Spectroradiometry of soil and comparison with orbital sensors

The aim of this study was to characterize and compare the spectral behavior of different soil classes obtained by orbital and terrestrial sensors. For this, an area of 184 ha in Rafard (SP) Brazil was staked on a regular grid of 100x100 m and soil samples were collected and georeferenced. After that, soil spectral curves were obtained with IRIS sensor and the sample points were overlaid at Landsat and ASTER images for spectral data collection. The soil samples were classified and mean soil curves for all sensors were generated by soil classes. The soil classes were differentiated by texture, organic matter and total iron for all sensors studied, the orbital sensors despite the lower spectral resolution, maintained the characteristics of the soil and the curves of reflectance intensity.

Designing piezoresistive plate-based sensors with distribution of piezoresistive material using topology optimization

Piezoresistive sensors are commonly made of a piezoresistive membrane attached to a flexible substrate, a plate. They have been widely studied and used in several applications. It has been found that the size, position and geometry of the piezoresistive membrane may affect the performance of the sensors. Based on this remark, in this work, a topology optimization methodology for the design of piezoresistive plate-based sensors, for which both the piezoresistive membrane and the flexible substrate disposition can be optimized, is evaluated. Perfect coupling conditions between the substrate and the membrane based on the `layerwise' theory for laminated plates, and a material model for the piezoresistive membrane based on the solid isotropic material with penalization model, are employed. The design goal is to obtain the configuration of material that maximizes the sensor sensitivity to external loading, as well as the stiffness of the sensor to particular loads, which depend on the case (application) studied. The proposed approach is evaluated by studying two distinct examples: the optimization of an atomic force microscope probe and a pressure sensor. The results suggest that the performance of the sensors can be improved by using the proposed approach.

Solvent-Resistant Polymeric Sensors for Adulteration Detection in Liquid Fuels

Polymeric sensors with improved resistance to organic solvents were produced via the layer-by-layer thin film deposition followed by chemical cross-linking. According to UV-vis spectroscopy, the mass loss of polyaniline/poly(vinyl alcohol) and polyaniline/novolac-type resin based films deposited onto glass slides was less than 20% when they were submitted to successive immersions (up to 3,000 immersion cycles) into commercially available ethanol and gasoline fuel samples. Polyallylamine hydrochloride/nickel tetrasulfonated phthalocyanine films presented similar stability. The electrical responses assessed by impedance spectroscopy of films deposited onto Au-interdigitated microelectrodes were relatively unaffected after continuous or cyclic immersions into both fuels. After these studies, an array including these polymeric sensors was employed to detect adulteration in ethanol and gasoline samples. After principal component analysis, it was possible to conclude that the proposed sensor array is capable to discriminate with remarkable reproducibility ethanol samples containing different amounts of water or else gasoline samples containing different amounts of ethanol. In both examples, more than 90% of data variance was retained in the first principal component. For each type of sample, ethanol and gasoline, it was found a linear correlation between one of the principal components and the sample's composition. These findings allow one to conclude that these films present great potential for the development of reliable and low-cost sensors for fuel analysis in liquid phase.

Anisotropic Brownian motion in ordered phases of DNA fragments

Using Fluorescence Recovery After Photobleaching, we investigate the Brownian motion of DNA rod-like fragments in two distinct anisotropic phases with a local nematic symmetry. The height of the measurement volume ensures the averaging of the anisotropy of the in-plane diffusive motion parallel or perpendicular to the local nematic director in aligned domains. Still, as shown in using a model specifically designed to handle such a situation and predicting a non-Gaussian shape for the bleached spot as fluorescence recovery proceeds, the two distinct diffusion coefficients of the DNA particles can be retrieved from data analysis. In the first system investigated (a ternary DNA-lipid lamellar complex), the magnitude and anisotropy of the diffusion coefficient of the DNA fragments confined by the lipid bilayers are obtained for the first time. In the second, binary DNA-solvent system, the magnitude of the diffusion coefficient is found to decrease markedly as DNA concentration is increased from isotropic to cholesteric phase. In addition, the diffusion coefficient anisotropy measured within cholesteric domains in the phase coexistence region increases with concentration, and eventually reaches a high value in the cholesteric phase.

