Three Wavelength Optical Probe for Surface Roughness Measurements of Paper Samples

In the present diploma work optical inspection methods were used to investigate surface roughness of paper samples. A special measurement setup, which includes three laser light sources of three different wavelengths, photodetector and goniometer, was used to measure the reflected laser light properties. The intensity of the light reflected in specular direction was measured versus the laser incidence angle for reference metal sample. The value of roughness was estimated and compared to initially known value of metal sample roughness. Thus, the measurement equipment and method were validated. Then the reflected intensity was measured versus reflection angle at constant incidence angle for the same metal sample and paper samples under investigation. The final values of the surface roughness were obtained from the analysis of the reflected intensity dependence. The results are in good correlation with other research groups.

Splat-based surface reconstruction from defect-laden point sets

We introduce a method for surface reconstruction from point sets that is able to cope with noise and outliers. First, a splat-based representation is computed from the point set. A robust local 3D RANSAC-based procedure is used to filter the point set for outliers, then a local jet surface - a low-degree surface approximation - is fitted to the inliers. Second, we extract the reconstructed surface in the form of a surface triangle mesh through Delaunay refinement. The Delaunay refinement meshing approach requires computing intersections between line segment queries and the surface to be meshed. In the present case, intersection queries are solved from the set of splats through a 1D RANSAC procedure

Structural studies on enzymes of biotechnological and biomedical interest

Structural studies of proteins aim at elucidating the atomic details of molecular interactions in biological processes of living organisms. These studies are particularly important in understanding structure, function and evolution of proteins and in defining their roles in complex biological settings. Furthermore, structural studies can be used for the development of novel properties in biomolecules of environmental, industrial and medical importance. X-ray crystallography is an invaluable tool to obtain accurate and precise information about the structure of proteins at the atomic level. Glutathione transferases (GSTs) are amongst the most versatile enzymes in nature. They are able to catalyze a wide variety of conjugation reactions between glutathione (GSH) and non-polar components containing an electrophilic carbon, nitrogen or sulphur atom. Plant GSTs from the Tau class (a poorly characterized class) play an important role in the detoxification of xenobiotics and stress tolerance. Structural studies were performed on a Tau class fluorodifen-inducible glutathione transferase from Glycine max (GmGSTU4-4) complexed with GSH (2.7 Å) and a product analogue Nb-GSH (1.7 Å). The three-dimensional structure of the GmGSTU4-4-GSH complex revealed that GSH binds in different conformations in the two subunits of the dimer: in an ionized form in one subunit and a non-ionized form in the second subunit. Only the ionized form of the substrate may lead to the formation of a catalytically competent complex. Structural comparison between the GSH and Nb-GSH bound complexes revealed significant differences with respect to the hydrogen-bonding, electrostatic interaction pattern, the upper part of -helix H4 and the C-terminus of the enzyme. These differences indicate an intrasubunit modulation between the G-and Hsites suggesting an induced-fit mechanism of xenobiotic substrate binding. A novel binding site on the surface of the enzyme was also revealed. Bacterial type-II L-asparaginases are used in the treatment of haematopoietic diseases such as acute lymphoblastic leukaemia (ALL) and lymphomas due to their ability to catalyze the conversion of L-asparagine to L-aspartate and ammonia. Escherichia coli and Erwinia chrysanthemi asparaginases are employed for the treatment of ALL for over 30 years. However, serious side-effects affecting the liver and pancreas have been observed due to the intrinsic glutaminase activity of the administered enzymes. Structural studies on Helicobacter pylori L-asparaginase (HpA) were carried out in an effort to discover novel L-asparaginases with potential chemotherapeutic utility in ALL treatment. Detailed analysis of the active site geometry revealed structurally significant differences between HpA and other Lasparaginases that may be important for the biological activities of the enzyme and could be further exploited in protein engineering efforts.

