesis was successful in recognizing differences between countries and interventions and the instrument developed will allow a better comprehension of the international options available and how to address the vital components of integrated care programs.

Integrated data model and DSL modifications

Companies are increasingly more and more dependent on distributed web-based software systems to support their businesses. This increases the need to maintain and extend software systems with up-to-date new features. Thus, the development process to introduce new features usually needs to be swift and agile, and the supporting software evolution process needs to be safe, fast, and efficient. However, this is usually a difficult and challenging task for a developer due to the lack of support offered by programming environments, frameworks, and database management systems. Changes needed at the code level, database model, and the actual data contained in the database must be planned and developed together and executed in a synchronized way. Even under a careful development discipline, the impact of changing an application data model is hard to predict. The lifetime of an application comprises changes and updates designed and tested using data, which is usually far from the real, production, data. So, coding DDL and DML SQL scripts to update database schema and data, is the usual (and hard) approach taken by developers. Such manual approach is error prone and disconnected from the real data in production, because developers may not know the exact impact of their changes. This work aims to improve the maintenance process in the context of Agile Platform by Outsystems. Our goal is to design and implement new data-model evolution features that ensure a safe support for change and a sound migration process. Our solution includes impact analysis mechanisms targeting the data model and the data itself. This provides, to developers, a safe, simple, and guided evolution process.

Control system for actuation and sensing in digital microfluidics devices

Digital Microfluidics (DMF) is a second generation technique, derived from the conventional microfluidics that instead of using continuous liquid fluxes, it uses only individual droplets driven by external electric signals. In this thesis a new DMF control/sensing system for visualization, droplet control (movement, dispensing, merging and splitting) and real time impedance measurement have been developed. The software for the proposed system was implemented in MATLAB with a graphical user interface. An Arduino was used as control board and dedicated circuits for voltage switching and contacts were designed and implemented in printed circuit boards. A high resolution camera was integrated for visualization. In our new approach, the DMF chips are driven by a dual-tone signal where the sum of two independent ac signals (one for droplet operations and the other for impedance sensing) is applied to the electrodes, and afterwards independently evaluated by a lock-in amplifier. With this new approach we were able to choose the appropriated amplitudes and frequencies for the different proposes (actuation and sensing). The measurements made were used to evaluate the real time droplet impedance enabling the knowledge of its position and velocity. This new approach opens new possibilities for impedance sensing and feedback control in DMF devices.

An integrated approach to Physcomitrella patens transcriptomics reveals importantclues of the evolutionary development of plant organs and sexual reproduction

Land plant evolution required the generation of a new body plan that could resist the harsher and fluctuating environmental conditions found outside of aquatic environments. Unraveling the genetic basis of plant developmental innovations is not only revealing in terms of an evolutionary point of view, but it is also important for understanding the emergence of agronomically important traits. Comparative genetic studies between basal and modern land plants, both at the genome and trancriptome levels, can help in the generation of hypotheses related to the genetic basis of plant evolutionary development.(...)