The GP problem: quantifying gene-to-phenotype relationships

In this paper we refer to the gene-to-phenotype modeling challenge as the GP problem. Integrating information across levels of organization within a genotype-environment system is a major challenge in computational biology. However, resolving the GP problem is a fundamental requirement if we are to understand and predict phenotypes given knowledge of the genome and model dynamic properties of biological systems. Organisms are consequences of this integration, and it is a major property of biological systems that underlies the responses we observe. We discuss the E(NK) model as a framework for investigation of the GP problem and the prediction of system properties at different levels of organization. We apply this quantitative framework to an investigation of the processes involved in genetic improvement of plants for agriculture. In our analysis, N genes determine the genetic variation for a set of traits that are responsible for plant adaptation to E environment-types within a target population of environments. The N genes can interact in epistatic NK gene-networks through the way that they influence plant growth and development processes within a dynamic crop growth model. We use a sorghum crop growth model, available within the APSIM agricultural production systems simulation model, to integrate the gene-environment interactions that occur during growth and development and to predict genotype-to-phenotype relationships for a given E(NK) model. Directional selection is then applied to the population of genotypes, based on their predicted phenotypes, to simulate the dynamic aspects of genetic improvement by a plant-breeding program. The outcomes of the simulated breeding are evaluated across cycles of selection in terms of the changes in allele frequencies for the N genes and the genotypic and phenotypic values of the populations of genotypes.

Consumidor de mídias móveis : a influência do perfil do adotante na relação entre valor percebido e intenção de compra

O presente estudo tem por objetivo avaliar se o perfil do adotante de inovações altera a relação entre o Valor Percebido e a Intenção de Compra de mídias móveis (smartphones, tablets, ultrabooks e leitores de e-books). Trata-se de uma pesquisa quantitativa que busca explorar a relação estrutural entre as variáveis por meio de Modelagem de Equações Estruturais (SEM – Strutural Equation Modeling). O modelo de pesquisa proposto foi desenvolvido tendo como base a Teoria da Difusão da Inovação (TDI), a Teoria Unificada de Aceitação e Uso de Tecnologia (UTAUT), o Modelo de Aceitação de Tecnologia (TAM), o Modelo Baseado em Valor (VAM), o Modelo de Aceitação de Tecnologia pelo Consumidor (CAT) e o Modelo de Influência Social (IS). Para coletar os dados foi utilizada a técnica snowball sampling ou amostragem em bola de neve, forma de amostragem não probabilística utilizada em pesquisas sociais. Foi feito um levantamento (survey), distribuindo-se questionário disponibilizado pela rede social Facebook, a partir dos contatos do autorsolicitando-se que os respondentes replicassem em suas páginas pessoais o link da pesquisa, ampliando a amostra. A coleta dos dados foi realizada nos meses de setembro e outubro de 2013, obtendo-se um total de 362 questionários respondidos. O estudo apresentou um efeito significativo da variável Valor Percebido na Intenção de Compra (estatística t = 4,506; nível de significância de 1%), além de sustentar a influência moderadora do Perfil do Adotante sobre essa relação (estatística t = 4,066; nível de significância de 1%), apresentando alto impacto sobre a Intenção de Compra (f 2 = 0,582) e relevância preditiva moderada (q2 = 0,290). Entre as variáveis antecedentes relacionadas à adoção de tecnologia, não apresentaram efeito significativo sobre o Valor Percebido: a Facilidade de Uso Percebida, a Complexidade Percebida e o Risco Percebido. O modelo contribuiu significativamente para explicar a influência dos fatores que impactam o Valor Percebido (R2 = 51,7%) o efeito do Valor Percebido na Intenção de Compra (R2 = 49,1%) de equipamentos eletrônicos portáteis. O suporte da presumidade influência moderadora do Perfil do Adotante sobre a relação Valor Percebido e Intenção de Compra indica que as organizações devem conhecer melhor os consumidores desse tipo de equipamento móveis, segmentando e desenvolvendo ações alinhadas com cada perfil de adotante.

