Esta dissertação apresenta os principais métodos estatísticos para analisar as séries temporais de fMRI com o objetivo de detectar regiões ativadas e caracterizar o erro envolvido nessa decisão. Na análise de imagens funcionais, devido à baixa razão sinal-ruído, torna-se necessário o uso de técnicas elaboradas de processamento. O resultado da aplicação de técnicas estatísticas sobre as séries temporais obtidas da imagem de fMRI, é um mapa estatístico paramétrico, (Statistical Parametric Map), (SPM), uma imagem 3-D que permite determinar o estado do voxel, ativado ou não ativado, e a significância estatística do resultado. Propomos um novo método baseado na Difusão Anisotrópica Robusta, (Robust Anisotropic Diffusion), (RAD), que explora uma característica fundamental da imagem funcional, a correlação espacial das regiões ativadas do cérebro humano. O método proposto permite obter mapas estatísticos que melhoram a determinação das áreas ativadas a partir de dados fMRI ruidosos. Os novos mapas estatísticos paramétricos, baseados na correlação espacial da imagem fMRI, reduzem os erros do processo de classificação dos voxels, melhorando assim o mapeamento das regiões ativadas no cérebro. Aplicamos a técnica proposta em dados gerados artificialmente, simulando ruído e sinal, e avaliamos o novo método proposto e um método clássico de processamento de fMRI. Apresentamos resultados comparativos entre um método clássico, o método de correlação e o novo método. Calculamos os erros envolvidos e apresentamos a curvas características de operação de um receptor, (Receiver Operating Characteristics), (ROC), para ambos métodos, comparando os parâmetros mais importantes. Também avaliamos o novo método em dados reais de fMRI de um experimento em blocos com estímulo visual. / This dissertation presents the main statistical methods to analyse fMRI temporal series to detect activated regions and to characterise the error involved in this decision. Due to low signal to noise ratio, elaborate processing techniques are necessary to analyse functional images. Statistical techniques are usually applied on the temporal series obtained from fMRI, resulting in a Statistical Parametric Map (SPM), a 3-D image that makes it possible to determine the state of a voxel, as activated or not activated, and the statistical significance of the result. We proposed a new, simple an elegant method based on Robust Anisotropic Diffusion (RAD) to exploit the spatial correlation of activated regions of the human brain. The new method, named Robust Anisotropic Diffusion of Statistical Parametric Maps (RADSPM), allows one to obtain statistical maps that improve the determination of activated areas from noisy fMRI data. The new parametric statistical maps, based on the voxel spatial correlation of the fMRI image, reduce the classification error thus improving the significance of the results. We have tested the new technique in both simulated and real fMRI, obtaining sharp and noiseless SPMs with increased statistical significance. We compare results of the new RADSPM method with those of a classic method, the conventional correlation method. We calculate the involved errors and we present Receiver Operating Characteristics (ROC) curves for both methods, comparing the most important parameters for simulated fMRI data. We also evaluate the new method on real data of a visual fMRI experiment.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Anisotropic magnetoresistance (AMR) corresponds to the change of R in an ferromagnetic material with the angle between electric current and magnetization. Sensors using this effect are suited to detect both angular and linear displacements. In this work, structural, magnetic and electric characterization were performed in order to study the exchange interaction between antiferromagnetic IrMn and ferromagnetic NiFe, in a bilayer and a multilayer. Simulations of the AMR measurements were performed and showed good agreement with the experimental data. Different anisotropy field values were observed. The difference between the anisotropy field and the exchange field values is responsible for the different AMR data sets extracted from each sample. The model takes into account the, anisotropy (uniaxial), Zeeman, and exchange-bias (unidirectional) energies was used to explain the observed behavior. / Magnetorresistência anisotrópica (AMR) consiste na variação da resistência de um material ferromagnético em função do ângulo entre a corrente elétrica e a magnetização do material, o que faz com que sensores que utilizam este efeito sejam promissores para medidas de posição tanto angulares quanto lineares. Neste trabalho, caracterização estrutural, magnética e elétrica foram realizadas para estudar a interação de troca entre camadas antiferromagnética de IrMn e ferromagnética de NiFe em uma bicamada e uma multicamada. Simulações das medidas de AMR foram realizadas e boa concordância entre os dados experimentais e os simulados foi obtida. Diferentes valores de campos de anisotropias foram observados. A diferença entre o campo de anisotropia unidirecional e o campo de exchange é responsável pela diferença entre as medidas de AMR obtidas. Um modelo que considera as energias de anisotropia (uniaxial), Zeeman e de exchangebias (unidirecional) foi usado para explicar o comportamento observado.

