Immunologic characteristics of immunogenic variants generated by {\it in vitro\/} treatment of a methylcholanthrene-induced murine fibrosarcoma MCA-F with 1 methyl-3-nitro-1-nitrosoguanidine, 5 -aza-2$\sp\prime$-deoxycytidine, or ultraviolet radiation

This study addresses the questions of whether the frequency of generation and in vivo cross-reactivity of highly immunogenic tumor clones induced in a single parental murine fibrosarcoma cell line MCA-F is more closely related to the agent used to induce the Imm$\sp{+}$ clone or whether these characteristics are independent of the agents used. These questions were addressed by treating the parental tumor cell line MCA-F with UV-B radiation (UV-B), 1-methyl-3-nitro-1-nitrosoguanidine (MNNG), or 5-aza-2$\sp\prime$-deoxycytidine (5-azaCdR). The frequency of Imm$\sp{+}$ variant generation was similarly high for the three different agents, suggesting that the frequency of Imm$\sp{+}$ generation was related more closely to the cell line than to the inducing agent used. Cross-reactivity was tested with two Imm$\sp{+}$ clones from each treatment group in a modified immunoprotection assay that selectively engendered antivariant, but not antiparental immunity. Under these conditions each clone, except one, immunized against itself. The MNNG-induced clones engendered stronger antivariant immunity but a weaker variant cross-reactive immunity could also be detected.^ This study also characterized the lymphocyte populations responsible for antivariant and antiparental immunity in vivo. Using the local adoptive transfer assay (LATA) and antibody plus complement depletion of T-cell subsets, we showed that immunity induced by the Imm$\sp{+}$ variants against the parent MCA-F was transferred by the Thy1.2$\sp{+}$, L3T4a$\sp{+}$, Lyt2.1$\sp{-}$ (CD4$\sp{+}$) population, without an apparent contribution by Thy1.2$\sp{+}$, L3T4a$\sp{-}$, Lyt2.1$\sp{+}$ (CD8$\sp{+}$) cells. A role for Lyt2.1$\sp{+}$T lymphocytes in antivariant, but not antiparent immunity was supported by the results of LATA and CTL assays. Immunization with low numbers of viable Imm$\sp{+}$ cells, or with high numbers of non viable Imm$\sp{+}$ cells engendered only antivariant immunity without parental cross-protection. The associative recognition of parental antigens and variant neoantigens resulting in strong antiparent immunity was investigated using somatic cells hybrids of Imm$\sp{+}$ variants of MCA-F and an antigenically distinct tumor MCA-D. An unexpected result of these latter experiments was the expression of a unique tumor-specific antigen by the hybrid cells. These studies demonstrate that the parental tumor-specific antigen and the variant neoantigen must be coexpressed on the cell surface to engender parental cross-protective immunity. (Abstract shortened with permission of author.) ^

Proceedings of the 22nd Annual Biochemical Engineering Symposium

This is the twenty-second of a series of symposia devoted to talks and posters by students about their biochemical engineering research. The first, third, fifth, ninth, twelfth, sixteenth, and twenti~th were hosted by Kansas State University, the second and fourth by the University of Nebraska- Lincoln, the sixth, seventh, tenth, thirteenth, seventeenth, and twenty-second by Iowa State University, the eighth, fourteenth, and nineteenth by the University of Missouri-Columbia, the eleventh, fifteenth, and twenty-first by Colorado State University, and the eighteenth by the University of Colorado. Next year's symposium will be at the University of Oklahoma. Symposium proceedings are edited and issued by faculty of the host institution. Because final publication usually takes place in refereed journals, articles included here are brief and often cover work in progress. ContentsC. A. Baldwin, J.P. McDonald, and L. E. Erickson, Kansas State University. Effect of Hydrocarbon Phase on Kinetic and Transport Limitations for Bioremediation of Microporous Soil J. C. Wang, S. K. Banerji, and Rakesh Bajpai, University of Missouri-Columbia. Migration of PCP in Soil-Columns in Presence of a Second Organic Phase Cheng-Hsien Hsu and Roger G. Harrison, University of Oklahoma. Bacterial Leaching of Zinc and Copper from Mining Wastes James A. Searles, Paul Todd, and Dhinakar S. Kompala, University of Colorado. Suspension Culture of Chinese Hamster Ovary Cells Utilizing Inclined Sedimentation Ron Beyerinck and Eric H. Dunlop, Colorado State University. The Effect of Feed Zone Turbulence as Measured by Laser Doppler Velocimetry on Baker's Yeast Metabolism in a Chemostat Paul Li-Hong Yeh, GraceY. Sun, Gary A. Weisman, and Rakesh Bajpai, University of Missouri-Columbia. Effect of Medium Constituents upon Membrane Composition of Insect Cells R. Shane Gold, M. M. Meagher, R. Hutkins, and T. Conway, University of Nebraska-Lincoin. Ethanol Tolerance and Carbohydrate Metabolism in Lactobacilli John Sargantanis and M. N. Karim, Colorado State University. Application of Kalman Filter and Adaptive Control in Solid Substrate Fermentation D. Vrana, M. Meagher, and R. Hutkins, University of Nebraska-Lincoln. Product Recovery Optimization in the ABE Fermentation Kalyan R. Tadikonda and Robert H. Davis, University of Colorado. Cell Separations Using Targeted Monoclonal Antibodies Against Surface Proteins Meng H. Heng and Charles E. Glatz, Iowa State University. Charged Fusion for Selective Recovery of B-Galactosidase from Cell Extract Using Hollow Fiber Ion-Exchange Membrane Adsorption Hsiu-Mei Chen, Peter J. Reilly, and Clark Ford, Iowa State University. Site-Directed Mutagenesis to Enhance Thermostability of Glucoamylase from Aspergillus: A Rational Approach P. Tuitemwong, L. E. Erickson, and D. Y. C. Fung, Kansas State University. Applications of Enzymatic Hydrolysis and Fermentation on the Reduction of Flatulent Sugars in the Rapid Hydration Hydrothermal Cooked Soy Milk Sanjeev Redkar and Robert H. Davis, University of Colorado. Crossflow Microfiltration of Yeast Suspensions Linda Henk and James C. Linden, Colorado State University, and Irving C. Anderson, Iowa State University. Evaluation of Sorghum Ensilage as an Ethanol Feedstock Marc Lipovitch and James C. Linden, Colorado State University. Stability and Biomass Feedstock Pretreatability for Simultaneous Saccharification and Fermentation Ali Demirci, Anthony L. Pometto Ill, and Kenneth E. Johnson, Iowa State University. Application of Biofilm Reactors in Lactic Acid Fermentation Michael K. Dowd, Peter I. Reilly, and WalterS. Trahanovsky, Iowa State University. Low Molecular-Weight Organic Composition of Ethanol Stillage from Corn Craig E. Forney, Meng H. Heng, John R. Luther, Mark Q. Niederauer, and Charles E. Glatz, Iowa State University. Enhancement of Protein Separation Using Genetic Engineering J. F. Shimp, J. C. Tracy, E. Lee, L. C. Davis, and L. E. Erickson, Kansas State University. Modeling Contaminant Transport, Biodegradation and Uptake by Plants in the Rhizosphere Xiaoqing Yang, L. E. Erickson, and L. T. Fan, Kansas State University. Modeling of Dispersive-Convective Characteristics in Bioremediation of Contaminated Soil Jan Johansson and Rakesh Bajpai, University of Missouri-Columbia. Fouling of Membranes J. M. Wang, S. K. Banerji, and R. K. Bajpai, University of Missouri-Columbia. Migration of Sodium-Pentachorophenol (Na-PCP) in Unsaturated and Saturated Soil-Columns J. Sweeney and M. Meagher, University of Nebraska-Lincoln. The Purification of Alpha-D-Glucuronidase from Trichoderma reesei