Digital surface area assessment of broiler chickens

Surface area (SA) of poultry is an important parameter for heat and mass transfer calculations. Optical approaches, such as the moiré technique (MT), are non-destructive, result in accuracy and speed gains, and preserve the object integrity. The objective of this research was to develop and validate a new protocol for estimating the surface area (SA) of broiler chickens based on the MT. Sixty-six Ross breed broiler chickens (twenty-seven male, thirty-nine female, ages spanning all growth phases) were used in this study. The dimensions (length, width and height) and body mass of randomly selected broiler chickens were evaluated in the laboratory. Chickens were illuminated by a light source, and grids were projected onto the chickens to allow their shape to be determined and recorded. Next, the skin and feathers of the chickens were removed to allow SA to be determined by conventional means. These measurements were then used for calibration and validation. The MT for image analysis was a reliable means of evaluating the three-dimensional shape and SA of broiler chickens. This technique, which is neither invasive nor destructive, is a good alternative to the conventional destructive methods.

Osteocondromatose múltipla hereditária com envolvimento costal

This is a case report on Hereditary Multiple Osteochondromatosis (HMO) with rib involvement. The authors present aspects of thoracic surface anatomy, and thoracic images (X-rays, computed tomography, magnetic nuclear resonance), as well as the operating procedure.

Effect of different surface roughnesses on a turbulent boundary layer

The classical treatment of rough wall turbulent boundary layers consists in determining the effect the roughness has on the mean velocity profile. This effect is usually described in terms of the roughness function delta U+. The general implication is that different roughness geometries with the same delta U+ will have similar turbulence characteristics, at least at a sufficient distance from the roughness elements. Measurements over two different surface geometries (a mesh roughness and spanwise circular rods regularly spaced in the streamwise direction) with nominally the same delta U+ indicate significant differences in the Reynolds stresses, especially those involving the wall-normal velocity fluctuation, over the outer region. The differences are such that the Reynolds stress anisotropy is smaller over the mesh roughness than the rod roughness. The Reynolds stress anisotropy is largest for a smooth wall. The small-scale anisotropy and interniittency exhibit much smaller differences when the Taylor microscale Reynolds number and the Kolmogorov-normalized mean shear are nominally the same. There is nonetheless evidence that the small-scale structure over the three-dimensional mesh roughness conforms more closely with isotropy than that over the rod-roughened and smooth walls.

Application of a non isotropic turbulence model to stable atmospheric flows and dispersion over 3D topography

A non isotropic turbulence model is extended and applied to three dimensional stably stratified flows and dispersion calculations. The model is derived from the algebraic stress model (including wall proximity effects), but it retains the simplicity of the "eddy viscosity" concept of first order models. The "modified k-epsilon" is implemented in a three dimensional numerical code. Once the flow is resolved, the predicted velocity and turbulence fields are interpolated into a second grid and used to solve the concentration equation. To evaluate the model, various steady state numerical solutions are compared with small scale dispersion experiments which were conducted at the wind tunnel of Mitsubishi Heavy Industries, in Japan. Stably stratified flows and plume dispersion over three distinct idealized complex topographies (flat and hilly terrain) are studied. Vertical profiles of velocity and pollutant concentration are shown and discussed. Also, comparisons are made against the results obtained with the standard k-epsilon model.

Structural, functional and immunological studies on a polymeric bacterial protein

