The three-dimensional single-bin-size bin packing problem: combining metaheuristic and machine learning approaches

The Three-Dimensional Single-Bin-Size Bin Packing Problem is one of the most studied problem in the Cutting & Packing category. From a strictly mathematical point of view, it consists of packing a finite set of strongly heterogeneous “small” boxes, called items, into a finite set of identical “large” rectangles, called bins, minimizing the unused volume and requiring that the items are packed without overlapping. The great interest is mainly due to the number of real-world applications in which it arises, such as pallet and container loading, cutting objects out of a piece of material and packaging design. Depending on these real-world applications, more objective functions and more practical constraints could be needed. After a brief discussion about the real-world applications of the problem and a exhaustive literature review, the design of a two-stage algorithm to solve the aforementioned problem is presented. The algorithm must be able to provide the spatial coordinates of the placed boxes vertices and also the optimal boxes input sequence, while guaranteeing geometric, stability, fragility constraints and a reduced computational time. Due to NP-hard complexity of this type of combinatorial problems, a fusion of metaheuristic and machine learning techniques is adopted. In particular, a hybrid genetic algorithm coupled with a feedforward neural network is used. In the first stage, a rich dataset is created starting from a set of real input instances provided by an industrial company and the feedforward neural network is trained on it. After its training, given a new input instance, the hybrid genetic algorithm is able to run using the neural network output as input parameter vector, providing as output the optimal solution. The effectiveness of the proposed works is confirmed via several experimental tests.

Modeling Ultrafast Spectroscopy of the NADH Dimer: From UV-VIS to X-rays

Ultrafast pump-probe spectroscopy is a conceptually simple and versatile tool for resolving photoinduced dynamics in molecular systems. Due to the fast development of new experimental setups, such as synchrotron light sources and X-ray free electron lasers (XFEL), new spectral windows are becoming accessible. On the one hand, these sources have enabled scientist to access faster and faster time scales and to reach unprecedent insights into dynamical properties of matter. On the other hand, the complementarity of well-developed and novel techniques allows to study the same physical process from different points of views, integrating the advantages and overcoming the limitations of each approach. In this context, it is highly desirable to reach a clear understanding of which type of spectroscopy is more suited to capture a certain facade of a given photo-induced process, that is, to establish a correlation between the process to be unraveled and the technique to be used. In this thesis, I will show how computational spectroscopy can be a tool to establish such a correlation. I will study a specific process, which is the ultrafast energy transfer in the nicotinamide adenine dinucleotide dimer (NADH). This process will be observed in different spectral windows (from UV-VIS to X-rays), accessing the ability of different spectroscopic techniques to unravel the system evolution by means of state-of-the-art theoretical models and methodologies. The comparison of different spectroscopic simulations will demonstrate their complementarity, eventually allowing to identify the type of spectroscopy that is best suited to resolve the ultrafast energy transfer.

Analise das alterações nos padrões de preensão palmar em pianistas

Universidade Estadual de Campinas . Faculdade de Educação Física

Desenvolvimento de uma metodologia para reconstrução tridimensional e analise de superficies do corpo humano

Universidade Estadual de Campinas . Faculdade de Educação Física

Increased mRNA expression of collagen V gene in pulmonary fibrosis of systemic sclerosis

Background Collagen V shows promise as an inducer of interstitial lung fibrosis in experimental systemic sclerosis (SSc). Materials and methods Remodelling of the pulmonary interstitium was evaluated based on the clinical data and open lung biopsies from 15 patients with SSc. Normal lung tissues obtained from eight individuals who died of traumatic injuries were used as control group. Immunofluorescence, immunohistochemistry, morphometry, tri-dimensional reconstruction and a real-time polymerase chain reaction were used to evaluate the quantity, structure and molecular chains of collagen V. The impact of these markers was tested on clinical data. Results The main difference in collagen V content between SSc patients and the control group was an increased, abnormal and distorted fibre deposition in the alveolar septa and the pre-acinar artery wall. The lungs from SSc patients presented [alpha 1(V)] and [alpha 2(V)] mRNA chain expression increased, but [alpha 2(V)] was proportionally increased compared with the control group. High levels of collagen V were inversely associated with vital capacity (r = -0.72; P = 0.002), forced vital capacity (r = -0.76; P < 0.001), forced expiratory volume in 1-s (r = -0.89; P < 0.001) and diffusing capacity for carbon monoxide (r = -0.62; P = 0.04). Conclusions Abnormal collagen V fibres are overproduced in lungs from SSc patients and may play an important role in the pathogenesis of the disease as this molecule regulates tissue collagen assembly. The aberrant histoarchitecture observed in SSc can be related to the overexpression of the [alpha 2(V)] gene of unknown origin.

