Use of intrinsic modes in biology: Examples of indicial response of pulmonary blood pressure to ± step hypoxia

Recently, a new method to analyze biological nonstationary stochastic variables has been presented. The method is especially suitable to analyze the variation of one biological variable with respect to changes of another variable. Here, it is illustrated by the change of the pulmonary blood pressure in response to a step change of oxygen concentration in the gas that an animal breathes. The pressure signal is resolved into the sum of a set of oscillatory intrinsic mode functions, which have zero “local mean,” and a final nonoscillatory mode. With this device, we obtain a set of “mean trends,” each of which represents a “mean” in a definitive sense, and together they represent the mean trend systematically with different degrees of oscillatory content. Correspondingly, the oscillatory content of the signal about any mean trend can be represented by a set of partial sums of intrinsic mode functions. When the concept of “indicial response function” is used to describe the change of one variable in response to a step change of another variable, we now have a set of indicial response functions of the mean trends and another set of indicial response functions to describe the energy or intensity of oscillations about each mean trend. Each of these can be represented by an analytic function whose coefficients can be determined by a least-squares curve-fitting procedure. In this way, experimental results are stated sharply by analytic functions.

Invariance of brain-wave representations of simple visual images and their names

In two experiments, electric brain waves of 14 subjects were recorded under several different conditions to study the invariance of brain-wave representations of simple patches of colors and simple visual shapes and their names, the words blue, circle, etc. As in our earlier work, the analysis consisted of averaging over trials to create prototypes and test samples, to both of which Fourier transforms were applied, followed by filtering and an inverse transformation to the time domain. A least-squares criterion of fit between prototypes and test samples was used for classification. The most significant results were these. By averaging over different subjects, as well as trials, we created prototypes from brain waves evoked by simple visual images and test samples from brain waves evoked by auditory or visual words naming the visual images. We correctly recognized from 60% to 75% of the test-sample brain waves. The general conclusion is that simple shapes such as circles and single-color displays generate brain waves surprisingly similar to those generated by their verbal names. These results, taken together with extensive psychological studies of auditory and visual memory, strongly support the solution proposed for visual shapes, by Bishop Berkeley and David Hume in the 18th century, to the long-standing problem of how the mind represents simple abstract ideas.

Brain wave recognition of words

Electrical and magnetic brain waves of seven subjects under three experimental conditions were recorded for the purpose of recognizing which one of seven words was processed. The analysis consisted of averaging over trials to create prototypes and test samples, to both of which Fourier transforms were applied, followed by filtering and an inverse transformation to the time domain. The filters used were optimal predictive filters, selected for each subject and condition. Recognition rates, based on a least-squares criterion, varied widely, but all but one of 24 were significantly different from chance. The two best were above 90%. These results show that brain waves carry substantial information about the word being processed under experimental conditions of conscious awareness.

Brain-wave representation of words by superposition of a few sine waves

Data from three previous experiments were analyzed to test the hypothesis that brain waves of spoken or written words can be represented by the superposition of a few sine waves. First, we averaged the data over trials and a set of subjects, and, in one case, over experimental conditions as well. Next we applied a Fourier transform to the averaged data and selected those frequencies with high energy, in no case more than nine in number. The superpositions of these selected sine waves were taken as prototypes. The averaged unfiltered data were the test samples. The prototypes were used to classify the test samples according to a least-squares criterion of fit. The results were seven of seven correct classifications for the first experiment using only three frequencies, six of eight for the second experiment using nine frequencies, and eight of eight for the third experiment using five frequencies.

Brain-wave recognition of sentences

Electrical and magnetic brain waves of two subjects were recorded for the purpose of recognizing which one of 12 sentences or seven words auditorily presented was processed. The analysis consisted of averaging over trials to create prototypes and test samples, to each of which a Fourier transform was applied, followed by filtering and an inverse transformation to the time domain. The filters used were optimal predictive filters, selected for each subject. A still further improvement was obtained by taking differences between recordings of two electrodes to obtain bipolar pairs that then were used for the same analysis. Recognition rates, based on a least-squares criterion, varied, but the best were above 90%. The first words of prototypes of sentences also were cut and pasted to test, at least partially, the invariance of a word’s brain wave in different sentence contexts. The best result was above 80% correct recognition. Test samples made up only of individual trials also were analyzed. The best result was 134 correct of 288 (47%), which is promising, given that the expected recognition number by chance is just 24 (or 8.3%). The work reported in this paper extends our earlier work on brain-wave recognition of words only. The recognition rates reported here further strengthen the case that recordings of electric brain waves of words or sentences, together with extensive mathematical and statistical analysis, can be the basis of new developments in our understanding of brain processing of language.

