System Modeling and Control Through Fractional-Order Algorithms

The theory of fractional calculus goes back to the beginning of thr throry of differential calculus but its inherent complexity postponed the applications of the associated concepts. In the last decade the progress in the areas of chaos and fractals revealed subtle relationships with the fractional calculus leading to an increasing interest in the development of the new paradigm. In the area of automaticcontrol preliminary work has already been carried out but the proposed algorithms are restricted to the frequency domain. The paper discusses the design of fractional-order discrete-time controllers. The algorithms studied adopt the time domein, which makes them suited for z-transform analusis and discrete-time implementation. The performance of discrete-time fractional-order controllers with linear and non-linear systems is also investigated.

Localized Abdominal Idiopathic Lipodystrophy

Localized loss of subcutaneous tissue can occur after panniculitis, injections of corticosteroids and other drugs, or associated with infectious, autoimmune or neurologic diseases. The "idiopathic lipoatrophies" are a group of poorly characterized diseases, with focal disappearance of subcutaneous fat, and usually the thighs, abdomen or the ankles are affected. Three subtypes have been described based on clinical presentation: lipoatrophia semicircularis, annular lipoatrophy of the ankles and centrifugal lipodystrophy. We describe a 52-year-old female patient who developed a localized atrophy of the abdominal areas over a period of 3 months without any inflammatory signs over the evolution of the disease. The patient denied any previous local trauma or medication of any type. The atrophy stabilized, showing no progression over the last 6 years. The histopathological examination was normal except for the absence of subcutaneous fat, although the biopsy was taken down to the fascia. There was no clinical or serologic evidence of autoimmune diseases and laboratory testing for Borrelia burgdorferi infection was negative. Other causes of localized lipoatrophies were excluded and the final diagnosis was localized idiopathic lipodystrophy. Our patient is the second report on an abdominal lipodystrophy, with no previous inflammatory signs, absence of subcutaneous fat and no associated pathogenic factor. There is no established treatment for idiopathic lipodystrophy, and the lesions do not tend to resolve spontaneously.

Cytokine profile in Montenegro skin test of patients with localized cutaneous and mucocutaneous leishmaniasis

American tegumentary leishmaniasis presents as two major clinical forms: localized cutaneous leishmaniasis (LCL) and mucocutaneous leishmaniasis (MCL). The immune response in leishmaniasis is efficiently evaluated by the response to Leishmania antigen through the Montenegro skin test (MST). Both LCL and MCL present positive response to MST, indicating that the patients present cell-mediated immunity against the parasite - Leishmania. In spite of the presence of immunity in MCL, this is not sufficient to stop disease progression and prevent resistance to treatment. In this study we demonstrated interleukin (IL) 2, 4, 5 and interferon (IFN) gamma expression in biopsies of MST of ten patients with American tegumentary leishmaniasis. The obtained results were compared between LCL (n = 5) and MCL (n = 5) patients. The MST of MCL patients displayed a higher expression of IL-2, IL-4 and IL-5, in comparison to LCL. There was no significant difference in IFN-gamma expression between groups. The obtained results suggest the role of IL-4 and IL-5 in the maintenance of the immunopathogenic mechanism of the destructive lesions that characterize MCL.

Testing Nelder-Mead Based Repulsion Algorithms for Multiple Roots of Nonlinear Systems via a Two-Level Factorial Design of Experiments

This paper addresses the challenging task of computing multiple roots of a system of nonlinear equations. A repulsion algorithm that invokes the Nelder-Mead (N-M) local search method and uses a penalty-type merit function based on the error function, known as 'erf', is presented. In the N-M algorithm context, different strategies are proposed to enhance the quality of the solutions and improve the overall efficiency. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm.

Preliminary study towards a novel experimental model to study localized cutaneous leishmaniasis caused bY Leishmania (Leishmania) mexicana

There is not an experimental model of localized cutaneous leishmaniasis (LCL) caused by Leishmania (Leishmania) mexicana. The aim of the present study was to characterize the clinical and histological features of Peromyscus yucatanicus experimentally infected with L. (L.) mexicana. A total of 54 P. yucatanicus (groups of 18) were inoculated with 1x10(6) promastigotes of L. (L.) mexicana in the base of the tail. They were euthanized at three and six months post experimental infection. The control group was inoculated with RPMI-1640. The predominant clinical sign observed was a single ulcerated lesion in 27.77% (5/18) and in 11.11% (2/18) P. yucatanicus at three and six months respectively. The histological pattern described as chronic granulomatous inflammation with or without necrosis was found in 7/7 (100%) biopsies of euthanized P. yucatanicus at three (n = 5) and six (n = 2) months, respectively. These results resembled clinical and histological features caused by L. (L.) mexicana in humans, and support the possibility to employ P. yucatanicus as a novel experimental model to study LCL caused by this parasite.

Algorithms for information extraction and signal annotation on long-term biosignals using clustering techniques

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

TOLL-LIKE RECEPTORS (TLR) 2 AND 4 EXPRESSION OF KERATINOCYTES FROM PATIENTS WITH LOCALIZED AND DISSEMINATED DERMATOPHYTOSIS

There are few studies on the role of innate immune response in dermatophytosis. An investigation was conducted to define the involvement of Toll-Like Receptors (TLRs) 2 and 4 in localized (LD) and disseminated (DD) dermatophytosis due to T. rubrum. Fifteen newly diagnosed patients, eight patients with LD and seven with DD, defined by involvement of at least three body segments were used in this study. Controls comprised twenty skin samples from healthy individuals undergoing plastic surgery. TLR2 and TLR4 were quantified in skin lesions by immunohistochemistry. A reduced expression of TLR4 in the lower and upper epidermis of both LD and DD patients was found compared to controls; TLR2 expression was preserved in the upper and lower epidermis of all three groups. As TLR4 signaling induces the production of inflammatory cytokines and neutrophils recruitment, its reduced expression likely contributed to the lack of resolution of the infection and the consequent chronic nature of the dermatophytosis. As TLR2 expression acts to limit the inflammatory process and preserves the epidermal structure, its preserved expression may also contribute to the persistent infection and limited inflammation that are characteristic of dermatophytic infections.

Real-time Task-Splitting scheduling algorithms framework

Nos dias de hoje, os sistemas de tempo real crescem em importância e complexidade. Mediante a passagem do ambiente uniprocessador para multiprocessador, o trabalho realizado no primeiro não é completamente aplicável no segundo, dado que o nível de complexidade difere, principalmente devido à existência de múltiplos processadores no sistema. Cedo percebeu-se, que a complexidade do problema não cresce linearmente com a adição destes. Na verdade, esta complexidade apresenta-se como uma barreira ao avanço científico nesta área que, para já, se mantém desconhecida, e isto testemunha-se, essencialmente no caso de escalonamento de tarefas. A passagem para este novo ambiente, quer se trate de sistemas de tempo real ou não, promete gerar a oportunidade de realizar trabalho que no primeiro caso nunca seria possível, criando assim, novas garantias de desempenho, menos gastos monetários e menores consumos de energia. Este último fator, apresentou-se desde cedo, como, talvez, a maior barreira de desenvolvimento de novos processadores na área uniprocessador, dado que, à medida que novos eram lançados para o mercado, ao mesmo tempo que ofereciam maior performance, foram levando ao conhecimento de um limite de geração de calor que obrigou ao surgimento da área multiprocessador. No futuro, espera-se que o número de processadores num determinado chip venha a aumentar, e como é óbvio, novas técnicas de exploração das suas inerentes vantagens têm de ser desenvolvidas, e a área relacionada com os algoritmos de escalonamento não é exceção. Ao longo dos anos, diferentes categorias de algoritmos multiprocessador para dar resposta a este problema têm vindo a ser desenvolvidos, destacando-se principalmente estes: globais, particionados e semi-particionados. A perspectiva global, supõe a existência de uma fila global que é acessível por todos os processadores disponíveis. Este fato torna disponível a migração de tarefas, isto é, é possível parar a execução de uma tarefa e resumir a sua execução num processador distinto. Num dado instante, num grupo de tarefas, m, as tarefas de maior prioridade são selecionadas para execução. Este tipo promete limites de utilização altos, a custo elevado de preempções/migrações de tarefas. Em contraste, os algoritmos particionados, colocam as tarefas em partições, e estas, são atribuídas a um dos processadores disponíveis, isto é, para cada processador, é atribuída uma partição. Por essa razão, a migração de tarefas não é possível, acabando por fazer com que o limite de utilização não seja tão alto quando comparado com o caso anterior, mas o número de preempções de tarefas decresce significativamente. O esquema semi-particionado, é uma resposta de caráter hibrido entre os casos anteriores, pois existem tarefas que são particionadas, para serem executadas exclusivamente por um grupo de processadores, e outras que são atribuídas a apenas um processador. Com isto, resulta uma solução que é capaz de distribuir o trabalho a ser realizado de uma forma mais eficiente e balanceada. Infelizmente, para todos estes casos, existe uma discrepância entre a teoria e a prática, pois acaba-se por se assumir conceitos que não são aplicáveis na vida real. Para dar resposta a este problema, é necessário implementar estes algoritmos de escalonamento em sistemas operativos reais e averiguar a sua aplicabilidade, para caso isso não aconteça, as alterações necessárias sejam feitas, quer a nível teórico quer a nível prá