Coronary magnetic resonance angiography for the detection of coronary stenoses.

BACKGROUND: An accurate, noninvasive technique for the diagnosis of coronary disease would be an important advance. We investigated the accuracy of coronary magnetic resonance angiography among patients with suspected coronary disease in a prospective, multicenter study. METHODS: Coronary magnetic resonance angiography was performed during free breathing in 109 patients before elective x-ray coronary angiography, and the results of the two diagnostic procedures were compared. RESULTS: A total of 636 of 759 proximal and middle segments of coronary arteries (84 percent) were interpretable on magnetic resonance angiography. In these segments, 78 (83 percent) of 94 clinically significant lesions (those with a > or = 50 percent reduction in diameter on x-ray angiography) were also detected by magnetic resonance angiography. Overall, coronary magnetic resonance angiography had an accuracy of 72 percent (95 percent confidence interval, 63 to 81 percent) in diagnosing coronary artery disease. The sensitivity, specificity, and accuracy for patients with disease of the left main coronary artery or three-vessel disease were 100 percent (95 percent confidence interval, 97 to 100 percent), 85 percent (95 percent confidence interval, 78 to 92 percent), and 87 percent (95 percent confidence interval, 81 to 93 percent), respectively. The negative predictive values for any coronary artery disease and for left main artery or three-vessel disease were 81 percent (95 percent confidence interval, 73 to 89 percent) and 100 percent (95 percent confidence interval, 97 to 100 percent), respectively. CONCLUSIONS: Among patients referred for their first x-ray coronary angiogram, three-dimensional coronary magnetic resonance angiography allows for the accurate detection of coronary artery disease of the proximal and middle segments. This noninvasive approach reliably identifies (or rules out) left main coronary artery or three-vessel disease.

ParA2, a Vibrio cholerae chromosome partitioning protein, forms left-handed helical filaments on DNA.

Most bacterial chromosomes contain homologs of plasmid partitioning (par) loci. These loci encode ATPases called ParA that are thought to contribute to the mechanical force required for chromosome and plasmid segregation. In Vibrio cholerae, the chromosome II (chrII) par locus is essential for chrII segregation. Here, we found that purified ParA2 had ATPase activities comparable to other ParA homologs, but, unlike many other ParA homologs, did not form high molecular weight complexes in the presence of ATP alone. Instead, formation of high molecular weight ParA2 polymers required DNA. Electron microscopy and three-dimensional reconstruction revealed that ParA2 formed bipolar helical filaments on double-stranded DNA in a sequence-independent manner. These filaments had a distinct change in pitch when ParA2 was polymerized in the presence of ATP versus in the absence of a nucleotide cofactor. Fitting a crystal structure of a ParA protein into our filament reconstruction showed how a dimer of ParA2 binds the DNA. The filaments formed with ATP are left-handed, but surprisingly these filaments exert no topological changes on the right-handed B-DNA to which they are bound. The stoichiometry of binding is one dimer for every eight base pairs, and this determines the geometry of the ParA2 filaments with 4.4 dimers per 120 A pitch left-handed turn. Our findings will be critical for understanding how ParA proteins function in plasmid and chromosome segregation.

The Escherichia coli RuvB branch migration protein forms double hexameric rings around DNA.

The RuvB protein is induced in Escherichia coli as part of the SOS response to DNA damage. It is required for genetic recombination and the postreplication repair of DNA. In vitro, the RuvB protein promotes the branch migration of Holliday junctions and has a DNA helicase activity in reactions that require ATP hydrolysis. We have used electron microscopy, image analysis, and three-dimensional reconstruction to show that the RuvB protein, in the presence of ATP, forms a dodecamer on double-stranded DNA in which two stacked hexameric rings encircle the DNA and are oriented in opposite directions with D6 symmetry. Although helicases are ubiquitous and essential for many aspects of DNA repair, replication, and transcription, three-dimensional reconstruction of a helicase has not yet been reported, to our knowledge. The structural arrangement that is seen may be common to other helicases, such as the simian virus 40 large tumor antigen.