The characterization of proteins from Brucella spp, the causative agent of brucellosis, has been the subject of intensive research. We have described an 18-kDa cytoplasmic protein of Brucella abortus and shown the potential usefulness of this protein as an antigen for the serologic diagnosis of brucellosis. The amino acid sequence of the protein showed a low but significant homology with that of lumazine synthases. Lumazine is an intermediate product in bacterial riboflavin biosynthesis. The recombinant form of the 18-kDa protein (expressed in E. coli) folds like the native Brucella protein and has lumazine-synthase enzymatic activity. Three-dimensional analysis by X-ray crystallography of the homolog Bacillus subtilis lumazine synthase has revealed that the enzyme forms an icosahedral capsid. Recombinant lumazine synthase from B. abortus was crystallized, diffracted X rays to 2.7-Å resolution at room temperature, and the structure successfully solved by molecular replacement procedures. The macromolecular assembly of the enzyme differs from that of the enzyme from B. subtilis. The Brucella enzyme remains pentameric (90 kDa) in its crystallographic form. Nonetheless, the active sites of the two enzymes are virtually identical at the structural level, indicating that inhibitors of these enzymes could be viable pharmaceuticals across a broad species range. We describe the structural reasons for the differences in their quaternary arrangement and also discuss the potential use of this protein as a target for the development of acellular vaccines.

Protein-mediated surface structuring in biomembranes

The lipids and proteins of biomembranes exhibit highly dissimilar conformations, geometrical shapes, amphipathicity, and thermodynamic properties which constrain their two-dimensional molecular packing, electrostatics, and interaction preferences. This causes inevitable development of large local tensions that frequently relax into phase or compositional immiscibility along lateral and transverse planes of the membrane. On the other hand, these effects constitute the very codes that mediate molecular and structural changes determining and controlling the possibilities for enzymatic activity, apposition and recombination in biomembranes. The presence of proteins constitutes a major perturbing factor for the membrane sculpturing both in terms of its surface topography and dynamics. We will focus on some results from our group within this context and summarize some recent evidence for the active involvement of extrinsic (myelin basic protein), integral (Folch-Lees proteolipid protein) and amphitropic (c-Fos and c-Jun) proteins, as well as a membrane-active amphitropic phosphohydrolytic enzyme (neutral sphingomyelinase), in the process of lateral segregation and dynamics of phase domains, sculpturing of the surface topography, and the bi-directional modulation of the membrane biochemical reactivity.

