Embedded platform for ECG biometric recognition

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Implementação de WDM com 4 canais no espetro do visível

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Hydrogen peroxide sensing, signaling and regulation of transcription factors

The regulatory mechanisms by which hydrogen peroxide (H2O2) modulates the activity of transcription factors in bacteria (OxyR and PerR), lower eukaryotes (Yap1, Maf1, Hsf1 and Msn2/4) and mammalian cells (AP-1, NRF2, CREB, HSF1, HIF-1, TP53, NF-κB, NOTCH, SP1 and SCREB-1) are reviewed. The complexity of regulatory networks increases throughout the phylogenetic tree, reaching a high level of complexity in mammalians. Multiple H2O2 sensors and pathways are triggered converging in the regulation of transcription factors at several levels: (1) synthesis of the transcription factor by upregulating transcription or increasing both mRNA stability and translation; (ii) stability of the transcription factor by decreasing its association with the ubiquitin E3 ligase complex or by inhibiting this complex; (iii) cytoplasm-nuclear traffic by exposing/masking nuclear localization signals, or by releasing the transcription factor from partners or from membrane anchors; and, (iv) DNA binding and nuclear transactivation by modulating transcription factor affinity towards DNA, co-activators or repressors, and by targeting specific regions of chromatin to activate individual genes. We also discuss how H2O2 biological specificity results from diverse thiol protein sensors, with different reactivity of their sulfhydryl groups towards H2O2, being activated by different concentrations and times of exposure to H2O2. The specific regulation of local H2O2 concentrations is also crucial and results from H2O2 localized production and removal controlled by signals. Finally, we formulate equations to extract from typical experiments quantitative data concerning H2O2 reactivity with sensor molecules. Rate constants of 140 M-1s−1 and ≥ 1.3 × 103 M-1s−1 were estimated, respectively, for the reaction of H2O2 with KEAP1 and with an unknown target that mediates NRF2 protein synthesis. In conclusion, the multitude of H2O2 targets and mechanisms provides an opportunity for highly specific effects on gene regulation that depend on the cell type and on signals received from the cellular microenvironment.

Sistema para monitorização cardiovascular

Esta dissertação propõe o desenvolvimento de um sistema capaz de adquirir e monitorizar num computador o sinal do electrocardiograma (ECG) e de detectar o pico R do complexo QRS do referido sinal. Numa primeira fase foi efectuado um estudo do sistema cardiovascular, de forma a compreender a actividade eléctrica do coração e dos diversos sinais que constituem o ECG. Foi efectuado um estudo sobre o sinal ECG, tendo sido estudadas as suas características, bem como técnicas e componentes básicos de aquisição e condicionamento do sinal, sendo também analisados diversos sistemas que efectuam a aquisição de ECG. Numa segunda fase foram estudadas as Field Programmable Analog Array (FPAA), analisando o estado da arte desta tecnologia, bem como os dispositivos disponíveis comercialmente. Após esta análise foram seleccionados os dispositivos FPAA, bem como o restante hardware e software necessários para a realização desta Tese. Foi desenvolvido um sistema de condicionamento de sinal ECG, e de detecção de pico R do complexo QRS, apenas com componentes analógicos discretos tendo sido analisados os resultados obtidos antes de se avançar para a fase seguinte. Após a realização do sistema com componentes discretos, foi implementado um sistema em que grande parte do condicionamento do sinal ECG é efectuado por duas placas de desenvolvimento FPAA, de forma a diminuir a quantidade de componentes e a obter um sinal com melhor resolução. Os resultados obtidos foram analisados e comparados com o sistema desenvolvido. Para monitorizar o sinal ECG e o pico R num computador, foi desenvolvido um sistema em que os sinais são convertidos pelo conversor A/D de um microcontrolador, e enviados por comunicação série para um computador, sendo os valores obtidos visualizados numa aplicação em ambiente MATLAB.