Foram realizadas medidas do alinhamento atômico do Ta, W e Au depois da ionização da subcamada L3 desses elementos por impacto de elétrons, via distribuição angular das linhas de raios x L, empregando alvos finos. As medições foram realizadas na linha de feixe de 10100 keV do Microtron de São Paulo. Os alvos foram confeccionados no Laboratório de Filmes Finos, pela técnica de deposição física de vapor (alvo de Au), e no Laboratório de Materiais Magnéticos, pela técnica de sputtering (alvos de Ta e W), enquanto que a caracterização deles foi realizada no Laboratório de Materiais e Feixes Iônicos, pela técnica de espectrometria de retroespalhamento Rutherford. O Microtron de São Paulo, bem como os laboratórios onde os alvos foram confeccionados e caracterizados, estão no Instituto de Física da Universidade de São Paulo. Os raios x decorrentes da ionização dos alvos foram detetados simultaneamente por três Silicon Drift Detectors localizados a 31°, 90° e 125° com relação à direção do feixe incidente. A determinação da eficiência de pico dos detetores foi realizada com um modelo analítico testado separadamente. As intensidades das linhas do multipleto de raios x L foram ajustadas em um único procedimento empregando funções Voigt para descrevê-las. O parâmetro de alinhamento A20 foi estimado a partir do conjunto de intensidades das linhas Ll, L1 e L2. A fim de comparar os resultados experimentais com as previsões teóricas foi calculado o parâmetro de alinhamento com a aproximação de Born de ondas planas não relativística, empregando as aproximações de HartreeSlater e DiracHartreeSlater para descrever os potenciais atômicos. Os resultados experimentais confirmaram a emissão não isotrópica dos raios x decorrentes de vacâncias preenchidas na subcamada L3, sendo que a magnitude desta anisotropia varia com a energia do feixe de elétrons incidente. Além disso, foram observadas anisotropias de sinais opostos para as linhas L1 e L2. A dependência em energia do parâmetro de alinhamento A20 mostra uma queda rápida de A20, com duas inversões de sinal, uma em torno de 2 E/E(L3) e outra em torno de 8 E/E(L3), e um valor não nulo de alinhamento em torno de 10 E/E(L3), para os três elementos estudados. A comparação dos resultados experimentais com os cálculos realizados mostra um bom acordo ate cerca de 5 E/E(L3) para o feixe de elétrons incidente, a partir deste ponto o experimento evidencia uma segunda inversão no sinal de A20, que não é prevista por essa teoria. Este é, a nosso saber, o primeiro trabalho a quantificar o alinhamento atômico na ionização de átomos pesados por impacto de elétrons, via distribuição angular de raios x na faixa de 1 a 10 E/E(L3). / Measurements of the atomic alignment of Ta, W and Au after the ionization of the L3 subshell of these elements were performed by electron impact via the angular distribution of x-ray lines employing thin targets. The targets were made in the Laboratório de Filmes Finos, by the technique of physical vapor deposition (Au target), and in the Laboratório de Materiais Magnéticos, by the sputtering technique (Ta and W targets), while their characterization was performed in the Laboratório de Materiais e Feixes Iônicos, by Rutherford Backscattering Spectrometry. The Microtron of São Paulo, as well as the laboratories where the targets were made and characterized, are placed at Instituto de Física of the Universidade de São Paulo. The x-rays from the ionization of the targets were detected simultaneously by three Silicon Drift Detectors placed at 31°, 90° and 125° with respect to the direction of the incident beam. The determination of the full energy peak efficiency of the detectors was performed with an analytical model previously tested. In the data analysis the L x-ray multiplet lines were fitted in a single procedure employing Voigt functions to describe them, and the Ll, L1 and L2 lines were employed simultaneously in the estimation of the alignment parameter A20. In order to compare the experimental results with the theoretical predictions, the alignment parameter was calculated with the non-relativistic plane-wave Born approximation using HartreeSlater and DiracHartreeSlater atomic potentials. The experimental results confirmed the nonisotropic emission of x-rays from filled vacancies in the L3 subshell, with the magnitude of this anisotropy varying with the energy of the incident electron beam. In addition, anisotropies of opposite signs were observed for the L1 and L2 lines. The energy dependence of the alignment parameter A20 shows a sharp fall of A20, with two sign inversions, one around 2 E/E(L3) and another around 8 E/E(L3), and a non-zero alignment value around 10 E/E(L3), for the three studied elements. Comparison of the experimental results with the performed calculations shows a good agreement up to about 5 E/E(L3) for the incident electron beam, from which the experiment evidences a second inversion in the sign of A20, which is not predicted by this theory. This is, to our knowledge, the first work to quantify the atomic alignment in the ionization of heavy atoms by electron impact, via an angular distribution of x-rays in the interval from 1 to 10 E/E(L3).

