Optimization of the Sybr Green real time PCR for the detection of Human Herpes Virus type 6 (HHV-6)

HHV-6 is the etiological agent of Exanthem subitum which is considered the sixth most frequent disease in infancy. In immuno-compromised hosts, reactivation of latent HHV-6 infection may cause severe acute disease. We developed a Sybr Green Real Time PCR for HHV-6 and compared the results with nested conventional PCR. A 214 pb PCR derived fragment was cloned using pGEM-T easy from Promega system. Subsequently, serial dilutions were made in a pool of negative leucocytes from 10-6 ng/µL (equivalent to 2465.8 molecules/µL) to 10-9 (equivalent to 2.46 molecules/µL). Dilutions of the plasmid were amplified by Sybr Green Real Time PCR, using primers HHV3 (5' TTG TGC GGG TCC GTT CCC ATC ATA 3)'and HHV4 (5' TCG GGA TAG AAA AAC CTA ATC CCT 3') and by conventional nested PCR using primers HHV1 (outer): 5'CAA TGC TTT TCT AGC CGC CTC TTC 3'; HHV2 (outer): 5' ACA TCT ATA ATT TTA GAC GAT CCC 3'; HHV3 (inner) and HHV4 (inner) 3'. The detection threshold was determined by plasmid serial dilutions. Threshold for Sybr Green real time PCR was 24.6 molecules/µL and for the nested PCR was 2.46 molecules/µL. We chose the Real Time PCR for diagnosing and quantifying HHV-6 DNA from samples using the new Sybr Green chemistry due to its sensitivity and lower risk of contamination.

A Clinical Support System Based on Quality of Life Estimation

Quality of life is a concept influenced by social, economic, psychological, spiritual or medical state factors. More specifically, the perceived quality of an individual's daily life is an assessment of their well-being or lack of it. In this context, information technologies may help on the management of services for healthcare of chronic patients such as estimating the patient quality of life and helping the medical staff to take appropriate measures to increase each patient quality of life. This paper describes a Quality of Life estimation system developed using information technologies and the application of data mining algorithms to access the information of clinical data of patients with cancer from Otorhinolaryngology and Head and Neck services of an oncology institution. The system was evaluated with a sample composed of 3013 patients. The results achieved show that there are variables that may be significant predictors for the Quality of Life of the patient: years of smoking (p value 0.049) and size of the tumor (p value < 0.001). In order to assign the variables to the classification of the quality of life the best accuracy was obtained by applying the John Platt's sequential minimal optimization algorithm for training a support vector classifier. In conclusion data mining techniques allow having access to patients additional information helping the physicians to be able to know the quality of life and produce a well-informed clinical decision.

A multi-objective optimization of the active and reactive resource scheduling at a distribution level in a smart grid context

In the traditional paradigm, the large power plants supply the reactive power required at a transmission level and the capacitors and transformer tap changer were also used at a distribution level. However, in a near future will be necessary to schedule both active and reactive power at a distribution level, due to the high number of resources connected in distribution levels. This paper proposes a new multi-objective methodology to deal with the optimal resource scheduling considering the distributed generation, electric vehicles and capacitor banks for the joint active and reactive power scheduling. The proposed methodology considers the minimization of the cost (economic perspective) of all distributed resources, and the minimization of the voltage magnitude difference (technical perspective) in all buses. The Pareto front is determined and a fuzzy-based mechanism is applied to present the best compromise solution. The proposed methodology has been tested in the 33-bus distribution network. The case study shows the results of three different scenarios for the economic, technical, and multi-objective perspectives, and the results demonstrated the importance of incorporating the reactive scheduling in the distribution network using the multi-objective perspective to obtain the best compromise solution for the economic and technical perspectives.

Optimization of the Tartrate-Resistant Acid Phosphatase Detection by Histochemical Method

According to the new KDIGO (Kidney Disease Improving Global Outcomes) guidelines, the term of renal osteodystrophy, should be used exclusively in reference to the invasive diagnosis of bone abnormalities. Due to the low sensitivity and specificity of biochemical serum markers of bone remodelling,the performance of bone biopsies is highly stimulated in dialysis patients and after kidney transplantation. The tartrate-resistant acid phosphatase (TRACP) is an iso-enzyme of the group of acid phosphatases, which is highly expressed by activated osteoclasts and macrophages. TRACP in osteoclasts is in intracytoplasmic vesicles that transport the products of bone matrix degradation. Being present in activated osteoclasts, the identification of this enzyme by histochemistry in undecalcified bone biopsies is an excellent method to quantify the resorption of bone. Since it is an enzymatic histochemical method for a thermolabile enzyme, the temperature at which it is performed is particularly relevant. This study aimed to determine the optimal temperature for identification of TRACP in activated osteoclasts in undecalcified bone biopsies embedded in methylmethacrylate. We selected 10 cases of undecalcified bone biopsies from hemodialysis patients with the diagnosis of secondary hyperparathyroidism. Sections of 5 μm were stained to identify TRACP at different incubation temperatures (37º, 45º, 60º, 70º and 80ºC) for 30 minutes. Activated osteoclasts stained red and trabecular bone (mineralized bone) was contrasted with toluidine blue. This approach also increased the visibility of the trabecular bone resorption areas (Howship lacunae). Unlike what is suggested in the literature and in several international protocols, we found that the best results were obtained with temperatures between 60ºC and 70ºC. For technical reasons and according to the results of the present study, we recommended that, for an incubation time of 30 minutes, the reaction should be carried out at 60ºC. As active osteoclasts are usually scarce in a bone section, the standardization of the histochemistry method is of great relevance, to optimize the identification of these cells and increase the accuracy of the histomosphometric results. Our results, allowing an increase in osteoclasts contrast, also support the use of semi-automatic histomorphometric measurements.

Cutting path as a rural postman problem

The Rural Postman Problem (RPP) is a particular Arc Routing Problem (ARP) which consists of determining a minimum cost circuit on a graph so that a given subset of required edges is traversed. The RPP is an NP-hard problem with significant real-life applications. This paper introduces an original approach based on Memetic Algorithms - the MARP algorithm - to solve the RPP and, also deals with an interesting Industrial Application, which focuses on the path optimization for component cutting operations. Memetic Algorithms are a class of Metaheuristics which may be seen as a population strategy that involves cooperation and competition processes between population elements and integrates “social knowledge”, using a local search procedure. The MARP algorithm is tested with different groups of instances and the results are compared with those gathered from other publications. MARP is also used in the context of various real-life applications.

Towards Human-like Bimanual Movements in Anthropomorphic Robots: A Nonlinear Optimization Approach

Previously we have presented a model for generating human-like arm and hand movements on an unimanual anthropomorphic robot involved in human-robot collaboration tasks. The present paper aims to extend our model in order to address the generation of human-like bimanual movement sequences which are challenged by scenarios cluttered with obstacles. Movement planning involves large scale nonlinear constrained optimization problems which are solved using the IPOPT solver. Simulation studies show that the model generates feasible and realistic hand trajectories for action sequences involving the two hands. The computational costs involved in the planning allow for real-time human robot-interaction. A qualitative analysis reveals that the movements of the robot exhibit basic characteristics of human movements.

A filter inexact-restoration method for nonlinear programming

A new iterative algorithm based on the inexact-restoration (IR) approach combined with the filter strategy to solve nonlinear constrained optimization problems is presented. The high level algorithm is suggested by Gonzaga et al. (SIAM J. Optim. 14:646–669, 2003) but not yet implement—the internal algorithms are not proposed. The filter, a new concept introduced by Fletcher and Leyffer (Math. Program. Ser. A 91:239–269, 2002), replaces the merit function avoiding the penalty parameter estimation and the difficulties related to the nondifferentiability. In the IR approach two independent phases are performed in each iteration, the feasibility and the optimality phases. The line search filter is combined with the first one phase to generate a “more feasible” point, and then it is used in the optimality phase to reach an “optimal” point. Numerical experiences with a collection of AMPL problems and a performance comparison with IPOPT are provided.