An economic modelling approach for vulnerability assesment in irrigation farms in Spain

In the last years, vulnerability assessment has emerged as a need for policy making instead of being a pure academic exercise (Hinkel, 2010). In the current context of changing climate, increasing water scarcity threatens economic activities in many arid or semi-arid regions of the World. Climate change (CC) science and policy debates have traditionally focused on CC mitigation and impact assessment (Krysanova et al., 2010). However, even if mitigation policies are successfully enforced some climate change is still expected. Then, adaptation is strongly necessary and, for that, improved knowledge on vulnerability and adaptive capacity is required.

Optimal Multiresolution 3D Level-Set Method for Liver Segmentation incorporating Local Curvature Constraints

Advanced liver surgery requires a precise pre-operative planning, where liver segmentation and remnant liver volume are key elements to avoid post-operative liver failure. In that context, level-set algorithms have achieved better results than others, especially with altered liver parenchyma or in cases with previous surgery. In order to improve functional liver parenchyma volume measurements, in this work we propose two strategies to enhance previous level-set algorithms: an optimal multi-resolution strategy with fine details correction and adaptive curvature, as well as an additional semiautomatic step imposing local curvature constraints. Results show more accurate segmentations, especially in elongated structures, detecting internal lesions and avoiding leakages to close structures

Catadioptric panoramic stereovision for humanoid robots

This paper proposes a novel design of a reconfigurable humanoid robot head, based on biological likeness of human being so that the humanoid robot could agreeably interact with people in various everyday tasks. The proposed humanoid head has a modular and adaptive structural design and is equipped with three main components: frame, neck motion system and omnidirectional stereovision system modules. The omnidirectional stereovision system module being the last module, a motivating contribution with regard to other computer vision systems implemented in former humanoids, it opens new research possibilities for achieving human-like behaviour. A proposal for a real-time catadioptric stereovision system is presented, including stereo geometry for rectifying the system configuration and depth estimation. The methodology for an initial approach for visual servoing tasks is divided into two phases, first related to the robust detection of moving objects, their depth estimation and position calculation, and second the development of attention-based control strategies. Perception capabilities provided allow the extraction of 3D information from a wide range of visions from uncontrolled dynamic environments, and work results are illustrated through a number of experiments.