Orientador: Andre Luís Berteli Ambrósio / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Ciências Médicas / Made available in DSpace on 2018-08-23T16:57:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fala_AngelaMaria_M.pdf: 4666864 bytes, checksum: 3bcb145c1dc353b15b43b75e5723a310 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A adaptação das células cancerosas ao microambiente é o ponto central que leva ao fenótipo invasivo e metastático, e é garantida principalmente através do controle preciso da expressão gênica. A resposta às necessidades energéticas e biossintéticas e principalmente à disponibilidade de oxigênio intracelular, por exemplo, é em grande parte mediada pelo fator de transcrição induzido por hipóxia 1 (HIF-1). HIF-1 é um heterodímero composto pelas subunidades ? e ?, que respondem a sequência consenso (5'-RCGTG-3') e ativam a transcrição de mais de 100 genes envolvidos em diversos aspectos cruciais da biologia tumoral, incluindo angiogênese, metabolismo de glicose, diferenciação celular, apoptose e resistência a radio e quimioterapias. São conhecidas três isoformas da subunidade ? (1 a 3) e todas se heterodimerizam com a subunidade ?. No geral, HIFs são constituídas de diferentes domínios funcionais, como de ligação ao DNA, de heterodimerização, transativação e degradação. Atualmente, pouco se sabe sobre os mecanismos estruturais e funcionais dos domínios da HIF- 1, deste modo este trabalho objetivou o estudo estrutural destes domínios. Os domínios bHLH, Pas-1 e Pac de HIF-1? e HIF-? em diferentes combinações entre si e o domínio Pac da HIF-3? foram clonados, as proteínas foram expressas em sistema bacteriano e purificadas por diferentes técnicas cromatográficas. Diversas destas construções se mostraram insolúveis ou suscetíveis a degradação, enquanto outras foram purificadas com sucesso. As construções Pac, um exemplo de sucesso na produção, foram submetidas a ensaios de anisotropia de fluorescência e ressonância magnética nuclear, o que nos permitiu a caracterização dos perfis de interação entre as várias combinações de heterodimerização. Neste contexto, os resultados mostram que o equilíbrio dinâmico da interação entre Pac-1? com a subunidade -1? é alcançado imediatamente, enquanto que para a interação entre Pac-3? e -1?, são necessários pelo menos 30 horas de incubação. O mesmo pode ser extraído da caracterização da interação direta entre Pac-1? e Pac-3?. Nos experimentos de RMN, foi possível identificar a região de interação entre as subunidades -1? e -3? com a subunidade ?, separadamente. Ambas as subunidades ? interagem com a Pac-1? na região das fitas-beta 1 e 5 e no loop entre as fitas 4 e 5. Em conjunto, estes resultados impactam no mecanismo de antagonização de HIF-3? na atividade transcricional de HIF-1?. Houve ainda a formação de monocristais da subunidade Pac-3?, que foram submetidos a experimentos preliminares de difração de raios X, que apesar de resultar em dados anisotrópicos e insuficientes para resolução estrutural, permitiram a caracterização dos parâmetros cristalinos, incluindo a presença de um alto conteúdo de solvente. Adicionalmente, são também apresentados os resultados obtidos visando a expressão e cristalização das Prolilhidroxilases (PHDs) isoformas 1 a 4, durante estágio de seis meses no Structural Genomics Consortium (SGC), da Universidade de Oxford, na Inglaterra. Foram expressas de maneira solúvel e purificadas, diversas construções das isoformas 1 e 3 das PHDs humanas. Cristais foram obtidos, porém estes foram determinados como sendo de compostos inorgânicos presentes na condição de cristalização. Como resultado final, está sendo estabelecida uma colaboração entre o nosso grupo e o SGC para que os estudos estruturais com PHDs se estendam e sejam realizados em nosso laboratório aqui no Brasil / Abstract: The adaptation process of cancer cells to the microenvironment is the central point leading to the invasive and metastatic phenotypes, and is guaranteed mainly through the precise control of gene expression. The cell response to the energetic and biosynthetic needs and especially to the availability of intracellular oxygen is mediated by the hypoxia inducible transcription factor 1, or HIF-1. HIF-1 functions as a heterodimer composed by subunits ? and ?, binding to responsive elements with the consensus sequence 5'-RCGTG-3 ', thus activating the transcription of more than 100 genes involved in many crucial aspects of tumor biology, including angiogenesis, metabolism glucose, cell differentiation, apoptosis, and resistance to radiotherapy and chemotherapy. There are three known isoforms of the ? subunit (1, 2 and 3) and all heterodimerize with the ? subunit. HIFs are composed of different functional domains, such as the DNA binding domain, the heterodimerization, transactivation and the oxygen-dependent degradation domains. Currently, little is known about the mechanisms of structural and functional domains of HIF-1, thus this work was to study these structural domains. The domain (bHLH, Pas-1 and Pac) of HIF-1? and HIF-? in different combinations with each other and Pac domain of HIF-3? were cloned, the proteins were expressed in bacterial system and purified by various chromatographic techniques. Several of these constructs