On the Assumption of Bivariate Normality in Selection Models: A Copula Approach Applied to Estimating HIV Prevalence

Background: Heckman-type selection models have been used to control HIV prevalence estimates for selection bias when participation in HIV testing and HIV status are associated after controlling for observed variables. These models typically rely on the strong assumption that the error terms in the participation and the outcome equations that comprise the model are distributed as bivariate normal.
Methods: We introduce a novel approach for relaxing the bivariate normality assumption in selection models using copula functions. We apply this method to estimating HIV prevalence and new confidence intervals (CI) in the 2007 Zambia Demographic and Health Survey (DHS) by using interviewer identity as the selection variable that predicts participation (consent to test) but not the outcome (HIV status).
Results: We show in a simulation study that selection models can generate biased results when the bivariate normality assumption is violated. In the 2007 Zambia DHS, HIV prevalence estimates are similar irrespective of the structure of the association assumed between participation and outcome. For men, we estimate a population HIV prevalence of 21% (95% CI = 16%–25%) compared with 12% (11%–13%) among those who consented to be tested; for women, the corresponding figures are 19% (13%–24%) and 16% (15%–17%).
Conclusions: Copula approaches to Heckman-type selection models are a useful addition to the methodological toolkit of HIV epidemiology and of epidemiology in general. We develop the use of this approach to systematically evaluate the robustness of HIV prevalence estimates based on selection models, both empirically and in a simulation study.

Solar coronal magnetic fields derived using seismology techniques applied to omnipresent sunspot waves

Sunspots on the surface of the Sun are the observational signatures of intense manifestations of tightly packed magnetic field lines, with near-vertical field strengths exceeding 6,000 G in extreme cases1. It is well accepted that both the plasma density and the magnitude of the magnetic field strength decrease rapidly away from the solar surface, making high-cadence coronal measurements through traditional Zeeman and Hanle effects difficult as the observational signatures are fraught with low-amplitude signals that can become swamped with instrumental noise2, 3. Magneto-hydrodynamic (MHD) techniques have previously been applied to coronal structures, with single and spatially isolated magnetic field strengths estimated as 9–55 G (refs 4,5,6,7). A drawback with previous MHD approaches is that they rely on particular wave modes alongside the detectability of harmonic overtones. Here we show, for the first time, how omnipresent magneto-acoustic waves, originating from within the underlying sunspot and propagating radially outwards, allow the spatial variation of the local coronal magnetic field to be mapped with high precision. We find coronal magnetic field strengths of 32 ± 5 G above the sunspot, which decrease rapidly to values of approximately 1 G over a lateral distance of 7,000 km, consistent with previous isolated and unresolved estimations. Our results demonstrate a new, powerful technique that harnesses the omnipresent nature of sunspot oscillations to provide magnetic field mapping capabilities close to a magnetic source in the solar corona.

An Experimental Investigation into the Effects of Flanged Holes in Hat-Stiffened Panels Loaded in Uniaxial Compression

The effects of a 100 mm diameter integrally-flanged hole in a hat-stiffenend carbon-fibre composite panel, loaded in uniaxial compression, were investigated and compared with a similar panel containing an unflanged hole. Details of the manufacturing techniques used in the production of the integral flange are presented. The stiffening effects of the flange reduced the bending strains, which may lead to high interlaminar shear strains, around the cutout while increasing the membrane strains. These membrane strains were well below the limit strains for this composite material. The skin in the unflanged hole also underwent a change in buckling mode shape from three longitudinal half-wavelengths to five half-wavelengths. No such change was observed in the flanged panel and this buckled in four longitudinal half-wavelengths. The ultimate strength of both panels was determined by the load carrying capability of the stiffeners.

A Computational Approach for Simulating P-type Silicon Piezoresistor Using Four Point Bending Setup

The piezoresistance effect is defined as change in resistance due to applied stress. Silicon has a relatively large piezoresistance effect which has been known since 1954. A four point bending setup is proposed and designed to analyze the piezoresistance effect in p-type silicon. This setup is used to apply uniform and uniaxial stress along the <110> crystal direction. The main aim of this work is to investigate the piezoresistive characteristic of p-type resistors as a function of doping concentrations using COMSOL Multiphysics. Simulation results are compared with experimental data.

A biological survey method applied to seafloor massive sulphides (SMS) with contagiously distributed hydrothermal-vent fauna

Strategies for mitigation of seafloor massive sulphide (SMS) extraction in the deep sea include establishment of suitable reference sites that allow for studies of natural environmental variability and that can serve as sources of larvae for re-colonisation of extracted hydrothermal fields. In this study, we characterize deep-sea vent communities in Manus Basin (Bismarck Sea, Papua New Guinea) and use macrofaunal data sets from a proposed reference site (South Su) and a proposed mine site (Solwara 1) to test the hypothesis that there was no difference in macrofaunal community structure between the sites. We used dispersion weighting to adjust taxa-abundance matrices to down-weight the contribution of contagious distributions of numerically abundant taxa. Faunal assemblages of 3 habitat types defined by biogenic taxa (2 provannid snails, Alviniconcha spp. and Ifremeria nautilei; and a sessile barnacle, Eochionelasmus ohtai) were distinct from one another and from the vent peripheral assemblage, but were not differentiable from mound-to-mound within a site or between sites. Mussel and tubeworm populations at South Su but not at Solwara 1 enhance the taxonomic and habitat diversity of the proposed reference site. © Inter-Research 2012.