Modelling and optimization of the ion exchange membrane bioreactor for removal of anionic pollutants from drinking water streams

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química, especialidade de Engenharia Bioquímica

Algorithms for information extraction and signal annotation on long-term biosignals using clustering techniques

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Gestão de Recursos Energéticos para Apoio à Operação dos Virtual Power Players

A liberalização dos mercados de energia elétrica e a crescente integração dos recursos energéticos distribuídos nas redes de distribuição, nomeadamente as unidades de produção distribuída, os sistemas de controlo de cargas através dos programas de demand response, os sistemas de armazenamento e os veículos elétricos, representaram uma evolução no paradigma de operação e gestão dos sistemas elétricos. Este novo paradigma de operação impõe o desenvolvimento de novas metodologias de gestão e controlo que permitam a integração de todas as novas tecnologias de forma eficiente e sustentável. O principal contributo deste trabalho reside no desenvolvimento de metodologias para a gestão de recursos energéticos no contexto de redes inteligentes, que contemplam três horizontes temporais distintos (24 horas, 1 hora e 5 minutos). As metodologias consideram os escalonamentos anteriores assim como as previsões atualizadas de forma a melhorar o desempenho total do sistema e consequentemente aumentar a rentabilidade dos agentes agregadores. As metodologias propostas foram integradas numa ferramenta de simulação, que servirá de apoio à decisão de uma entidade agregadora designada por virtual power player. Ao nível das metodologias desenvolvidas são propostos três algoritmos de gestão distintos, nomeadamente para a segunda (1 hora) e terceira fase (5 minutos) da ferramenta de gestão, diferenciados pela influência que os períodos antecedentes e seguintes têm no período em escalonamento. Outro aspeto relevante apresentado neste documento é o teste e a validação dos modelos propostos numa plataforma de simulação comercial. Para além das metodologias propostas, a aplicação permitiu validar os modelos dos equipamentos considerados, nomeadamente, ao nível das redes de distribuição e dos recursos energéticos distribuidos. Nesta dissertação são apresentados três casos de estudos, cada um com diferentes cenários referentes a cenários de operação futuros. Estes casos de estudos são importantes para verificar a viabilidade da implementação das metodologias e algoritmos propostos. Adicionalmente são apresentadas comparações das metodologias propostas relativamente aos resultados obtidos, complexidade de gestão em ambiente de simulação para as diferentes fases da ferramenta proposta e os benefícios e inconvenientes no uso da ferramenta proposta.

Heurísticas de pesquisa local para problemas de máquina única

O escalonamento é uma das decisões mais importantes no funcionamento de uma linha de produção. No âmbito desta dissertação foi realizada uma descrição do problema do escalonamento, identificando alguns métodos para a optimização dos problemas de escalonamento. Foi realizado um estudo ao caso do problema de máquina única através do teste de várias instâncias com o objectivo de minimizar o atraso pesado, aplicando uma Meta-Heurística baseada na Pesquisa Local e dois algoritmos baseados no SB. Os resultados obtidos reflectem que os algoritmos baseados no SB apresentaram resultados mais próximos do óptimo, em relação ao algoritmo baseado na PL. Os resultados obtidos permitem sustentar a hipótese de não existirem algoritmos específicos para os problemas de escalonamento. A melhor forma de encontrar uma solução de boa qualidade em tempo útil é experimentar diferentes algoritmos e comparar o desempenho das soluções obtidas.