proved insoluble or susceptible to degradation, while others were purified successfully. The constructs Pac, an example of success in production, were tested for fluorescence anisotropy and nuclear magnetic resonance, which allowed us to characterize the profiles of the interaction between the various combinations of heterodimers. In this context, the results show that the dynamic equilibrium of the interaction between the Pac-1? and -1? subunits is achieved immediately, whereas for the interaction between Pac-3? and -1?, it takes at least 30 hours of incubation. The same can be observed from the characterization of direct interaction between Pac-1? and -3?. From the NMR experiments, it was possible to identify the region of interaction between the subunits -1? and -3? with the -1? subunit. Both ? subunits interact with Pac-1? via betastrands 1 and 5 and the loop between the strands 4 and 5. Overall, these results impact in the mechanism of HIF-3? antagonizing the transcriptional activity of HIF-1?. We also obtained single crystals for Pac-3? subunit, which were subjected to preliminary experiments of X-ray diffraction. Although resulting in anisotropic, insufficient data for and structural resolution, it has allowed the characterization of crystalline parameters, including the presence of a high solvent content. Additionally, we also present the results targeting the expression and crystallization of Prolyl-hydroxylases (PHDs) human isoforms 1-4, during the six-month period at the Structural Genomics Consortium (SGC), the University of Oxford in England. Several construct from of isoforms 1 and 3 were successfully expressed and purified in the soluble form. Likewise, crystals were obtained, but these were determined to be composed by inorganic compounds present in the crystallization conditions. At the end, a collaboration was established between our and the SGC group for the structural studies with the PHDs to extend and carry out the experiments in our lab here in Brazil / Mestrado / Clinica Medica / Mestra em Clínica Médica

Fundação de Amparo a Pesquisa no Estado do Rio Grande do Sul / The Exchange Bias (EB) phenomenon consists of an interfacial exchange coupling between a ferromagnetic (FM) material and an antiferromagnetic (AFM) one and has as the main characteristics the rise of a unidirectional anisotropy and a rotational hysteresis (HR) in torque curves. In this work we have investigated the behavior of the magnetic behavior of systems presenting EB through magnetization curves, anisotropic magnetorresistance (AMR)and torque magnetometry. We have grown films, via magnetron sputtering, of NiFe/FeMn (bilayers) with different thickness of the FM layer and film structures of NiFe/IrMn/Ta with different repetitions of the basic s tructure. From the X-ray diffraction and reflectivity we have determined the preferential crystallographic growth direction, the thickness and the grain size of the studied samples. It was implemented at the Magnetism and Magnetic Materials Laboratory (LMMM) an apparatus to measure the AMR in two configurations: resistance as a function of the applied field angle and resistance as function of the field applied in a particular angle direction. To adjust the magnetization and AMR data we have used a phenomenological model for EB considering four energy terms: Zeeman, uniaxial, unidirectional and magnetostatic. The AMR curves have shown an asymmetry around 180º when measured at field smaller than the Bias one. According to the used model used, such asymmetry can be caused either by a misalignment between the anisotropy axes (uniaxial and unidirectional) or by a misalignment between the measurement current direction easy magnetization axis of the sample. It was not observed in the multilayers an increase on the uniaxial anisotropy dispersion with increasing on the trilayers number, as expected. In order to fit average torque curves, we have used an equation with two harmonic terms. The resulting parameters allow us to study the field evolution of the harmonic amplitudes Kθ e K2θ. In the multilayer system as higher total energy is, higher is the energy losses by HR. In bilayers system, the HR energy losses still increases even above the saturation field. Such behavior was associated to the configuration of interfacial spins and suggests the need of an additional contribution to total energy of the magnetic system. / O fenômeno de Exchange Bias (EB) consiste de um acoplamento de troca interfacial entre um material ferromagnético (FM) e um material antiferromagnético (AFM) e tem como características principais o surgimento de uma anisotropia unidirecional e a histerese rotacional (HR) em curvas de torque. Neste trabalho investigamos o comportamento de sistemas magnéticos com EB através de curvas de magnetização, magnetorresistência anisotrópica (AMR) e magnetometria de torque. Foram crescidos filmes via magnetron sputtering, de NiFe/FeMn (bicamadas) variando a espessura da camada de NiFe e filmes de NiFe/IrMn/Ta com diferentes números de repetições dessa estrutura básica (multicamadas). A partir da difração e refletividade de raios-X determinamos a direção preferencial de crescimento cristalográfico, espessura e o tamanho de grão das amostras estudadas. Foi implementado no Laboratório de Magnetismo e Materiais Magnéticos (LMMM) um aparato experimental para medidas de AMR: resistência em função do ângulo do campo aplicado e resistência em função do campo aplicado para um determinado ângulo escolhido. Para o ajuste aos dados das curvas de magnetização e AMR é apresentado um modelo fenomenológico para EB considerando quatro termos de energia: Zeeman, uniaxial, unidirecional e magnetostático. As curvas de AMR apresentam uma assimetria em torno de 180º quando medidas em valores de campo menores que o campo de Bias. De acordo com o modelo utilizado, tal assimetria pode ser causada por um desalinhamento entre os eixos de anisotropia (uniaxial e unidirecional) ou por um desalinhamento entre a direção da corrente de medida e o eixo fácil de magnetização da amostra. Não foi observado um aumento na dispersão da anisotropia uniaxial com o aumento das repetições das tricamadas, conforme esperado. Para o ajuste das curvas de torque médio utilizamos uma equação com dois termos harmônicos. Os parâmetros resultantes do ajuste das curvas de torque permitiram estudar a evolução das componentes harmônicas Kθ e K2θ. Nas multicamadas quanto maior a energia associada ao torque médio maiores são as perdas de energia por HR. Já nas bicamadas, as perdas de energia por HR aumentam mesmo acima do campo de saturação. Tal comportamento foi associado à configuração de spins interfaciais e sugere a necessidade de uma contribuição adicional para a energia total do sistema magnético.

Neste trabalho são apresentadas, complementadas e melhoradas duas técnicas de restauração de imagens: uma abordando o problema de retoque digital/remoção de objetos enquanto a segunda é direcionada ao problema deneliminação de ruído. Em ambas as técnicas, a ideia é trabalhar com imagens contendo texturas e outras características de interesse para um observador humano como a preservação de padrões, bordas, estruturas e regiões de natureza oscilatória. A técnica descrita sobre retoque digital de imagens combina difusão anisotrópica, síntese de texturas, busca dinâmica e um novo termo empregado no mecanismo de atribuição da ordem de prioridade durante o processo de reconstrução. Assim, dada uma imagem com regiões a serem recompostas, uma técnica de difusão anisotrópica é aplicada à imagem afim de se obter um mapa de saliência contendo bordas, estruturas e demais informações de baixa frequência da imagem. Na sequência, um mecanismo de prioridade baseado em um novo termo de confiabilidade regularizado é calculado a partir da combinação do mapa anteriormente gerado com a equação do transporte. Tal mecanismo é utilizado para determinar a ordem de preenchimento das partes faltantes da imagem. Para essa tarefa, a abordagem apresentada utiliza uma nova medida de similaridade entre blocos de pixels(amostrados dinamicamente para acelerar o processo), afim de encontrar os melhores candidatos a serem alocados nas regiões danificadas. A técnica destinada à remoção de ruídos alia a teoria da difusão anisotrópica, técnicas de análise harmônica e modelos numéricos de discretização de EDPs não-lineares em uma equação diferencial parcial regularizada, a qual atua de forma incisiva em regiões mais homogêneas da imagem e de forma mais suave em regiões caracterizadas como textura e bordas, preservando, assim, essas regiões. Além da natureza anisotrópica, a EDP procura recompor partes texturizadas perdidas no processo de eliminação de ruído através da aplicação de técnicas robustas de análise harmônica. Uma validação teórica e experimental para esta EDP e um estudo do ajuste paramétrico do método de eliminação de ruído baseado nesta EDP foram realizados neste trabalho. A eficiência e a performance das técnicas propostas são atestadas por meio das análises experimentais quantitativas e qualitativas com outras abordagens clássicas da literatura. / In this work two techniques of image restoration are presented, complemented and improved: one approaching the problem of image inpainting/object removal problem while the second one dealing with the image denoising problem. In both cases, the core idea is to process images containing textures and other features perceptible to a human observer such as patterns, contours, structures and oscillatory information. The image inpainting technique combines anisotropic diffusion, texture synthesis, dynamic search and a mechanism to set the order of priority during the image completion process. More precisely, given an image and target region to be inpainted, an anisotropic diffusion technique is applied in order to generate a saliency map containing edges, structures and other low frequency parts of the image. Next, apriority mechanism based on a new biased confidence term is computed from the map previously generated with the transport equation to define the level of priority of the pixels during the filling procedure. To accomplish this task, the presented approach employs a novel measure of similarity wich measures the distance between blocks of pixels (sampled dynamically to speed up the process) in order to find the best candidates to be allocated in the damaged regions. The technique devoted to denoising an image combines the theory of anisotropic diffusion, harmonic analysis techniques and numerical models into a regularized partial differential equation, which diffuses the pixels more incisively on homogeneous regions of the image while still seeking to attenuate regions formed by textures and patterns, thus preserving those information. Moreover, the proposed PDE aims at recovering texturized regions which have been degraded during the denoising process by employing harmonic analysis tools. A theoretical and experimental validation for this EDP and a study of the parametric adjustment of the image denoising method based on this EDP were performed in this work. The effectivenss and performance of the proposed approaches are attested through a comprehensive set of comparisons against other representative techniques in the literature.

Estuda-se o problema de equilíbrio sem força de corpo de uma esfera anisotrópica sob compressão radial uniformemente distribuída sobre o seu contorno no contexto da teoria da elasticidade linear clássica. A solução deste problema prediz o fenômeno inaceitável da auto-intersecção em uma região próxima ao centro da esfera para uma dada faixa de parâmetros materiais. Sob o contexto de uma teoria de minimização do funcional de energia potencial total da elasticidade linear clássica com a restrição de que o determinante do gradiente da função mudança de configuração seja injetivo, este fenômeno é eliminado. Aplicam-se duas formulações do Método dos Elementos Finitos de Galerkin Descontínuo (MEFGD) para obter soluções aproximadas para o problema de equilíbrio da esfera sem restrição. A primeira formulação do MEFGD aproxima diretamente os campos de deslocamento e deformação infinitesimal. A consideração do campo adicional de deformação na formulação do MEFGD aumenta o número de graus de liberdade associados aos nós da malha de elementos finitos e, consequentemente, o custo computacional. Com o objetivo de reduzir o número de graus de liberdade, introduz-se neste trabalho uma formulação alternativa do MEFGD. Nesta formulação, o campo de deformação infinitesimal não é obtido diretamente da inversão do sistema de equações resultante, mas sim por pós-processamento, a partir do campo de deslocamento aproximado. As soluções aproximadas obtidas com ambas as formulações do MEFGD são comparadas com a solução exata do problema sem restrição e com soluções aproximadas obtidas com o Método dos Elementos Finitos de Galerkin Clássico (MEFGC). Ambas as formulações do MEFGD fornecem melhores aproximações para a solução exata do que as aproximações obtidas com o MEFGC. Os erros entre a solução exata e as soluções aproximadas obtidas com a formulação alternativa do MEFGD são um pouco maiores do que os erros correspondentes obtidos com a formulação original do MEFGD. Este aumento nos erros é compensado pelo menor esforço computacional exigido pela formulação alternativa. Este trabalho serve de base para o estudo de problemas com restrição de injetividade utilizando o método de Galerkin descontínuo. / The equilibrium problem without body force of an anisotropic sphere under radial compression that is uniformly distributed on the sphere\'s boundary is investigated in the context of the classical linear elasticity theory. The solution of this problem predicts the unacceptable phenomenon of self-intersection in a vicinity of the center of the sphere for a given range of material parameters. This phenomenon can be eliminated in the context of a theory that minimizes the total potential energy of classical linear elasticity subjected to the restriction that the deformation field be injective. Two formulations of the Finite Element Method using Discontinuous Galerkin (MEFGD) are used to obtain approximate solutions for the unconstrained problem. The first formulation of the MEFGD approximates both the displacement and the strain fields. The consideration of the strain as an additional field in the formulation of the MEFGD increases the number of degrees of freedom associated to the finite elements and, therefore, the computational cost. With the objective of reducing the number of degrees of freedom, an alternative formulation of the MEFGD is introduced in this work. In this formulation, the strain field is not obtained directly from the inversion of the resulting linear system of equations, but from a post-processing calculation using the approximate displacement field. The approximate solutions obtained with both formulations of the MEFGD are compared with the exact solution of the problem without restriction and with approximate solutions obtained with the Finite Element Method using Classical Galerkin (MEFGC). Both formulations of the MEFGD yield better approximations for the exact solution than the approximations obtained with the MEFGC. The errors between the exact solution and the approximate solutions obtained with the alternative formulation of the MEFGD are slightly higher than the corresponding errors obtained with the original formulation of the MEFGD. These errors are compensated by the fact that the alternative formulation requires less computational effort than the computational effort required by the original formulation. This work serves as a basis for the study of problems with the injectivity restriction using the discontinuous Galerkin method.