ECG denoising based on adaptive signal processing technique

An Electrocardiogram (ECG) monitoring system deals with several challenges related with noise sources. The main goal of this text was the study of Adaptive Signal Processing Algorithms for ECG noise reduction when applied to real signals. This document presents an adaptive ltering technique based on Least Mean Square (LMS) algorithm to remove the artefacts caused by electromyography (EMG) and power line noise into ECG signal. For this experiments it was used real noise signals, mainly to observe the di erence between real noise and simulated noise sources. It was obtained very good results due to the ability of noise removing that can be reached with this technique. A recolha de sinais electrocardiogr a cos (ECG) sofre de diversos problemas relacionados com ru dos. O objectivo deste trabalho foi o estudo de algoritmos adaptativos para processamento digital de sinal, para redu c~ao de ru do em sinais ECG reais. Este texto apresenta uma t ecnica de redu c~ao de ru do baseada no algoritmo Least Mean Square (LMS) para remo c~ao de ru dos causados quer pela actividade muscular (EMG) quer por ru dos causados pela rede de energia el ectrica. Para as experiencias foram utilizados ru dos reais, principalmente para aferir a diferen ca de performance do algoritmo entre os sinais reais e os simulados. Foram conseguidos bons resultados, essencialmente devido as excelentes caracter sticas que esta t ecnica tem para remover ru dos.

Controlador Boundary-Scan

A crescente complexidade dos sistemas electrónicos associada a um desenvolvimento nas tecnologias de encapsulamento levou à miniaturização dos circuitos integrados, provocando dificuldades e limitações no diagnóstico e detecção de falhas, diminuindo drasticamente a aplicabilidade dos equipamentos ICT. Como forma de lidar com este problema surgiu a infra-estrutura Boundary Scan descrita na norma IEEE1149.1 “Test Access Port and Boundary-Scan Architecture”, aprovada em 1990. Sendo esta solução tecnicamente viável e interessante economicamente para o diagnóstico de defeitos, efectua também outras aplicações. O SVF surgiu do desejo de incutir e fazer com que os fornecedores independentes incluíssem a norma IEEE 1149.1, é desenvolvido num formato ASCII, com o objectivo de enviar sinais, aguardar pela sua resposta, segundo a máscara de dados baseada na norma IEEE1149.1. Actualmente a incorporação do Boundary Scan nos circuitos integrados está em grande expansão e consequentemente usufrui de uma forte implementação no mercado. Neste contexto o objectivo da dissertação é o desenvolvimento de um controlador boundary scan que implemente uma interface com o PC e possibilite o controlo e monitorização da aplicação de teste ao PCB. A arquitectura do controlador desenvolvido contém um módulo de Memória de entrada, um Controlador TAP e uma Memória de saída. A implementação do controlador foi feita através da utilização de uma FPGA, é um dispositivo lógico reconfiguráveis constituído por blocos lógicos e por uma rede de interligações, ambos configuráveis, que permitem ao utilizador implementar as mais variadas funções digitais. A utilização de uma FPGA tem a vantagem de permitir a versatilidade do controlador, facilidade na alteração do seu código e possibilidade de inserir mais controladores dentro da FPGA. Foi desenvolvido o protocolo de comunicação e sincronização entre os vários módulos, permitindo o controlo e monitorização dos estímulos enviados e recebidos ao PCB, executados automaticamente através do software do Controlador TAP e de acordo com a norma IEEE 1149.1. A solução proposta foi validada por simulação utilizando o simulador da Xilinx. Foram analisados todos os sinais que constituem o controlador e verificado o correcto funcionamento de todos os seus módulos. Esta solução executa todas as sequências pretendidas e necessárias (envio de estímulos) à realização dos testes ao PCB. Recebe e armazena os dados obtidos, enviando-os posteriormente para a memória de saída. A execução do trabalho permitiu concluir que os projectos de componentes electrónicos tenderão a ser descritos num nível de abstracção mais elevado, recorrendo cada vez mais ao uso de linguagens de hardware, no qual o VHDL é uma excelente ferramenta de programação. O controlador desenvolvido será uma ferramenta bastante útil e versátil para o teste de PCBs e outras funcionalidades disponibilizadas pelas infra-estruturas BS.

Desenvolvimento e validação de um sistema de recolha de sinal eletromiográfico baseado em placa de aquisição

A eletromiografia é, hoje em dia, uma das técnicas mais utilizadas no estudo dos músculos, estando presente em áreas como a medicina, a biomecânica e a fisiologia, possibilitando o desenvolvimento científico e contribuindo para proporcionar melhorias na qualidade da vida humana. Sendo assim, este trabalho apresenta um protótipo de um aparelho de aquisição de sinais eletromiográficos, explicando também toda a teoria, técnicas, componentes utilizadas e softwares que estiveram presentes na sua implementação. De uma forma sucinta, para a aquisição do sinal eletromiográfico usou-se uma placa de aquisição NI-USB 6009 e para a visualização do mesmo recorreu-se ao software LabVIEW. Para validar o sinal adquirido com o equipamento desenvolvido, utilizou-se um outro equipamento, o Biopac MP36 Student Lab System, fazendo-se assim recolhas de sinais eletromiográficos com ambos os equipamentos. Os sinais recolhidos pelos dois equipamentos foram analisados no software Acknowledge 3.9.0 (Biopac Systems, Inc.), podendo observar-se os espetros de frequência correspondentes a cada sinal e retirar valores para posterior análise estatística. Feita essa análise, concluiu-se que não foram detetadas diferenças significativas entre os sinais eletromiográficos recolhidos com ambos os equipamentos, validando-se assim, o equipamento desenvolvido.