Real-time Task-Splitting scheduling algorithms framework

Nos dias de hoje, os sistemas de tempo real crescem em importância e complexidade. Mediante a passagem do ambiente uniprocessador para multiprocessador, o trabalho realizado no primeiro não é completamente aplicável no segundo, dado que o nível de complexidade difere, principalmente devido à existência de múltiplos processadores no sistema. Cedo percebeu-se, que a complexidade do problema não cresce linearmente com a adição destes. Na verdade, esta complexidade apresenta-se como uma barreira ao avanço científico nesta área que, para já, se mantém desconhecida, e isto testemunha-se, essencialmente no caso de escalonamento de tarefas. A passagem para este novo ambiente, quer se trate de sistemas de tempo real ou não, promete gerar a oportunidade de realizar trabalho que no primeiro caso nunca seria possível, criando assim, novas garantias de desempenho, menos gastos monetários e menores consumos de energia. Este último fator, apresentou-se desde cedo, como, talvez, a maior barreira de desenvolvimento de novos processadores na área uniprocessador, dado que, à medida que novos eram lançados para o mercado, ao mesmo tempo que ofereciam maior performance, foram levando ao conhecimento de um limite de geração de calor que obrigou ao surgimento da área multiprocessador. No futuro, espera-se que o número de processadores num determinado chip venha a aumentar, e como é óbvio, novas técnicas de exploração das suas inerentes vantagens têm de ser desenvolvidas, e a área relacionada com os algoritmos de escalonamento não é exceção. Ao longo dos anos, diferentes categorias de algoritmos multiprocessador para dar resposta a este problema têm vindo a ser desenvolvidos, destacando-se principalmente estes: globais, particionados e semi-particionados. A perspectiva global, supõe a existência de uma fila global que é acessível por todos os processadores disponíveis. Este fato torna disponível a migração de tarefas, isto é, é possível parar a execução de uma tarefa e resumir a sua execução num processador distinto. Num dado instante, num grupo de tarefas, m, as tarefas de maior prioridade são selecionadas para execução. Este tipo promete limites de utilização altos, a custo elevado de preempções/migrações de tarefas. Em contraste, os algoritmos particionados, colocam as tarefas em partições, e estas, são atribuídas a um dos processadores disponíveis, isto é, para cada processador, é atribuída uma partição. Por essa razão, a migração de tarefas não é possível, acabando por fazer com que o limite de utilização não seja tão alto quando comparado com o caso anterior, mas o número de preempções de tarefas decresce significativamente. O esquema semi-particionado, é uma resposta de caráter hibrido entre os casos anteriores, pois existem tarefas que são particionadas, para serem executadas exclusivamente por um grupo de processadores, e outras que são atribuídas a apenas um processador. Com isto, resulta uma solução que é capaz de distribuir o trabalho a ser realizado de uma forma mais eficiente e balanceada. Infelizmente, para todos estes casos, existe uma discrepância entre a teoria e a prática, pois acaba-se por se assumir conceitos que não são aplicáveis na vida real. Para dar resposta a este problema, é necessário implementar estes algoritmos de escalonamento em sistemas operativos reais e averiguar a sua aplicabilidade, para caso isso não aconteça, as alterações necessárias sejam feitas, quer a nível teórico quer a nível prá

Multicore Scheduling of Real-Time Irregular Parallel Algorithms in Linux

Face à estagnação da tecnologia uniprocessador registada na passada década, aos principais fabricantes de microprocessadores encontraram na tecnologia multi-core a resposta `as crescentes necessidades de processamento do mercado. Durante anos, os desenvolvedores de software viram as suas aplicações acompanhar os ganhos de performance conferidos por cada nova geração de processadores sequenciais, mas `a medida que a capacidade de processamento escala em função do número de processadores, a computação sequencial tem de ser decomposta em várias partes concorrentes que possam executar em paralelo, para que possam utilizar as unidades de processamento adicionais e completar mais rapidamente. A programação paralela implica um paradigma completamente distinto da programação sequencial. Ao contrário dos computadores sequenciais tipificados no modelo de Von Neumann, a heterogeneidade de arquiteturas paralelas requer modelos de programação paralela que abstraiam os programadores dos detalhes da arquitectura e simplifiquem o desenvolvimento de aplicações concorrentes. Os modelos de programação paralela mais populares incitam os programadores a identificar instruções concorrentes na sua lógica de programação, e a especificá-las sob a forma de tarefas que possam ser atribuídas a processadores distintos para executarem em simultâneo. Estas tarefas são tipicamente lançadas durante a execução, e atribuídas aos processadores pelo motor de execução subjacente. Como os requisitos de processamento costumam ser variáveis, e não são conhecidos a priori, o mapeamento de tarefas para processadores tem de ser determinado dinamicamente, em resposta a alterações imprevisíveis dos requisitos de execução. `A medida que o volume da computação cresce, torna-se cada vez menos viável garantir as suas restrições temporais em plataformas uniprocessador. Enquanto os sistemas de tempo real se começam a adaptar ao paradigma de computação paralela, há uma crescente aposta em integrar execuções de tempo real com aplicações interativas no mesmo hardware, num mundo em que a tecnologia se torna cada vez mais pequena, leve, ubíqua, e portável. Esta integração requer soluções de escalonamento que simultaneamente garantam os requisitos temporais das tarefas de tempo real e mantenham um nível aceitável de QoS para as restantes execuções. Para tal, torna-se imperativo que as aplicações de tempo real paralelizem, de forma a minimizar os seus tempos de resposta e maximizar a utilização dos recursos de processamento. Isto introduz uma nova dimensão ao problema do escalonamento, que tem de responder de forma correcta a novos requisitos de execução imprevisíveis e rapidamente conjeturar o mapeamento de tarefas que melhor beneficie os critérios de performance do sistema. A técnica de escalonamento baseado em servidores permite reservar uma fração da capacidade de processamento para a execução de tarefas de tempo real, e assegurar que os efeitos de latência na sua execução não afectam as reservas estipuladas para outras execuções. No caso de tarefas escalonadas pelo tempo de execução máximo, ou tarefas com tempos de execução variáveis, torna-se provável que a largura de banda estipulada não seja consumida por completo. Para melhorar a utilização do sistema, os algoritmos de partilha de largura de banda (capacity-sharing) doam a capacidade não utilizada para a execução de outras tarefas, mantendo as garantias de isolamento entre servidores. Com eficiência comprovada em termos de espaço, tempo, e comunicação, o mecanismo de work-stealing tem vindo a ganhar popularidade como metodologia para o escalonamento de tarefas com paralelismo dinâmico e irregular. O algoritmo p-CSWS combina escalonamento baseado em servidores com capacity-sharing e work-stealing para cobrir as necessidades de escalonamento dos sistemas abertos de tempo real. Enquanto o escalonamento em servidores permite partilhar os recursos de processamento sem interferências a nível dos atrasos, uma nova política de work-stealing que opera sobre o mecanismo de capacity-sharing aplica uma exploração de paralelismo que melhora os tempos de resposta das aplicações e melhora a utilização do sistema. Esta tese propõe uma implementação do algoritmo p-CSWS para o Linux. Em concordância com a estrutura modular do escalonador do Linux, ´e definida uma nova classe de escalonamento que visa avaliar a aplicabilidade da heurística p-CSWS em circunstâncias reais. Ultrapassados os obstáculos intrínsecos `a programação da kernel do Linux, os extensos testes experimentais provam que o p-CSWS ´e mais do que um conceito teórico atrativo, e que a exploração heurística de paralelismo proposta pelo algoritmo beneficia os tempos de resposta das aplicações de tempo real, bem como a performance e eficiência da plataforma multiprocessador.

Optimization of fMRI Processing Parameters for Simutaneous Acquisition of EEG/fMRI in Focal Epilepsy

In the context of focal epilepsy, the simultaneous combination of electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) holds a great promise as a technique by which the hemodynamic correlates of interictal spikes detected on scalp EEG can be identified. The fact that traditional EEG recordings have not been able to overcome the difficulty in correlating the ictal clinical symptoms to the onset in particular areas of the lobes, brings the need of mapping with more precision the epileptogenic cortical regions. On the other hand, fMRI suggested localizations more consistent with the ictal clinical manifestations detected. This study was developed in order to improve the knowledge about the way parameters involved in the physical and mathematical data, produced by the EEG/fMRI technique processing, would influence the final results. The evaluation of the accuracy was made by comparing the BOLD results with: the high resolution EEG maps; the malformative lesions detected in the T1 weighted MR images; and the anatomical localizations of the diagnosed symptomatology of each studied patient. The optimization of the set of parameters used, will provide an important contribution to the diagnosis of epileptogenic focuses, in patients included on an epilepsy surgery evaluation program. The results obtained allowed us to conclude that: by associating the BOLD effect with interictal spikes, the epileptogenic areas are mapped to localizations different from those obtained by the EEG maps representing the electrical potential distribution across the scalp (EEG); there is an important and solid bond between the variation of particular parameters (manipulated during the fMRI data processing) and the optimization of the final results, from which smoothing, deleted volumes, HRF (used to convolve with the activation design), and the shape of the Gamma function can be certainly emphasized.

Portfolio optimization with options

A Work Project, presented as part of the requirements for the Award of a Masters Degree in Finance from the NOVA – School of Business and Economics