Multicore Scheduling of Real-Time Irregular Parallel Algorithms in Linux

Face à estagnação da tecnologia uniprocessador registada na passada década, aos principais fabricantes de microprocessadores encontraram na tecnologia multi-core a resposta `as crescentes necessidades de processamento do mercado. Durante anos, os desenvolvedores de software viram as suas aplicações acompanhar os ganhos de performance conferidos por cada nova geração de processadores sequenciais, mas `a medida que a capacidade de processamento escala em função do número de processadores, a computação sequencial tem de ser decomposta em várias partes concorrentes que possam executar em paralelo, para que possam utilizar as unidades de processamento adicionais e completar mais rapidamente. A programação paralela implica um paradigma completamente distinto da programação sequencial. Ao contrário dos computadores sequenciais tipificados no modelo de Von Neumann, a heterogeneidade de arquiteturas paralelas requer modelos de programação paralela que abstraiam os programadores dos detalhes da arquitectura e simplifiquem o desenvolvimento de aplicações concorrentes. Os modelos de programação paralela mais populares incitam os programadores a identificar instruções concorrentes na sua lógica de programação, e a especificá-las sob a forma de tarefas que possam ser atribuídas a processadores distintos para executarem em simultâneo. Estas tarefas são tipicamente lançadas durante a execução, e atribuídas aos processadores pelo motor de execução subjacente. Como os requisitos de processamento costumam ser variáveis, e não são conhecidos a priori, o mapeamento de tarefas para processadores tem de ser determinado dinamicamente, em resposta a alterações imprevisíveis dos requisitos de execução. `A medida que o volume da computação cresce, torna-se cada vez menos viável garantir as suas restrições temporais em plataformas uniprocessador. Enquanto os sistemas de tempo real se começam a adaptar ao paradigma de computação paralela, há uma crescente aposta em integrar execuções de tempo real com aplicações interativas no mesmo hardware, num mundo em que a tecnologia se torna cada vez mais pequena, leve, ubíqua, e portável. Esta integração requer soluções de escalonamento que simultaneamente garantam os requisitos temporais das tarefas de tempo real e mantenham um nível aceitável de QoS para as restantes execuções. Para tal, torna-se imperativo que as aplicações de tempo real paralelizem, de forma a minimizar os seus tempos de resposta e maximizar a utilização dos recursos de processamento. Isto introduz uma nova dimensão ao problema do escalonamento, que tem de responder de forma correcta a novos requisitos de execução imprevisíveis e rapidamente conjeturar o mapeamento de tarefas que melhor beneficie os critérios de performance do sistema. A técnica de escalonamento baseado em servidores permite reservar uma fração da capacidade de processamento para a execução de tarefas de tempo real, e assegurar que os efeitos de latência na sua execução não afectam as reservas estipuladas para outras execuções. No caso de tarefas escalonadas pelo tempo de execução máximo, ou tarefas com tempos de execução variáveis, torna-se provável que a largura de banda estipulada não seja consumida por completo. Para melhorar a utilização do sistema, os algoritmos de partilha de largura de banda (capacity-sharing) doam a capacidade não utilizada para a execução de outras tarefas, mantendo as garantias de isolamento entre servidores. Com eficiência comprovada em termos de espaço, tempo, e comunicação, o mecanismo de work-stealing tem vindo a ganhar popularidade como metodologia para o escalonamento de tarefas com paralelismo dinâmico e irregular. O algoritmo p-CSWS combina escalonamento baseado em servidores com capacity-sharing e work-stealing para cobrir as necessidades de escalonamento dos sistemas abertos de tempo real. Enquanto o escalonamento em servidores permite partilhar os recursos de processamento sem interferências a nível dos atrasos, uma nova política de work-stealing que opera sobre o mecanismo de capacity-sharing aplica uma exploração de paralelismo que melhora os tempos de resposta das aplicações e melhora a utilização do sistema. Esta tese propõe uma implementação do algoritmo p-CSWS para o Linux. Em concordância com a estrutura modular do escalonador do Linux, ´e definida uma nova classe de escalonamento que visa avaliar a aplicabilidade da heurística p-CSWS em circunstâncias reais. Ultrapassados os obstáculos intrínsecos `a programação da kernel do Linux, os extensos testes experimentais provam que o p-CSWS ´e mais do que um conceito teórico atrativo, e que a exploração heurística de paralelismo proposta pelo algoritmo beneficia os tempos de resposta das aplicações de tempo real, bem como a performance e eficiência da plataforma multiprocessador.