Gold electrode modified by self-assembled monolayers of thiols to determine DNA sequences hybridization

The process of immobilization of biological molecules is one of the most important steps in the construction of a biosensor. In the case of DNA, the way it exposes its bases can result in electrochemical signals to acceptable levels. The use of self-assembled monolayer that allows a connection to the gold thiol group and DNA binding to an aldehydic ligand resulted in the possibility of determining DNA hybridization. Immobilized single strand of DNA (ssDNA) from calf thymus pre-formed from alkanethiol film was formed by incubating a solution of 2-aminoethanothiol (Cys) followed by glutaraldehyde (Glu). Cyclic voltammetry (CV) was used to characterize the self-assembled monolayer on the gold electrode and, also, to study the immobilization of ssDNA probe and hybridization with the complementary sequence (target ssDNA). The ssDNA probe presents a well-defined oxidation peak at +0.158 V. When the hybridization occurs, this peak disappears which confirms the efficacy of the annealing and the DNA double helix performing without the presence of electroactive indicators. The use of SAM resulted in a stable immobilization of the ssDNA probe, enabling the hybridization detection without labels. This study represents a promising approach for molecular biosensor with sensible and reproducible results.

Dominant set approach to ECG biometrics

Electrocardiographic (ECG) signals are emerging as a recent trend in the field of biometrics. In this paper, we propose a novel ECG biometric system that combines clustering and classification methodologies. Our approach is based on dominant-set clustering, and provides a framework for outlier removal and template selection. It enhances the typical workflows, by making them better suited to new ECG acquisition paradigms that use fingers or hand palms, which lead to signals with lower signal to noise ratio, and more prone to noise artifacts. Preliminary results show the potential of the approach, helping to further validate the highly usable setups and ECG signals as a complementary biometric modality.

Exploração vocacional: recorrendo a biossensores cognitivos

Na sociedade actual é imperativo assegurar um emprego competente para que o Ser Humano possa atingir a sua subsistência, e consequentemente a sua própria felicidade. No entanto, devido à pressão da sociedade em que vivemos, promover a sustentabilidade do “emprego” hoje em dia, principalmente nas camadas mais jovens, traduz-se em algo extremamente difícil. Estes deparam-se com uma situação árdua quando escolhem um caminho para o seu futuro. Assim como eu, também os jovens da actualidade prevêem que no futuro essas dúvidas se irão manter, ainda de forma mais agravada devido à complexidade das profissões existentes no mundo do trabalho. O meu objectivo neste momento é facilitar a vida dos jovens que se vêem numa encruzilhada, com pouco tempo de resposta para a tomada de decisão do seu próprio futuro. Pretendo fomentar a descoberta e construção da sua própria vocação, dando uso aos novos avanços tecnológicos, juntamente com técnicas já utilizadas na área da Psicologia. Recorrendo a biossensores cognitivos, através do EPOC da Emotiv, que realiza a leitura de sinais neuronais e de uma aplicação informática criada para o efeito. Apesar de não resolver na totalidade, desejo reduzir substancialmente a dúvida dos Jovens na escolha da sua profissão futura.

Alice's anima or the obligation of a reading transliteracy

This paper suggests an analysis of "Inanimate Alice" by Kate Pullinger, Chris Joseph and Ian Harper as an example of a transmedia narrative that triggers a new reading experience whilst proposing a literary alterity between reading and performance. Narrative experiences that elect the visual plasticity, interchanging games and tactility as drivers of the creative process are not new. Yet, narrative experiences, which have been created in the gap between reality and fiction, have found on the digital realm the perfect environment to multiple hybrid experiences. Bearing in mind Walter Benjamin’s concept of Erlebnis and Erfahrung, a critical analysis of this digital fiction tries to illustrate how literary art finds its space and time in a metamorphosed continuum only activated by the “patient reader”. All the multimedia hybrids, which this digital literary work may have, challenge readers to interpret different signals and poetic structures that most of readers might not be accustomed to; however even among a cognitive dissonance, meaning is found and reading happens only if time, space and attention are available. All possible transmedia literacies can only respond to this experience of online reading, if they are able to focus and draw attention not to a simple new behaviour or a single new practice, but to a demanding state of affairs that assemble different objective and subjective value forms.