Automatic prebent customized prosthesis for pectus excavatum minimally invasive surgery correction

Pectus excavatum is the most common deformity of the thorax. A minimally invasive surgical correction is commonly carried out to remodel the anterior chest wall by using an intrathoracic convex prosthesis in the substernal position. The process of prosthesis modeling and bending still remains an area of improvement. The authors developed a new system, i3DExcavatum, which can automatically model and bend the bar preoperatively based on a thoracic CT scan. This article presents a comparison between automatic and manual bending. The i3DExcavatum was used to personalize prostheses for 41 patients who underwent pectus excavatum surgical correction between 2007 and 2012. Regarding the anatomical variations, the soft-tissue thicknesses external to the ribs show that both symmetric and asymmetric patients always have asymmetric variations, by comparing the patients’ sides. It highlighted that the prosthesis bar should be modeled according to each patient’s rib positions and dimensions. The average differences between the skin and costal line curvature lengths were 84 ± 4 mm and 96 ± 11 mm, for male and female patients, respectively. On the other hand, the i3DExcavatum ensured a smooth curvature of the surgical prosthesis and was capable of predicting and simulating a virtual shape and size of the bar for asymmetric and symmetric patients. In conclusion, the i3DExcavatum allows preoperative personalization according to the thoracic morphology of each patient. It reduces surgery time and minimizes the margin error introduced by the manually bent bar, which only uses a template that copies the chest wall curvature.

Automatic prebent customized prosthesis for pectus excavatum minimally invasive surgery correction

Pectus excavatum is the most common deformity of the thorax. A minimally invasive surgical correction is commonly carried out to remodel the anterior chest wall by using an intrathoracic convex prosthesis in the substernal position. The process of prosthesis modeling and bending still remains an area of improvement. The authors developed a new system, i3DExcavatum, which can automatically model and bend the bar preoperatively based on a thoracic CT scan. This article presents a comparison between automatic and manual bending. The i3DExcavatum was used to personalize prostheses for 41 patients who underwent pectus excavatum surgical correction between 2007 and 2012. Regarding the anatomical variations, the soft-tissue thicknesses external to the ribs show that both symmetric and asymmetric patients always have asymmetric variations, by comparing the patients’ sides. It highlighted that the prosthesis bar should be modeled according to each patient’s rib positions and dimensions. The average differences between the skin and costal line curvature lengths were 84 ± 4 mm and 96 ± 11 mm, for male and female patients, respectively. On the other hand, the i3DExcavatum ensured a smooth curvature of the surgical prosthesis and was capable of predicting and simulating a virtual shape and size of the bar for asymmetric and symmetric patients. In conclusion, the i3DExcavatum allows preoperative personalization according to the thoracic morphology of each patient. It reduces surgery time and minimizes the margin error introduced by the manually bent bar, which only uses a template that copies the chest wall curvature.

Automatic prebent customized prosthesis for pectus excavatum minimally invasive surgery correction

Pectus excavatum is the most common deformity of the thorax. A minimally invasive surgical correction is commonly carried out to remodel the anterior chest wall by using an intrathoracic convex prosthesis in the substernal position. The process of prosthesis modeling and bending still remains an area of improvement. The authors developed a new system, i3DExcavatum, which can automatically model and bend the bar preoperatively based on a thoracic CT scan. This article presents a comparison between automatic and manual bending. The i3DExcavatum was used to personalize prostheses for 41 patients who underwent pectus excavatum surgical correction between 2007 and 2012. Regarding the anatomical variations, the soft-tissue thicknesses external to the ribs show that both symmetric and asymmetric patients always have asymmetric variations, by comparing the patients’ sides. It highlighted that the prosthesis bar should be modeled according to each patient’s rib positions and dimensions. The average differences between the skin and costal line curvature lengths were 84 ± 4 mm and 96 ± 11 mm, for male and female patients, respectively. On the other hand, the i3DExcavatum ensured a smooth curvature of the surgical prosthesis and was capable of predicting and simulating a virtual shape and size of the bar for asymmetric and symmetric patients. In conclusion, the i3DExcavatum allows preoperative personalization according to the thoracic morphology of each patient. It reduces surgery time and minimizes the margin error introduced by the manually bent bar, which only uses a template that copies the chest wall curvature.