Emulación de instrumentos de sobremesa mediante Tarjetas de Adquisición de Datos

Este proyecto se ha enmarcado en la línea de desarrollo del Laboratorio Virtual de electrónica, desarrollado en la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Telecomunicación (EUITT), de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Con el Laboratorio Virtual los alumnos de la universidad, de cualquiera de las escuelas de ingeniería que la componen, pueden realizar prácticas de forma remota. Es decir, desde cualquier PC con el software adecuado instalado y a través de Internet, sin requerir su presencia en un laboratorio físico. La característica más destacable e importante de este Laboratorio Virtual es que las medidas que se realizan no son simulaciones sobre circuitos virtuales, sino medidas reales sobre circuitos reales: el alumno puede configurar una serie de interconexiones entre componentes electrónicos, formando el circuito que necesite, que posteriormente el Laboratorio Virtual se encargará de realizar físicamente, gracias al hardware y al software que conforman el sistema. Tras ello, el alumno puede excitar el circuito con señales provenientes de instrumental real de laboratorio y obtener medidas de la misma forma, en los puntos del circuito que indique. La necesidad principal a la que este Proyecto de Fin de Carrera da solución es la sustitución de los instrumentos de sobremesa por instrumentos emulados en base a Tarjetas de Adquisición de Datos (DAQ). Los instrumentos emulados son: un multímetro, un generador de señales y un osciloscopio. Además, existen otros objetivos derivados de lo anterior, como es el que los instrumentos emulados deben guardar una total compatibilidad con el resto del sistema del Laboratorio Virtual, o que el diseño ha de ser escalable y adaptable. Todo ello se ha implementado mediante: un software escrito en LabVIEW, que utiliza un lenguaje de programación gráfico; un hardware que ha sido primero diseñado y luego fabricado, controlado por el software; y una Tarjeta de Adquisición de Datos, que gracias a la escalabilidad del sistema puede sustituirse por otro modelo superior o incluso por varias de ellas. ABSTRACT. This project is framed in the development line of the electronics Virtual Laboratory, developed at Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Telecomunicación (EUITT), from Universidad Politécnica de Madrid (UPM). With the Virtual Laboratory, the university’s students, from any of its engineering schools that is composed of, can do practices remotely. Or in other words, from any PC with the correct software installed and through the Internet, without requiring his or her presence in a physical laboratory. The most remarkable and important characteristic this Virtual Laboratory has is that the measures the students does are not simulations over virtual circuits, but real measures over real circuits: the student can configure a series of interconnections between electronic parts, setting up the circuit he or she needs, and afterwards the Virtual Laboratory will realize that circuit physically, thanks to the hardware and software that compose the whole system. Then, the student can apply signals coming from real laboratory instruments and get measures in the same way, at the points of the circuit he or she points out. The main need this Degree Final Project gives solution is the substitution of the real instruments by emulated instruments, based on Data Acquisition systems (DAQ). The emulated instruments are: a digital multimeter, a signal generator and an oscilloscope. In addition, there is other objectives coming from the previously said, like the need of a total compatibility between the real instruments and the emulated ones and with the rest of the Virtual Laboratory, or that the design must be scalable and adaptive. All of that is implemented by: a software written in LabVIEW, which makes use of a graphical programming language; a hardware that was first designed and later manufactured, then controlled by software; and a Data Acquisition device, though thanks to the system’s scalability it can be substituted by a better model or even by several DAQs.

Análisis genómico y funcional de los sistemas de Quorum Sensing en Rhizobium leguminosarum