Analysis of classification algorithms for crop detection using LANDSAT 8 images

Remote sensing - the acquisition of information about an object or phenomenon without making physical contact with the object - is applied in a multitude of different areas, ranging from agriculture, forestry, cartography, hydrology, geology, meteorology, aerial traffic control, among many others. Regarding agriculture, an example of application of this information is regarding crop detection, to monitor existing crops easily and help in the region’s strategic planning. In any of these areas, there is always an ongoing search for better methods that allow us to obtain better results. For over forty years, the Landsat program has utilized satellites to collect spectral information from Earth’s surface, creating a historical archive unmatched in quality, detail, coverage, and length. The most recent one was launched on February 11, 2013, having a number of improvements regarding its predecessors. This project aims to compare classification methods in Portugal’s Ribatejo region, specifically regarding crop detection. The state of the art algorithms will be used in this region and their performance will be analyzed.

Genetic algorithms for the non emergency patients transport service

The authors would like to thank the anonymous reviewers for their valuable comments and suggestions to improve the paper. The authors would like to thank Dr. Elaine DeBock for reviewing the manuscript.

Comparison of single and multi-objective evolutionary algorithms for robust link-state routing

Traffic Engineering (TE) approaches are increasingly impor- tant in network management to allow an optimized configuration and resource allocation. In link-state routing, the task of setting appropriate weights to the links is both an important and a challenging optimization task. A number of different approaches has been put forward towards this aim, including the successful use of Evolutionary Algorithms (EAs). In this context, this work addresses the evaluation of three distinct EAs, a single and two multi-objective EAs, in two tasks related to weight setting optimization towards optimal intra-domain routing, knowing the network topology and aggregated traffic demands and seeking to mini- mize network congestion. In both tasks, the optimization considers sce- narios where there is a dynamic alteration in the state of the system, in the first considering changes in the traffic demand matrices and in the latter considering the possibility of link failures. The methods will, thus, need to simultaneously optimize for both conditions, the normal and the altered one, following a preventive TE approach towards robust configurations. Since this can be formulated as a bi-objective function, the use of multi-objective EAs, such as SPEA2 and NSGA-II, came nat- urally, being those compared to a single-objective EA. The results show a remarkable behavior of NSGA-II in all proposed tasks scaling well for harder instances, and thus presenting itself as the most promising option for TE in these scenarios.

An immunity based configuration for multilayer single featured biometric authentication algorithms

Immune systems have been used in the last years to inspire approaches for several computational problems. This paper focus on behavioural biometric authentication algorithms’ accuracy enhancement by using them more than once and with different thresholds in order to first simulate the protection provided by the skin and then look for known outside entities, like lymphocytes do. The paper describes the principles that support the application of this approach to Keystroke Dynamics, an authentication biometric technology that decides on the legitimacy of a user based on his typing pattern captured on he enters the username and/or the password and, as a proof of concept, the accuracy levels of one keystroke dynamics algorithm when applied to five legitimate users of a system both in the traditional and in the immune inspired approaches are calculated and the obtained results are compared.

Algorithms and tools for in silico design of cell factories

PhD thesis in Bioengineering