Electrospinning and characterization of self-assembled inclusion complexies

L’électrofilage est une technique permettant de fabriquer des fibres polymériques dont le diamètre varie entre quelques nanomètres et quelques microns. Ces fibres ont donc un rapport surface/volume très élevé. Les fibres électrofilées pourraient trouver des applications dans le relargage de médicaments et le génie tissulaire, comme membranes et capteurs chimiques, ou dans les nanocomposites et dispositifs électroniques. L’électrofilage était initialement utilisé pour préparer des toiles de fibres désordonnées, mais il est maintenant possible d’aligner les fibres par l’usage de collecteurs spéciaux. Cependant, il est important de contrôler non seulement l’alignement macroscopique des fibres mais aussi leur orientation au niveau moléculaire puisque l’orientation influence les propriétés mécaniques, optiques et électriques des polymères. Les complexes moléculaires apparaissent comme une cible de choix pour produire des nanofibres fortement orientées. Dans les complexes d’inclusion d’urée, les chaînes polymères sont empilées dans des canaux unidimensionnels construits à partir d’un réseau tridimensionnel de molécules d’urée liées par des ponts hydrogène. Ainsi, les chaînes polymère sonts très allongées à l’échelle moléculaire. Des nanofibres du complexe PEO-urée ont été préparées pour la première fois par électrofilage de suspensions et de solutions. Tel qu’attendu, une orientation moléculaire inhabituellement élevée a été observée dans ces fibres. De tels complexes orientés pourraient être utilisés à la fois dans des études fondamentales et dans la préparation de matériaux hiérarchiquement structurés. La méthode d’électrofilage peut parfois aussi être utilisée pour préparer des matériaux polymériques métastables qui ne peuvent pas être préparés par des méthodes conventionnelles. Ici, l’électrofilage a été utilisé pour préparer des fibres des complexes stables (α) et "métastables" (β) entre le PEO et l’urée. La caractérisation du complexe β, qui était mal connu, révèle un rapport PEO:urée de 12:8 appartenant au système orthorhombique avec a = 1.907 nm, b = 0.862 nm et c = 0.773 nm. Les chaînes de PEO sont orientées selon l’axe de la fibre. Leur conformation est significativement affectée par les ponts hydrogène. Une structure en couches a été suggérée pour la forme β, plutôt que la structure conventionnelle en canaux adoptée par la forme α. Nos résultats indiquent que le complexe β est thermodynamiquement stable avant sa fonte et peut se transformer en forme α et en PEO liquide par un processus de fonte et recristallisation à 89 ºC. Ceci va dans le sens contraire aux observations faites avec le complexe β obtenu par trempe du complexe α fondu. En effet, le complexe β ainsi obtenu est métastable et contient des cristaux d’urée. Il peut subir une transition de phases cinétique solide-solide pour produire du complexe α dans une vaste gamme de températures. Cette transition est induite par un changement de conformation du PEO et par la formation de ponts hydrogène intermoléculaires entre l’urée et le PEO. Le diagramme de phases du système PEO-urée a été tracé sur toute la gamme de compositions, ce qui a permis d’interpréter la formation de plusieurs mélanges qui ne sont pas à l’équilibre mais qui sont été observés expérimentalement. La structure et le diagramme de phases du complexe PEO-thiourée, qui est aussi un complexe très mal connu, ont été étudiés en détail. Un rapport molaire PEO :thiourée de 3:2 a été déduit pour le complexe, et une cellule monoclinique avec a = 0.915 nm, b = 1.888 nm, c = 0.825 nm et β = 92.35º a été déterminée. Comme pour le complexe PEO-urée de forme β, une structure en couches a été suggérée pour le complexe PEO-thiourée, dans laquelle les molécules de thiourée seraient disposées en rubans intercalés entre deux couches de PEO. Cette structure en couches pourrait expliquer la température de fusion beaucoup plus faible des complexes PEO-thiourée (110 ºC) et PEO-urée de forme β (89 ºC) en comparaison aux structures en canaux du complexe PEO-urée de forme α (143 ºC).

Age and species related variation in the development of growth plates of the knee and implications for the locomotion of Australopithecus afarensis

Comprendre l'évolution de la bipédie est un élément essentiel à la recherche en paléoanthropologie, car ce comportement est le trait le plus important utilisé pour identifier les fossiles comme appartenant à la lignée des hominines. La topographie de la surface infradiaphysaire du fémur et du tibia pourrait donner un aperçu du comportement locomoteur des espèces fossiles, mais n'a pas été étudiée de façon approfondie. Ce trait reflète directement les différences dans la locomotion, puisque la surface change de topographie pour mieux résister aux charges encourues par les mouvements réguliers. Le plan infradiaphysaire du fémur chez les humain est relativement plat, tandis que la surface est plus irrégulière chez les grands singes. Dans ce projet, les métaphyses du genou ont été étudiées d’une manière quantifiée afin de percevoir les différences entre espèces et mieux comprendre le développement ontogénique de ces traits. Les angles formés par les protrusions et les creux de ces surfaces ont été mesurés à partir de points de repère enregistrés en trois-dimensions sur les métaphyses du genou chez les humains, chimpanzés, gorilles, et orangs-outans, et chez trois fossiles Australopithecus afarensis, afin d’observer de l’effet de facteurs tel le stade de croissance et l’appartenance à une espèce sur la topographie des plaques de croissance du genou. Les angles d’obliquité du fémur et du tibia ont aussi été mesurés et analysés. Les résultats ont révélé que le stade développemental et l’appartenance à une espèce et, par association, le mode de locomotion, ont un effet significatif sur les métaphyses du genou. Il a également été constaté que les mesures d'Australopithecus afarensis chevauchent les valeurs trouvées chez les humains et chez les grands singes, ce qui suggère que cette espèce avait possiblement conservé une composante arboricole dans son comportement locomoteur habituel.

