The use of non-standard CT conversion ramps for Monte Carlo verification of 6 MV prostate IMRT plans

Monte Carlo (MC) dose calculation algorithms have been widely used to verify the accuracy of intensity-modulated radiotherapy (IMRT) dose distributions computed by conventional algorithms due to the ability to precisely account for the effects of tissue inhomogeneities and multileaf collimator characteristics. Both algorithms present, however, a particular difference in terms of dose calculation and report. Whereas dose from conventional methods is traditionally computed and reported as the water-equivalent dose (Dw), MC dose algorithms calculate and report dose to medium (Dm). In order to compare consistently both methods, the conversion of MC Dm into Dw is therefore necessary. This study aims to assess the effect of applying the conversion of MC-based Dm distributions to Dw for prostate IMRT plans generated for 6 MV photon beams. MC phantoms were created from the patient CT images using three different ramps to convert CT numbers into material and mass density: a conventional four material ramp (CTCREATE) and two simplified CT conversion ramps: (1) air and water with variable densities and (2) air and water with unit density. MC simulations were performed using the BEAMnrc code for the treatment head simulation and the DOSXYZnrc code for the patient dose calculation. The conversion of Dm to Dw by scaling with the stopping power ratios of water to medium was also performed in a post-MC calculation process. The comparison of MC dose distributions calculated in conventional and simplified (water with variable densities) phantoms showed that the effect of material composition on dose-volume histograms (DVH) was less than 1% for soft tissue and about 2.5% near and inside bone structures. The effect of material density on DVH was less than 1% for all tissues through the comparison of MC distributions performed in the two simplified phantoms considering water. Additionally, MC dose distributions were compared with the predictions from an Eclipse treatment planning system (TPS), which employed a pencil beam convolution (PBC) algorithm with Modified Batho Power Law heterogeneity correction. Eclipse PBC and MC calculations (conventional and simplified phantoms) agreed well (<1%) for soft tissues. For femoral heads, differences up to 3% were observed between the DVH for Eclipse PBC and MC calculated in conventional phantoms. The use of the CT conversion ramp of water with variable densities for MC simulations showed no dose discrepancies (0.5%) with the PBC algorithm. Moreover, converting Dm to Dw using mass stopping power ratios resulted in a significant shift (up to 6%) in the DVH for the femoral heads compared to the Eclipse PBC one. Our results show that, for prostate IMRT plans delivered with 6 MV photon beams, no conversion of MC dose from medium to water using stopping power ratio is needed. In contrast, MC dose calculations using water with variable density may be a simple way to solve the problem found using the dose conversion method based on the stopping power ratio.

Comparison of different breast planning techniques and algorithms for radiation therapy treatment

This work aims at investigating the impact of treating breast cancer using different radiation therapy (RT) techniques – forwardly-planned intensity-modulated, f-IMRT, inversely-planned IMRT and dynamic conformal arc (DCART) RT – and their effects on the whole-breast irradiation and in the undesirable irradiation of the surrounding healthy tissues. Two algorithms of iPlan BrainLAB treatment planning system were compared: Pencil Beam Convolution (PBC) and commercial Monte Carlo (iMC). Seven left-sided breast patients submitted to breast-conserving surgery were enrolled in the study. For each patient, four RT techniques – f-IMRT, IMRT using 2-fields and 5-fields (IMRT2 and IMRT5, respectively) and DCART – were applied. The dose distributions in the planned target volume (PTV) and the dose to the organs at risk (OAR) were compared analyzing dose–volume histograms; further statistical analysis was performed using IBM SPSS v20 software. For PBC, all techniques provided adequate coverage of the PTV. However, statistically significant dose differences were observed between the techniques, in the PTV, OAR and also in the pattern of dose distribution spreading into normal tissues. IMRT5 and DCART spread low doses into greater volumes of normal tissue, right breast, right lung and heart than tangential techniques. However, IMRT5 plans improved distributions for the PTV, exhibiting better conformity and homogeneity in target and reduced high dose percentages in ipsilateral OAR. DCART did not present advantages over any of the techniques investigated. Differences were also found comparing the calculation algorithms: PBC estimated higher doses for the PTV, ipsilateral lung and heart than the iMC algorithm predicted.

A biosignal embedded system for physiological computing

Thesis submitted in the fulfilment of the requirements for the Degree of Master in Electronic and Telecomunications Engineering

Análise e optimização global de uma linha de extrusão

Os objectivos principais deste estudo são a caracterização de uma das linhas de extrusão existentes na Cabelte, nomeadamente a linha de extrusão de referência EP5, composta por duas extrusoras. Pretende-se fazer a determinação de indicadores energéticos e de processo e a optimização do consumo energético, no que diz respeito à energia consumida e às perdas térmicas relativas a esta linha. Para fazer a monitorização da linha de extrusão EP5 foi colocado no quadro geral dessa linha um equipamento central de medida de forma a ser possível a sua monitorização. No entanto, para a extrusora auxiliar as medições foram efectuadas com uma pinça amperimétrica e um fasímetro. Foram também efectuados ensaios onde foi avaliada a quantidade de material transformada, para isso foi utilizado um equipamento de pesagem, doseador gravimétrico aplicado nas extrusoras. As medições de temperatura para os cálculos das perdas térmicas da extrusora principal e para a caracterização dos materiais plásticos, foram efectuadas utilizando um termómetro digital. Foram efectuados ensaios de débito às extrusoras auxiliar e principal e foi estudada a variação do factor de potência em função da rotação do fuso. Na perspectiva do utilizador final a optimização para a utilização racional de energia está na redução de encargos da factura de energia eléctrica. Essa factura não depende só da quantidade mas também do modo temporal como se utiliza essa energia, principalmente a energia eléctrica, bastante dependente do período em que é consumida. Uma metodologia diferente no planeamento da produção, contemplando o fabrico dos cabos com maior custo específico nas horas de menor custo energético, implicaria uma redução dos custos específicos de 18,7% para o horário de verão e de 20,4% para o horário de inverno. Os materiais de revestimento utilizados (PE e PVC), influenciam directamente os custos energéticos, uma vez que o polietileno (PE) apresenta sempre valores de entalpia superiores (0,317 kWh/kg e 0,281 kWh/kg)) e necessita de temperaturas de trabalho mais elevadas do que o policloreto de vinilo (PVC) (0,141 kWh/kg e 0,124 kWh/kg). O consumo específico tendencialmente diminui à medida que aumenta a rotação do fuso, até se atingir o valor de rotação óptimo, a partir do qual esta tendência se inverte. O cosφ para as duas extrusoras em estudo, aumenta sempre com o aumento de rotação do fuso. Este estudo permitiu avaliar as condições óptimas no processo de revestimento dos cabos, de forma a minimizarmos os consumos energéticos. A redução de toda a espécie de desperdícios (sobre consumos, desperdício em purgas) é uma prioridade de gestão que alia também a eficácia à eficiência, e constitui uma ferramenta fundamental para assegurar o futuro da empresa. O valor médio lido para o factor de potência (0,38) da linha EP5, valor extremamente baixo e que vem associado à energia reactiva, além do factor económico que lhe está inerente, condiciona futuras ampliações. A forma de se corrigir o factor de potência é instalando uma bateria de condensadores de 500 kVAr. Considerando o novo sistema tarifário aplicado à energia reactiva, vamos ter um ganho de 36167,4 Euro/ano e o período de retorno de investimento é de 0,37 ano (4,5 meses). Esta medida implica também uma redução anual na quantidade de CO2 emitida de 6,5%. A quantificação das perdas térmicas é importante, pois só desta forma se podem definir modos de actuação de forma a aumentar a eficiência energética. Se não existir conhecimento profundo dos processos e metodologias correctas, não podem existir soluções eficientes, logo é importante medir antes de avançar com qualquer medida de gestão.