Texture is one of the primary visual attributes used to describe patterns found in nature. Several texture analysis methods have been used as powerful tools for real applications involving analysis and computer vision. However, existing methods do not successfully discriminate the complexity of texture patterns. Such methods disregard the possibility of describing image structures by means of measures such as the fractal dimension. Fractality-based measures allow a non-integer geometric interpretation with applications in areas such as mathematics, physics, and biology. With this gap in mind, the central hypothesis of this thesis is that textures can be described as irregular fractal surfaces due to their complex geometry; such geometry can be exploited for image analysis and computer vision. By exploring such possibilities, pushing the limits of the state-of-the-art, this thesis starts with an analysis of texture features achieved by means of agents on image surfaces. To do so, we used the Bouligand-Minkowski fractal dimension, swarm-system Artificial Crawlers, and non-linear diffusion of Perona-Malik, techniques that led to methodologies with efficacy and efficiency comparable to the state-of-the-art. Our first method combines fractal dimension with random walks on the surface of images. In a second approach, non-linear diffusion is used to represent texture images at different scales, which are described via their fractal dimension for image classification purposes. In a third proposal, we employ fractal dimension concepts over multiple scales derived from the same image for a richer texture description. One of the purposes is the automatic detection of diseases in soybean leaves. Finally, texture characteristics were exploited in a method based on complex networks used to analyze the agglomeration of particles in nanotechnology images. The results achieved in the four methodologies described in this thesis demonstrated the potential of using texture features in tasks of classification and pattern recognition. The contributions of this work shall support significant advances in materials engineering, computer vision, and agriculture. / A textura é um dos principais atributos visuais para a descrição de padrões encontrados na natureza. Diversos métodos de análise de textura têm sido usados como uma poderosa ferramenta para aplicações reais que envolvem análise de imagens e visão computacional. Entretanto, os métodos existentes não conseguem discriminar com sucesso a complexidade dos padrões de textura. Tais métodos desconsideram a possibilidade de se descrever estruturas de imagens por meio de medidas como a dimensão fractal. Medidas baseadas em fractalidade permitem uma interpretação geométrica não-inteira que possui aplicações encontradas em áreas como matemática, física, e biologia. Sobre esta lacuna metodológica, a hipótese central desta tese é que texturas presentes na natureza podem ser medidas como superfícies fractais irregulares devido à sua geometria complexa, o que pode ser explorado para fins de análise de imagens e visão computacional. Para superar tais limitações, avançando o estado da arte, esta tese se inicia com uma análise das características de texturas baseada em caminhadas aleatórias de agentes sobre superfícies de imagens. Esta primeira análise leva a um método que combina dimensão fractal com caminhadas de agentes sobre a superfície de imagens. Em uma segunda abordagem, usa-se a difusão não-linear para representar imagens de texturas em diferentes escalas, as quais são descritas via dimensão fractal para fins de classificação de imagens. Em uma terceira proposta, emprega-se a dimensão fractal sobre múltiplas escalas derivadas de uma mesma imagem com o propósito de se realizar a descrição multi-escala de texturas. Um dos propósitos específicos foi a detecção automática de doenças em folhas de soja. Por último, as características de textura foram exploradas segundo uma metodologia baseada em redes complexas para análise de aglomeração de partículas em imagens de nanotecnologia. Os resultados alcançados nesta tese demonstraram o potencial do uso de características de textura. Para tanto foram usadas técnicas de dimensão fractal de Bouligand-Minkowski, multiagentes Artificial Crawlerse difusão não-linear de Perona-Malik, os quais alcançaram eficácia e eficiência comparáveis ao do estado da arte. As contribuições obtidas devem suportar avanços significativos nas áreas de engenharia de materiais, visão computacional, e agricultura.