Morphologic evaluation of ruptured abdominal aortic aneurysm by 3D modeling

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Quantification de la relation séquence-activité de l’ARN par prédiction de structure tridimensionnelle

Dans un premier temps, nous avons modélisé la structure d’une famille d’ARN avec une grammaire de graphes afin d’identifier les séquences qui en font partie. Plusieurs autres méthodes de modélisation ont été développées, telles que des grammaires stochastiques hors-contexte, des modèles de covariance, des profils de structures secondaires et des réseaux de contraintes. Ces méthodes de modélisation se basent sur la structure secondaire classique comparativement à nos grammaires de graphes qui se basent sur les motifs cycliques de nucléotides. Pour exemplifier notre modèle, nous avons utilisé la boucle E du ribosome qui contient le motif Sarcin-Ricin qui a été largement étudié depuis sa découverte par cristallographie aux rayons X au début des années 90. Nous avons construit une grammaire de graphes pour la structure du motif Sarcin-Ricin et avons dérivé toutes les séquences qui peuvent s’y replier. La pertinence biologique de ces séquences a été confirmée par une comparaison des séquences d’un alignement de plus de 800 séquences ribosomiques bactériennes. Cette comparaison a soulevée des alignements alternatifs pour quelques unes des séquences que nous avons supportés par des prédictions de structures secondaires et tertiaires. Les motifs cycliques de nucléotides ont été observés par les membres de notre laboratoire dans l'ARN dont la structure tertiaire a été résolue expérimentalement. Une étude des séquences et des structures tertiaires de chaque cycle composant la structure du Sarcin-Ricin a révélé que l'espace des séquences dépend grandement des interactions entre tous les nucléotides à proximité dans l’espace tridimensionnel, c’est-à-dire pas uniquement entre deux paires de bases adjacentes. Le nombre de séquences générées par la grammaire de graphes est plus petit que ceux des méthodes basées sur la structure secondaire classique. Cela suggère l’importance du contexte pour la relation entre la séquence et la structure, d’où l’utilisation d’une grammaire de graphes contextuelle plus expressive que les grammaires hors-contexte. Les grammaires de graphes que nous avons développées ne tiennent compte que de la structure tertiaire et négligent les interactions de groupes chimiques spécifiques avec des éléments extra-moléculaires, comme d’autres macromolécules ou ligands. Dans un deuxième temps et pour tenir compte de ces interactions, nous avons développé un modèle qui tient compte de la position des groupes chimiques à la surface des structures tertiaires. L’hypothèse étant que les groupes chimiques à des positions conservées dans des séquences prédéterminées actives, qui sont déplacés dans des séquences inactives pour une fonction précise, ont de plus grandes chances d’être impliqués dans des interactions avec des facteurs. En poursuivant avec l’exemple de la boucle E, nous avons cherché les groupes de cette boucle qui pourraient être impliqués dans des interactions avec des facteurs d'élongation. Une fois les groupes identifiés, on peut prédire par modélisation tridimensionnelle les séquences qui positionnent correctement ces groupes dans leurs structures tertiaires. Il existe quelques modèles pour adresser ce problème, telles que des descripteurs de molécules, des matrices d’adjacences de nucléotides et ceux basé sur la thermodynamique. Cependant, tous ces modèles utilisent une représentation trop simplifiée de la structure d’ARN, ce qui limite leur applicabilité. Nous avons appliqué notre modèle sur les structures tertiaires d’un ensemble de variants d’une séquence d’une instance du Sarcin-Ricin d’un ribosome bactérien. L’équipe de Wool à l’université de Chicago a déjà étudié cette instance expérimentalement en testant la viabilité de 12 variants. Ils ont déterminé 4 variants viables et 8 létaux. Nous avons utilisé cet ensemble de 12 séquences pour l’entraînement de notre modèle et nous avons déterminé un ensemble de propriétés essentielles à leur fonction biologique. Pour chaque variant de l’ensemble d’entraînement nous avons construit des modèles de structures tertiaires. Nous avons ensuite mesuré les charges partielles des atomes exposés sur la surface et encodé cette information dans des vecteurs. Nous avons utilisé l’analyse des composantes principales pour transformer les vecteurs en un ensemble de variables non corrélées, qu’on appelle les composantes principales. En utilisant la distance Euclidienne pondérée et l’algorithme du plus proche voisin, nous avons appliqué la technique du « Leave-One-Out Cross-Validation » pour choisir les meilleurs paramètres pour prédire l’activité d’une nouvelle séquence en la faisant correspondre à ces composantes principales. Finalement, nous avons confirmé le pouvoir prédictif du modèle à l’aide d’un nouvel ensemble de 8 variants dont la viabilité à été vérifiée expérimentalement dans notre laboratoire. En conclusion, les grammaires de graphes permettent de modéliser la relation entre la séquence et la structure d’un élément structural d’ARN, comme la boucle E contenant le motif Sarcin-Ricin du ribosome. Les applications vont de la correction à l’aide à l'alignement de séquences jusqu’au design de séquences ayant une structure prédéterminée. Nous avons également développé un modèle pour tenir compte des interactions spécifiques liées à une fonction biologique donnée, soit avec des facteurs environnants. Notre modèle est basé sur la conservation de l'exposition des groupes chimiques qui sont impliqués dans ces interactions. Ce modèle nous a permis de prédire l’activité biologique d’un ensemble de variants de la boucle E du ribosome qui se lie à des facteurs d'élongation.