Amazon Rainforest Exchange of Carbon and Subcanopy Air Flow: Manaus LBA Site-A Complex Terrain Condition

On the moderately complex terrain covered by dense tropical Amazon Rainforest (Reserva Biologica do Cuieiras-ZF2-02 degrees 36'17.1 '' S, 60 degrees 12'24.4 '' W), subcanopy horizontal and vertical gradients of the air temperature, CO2 concentration and wind field were measured for the dry and wet periods in 2006. We tested the hypothesis that horizontal drainage flow over this study area is significant and can affect the interpretation of the high carbon uptake rates reported by previous works at this site. A similar experimental design as the one by Tota et al. (2008) was used with a network of wind, air temperature, and CO2 sensors above and below the forest canopy. A persistent and systematic subcanopy nighttime upslope (positive buoyancy) and daytime downslope (negative buoyancy) flow pattern on a moderately inclined slope (12%) was observed. The microcirculations observed above the canopy (38 m) over the sloping area during nighttime presents a downward motion indicating vertical convergence and correspondent horizontal divergence toward the valley area. During the daytime an inverse pattern was observed. The microcirculations above the canopy were driven mainly by buoyancy balancing the pressure gradient forces. In the subcanopy space the microcirculations were also driven by the same physical mechanisms but probably with the stress forcing contribution. The results also indicated that the horizontal and vertical scalar gradients (e. g., CO2) were modulated by these micro-circulations above and below the canopy, suggesting that estimates of advection using previous experimental approaches are not appropriate due to the tridimensional nature of the vertical and horizontal transport locally. This work also indicates that carbon budget from tower-based measurement is not enough to close the system, and one needs to include horizontal and vertical advection transport of CO2 into those estimates.

Synthesis and Characterization of Gold/Alanine Nanocomposites with Potential Properties for Medical Application as Radiation Sensors

Radiation dose assessment is essential for several medical treatments and diagnostic procedures. In this context, nanotechnology has been used in the development of improved radiation sensors, with higher sensitivity as well as smaller sizes and energy dependence. This paper deals with the synthesis and characterization of gold/alanine nanocomposites with varying mass percentage of gold, for application as radiation sensors. Alanine is an excellent stabilizing agent for gold nanoparticles because the size of the nanoparticles does not augment with increasing mass percentage of gold, as evidenced by UV-vis spectroscopy, dynamic light scattering, and transmission electron microscopy. X-ray diffraction patterns suggest that the alanine crystalline orientation undergoes alterations upon the addition of gold nanoparticles. Fourier transform infrared spectroscopy indicates that there is interaction between the gold nanoparticles and the amine group of the alanine molecules, which may be the reason for the enhanced stability of the nanocomposite. The application of the nanocomposites as radiation detectors was evaluated by the electron spin resonance technique. The sensitivity is improved almost 3 times in the case of the nanocomposite containing 3% (w/w) gold, so it can be easily tuned by changing the amount of gold nanoparticles in the nanocomposites, without the size of the nanoparticles influencing the radiation absorption. In conclusion, the featured properties, such as homogeneity, nanoparticle size stability, and enhanced sensitivity, make these nanocomposites potential candidates for the construction of small-sized radiation sensors with tunable sensitivity for application in several medical procedures.

Optical chemical sensors using polythiophene derivatives as active layer for detection of volatile organic compounds

Several studies on polythiophene gas sensors, based mainly on electrochemical and gravimetric principles can be found in the literature. However, other principles of gas detection, such as optical and thermal, are still little studied. Optical sensing is suitable for remote detection and offers great versatility at low cost. Here,we report on the use of thin films of seven polythiophene derivatives as active layer in optical sensors for the detection of six volatile organic compounds (n-hexane, toluene, tetrahydrofuran, chloroform, dichloromethane and methanol) and water vapor, in concentration range of 500-30,000 ppm. The results showed that it is possible to use different polythiophene derivatives to differentiate VOCs by optical sensing. Differentiation can be performed based on the presence or not of response to an analyte and the sensitivity value of the sensors for the analytes. Another important feature is the lack of the effect of humidity on the response of most films, which could be a major drawback in the application of these sensors. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Space and Motion Perception and Discomfort in Air Travel