Rhizobium leguminosarum (Rl) es una alfa-proteobacteria capaz de establecer una simbiosis diazotrófica con distintas leguminosas. A pesar de la importancia de esta simbiosis en el balance global del ciclo del nitrógeno, muy pocos genomas de rhizobios han sido secuenciados, que aporten nuevos conocimientos relacionados con las características genéticas que contribuyen a importantes procesos simbióticos. Únicamente tres secuencias completas de Rl han sido publicadas: Rl bv. viciae 3841 y dos genomas de Rl bv. trifolii (WSM1325 y WSM2304), ambos simbiontes de trébol. La secuencia genómica de Rlv UPM791 se ha determinado por medio de secuenciación 454. Este genoma tiene un tamaño aproximado de 7.8 Mb, organizado en un cromosoma y 5 replicones extracromosómicos, que incluyen un plásmido simbiótico de 405 kb. Este nuevo genoma se ha analizado en relación a las funciones simbióticas y adaptativas en comparación con los genomas completos de Rlv 3841 y Rl bv. trifolii WSM1325 y WSM2304. Mientras que los plásmidos pUPM791a y b se encuentran conservados, el plásmido simbiótico pUPM791c exhibe un grado de conservación muy bajo comparado con aquellos descritos en las otras cepas de Rl. Uno de los factores implicados en el establecimiento de la simbiosis es el sistema de comunicación intercelular conocido como Quorum Sensing (QS). El análisis del genoma de Rlv UPM791 ha permitido la identificación de dos sistemas tipo LuxRI mediados por señales de tipo N-acyl-homoserina lactonas (AHLs). El análisis mediante HPLC-MS ha permitido asociar las señales C6-HSL, C7-HSL y C8-HSL al sistema rhiRI, codificado en el plásmido simbiótico; mientras que el sistema cinRI, localizado en el cromosoma, produce 3OH-C14:1-HSL. Se ha identificado una tercera sintasa (TraI) codificada en el plásmido simbiótico, pero su regulador correspondiente se encuentra truncado debido a un salto de fase. Adicionalmente, se han encontrado tres reguladores de tipo LuxR-orphan que no presentan una sintasa LuxI asociada. El efecto potencial de las señales tipo AHL se ha estudiado mediante una estrategia de quorum quenching, la cual interfiere con los sistemas de QS de la bacteria. Esta estrategia está basada en la introducción del gen aiiA de Bacillus subtilis, que expresa constitutivamente una enzima lactonasa degradadora de AHLs. Para llevar a cabo el análisis en condiciones simbióticas, se ha desarrollado un sistema de doble marcaje que permite la identificación basado en los marcadores gusA y celB, que codifican para una enzima β–glucuronidasa y una β–galactosidasa termoestable, respectivamente. Los resultados obtenidos indican que Rlv UPM791 predomina sobre la cepa Rlv 3841 para la formación de nódulos en plantas de guisante. La baja estabilidad del plásmido que codifica para aiiA, no ha permitido obtener una conclusión definitiva sobre el efecto de la lactonasa AiiA en competitividad. Con el fin de analizar el significado y la regulación de la producción de moléculas señal tipo AHL, se han generado mutantes defectivos en cada uno de los dos sistemas de QS. Se ha llevado a cabo un análisis detallado sobre la producción de AHLs, formación de biofilm y simbiosis con plantas de guisante, veza y lenteja. El efecto de las deleciones de los genes rhiI y rhiR en Rlv UPM791 es más drástico en ausencia del plásmido pUPM791d. Mutaciones en cinI o cinRIS muestran tanto ausencia de señales, como producción exclusivamente de las de bajo peso molecular, respectivamente, producidas por el sistema rhiRI. Estas mutaciones mostraron un efecto importante en simbiosis. El sistema rhiRI se necesita para un comportamiento simbiótico normal. Además, mutantes cinRIS generaron nódulos blancos e ineficientes, mientras que el mutante cinI fue incapaz de producir nódulos en ninguna de las leguminosas utilizadas. Dicha mutación resultó en la inestabilización del plasmido simbiótico por un mecanismo dependiente de cinI que no ha sido aclarado. En general, los resultados obtenidos indican la existencia de un modelo de regulación dependiente de QS significativamente distinto a los que se han descrito previamente en otras cepas de R. leguminosarum, en las cuales no se había observado ningún fenotipo relevante en simbiosis. La regulación de la producción de AHLs Rlv UPM791 es un proceso complejo que implica genes situados en los plásmidos UPM791c y UPM791d, además de la señal 3-OH-C14:1-HSL. Finalmente, se ha identificado un transportador de tipo RND, homologo a mexAB-oprM de P. aeruginosa e implicado en la extrusión de AHLs de cadena larga. La mutación he dicho transportador no tuvo efectos apreciables sobre la simbiosis. ABSTRACT Rhizobium leguminosarum (Rl) is a soil alpha-proteobacterium that establishes a diazotrophic symbiosis with different legumes. Despite the importance of this symbiosis to the global nitrogen cycling balance, very few rhizobial genomes have been sequenced so far which provide new insights into the genetic features contributing to symbiotically relevant processes. Only three complete sequences of Rl strains have been published: Rl bv. viciae 3841, harboring six plasmids (7.75 Mb) and two Rl bv. trifolii (WSM1325 and WSM2304), both clover symbionts, harboring 5 and 4 plasmids, respectively (7.41 and 6.87 Mb). The genomic sequence of Rlv UPM791 was undertaken by means of 454 sequencing. Illumina and Sanger reads were used to improve the assembly, leading to 17 final contigs. This genome has an estimated size of 7.8 Mb organized in one chromosome and five extrachromosomal replicons, including a 405 kb symbiotic plasmid. Four of these plasmids are already closed, whereas there are still gaps in the smallest one (pUPM791d) due to the presence of insertion elements and repeated sequences, which difficult the assembly. The annotation has been carried out thanks to the Manatee pipeline. This new genome has been analyzed as regarding symbiotic and adaptive functions in comparison to the Rlv 3841 complete genome, and to those from Rl bv. trifolii strains WSM1325 and WSM2304. While plasmids pUPM791a and b are conserved, the symbiotic plasmid pUPM791c exhibited the lowest degree of conservation as compared to those from the other Rl strains. One of the factors involved in the symbiotic process is the intercellular communication system known as Quorum Sensing (QS). This mechanism allows bacteria to carry out diverse biological processes in a coordinate way through the production and detection of extracellular signals that regulate the transcription of different target genes. Analysis of the Rlv UPM791 genome allowed the identification of two LuxRI-like systems mediated by N-acyl-homoserine lactones (AHLs). HPLC-MS analysis allowed the adscription of C6-HSL, C7-HSL and C8-HSL signals to the rhiRI system, encoded in the symbiotic plasmid, whereas the cinRI system, located in the chromosome, produces 3OH-C14:1-HSL, previously described as “bacteriocin small”. A third synthase (TraI) is encoded also in the symbiotic plasmid, but its cognate regulator TraR is not functional due to a fameshift mutation. Three additional LuxR orphans were also found which no associated LuxI-type synthase. The potential effect of AHLs has been studied by means of a quorum quenching approach to interfere with the QS systems of the bacteria. This approach is based upon the introduction into the strains Rl UPM791 and Rl 3841 of the Bacillus subtilis gene aiiA expressing constitutively an AHL-degrading lactonase enzyme which led to virtual absence of AHL even when AiiA-expressing cells were a fraction of the total population. No significant effect of AiiA-mediated AHL removal on competitiveness for growth in solid surface was observed. For analysis under symbiotic conditions we have set up a two-label system to identify nodules produced by two different strains in pea roots, based on the markers gusA and celB, encoding a β–glucuronidase and a thermostable β–galactosidase enzymes, respectively. The results obtained show that Rlv UPM791 outcompetes Rlv 3841 for nodule formation in pea plants, and that the presence of the AiiA plasmid does not significantly affect the relative competitiveness of the two Rlv strains. However, the low stability of the pME6863 plasmid, encoding aiiA, did not lead to a clear conclusion about the AiiA lactonase effect on competitiveness. In order to further analyze the significance and regulation of the production of AHL signal molecules, mutants deficient in each of the two QS systems were constructed. A detailed analysis of the effect of these mutations on AHL production, biofilm formation and symbiosis with pea, vetch and lentil plants has been carried out. The effect of deletions on Rlv UPM791 rhiI and rhiR genes is more pronounced in the absence of plasmid pUPM791d, as no signal is detected in UPM791.1, lacking this plasmid. Mutations in cinI or cinRIS show either no signals, or only the small ones produced by the rhiRI system, suggesting that cinR might be regulating the rhiRI system. These mutations had a strong effect on symbiosis. Analysis of rhi mutants revealed that rhiRI system is required for normal symbiotic performance, as a drastic reduction of symbiotic fitness is observed when rhiI is deleted, and rhiR is essential for nitrogen fixation in the absence of plasmid pUPM791d. Furthermore, cinRIS mutants resulted in white and inefficient nodules, whereas cinI mutant was unable to form nodules on any legume tested. The latter mutation is associated to the instabilization of the symbiotic plasmid through a mechanism still uncovered. Overall, the results obtained indicate the existence of a model of QS-dependent regulation significantly different to that previously described in other R. leguminosarum strains, where no relevant symbiotic phenotype had been observed. The regulation of AHL production in Rlv UPM791 is a complex process involving the symbiotic plasmid (pUPM791c) and the smallest plasmid (pUPM791d), with a key role for the 3-OH-C14:1-HSL signal. Finally, we made a search for potential AHL transporters in Rlv UPM791 genome. These signals diffuse freely across membranes, but in the case of the long-chain AHLs an active efflux system might be required, as it has been described for C12-HSL in the case of Pseudomonas aeruginosa. We have identified a putative AHL transporter of the RND family homologous to P. aeruginosa mexAB-oprM. A mutant strain deficient in this transporter has been generated, and TLC analysis shows absence of 3OH-C14:1-HSL in its supernatant. This deficiency was complemented by the reintroduction of an intact copy of the genes via plasmid transfer. The mutation in mexAB genes had no significant effects on the symbiotic performance of R. leguminosarum bv. viciae.