Applied behaviour analysis: What do teachers of students with autism spectrum disorder know

With rising numbers of school-aged children with autism educated in mainstream classrooms and applied behaviour analysis (ABA) considered the basis of best practice, teachers’ knowledge in this field has become a key concern for inclusion. Self-reported knowledge of ABA of special needs teachers (n=165) was measured and compared to their actual knowledge of ABA demonstrated in accurate responses to a multiple-choice test. Findings reported here show that teachers’ self-perceived knowledge exceeded actual knowledge and that actual knowledge of ABA was not related to training received by government agency. Implications for teacher training are discussed.

Progress in the use of scanning electron microscopy (SEM) applied to the taxonomy of the genus Bursaphelenchus (Nematoda: Parasitaphelenchidae)

The scanning electron microscope (SEM) has been a major tool in detailed morphological observations of plant parasitic nematodes during the last 30 years, efficiently complementing light microscopical (LM) studies. Nematodes are extremely difficult to observe and characterize due to their small size (aprox. 1 mm long) and paucity of morphological characters, so detailed surface observations of several organs and nematode regions are of the highest value. Among plant parasitic nematodes, one of the most devastating species is the “pinewood nematode” (PWN), Bursaphelenchus xylophilus, which has been a major problem for forest species, and in particular pines, in Asia (Japan, China, Korea) and has been recently detected in the European Union (Portugal). B. xylophilus belongs to a closely related, morphologically similar group of species, within the genus Bursaphelenchus, and designated by the “xylophilus group”. SEM has become a crucial tool in observing several genital characters of males and females, such as male genital papillae, male copulatory spicules, female vulval flap and female genital papillae.s In this presentation, we will show how SEM has been utilized to observe and characterize the shape of the vulval flap, the presence/ absence of papillae near the flap, and confirm the presence and the arrangement of the male genital papillae. LM is also used in this work to show its value as a complementary tool to SEM, in both genital characteristics and other, general, characters of the genus Bursaphelenchus, such as the male bursa and cephalic region.

The Riemann-Hilbert method applied to the theory of orthogonal polynomials

Doutoramento em Matemática

Molecular diversity and transferability of integrons from wastewaters

Na evolução bacteriana, a capacidade de explorar novos ambientes e de responder a diferentes pressões selectivas deve-se principalmente à aquisição de novos genes por transferência horizontal. Integrões são elementos genéticos bacterianos que constituem sistemas naturais de captura e expressão de cassetes de genes, sendo um dos principais mecanismos bacterianos envolvidos na aquisição de resistências a antibióticos. Estudos recentes suportam a hipótese de que os ambientes naturais constituem importantes reservatórios de integrões e cassetes de genes. Uma vez que as águas residuais são descarregadas em receptores naturais, torna-se fundamental conhecer a presença e dispersão de integrões nestes ambientes, assim como a sua associação a outros elementos genéticos móveis e a genes de resistências a antibióticos. Neste trabalho, pretendeu-se avaliar a prevalência e diversidade de integrões em águas residuais de origem animal e doméstica, bem como a sua associação a plasmídeos conjugativos, usando metodologias dependentes e independentes do cultivo de microrganismos em laboratório. Os resultados obtidos sustentam assim a hipótese de que ambientes particularmente ricos em matéria orgânica, como é o caso das águas residuais, constituem ambientes propícios à presença de integrões e à ocorrência de transferência horizontal de genes de resistência a antibióticos, embora a sua prevalência e diversidade seja influenciada pelo tipo de efluente em questão. A presença de integrões em estações de tratamento de águas residuais, e em especial nos efluentes tratados, constitui assim um factor preocupante, uma vez que tal contribui para a sua disseminação e dispersão por outros ecossistemas aquáticos, nomeadamente rios e mares. Os métodos utilizados permitiram também detectar uma elevada diversidade de cassetes de genes associadas a integrões, sendo possível que algumas dessas sequências codifiquem para proteínas que desempenhem um importante papel na adaptação bacteriana às intensas pressões selectivas características deste tipo de ambientes. Assim, é possível concluir que as comunidades bacterianas presentes em águas residuais reúnem diferentes tipos de elementos geneticamente móveis que desempenham um importante papel não só na adaptação bacteriana, mas também na disseminação de determinantes genéticos de resistência para ambientes naturais. Adicionalmente, a presença de potenciais proteínas com possíveis aplicações biotecnológicas reforça a importância das águas residuais como fontes de diversidade funcional. Este trabalho incluiu também a criação e implementação da base de dados INTEGRALL, desenvolvida com o intuito de congregar informação acerca de integrões e de uniformizar a nomenclatura de cassetes de genes.