Optimized near real-time remote device tracking and monitoring system

Os serviços baseados em localização vieram dar um novo alento à criatividade dos programadores de aplicações móveis. A vulgarização de dispositivos com capacidades de localização integradas deu origem ao desenvolvimento de aplicações que gerem e apresentam informação baseada na posição do utilizador. Desde então, o mercado móvel tem assistido ao aparecimento de novas categorias de aplicações que tiram proveito desta capacidade. Entre elas, destaca-se a monitorização remota de dispositivos, que tem vindo a assumir uma importância crescente, tanto no sector particular como no sector empresarial. Esta dissertação começa por apresentar o estado da arte sobre os diferentes sistemas de posicionamento, categorizados pela sua eficácia em ambientes internos ou externos, assim como diferentes protocolos de comunicação em tempo quase-real. É também feita uma análise ao estado actual do mercado móvel. Actualmente o mercado possui diferentes plataformas móveis com características únicas que as fazem rivalizar entre si, com vista a expandirem a sua quota de mercado. É por isso elaborado um breve estudo sobre os sistemas operativos móveis mais relevantes da actualidade. É igualmente feita uma abordagem mais profunda à arquitectura da plataforma móvel da Apple - o iOS – que serviu de base ao desenvolvimento de uma solução optimizada para localização e monitorização de dispositivos móveis. A monitorização implica uma utilização intensiva de recursos energéticos e de largura de banda que os dispositivos móveis da actualidade não estão aptos a suportar. Dado o grande consumo energético do GPS face à precária autonomia destes dispositivos, é apresentado um estudo em que se expõem soluções que permitem gerir de forma optimizada a utilização do GPS. O elevado custo dos planos de dados facultados pelas operadoras móveis é também considerado, pelo que são exploradas soluções que visam minimizar a utilização de largura de banda. Deste trabalho, nasce a aplicação EyeGotcha, que para além de permitir localizar outros utilizadores de dispositivos móveis de forma optimizada, permite também monitorizar as suas acções baseando-se num conjunto de regras pré-definidas. Estas acções são reportadas às entidades monitoras, de modo automatizado e sob a forma de alertas. Visionando-se a comercialização da aplicação, é portanto apresentado um modelo de negócio que permite obter receitas capazes de cobrirem os custos de manutenção de serviços, aos quais o funcionamento da aplicação móvel está subjugado.

Inperlys – independente personal location system

O desenvolvimento de sistemas de localização pedestre com recurso a técnicas de dead reckoning tem mostrado ser uma área em expansão no mundo académico e não só. Existem algumas soluções criadas, no entanto, nem todas as soluções serão facilmente implementadas no mercado, quer seja pelo hardware caro, ou pelo sistema em si, que é desenvolvido tendo em conta um cenário em particular. INPERLYS é um sistema que visa apresentar uma solução de localização pedestre, independentemente do cenário, utilizando recursos que poderão ser facilmente usados. Trata-se de um sistema que utiliza uma técnica de dead reckonig para dar a localização do utilizador. Em cenários outdoor, um receptor GPS fornece a posição do utilizador, fornecendo uma posição absoluta ao sistema. Quando não é possível utilizar o GPS, recorre-se a um sensor MEMS e a uma bússola para se obter posições relativas à última posição válida do GPS. Para interligar todos os sensores foi utilizado o protocolo de comunicações sem fios ZigBee™. A escolha recaiu neste protocolo devido a factores como os seus baixos consumos e o seu baixo custo. Assim o sistema torna-se de uso fácil e confortável para o utilizador, ao contrário de sistemas similares desenvolvidos, que utilizam cabos para interligarem os diferentes componentes do sistema. O sensor MEMS do tipo acelerómetro tem a função de ler a aceleração horizontal, ao nível do pé. Esta aceleração será usada por um algoritmo de reconhecimento do padrão das acelerações para se detectar os passos dados. Após a detecção do passo, a aceleração máxima registada nesse passo é fornecida ao coordenador, para se obter o deslocamento efectuado. Foram efectuados alguns testes para se perceber a eficiência do INPERLYS. Os testes decorreram num percurso plano, efectuados a uma velocidade normal e com passadas normais. Verificou-se que, neste momento, o desempenho do sistema poderá ser melhorado, quer seja a nível de gestão das comunicações, quer a nível do reconhecimento do padrão da aceleração horizontal, essencial para se detectar os passos. No entanto o sistema é capaz de fornecer a posição através do GPS, quando é possível a sua utilização, e é capaz de fornecer a orientação do movimento.

Constructing Cultural Policies in Romania. A possible model for communicating the national value system

The premise of this paper is that a model for communicating the national value system must start from a strategy aimed at the identification, the cultivation and communication of values that give consistency to the value system. The analysis concentrates on the elements of such strategies and on the implications of applying a value communication program on the identity architecture of the community. The paper will also discuss the role of the national value system in the context of the emerging global culture, where the individual has the power to create his/her own hybrid cultural model.

Comparison of inverse planning systems based on biological or physical factors: Pinnacle®, Corvus® and Monaco®

Radiotherapy (RT) is one of the most important approaches in the treatment of cancer and its performance can be improved in three different ways: through the optimization of the dose distribution, by the use of different irradiation techniques or through the study of radiobiological initiatives. The first is purely physical because is related to the physical dose distributiuon. The others are purely radiobiological because they increase the differential effect between the tumour and the health tissues. The Treatment Planning Systems (TPS) are used in RT to create dose distributions with the purpose to maximize the tumoral control and minimize the complications in the healthy tissues. The inverse planning uses dose optimization techniques that satisfy the criteria specified by the user, regarding the target and the organs at risk (OAR’s). The dose optimization is possible through the analysis of dose-volume histograms (DVH) and with the use of computed tomography, magnetic resonance and other digital image techniques.

Planeamento de curto prazo de sistemas de energia solar usando técnicas de otimização robusta

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica

Distribution system operation supported by contextual energy resource management based on intelligent SCADA

Future distribution systems will have to deal with an intensive penetration of distributed energy resources ensuring reliable and secure operation according to the smart grid paradigm. SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) is an essential infrastructure for this evolution. This paper proposes a new conceptual design of an intelligent SCADA with a decentralized, flexible, and intelligent approach, adaptive to the context (context awareness). This SCADA model is used to support the energy resource management undertaken by a distribution network operator (DNO). Resource management considers all the involved costs, power flows, and electricity prices, allowing the use of network reconfiguration and load curtailment. Locational Marginal Prices (LMP) are evaluated and used in specific situations to apply Demand Response (DR) programs on a global or a local basis. The paper includes a case study using a 114 bus distribution network and load demand based on real data.

Characterizing the timing behaviour of power-line communication by means of simulation

Although power-line communication (PLC) is not a new technology, its use to support communication with timing requirements is still the focus of ongoing research. Recently, a new infrastructure was presented, intended for communication using power lines from a central location to geographically dispersed nodes using inexpensive devices. This new infrastructure uses a two-level hierarchical power-line system, together with an IP-based network. Within this infrastructure, in order to provide end-toend communication through the two levels of the powerline system, it is necessary to fully understand the behaviour of the underlying network layers. The masterslave behaviour of the PLC MAC, together with the inherent dynamic topology of power-line networks are important issues that must be fully characterised. Therefore, in this paper we present a simulation model which is being used to study and characterise the behaviour of power-line communication.

Queuing and routing in a hierarchical powerline communication system

Although power-line communication (PLC) is not a new technology, its use to support data communication with timing requirements is still the focus of ongoing research. A new infrastructure intended for communication using power lines from a central location to dispersed nodes using inexpensive devices was presented recently. This new infrastructure uses a two-level hierarchical power-line system, together with an IP-based network. Due to the master-slave behaviour of the PLC medium access, together with the inherent dynamic topology of power-line networks, a mechanism to provide end-to-end communication through the two levels of the power-line system must be provided. In this paper we introduce the architecture of the PLC protocol layer that is being implemented for this end.

A power line communication stack for metering, SCADA and large-scale domotic applications

This paper describes the communication stack of the REMPLI system: a structure using power-lines and IPbased networks for communication, for data acquisition and control of energy distribution and consumption. It is furthermore prepared to use alternative communication media like GSM or analog modem connections. The REMPLI system provides communication service for existing applications, namely automated meter reading, energy billing and domotic applications. The communication stack, consisting of physical, network, transport, and application layer is described as well as the communication services provided by the system. We show how the peculiarities of the power-line communication influence the design of the communication stack, by introducing requirements to efficiently use the limited bandwidth, optimize traffic and implement fair use of the communication medium for the extensive communication partners.

Device power management for real-time embedded systems

A large part of power dissipation in a system is generated by I/O devices. Increasingly these devices provide power saving mechanisms to inter alia enhance battery life. While I/O device scheduling has been studied in the past for realtime systems, the use of energy resources by these scheduling algorithms may be improved. These approaches are crafted considering a huge overhead of device transition. The technology enhancement has allowed the hardware vendors to reduce the device transition overhead and energy consumption. We propose an intra-task device scheduling algorithm for real time systems that allows to shut-down devices while ensuring the system schedulability. Our results show an energy gain of up to 90% in the best case when compared to the state-of-the-art.

A Perturbation and Observation Routine Used To Control A Power Converter

This paper presents a programable perturbation and observation control implementation for a wind generation system and its power electronic converter. The objective of the method in this particular application is to adjust the power delivered to charge a battery to its maximum and allowable value, function of the real values of several parameters and their continuous variation, the most important the wind velocity and the turbine efficiency. Also, to improve the power throughput and to use the turbine and generator marginal zones of operation, an unusual power converter is used, allowing a wide range for the input voltage values. The implemented control is continuously measuring the actual power and looks for a new and powerful operation point. © 2014 IEEE.