An Electromagnetic Tracker System for the design of a dental superstructure

Nowadays, different techniques are available for manufacturing full-arch implant-supported prosthesis, many of them based on an impression procedure. Nevertheless, the long-term success of the prosthesis is highly influenced by the accuracy during such process, being affected by factors such as the impression material, implant position, angulation and depth. This paper investigates the feasibility of a 3D electromagnetic motion tracking system as an acquisition method for modeling such prosthesis. To this extent, we propose an implant acquisition method at the patient mouth, using a specific prototyped tool coupled with a tracker sensor, and a set of calibration procedures (for distortion correction and tool calibration), that ultimately obtains combined measurements of the implant’s position and angulation, and eliminating the use of any impression material. However, in the particular case of the evaluated tracking system, the order of magnitude of the obtained errors invalidates its use for this specific application.

Electromagnetic tracker feasibility in the design of a dental superstructure for edentulous patients

The success of the osseointegration concept and the Brånemark protocol is highly associated to the accuracy in the production of an implant-supported prosthesis. One of most critical steps for long-term success of these prosthesis is the accuracy obtained during the impression procedure, which is affected by factors such as the impression material, implant position, angulation and depth. This paper investigates the feasibility of 3D electromagnetic motion tracking systems as an acquisition method for modeling full-arch implant-supported prosthesis. To this extent, we propose an implant acquisition method at the patient mouth and a calibration procedure, based on a 3D electromagnetic tracker that obtains combined measurements of implant’s position and angulation, eliminating the use of any impression material. Three calibration algorithms (namely linear interpolation, higher-order polynomial and Hardy multiquadric) were tested to compensate for the electromagnetic tracker distortions introduced by the presence of nearby metals. Moreover, implants from different suppliers were also tested to study its impact on tracking accuracy. The calibration methodology and the algorithms employed proved to implement a suitable strategy for the evaluation of novel dental impression techniques. However, in the particular case of the evaluated electromagnetic tracking system, the order of magnitude of the obtained errors invalidates its use for the full-arch modeling of implant-supported prosthesis.

Real-time hand tracking for rehabilitation and character animation

Hand and finger tracking has a major importance in healthcare, for rehabilitation of hand function required due to a neurological disorder, and in virtual environment applications, like characters animation for on-line games or movies. Current solutions consist mostly of motion tracking gloves with embedded resistive bend sensors that most often suffer from signal drift, sensor saturation, sensor displacement and complex calibration procedures. More advanced solutions provide better tracking stability, but at the expense of a higher cost. The proposed solution aims to provide the required precision, stability and feasibility through the combination of eleven inertial measurements units (IMUs). Each unit captures the spatial orientation of the attached body. To fully capture the hand movement, each finger encompasses two units (at the proximal and distal phalanges), plus one unit at the back of the hand. The proposed glove was validated in two distinct steps: a) evaluation of the sensors’ accuracy and stability over time; b) evaluation of the bending trajectories during usual finger flexion tasks based on the intra-class correlation coefficient (ICC). Results revealed that the glove was sensitive mainly to magnetic field distortions and sensors tuning. The inclusion of a hard and soft iron correction algorithm and accelerometer and gyro drift and temperature compensation methods provided increased stability and precision. Finger trajectories evaluation yielded high ICC values with an overall reliability within application’s satisfying limits. The developed low cost system provides a straightforward calibration and usability, qualifying the device for hand and finger tracking in healthcare and animation industries.

