Experimental design methodologies for the identification of Michaelis-Menten type kinetics

The main objective of this work was to investigate the application of experimental design techniques for the identification of Michaelis-Menten kinetic parameters. More specifically, this study attempts to elucidate the relative advantages/disadvantages of employing complex experimental design techniques in relation to equidistant sampling when applied to different reactor operation modes. All studies were supported by simulation data of a generic enzymatic process that obeys to the Michaelis-Menten kinetic equation. Different aspects were investigated, such as the influence of the reactor operation mode (batch, fed-batch with pulse wise feeding and fed-batch with continuous feeding) and the experimental design optimality criteria on the effectiveness of kinetic parameters identification. The following experimental design optimality criteria were investigated: 1) minimization of the sum of the diagonal of the Fisher information matrix (FIM) inverse (A-criterion), 2) maximization of the determinant of the FIM (D-criterion), 3) maximization of the smallest eigenvalue of the FIM (E-criterion) and 4) minimization of the quotient between the largest and the smallest eigenvalue (modified E-criterion). The comparison and assessment of the different methodologies was made on the basis of the Cramér-Rao lower bounds (CRLB) error in respect to the parameters vmax and Km of the Michaelis-Menten kinetic equation. In what concerns the reactor operation mode, it was concluded that fed-batch (pulses) is better than batch operation for parameter identification. When the former operation mode is adopted, the vmax CRLB error is lowered by 18.6 % while the Km CRLB error is lowered by 26.4 % when compared to the batch operation mode. Regarding the optimality criteria, the best method was the A-criterion, with an average vmax CRLB of 6.34 % and 5.27 %, for batch and fed-batch (pulses), respectively, while presenting a Km’s CRLB of 25.1 % and 18.1 %, for batch and fed-batch (pulses), respectively. As a general conclusion of the present study, it can be stated that experimental design is justified if the starting parameters CRLB errors are inferior to 19.5 % (vmax) and 45% (Km), for batch processes, and inferior to 42 % and to 50% for fed-batch (pulses) process. Otherwise equidistant sampling is a more rational decision. This conclusion clearly supports that, for fed-batch operation, the use of experimental design is likely to largely improve the identification of Michaelis-Menten kinetic parameters.

Tomographic imaging with a scanning laser ophtalmoscop

Retinal imaging with a confocal scaning laser Ophthalmoscope (cSLO) involves scanning a small laser beam over the retina and constructing an image from the reflected light. By applying the confocal principle, tomographic images can be produced by measuring a sequence of slices at different depths. However, the thickness of such slices, when compared with the retinal thickness, is too large to give useful 3D retinal images, if no processing is done. In this work, a prototype cSLO was modified in terms hardware and software to give the ability of doing the tomographic measurements with the maximum theoretical axial resolution possible. A model eye was built to test the performance of the system. A novel algorithm has been developed which fits a double Gaussian curve to the axial intensity profiles generated from a stack of images slices. The underlying assumption is that the laser light has mainly been reflected by two structures in the retina, the internal limiting membrane and the retinal pigment epithelium. From the fitted curve topographic images and novel thickness images of the retina can be generated. Deconvolution algorithms have also been developed to improve the axial resolution of the system, using a theoretically predicted cSLO point spread function. The technique was evaluated using measurements made on a model eye, four normal eyes and seven eyes containing retinal pathology. The reproducibility, accuracy and physiological measurements obtained, were compared with available published data, and showed good agreement. The difference in the measurements when using a double rather than a single Gaussian model was also analysed.

Visitas guiadas através de modelos de volumetria

Esta dissertação tem por fim o estudo de algoritmos que permitem efectuar uma visita guiada a um modelo volumétrico. A visita guiada permite ao utilizador observar todas as partes relevantes do modelo. Assim, expõe-se como seleccionar de forma automática as posições que melhor permitem observar as partes relevantes. Dadas essas posições, mostra-se como criar um percurso que passe por todas elas. O esforço exigido ao utilizador, durante a visita guiada, face à metodologia aplicada, é o mínimo possível, como se este estivesse numa plataforma móvel e alguém empurrasse essa plataforma. Liberto de todas as preocupações associadas à sua deslocação, o utilizador poderá concentrar-se apenas na observação do modelo. É também abordado o caso particular da visita guiada a um modelo representativo de um museu de pintura. As técnicas estudadas são implementadas, tendo sido criado um protótipo que permite efectuar uma visita guiada ao museu. Nessa visita guiada, as peças expostas, que são as partes relevantes do museu, são visualizadas da melhor forma possível, ou seja, de maneira a que sua dimensão e o contexto em que estão inseridas sejam perceptíveis para o utilizador.