Optimal control and numerical optimization applied to epidemiological models

A relação entre a epidemiologia, a modelação matemática e as ferramentas computacionais permite construir e testar teorias sobre o desenvolvimento e combate de uma doença. Esta tese tem como motivação o estudo de modelos epidemiológicos aplicados a doenças infeciosas numa perspetiva de Controlo Ótimo, dando particular relevância ao Dengue. Sendo uma doença tropical e subtropical transmitida por mosquitos, afecta cerca de 100 milhões de pessoas por ano, e é considerada pela Organização Mundial de Saúde como uma grande preocupação para a saúde pública. Os modelos matemáticos desenvolvidos e testados neste trabalho, baseiam-se em equações diferenciais ordinárias que descrevem a dinâmica subjacente à doença nomeadamente a interação entre humanos e mosquitos. É feito um estudo analítico dos mesmos relativamente aos pontos de equilíbrio, sua estabilidade e número básico de reprodução. A propagação do Dengue pode ser atenuada através de medidas de controlo do vetor transmissor, tais como o uso de inseticidas específicos e campanhas educacionais. Como o desenvolvimento de uma potencial vacina tem sido uma aposta mundial recente, são propostos modelos baseados na simulação de um hipotético processo de vacinação numa população. Tendo por base a teoria de Controlo Ótimo, são analisadas as estratégias ótimas para o uso destes controlos e respetivas repercussões na redução/erradicação da doença aquando de um surto na população, considerando uma abordagem bioeconómica. Os problemas formulados são resolvidos numericamente usando métodos diretos e indiretos. Os primeiros discretizam o problema reformulando-o num problema de optimização não linear. Os métodos indiretos usam o Princípio do Máximo de Pontryagin como condição necessária para encontrar a curva ótima para o respetivo controlo. Nestas duas estratégias utilizam-se vários pacotes de software numérico. Ao longo deste trabalho, houve sempre um compromisso entre o realismo dos modelos epidemiológicos e a sua tratabilidade em termos matemáticos.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

Combined effects of chemical and natural stressors to soil organisms and plants

Nas últimas décadas, a Terra tem experimentado um aquecimento global e mudanças nos padrões de precipitação. Muitos estudos sobre a avaliação de risco de agrotóxicos em organismos não-alvo foram realizados com base em protocolos padronizados, com condições abióticas controladas. Mas, em campo, os organismos são expostos a flutuações de vários fatores ambientais, bem como a poluentes, que podem alterar os limites de tolerância dos organismos aos stressores naturais, bem como alterar a toxicidade ou biodisponibilidade do químico em causa. Considerando isso, o principal objetivo deste trabalho foi o de avaliar de que modo e em que medida os fatores ambientais (temperatura, humidade do solo e radiação UV) podem interagir uns com os outros ou afetar a toxicidade do carbaril para invertebrados do solo e plantas. Para isso, foram utilizadas quatro espécies padrão: Folsomia candida, Eisenia andrei, Triticum aestivum e Brassica rapa, e simulados diferentes cenários climáticos, com vários parâmetros letais e subletais analisados. A exposição combinada foi analisada utilizando, quando possível, a ferramenta MIXTOX, com base no modelo de referência de acção independente (IA) e possíveis desvios, assim como rácios sinergísticos/antagonísticos (a partir de valores de EC50/LC50), quando a dose-resposta de um dos stressores não foi obtida. Todos os fatores de stress aplicados isoladamente causaram efeitos significativos sobre as espécies testadas e sua exposição combinada com carbaril, apresentaram respostas diferenciadas: para as minhocas, a seca e temperaturas elevadas aumentaram os efeitos deletérios do carbaril (sinergismo), enquanto o alagamento e temperaturas baixas diminuíram sua toxicidade (antagonismo). Para os colêmbolos, o modelo IA mostrou ser uma boa ferramenta para prever a toxicidade do carbaril tanto para temperaturas altas como para as baixas. Para as duas espécies de plantas foram encontradas diferenças significativas entre elas: em termos gerais, as interações entre carbaril e os stressores naturais foram observadas, com sinergismo aparecendo como o padrão principal relacionado com a radiação UV, solos secos e temperaturas elevadas, enquanto o padrão principal relacionado com temperaturas baixas e stress de alagamento foi o antagonismo. Quando os efeitos de dois stressores naturais (radiação UV e humidade do solo) em plantas foram avaliados, uma interação significativa foi encontrada: a seca aliviou o efeito deletério da radiação UV em T. aestivum e o alagamento aumentou os seus efeitos, mas para B. rapa a adição de ambos os stresses de água causou um aumento (sinergismo) dos efeitos deletérios da radiação UV para todos os parâmetros avaliados. Portanto é necessário que as diferenças sazonais e latitudinais, bem como as mudanças climáticas globais, sejam integradas na avaliação de risco de contaminantes do solo.