Sistema WDM de 4 canais

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Bradykinin-induced Ca2+ signaling in human subcutaneous fibroblasts involves ATP release via hemichannels leading to P2Y12 receptors activation

Background: Chronic musculoskeletal pain involves connective tissue remodeling triggered by inflammatory mediators, such as bradykinin. Fibroblast cells signaling involve changes in intracellular Ca2+ ([Ca2+]i). ATP has been related to connective tissue mechanotransduction, remodeling and chronic inflammatory pain, via P2 purinoceptors activation. Here, we investigated the involvement of ATP in bradykinin-induced Ca2+ signals in human subcutaneous fibroblasts. Results: Bradykinin, via B2 receptors, caused an abrupt rise in [Ca2+]i to a peak that declined to a plateau, which concentration remained constant until washout. The plateau phase was absent in Ca2+-free medium; [Ca2+]i signal was substantially reduced after depleting intracellular Ca2+ stores with thapsigargin. Extracellular ATP inactivation with apyrase decreased the [Ca2+]i plateau. Human subcutaneous fibroblasts respond to bradykinin by releasing ATP via connexin and pannexin hemichannels, since blockade of connexins, with 2- octanol or carbenoxolone, and pannexin-1, with 10Panx, attenuated bradykinin-induced [Ca2+]i plateau, whereas inhibitors of vesicular exocytosis, such as brefeldin A and bafilomycin A1, were inactive. The kinetics of extracellular ATP catabolism favors ADP accumulation in human fibroblast cultures. Inhibition of ectonucleotidase activity and, thus, ADP formation from released ATP with POM-1 or by Mg2+ removal from media reduced bradykinin-induced [Ca2+]i plateau. Selective blockade of the ADP-sensitive P2Y12 receptor with AR-C66096 attenuated bradykinin [Ca2+]i plateau, whereas the P2Y1 and P2Y13 receptor antagonists, respectively MRS 2179 and MRS 2211, were inactive. Human fibroblasts exhibited immunoreactivity against connexin-43, pannexin-1 and P2Y12 receptor. Conclusions: Bradykinin induces ATP release from human subcutaneous fibroblasts via connexin and pannexin-1-containing hemichannels leading to [Ca2+]i mobilization through the cooperation of B2 and P2Y12 receptors.

Red light (Processo contra-ordenacional em meio urbano)

Devido ao acréscimo significativo de viaturas e peões nas grandes cidades foi necessário recorrer aos mecanismos existentes para coordenar o tráfego. Nesta perspectiva surge a implementação de semáforos com o objectivo de ordenar o tráfego nas vias rodoviárias. A gestão de tráfego, tem sido sujeita a inovações tanto ao nível dos equipamentos, do software usado, gestão centralizada, monitorização das vias e na sincronização semafórica, sendo possível a criação de programas ajustados às diferentes exigências de tráfego verificadas durante as vinte e quatro horas para pontos distintos da cidade. Conceptualmente foram elaborados estudos, com o objectivo de identificar a relação entre a velocidade o fluxo e o intervalo num determinado intervalo de tempo, bem como a relação entre a velocidade e a sinistralidade. Até 1995 Portugal era um dos países com maior número de sinistros rodoviários Na sequência desta evolução foram instalados radares de controlo de velocidade no final de 2006 com o objectivo de obrigar ao cumprimento dos limites de velocidade impostos pelo código da estrada e reduzir a sinistralidade automóvel na cidade de Lisboa. Passados alguns anos sobre o investimento realizadoanteriormente, constatamos que existe a necessidade de implementar novas tecnologias na detecção das infracções, sejam estas de excesso de velocidade ou violação do semáforo vermelho (VSV), optimizar a informação disponibilizada aos automobilistas e aos peões, coordenar a interacção entre os veículos prioritários e os restantes presentes na via, dinamizar a gestão interna das contra ordenações, agilizar os procedimentos informatizar a recolha deinformação de modo a tornar os processos mais céleres.

Melhoria da eficiência de amplificadores de potência para sinais RF com envolvente variável

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrónica e Telecomunicações