Supervised classification of minimally invasive surgery psychomotor competence based on instruments motion analysis

Background Objective assessment of psychomotor skills has become an important challenge in the training of minimally invasive surgical (MIS) techniques. Currently, no gold standard defining surgical competence exists for classifying residents according to their surgical skills. Supervised classification has been proposed as a means for objectively establishing competence thresholds in psychomotor skills evaluation. This report presents a study comparing three classification methods for establishing their validity in a set of tasks for basic skills’ assessment. Methods Linear discriminant analysis (LDA), support vector machines (SVM), and adaptive neuro-fuzzy inference systems (ANFIS) were used. A total of 42 participants, divided into an experienced group (4 expert surgeons and 14 residents with >10 laparoscopic surgeries performed) and a nonexperienced group (16 students and 8 residents with <10 laparoscopic surgeries performed), performed three box trainer tasks validated for assessment of MIS psychomotor skills. Instrument movements were captured using the TrEndo tracking system, and nine motion analysis parameters (MAPs) were analyzed. The performance of the classifiers was measured by leave-one-out cross-validation using the scores obtained by the participants. Results The mean accuracy performances of the classifiers were 71 % (LDA), 78.2 % (SVM), and 71.7 % (ANFIS). No statistically significant differences in the performance were identified between the classifiers. Conclusions The three proposed classifiers showed good performance in the discrimination of skills, especially when information from all MAPs and tasks combined were considered. A correlation between the surgeons’ previous experience and their execution of the tasks could be ascertained from results. However, misclassifications across all the classifiers could imply the existence of other factors influencing psychomotor competence.

Contribución a las arquitecturas flexibles para la multiconferencia web adaptable a la demanda

Los sistemas de videoconferencia y colaboración en tiempo real para múltiples usuarios permiten a sus usuarios comunicarse por medio de vídeo, audio y datos. Históricamente estos han sido sistemas caros de obtener y de mantener. El paso de las décadas ha limado estos problemas acercado el mundo de comunicación en tiempo real a un grupo mucho más amplio, llegando a usarse en diversos ámbitos como la educación o la medicina. En este sentido, el último gran salto evolutivo al que hemos asistido ha sido la transición de este tipo de aplicaciones hacia la Web. Varias tecnologías han permitido este viaje hacia el navegador. Las Aplicaciones Ricas de Internet (RIAs), que permiten crear aplicaciones Web interactivas huyendo del clásico esquema de petición y respuesta y llevando funcionalidades propias de las aplicaciones nativas a la Web. Por otro lado, la computación en la nube o Cloud Computing, con su modelo de pago por uso de recursos virtualizados, ha llevado a la creación de servicios que se adaptan mejor a la demanda, han habilitado este viaje hacia el navegador. No obstante, como cada cambio, este salto presenta una serie de retos para los sistemas de videoconferencia establecidos. Esta tesis doctoral propone un conjunto de arquitecturas, mecanismos y algoritmos para adaptar los sistemas de multiconferencia al entorno Web, teniendo en cuenta que este es accedido desde dispositivos diferentes y mediante redes de acceso variadas. Para ello se comienza por el estudio de los requisitos que debe cumplir un sistema de videoconferencia en la Web. Como resultado se diseña, implementa y desarrolla un servicio de videoconferencia que permite la colaboración avanzada entre múltiples usuarios mediante vídeo, audio y compartición de escritorio. Posteriormente, se plantea un sistema de comunicación entre una aplicación nativa y Web, proponiendo técnicas de adaptación entre los dos entornos que permiten la conversación de manera transparente para los usuarios. Estos sistemas permiten facilitar la transición hacia tecnologías Web. Como siguiente paso, se identificaron los principales problemas que existen para la comunicación multiusuario en dispositivos de tamaño reducido (teléfonos inteligentes) utilizando redes de acceso heterogéneas. Se propone un mecanismo, combinación de transcodificación y algoritmos de adaptación de calidad para superar estas limitaciones y permitir a los usuarios de este tipo de dispositivos participar en igualdad de condiciones. La aparición de WebRTC como tecnología disruptiva en este entorno, permitiendo nuevas posibilidades de comunicación en navegadores, motiva la segunda iteración de esta tesis. Aquí se presenta un nuevo esquema de adaptación a la demanda para servidores de videoconferencia diseñado para las necesidades del entorno Web y para aprovechar las características de Cloud Computing. Finalmente, esta tesis repasa las conclusiones obtenidas como fruto del trabajo llevado a cabo, reflejando la evolución de la videoconferencia Web desde sus inicios hasta nuestros días. ABSTRACT Multiuser Videoconferencing and real-time collaboration systems allow users to communicate using video, audio and data streams. These systems have been historically expensive to obtain and maintain. Over the last few decades, technological breakthroughs have mitigated those costs and popularized real time video communication, allowing its use in environments such as education or health. The last big evolutionary leap forward has been the transition of these types of applications towards theWeb. Several technologies have allowed this journey to theWeb browser. Firstly, Rich Internet Applications (RIAs) enable the creation of dynamic Web pages that defy the classical request-response interaction and provide an experience similar to their native counterparts. On the other hand, Cloud Computing brings the leasing of virtualized hardware resources in a pay-peruse model and, with it, better scalability in resource-demanding services. However, as with every change, this evolution imposes a set of challenges on existing videoconferencing solutions. This dissertation proposes a set of architectures, mechanisms and algorithms that aim to adapt multi-conferencing systems to the Web platform, taking into account the variety of devices and access networks that come with it. To this end, this thesis starts with a study concerning the requirements that must be met by new Web videoconferencing systems. The result of this study is the design, development and implementation of a new videoconferencing services that provides advanced collaboration to its user by providing video and audio communication as well as desktop sharing. After this, a new communication system between Web and native applications is presented. This system proposes adaptation mechanisms to bridge the two worlds providing a seamless integration transparent to users who can now access the powerful native application via an easy Web interface. The next step is to identify the main challenges posed by multi-conferencing on small devices (smartphones) with heterogeneous access networks. This dissertation proposes a mechanism that combines transcoding and adaptive quality algorithms to overcome those limitations. A second iteration in this dissertation is motivated by WebRTC. WebRTC appears as a disrupting technology by enabling new real-time communication possibilities in browsers. A new mechanism for flexible videoconferencing server scalability is presented. This mechanism aims to address the strong scalability requirements in the Web environment by taking advantage of Cloud Computing. Finally, the dissertation discusses the results obtained throughout the study, capturing the evolution of Web videoconferencing systems.