Patient-specific model of a scoliotic torso for surgical planning

A method for the construction of a patient-specific model of a scoliotic torso for surgical planning via inter- patient registration is presented. Magnetic Resonance Images (MRI) of a generic model are registered to surface topography (TP) and X-ray data of a test patient. A partial model is first obtained via thin-plate spline registration between TP and X-ray data of the test patient. The MRIs from the generic model are then fit into the test patient using articulated model registration between the vertebrae of the generic model’s MRIs in prone position and the test patient’s X-rays in standing position. A non-rigid deformation of the soft tissues is performed using a modified thin-plate spline constrained to maintain bone rigidity and to fit in the space between the vertebrae and the surface of the torso. Results show average Dice values of 0.975 ± 0.012 between the MRIs following inter-patient registration and the surface topography of the test patient, which is comparable to the average value of 0.976 ± 0.009 previously obtained following intra-patient registration. The results also show a significant improvement compared to rigid inter-patient registration. Future work includes validating the method on a larger cohort of patients and incorporating soft tissue stiffness constraints. The method developed can be used to obtain a geometric model of a patient including bone structures, soft tissues and the surface of the torso which can be incorporated in a surgical simulator in order to better predict the outcome of scoliosis surgery, even if MRI data cannot be acquired for the patient.

Multimodal image registration of the scoliotic torso for surgical planning

Background This paper presents a method that registers MRIs acquired in prone position, with surface topography (TP) and X-ray reconstructions acquired in standing position, in order to obtain a 3D representation of a human torso incorporating the external surface, bone structures, and soft tissues. Methods TP and X-ray data are registered using landmarks. Bone structures are used to register each MRI slice using an articulated model, and the soft tissue is confined to the volume delimited by the trunk and bone surfaces using a constrained thin-plate spline. Results The method is tested on 3 pre-surgical patients with scoliosis and shows a significant improvement, qualitatively and using the Dice similarity coefficient, in fitting the MRI into the standing patient model when compared to rigid and articulated model registration. The determinant of the Jacobian of the registration deformation shows higher variations in the deformation in areas closer to the surface of the torso. Conclusions The novel, resulting 3D full torso model can provide a more complete representation of patient geometry to be incorporated in surgical simulators under development that aim at predicting the effect of scoliosis surgery on the external appearance of the patient’s torso.