Modelling real solar cell using PSCAD/MATLAB

This paper presents the development of a solar photovoltaic (PV) model based on PSCAD/EMTDC - Power System Computer Aided Design – including a mathematical model study. An additional algorithm has been implemented in MATLAB software in order to calculate several parameters required by the PSCAD developed model. All the simulation study has been performed in PSCAD/MATLAB software simulation tool. A real data base concerning irradiance, cell temperature and PV power generation was used in order to support the evaluation of the implemented PV model.

Training control centers' operators in incident diagnosis and power restoration using intelligent tutoring systems

The activity of Control Center operators is important to guarantee the effective performance of Power Systems. Operators’ actions are crucial to deal with incidents, especially severe faults like blackouts. In this paper, we present an Intelligent Tutoring approach for training Portuguese Control Center operators in tasks like incident analysis and diagnosis, and service restoration of Power Systems. Intelligent Tutoring System (ITS) approach is used in the training of the operators, having into account context awareness and the unobtrusive integration in the working environment. Several Artificial Intelligence techniques were criteriously used and combined together to obtain an effective Intelligent Tutoring environment, namely Multiagent Systems, Neural Networks, Constraint-based Modeling, Intelligent Planning, Knowledge Representation, Expert Systems, User Modeling, and Intelligent User Interfaces.

Modelação e simulação de sistemas fotovoltaicos

Os sistemas fotovoltaicos produzem energia eléctrica limpa, e inesgotável na nossa escala temporal. A Agência Internacional de Energia encara a tecnologia fotovoltaica como uma das mais promissoras, esperando nas suas previsões mais optimistas, que em 2050 possa representar 20% da produção eléctrica mundial, o equivalente a 18000 TWh. No entanto, e apesar do desenvolvimento notável nas últimas décadas, a principal condicionante a uma maior proliferação destes sistemas é o ainda elevado custo, aliado ao seu fraco desempenho global. Apesar do custo e ineficiência dos módulos fotovoltaicos ter vindo a diminuir, o rendimento dos sistemas contínua dependente de factores externos sujeitos a grande variabilidade, como a temperatura e a irradiância, e às limitações tecnológicas e falta de sinergia dos seus equipamentos constituintes. Neste sentido procurou-se como objectivo na elaboração desta dissertação, avaliar o potencial de optimização dos sistemas fotovoltaicos recorrendo a técnicas de modelação e simulação. Para o efeito, em primeiro lugar foram identificados os principais factores que condicionam o desempenho destes sistemas. Em segundo lugar, e como caso prático de estudo, procedeu-se à modelação de algumas configurações de sistemas fotovoltaicos, e respectivos componentes em ambiente MatlabTM/SimulinkTM. Em seguida procedeu-se à análise das principais vantagens e desvantagens da utilização de diversas ferramentas de modelação na optimização destes sistemas, assim como da incorporação de técnicas de inteligência artificial para responder aos novos desafios que esta tecnologia enfrentará no futuro. Através deste estudo, conclui-se que a modelação é não só um instrumento útil para a optimização dos actuais sistemas PV, como será, certamente uma ferramenta imprescindível para responder aos desafios das novas aplicações desta tecnologia. Neste último ponto as técnicas de modelação com recurso a inteligência artificial (IA) terão seguramente um papel preponderante. O caso prático de modelação realizado permitiu concluir que esta é igualmente uma ferramenta útil no apoio ao ensino e investigação. Contudo, convém não esquecer que um modelo é apenas uma aproximação à realidade, devendo recorrer-se sempre ao sentido crítico na interpretação dos seus resultados.

Climatic patterns and physical controls of chlorophyll-a in the Northeast Atlantic

Tese de Doutoramento, Física, 17 de Dezembro de 2013, Universidade dos Açores.