Analysis of quality of experience in 3D video systems

Esta tesis presenta un estudio exhaustivo sobre la evaluación de la calidad de experiencia (QoE, del inglés Quality of Experience) percibida por los usuarios de sistemas de vídeo 3D, analizando el impacto de los efectos introducidos por todos los elementos de la cadena de procesamiento de vídeo 3D. Por lo tanto, se presentan varias pruebas de evaluación subjetiva específicamente diseñadas para evaluar los sistemas considerados, teniendo en cuenta todos los factores perceptuales relacionados con la experiencia visual tridimensional, tales como la percepción de profundidad y la molestia visual. Concretamente, se describe un test subjetivo basado en la evaluación de degradaciones típicas que pueden aparecer en el proceso de creación de contenidos de vídeo 3D, por ejemplo debidas a calibraciones incorrectas de las cámaras o a algoritmos de procesamiento de la señal de vídeo (p. ej., conversión de 2D a 3D). Además, se presenta el proceso de generación de una base de datos de vídeos estereoscópicos de alta calidad, disponible gratuitamente para la comunidad investigadora y que ha sido utilizada ampliamente en diferentes trabajos relacionados con vídeo 3D. Asimismo, se presenta otro estudio subjetivo, realizado entre varios laboratorios, con el que se analiza el impacto de degradaciones causadas por la codificación de vídeo, así como diversos formatos de representación de vídeo 3D. Igualmente, se describen tres pruebas subjetivas centradas en el estudio de posibles efectos causados por la transmisión de vídeo 3D a través de redes de televisión sobre IP (IPTV, del inglés Internet Protocol Television) y de sistemas de streaming adaptativo de vídeo. Para estos casos, se ha propuesto una innovadora metodología de evaluación subjetiva de calidad vídeo, denominada Content-Immersive Evaluation of Transmission Impairments (CIETI), diseñada específicamente para evaluar eventos de transmisión simulando condiciones realistas de visualización de vídeo en ámbitos domésticos, con el fin de obtener conclusiones más representativas sobre la experiencia visual de los usuarios finales. Finalmente, se exponen dos experimentos subjetivos comparando varias tecnologías actuales de televisores 3D disponibles en el mercado de consumo y evaluando factores perceptuales de sistemas Super Multiview Video (SMV), previstos a ser la tecnología futura de televisores 3D de consumo, gracias a una prometedora visualización de contenido 3D sin necesidad de gafas específicas. El trabajo presentado en esta tesis ha permitido entender los factores perceptuales y técnicos relacionados con el procesamiento y visualización de contenidos de vídeo 3D, que pueden ser de utilidad en el desarrollo de nuevas tecnologías y técnicas de evaluación de la QoE, tanto metodologías subjetivas como métricas objetivas. ABSTRACT This thesis presents a comprehensive study of the evaluation of the Quality of Experience (QoE) perceived by the users of 3D video systems, analyzing the impact of effects introduced by all the elements of the 3D video processing chain. Therefore, various subjective assessment tests are presented, particularly designed to evaluate the systems under consideration, and taking into account all the perceptual factors related to the 3D visual experience, such as depth perception and visual discomfort. In particular, a subjective test is presented, based on evaluating typical degradations that may appear during the content creation, for instance due to incorrect camera calibration or video processing algorithms (e.g., 2D to 3D conversion). Moreover, the process of generation of a high-quality dataset of 3D stereoscopic videos is described, which is freely available for the research community, and has been already widely used in different works related with 3D video. In addition, another inter-laboratory subjective study is presented analyzing the impact of coding impairments and representation formats of stereoscopic video. Also, three subjective tests are presented studying the effects of transmission events that take place in Internet Protocol Television (IPTV) networks and adaptive streaming scenarios for 3D video. For these cases, a novel subjective evaluation methodology, called Content-Immersive Evaluation of Transmission Impairments (CIETI), was proposed, which was especially designed to evaluate transmission events simulating realistic home-viewing conditions, to obtain more representative conclusions about the visual experience of the end users. Finally, two subjective experiments are exposed comparing various current 3D displays available in the consumer market, and evaluating perceptual factors of Super Multiview Video (SMV) systems, expected to be the future technology for consumer 3D displays thanks to a promising visualization of 3D content without specific glasses. The work presented in this thesis has allowed to understand perceptual and technical factors related to the processing and visualization of 3D video content, which may be useful in the development of new technologies and approaches for QoE evaluation, both subjective methodologies and objective metrics.

Brain localization for arbitrary stimulus categories: a simple account based on Hebbian learning.

A central theme of cognitive neuroscience is that different parts of the brain perform different functions. Recent evidence from neuropsychology suggests that even the processing of arbitrary stimulus categories that are defined solely by cultural conventions (e.g., letters versus digits) can become spatially segregated in the cerebral cortex. How could the processing of stimulus categories that are not innate and that have no inherent structural differences become segregated? We propose that the temporal clustering of stimuli from a given category interacts with Hebbian learning to lead to functional localization. Neural network simulations bear out this hypothesis.