Análise de satisfação com o sistema de triagem no serviço de urgência

Dissertação apresentada ao Instituto Politécnico do Porto para obtenção do Grau de Mestre em Gestão das Organizações, Ramo de Gestão de Empresas Orientada pelo Professor Doutor Eduardo Sá e Silva Mestre Fátima Monteiro Esta dissertação não inclui as críticas e sugestões feitas pelo Júri

Métodos computacionais em engenharia mecânica

Este estudo pretende mostrar algumas aplicações dos métodos computacionais na actividade de projecto em Engenharia Mecânica. Apresentam-se problemas concretos de engenharia que foram abordados durante um estágio realizado no CERN – Centre Européen pour la Recherche Nucléaire, e onde foram utilizados: a) o método dos elementos finitos para cálculo de temperaturas e fluxos de calor e a sua influência sobre os deslocamentos, tensões e deformações que ocorrem numa peça; b) o método híbrido dos elementos finitos/volumes finitos para a discretização das equações de Navier-Stokes e a análise do escoamento de fluidos; c) um algoritmo genético para a obtenção da solução óptima de um problema estrutural. O projecto em engenharia é uma actividade cada vez mais complexa, que requer o uso de ferramentas computacionais sofisticadas tais como os programas ANSYS e MATLAB que foram utilizados no estudo. A criação de modelos numéricos e a análise do seu comportamento com estas ferramentas requer simultaneamente um bom conhecimento dos princípios que estão na base do seu desenvolvimento e uma boa perícia na sua manipulação. Com elas é possível obter soluções quando os constrangimentos do projecto são exigentes e análises detalhadas do comportamento estrutural são necessárias. Neste estudo pretende-se também demonstrar que uma combinação inovadora destas ferramentas pode contribuir para obter aplicações úteis para a actividade de projecto em engenharia.

Optimização da estrutura de um semi-reboque com vista à flexibilidade na sua adequação funcional

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Tecnologia Java na representação de curvas e superfícies paramétricas

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática

Sistema de optimização de amplificadores em ambiente distribuído

Tese de Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Malhas de polígonos para simulação de tecidos baseadas em regiões afins

Dissertação de Mestrado em Engenharia Informática

Famílias estruturadas de modelos com modelo base ortogonal: Teoria e aplicações

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Matemática com especialização em Estatística pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia.

Fuzzy clustering não supervisionado na detecção automática de regiões de upwelling a partir de mapas de temperatura da superfície oceânica

Trabalho apresentado no âmbito do Mestrado em Engenharia Informática, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática

Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning : applications on human-machine interaction

Sendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.

Implementação da filosofia Lean na gestão dos serviços de saúde: o caso português

Dissertação apresentada ao Instituto Politécnico do Porto para obtenção do Grau de Mestre em Gestão das Organizações, Ramo de Gestão de Empresas. Orientada por Prof. Dra. Maria Rosário Moreira e Prof. Dr. Paulo Sousa

Uma metaheurística para a programação de projectos com multi-modos e recursos limitados

Este artigo apresenta uma nova abordagem (MM-GAV-FBI), aplicável ao problema da programação de projectos com restrições de recursos e vários modos de execução por actividade, problema conhecido na literatura anglo-saxónica por MRCPSP. Cada projecto tem um conjunto de actividades com precedências tecnológicas definidas e um conjunto de recursos limitados, sendo que cada actividade pode ter mais do que um modo de realização. A programação dos projectos é realizada com recurso a um esquema de geração de planos (do inglês Schedule Generation Scheme - SGS) integrado com uma metaheurística. A metaheurística é baseada no paradigma dos algoritmos genéticos. As prioridades das actividades são obtidas a partir de um algoritmo genético. A representação cromossómica utilizada baseia-se em chaves aleatórias. O SGS gera planos não-atrasados. Após a obtenção de uma solução é aplicada uma melhoria local. O objectivo da abordagem é encontrar o melhor plano (planning), ou seja, o plano que tenha a menor duração temporal possível, satisfazendo as precedências das actividades e as restrições de recursos. A abordagem proposta é testada num conjunto de problemas retirados da literatura da especialidade e os resultados computacionais são comparados com outras abordagens. Os resultados computacionais validam o bom desempenho da abordagem, não apenas em termos de qualidade da solução, mas também em termos de tempo útil.

Byzantium: Contribuições para o desenvolvimento de um sistema de replicação de bases de dados tolerante a falhas bizantinas

Trabalho apresentado no âmbito do Mestrado em Engenharia Informática, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática