Os programas de computador têm apoiado o estudo de sistemas biomédicos em que um volume considerável de dados são empregados. Na biomecânica, a análise das influências entre as articulações pode melhorar o conhecimento das lesões relacionadas à corrida associadas ao uso excessivo durante a atividade de corrida. Compreender os padrões de interação entre diferentes articulações anatômicas, durante o movimento, pode contribuir para o aprimoramento de programas de treinamento, reabilitação e prevenção a lesões. Neste trabalho, um software personalizado foi desenvolvido para implementar a Coerência Parcial Direcionada (PDC), uma abordagem no domínio da freqüência da Causalidade de Granger (GC), adequado às especificidades da fisioterapia. Com entradas independentes e padronizadas, modularização e parametrização, as rotinas investigaram a direção de interação entre diferentes canais, registrando e salvando arquivos intermediários. Separados nos três planos anatômicos, sagital, frontal e transverso, foram utilizados dados cinemáticos para analisar as interações entre tornozelo, joelho, quadril, pelve e tronco durante a corrida. Três modificações de técnica de corrida foram abordadas: com aterrissagem iniciada com o antepé, com aumento de 10% na taxa de passo e com aumento de flexão de tronco, além da habitual. As análises foram realizadas para o ciclo completo (apoio e balanço) e com separação da fase de apoio, e revelaram que essas duas estratégias de processamento são complementares. Comparando as influências proximal e distal, os procedimentos sugeriram uma predominância das interações proximal a distal, mostrando uma origem central de movimentos. Dessa forma, destaca-se a relevância em controlar e fortalecer tronco e quadril para a minimização de lesões. Considerando os resultados e a oportunidade de configuração, o software pode ser empregado para estudar outras articulações e aplicações, bem como evoluir para um sistema automatizado de apoio à decisão. / Computer programs have supported the study of biomedical systems in which a considerable amount of data is employed. In biomechanics, analysis of influences between joints can improve the knowledge of the Running-Related-Injuries (RRI) associated to overuse during running activity. Understanding the patterns of interaction among anatomical joints during movement can contribute to the improvement of training, rehabilitation and injury prevention programs. In this work, a customized software was developed to implement Partial Directed Coherence (PDC), an approach in the frequency domain of Granger Causality (GC), adapted to the physical therapy specificities. With independent and standardized inputs, modularization and parameterization, the routines investigated the interaction direction between different channels, logging and saving intermediate files. Separated in the three anatomical planes, sagittal, frontal and transverse, kinematic data were employed to analyze the interactions between ankle, knee, hip, pelvis and trunk during running. Three running technique modifications were addressed: forefoot strike landing pattern, increasing 10% of the step rate and increasing trunk flexion, in addition to usual running. The analyzes were performed for the complete cycle (stance and swing) and with separation of the stance phase, and revealed that these two processing strategies are complementary. Comparing proximal and distal influences, procedures suggested a predominance of proximal to distal interactions, showing a central origin of movements. In this way, the importance of controlling and strengthening trunk and hip to minimize injuries is highlighted. Considering the results and the processing configuration opportunity, the software can be employed to study other joints and applications, as well as evolve to an automated decision support system.

In this dissertation we address the problem of second order phase transitions with absorbing states. We analyze the critical behavior of a one dimensional model simulated on one dimensional chains. The sites on the linear chain can be multiple occupied by particles that annhilates each other with a finite probability. It also presents parity-conserving branching with an even number of offsprings. The number of particles are constant modulo 2. We determine the threshold of the phase transition between the statistically stationary active state and the absorbing state. From steady-state simulations and a finite-size scaling analysis, we calculate the order-parameter, order-parameter fluctuations, and special correlation length critical exponents. We also followed the short-time critical relaxation to determine some dynamical critical exponents. The hyperscaling relation is checked for both sets of stationary and dynamical critical exponents which we found to be consistent with the BARW-PC universality class. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta dissertação abordamos um sistema que apresenta uma transição de fase de um estado ativo para um estado absorvente. O estudo envolve simulações numéricas em cadeias lineares e consideramos um modelo em que ocorre ramificação e aniquilação de caminhantes aleatórios. Admitimos que cada sítio da rede ser ocupado por mais de uma partícula, que difundem pela rede e se aniquilam imediatamente após o encontro. Cada partícula pode, em cada passo de tempo, gerar um determinado número n de filhotes, onde n é um número par. Investigamos as propriedades críticas do modelo usando simulações computacionais e a teoria de escala por tamanho finito. Analisamos a região de transição e após encontrado o ponto crítico calculamos o conjunto de expoentes críticos que é uma característica na vizinhança de transições de segunda ordem. O modelo apresenta conservação do número total de partículas modulo 2 e sua classe de universalidade difere da PD. A partir da análise dos resultados, encontramos o conjuntos de expoentes críticos, consistentes com a classe BARW - PC (branching and annihilating random walkers).

Orientador: Prof. Dr. Raphael Yokoingawa de Camargo / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Neurociência e Cognição, 2016. / Sabe-se que o comportamento, a percepção e a cognição estão relacionados à atividade conjunta de uma ou mais regiões cerebrais. Sendo assim, é interessante verificar como as regiões cerebrais interagem e como acontece a transferência de informação entre elas. Nesse trabalho avaliamos a efetividade da coerência parcial direcionada e da coerência parcial direcionada generalizada na inferência da conectividade efetiva entre redes neurais simuladas. As redes neurais foram utilizadas para simular regiões cerebrais. A atividade elétrica dos neurônios que compõem as redes neurais foi descrita pelo modelo matemático de Izhikevich. Através da variação dos parâmetros responsáveis pelo comportamento dinâmico dos neurônios das redes, simulamos diferentes sinais de LFP (local field potential). Os métodos de conectividade foram aplicados sobre esses sinais de LFP simulados afim de recuperar, para cada um dos modelos estudados, a conectividade previamente estabelecida entre as diferentes redes neurais. Avaliamos também o comportamento da causalidade de Granger, da coerência parcial direcionada, da correlação de Spearman e da coerência espectral de acordo com o aumento no peso sináptico das conexões entre os neurônios de diferentes redes. Os resultados desse trabalho nos fornece informações sobre aplicabilidade desses métodos de conectividade em dados com características similares a dados eletrofisiológicos. / It is known that behavior, perception and cognition are the result of the combined activity of multiple brain regions. This way, it is interesting to understand how the brain regions interact and how information transfer occurs. In this work we verified the efficacy of partial directed coherence and generalized partial directed coherence to infer the effective connectivity between simulated neuronal networks. Neuronal networks was used to simulate brain regions. The electrical activity of neurons that belong to networks was described by Izhikevich mathematical model. Through the variation of parameters responsible for the dynamical behavior of neurons we simulated different LFP signals. The connectivity methods were applied to simulated LFP signals to recovery the previously established connections. We analysed the values obtained by Granger causality, partial directed coherence, Spearman correlation and spectral coherence according to increasing synaptic strengths of connections among different networks. These results provide information about to what extent the methods might be applied to the analysis of actual electrophysiological data.

O notável desenvolvimento da indústria eletrônica observado nos últimos tempos tem permitido aplicações de conjuntos integrados de sensores em ambientes sem fio, conhecidos por wireless sensor networks (WSN), que passam por sensoriamento de processos industriais, ambientes tóxicos, projetos militares de monitoração de variáveis de segurança, até observação de fenômenos físicos naturais. Uma das principais especificações de uma rede WSN, o consumo de energia afeta diretamente a capacidade e tempo de vida útil do sistema, pois, na maioria dos casos, seus módulos possuem baterias independentes e sua substituição nem sempre é tarefa simples. Motivado pela necessidade de oferecer robustez e economia de energia nas redes WSN, o protocolo difusão direcionada se baseia na centralização de dados e a identificação de seus módulos é feita por meio de pares valor-atributo. Sua estrutura permite a adição de componentes de software que podem atuar na análise e modificação dos dados recebidos com o objetivo de alterar o protocolo original. O objetivo principal deste trabalho é investigar um método para otimização do uso de energia disponível em redes WSN com intuito de prolongar seu tempo de vida útil. O metódo consiste em analisar os valores das energias atribuídas aos módulos componentes da rede por meio de incorporação de um algoritmo de rotas baseado em energia ao protocolo difusão direcionada. Comparações de desempenho da rede em relação ao seu tempo de vida e energia dos módulos são realizadas utilizando o simulador NS-2. As simulações feitas em diversos cenários indicaram melhoria de desempenho em relação ao protocolo difusão direcionada original. Os cenários onde o protocolo original foi alterado apresentaram um número maior de rotas descobertas e possibilitaram um aumento de pelo menos 22% no tempo de vida da rede, em relação ao protocolo original. / The notable development of electronic industry in the last years allows the implementation of sensor integrated circuits in wireless environments, known as wireless sensor networks (WSN), which leads to industrial process sensing, toxic environments, military security monitor projects and natural physical phenomenon. As one of the main specifications of a WSN network, the energy consumption directly affects the capacity and the system useful lifetime, since most of the time its modules have independent batteries and their substitution is not always a simple task. Motivated by the need of offering robustness and energy economy for WSN networks, the directed diffusion protocol is data-centric based and its modules identification is made by attribute-value pairs. The directed diffusion structure enables the addition of software components which can act on the analysis and modification of received data with the objective of changing the original protocol. The main objective of this work is to investigate a method for optimization of available energy on WSN networks with the intention of increasing its useful lifetime. The method consists on analyzing the energy values attributed to the component modules of the network by incorporating an energy-based routing algorithm to directed diffusion protocol. Performance comparisons of the network related to its lifetime and modules energy are developed using the NS-2 simulator. Simulations performed in several scenarios indicated a better performance in relation to the original directed diffusion protocol. The scenarios where the original protocol was changed had larger number of discovered routes and allowed a rising of at least 22% on network lifetime, in relation to the original protocol.

[pt] O surgimento da World Wide Web representou uma nova oportunidade de publicidade, disponível para qualquer empresa: A possibilidade de exposição global para uma grande audiência a um custo extremamente pequeno. Como conseqüência disso, surgiu toda uma nova indústria oferecendo serviços relacionados à publicidade de busca, na qual uma empresa anunciante paga por uma posição de destaque em listas de anúncios. A fim de manter a credibilidade e a participação de mercado do serviço que os veicula - por exemplo, uma máquina de busca - os anúncios devem ser exibidos apenas para os usuários que se interessem por eles, no que se chama de Publicidade Direcionada. Em virtude disso, surge a necessidade de se utilizar um sistema de recomendação que seja capaz de escolher que anúncios exibir para quais usuários. Nos sistemas de recomendação baseados em filtragem colaborativa, as preferências de outros usuários são utilizadas como atributos para um sistema de aprendizado, pois estas podem ser bastante detalhadas, gerando recomendações não só para os itens mais populares como também para nichos de itens. Neste trabalho, é desenvolvido um sistema de recomendação de anúncios que aplica Filtragem Colaborativa baseada em fatoração de matrizes ao problema de predição do Click- Through Rate, uma métrica em Publicidade Direcionada que expressa a relevância de um anúncio para os usuários que buscam por uma determinada palavra- chave. A fim de validar o método proposto de predição do Click-Through Rate, realizamos vários experimentos em um conjunto de dados sintéticos. Adicionalmente, o trabalho contribui para o projeto do LearnAds, um framework de recomendação de anúncios baseado em Aprendizado de Máquina. / [en] The emergence of the World Wide Web represented a new advertising opportunity available to any company: The possibility of global exposure to a large audience at a very small cost. As a result, a whole new industry has emerged by offering services related to search advertising, in which an advertiser pays for a prominent position in lists of ads. In order to maintain the credibility and market share of the service that conveys them - for example, a search engine - such ads must be displayed only to users who are interested in them, on what is called Targeted Advertising. Therefore, those services need to use a recommendation system that can choose which ads show to which users. Recommendation systems based on collaborative filtering use the preferences of other users as features to a learning system, since such preferences can be quite detailed, generating recommendations not only for the most popular items but also to item niches. In this work, we develop an ads recommendation system that applies Collaborative Filtering based on matrix factorization to the problem of predicting the Click-Through Rate, a Targeted Advertising metric that expresses the relevance of a particular ad for the users searching for a specific keyword. In order to validate the proposed method of Click-Through Rate prediction, we carry out several experiments on a synthetic data set. Additionally, the work contributes to the design of LearnAds, a framework for ads recommendation systems based on Machine Learning.

Neste trabalho foram estudadas algumas formas de relação entre séries temporais multivariadas. Discutiu-se, inicialmente, a função de coerência, uma função análoga a função de correlação(que é dada no domínio do tempo) calculada no domínio da freqüência. Foram estudadas também as funções de coerência parcial e coerência parcial direcionada. A função de coerência parcial mede a relação entre duas componentes de uma série multivariada, isolados os efeitos de outra série. Em linhas gerais, a Coerência Parcial Direcionada pode ser interpredata como a decomposição da coerência parcial a partir de modelos autoregressivos multivariados. Esse conceito pode ser interpretado como uma representação do conceito de causalidade de Granger no domínio da freqüência. Finalmente, foram aplicadas as funções acima em dois conjuntos de dados: um modelo VAR(1) trivariado simulado e dados de medições de eletroencefalograma. / In this work we studied relationships between multivariate time series. We discussed the coherence function, a function similar to the correlation function(calculated in time domain) in frequency domain. Next, we discussed partial coherence and partial directed coherence. The partial coherence measures the relationship between two components of a multivariate time series, after removing the influence of another time series. Generally, the partial directed coherence can be interpreted as the decompositioin of the partial coherence from multivariate autoregressive models. We can interpret this function as a representation of the Granger causality concept in frequency domain. Finally, we applied these concepts in two situations: a simulated VAR(1) model and an electroencefalogram database.

A presente dissertação examina um método de determinação da conectividade cerebral cujo uso vem se tornando popular nos últimos anos, o partial direct coherence (PDC), que se destaca dentre outros métodos por possibilitar a verificação das relações imediatas de sinais multivariados. Este método representa a conectividade cerebral no domínio da frequência e tem íntima relação com a noção de \"causalidade\" de Granger (GRANGER, 1969), que possibilita quantificar a influência mútua entre séries temporais observadas. De um ponto de vista computacional, o referido método faz uso de modelos de séries temporais que hoje têm implementação bastante eficiente em termos de algoritmos off-line, mas cujo sucesso depende da presunção de estacionariedade dos dados, fato que é somente verdadeiro em trechos relativamente curtos de sinais de origem cerebral, como no caso do EEG (Eletroencefalograma). O objetivo deste trabalho é criar um sistema que calcule o PDC, continuamente, em tempo real e que possua a mesma precisão do método off-line, além de ser uma plataforma de estudos para implementações e testes de métodos de determinação da conectividade neural em tempo real. A plataforma desenvolvida é modular, incentivando futuros trabalhos na mesma, e mostrouse eficaz quanto a precisão numérica dos resultados do cálculo do PDC. As características de tempo real foram atingidas com algumas restrições, que dependem da configuração do usuário e do número de canais que um sinal possui. / This thesis examines a method of determination of brain connectivity whose use becomes popular in recent years, the partial direct coherence (PDC) that stands out in comparison with other methods for making possible the verification of immediate relations of multivariate signal. This method represents the brain connectivity in the frequency domain and has a close relationship with the notion of Granger causality (GRANGER, 1969) that makes it possible to quantify the mutual influence between observed time series. From a computational perspective, the above method makes use of time series models, which today has very efficient implementation in terms of off-line algorithm, but whose success depends on presume that the data is stationary, a fact that is only true in relatively short stretches of cerebral signals, especially in the case of EEG. The objective of this thesis is to create a system that calculates the PDC continuously and in real time maintaining the same precision of the off-line method. Furthermore being a research platform for implementations and tests of new methods for determining neural connectivity in real time. The developed platform is modular encouraging future work on it, and was effective in the numerical accuracy of the PDC calculation results. The real time characteristics were achieved with some restrictions that depend of the user configuration and the number of channels that the signal has.

O estudo da dinâmica de populações vem adquirindo grande importância atualmente, por suas aplicações nas mais diversas áreas do conhecimento, como a biologia evolutiva, ecologia, economia e computação, entre outras. O uso de redes, ou autômatos celulares, para modelar dinâmicas populacionais é um recurso frequentemente utilizado por sua simplicidade no tratamento de problemas com alto grau de complexidade. Neste trabalho utilizamos autômatos celulares para simular dinâmicas populacionais onde analisamos transições de fases longe do equilíbrio em modelos de replicação em uma e duas dimensões, classificando-as de acordo com suas classes de universalidade. Também utilizamos redes para estudar as possíveis origens dos ciclos primos presentes nas cigarras do gênero Magicicada que habitam a América do Norte, mostrando que a predação não é necessária para o surgimento deste comportamento. / The study of population dynamics becomes even more important nowadays because of its applications in a wide range of subjects, such as evolutive biology, ecology, economics and computational sciences, among many others. The use of networks, as well as cellular automata, to simulate populational dynamics is an ordinary tool because of its simplicity in the treatement of very complicated problems. In this work we use cellular automata to simulate populational dynamics where non equilibrium phase transitions in replicator models in one and two dimensions are analyzed and characterized by their universality classes. We also use cellular automata to study the possible origins of prime number cycling present in northern american Magicicada, showing that it is possible to generate prime number year life cycles whithout any predation effects.

Neste trabalho foram utilizadas técnicas de modelagem molecular computacional para descrever nanossuperfícies funcionalizadas com biomoléculas do sistema imunológico correlacionando resultados experimentais obtidos com o microscópio de força atômica, simulações de dinâmica molecular e dinâmica molecular direcionada. O objetivo principal proposto é avaliar as forças intermoleculares provenientes das interações antígeno-anticorpo (funcionalizados em nanossuperfícies) para aplicação no desenvolvimento de nanoimunossensores e detecção de doenças desmielinizantes, como a Neuromielite Óptica. A Neuromielite Óptica é uma doença inflamatória autoimune na qual o próprio sistema imunológico reage contra os nervos ópticos e a medula espinhal, causando lesão desmielinizante. Estudos na literatura estabeleceramo anticorpo anti-aquaporina4 como um importante biomarcador da doença. Neste contexto, um nanoimmunosensorvem sendo desenvolvido com a técnica de Microscopia de Força Atômica, o qual visa detectar o anticorpoanti-aquaporina4 no soro de portadores da doença. Tal estudo necessitou de uma nova abordagem computacional para a descrição de estruturas tridimensionais de anticorpos. Essa nova aproximação consistiu na aplicação de técnicas de computacionais de modelagem e engenharia molecular para a geração de modelos de anticorpos com base em sucessivas substituições dos resíduos componentes do sítio de interação com o antígeno. Testes realizados envolvendo modelos de anticorpos disponíveis em bancos de dados especializadosindicaram (48 ± 18) % e (65 ± 14) % de identidade das cadeias leve e pesada, respectivamente, entre os modelos gerados computacionalmente e as estruturas 3D reais de anticorpos. Por fim, para comprovar o funcionamento dos nanoimunossensores, foi desenvolvido um modelo estatístico para tratar e interpretar os dados experimentais. Este modelo foi eficiente para distinguir os pacientes soropositivos de sujeitos soronegativos para determinados biomarcadores relacionados à Neuromielite Óptica e a Esclerose Múltipla, fornecendo assim um novo e mais preciso processopara diagnóstico de doenças desmielinizantes. / Study of the biological coverage of nanosurfaces by computational modeling: application in the development of nanoimunoresensors. In this work, computational molecular modeling techniques were applied to describe nanosurfaces functionalized with immune system biomolecules, correlating data from atomic force microscope experiments, molecular dynamics, and steered molecular dynamics simulations. The main goal of this research was to evaluate intermolecular forces involved in the antigen-antibody interaction on the nanosurfaces during the development of nanoimmunosensors for demyelinating diseases detection, especially neuromyelitisoptica. The neuromyelitisoptica is an autoimmune inflammation in which components of the immune system respond against optical nerves and spinal cord, resulting in demyelinating lesions. In the literature, studies have established anti-aquaporin 4 as an important biomarker for neuromyelitisoptica. Then, a nanoimmunosensor for anti-aquaporin 4 antibodies detection in neuromyelitisoptica patients serum via Atomic Force Microscopy is in development. This study requested a computational approach for describing the tridimensional structure of antibodies. The novel approach consisted of computer molecular modeling and engineering to perform successive substitutions in residues of the antigen interaction site. Tests carried out using antibody structures available in specialized data banks demonstrated the similarity of (48 ± 18) % and (65 ± 14) % for light and heavy chains, respectively, of the computationally generated models and experimental 3D structures of antibodies. Additionally, a statistical model was developed to prove the nanoimmunosensor sensing activity, which was useful to treat and interpret the experimental data. This statistical model was efficient to distinguish seropositive patients from seronegative subjects considering specific biomarkers related to neuromyelitisoptica and multiple sclerosis, providing a novel and more precise process for demyelinating disease diagnosis.

Nesta tese estudamos os efeitos da desordem espacial e temporal na transição de fase entre a sobrevivência e extinção de populações biológicas. Na primeira parte estudamos um modelo epidemiológico com quatro estados. Apesar deste modelo não conter desordem, concluímos que seu comportamento crítico é o mesmo do processo de contato com desordem (espacial) quenched. Na segunda parte estudamos o movimento Browniano fracionário refletido, onde vimos que a combinação dos efeitos do ruído com correlações de longo alcance e a parede refletora cria uma singularidade em lei de potência na densidade de probabilidade da posição do caminhante. Por fim, estudamos a equação logística com desordem temporal através do mapeamento no movimento Browniano fracionário refletido. Neste último estudo vimos como as correlações de longo alcance mudam o comportamento crítico deste sistema. / We have studied the effects of spatial and temporal disorder at the phase transition between survival and extinction of biological populations. In the first part we studied a four states biological population model. Despite having no disorder, we have seen that its critical behavior is the same of the contact process with (spatial) quenched disorder. In the second part, we studied the reflected fractional Brownian motion, where the interplay between the correlated noise and the reflecting wall results in a power-law singularity in the probability density of the position of the walker. Finally, we deduced the critical properties of the logistic equation with temporal disorder by mapping it onto the reflected fractional Brownian motion. This mapping allow us to understand how long-range correlations change the critical behavior of this system.