Método multigrid algébrico: reutilização das estruturas multigrid no transporte de contaminantes

A necessidade de obter solução de grandes sistemas lineares resultantes de processos de discretização de equações diferenciais parciais provenientes da modelagem de diferentes fenômenos físicos conduz à busca de técnicas numéricas escaláveis. Métodos multigrid são classificados como algoritmos escaláveis.Um estimador de erros deve estar associado à solução numérica do problema discreto de modo a propiciar a adequada avaliação da solução obtida pelo processo de aproximação. Nesse contexto, a presente tese caracteriza-se pela proposta de reutilização das estruturas matriciais hierárquicas de operadores de transferência e restrição dos métodos multigrid algébricos para acelerar o tempo de solução dos sistemas lineares associados à equação do transporte de contaminantes em meio poroso saturado. Adicionalmente, caracteriza-se pela implementação das estimativas residuais para os problemas que envolvem dados constantes ou não constantes, os regimes de pequena ou grande advecção e pela proposta de utilização das estimativas residuais associadas ao termo de fonte e à condição inicial para construir procedimentos adaptativos para os dados do problema. O desenvolvimento dos códigos do método de elementos finitos, do estimador residual e dos procedimentos adaptativos foram baseados no projeto FEniCS, utilizando a linguagem de programação PYTHONR e desenvolvidos na plataforma Eclipse. A implementação dos métodos multigrid algébricos com reutilização considera a biblioteca PyAMG. Baseado na reutilização das estruturas hierárquicas, os métodos multigrid com reutilização com parâmetro fixo e automática são propostos, e esses conceitos são estendidos para os métodos iterativos não-estacionários tais como GMRES e BICGSTAB. Os resultados numéricos mostraram que o estimador residual captura o comportamento do erro real da solução numérica, e fornece algoritmos adaptativos para os dados cuja malha retornada produz uma solução numérica similar à uma malha uniforme com mais elementos. Adicionalmente, os métodos com reutilização são mais rápidos que os métodos que não empregam o processo de reutilização de estruturas. Além disso, a eficiência dos métodos com reutilização também pode ser observada na solução do problema auxiliar, o qual é necessário para obtenção das estimativas residuais para o regime de grande advecção. Esses resultados englobam tanto os métodos multigrid algébricos do tipo SA quanto os métodos pré-condicionados por métodos multigrid algébrico SA, e envolvem o transporte de contaminantes em regime de pequena e grande advecção, malhas estruturadas e não estruturadas, problemas bidimensionais, problemas tridimensionais e domínios com diferentes escalas.

Impacto no sistema imunológico da utilização prolongada de morfina para tratamento da dor

Introdução. Apesar das evidências dos efeitos imunomodulatórios da morfina, não há na literatura estudos que tenham comparado a interação entre citocinas, imunidade celular (linfócitos T, B e NK) e a administração prolongada de morfina administrada pelas vias oral ou intratecal em doentes com dor crônica neuropática não relacionada ao câncer. Foram avaliados de forma transversal e comparativa 50 doentes com diagnóstico de dor lombar crônica e com presença de radiculopatia (dor neuropática) previamente operados para tratar hérnia discal lombar (Síndrome Dolorosa Pós- Laminectomia), sendo 18 doentes tratados prolongadamente com infusão de morfina pela via intratecal com uso de sistema implantável no compartimento subaracnóideo (grupo intratecal); 17 doentes tratados prolongadamente com morfina pela via oral (n=17) e 15 doentes tratados com fármacos mas sem opióides (grupo sem opioide). Foram analisadas as concentração das citocinas IL-2, IL-4, IL-8, TNFalfa, IFNy, IL-5, GM-CSF, IL-6, IL-10 e IL-1beta no plasma e no líquido cefalorraquidiano; imunofenotipagem de linfócitos T, B e células NK e avaliados os Índice de Escalonamento de Opióide (em percentagem de opióide utilizada e em mg), dose cumulativa de morfina (mg), duração do tratamento em meses, dose final de morfina utilizada (em mg), e equivalente de morfina por via oral (em mg). Resultados. Não houve diferença estatisticamente significativa entre o número de linfócitos T, B e NK nos doentes com morfina administrada pelas vias IT, VO e os não usuários de morfina. Houve correlação positiva entre as concentrações de linfócitos T CD4 e o Índice de Escalonamento de Opióide (em % e mg) nos doentes tratados com morfina por via intratecal. Houve correlação negativa entre as concentrações de células NK (CD56+) e o Índice de Escalonamento de Opióide (em % e mg) nos doentes tratados com morfina por via intratecal. Houve correlação positiva entre o número de células NK (CD56+) e a dose cumulativa de morfina (em mg) administrada pelas vias intratecal e oral. Houve correlação positiva entre as concentrações de linfócitos T CD8 e a duração do tratamento em meses nos doentes tratados com morfina pela via oral. As concentrações de IL-8 e IL-1beta foram maiores no LCR do que no plasma em todos os doentes da amostra analisada. As concentrações de IFNy no LCR foram maiores nos doentes que utilizavam morfina pela via oral e nos não usuários de morfina do que nos que a utilizavam pela via intratecal. As concentrações de plasmáticas de IL-5 foram maiores nos doentes utilizavam morfina pela via oral ou intratecal do que nos que não a utilizavam. A concentração de IL-5 no LCR correlacionou-se negativamente com a magnitude da dor de acordo com a EVA nos doentes tratados com morfina pelas via oral ou intratecal. Nos doentes tratados com morfina pelas via oral ou intratecal, a concentração de IL-2 no LCR correlacionou-se positivamente com a magnitude da dor de acordo com a EVA e negativamente com o Índice de Escalonamento de Opióide (em % e mg) e a dose cumulativa de morfina (em mg). As concentrações plasmáticas de GMCSF foram maiores nos doentes utilizavam morfina pela via oral ou intratecal do que nos não a utilizavam. A concentração de TNFalfa no LCR nos doentes tratados com morfina pela via intratecal correlacionou-se negativamente com o Índice de Escalonamento de Opióide (em % e mg), a dose cumulativa de morfina (em mg) e dose equivalente por via oral (em mg) de morfina. A concentração plasmática das citocinas IL-6 e IL-10 correlacionou-se negativamente com a duração do tratamento (em meses) nos doentes tratados com morfina administrada pela via oral. O Índice de Escalonamento de Opióide (em mg e %) correlacionou-se negativamente com as concentrações no LCR de IL-2 e TNFalfa nos doentes tratados com morfina administrada pela via intratecal. O Índice de Escalonamento de Opióide (em mg e %) correlacionou-se negativamente com as concentrações no LCR de IL-2 e IL-5 nos doentes tratados com morfina administrada pela via oral. Houve correlação negativa entre a intensidade da dor de acordo com a EVA e as concentrações de IL-5 e IL-2 no LCR nos doentes tratados com morfina administrada pelas vias oral e intratecal. Houve correlação negativa entre a intensidade da dor de acordo com a EVA e as concentrações plasmáticas de IL-4 nos doentes tratados com morfina administrada pela via intratecal. Houve correlação negativa entre a intensidade da dor de acordo com a EVA e as concentrações plasmáticas de IL-1beta nos doentes tratados com morfina administrada pela via intratecal. Conclusões: Os resultados sugerem associações entre citocinas e imunidade celular (células T , B e NK) e o tratamento prolongado com morfina administrada pela via oral ou intratecal. Estes resultados podem contribuir para a compreensão da imunomodulação da morfina administrada por diferentes vias em doentes com dor neuropática crônica não oncológica . São necessários mais estudos sobre os efeitos da morfina sobre o sistema imunológico