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Anisotropic magnetoresistance (AMR) consists in the change of the resistivity of a ferromagnetic metal as a function of the angle between the current and the magnetization, what makes AMR-based sensors promising to measure both angular and linear positions. These devices usually have a structure of Ta/Ni81Fe19/Ta and the thickness of the Ni81Fe19 layer is about 10 nm so as to reduce the demagnetization field parallel to surface. In order to acquire high magnetic field sensitivity (S) and low Barkhausen noise the films should have high AMR values (ΔDR=R) and low coercivity. However, during fabrication, the structures are often exposed to temperatures above 200oC, what changes the characteristics of the interfaces and reduces ΔDR=R. On the other hand, ΔDR=R and S can be remarkably enhanced by insertion of nano-oxide layers that act like difusion barriers on the interfaces. The enhancement is mainly attributed to the large electron specular reflection at the flatter interfaces. In this work we have proposed to verify the possibility of enhance ΔDR=R and S in structures with good thermal stability just by adding an oxidation step after growthing each layer, forming TaOx. We studied the influence of the deposition parameters in the structural and magnetic properties of the samples and otimized the growth of thin films of Ni81Fe19 by magnetron sputtering. We also verified the influence of the annealing in the structural properties of nanostructures of Ta/Ni81Fe19/Ta exposed or not to oxidation on the interfaces. We observed that the TaOx nano-oxide layer can work as expected, however the poor cristalinity of the Ni81Fe19 layers leads to AMR values lower than the literature ones. / Magnetorresistência anisotrópica (AMR) consiste na variação da resistividade de um metal ferromagnético como uma função do ângulo entre a corrente e a magnetização, o que faz com que sensores que utilizam este efeito sejam promissores para medidas de posição tanto angulares quanto lineares. Estes dispositivos normalmente possuem a estrutura Ta/Ni81Fe19/Ta com a espessura da camada de Ni81Fe19 sendo da ordem de 10 nm, para reduzir o campo desmagnetizante paralelo à superfície. Para obter alta sensibilidade (S) e baixos níveis de ruído Barkhausen os filmes devem apresentar alta variação percentual da AMR (ΔDR=R) e baixa coercividade. Entretanto, durante o processo de fabricação as estruturas frequentemente são expostas à temperaturas maiores que 200oC, o que pode alterar as características das interfaces e reduzir ΔDR=R. Por outro lado, ΔDR=R e S podem ser significativamente incrementados através da inserção de nanocamadas de óxidos que atuam como barreiras contra difusão nas interfaces. O aumento é atribuído ao maior nível de reflexões eletrônicas especulares nas interfaces mais lisas. Neste trabalho, propomos verificar se é possível aumentar ΔDR=R e S para estruturas com boa estabilidade térmica simplesmente acrescentando uma etapa de oxidação após o crescimento de cada camada, pela formação de TaOx. Estudamos a influência dos parâmetros de deposição nas propriedades estruturais e magnéticas das amostras e otimizamos o crescimento de filmes finos de Ni81Fe19 pela técnica de magnetron sputtering. Verificamos também a influência do tratamento térmico nas propriedades estruturais de nanoestruturas do tipo Ta/Ni81Fe19/Ta submetidas ou não à oxidação das interfaces. Observamos que a nanocamada de TaOx pode desempenhar o papel esperado, todavia a qualidade cristalina das camadas de Ni81Fe19 acarretou em valores quantitativos de ΔDR=R menores que os encontrados na literatura.

Los polímeros de alto rendimiento (HPP) desempeñan un rol importante en la actualidad. El desarrollo de métodos más eco­nómicos para sintetizar estos polímeros minimizando el impacto tanto en la salud como en el medio ambiente es una prioridad. Las poliimidas (PI) pertenecen al grupo de los HPP y presentan características excepcionales como una gran estabilidad ante elevadas temperaturas, alta resistencia a los productos químicos agresivos y a la radiación, así como propiedades de aislamiento. Sin embargo, la síntesis de las PI presenta aún retos importantes. En este artículo presentamos un enfoque alternativo para sinte­tizar PI de forma y tamaño impresionante. / High-performance polymers (HPPs) play an important role in modern technology. Many efforts aim to develop cost-effective pathways to synthesize polymers without causing any harm to health and the environment. Polyimides (PIs) belong to the class of HPPs and they show outstanding features e.g. high-tempera­ture stability, resistance to aggressive chemicals and radiation, as well as insulating properties. PI synthesis, however, present yet major challenges. We herein present an alternative approach to PIs of intriguing shape and of impressive size.