Estudo sistêmico da geração de conhecimento no IPEN

Com o escopo de fornecer subsídios para compreender como o processo de colaboração científica ocorre e se desenvolve em uma instituição de pesquisas, particularmente o IPEN, o trabalho utilizou duas abordagens metodológicas. A primeira utilizou a técnica de análise de redes sociais (ARS) para mapear as redes de colaboração científica em P&D do IPEN. Os dados utilizados na ARS foram extraídos da base de dados digitais de publicações técnico-científicas do IPEN, com o auxílio de um programa computacional, e basearam-se em coautoria compreendendo o período de 2001 a 2010. Esses dados foram agrupados em intervalos consecutivos de dois anos gerando cinco redes bienais. Essa primeira abordagem revelou várias características estruturais relacionadas às redes de colaboração, destacando-se os autores mais proeminentes, distribuição dos componentes, densidade, boundary spanners e aspectos relacionados à distância e agrupamento para definir um estado de redes mundo pequeno (small world). A segunda utilizou o método dos mínimos quadrados parciais, uma variante da técnica de modelagem por equações estruturais, para avaliar e testar um modelo conceitual, apoiado em fatores pessoais, sociais, culturais e circunstanciais, para identificar aqueles que melhor explicam a propensão de um autor do IPEN em estabelecer vínculos de colaboração em ambientes de P&D. A partir do modelo consolidado, avaliou-se o quanto ele explica a posição estrutural que um autor ocupa na rede com base em indicadores de ARS. Nesta segunda parte, os dados foram coletados por meio de uma pesquisa de levantamento com a utilização de um questionário. Os resultados mostraram que o modelo explica aproximadamente 41% da propensão de um autor do IPEN em colaborar com outros autores e em relação à posição estrutural de um autor na rede o poder de explicação variou entre 3% e 3,6%. Outros resultados mostraram que a colaboração entre autores do IPEN tem uma correlação positiva com intensidade moderada com a produtividade, da mesma forma que, os autores mais centrais na rede tendem a ampliar a sua visibilidade. Por fim, vários outros indicadores estatísticos bibliométricos referentes à rede de colaboração em P&D do IPEN foram determinados e revelados, como, a média de autores por publicação, média de publicações por autores do IPEN, total de publicações, total de autores e não autores do IPEN, entre outros. Com isso, esse trabalho fornece uma contribuição teórica e empírica aos estudos relacionados à colaboração científica e ao processo de transferência e preservação de conhecimento, assim como, vários subsídios que contribuem para o contexto de tomada de decisão em ambientes de P&D.

Algoritmos recursivos e não-recursivos aplicados à estimação fasorial em sistemas elétricos de potência

Este trabalho apresenta uma análise de algoritmos computacionais aplicados à estimação de fasores elétricos em SEPs. A medição dos fasores é realizada por meio da alocação de Unidades de Medição Fasorial nestes sistemas e encontra diversas aplicações nas áreas de operação, controle, proteção e planejamento. Para que os fasores possam ser aplicados, são definidos padrões de medição, sincronização e comunicação, por meio da norma IEEE C37.118.1. A norma apresenta os padrões de mensagens, timetag, fasores, sistema de sincronização, e define testes para avaliar a estimação. Apesar de abranger todos esses critérios, a diretriz não define um algoritmo de estimação padrão, abrindo espaço para uso de diversos métodos, desde que a precisão seja atendida. Nesse contexto, o presente trabalho analisa alguns algoritmos de estimação de fasores definidos na literatura, avaliando o comportamento deles em determinados casos. Foram considerados, dessa forma, os métodos: Transformada Discreta de Fourier, Método dos Mínimos Quadrados e Transformada Wavelet Discreta, nas versões recursivas e não-recursivas. Esses métodos foram submetidos a sinais sintéticos, a fim de verificar o comportamento diante dos testes propostos pela norma, avaliando o Total Vector Error, tempo de resposta e atraso e overshoot. Os algoritmos também foram embarcados em um hardware, denominado PC104, e avaliados de acordo com os sinais medidos pelo equipamento na saída analógica de um simulador em tempo real (Real Time Digital Simulator).

Avaliações e testes dos métodos MASW e ReMi por meio do tratamento de dados empíricos e sintéticos em um programa de processamento e inversão desenvolvido em MATLAB e sua implicação em um problema geológico na Bacia de Taubaté

Os métodos de ondas superficiais com ênfase nas ondas Rayleigh foram utilizados como o núcleo desse trabalho de Doutorado. Inicialmente, as ondas Rayleigh foram modeladas permitindo o estudo de sensibilidade de suas curvas de dispersão sob diferentes configurações de parâmetros físicos representando diversos modelos de camadas, em que pôde ser observado parâmetros com maior e menor sensibilidade e também alguns efeitos provocados por baixas razões de Poisson. Além disso, na fase de inversão dos dados a modelagem das ondas Rayleigh foi utilizada para a construção da função objeto, que agregada ao método de mínimos quadrados, a partir do método de Levenberg-Marquardt, permitiu a implementação de um algoritmo de busca local responsável pela inversão de dados das ondas superficiais. Por se tratar de um procedimento de busca local, o algoritmo de inversão foi complementado por uma etapa de pré-inversão com a geração de um modelo inicial para que o procedimento de inversão fosse mais rápido e eficiente. Visando uma eficiência ainda maior do procedimento de inversão, principalmente em modelos de camadas com inversão de velocidades, foi implementado um algoritmo de pós-inversão baseado em um procedimento de tentativa e erro minimizando os valores relativos da raiz quadrada do erro quadrático médio (REQMr) da inversão dos dados. Mais de 50 modelos de camadas foram utilizados para testar a modelagem, a pré-inversão, inversão e pós-inversão dos dados permitindo o ajuste preciso de parâmetros matemáticos e físicos presentes nos diversos scripts implementados em Matlab. Antes de inverter os dados adquiridos em campo, os mesmos precisaram ser tratados na etapa de processamento de dados, cujo objetivo principal é a extração da curva de dispersão originada devido às ondas superficiais. Para isso, foram implementadas, também em Matlab, três metodologias de processamento com abordagens matemáticas distintas. Essas metodologias foram testadas e avaliadas com dados sintéticos e reais em que foi possível constatar as virtudes e deficiências de cada metodologia estudada, bem como as limitações provocadas pela discretização dos dados de campo. Por último, as etapas de processamento, pré-inversão, inversão e pós-inversão dos dados foram unificadas para formar um programa de tratamento de dados de ondas superficiais (Rayleigh). Ele foi utilizado em dados reais originados pelo estudo de um problema geológico na Bacia de Taubaté em que foi possível mapear os contatos geológicos ao longo dos pontos de aquisição sísmica e compará-los a um modelo inicial existente baseado em observações geomorfológicas da área de estudos, mapa geológico da região e informações geológicas globais e locais dos movimentos tectônicos na região. As informações geofísicas associadas às geológicas permitiram a geração de um perfil analítico da região de estudos com duas interpretações geológicas confirmando a suspeita de neotectônica na região em que os contatos geológicos entre os depósitos Terciários e Quaternários foram identificados e se encaixaram no modelo inicial de hemi-graben com mergulho para Sudeste.

Identificação de sistemas para o estudo de controle motor.

Qualquer tarefa motora ativa se dá pela ativação de uma população de unidades motoras. Porém, devido a diversas dificuldades, tanto técnicas quanto éticas, não é possível medir a entrada sináptica dos motoneurônios em humanos. Por essas razões, o uso de modelos computacionais realistas de um núcleo de motoneurônios e as suas respectivas fibras musculares tem um importante papel no estudo do controle humano dos músculos. Entretanto, tais modelos são complexos e uma análise matemática é difícil. Neste texto é apresentada uma abordagem baseada em identificação de sistemas de um modelo realista de um núcleo de unidades motoras, com o objetivo de obter um modelo mais simples capaz de representar a transdução das entradas do núcleo de unidades motoras na força do músculo associado ao núcleo. A identificação de sistemas foi baseada em um algoritmo de mínimos quadrados ortogonal para achar um modelo NARMAX, sendo que a entrada considerada foi a condutância sináptica excitatória dendrítica total dos motoneurônios e a saída foi a força dos músculos produzida pelo núcleo de unidades motoras. O modelo identificado reproduziu o comportamento médio da saída do modelo computacional realista, mesmo para pares de sinal de entrada-saída não usados durante o processo de identificação do modelo, como sinais de força muscular modulados senoidalmente. Funções de resposta em frequência generalizada do núcleo de motoneurônios foram obtidas do modelo NARMAX, e levaram a que se inferisse que oscilações corticais na banda-beta (20 Hz) podem influenciar no controle da geração de força pela medula espinhal, comportamento do núcleo de motoneurônios até então desconhecido.

Degradação enzimática de clorofenol em microrreator.

O microrreator faz parte de conjunto de dispositivos de uma nova e promissora tecnologia, que podem ser chamados de micro fabricados, atuante em campos como a da química, biológica, farmacêutica, engenharia química e biotecnologia. Trata-se de um dispositivo que possibilita reação química, tais como os reatores convencionais, mas com dimensões menores, com canais na escala micrométrica. A tecnologia de miniaturização de dispositivos para reações químicas vem se expandindo promovendo uma importante evolução, com microssistemas que abrange dispositivos mais eficazes, com configuração e geometrias específicas e menor consumo de energia, onde reações com elevadas taxas de transporte podem ser usadas para muitas finalidades diferentes, tais como, reações rápidas, mistura, reações sensíveis à temperatura, temperatura de homogeneização, ou até mesmo precipitação de nano partículas. Devido sua escala ser extremamente reduzida em relação à escala macro, oferecem um sistema que permite uma investigação do processo em um curto espaço de tempo, sendo muito útil para o rastreio de substratos, enzimas, condições de reação, bem como a determinação de parâmetros cinéticos. O presente trabalho teve por objetivo estudar a biodegradação enzimática de 2,4,6-Triclorofenol, com a utilização das enzimas Lacase e Soybean Peroxidase em microrreator da Syrris com volume de 250 ?l, que permite o estudo de cinéticas muito rápidas. Para as análises de degradação utilizou-se duas enzimas, a Lacase em concentrações de 0,05; 0,1 e 0,2 mg/ml; e a Soybean Peroxidase em concentrações de 0,0005; 0,001 e 0,002 mg/ml com a adição de Peróxido de Hidrogênio. Através dos ensaios realizados obteve-se dados experimentais da reação enzimática, possibilitando a verificação da taxa inicial de reação e sua cinética. Posteriormente, realizou-se as análises em simulação utilizando os dados experimentais, que através de um sistema de EDOs estimando inicialmente as constantes cinéticas k1, k2 e k3 usando a ferramenta ESTIMA, onde apresentaram duas respostas, uma resposta típica de mínimos quadrados, e a outra resposta que a velocidade inicial, que foi melhor representada pelos parâmetros obtidos. O método empregado na degradação do substrato, o microrreator mostrou-se eficiente, permitindo a detecção de baixo consumo de substrato para a determinação da taxa inicial, em curto tempo de residência. Perante os ensaios realizados com Lacase e Soybean Peroxidase, o microrreator é também um equipamento eficaz na repetitividade e na reprodutibilidade dos dados obtidos em diferentes concentrações.

Modelagem estocástica da dispersão axial: aplicação em um reator tubular de polimerização.

Reatores tubulares de polimerização podem apresentar um perfil de velocidade bastante distorcido. Partindo desta observação, um modelo estocástico baseado no modelo de dispersão axial foi proposto para a representação matemática da fluidodinâmica de um reator tubular para produção de poliestireno. A equação diferencial foi obtida inserindo a aleatoriedade no parâmetro de dispersão, resultando na adição de um termo estocástico ao modelo capaz de simular as oscilações observadas experimentalmente. A equação diferencial estocástica foi discretizada e resolvida pelo método Euler-Maruyama de forma satisfatória. Uma função estimadora foi desenvolvida para a obtenção do parâmetro do termo estocástico e o parâmetro do termo determinístico foi calculado pelo método dos mínimos quadrados. Uma análise de convergência foi conduzida para determinar o número de elementos da discretização e o modelo foi validado através da comparação de trajetórias e de intervalos de confiança computacionais com dados experimentais. O resultado obtido foi satisfatório, o que auxilia na compreensão do comportamento fluidodinâmico complexo do reator estudado.

Aceleración de algoritmos para imágenes hiperespectrales con OpenCL

En el presente trabajo se propone dar solución a uno de los problemas principales surgido en el campo del análisis de imágenes hiperespectrales. En las últimas décadas este campo está siendo muy activo, por lo que es de vital importancia tratar su problema principal: mezcla espectral. Muchos algoritmos han tratado de solucionar este problema, pero que a través de este trabajo se propone una cadena nueva de desmezclado en paralelo, para ser acelerados bajo el paradigma de programación paralela de OpenCl. Este paradigma nos aporta el modelo de programación unificada para acelerar algoritmos en sistemas heterogéneos. Podemos dividir el proceso de desmezclado espectral en tres etapas. La primera tiene la tarea de encontrar el número de píxeles puros, llamaremos endmembers a los píxeles formados por una única firma espectral, utilizaremos el algoritmo conocido como Geometry-based Estimation of number of endmembers, GENE. La segunda etapa se encarga de identificar los píxel endmembers y extraerlos junto con todas sus bandas espectrales, para esta etapa se utilizará el algoritmo conocido por Simplex Growing Algorithm, SGA. En la última etapa se crean los mapas de abundancia para cada uno de los endmembers encontrados, de esta etapa será encargado el algoritmo conocido por, Sum-to-one Constrained Linear Spectral Unmixing, SCLSU. Las plataformas utilizadas en este proyecto han sido tres: CPU, Intel Xeon E5-2695 v3, GPU, NVidia GeForce GTX 980, Acelerador, Intel Xeon Phi 31S1P. La idea de este proyecto se basa en realizar un análisis exhaustivo de los resultados obtenidos en las diferentes plataformas, con el fin de evaluar cuál se ajusta mejor a nuestras necesidades.

On the development of advanced techniques for mixed-elastohydrodynamic lubrification modelling of journal and sliding bearing systems.

The present thesis is focused on the development of a thorough mathematical modelling and computational solution framework aimed at the numerical simulation of journal and sliding bearing systems operating under a wide range of lubrication regimes (mixed, elastohydrodynamic and full film lubrication regimes) and working conditions (static, quasi-static and transient conditions). The fluid flow effects have been considered in terms of the Isothermal Generalized Equation of the Mechanics of the Viscous Thin Films (Reynolds equation), along with the massconserving p-Ø Elrod-Adams cavitation model that accordingly ensures the so-called JFO complementary boundary conditions for fluid film rupture. The variation of the lubricant rheological properties due to the viscous-pressure (Barus and Roelands equations), viscous-shear-thinning (Eyring and Carreau-Yasuda equations) and density-pressure (Dowson-Higginson equation) relationships have also been taken into account in the overall modelling. Generic models have been derived for the aforementioned bearing components in order to enable their applications in general multibody dynamic systems (MDS), and by including the effects of angular misalignments, superficial geometric defects (form/waviness deviations, EHL deformations, etc.) and axial motion. The bearing exibility (conformal EHL) has been incorporated by means of FEM model reduction (or condensation) techniques. The macroscopic in fluence of the mixedlubrication phenomena have been included into the modelling by the stochastic Patir and Cheng average ow model and the Greenwood-Williamson/Greenwood-Tripp formulations for rough contacts. Furthermore, a deterministic mixed-lubrication model with inter-asperity cavitation has also been proposed for full-scale simulations in the microscopic (roughness) level. According to the extensive mathematical modelling background established, three significant contributions have been accomplished. Firstly, a general numerical solution for the Reynolds lubrication equation with the mass-conserving p - Ø cavitation model has been developed based on the hybridtype Element-Based Finite Volume Method (EbFVM). This new solution scheme allows solving lubrication problems with complex geometries to be discretized by unstructured grids. The numerical method was validated in agreement with several example cases from the literature, and further used in numerical experiments to explore its exibility in coping with irregular meshes for reducing the number of nodes required in the solution of textured sliding bearings. Secondly, novel robust partitioned techniques, namely: Fixed Point Gauss-Seidel Method (PGMF), Point Gauss-Seidel Method with Aitken Acceleration (PGMA) and Interface Quasi-Newton Method with Inverse Jacobian from Least-Squares approximation (IQN-ILS), commonly adopted for solving uid-structure interaction problems have been introduced in the context of tribological simulations, particularly for the coupled calculation of dynamic conformal EHL contacts. The performance of such partitioned methods was evaluated according to simulations of dynamically loaded connecting-rod big-end bearings of both heavy-duty and high-speed engines. Finally, the proposed deterministic mixed-lubrication modelling was applied to investigate the in fluence of the cylinder liner wear after a 100h dynamometer engine test on the hydrodynamic pressure generation and friction of Twin-Land Oil Control Rings.

Use of subpixel techniques in pocket cameras to measure vibrations and displacements

Presentación oral SPIE Photonics Europe, Brussels, 16-19 April 2012.

A model for acoustic absorbent materials derived from coconut fiber

In the present paper, a methodology is proposed for obtaining empirical equations describing the sound absorption characteristics of an absorbing material obtained from natural fibers, specifically from coconut. The method, which was previously applied to other materials, requires performing measurements of air-flow resistivity and of acoustic impedance for samples of the material under study. The equations that govern the acoustic behavior of the material are then derived by means of a least-squares fit of the acoustic impedance and of the propagation constant. These results can be useful since they allow the empirically obtained analytical equations to be easily incorporated in prediction and simulation models of acoustic systems for noise control that incorporate the studied materials.