Leptin levels in different forms of Chagas' disease

Leptin is produced primarily by adipocytes. Although originally associated with the central regulation of satiety and energy metabolism, increasing evidence indicates that leptin may be an important mediator in cardiovascular pathophysiology. The aim of the present study was to investigate plasma leptin levels in patient with Chagas' heart disease and their relation to different forms of the disease. We studied 52 chagasic patients and 30 controls matched for age and body mass index. All subjects underwent anthropometric, leptin and N-terminal pro-brain natriuretic peptide (NT-proBNP) measurements and were evaluated by echocardiography, 12-lead electrocardiogram (ECG), and chest X-ray. All patients had fasting blood samples taken between 8:00 and 9:00 am. Chagasic patients were divided into 3 groups: group I (indeterminate form, IF group) consisted of 24 subjects with 2 positive serologic reactions for Chagas' disease and no cardiac involvement as evaluated by chest X-rays, ECG and two-dimensional echocardiography; group II (showing ECG abnormalities and normal left ventricular systolic function, ECG group) consisted of 14 patients; group III consisted of 14 patients with congestive heart failure (CHF group) and left ventricular dysfunction. Serum leptin levels were significantly lower (P < 0.001) in the CHF group (1.4 ± 0.8 ng/mL) when compared to the IF group (5.3 ± 5.3 ng/mL), ECG group (9.7 ± 10.7 ng/mL), and control group (8.1 ± 7.8 ng/mL). NT-proBNP levels were significantly higher (P < 0.001) in the CHF group (831.8 ± 800.1 pg/mL) when compared to the IF group (53.2 ± 33.3 pg/mL), ECG group (83.3 ± 57.4 pg/mL), and control group (32 ± 22.7 pg/mL). Patients with Chagas' disease and an advanced stage of CHF have high levels of NT-ProBNP andlow plasma levels of leptin. One or more leptin-suppressing mechanisms may operate in chagasic patients.

Suivi des vaisseaux sanguins en temps réel à partir d’images ultrasonores mode-B et reconstruction 3D : application à la caractérisation des sténoses artérielles

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain.

Assemblage moléculaire régi par la formation de bifluorènes : vers la formation de réseaux organiques covalents retenus par des liaisons carbone-carbone

Les réseaux organiques covalents (COFs) sont des réseaux bidimensionnels et tridimensionnels assemblés seulement par des atomes légers, c’est-à-dire de la première et deuxième rangée du tableau périodique. Ceux-ci ont montré des propriétés de porosité pouvant être exploitées dans le stockage, dans la catalyse et dans la séparation moléculaire. La plupart de ces matériaux ont été obtenus par une réaction finale de condensation, ce qui nuit à leurs cristallisations, donc à l’homogénéité et à la caractérisation détaillée de ces matériaux. Les p-xylylènes de Thiele et Tschitschibabin sont des molécules qui ont suscité l’intérêt pour leurs structures et leurs propriétés magnétiques. Subséquemment, Wittig a démontré que le remplacement des fragments diphénylméthylène par des fragments fluorénylidène sur le p-xylylène de Thiele donne des molécules pouvant s’oligomériser pour former un tétramère. Dans notre étude, nous avons examiné l’assemblage de dérivés fluorénylidène dans le but d’obtenir un COF. Tout d’abord, un dérivé linéaire similaire à ce que Wittig a obtenu a été synthétisé afin de vérifier l’assemblage à partir d’un cœur spirobifluorényle. Ces molécules se sont assemblées en tétramère, comme prévu, et en hexamère. Ces deux résultats ont pu être rationalisés par une étude à l’état solide par diffraction des rayons-X. L’empilement tridimensionnel a également été étudié pour ces deux molécules. Subséquemment, des dérivés tétraédriques ont été synthétisés afin d’étudier leurs assemblages. Un premier dérivé est resté sous sa forme quinoïdale et ne s’est pas assemblé, alors qu’un second dérivé a mené à un dimère partiellement assemblé. La structure de ce dernier suggère la formation d’un polymère linéaire pour ce composé dans le cas où il aurait été possible de l’assembler complètement.

Regular and switching platform: Bone stress analysis with varying implant diameter

The aim of this study was to evaluate stress distribution of the peri-implant bone by simulating the biomechanical influence of implants with different diameters of regular or platform switched connections by means of 3-dimensional finite element analysis. Five mathematical models of an implant-supported central incisor were created by varying the diameter (5.5 and 4.5 mm, internal hexagon) and abutment platform (regular and platform switched). For the cortical bone, the highest stress values (rmax and rvm) were observed in situation R1, followed by situations S1, R2, S3, and S2. For the trabecular bone, the highest stress values (rmax) were observed in situation S3, followed by situations R1, S1, R2, and S2. The influence of platform switching was more evident for cortical bone than for trabecular bone and was mainly seen in large platform diameter reduction.

Reconstrução e geração de malhas em estruturas biomecânicas tridimensionais para análise por elemento finitos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Digital Inline Holographic Microscopy (DIHM) of weakly-scattering subjects

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Diálogo entre o design de superfície e o design de moda: o caso das padronagens

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)