RAMOS RT, MATTOS DA, REBOUCAS ITS, RANVAUD RD. Space and motion perception and discomfort in air travel. Aviat Space Environ Med 2012; 83:1162-6. Introduction: The perception of comfort during air trips is determined by several factors. External factors like cabin design and environmental parameters (temperature, humidity, air pressure, noise, and vibration) interact with individual characteristics (anxiety traits, fear of flying, and personality) from arrival at the airport to landing at the destination. In this study, we investigated the influence of space and motion discomfort (SMD), fear of heights, and anxiety on comfort perception during all phases of air travel. Methods: We evaluated 51 frequent air travelers through a modified version of the Flight Anxiety Situations Questionnaire (FAS), in which new items were added and where the subjects were asked to report their level of discomfort or anxiety (not fear) for each phase of air travel (Chronbach's alpha = 0.974). Correlations were investigated among these scales: State-Trait Anxiety Inventory (STAB, Cohen's Acrophobia Questionnaire, and the Situational Characteristics Questionnaire (SitQ, designed to estimate SMD levels). Results: Scores of SitQ correlated with discomfort in situations involving space and movement perception (Pearson's rho = 0.311), while discomfort was associated with cognitive mechanisms related to scores in the anxiety scales (Pearson's rho = 0.375). Anxiety traits were important determinants of comfort perception before and after flight, while the influence of SMD was more significant during the time spent in the aircraft cabin. Discussion: SMD seems to be an important modulator of comfort perception in air travel. Its influence on physical well being and probably on cognitive performance, with possible effects on flight safety, deserves further investigation.

Diaphragmatic Breathing Training Program Improves Abdominal Motion During Natural Breathing in Patients With Chronic Obstructive Pulmonary Disease: A Randomized Controlled Trial

Yamaguti WP, Claudino RC, Neto AP, Chammas MC, Gomes AC, Salge TM, Moriya HT, Cukier A, Carvalho CR. Diaphragmatic breathing training program improves abdominal motion during natural breathing in patients with chronic obstructive pulmonary disease: a randomized controlled trial. Arch Phys Med Rehabil 2012;93:571-7. Objective: To investigate the effects of a diaphragmatic breathing training program (DBTP) on thoracoabdominal motion and functional capacity in patients with chronic obstructive pulmonary disease. Design: A prospective, randomized controlled trial. Setting: Academic medical center. Participants: Subjects (N=30; forced expiratory volume in Is, 4270 +/- 13% predicted) were randomly allocated to either a training group (TG) or a control group (CG). Interventions: Subjects in the TG completed a 4-week supervised DBTP (3 individualized weekly sessions), while those in the CG received their usual care. Main Outcome Measures: Effectiveness was assessed by amplitude of the rib cage to abdominal motion ratio (RC/ABD ratio) (primary outcome) and diaphragmatic mobility (secondary outcome). The RC/ABD ratio was measured using respiratory inductive plethysmography during voluntary diaphragmatic breathing and natural breathing. Diaphragmatic mobility was measured by ultrasonography. A 6-minute walk test and health-related quality of life were also evaluated. Results: Immediately after the 4-week DBTP, the TG showed a greater abdominal motion during natural breathing quantified by a reduction in the RC/ABD ratio when compared with the CG (F=8.66; P<.001). Abdominal motion during voluntary diaphragmatic breathing after the intervention was also greater in the TG than in the CG (F=4.11; P<.05). The TG showed greater diaphragmatic mobility after the 4-week DBTP than did the CG (F=15.08; P<.001). An improvement in the 6-minute walk test and in health-related quality of life was also observed in the TG. Conclusions: DBTP for patients with chronic obstructive pulmonary disease induced increased diaphragm participation during natural breathing, resulting in an improvement in functional capacity.

Application of H∞ theory to a 6 DOF flight simulator motion base

The purpose of this study is to apply inverse dynamics control for a six degree of freedom flight simulator motion system. Imperfect compensation of the inverse dynamic control is intentionally introduced in order to simplify the implementation of this approach. The control strategy is applied in the outer loop of the inverse dynamic control to counteract the effects of imperfect compensation. The control strategy is designed using H∞ theory. Forward and inverse kinematics and full dynamic model of a six degrees of freedom motion base driven by electromechanical actuators are briefly presented. Describing function, acceleration step response and some maneuvers computed from the washout filter were used to evaluate the performance of the controllers.

A variational approach to camera motion smoothing

[EN] In this paper we study a variational problem derived from a computer vision application: video camera calibration with smoothing constraint. By video camera calibration we meanto estimate the location, orientation and lens zoom-setting of the camera for each video frame taking into account image visible features. To simplify the problem we assume that the camera is mounted on a tripod, in such case, for each frame captured at time t , the calibration is provided by 3 parameters : (1) P(t) (PAN) which represents the tripod vertical axis rotation, (2) T(t) (TILT) which represents the tripod horizontal axis rotation and (3) Z(t) (CAMERA ZOOM) the camera lens zoom setting. The calibration function t -> u(t) = (P(t),T(t),Z(t)) is obtained as the minima of an energy function I[u] . In thIs paper we study the existence of minima of such energy function as well as the solutions of the associated Euler-Lagrange equations.

3-D reconstruction of the human skeleton during motion

L’analisi del movimento umano ha come obiettivo la descrizione del movimento assoluto e relativo dei segmenti ossei del soggetto e, ove richiesto, dei relativi tessuti molli durante l’esecuzione di esercizi fisici. La bioingegneria mette a disposizione dell’analisi del movimento gli strumenti ed i metodi necessari per una valutazione quantitativa di efficacia, funzione e/o qualità del movimento umano, consentendo al clinico l’analisi di aspetti non individuabili con gli esami tradizionali. Tali valutazioni possono essere di ausilio all’analisi clinica di pazienti e, specialmente con riferimento a problemi ortopedici, richiedono una elevata accuratezza e precisione perché il loro uso sia valido. Il miglioramento della affidabilità dell’analisi del movimento ha quindi un impatto positivo sia sulla metodologia utilizzata, sia sulle ricadute cliniche della stessa. Per perseguire gli obiettivi scientifici descritti, è necessario effettuare una stima precisa ed accurata della posizione e orientamento nello spazio dei segmenti ossei in esame durante l’esecuzione di un qualsiasi atto motorio. Tale descrizione può essere ottenuta mediante la definizione di un modello della porzione del corpo sotto analisi e la misura di due tipi di informazione: una relativa al movimento ed una alla morfologia. L’obiettivo è quindi stimare il vettore posizione e la matrice di orientamento necessari a descrivere la collocazione nello spazio virtuale 3D di un osso utilizzando le posizioni di punti, definiti sulla superficie cutanea ottenute attraverso la stereofotogrammetria. Le traiettorie dei marker, così ottenute, vengono utilizzate per la ricostruzione della posizione e dell’orientamento istantaneo di un sistema di assi solidale con il segmento sotto esame (sistema tecnico) (Cappozzo et al. 2005). Tali traiettorie e conseguentemente i sistemi tecnici, sono affetti da due tipi di errore, uno associato allo strumento di misura e l’altro associato alla presenza di tessuti molli interposti tra osso e cute. La propagazione di quest’ultimo ai risultati finali è molto più distruttiva rispetto a quella dell’errore strumentale che è facilmente minimizzabile attraverso semplici tecniche di filtraggio (Chiari et al. 2005). In letteratura è stato evidenziato che l’errore dovuto alla deformabilità dei tessuti molli durante l’analisi del movimento umano provoca inaccuratezze tali da mettere a rischio l’utilizzabilità dei risultati. A tal proposito Andriacchi scrive: “attualmente, uno dei fattori critici che rallentano il progresso negli studi del movimento umano è la misura del movimento scheletrico partendo dai marcatori posti sulla cute” (Andriacchi et al. 2000). Relativamente alla morfologia, essa può essere acquisita, ad esempio, attraverso l’utilizzazione di tecniche per bioimmagini. Queste vengono fornite con riferimento a sistemi di assi locali in generale diversi dai sistemi tecnici. Per integrare i dati relativi al movimento con i dati morfologici occorre determinare l’operatore che consente la trasformazione tra questi due sistemi di assi (matrice di registrazione) e di conseguenza è fondamentale l’individuazione di particolari terne di riferimento, dette terne anatomiche. L’identificazione di queste terne richiede la localizzazione sul segmento osseo di particolari punti notevoli, detti repere anatomici, rispetto ad un sistema di riferimento solidale con l’osso sotto esame. Tale operazione prende il nome di calibrazione anatomica. Nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento viene implementata una calibrazione anatomica a “bassa risoluzione” che prevede la descrizione della morfologia dell’osso a partire dall’informazione relativa alla posizione di alcuni repere corrispondenti a prominenze ossee individuabili tramite palpazione. Attraverso la stereofotogrammetria è quindi possibile registrare la posizione di questi repere rispetto ad un sistema tecnico. Un diverso approccio di calibrazione anatomica può essere realizzato avvalendosi delle tecniche ad “alta risoluzione”, ovvero attraverso l’uso di bioimmagini. In questo caso è necessario disporre di una rappresentazione digitale dell’osso in un sistema di riferimento morfologico e localizzare i repere d’interesse attraverso palpazione in ambiente virtuale (Benedetti et al. 1994 ; Van Sint Jan et al. 2002; Van Sint Jan et al. 2003). Un simile approccio è difficilmente applicabile nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento, in quanto normalmente non si dispone della strumentazione necessaria per ottenere le bioimmagini; inoltre è noto che tale strumentazione in alcuni casi può essere invasiva. Per entrambe le calibrazioni anatomiche rimane da tenere in considerazione che, generalmente, i repere anatomici sono dei punti definiti arbitrariamente all’interno di un’area più vasta e irregolare che i manuali di anatomia definiscono essere il repere anatomico. L’identificazione dei repere attraverso una loro descrizione verbale è quindi povera in precisione e la difficoltà nella loro identificazione tramite palpazione manuale, a causa della presenza dei tessuti molli interposti, genera errori sia in precisione che in accuratezza. Tali errori si propagano alla stima della cinematica e della dinamica articolare (Ramakrishnan et al. 1991; Della Croce et al. 1999). Della Croce (Della Croce et al. 1999) ha inoltre evidenziato che gli errori che influenzano la collocazione nello spazio delle terne anatomiche non dipendono soltanto dalla precisione con cui vengono identificati i repere anatomici, ma anche dalle regole che si utilizzano per definire le terne. E’ infine necessario evidenziare che la palpazione manuale richiede tempo e può essere effettuata esclusivamente da personale altamente specializzato, risultando quindi molto onerosa (Simon 2004). La presente tesi prende lo spunto dai problemi sopra elencati e ha come obiettivo quello di migliorare la qualità delle informazioni necessarie alla ricostruzione della cinematica 3D dei segmenti ossei in esame affrontando i problemi posti dall’artefatto di tessuto molle e le limitazioni intrinseche nelle attuali procedure di calibrazione anatomica. I problemi sono stati affrontati sia mediante procedure di elaborazione dei dati, sia apportando modifiche ai protocolli sperimentali che consentano di conseguire tale obiettivo. Per quanto riguarda l’artefatto da tessuto molle, si è affrontato l’obiettivo di sviluppare un metodo di stima che fosse specifico per il soggetto e per l’atto motorio in esame e, conseguentemente, di elaborare un metodo che ne consentisse la minimizzazione. Il metodo di stima è non invasivo, non impone restrizione al movimento dei tessuti molli, utilizza la sola misura stereofotogrammetrica ed è basato sul principio della media correlata. Le prestazioni del metodo sono state valutate su dati ottenuti mediante una misura 3D stereofotogrammetrica e fluoroscopica sincrona (Stagni et al. 2005), (Stagni et al. 2005). La coerenza dei risultati raggiunti attraverso i due differenti metodi permette di considerare ragionevoli le stime dell’artefatto ottenute con il nuovo metodo. Tale metodo fornisce informazioni sull’artefatto di pelle in differenti porzioni della coscia del soggetto e durante diversi compiti motori, può quindi essere utilizzato come base per un piazzamento ottimo dei marcatori. Lo si è quindi utilizzato come punto di partenza per elaborare un metodo di compensazione dell’errore dovuto all’artefatto di pelle che lo modella come combinazione lineare degli angoli articolari di anca e ginocchio. Il metodo di compensazione è stato validato attraverso una procedura di simulazione sviluppata ad-hoc. Relativamente alla calibrazione anatomica si è ritenuto prioritario affrontare il problema associato all’identificazione dei repere anatomici perseguendo i seguenti obiettivi: 1. migliorare la precisione nell’identificazione dei repere e, di conseguenza, la ripetibilità dell’identificazione delle terne anatomiche e della cinematica articolare, 2. diminuire il tempo richiesto, 3. permettere che la procedura di identificazione possa essere eseguita anche da personale non specializzato. Il perseguimento di tali obiettivi ha portato alla implementazione dei seguenti metodi: • Inizialmente è stata sviluppata una procedura di palpazione virtuale automatica. Dato un osso digitale, la procedura identifica automaticamente i punti di repere più significativi, nella maniera più precisa possibile e senza l'ausilio di un operatore esperto, sulla base delle informazioni ricavabili da un osso digitale di riferimento (template), preliminarmente palpato manualmente. • E’ stato poi condotto uno studio volto ad indagare i fattori metodologici che influenzano le prestazioni del metodo funzionale nell’individuazione del centro articolare d’anca, come prerequisito fondamentale per migliorare la procedura di calibrazione anatomica. A tale scopo sono stati confrontati diversi algoritmi, diversi cluster di marcatori ed è stata valutata la prestazione del metodo in presenza di compensazione dell’artefatto di pelle. • E’stato infine proposto un metodo alternativo di calibrazione anatomica basato sull’individuazione di un insieme di punti non etichettati, giacenti sulla superficie dell’osso e ricostruiti rispetto ad un TF (UP-CAST). A partire dalla posizione di questi punti, misurati su pelvi coscia e gamba, la morfologia del relativo segmento osseo è stata stimata senza identificare i repere, bensì effettuando un’operazione di matching dei punti misurati con un modello digitale dell’osso in esame. La procedura di individuazione dei punti è stata eseguita da personale non specializzato nell’individuazione dei repere anatomici. Ai soggetti in esame è stato richiesto di effettuare dei cicli di cammino in modo tale da poter indagare gli effetti della nuova procedura di calibrazione anatomica sulla determinazione della cinematica articolare. I risultati ottenuti hanno mostrato, per quel che riguarda la identificazione dei repere, che il metodo proposto migliora sia la precisione inter- che intraoperatore, rispetto alla palpazione convenzionale (Della Croce et al. 1999). E’ stato inoltre riscontrato un notevole miglioramento, rispetto ad altri protocolli (Charlton et al. 2004; Schwartz et al. 2004), nella ripetibilità della cinematica 3D di anca e ginocchio. Bisogna inoltre evidenziare che il protocollo è stato applicato da operatori non specializzati nell’identificazione dei repere anatomici. Grazie a questo miglioramento, la presenza di diversi operatori nel laboratorio non genera una riduzione di ripetibilità. Infine, il tempo richiesto per la procedura è drasticamente diminuito. Per una analisi che include la pelvi e i due arti inferiori, ad esempio, l’identificazione dei 16 repere caratteristici usando la calibrazione convenzionale richiede circa 15 minuti, mentre col nuovo metodo tra i 5 e i 10 minuti.

On the use of simple geometric descriptors provided by RGB-D sensors for re-identification

[EN]The re-identification problem has been commonly accomplished using appearance features based on salient points and color information. In this paper, we focus on the possibilities that simple geometric features obtained from depth images captured with RGB-D cameras may offer for the task, particularly working under severe illumination conditions. The results achieved for different sets of simple geometric features extracted in a top-view setup seem to provide useful descriptors for the re-identification task, which can be integrated in an ambient intelligent environment as part of a sensor network.