Avaliação da influência de emoções na tomada de decisão de sistemas computacionais.

Este trabalho avalia a influência das emoções humanas expressas pela mímica da face na tomada de decisão de sistemas computacionais, com o objetivo de melhorar a experiência do usuário. Para isso, foram desenvolvidos três módulos: o primeiro trata-se de um sistema de computação assistiva - uma prancha de comunicação alternativa e ampliada em versão digital. O segundo módulo, aqui denominado Módulo Afetivo, trata-se de um sistema de computação afetiva que, por meio de Visão Computacional, capta a mímica da face do usuário e classifica seu estado emocional. Este segundo módulo foi implementado em duas etapas, as duas inspiradas no Sistema de Codificação de Ações Faciais (FACS), que identifica expressões faciais com base no sistema cognitivo humano. Na primeira etapa, o Módulo Afetivo realiza a inferência dos estados emocionais básicos: felicidade, surpresa, raiva, medo, tristeza, aversão e, ainda, o estado neutro. Segundo a maioria dos pesquisadores da área, as emoções básicas são inatas e universais, o que torna o módulo afetivo generalizável a qualquer população. Os testes realizados com o modelo proposto apresentaram resultados 10,9% acima dos resultados que usam metodologias semelhantes. Também foram realizadas análises de emoções espontâneas, e os resultados computacionais aproximam-se da taxa de acerto dos seres humanos. Na segunda etapa do desenvolvimento do Módulo Afetivo, o objetivo foi identificar expressões faciais que refletem a insatisfação ou a dificuldade de uma pessoa durante o uso de sistemas computacionais. Assim, o primeiro modelo do Módulo Afetivo foi ajustado para este fim. Por fim, foi desenvolvido um Módulo de Tomada de Decisão que recebe informações do Módulo Afetivo e faz intervenções no Sistema Computacional. Parâmetros como tamanho do ícone, arraste convertido em clique e velocidade de varredura são alterados em tempo real pelo Módulo de Tomada de Decisão no sistema computacional assistivo, de acordo com as informações geradas pelo Módulo Afetivo. Como o Módulo Afetivo não possui uma etapa de treinamento para inferência do estado emocional, foi proposto um algoritmo de face neutra para resolver o problema da inicialização com faces contendo emoções. Também foi proposto, neste trabalho, a divisão dos sinais faciais rápidos entre sinais de linha base (tique e outros ruídos na movimentação da face que não se tratam de sinais emocionais) e sinais emocionais. Os resultados dos Estudos de Caso realizados com os alunos da APAE de Presidente Prudente demonstraram que é possível melhorar a experiência do usuário, configurando um sistema computacional com informações emocionais expressas pela mímica da face.

Classificação das amostras do ensaio de Baumann através do processamento digital de imagens.

O presente trabalho apresenta uma alternativa ao processo de classificação do defeito da segregação central em amostras de aço, utilizando as imagens digitais que são geradas durante o ensaio de Baumann. O algoritmo proposto tem como objetivo agregar as técnicas de processamento digital de imagens e o conhecimento dos especialistas sobre o defeito da segregação central, visando a classificação do defeito de referência. O algoritmo implementado inclui a identificação e a segmentação da linha segregada por meio da aplicação da transformada de Hough e limiar adaptativo. Adicionalmente, o algoritmo apresenta uma proposta para o mapeamento dos atributos da segregação central nos diferentes graus de severidade do defeito, em função dos critérios de continuidade e intensidade. O mapeamento foi realizado por meio da análise das características individuais, como comprimento, largura e área, dos elementos segmentados que compõem a linha segregada. A avaliação do desempenho do algoritmo foi realizada em dois momentos específicos, de acordo com sua fase de implementação. Para a realização da avaliação, foram analisadas 255 imagens de amostras reais, oriundas de duas usinas siderúrgicas, distribuídas nos diferentes graus de severidade. Os resultados da primeira fase de implementação mostram que a identificação da linha segregada apresenta acurácia de 93%. As classificações oriundas do mapeamento realizado para as classes de criticidade do defeito, na segunda fase de implementação, apresentam acurácia de 92% para o critério de continuidade e 68% para o critério de intensidade.