Exploração do UML para a derivação automática de requisitos arquitecturais. Uma abordagem orientada a modelos

O desenvolvimento de software orientado a modelos defende a utilização dos modelos como um artefacto que participa activamente no processo de desenvolvimento. O modelo ocupa uma posição que se encontra ao mesmo nível do código. Esta é uma abordagem importante que tem sido alvo de atenção crescente nos últimos tempos. O Object Management Group (OMG) é o responsável por uma das principais especificações utilizadas na definição da arquitectura dos sistemas cujo desenvolvimento é orientado a modelos: o Model Driven Architecture (MDA). Os projectos que têm surgido no âmbito da modelação e das linguagens específicas de domínio para a plataforma Eclipse são um bom exemplo da atenção dada a estas áreas. São projectos totalmente abertos à comunidade, que procuram respeitar os standards e que constituem uma excelente oportunidade para testar e por em prática novas ideias e abordagens. Nesta dissertação foram usadas ferramentas criadas no âmbito do Amalgamation Project, desenvolvido para a plataforma Eclipse. Explorando o UML e usando a linguagem QVT, desenvolveu-se um processo automático para extrair elementos da arquitectura do sistema a partir da definição de requisitos. Os requisitos são representados por modelos UML que são transformados de forma a obter elementos para uma aproximação inicial à arquitectura do sistema. No final, obtêm-se um modelo UML que agrega os componentes, interfaces e tipos de dados extraídos a partir dos modelos dos requisitos. É uma abordagem orientada a modelos que mostrou ser exequível, capaz de oferecer resultados práticos e promissora no que concerne a trabalho futuro.

Modelação de células de combustível

Neste trabalho serão apresentados e discutidos vários aspectos relacionados com células de combustível, com particular enfoque na modelação de células de combustível de membrana de permuta protónica. Este trabalho está dividido em vários capítulos. No Capítunlo 1 são apresentadas as motivações e os objectivos da tese. No Capítulo 2 serão apresentadas as células de combustível em geral, a sua origem, os diversos tipos, o que as diferencia das restantes tecnologias de geração de energia e as suas vantagens e desvantagens. No Capítulo 3 discute-se a modelação de células de combustível. Serão expostos e explicados os diferentes tipos de modelos, seguindo-se uma apresentação do modelo selecionado para estudo, com referência aos fundamentos teóricos exposição detalhada da fórmulação matemática e os parâmetros que caracterizam o modelo. É também apresentado a implementação do modelo em Matlab/Simulink. No Capítulo 4 será discutida e apresentada a abordagem utilizada para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combustível. Propõe-se e prova-se que uma abordagem baseada num algoritmo de optimização inteligente proporciona um método eficaz e preciso para a identificação dos parâmetros. Esta abordagem requer a existência de alguns dados experimentais que são também apresentados. O algoritmo utilizado designa-se por Optimização por Enxame de Partículas – Particle Swarm Optimization (PSO). São apresentados os seus fundamentos, características, implementação em Matlab/Simulink e a estratégia de optimização, isto é, a configuração do algoritmo, a definição da função objectivo e limites de variação dos parâmetros. São apresentados os resultados do processo de optimização, resultados adicionais de validação do modelo, uma análise de robustez do conjunto óptimo de parâmetros e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O trabalho termina apresentando, no último capítulo, algumas conclusões, das quais se destacam: - O bom desempenho do algoritmo PSO para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combsutível; - Uma robustez interessante do algoritmo PSO, no sentido em que, para várias execuções do método resultam valores do parâmetros e da função objectivo com variabilidade bastante reduzidas; - Um bom modelo da célula de combustível, que quando caracterizado pelo conjunto óptimo de parâmetros, apresenta, sistematicamente, erros relativos médios inferiores a 2,5% para um conjunto alargado de condições de funcionamento.

Caracterização dinâmica de um edifício existente de betão armado através de ensaios de vibração ambiental

Dissertação de natureza Científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil