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Colloidal nanocrystals (NCs) compete with molecular catalysts in the field of homogenous catalysis, offering an easier recyclability and a number of additional functionalities. Using high throughput printing technologies, colloidal NCs can be also supported onto substrates to produce cost-effective electronic, optoelectronic, electrocatalytic and sensing devices. In these two broad areas, NCs surface chemistry and supracrystal organization are key parameters determining final performance. Here, we study the influence of the surface ligands and the NC organization on the catalytic properties of In2S3, both in colloidal form and as a supported layer. In solution, well dispersed NCs stabilized in solution by inorganic ligands show the highest photocatalytic activities. On the other hand, when NCs are supported on a substrate, their organization becomes an essential parameters determining performance, and NC-based films produced through a gelation process provided five-fold higher photocurrent densities than those obtained from dense films produced by the direct printing of NCs., This work was supported by the European Regional Development Funds and the Spanish MINECO project BOOSTER. TB thanks FI-AGAUR Research Fellowship Program, Generalitat de Catalunya (2015 FI_B 00744). This project has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No 712949 (TECNIOspring PLUS) and the Government of Catalonia's Agency for Business Competitiveness (ACCIÓ).

Objectives: To define which variables upon ICU admission could be related to the presence of coinfection using CHAID (Chi-squared Automatic Interaction Detection) analysis. Methods: A secondary analysis from a prospective, multicentre, observational study (2009 -2014) in ICU patients with confirmed A(H1N1)pdm09 infection. We assessed the potential of biomarkers and clinical variables upon admission to the ICU for coinfection diagnosis using CHAID analysis. Performance of cut-off points obtained was determined on the basis of the bi-nominal distributions of the true (+) and true (-) results. Results: Of the 972 patients included, 196 (20.3%) had coinfection. Procalcitonin (PCT; ng/mL 2.4 vs. 0.5, p < 0.001), but not C-reactive protein (CRP; mg/dL 25 vs. 38.5; p = 0.62) was higher in patients with coinfection. In CHAID analyses, PCT was the most important variable for coinfection. PCT < 0.29 ng/mL showed high sensitivity (Se = 88.2%), low Sp (33.2%) and high negative predictive value (NPV = 91.9%). The absence of shock improved classification capacity. Thus, for PCT < 0.29 ng/mL, the Se was 84%, the Sp 43% and an NPV of 94% with a post-test probability of coinfection of only 6%. Conclusion: PCT has a high negative predictive value (94%) and lower PCT levels seems to be a good tool for excluding coinfection, particularly for patients without shock. (C) 2015 The British Infection Association. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

A series of seven poly(ethylene-co-1-octene) samples made with a single-site-type catalyst were analyzed by crystallization analysis fractionation (CRYSTAF). The samples have similar average copolymer compositions but differ in their average molecular weights. CRYSTAF results confirm the theoretical predictions of Stockmayer's distribution: the breadth of the chemical composition distribution is inversely proportional to the number average molecular weight for polymers made with single-site-type catalysts. Stockmayer's distribution was used to assess the instrumental peak broadening of CRYSTAF. An extension of this treatment for polyolefins made with multiple-site-type catalysts is proposed.

Live vaccines have emerged as one of the most potentially cost-effective measures for the control of bovine neosporosis. Previous studies have shown that Nc-Spain 1H is a naturally attenuated isolate of Neospora caninum and that immunisation with live Nc-Spain 1H tachyzoites generated a protective immune response in mice. The aim of this study was to evaluate the safety and efficacy of immunisation in cattle. N. caninum-seronegative heifers were immunised subcutaneously twice with 107 live Nc-Spain 1H tachyzoites prior to artificial insemination. No adverse reactions or negative effects on reproductive parameters were recorded following immunisation. In immunised and non-challenged heifers, no foetal deaths were observed, and none of the calves was congenitally infected. The efficacy against N. caninum-associated foetal death and vertical transmission was determined after challenge with high doses of the Nc-1 isolate at 70 and 135 days of gestation, respectively. After the challenge in early gestation, the immunisation induced a protection of 50% against foetal death. In addition, the microsatellite analysis performed in PCR-positive tissue samples from foetuses that died after challenge infection showed that the profiles corresponded to the challenge isolate Nc-1. A degree of protection against vertical transmission was observed after challenge at mid-gestation; calves from immunised heifers showed significantly lower pre-colostral Neospora-specific antibody titres than calves from the non-immunised/challenge group (P N. caninum-associated abortion and vertical transmission in experimentally infected cattle. In light of these encouraging results, the next step for testing this live attenuated candidate should be the assessment of its efficacy and safety in naturally infected cattle.

This thesis consists in the presentation of a series of papers for the definition of an original two-component mathematical model for the red blood cell membrane. The model, inspired by the best models currently available, considers the cytoskeleton as a discrete non-linear elastic structure. The novelty of the proposed work is to couple this skeleton with continuum models instead of the more common discrete models (molecular dynamics, particle methods) of the lipid bilayer. The interaction of the solid cytoskeleton with the bilayer, which is a two-dimensional fluid, is done through adhesion forces adapting efficient solid-solid adhesion algorithms. The continuous treatment of the fluid parts is well justified by scale arguments and leads to much more stable and precise numerical problems when, as is the case, the size of the molecules (0:3nm) is much smaller than the overall size (≅ 8000 nm). The most advanced version of the model also takes into account the contribution of the cytosol, modeled as an internal fluid obeying a Newtonian behaviour. The computational formulation of the model can be used to study normal and pathological behavior of red blood cells in slow transient processes. In the papers, many simulations and applications are shown. A certain attention was done to present the mathematical well-posedness of the model. The thesis work was conducted within research activity supporting the National Institute of Science and Technology in Medicine Assisted by Scientific Computing (INCT MACC) of Brazil. The document contains additional published papers containing new proposals of mathematical models with relevant applications in medicine. These additional topics concern the manipulation and optimal control of particles in micro-fluids, the modeling of progress and treatment of diseases such as cancer with the presence of cancer stem cells and Alzheimers disease, and an epidemiological model on the COVID-19 spread that mimics the social reaction due to pandemic fatigue. Esta tese consiste na apresentação de uma série de artigos para a definição de um modelo matemático original de dois componentes para a membrana dos glóbulos vermelhos. O modelo, inspirado nos melhores modelos disponíveis atualmente, considera o citoesqueleto como uma estrutura elástica não linear discreta. A novidade do trabalho proposto é acoplar esse esqueleto com modelos contínuos ao invés dos modelos discretos mais comuns (dinâmica molecular, métodos de partículas) da bicamada lipídica. A interação do citoesqueleto sólido com a bicamada, que é um fluido bidimensional, é feita por meio de forças de adesão adaptando algoritmos de adesão sólido-sólido eficientes. O tratamento contínuo das partes do fluido é bem justificado por argumentos de escala e leva a problemas numéricos muito mais estáveis e precisos quando, como é o caso, o tamanho das moléculas (0.3 nm) é muito menor do que o tamanho geral (≅ 8000 nm). A versão mais avançada do modelo também leva em consideração a contribuição do citosol, modelado como um fluido interno obedecendo a um comportamento Newtoniano. A formulação computacional do modelo pode ser usada para estudar o comportamento normal e patológico dos glóbulos vermelhos em processos transitórios lentos. Nos artigos, muitas simulações e aplicações são mostradas. Uma certa atenção foi dada para apresentar a boa postura matemática do modelo. O trabalho de tese foi realizado no âmbito de atividade de pesquisa de apoio ao Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica (INCT - MACC) do Brasil. O documento contém artigos adicionais publicados contendo novas propostas de modelos matemáticos com aplicações relevantes na medicina. Esses tópicos adicionais lidam com a manipulação e controle ótimo de partículas em micro-fluidos, a modelagem de progresso e tratamento de doenças como câncer com a presença de células-tronco cancerosas e doença de Alzheimer, e um modelo epidemiológico sobre a propagação do COVID-19 que simula a reação social devido à fadiga pandêmica

Background To determine the frequency of, and factors associated with, death in hospital following ICU discharge to the ward. Methods The Large observational study to UNderstand the Global impact of Severe Acute respiratory FailurE study was an international, multicenter, prospective cohort study of patients with severe respiratory failure, conducted across 459 ICUs from 50 countries globally. This study aimed to understand the frequency and factors associated with death in hospital in patients who survived their ICU stay. We examined outcomes in the subpopulation discharged with no limitations of life sustaining treatments (‘treatment limitations’), and the subpopulations with treatment limitations. Results 2186 (94%) patients with no treatment limitations discharged from ICU survived, while 142 (6%) died in hospital. 118 (61%) of patients with treatment limitations survived while 77 (39%) patients died in hospital. Patients without treatment limitations that died in hospital after ICU discharge were older, more likely to have COPD, immunocompromise or chronic renal failure, less likely to have trauma as a risk factor for ARDS. Patients that died post ICU discharge were less likely to receive neuromuscular blockade, or to receive any adjunctive measure, and had a higher pre- ICU discharge non-pulmonary SOFA score. A similar pattern was seen in patients with treatment limitations that died in hospital following ICU discharge. Conclusions A significant proportion of patients die in hospital following discharge from ICU, with higher mortality in patients with limitations of life-sustaining treatments in place. Non-survivors had higher systemic illness severity scores at ICU discharge than survivors. Trial Registration: ClinicalTrials.gov NCT02010073.

Submitted by Patrícia Silva (pvieira@lncc.br) on 2021-01-26T13:09:56Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Jorge Moravan.pdf: 24084139 bytes, checksum: 1619d93751c023f20d694164ed480e09 (MD5) Approved for entry into archive by Patrícia Silva (pvieira@lncc.br) on 2021-01-26T13:11:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertacao Jorge Moravan.pdf: 24084139 bytes, checksum: 1619d93751c023f20d694164ed480e09 (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-26T13:12:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Jorge Moravan.pdf: 24084139 bytes, checksum: 1619d93751c023f20d694164ed480e09 (MD5) Previous issue date: 2020-06-08 Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico The topological sensitivity analysis provides an scalar function, known as topological derivative, which measures the sensitivity of a given shape functional with respect to a singular domain perturbation. This concept, has been widely used on a variety of applications and proved to be of great relevance on engineering problems. In this context, the present work aims to introduce a hydraulic fracture model based on the concept of the topological derivative. This well stimulating technique also known as fracking was proposed by Clark in 1949 and has been widely used in oil and gas industry. Overall, the fracking technique consists in significantly increase the production surface of a porous medium from the activation of a pre-existing fault in such a way that the gas trapped in the rock formation might be collected in the surface. Furthermore, the fracking process has been the subject of many recent works due to its environmental impacts and economical aspects. In this context, we present an extension of an existing hydro-mechanical fracturing model toward a scenario closer to reality by taking into account the initial stress state (in situ stress) and by introducing the hypothesis that crack propagation and the fluid percolation are two phenomena with different time scales. The present model results from adapting the Francfort-Marigo damage model to the context of hydraulic fracture together with Biot’s theory. We consider a two dimensional idealization in which the fracturing process is activated by a non constant pressure field distributed over the whole domain. A shape functional given by the sum of the total potential energy of the system with a Griffith-type dissipation term is minimized with respect to a set of ball-shaped inclusions by using the topological derivative concept. Then the associated topological derivative is used to devise a topology optimization algorithm designed to simulate the nucleation and fracture propagation process. Finally, some numerical examples depict the role of the in situ stress in the fracture propagation, specific crack path growth (allowing for kinking and bifurcations) and also the applicability of the methodology here proposed. A análise de sensibilidade topológica fornece uma função escalar, denominada derivada topológica, que mede a sensibilidade de um dado funcional de forma em relação a uma perturbação singular infinitesimal no domínio. Tal conceito vem sendo amplamente utilizado nas mais diversas aplicações, em particular com grande relevância em problemas de engenharia. Nesse contexto, o presente trabalho tem por objetivo introduzir um modelo de fraturamento hidráulico baseado no conceito da derivada topológica. Essa técnica de estimulação do poço também conhecida como fracking foi proposta por Clark em 1949 e é vastamente utilizada pelas indústrias de petróleo e gás. Em linhas gerais, o fracking consiste em aumentar significativamente a área da superfície de produção de um meio poroso através da ativação de uma falha pré-existente de tal forma que o gás aprisionado possa ser coletado na superfície. Ademais, o processo de fracking é o objeto de estudo de diversos trabalhos recentes devido aos seus impactos ambientais, bem como por aspectos econômicos. Nesse contexto, estende-se um modelo de fraturamento hidromecânico existente em busca de um cenário mais próximo da realidade através da incoporação do estado inicial de tensões (in situ stress) e da introdução da hipótese de que os fenômenos de propagação da fratura e de percolação do fluido nesta apresentam escalas de tempo absolutamente distintas. O presente modelo é resultado da adaptação do modelo de dano de Francfort-Marigo ao contexto do fraturamento hidráulico em conjunto com a teoria de consolidação de Biot. Considera-se uma idealização bidimensional em que o processo de fraturamento é ativado por um campo de pressão não-constante distribuído por todo o domínio. Um funcional de forma dado pela energia potencial total do sistema e um termo de dissipação do tipo Griffith é minimizado com respeito a um conjunto de inclusões circulares através do conceito da derivada topológica. Então, a derivada topológica associada é usada na construção de um algoritmo de otimização topológica desenvolvido para simular os processos de nucleação e propagação das fraturas. Por fim, alguns exemplos numéricos ilustram o efeito da tensão in situ na propagação de fratura, caminho específico de evolução (permitindo desvios e bifurcações) e a aplicabilidade da metodologia proposta.

Submitted by Patrícia Silva (pvieira@lncc.br) on 2021-01-26T18:54:31Z No. of bitstreams: 1 Tese_Final__Hermano_Lustosa.pdf: 4843247 bytes, checksum: 6b247e2f0792d88996e85203169bf523 (MD5) Approved for entry into archive by Patrícia Silva (pvieira@lncc.br) on 2021-01-26T18:56:33Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Tese_Final__Hermano_Lustosa.pdf: 4843247 bytes, checksum: 6b247e2f0792d88996e85203169bf523 (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-26T18:58:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese_Final__Hermano_Lustosa.pdf: 4843247 bytes, checksum: 6b247e2f0792d88996e85203169bf523 (MD5) Previous issue date: 2020-02-19 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Current limitations in array database management systems prevent their adoption in scientific applications, even though arrays are vastly present in scientific datasets. Most traditional DBMSs impose a huge performance penalty during data ingestion, since they require data to be converted to the DBMS’s internal format. In addition, when the data is kept in the DBMS’s format, it gets concealed from users, unless they know in details how the DBMS stores it. This is fine for many applications that access data only through the DBMS’s query language, but is inconvenient for domain specific applications whose complex analytical code is unlikely to be performed efficiently by such languages, requiring a more involved approach in which files are accessed directly. As a consequence, users adopt in-situ analysis libraries, in-transit I/O interfaces and scientific data format files to manage their data. However, these alternatives might not offer the same benefits a DBMS does, such as: richer data model semantics, declarative analytical query languages and isolation between data and applications. Therefore, in this work, we propose a novel array data model named TARS and a database management system, named Savime, which implements such data model. We show how Savime can foster declarative scientific data analysis and visualization without imposing costly data rearrangements and format conversions by using a flexible data model. We also compare Savime with a state-of-the-art array DBMS. The results show that Savime is up to 20 times faster than another array DBMS for data ingestion, while providing a performance similar for the execution of basic array operations. We believe that Savime can substantially empower scientists in developing scientific data analysis in-silico. As atuais limitações dos sistemas de gerência de banco de dados (SGBDs) baseados em matrizes impedem sua ampla adoção no contexto de aplicações científicas, mesmo que as matrizes estejam presentes em dados científicos. Os SGBDs tradicionais têm seu desempenho reduzido durante o processo de ingestão de dados, uma vez que eles necessitam que os dados dos usuários sejam convertidos para o seu formato interno de representação. Além disso, quando os dados são mantidos no formato específico do SGDB, os usuários ficam impedidos de acessá-los diretamente a não ser que eles conheçam em detalhes a representação que o SBGD em questão está utilizando. Isto não é um problema para a maioria das aplicações que acessam dados apenas através do SGBD, mas é ruim para aplicações científicas de domínio específico que precisam acessar os dados diretamente nos arquivos por motivos de desempenho. Como consequência disto, os usuário geralmente adotam as chamadas bibliotecas in-situ, interfaces de E/S em trânsito e formatos de arquivos científicos para gerenciar seus dados ao invés de armazená-los em SGBDs. Entretanto, estas alternativas podem não oferecer os mesmos benefícios que um SGBD oferece, tais como modelos de dados com semânticas bem estabelecidas, linguagens de consultas para análise declarativa e isolamento entre os dados e as aplicações. Portanto, nesta Tese, nós propomos um novo modelo de dados baseado em matrizes multidimensionais chamado de TARS e um sistema de gerência de banco de dados chamado Savime. Nós mostramos que o sistema Savime pode promover a análise e visualização de dados científicos de forma declarativa, sem necessitar da execução de processos de conversão de dados custosos através do uso de um modelo de dados flexível. Nós também comparamos Savime com o estado da arte em SBGDs de matrizes. Os resultados obtidos mostram que é possível ingerir dados 20 vezes mais rápido no Savime do que em outros SBGDs em matrizes, ao passo que o desempenho do Savime se mantém compatível com outras soluções para a execução de operações básicas sobre matrizes e oferece custo de integração desprezível na integração com aplicações científicas de menor porte.

Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2020-04-14T18:27:04Z No. of bitstreams: 1 Weslley Pereira_Tese2019.pdf: 54734784 bytes, checksum: ca2173517d3a1591cb8d484e65c42d4d (MD5) Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2020-04-14T19:17:41Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Weslley Pereira_Tese2019.pdf: 54734784 bytes, checksum: ca2173517d3a1591cb8d484e65c42d4d (MD5) Made available in DSpace on 2020-04-14T19:17:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Weslley Pereira_Tese2019.pdf: 54734784 bytes, checksum: ca2173517d3a1591cb8d484e65c42d4d (MD5) Previous issue date: 2019-09-25 CNPQ Bull Lta Embaixada Francesa no Brasil This thesis aims the development, analysis, and implementation of new Multiscale Hybrid-Mixed methods (MHM, for short) for solving problems modeled by linear elastostatic and alastodynamic equations. The MHM methods allow polytopal partitions and make low-order approximation spaces, based on discontinous Lagrange multipliers, inf-sup stable. Obtained as byproduct of a new infinite-dimensional mathematical scope, which is equivalent to the classical weak formulation, the MHM methods are superconvergent under local regularity assumptions and preserve physical properties such as local force balance, local compressibility constraints, and total energy. Also, the MHM methods are robust in the quasi-incompressible material case by adopting a stabilized finite element method as a second-level solver. For all those cases, we prove existence and uniqueness of solutions, as well as error analysis by considering two-levels of discretizations. Numerical results validate theoretical results, and heterogeneous media test-cases highlight the quality of the MHM approximations in coarse partitions, which capture fine-scale features via multiscale base functions. From the computationl viewpoint, scalability testes confirm the high degree of intrinsic parallelism of MHM methods and indicate parameter choices. We conclude that new MHM methods induce accurate and computationally efficient algorithms on large parallel machines for solving elasticity and elastodynamic problems in highly heterogeneous domains. Esta tese visa o desenvolvimento, análise e implementação de novos métodos Multiescala Híbridos-Mistos (MHM) para solucionar problemas modelados por equações lineares elastostáticas e elastodinâmicas. Os métodos MHM permitem partições politópicas e tornam espaços de aproximação de baixa ordem, baseados em multiplicadores de Lagrange descontínuos, inf-sup estáveis. Obtidos como subproduto de um novo escopo matemático em dimensão infinita, equivalente à formulação clássica fraca, os métodos MHM são superconvergentes sob as premissas de regularidade local e preservam propriedades físicas tais como equilíbrio local de forças, relações de compressibilidade local e energia total. Além disso, os métodos MHM são robustos no caso de materiais quasi-incompressíveis ao adotar um métodos de elementos finitos estabilizado no segundo nível. Em todos esses casos, demonstramos existência e unicidade de soluções, bem como a análise de erros considerando dois níveis de discretização. Resultados numéricos validam os teóricos, e os casos de teste em meios heterogêneos destacam a qualidade das aproximações do métodos MHM em partições grossas, que capturam características de escala fina por meio de funções bases multiescala. Do ponto de vista computacional, os testes de escalabilidade confirmam o alto grau de paralelismo intrínseco dos métodos MHM e indicam escolhas de parâmetros. Concluímos que os novos métodos MHM induzem algoritmos precisos e computacionalmente eficientes em grades máquinas paralelas para resolver problemas de elasticidade e elastodinâmica em domínios altamente heterogêneos.

Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2019-10-25T14:40:38Z No. of bitstreams: 1 Felipe_Rocha_Tese2019.pdf: 7411103 bytes, checksum: e6f16e2f2190748bbea96f37fcfac087 (MD5) Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2019-10-25T14:41:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Felipe_Rocha_Tese2019.pdf: 7411103 bytes, checksum: e6f16e2f2190748bbea96f37fcfac087 (MD5) Made available in DSpace on 2019-10-25T14:45:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Felipe_Rocha_Tese2019.pdf: 7411103 bytes, checksum: e6f16e2f2190748bbea96f37fcfac087 (MD5) Previous issue date: 2019-04-05 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro - FAPERJ Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPQ Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica - INCT-MACC Fibrous materials are an important class of either biological and artificial materials and hence are essential to a wide spectrum of fields, ranging from medicine and biology to industrial applications. From the vast number of soft biological fibrous materials, this thesis found its inspiration from those tissues of the arterial walls. This is mainly motivated by the fact that cardiovascular diseases are one of the leading causes of death worldwide and consequently, to gain insight into the mechanisms underlying the progression of most of these diseases, a detailed characterisation of the mechanical behaviour of the arterial wall is required. This involves not only the simple phenomenological model for the material, but also the understanding of evolution processes such as damage, growth, remodelling and, eventually, failure. In this context, the multiscale constitutive modelling raises as a rational approach in which these complexities are naturally accounted for through micromechanical interactions between the basic unit blocks of the biological soft tissues, such as collagen fibres, pores, smooth muscle cells, etc. In particular, this thesis deals with the construction of a multiscale model to characterise the macroscale constitutive behaviour of a fibrous material featuring a discrete microstructure, i.e., a network of fibres. Both, the purely elastic and inelastic regimes in the finite strain setting are addressed, and in the latter case, until failure and strain localisation phenomena emerge. To reach this aim, the classical multiscale theory for continua had to be generalised to deal consistently with randomly distributed pores crossing the Representative Volume Element (RVE) boundary. Importantly, this theory provides a novel minimally constrained kinematically admissible set for the displacement fluctuations, consisting in the lower bound of the mechanical response and also is of utmost importance to analyse microscopic strain localisation phenomena. Finally, as the third and last contribution of the thesis, on the light of the discontinuous bifurcation analysis, we use the derived multiscale model for a network of fibres to study the macroscale manifestation of damage processes unfolding at the level of individual fibres. Hence, strain localisation is observed and is identified as the main cause of nucleation of macroscale cracks, characterising the critical point of failure in our context. Such point, in which the macroscale problem becomes ill-posed, is determined by the spectral analysis of the so-called acoustic tensor, which also provides information about the macroscale failure pattern (unit normal and crack opening vectors). In all these models, the Method of Multiscale Virtual Power (MMVP) has been employed, providing a systematic methodology based on variational formulations to characterise the microscale equilibrium problem, consistent boundary conditions, as well as the homogenisation formulae which define the associated first Piola-Kirchhoff stress tensor and the constitutive tangent tensor in the macroscopic continuum.. Numerical experiments showing the suitability of the present methodology are shown and discussed. Materiais fibrosos são uma importante classe de dentre os que compõem tecidos biológicos e materiais artificiais, e por esta razão são fundamentais em um largo espectro de contextos desde medicina e biologia até aplicações industriais. Dentre o enorme número de tecidos fibrosos, essa tese foi inspirada naqueles encontrados nas paredes arteriais. Isso é principalmente motivado pelo fato que as doenças cardiovasculares são umas das principais causas de morte no mundo e que, para entender os mecanismos de evolução dessas enfermidades, se faz necessário uma caracterização detalhada do comportamento mecânico da parede arterial. Isto inclui não apenas um simples modelo constitutivo fenomenológico para o material, mas também o entendimento de processos evolutivos como o dano, crescimento, remodelamento e, eventualmente, falhas. Neste contexto, a modelagem constitutiva multiescala aparece como uma alternativa mais racional na qual estas complexidades são naturalmente levadas em consideração pelas interações micromecânicas dos componentes básicos que constituem os tecidos biológicos, isto é, fibras de colágeno, poros, células de músculo liso, etc. Em particular, esta tese trata da construção de um modelo para caracterizar o comportamento constitutivo macroscópico de um material fibroso constituído de uma microestrutura discreta, nesse caso uma rede de fibras. É analisado tanto o regime elástico quanto o inelástico em grandes deformações, e nesse último caso até o momento que ocorre a detecção de uma falha juntamente com a localização de deformação. Para se chegar neste objetivo, a teoria clássica multiescala para um meio contínuo poroso teve que ser generalizada para tratar de maneira mecanicamente consistente Elementos de Volumes Representativos (EVR) cujos vazios atingem a fronteira. É importante destacar que essa teoria estabelece um novo conjunto admissível de mínima restrição cinemática para o campo de flutuações de deslocamento, caracterizando a cota inferior teórica para a resposta mecânica, aspecto fundamental na análise do fenômeno de localização de deformação na microescala. Finalmente, baseado na análise de bifurcação descontínua, o modelo desenvolvido para a rede de fibras é usado para se estudar o efeito macroscópico dos processos de danificação que ocorrem no nível das fibras. Desta forma, a localização de deformação é observada e identificada como a principal causa da nucleação de macro-fissuras, caracterizando o ponto crítico de falha no nosso contexto. Tal ponto, no qual o problema mecânico na macroescala se torna mal-posto, é determinado pela análise espectral do tensor acústico, que também determina o padrão da fissura na macroescala (direção da normal e abertura da trinca). Em todos estes modelos, o Método da Potência Virtual Multiescala (MPVM) foi utilizado por se tratar de uma metodologia sistemática baseada em formulações variacionais que permite caracterizar o problema de equilíbrio na microescala, condições de contorno consistentes, bem como fórmulas de homogeinização que definem o primeiro tensor de Piola-Kirchhoff e o tensor constitutivo tangente do modelo no contínuo macroscópico. Por fim, experimentos numéricos mostrando o potencial da metodologia proposta são apresentados e discutidos.

This doctoral research project aims the study of finite element methods discretized in dynamic meshes in order to simulate fluid-solid interaction and multiphase flow phenomena, particularly flows involving phenomena that are most significant in microfluidic and biofluidic applications. The equations that model multiphase flow will be treated in an arbitrary Lagrangian-Eulerian framework, when required, with several types of boundary conditions at the interfaces, depending on the nature of the phases. The numerical challenges found in this application range from the correct representation of the interface between fluids, passing through geometric challenges in the maintainability of the computer mesh, to the challenges posed by microscales. Special attention is given to squimer models, by means of a general formulation of the swimming problem as well as the steps to transform a standard fluid-solid model to a squirming model. Este projeto de pesquisa de doutorado visa o estudo de métodos de elementos finitos discretizados em malhas dinâmicas, com o objetivo de simular fenómenos de interação fluídoestrutura e escoamentos multifásicos, em especial escoamentos que envolvem aplicações em microfluídica e biofluídica. As equações que modelam escoamentos multifásicos serão tratadas em um referencial lagrangeano-euleriano arbitrário, quando requerido, com differentes tipos de condições de contorno nas interfaces, dependendo da natureza das fases. Os desafios numéricos impostos por esta aplicação vão desde a correta representação das interfaces, passando por desafios geométricos na manutenibilidade da malha computacional, até os desafios impostos pelas escalas microscópicas. Atenção especial é dada aos modelos de squimer, por meio de uma formulação geral do problema de natação, bem como os passos para transformar um modelo fluido-sólido padrão em um modelo de squirming.

The simulation of lubricated mechanisms has an economic and academic interest reflected in dozens of theoretical and experimental works published in the last decades. Industry has given constant attention to the research for robust numerical codes that allow predicting the efficiency of different designs (e.g., load carrying capacity, energy loss, wear). The Reynolds equation along a cavitation model is one of the main tools to perform those studies, allowing to estimate the lubricant flow between the surfaces in proximity. The state-oftheart in cavitation modeling is represented by the massconserving ElrodAdams model. Aiming to augment the physical accuracy of this model, in this dissertation an extension of it is proposed in order to accommodate non-homogeneous boundary conditions for pressure, which is proven to be mandatory for some mechanical devices like the Piston-Ring. This is done While assuring that mass conservation is maintained in the extended model. A new trend in hydrodynamics is to incorporate the physics of cavitation by modeling the behavior of a distribution of gas/ vapor bubbles immersed in a Newtonian liquid. This is done by a coupled model, called the ReynoldsRayleighPlesset (RRP) coupling, where the Reynolds equation is used for the mixture flow and the Rayleigh-Plesset equation is used for the bubbles dynamics. In this work some results on the well-posedness of the RRP model are obtained and numerical methods are developed for both the cases where the inertial terms in the Rayleigh-Plesset equation are disregarded or not. A simulação de mecanismos lubrificados tern urn interesse econômico e acadêrnico refletido em dezenas de trabalhos teóricos e experimentais publicados nas últimas décadas. A indústria tern dado atenção constante à pesquisa de códigos numéricos robustos que permitern prever a eficiência de diferentes coufigurações dos parâmetros de desenho (por exemplo, capacidade de carga, perda de energia, desgaste). A equação de Reynolds junto com um modelo de cavitação é uma das principais ferramentas para realizar esses estudos, permitindo estimar o fluxo de lubrificante entre as superfícies em proximidade. O estado da arte na modelagem da cavitação é representado pelo modelo conservativo de Elrod-Adams. Com o objetivo de aumentar a acurácia física deste modelo, nesta dissertação propõe-se urna extensão dele para acomodar condições de contorno não homogéneas para a pressão, o que é comprovado como sendo mandatório para alguns dispositivos mecânicos corno o Pistão-Anel. Isso é feito garantindo que a conservação de massa seja mantida no novo modelo. Uma nova tendência em Hidrodinâmica é incorporar a física da cavitação modelando o comportamento de uma distribuição de bolhas de gás/vapor imersas em um liquido newtoniano. Isso é feito com um modelo chamado o Acoplamento de Reynolds-Rayleigh Plesset (RRP), onde a equação de Reynolds é usada para computar o fluxo da mistura de liquido-gás/vapor e a equação de Rayleigh-Plesset é usada para computar a dinâmica das bolhas. Neste trabalho são obtidos alguns resultados sobre a boa colocação do modelo RRP e são desenvolvidos métodos numéricos para ambos os casos em que os termos inerciais na equação de Rayleigh-Plesset são considerados ou não.

Introdução: A doença arterial coronária (DAC) é avaliada através dos aspectos anatômicos da placa aterosclerótica ou a partir da repercussão funcional da estenose, por métodos diagnósticos diversos. O ultrassom intravascular (IVUS) fornece uma avaliação anatômica precisa do lúmen e da parede do vaso, tendo sido validado como uma ferramenta útil para guiar a intervenção coronária percutânea (ICP). No entanto, do ponto de vista diagnóstico, o IVUS representa mal o estado funcional (isto é, informação relacionada ao comprometimento de fluxo) do vaso interrogado. A reserva de fluxo fracionada (FFR) é método importante para identificação de isquemia, discriminando as estenoses coronárias que podem se beneficiar de ICP. Objetivamos desenvolver e avaliar o desempenho diagnóstico de um novo algoritmo computacional para estimar a FFR à partir das imagens do IVUS tridimensional (IVUSFR), comparando-o com o método padrão ouro para estimação de fluxo coronário invasivo (FFRPW). Métodos: Pacientes com DAC estável conhecida ou suspeita encaminhados para cateterismo cardíaco eletivo foram submetidos a avaliação complementar com medida de fluxo coronário pelo FFRPW e com imagem intravascular pelo IVUS, no mesmo procedimento, a fim de avaliar lesões intermediárias. As imagens do IVUS foram processadas para gerar uma malha computacional tridimensional que condensa as características geométricas do vaso. O IVUSFR foi obtido utilizando dinâmica de fluido computacional, configurando-se as condições de contorno a partir de características específicas do paciente e do território coronário irrigado. As medidas de FFRPW foram dicotomizadas no limiar de 0,80 para definir lesões hemodinamicamente significativas e avaliar o desempenho diagnóstico do IVUSFR. Resultados: Um total de 34 artérias coronárias de 24 pacientes foi analisado. A área luminal mínima média avaliada pelo IVUS de 4,14 ± 1,74 mm2, e carga de placa média de 66±10% caracterizam o grau intermediário das lesões. O IVUSFR correlacionou significativamente (r = 0,79; p < 0,001) e mostrou boa concordância com a FFRPW, apresentando diferença média de -0,008 ± 0,067 (p = 0,47). O IVUSFR apresentou acurácia, sensibilidade, especificidade, valor preditivo positivo e valor preditivo negativo de 91%, 89%, 92%, 80% e 96%, respectivamente, para detectar estenoses hemodinamicamente significativas. Conclusão: O processamento computacional do IVUSFR é um novo método que permite a avaliação funcional da estenose coronária intermediária de forma acurada, enriquecendo as informações anatômicas do IVUS Introduction: Coronary artery disease (CAD) is assessed through the anatomical aspects of the atherosclerotic plaque or through the functional impairment of the stenosis, by different diagnostic methods. Intravascular ultrasound (IVUS) provides accurate anatomic assessment of lumen and vessel wall and has been validated as a useful tool to guide percutaneous coronary intervention (PCI). However, from the diagnostic point of view, IVUS poorly represents the functional status (i.e. flow-related information) of the imaged vessel. Fractional flow reserve (FFR) is an important tool to identify ischemia, discriminating coronary stenosis that may benefit from PCI. We aimed to develop and evaluate the diagnostic performance of a novel computational algorithm based on three-dimensional IVUS imaging in estimating fractional flow reserve (IVUSFR), compared to gold-standard invasive measurements (FFRPW). Methods: Patients with known or suspected stable coronary disease scheduled for elective cardiac catheterization underwent FFRPW measurement and IVUS imaging in the same procedure to evaluate intermediate lesions. A processing methodology was applied on IVUS to generate a computational mesh condensing the geometric characteristics of the vessel. Through computational fluid dynamics, IVUSFR was obtained from patient-level morphological definition of arterial districts and from territory-specific boundary conditions. FFRPW measurements were dichotomized at the 0.80 thresholds to define hemodynamically significant lesions and evaluate diagnostic performance of IVUSFR. Results: A total of 24 patients with 34 vessels were analyzed. The mean minimum luminal area assessed by IVUS was 4.14 ± 1.74 mm2, and mean plaque burden was 66 ± 10%, characterizing intermediate lesions. IVUSFR significantly correlated (r = 0.79; p < 0.001) and showed good agreement with FFRPW, with a mean difference of -0.008 ± 0.067 (p = 0.47). IVUSFR presented an overall accuracy, sensitivity, specificity, positive predictive value, and negative predictive value of 91%, 89%, 92%, 80%, and 96% respectively to detect significant stenosis. Conclusion: The computational processing of IVUSFR is a new method that allows the evaluation of the functional significance of coronary stenosis in an accurate way, enriching the anatomical information of IVUS

Presentazione degli esiti progettuali del Laboratori odi Progettazione Architettonica III del Corso di Laurea MCU in Architettura del Dipartimento di Architettura dell'Università di Bologna.

Quantification of cardiac left ventricular (LV) motion from medical images provides a non-invasive method for diagnosing cardiovascular disease (CVD). The proposed study continues our group\'s line of research in quantification of LV motion by applying optical flow (OF) techniques to quantify LV motion in gated Rubidium Chloride-82Rb (82Rb) and Fluorodeoxyglucose-18F (FDG) PET image sequences. The following challenges arise from this work: (i) the motion vector field (MVF) should be made as accurate as possible to maximise sensitivity and specificity; (ii) the MVF is large and composed of 3D vectors in 3D space, making visual extraction of information for medical diagnosis dffcult by human observers. Approaches to improve the accuracy of motion quantification were developed. While the volume of interest is the region of the MVF corresponding to the LV myocardium, non-zero values of motion exist outside this volume due to artefacts in the motion detection method or from neighbouring structures, such as the right ventricle. Improvements in accuracy can be obtained by segmenting the LV and setting the MVF to zero outside the LV. The LV myocardium was automatically segmented in short-axis slices using the Hough circle transform to provide an initialisation to the distance regularised level set evolution algorithm. Our segmentation method attained Dice similarity measure of 93.43% when tested over 395 FDG slices, compared with manual segmentation. Strategies for improving OF performance at motion boundaries were investigated using spatially varying averaging filters, applied to synthetic image sequences. Results showed improvements in motion quantification accuracy using these methods. Kinetic Energy Index (KEf), an indicator of cardiac motility, was used to assess 63 individuals with normal and altered/low cardiac function from a 82Rb PET image database. Sensitivity and specificity tests were performed to evaluate the potential of KEf as a classifier of cardiac function, using LV ejection fraction as gold standard. A receiver operating characteristics curve was constructed, which provided an area under the curve of 0.906. Analysis of LV motion can be simplified by visualisation of directional motion field components, namely radial, rotational (or circumferential) and linear, obtained through automated decomposition. The Discrete Helmholtz Hodge Decomposition (DHHD) was used to generate these components in an automated manner, with a validation performed using synthetic cardiac motion fields from the Extended Cardiac Torso phantom. Finally, the DHHD was applied to OF fields from gated FDG images, allowing an analysis of directional components from an individual with normal cardiac function and a patient with low function and a pacemaker fitted. Motion field quantification from PET images allows the development of new indicators to diagnose CVDs. The ability of these motility indicators depends on the accuracy of the quantification of movement, which in turn can be determined by characteristics of the input images, such as noise. Motion analysis provides a promising and unprecedented approach to the diagnosis of CVDs. A quantificação do movimento cardíaco do ventrículo esquerdo (VE) a partir de imagens médicas fornece um método não invasivo para o diagnóstico de doenças cardiovasculares (DCV). O estudo aqui proposto continua na mesma linha de pesquisa do nosso grupo sobre quantificação do movimento do VE por meio de técnicas de fluxo óptico (FO), aplicando estes métodos para quantificar o movimento do VE em sequências de imagens associadas às substâncias de cloreto de rubídio-82Rb (82Rb) e fluorodeoxiglucose-18F (FDG) PET. Com a extração dos campos vetoriais surgiram os seguintes desafios: (i) o campo vetorial de movimento (motion vector field, MVF) deve ser feito da forma mais precisa possível para maximizar a sensibilidade e especificidade; (ii) o MVF é extenso e composto de vetores 3D no espaço 3D, dificultando a análise visual de informações por observadores humanos para o diagnóstico médico. Foram desenvolvidas abordagens para melhorar a precisão da quantificação de movimento, considerando que o volume de interesse seja a região do MVF correspondente ao miocárdio do VE, em que valores de movimento não nulos existem fora deste volume devido aos artefatos do método de detecção de movimento ou de estruturas vizinhas, como o ventrículo direito. As melhorias na precisão foram obtidas segmentando o VE e ajustando os valores de MVF para zero fora do VE. O miocárdio VE foi segmentado automaticamente em fatias de eixo curto usando a Transformada de Hough na detecção de círculos para fornecer uma inicialização ao algoritmo de curvas de nível, um tipo de modelo deformável. A segmentação automática do VE atingiu 93,43% de medida de similaridade Dice, quando foi testado em 395 fatias de eixo menor de FDG, comparado com a segmentação manual. Estratégias para melhorar o desempenho do algoritmo OF nas bordas de movimento foram investigadas usando spatially varying averaging filters, aplicados em seqüências de imagens sintéticas. Os resultados mostraram melhorias na precisão de quantificação de movimento utilizando estes métodos. O Índice de Energia Cinética (KEf), um indicador de motilidade cardíaca, foi utilizado para avaliar 63 sujeitos com função cardíaca normal e alterada / baixa de uma base de dados de imagens PET de 82Rb. Foram realizados testes de sensibilidade e especificidade para avaliar o potencial de KEf para classificar a função cardíaca, utilizando a fração de ejeção do VE como padrão ouro. Foi construída uma curva ROC, que proporcionou uma área sob a curva de 0,906. A análise do movimento do VE pode ser simplificada pela visualização de componentes de campo de movimento direcional, ou seja, radial, rotacional (ou circunferencial) e linear, obtidos por decomposição automatizada. A decomposição discreta de Helmholtz Hodge (DHHD) foi utilizada para gerar estes componentes de forma automatizada, com uma validação utilizando campos de movimento cardíaco sintéticos a partir do conjunto Extended Cardiac Torso Phantom. Finalmente, o método DHHD foi aplicado a campos de FO, criado a partir de imagens FDG, permitindo uma análise de componentes direcionais de um indivíduo com função cardíaca normal e um paciente com baixa função e utilizando um marca-passo. A quantificação do campo de movimento a partir de imagens PET possibilita o desenvolvimento de novos indicadores para diagnosticar DCVs. A capacidade destes indicadores de motilidade depende na precisão da quantificação de movimento que, por sua vez, pode ser determinado por características das imagens de entrada como ruído. A análise de movimento fornece um promissor e sem precedente método para o diagnóstico de DCVs.

Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-05-04T18:38:09Z No. of bitstreams: 1 ThesisMasoTalou_Oficial_simpleFace.pdf: 68280242 bytes, checksum: 9e68eebcd1ef31f7a60de5be481eda3b (MD5) Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-05-04T18:38:20Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ThesisMasoTalou_Oficial_simpleFace.pdf: 68280242 bytes, checksum: 9e68eebcd1ef31f7a60de5be481eda3b (MD5) Made available in DSpace on 2017-05-04T18:38:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ThesisMasoTalou_Oficial_simpleFace.pdf: 68280242 bytes, checksum: 9e68eebcd1ef31f7a60de5be481eda3b (MD5) Previous issue date: 2017-03-31 Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ) Cardiovascular diseases are the principal cause of mortality and morbidity worldwide mostly due to myocardial infarction and stroke. The understanding of the genesis, development and progression of such diseases is key for effective diagnosis, treatment and surgical risk assessment. Notorious advances have been performed in the histological characterization of culprit plaque for such events, although in-vivo techniques for tissue characterization still comprise an extremely active area of research. In this work, a framework is proposed targeting the in-vivo characterization of the arterial wall tissues. The set of methodologies involves: novel image processing methods for medical image enhancement (gating, registration and denoising of high frequency ultrasonic images) and optical flow estimation; detailed mechanical models for coronary arteries; and an efficient data assimilation method for tissue characterization. The thesis is structured in three parts: i) medical image processing; ii) material parameter estimation and iii) medical applications. Particularly, this work makes use of Intravacular Ultrasound (IVUS) as medical image acquisition technique, even though, the second part of the thesis is generic and can be straightforwardly extended to other imaging techniques. In the first part, different methods are presented to enhance and retrieve data of arterial vessel deformations and spatial description of anatomical structures. A novel gating method is proposed to obtain the vessel description at each instant along the cardiac cycle. Due to the intrinsic motion of the sensors during the image acquisition, we propose a registration method that corrects the sensor displacement in the transversal plane of acquisition and along the axis of the vessel. To improve the signal-to-noise ratio of the ultrasound, we propose a denoising method based on the speckle noise (ultrasound characteristic noise) statistics which outperforms classic denoising strategies. Using the three previous methods, we present a methodology to obtain the optical flow of the vessel cross-section during the whole cardiac cycle. In the second part, we scrutinize state-of-the-art literature about the arterial anatomy and mechanical behavior of the arterial wall with particular focus on coronary arteries. Hence, we describe the pathophysiology of the atherosclerosis and the mechanical alterations of the components of the tissues in affected vessels. Then, the tissue characterization problem is addressed by estimating the constitutive parameters of constitutive mechanical models for arterial tissues with a reduced-order unscented Kalman filter. Using the surveyed data and adequate constitutive models, the appropriate setup for the data assimilation problem is studied, and the capabilities of the proposed strategy for tissue estimation are assessed. Then, optical flow techniques are employed to characterize the tissues in-vivo. The third part of the thesis presents a side contribution related to the first part of this work, that is a multimodality comparison for the generation of geometric arterial models from medical images. Specifically, we compare coronary computed tomography angiography (CCTA) versus coronary angiography fused with intravascular ultrasound in terms of geometric descriptors and hemodynamic indexes derived from the geometric models. In such study the gating and registration techniques developed in the first part of the thesis are employed. As doenças cardiovasculares são a principal causa de mortalidade e morbidade em todo o mundo, principalmente devido a acidentes vasculares tais como infarto de miocárdio e acidente cerebro-vascular. O entendimento da gênese, progressão e comportamento de tais doenças é fundamental para um eficaz diagnóstico, tratamento e avaliação de risco cirúrgico. Grandes avanços foram realizados na caracterização histológica da placa vulnerável que conduz a acidentes vasculares, embora as técnicas in-vivo para a visualização da mesma ainda constituam uma área de pesquiza extremamente activa. Neste trabalho é proposta um metodologia para estudar a caracterização in-vivo dos tecidos da parede arterial. Esta metodologia envolve: novos métodos de aprimoramento de imagens médicas (gating, registro e redução de ruído para imagens de ultrassom de alta frequência) e estimativa de fluxo ótico; modelos mecânicos detalhados para artérias coronárias; e um método eficiente de assimilação de dados para a caracterização de tecidos. A tese é dividida em três partes: i) processamento de imagens médicas; ii) estimação de parâmetros de material e iii) aplicações médicas. Particularmente, este trabalho foca-se no uso do ultrassom intravascular (IVUS) como técnica de imagens médicas, embora a segunda parte do manuscrito é suficientemente genérica para ser estendida para outros tipos de imagens médicas. Na primeira parte, são apresentados diferentes métodos para melhorar e recuperar de medidas de deformações e descrição espacial das estruturas anatômicas dos vasos arteriais. Propõe-se um novo método de gating para extrair a descrição do vaso em cada instante do ciclo cardíaco. Devido ao movimento intrínseco dos sensores durante a aquisição da imagem de ultrassom, propomos um método de registro que corrige este deslocamento no plano transversal e no eixo axial de aquisição. Para melhorar a relação sinal-ruído das imagens geradas, propõe-se um método de redução de ruído baseado na estatística do ruído ``speckle'' (ruído intrínseco do ultrassom), que supera as estratégias clássicas de redução de ruído presentes na literatura. Usando os três métodos anteriores, apresentamos uma metodologia para estimar o fluxo óptico da seção transversal do vaso durante o ciclo cardíaco. Na segunda parte, apresentamos um resumo do estado da arte sobre a anatomia arterial e o comportamento mecânico da parede arterial, com especial ênfase nas artérias coronárias. Assim, descrevemos a fisiopatologia da aterosclerose e as alterações mecânicas nos tecidos dos vasos afetados. Em seguida, o problema de caracterização de tecidos é abordado, estimando os parâmetros constitutivos de modelos mecânicos para tecidos arteriais via filtros de Kalman. Utilizando dados experimentais de especímens ex-vivo e modelos constitutivos apropriados, estuda-se a configuração do filtro de Kalman e avalia-se a capacidade da estratégia proposta para a estimação de tecidos. Por último, são empregadas técnicas de fluxo óptico desenvolvidas na primeira parte, para abordar a caracterização dos tecidos in-vivo. A terceira parte da tese apresenta uma contribuição obtida com as técnicas desenvolvidas na primeira parte deste trabalho. Realiza-se uma comparação multimodal para a geração de modelos geomêtricos arteriais a partir de imagens médicas. Especificamente, comparamos a tomografia coronariana computadorizada (CCTA) versus a angiografia coronariana fundida com ultrassom intravascular em termos de descritores geométricos e índices hemodinâmicos derivados dos modelos geomêtricos. Neste estudo são empregadas técnicas de gating e registro para obter uma correta descrição geométrica dos vasos.

Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-03-15T12:16:53Z No. of bitstreams: 1 thesis-sicilia.pdf: 22807419 bytes, checksum: 2e869968cd7288e2f82a07fe6ec9911f (MD5) Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-03-15T12:17:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 thesis-sicilia.pdf: 22807419 bytes, checksum: 2e869968cd7288e2f82a07fe6ec9911f (MD5) Made available in DSpace on 2017-03-15T12:17:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 thesis-sicilia.pdf: 22807419 bytes, checksum: 2e869968cd7288e2f82a07fe6ec9911f (MD5) Previous issue date: 2017-11-07 Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) This work presents a methodology involving two-dimensional fluids initialization through sketching techniques (free draw on tablets, for example) along with diffusion-reaction equations and fluid simulation using Lattice Boltzmann Method (LBM). In the initial stage, the framework converts the drawings made by the users into streamlines. From these lines it is generated a partial velocity field, which is widespread throughout the fluid domain through diffusion-reaction techniques. The velocity field obtained at the end of the process is used to initialize the fluid simulation via the LBM method. We tested two diffusion-reaction techniques, one based on differential equations (Gradient Vector Flow) and another in LBM models. We discussed aspects of vector fields topology and fluid dynamics involved in the sketching conversion into streamlines, as well as the preservation of singularities by the diffusion-reaction methods analyzed. The aim of our application is in the areas of visual effects and computer graphics. In this sense, we presented visual results involving the theoretical concepts which demonstrate the potential of the methodology presented for computational fluid animation . Neste trabalho apresentamos uma metodologia envolvendo inicialização de fluidos bidimensionais usando técnicas de sketching (desenho livre em tablets, por exemplo) juntamente com equações do tipo difusão-reação e simulação do fluido usando método Lattice Boltzmann (LBM). Na etapa inicial, o framework converte os desenhos feitos pelo usuário em linhas de corrente. A partir destas linhas é gerado um campo de velocidades parcial, que é difundido por todo o domı́nio do fluido via técnicas de difusão-reação. O campo de velocidades obtido no final deste processo é usado para inicializar a simulação do fluido via método LBM. Foram testadas duas técnicas de difusão-reação, uma baseada em equações diferenciais (Gradient Vector Flow ) e outra em modelos do tipo LBM. São discutidos aspectos de topologia de campos vetoriais e dinâmica de fluidos envolvidos na conversão do sketching em linhas de corrente, bem como na preservação de singularidades pelos métodos de difusão-reação analisados. Nosso foco de aplicação está nas áreas de efeitos visuais e computação gráfica. Neste sentido, são apresentados resultados visuais envolvendo os conceitos teóricos os quais demonstram a potencialidade da metodologia apresentada para animação computacional de fluidos.

Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-05-04T18:59:46Z No. of bitstreams: 1 ThesisBulant-FrenteVerso.pdf: 28359198 bytes, checksum: 3e4d2806f9cb5049e4739c99aaff7bf4 (MD5) Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-05-04T18:59:56Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ThesisBulant-FrenteVerso.pdf: 28359198 bytes, checksum: 3e4d2806f9cb5049e4739c99aaff7bf4 (MD5) Made available in DSpace on 2017-05-04T19:00:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ThesisBulant-FrenteVerso.pdf: 28359198 bytes, checksum: 3e4d2806f9cb5049e4739c99aaff7bf4 (MD5) Previous issue date: 2017-03-06 Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coronary heart disease is one of the leading causes of death worldwide. Although several risk factors are well known; many lesions cannot be explained by these factors alone. The hypothesis of arteries developing lesions due to its morphology, known as geometric risk factors and/or due to hemodynamic forces, has been raised more than thirty years ago. Although investigators have found connection between geometric/hemodynamic variables and lesions, there exists no quantifiable index that helps physicians to predict actual risks. Even when a severe lesion is present, recent studies have found that some patients can develop collateral circulation to provide sufficient blood flow to the myocardium, thus avoiding ischemia. In turn, the gold standard for functional stenosis assessment is an invasive medical exam called Fractional Flow Reserve (FFR). Moreover, these studies are expensive, require highly qualify professionals and involve risks to the patient during intervention. In this context, the goals of the proposed thesis are (i) to fully characterize coronary arterial trees from a geometrical perspective, search for hereditary geometric features and correlations between morphology and disease; (ii) to construct a modeling methodology for the estimation of FFR making use of computational fluid dynamic models built on top of patient-specific medical images of coronary arterial networks. Results for goal (i) include the geometric characterization of a patient sample consisting of siblings. Several studies involving standard and non-traditional geometry-based indexes, in which associations between geometry and lesion presence was found, as well as indications of arterial geometry heritability between siblings. Regarding hemodynamic simulations in the context of FFR, i.e. goal (ii), a novel technique to define patient-specific boundary conditions in 3D models was presented and tested; the impact of image modality, i.e. coronary computed tomography (CCTA) and intravascular ultrasound (IVUS), on hemodynamics variables was assessed for the first time, which helps to better assess the results obtained from the combination of numerical simulations and medical images. A comparison of 3D and 1D CFD simulations for coronary blood flow based purely on FFR is presented. Several computational settings are compared to invasive measurements with results comparable to the state of the art. A doença coronáriana é uma das principais causas de morte em todo o mundo. Embora vários fatores de risco sejam bem conhecidos; muitas lesões não podem ser explicadas apenas por esses fatores. A hipótese das artérias desenvolverem lesões devido à sua morfologia, conhecida como fatores de risco geométricos e/ou devido a forças hemodinâmicas, foi levantada há mais de trinta anos. Embora tenha sido encontrada uma conexão entre variáveis geométricas/hemodinâmicas e lesões, não existe um índice quantificável que ajude os médicos a prever os riscos reais. Mesmo quando uma lesão grave está presente, estudos recentes descobriram que alguns pacientes podem desenvolver circulação colateral para fornecer fluxo sanguíneo suficiente para o miocárdio, evitando assim a isquemia. Por sua vez, o padrão ouro para avaliar a funcionalidade de uma lesão é o exame médico invasivo chamado Reserva de Fluxo Fracionada (FFR por suas siglas em inglês). Além disso, esses estudos são caros, exigem profissionais altamente qualificados e envolvem riscos para o paciente durante a intervenção. Nesse contexto, os objetivos desta tese são (i) caracterizar completamente as artérias coronárias de uma perspectiva geométrica, buscar características geométricas hereditárias e correlações entre morfologia e doença; (ii) construir uma metodologia de modelagem para a estimativa do FFR, utilizando modelos da dinâmica dos fluidos computacional (CFD por suas siglas em inglês) construídos a partir de imagens médicas de artérias coronárias de pacientes específicos. Resultados para meta (i) incluem a caracterização geométrica de uma amostra de pacientes constituída por pares de irmãos. Vários estudos são realizados envolvendo índices padronizados e não tradicionais baseados na geometria, nos quais foram encontradas associações entre geometria e presença de lesão, bem como indicações de herdabilidade de geometria arterial entre irmãos. Em relação às simulações hemodinâmicas no contexto de FFR, isto é, meta (ii), é apresentada e testada uma nova técnica para definir condições de contorno específicas para cada paciente em modelos 3D; ainda, foi avaliado pela primeira vez o impacto da modalidade de imagem, em particular, tomografia computadorizada coronária (CCTA) e ultrassom intravascular (IVUS), sobre variáveis hemodinâmicas, o que ajuda a avaliar melhor os resultados obtidos pela combinação de simulações numéricas e imagens médicas. Também é apresentada uma comparação de simulações de CFD empregando modelos 3D e 1D do fluxo sanguíneo coronário focado puramente na estimação do FFR. Vários cenários são comparados com medidas invasivas com resultados similares aos encontrados no estado de arte da técnica.

Tese de doutoramento em Ciências Farmacêuticas, na especialidade de Farmacologia e Farmacoterapia, apresentada à Faculdade de Farmácia da Universidade de Coimbra Devido às alterações no perfil sociodemográfico da população, a Osteoartrite (OA) e a Diabetes Mellitus tipo 2 (DM tipo 2), são agora altamente prevalentes, com um enorme impacto socioeconómico. A OA é uma doença multifatorial para a qual se desconhecem terapias eficazes, sendo por isso urgente identificar fenótipos específicos da OA que permitam desenvolver terapêuticas mais eficientes. Estudos epidemiológicos e experimentais sugerem uma associação entre OA e diabetes: OA é mais prevalente, mais severa e com início mais precoce em doentes diabéticos do que em não diabéticos. Esta evidência suporta a existência de um fenótipo específico da OA induzido pela diabetes. Perceber os mecanismos subjacentes a esta associação pode ser essencial para desenvolver terapias mais específicas. A cartilagem articular é um tecido pós-mitótico com uma baixa taxa de proliferação celular, dependendo de mecanismos homeostáticos, nomeadamente da autofagia, para manter a sua integridade e função. A autofagia é um processo catabólico que se encontra alterado tanto na OA como na diabetes. Contudo, os efeitos da diabetes na regulação da autofagia dos condrócitos permanecem por esclarecer. Neste contexto, o objetivo dessa tese é perceber se as condições diabéticas facilitam a progressão da OA e se o comprometimento da autofagia tem um papel importante neste processo. A nossa hipótese é de que a diabetes compromete a integridade da cartilagem através do seu efeito nas células dos tecidos articulares, em particular nos condrócitos, nomeadamente por redução na autofagia. Outro objetivo é avaliar se a ativação farmacológica da autofagia tem um efeito protetor e se pode constituir uma abordagem terapêutica para prevenir a OA associada à diabetes. Apesar de outras formas de diabetes, nomeadamente a DM tipo 1, poderem também afectar tecidos articulares, e pelo menos alguns dos mecanismos responsáveis poderem ser comuns, esta tese foca-se na DM tipo 2. Para atingir estes objetivos, foi utilizado um modelo in vitro simulando a hiperglicemia e hiperinsulinemia, características típicas da DM tipo 2 que também podem ser encontradas em doentes DM tipo 1 insulino-tratados. Assim, condrócitos humanos e explantes de cartilagem e uma linha de condrócitos foram cultivados num meio com alta glucose (25mM) e expostos a altas concentrações de insulina (10-1000nM). Usando este modelo, uma diminuição de marcadores de autofagia que, pelo menos em parte, foi mediada pelo aumento de atividade da via Akt/mTOR, foi observada. Estas condições diabéticas conduziram ainda a uma perda de proteoglicanos, a um aumento da expressão da enzima de degradação, MMP-13, e da citoquina pró-inflamatória, IL-1β, sugerindo um efeito pro-catabólico nos condrócitos e na cartilagem. A ativação farmacológica da autofagia, através da inibição do mTOR com a rapamicina, demonstrou prevenir a diminuição dos marcadores da autofagia e o incremento da inflamação, observados nestas condições diabéticas. Para além disso, foi observada uma diminuição nos níveis basais de marcadores da autofagia,LC3, e um aumento da actividade da via mTOR, detectado pelos níveis de p-rpS6, nos condrócitos de doentes OA diabéticos comparados com condrócitos de doentes OA não-diabéticos. No seu conjunto, estes resultados suportam a nossa hipótese de que uma diminuição da autofagia é um mecanismo importante pela qual a diabetes favorece a degradação da cartilagem. Para confirmar estes resultados e avaliar a sua relevância num contexto mais próximo do encontrado nos humanos, um estudo in vivo foi realizado. Assim, a OA foi induzida cirurgicamente, pela seção dos ligamentos meniscotibial e colateral medial, no joelho direito de murganhos obesos diabéticos (db/db), e murganhos lean não diabéticos. O joelho esquerdo foi utilizado como controlo. Os murganhos foram divididos em três grupos: lean não tratados, db/db tratados com veículo, e db/db tratados com rapamicina. A rapamicina (2mg/kg peso) ou o veículo (dimetilsulfóxido) foram administrados por via intraperitoneal, 3 vezes por semana, durante 10 semanas. Após a indução da OA, os murganhos db/db tratados com veículo apresentaram um aumento na degradação da cartilagem, na inflamação sinovial, e na expressão biomarcadores da OA (MMP-13), e uma diminuição da celularidade, quando comparados com os murganhos lean. Uma diminuição na expressão de LC3 foi também observada nos murganhos db/db. Estes resultados mostram que a DM tipo 2 compromete a autofagia e acelera a OA induzida experimentalmente. Por sua vez, a ativação da autofagia induzida pela administração de rapamicina melhorou os parâmetros metabólicos, diminuiu a degradação da cartilagem e a inflamação sinovial, diminuiu marcadores catabólicos (MMP-13) e inflamatórios (IL-12), e aumentou a celularidade da cartilagem. A rapamicina aumentou também a expressão de LC3 nos tecidos articulares. Em nenhum dos grupos foram detetadas diferenças histológicas no joelho esquerdo (controlo). Estes resultados demonstram que a ativação farmacológica da autofagia atenua a severidade da OA induzida experimentalmente em murganhos db/db. Em suma, os resultados obtidos mostram que as condições diabéticas alteram a autofagia dos condrócitos, tanto in vitro como in vivo, e que isso facilita o desenvolvimento e progressão da OA, apontando a alteração da autofagia como um dos possíveis mecanismos envolvidos na degradação da cartilagem induzida pela diabetes. Este estudo demonstra ainda que a ativação farmacológica da autofagia, pela inibição do mTOR, é suficiente para proteger contra a degradação da articulação induzida pela diabetes. Assim, a ativação farmacológica da autofagia surge como uma potencial estratégia para prevenir ou parar a progressão da OA em doentes diabéticos. Ongoing sociodemographic changes are leading to an increase in the prevalence of both Osteoarthritis (OA) and Type 2 Diabetes Mellitus (T2D), resulting in a tremendous socioeconomic burden. Since OA is a multifactorial disease with no efficient treatment options available, there is an urgent need to identify different OA phenotypes to establish effective therapies. Evidence from experimental and epidemiological data suggests an association between OA and diabetes: OA is more prevalent, more severe and has an earlier onset in diabetic patients. With this evidence a new OA phenotype emerges: diabetes-associated OA. Understanding the mechanisms underlying this association can be a key point in developing more effective therapies. Articular cartilage is a post-mitotic tissue with a low cell proliferation rate, depending on homeostatic mechanisms, especially autophagy, to maintain integrity and function. Autophagy is a catabolic process that is impaired in both OA and diabetes. However, the effect of diabetes on the regulation of autophagy in chondrocytes remains unknown. In this sense, the aim of this thesis is to understand whether diabetic conditions facilitate OA progression and whether autophagy impairment plays a role in the process. We hypothesize that diabetes impairs articular cartilage integrity by directly affecting joint tissue cells and chondrocytes in particular, namely by decreasing autophagy. Another goal is to evaluate if pharmacological activation of autophagy has a protective effect and can constitute a therapeutic approach to prevent diabetes-accelerated OA. Although other forms of diabetes, namely type 1, may also affect joint tissues, and at least some mechanisms may be common, in this thesis we mainly focus in T2D. To address these goals, we used an in vitro model mimicking hyperglycemia and hyperinsulinemia, the hallmarks of T2D, that also occur in type 1 diabetic patients under insulin therapy. Thus, human primary articular chondrocytes and cartilage explants and a chondrocytic cell line were cultured in a high glucose medium (25mM glucose) and exposed to high insulin concentrations (10 to 1000nM). Using this model, we found a decrease in autophagy markers that was partially mediated by increased activity of the Akt/mTOR pathway. The same diabetic conditions also led to proteoglycan loss, increased expression of the collagen-degrading enzyme, MMP-13, and of the pro-inflammatory cytokine, IL-1β, suggesting a pro-catabolic effect in chondrocytes and articular cartilage. Moreover, pharmacological autophagy activation, by inhibiting mTOR with Rapamycin, was also found to be effective in preventing the decrease in autophagy markers and the increase in inflammation observed under diabetic conditions. Importantly, we also found decreased basal levels of autophagy markers, namely LC3, and increased activity of the mTOR pathway as revealed by the levels of its downstream target, phospho-rpS6, in chondrocytes from diabetic OA patients compared to non-diabetic OA patients. Taken together, these findings support our hypothesis that a reduction of autophagy is an important mechanism by which diabetes favors cartilage degradation. To further corroborate these results and evaluate their relevance under more complex dynamic conditions closer to the human disease, we performed an in vivo study by surgically inducing OA in obese diabetic mice (db/db mice) and in non-diabetic lean mice. All animals were subjected to surgical OA induction by transection of the medial meniscotibial and the medial collateral ligaments in the right knee. The left knee was employed as a control. Mice were divided into three groups: untreated Lean, Vehicle-treated db/db, and Rapamycin-treated db/db mice. Rapamycin (2mg/kg weight) or Vehicle (dimethyl sulphoxide) were administered intraperitoneally, 3 times a week, for 10 weeks. After OA induction, Vehicle-treated db/db mice elicited increased cartilage damage and synovial inflammation, up-regulation of OA biomarkers (MMP-13), as well as decreased cartilage cellularity, compared to lean mice. Moreover, LC3 staining was also reduced in db/db mice. These results suggest that T2D compromises autophagy and accelerates experimental OA. Importantly, autophagy activation by Rapamycin treatment improved metabolic parameters, attenuated cartilage degradation and synovial inflammation, decreased catabolic (MMP-13) and inflammatory (IL-12) markers, and increased cartilage cellularity, in db/db mice with OA. Rapamycin also increased LC3 staining in joint tissues. No histopathological differences in the left control knee were observed among the three groups. These results show that autophagy activation reduces the severity of experimental OA in db/db mice. In conclusion, the results obtained show that diabetic conditions impair chondrocyte autophagy, both in vitro and in vivo, and this facilitates OA development and progression, suggesting that impaired autophagy can be one of the mechanisms involved in diabetes-associated OA. Moreover, pharmacological activation of autophagy through mTOR inhibition is sufficient to protect against diabetes-induced joint destruction. Therefore, pharmacological autophagy activation deserves to be further studied as a potential new strategy to prevent or stop OA progression in diabetic patients.

Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-03-14T15:05:16Z No. of bitstreams: 1 tese_lncc_LEANDRO_TAVARES.pdf: 29698763 bytes, checksum: 86bf9653aed054e6fdf52b75fb82a03d (MD5) Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-03-14T15:06:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tese_lncc_LEANDRO_TAVARES.pdf: 29698763 bytes, checksum: 86bf9653aed054e6fdf52b75fb82a03d (MD5) Made available in DSpace on 2017-03-14T15:06:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_lncc_LEANDRO_TAVARES.pdf: 29698763 bytes, checksum: 86bf9653aed054e6fdf52b75fb82a03d (MD5) Previous issue date: 2016-09-19 The Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a Lagrangian and meshless method for discretization of fluid equations. It has been used to fluid simulation in many areas of engineering and applied sciences. This method discretizes the Navier-Stokes equations using a particle system and interpolation theory. In this context, we developed a variational integrator to SPH, using the generalized midpoint rule and fixed point method. Then, we elaborate a implementation of SPH to simulate a quasi-incompressible fluid under influence of disks that rotates with constant angular velocity (N-roll mill setup). The obtained flow patterns are analyzed using Morse and Catastrophe theories. Finally, the two aforementioned works show us the necessity of techniques for comparing fluid simulations. Hence, we developed a framework to generate a visual summary of a computation fluid simulations by adapting techniques of video summary areas. As contribution of this thesis we highlight that the variational integrator has the property of linear momentum conservation being easier to implement than counterpart ones. Also, we emphasize the methodology to analyze the critical points generated by the original implementation of N-roll mill setup using SPH. Besides, the pioneer adaptation of techniques in video summarization, for computation fluid dynamics, allows to capture a detailed picture of important segments of the fluid for both comparison and analysis of the flows. O método lagrangiano Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) não utiliza malha subjacente para discretização de equações de fluidos e vêm sendo usado para simulações em diversas áreas do conhecimento. Esse método discretiza as equações de Navier-Stokes usando um sistema de partículas e a teoria de interpolação. Neste contexto, desenvolvemos um integrador variacional para o SPH, utilizando a regra do ponto médio generalizada e o método do ponto fixo. Em seguida, elaboramos uma implementação do SPH para simular um fluido quase-incompressível sob a influência de discos que giram com velocidades angulares constantes (\textit{N-roll mill}), denominado nessa tese de problema de N-rolos, e desenvolvemos uma metodologia para analisar os padrões de fluxos gerados. Para esta análise utilizamos a teoria de Morse e a teoria de Catástrofes de René Thom. Finalmente, os dois trabalhos citados nos mostram a necessidade e carência de técnicas para comparação e análise de fluidos. Logo, desenvolvemos um arcabouço para produção de sumários da simulação, adaptando técnicas da área de sumários de vídeo. Como contribuições da tese destacamos que o integrador variacional desenvolvido apresenta facilidade de implementação em relação a esquemas tradicionais e com conservação de momento linear. Destacamos também a metodologia para análise de pontos críticos gerados pela implementação original do problema de N-rolos usando o SPH, bem como a adaptação pioneira de técnicas de sumarização de vídeo para análise de fluidos.

Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2016-07-28T15:01:01Z No. of bitstreams: 1 ThesisGAresFrente.pdf: 14194206 bytes, checksum: 2e35ae71aaffd676ba8015d68298aca6 (MD5) Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2016-07-28T15:01:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ThesisGAresFrente.pdf: 14194206 bytes, checksum: 2e35ae71aaffd676ba8015d68298aca6 (MD5) Made available in DSpace on 2016-07-28T15:01:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ThesisGAresFrente.pdf: 14194206 bytes, checksum: 2e35ae71aaffd676ba8015d68298aca6 (MD5) Previous issue date: 2016-04-11 Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ) This thesis is concerned with two major problems arising in the modeling of the cardiovascular system. The first topic consists in a comprehensive approach for the simulation of arterial blood flow and its effect on the stress state of the arterial wall, and the second topic is concerned with the in-vivo characterization of residual deformations in arterial wall tissues, based on data provided by medical images. Specifically, regarding the first topic, an original modeling framework is proposed for the treatment of hemodynamic problems with increased realism, featuring a combination of several modeling techniques in order to account for i) the fact that the initial (image-based) geometry corresponds to a configuration which is at equilibrium with an internal pressure acting over the lumen, and with tethering forces located at the artificial (axial) boundaries delimiting the arterial region of interest; ii) the fluid-structure interaction problem; iii) the complex constitutive behavior of the arterial wall; iv) the influence of surrounding tissues; v) the interaction of the vessel with the rest of the cardiovascular system; and iv) the influence of residual stresses. In order to tackle the issues described above, the preload mechanical problem is solved in a first stage, finding the zero-load material configuration which is employed to define suitable constitutive equations. This is performed by finding the solution for the mechanical equilibrium of the given image configuration considering the vessel at this state to be loaded by an internal baseline pressure and an axial traction (caused by tethering forces) at the artificial boundaries. It is worthwhile to mention that this axial traction is such that a previously defined pre-stretch level is considered on the equilibrium image configuration. Once the reference configuration is obtained, the complete 3D fluid-structure interaction simulation is carried out, coupled with a dimensionally reduced 1D model of the rest of the cardiovascular system. Strong coupling via fixed-point iterations is achieved for the fluid-structure interaction, while the dimensionally heterogeneous coupling is achieved through a Broyden method. Regarding the constitutive modeling, a fiber-reinforced hyperelastic constitutive law is considered. Furthermore, through the analysis of several numerical examples, the sensitivity with respect to the existence of the preload stresses is assessed to quantify the importance of this issue. These results indicate that the stress state of the arterial wall is strongly influenced by the existence of preload. Therefore, the consideration of such preload state is mandatory for the prediction of stresses in arterial tissue. For the second topic, a conceptual framework is presented for the in-vivo estimation of residual deformations and stresses. As a given data, a set of known configurations for an arterial segment is considered, which can potentially be obtained from medical imaging techniques. The mechanical equilibrium equations corresponding to such configurations are introduced through a variational approach, highlighting the role of the residual deformations and associated stresses. In this context, a cost functional is proposed to measure the imbalance of the mechanical setting arising from the consideration of inconsistent residual deformations, based on the generalized residuals of the associated variational equations. Then, the characterization of residual deformations becomes an optimization problem, focused on the minimization of this cost functional. For this purpose, a simple gradient descent method and an interior-point algorithm for constrained optimization are explored in this work. The proposed methodology is tested using three numerical examples based on manufactured solutions, a simple clamped bar, a thick-walled cylinder and a three-layered aorta artery. The obtained results are promising and suggest that the present method (or variants based on the present ideas), when coupled with adequate image acquisition techniques, could successfully lead to the in-vivo identification of residual deformations. Esta tese aborda dois problemas de relevância na modelagem do sistema cardiovascular humano. O primeiro tema consiste no desenvolvimento de um enfoque abrangente para a simulação do escoamento sanguíneo e sua interação com a parede arterial, e o segundo tópico é a caracterização in-vivo de tensões e deformações residuais na parede arterial baseada em dados fornecidos por imagens médicas. De maneira específica, em relação ao primeiro tópico, um marco de modelagem é proposto para o tratamento de problemas hemodinâmicos com um alto grau de realismo, apresentando uma combinação de diferentes técnicas de modelagem para levar em conta i) o fato que as geometrias iniciais obtidas a partir de imagens médicas são correspondentes a um sistema de carregamentos não nulos, definido pela existência da pressão interna no lumen e de tensões axiais localizadas nos contornos artificiais do segmento arterial; ii) o problema de interação fluido-estrutura; iii) o complexo comportamento constitutivo da parede arterial; iv) a interação do segmento de interesse com o resto do sistema cardiovascular; e v) a influência dos tecidos circundantes; e vi) a existência de tensões residuais. Para a abordagem das questões descritas acima, o problema mecânico de precarregamento é resolvido em uma primeira etapa, encontrando a configuração material de carregamento nulo onde as equações constitutivas são usualmente definidas. Isto é realizado encontrando a solução do problema de equilíbrio mecânico da estrutura arterial dada, considerando que o vaso está submetido a um nível de pressão de base e uma tração axial nos contornos artificiais. Vale a pena ressaltar que esta tração axial é correspondente a um nível de pre-estiramento previamente definido. Uma vez que a configuração de referência é obtida, a simulação fluido-estrutura 3D é realizada, acoplada com um modelo dimensionalmente reduzido do resto do sistema cardiovascular. Um acoplamento forte através de iterações de ponto fixo é empregado para representar a interação fluido-estrutura, equanto o acoplamento entre modelos dimensionalmente heterogêneos é conseguido usando um método tipo Broyden. Em relação à modelagem constitutiva, um modelo hyperelástico reforçado com fibras é considerado. Além disso, através da análise de vários exemplos numéricos, a sensibilidade com relação à existência de precarregamentos é quantificada para remarcar a relevância desta questão. Tais resultados indicam que o estado de tensão da parede arterial é fortemente influenciado pela existência de precarregamentos. Assim sendo, levar em consideração esse estado de precarga é fundamental para a predição de tensões no tecido arterial. Em relação ao segundo tópico, um marco conceptual é apresentado para estimação de tensões e deformações residuais. Consideramos que os dados são um conjunto de configurações de um segmento arterial, as quais poderiam ser obtidas a partir do uso de técnicas de adquisição e , processamento e segmentação de imagens. Utilizando um enfoque variacional, são apresentadas as equações de equilíbrio mecânico para as configurações conhecidas, acentuando o papel desempenhado pelas deformações residuais. Neste contexto, apresenta-se um funcional custo que mede o desbalance mecânico que é originado se um campo de deformações residuais inconsistente é admitido. Este funcional custo está baseado no resíduo generalizado das equações variacionais previamente mencionadas. Como consequência, o problema de estimação de deformações residuais é transformado em um problema de otimização, no qual se procura minimizar o funcional custo proposto. Com este objetivo, neste trabalho de tese são considerados dois métodos, um método de gradiente e um algoritmo de ponto interior para problemas que apresentam restrições. A metodologia proposta é testada em três exemplos numéricos baseados em soluções manufaturadas: um barra engastada, um cilindro de parede grossa, e uma artéria aorta composta por três camadas. Os resultados obtidos são promissores e sugerem que o método apresentado (ou variantes baseadas nas ideias aqui mostradas) junto com técnicas adequadas para a adquisição de imagens podem conduzir à identificação in-vivo de deformações residuais.

Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-04-18T17:56:33Z No. of bitstreams: 1 Dissertação (Hermano Lustosa).pdf: 11841214 bytes, checksum: c30da4b19ca9fd69bf262318a593729b (MD5) Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-04-18T17:56:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação (Hermano Lustosa).pdf: 11841214 bytes, checksum: c30da4b19ca9fd69bf262318a593729b (MD5) Made available in DSpace on 2017-04-18T17:57:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação (Hermano Lustosa).pdf: 11841214 bytes, checksum: c30da4b19ca9fd69bf262318a593729b (MD5) Previous issue date: 2015-12-09 Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Scientific applications, such as numerical simulations, generate an ever increasing amount of data that needs to be eficiently managed. As most traditional row-store Database Management Systems are not tailored for the analytical workload usually required by such applications, alternative approaches, e. g., columnstore and multidimensional arrays, can offer better querying processing time. In this work, we propose new techniques for managing the data produced by numerical simulations, such as those coming from HeMoLab, by using multidimensional array technologies. We take advantage of multidimensional array that nicely models the dimensions and variables used in numerical simulations. The eficient mapping of the simulation output file onto a multi-dimensional array is not simple. A naive solution may lead to sparse arrays, impacting query response time, specially when the simulation uses irregular meshes to model its physical domain. We propose novel strategies to solve these problems by defining an eficient mapping of coordinate values in numerical simulations to evenly distribute cells in array chunks with the use of equi-depth histograms and space-filling curves. We evaluated our techniques through experiments over real-world data, comparing them with a columnar and a row-store relational systems. The results indicate that multidimensional arrays and column-stores are much faster than a tradivitional row-store system for queries issued over a larger amount of simulation data. Also, the results help to identify the scenarios in which using multidimensional arrays is the most eficient approach, and the ones in which they are outperformed by the relational column-store approach. Aplicações científicas geram uma crescente massa de dados que precisam ser analisados e gerenciados eficientemente. Uma vez que os tradicionais bancos de dados relacionais não são projetados para a carga de trabalho predominantemente analítica exigida por essas aplicações, abordagens alternativas, tais como, matrizes multidimensionais e bancos de dados colunares, podem oferecer melhores tempos de execução de consultas. Neste trabalho, propomos o uso de novas tecnologias para a gerência de dados produzidos por simulações numéricas, similares às desenvolvidas pelo HeMoLab. O modelo de matrizes multidimensionais permite a modelagem elegante de dimensões e variáveis usadas em simulações numéricas. Entretanto, o mapeamento dos dados de saída de uma simulação em uma matriz multidimensional não é simples. Uma solução ingênua pode levar a criação de matrizes excessivamente esparsas, impactando o tempo de resposta do sistema, especialmente quando a simulação utiliza uma malha irregular para modelar o seu domínio físico. Nós propomos novas estratégias para resolver esses problemas através da definição de um mapeamento eficiente de valores de coordenadas com o uso de histogramas e curvas de preenchimento espacial. Nós avaliamos nossas técnicas através de experimentos feitos com dados reais, comparando-as com bancos de dados relacionais. Os resultados indicam que tanto iv matrizes multidimensionais quanto bancos de dados colunares são muitas vezes mais rápidos que bancos de dados relacionais tradicionais para consultas avaliando uma grande quantidade de dados. Além disso, os resultados auxiliam na identificação de cenários nos quais matrizes multidimensionais são mais eficientes, e nos quais elas são superadas por uma abordagem envolvendo o uso de um banco de dados colunar.

Simulações de escoamentos multifásicos são de grande interesse em aplicações práticas na indústria, em particular na indústria petrolífera, entre outras. Vários processos dependem do entendimento físico de escoamentos envolvendo iteração com partículas, sedimentação e separação de fluidos. Dos muitos métodos existentes para a simulação dos processos acima descritos, há um crescente interesse no aumento de precisão, o que levou ao desenvolvimento de estratégias que utilizam esquemas de elementos finitos discretizados em malhas dinâmicas e adaptativas, usando uma formulação ALE (do inglês, Arbitrary Lagrangian-Eulerian), juntamente com uma representação geométrica da interface. Neste sentido, este trabalho tem o objetivo de estudar e implementar estratégias robustas de controle e adaptação de malhas, em situações onde a malha dinâmica é sujeita a grandes deformações. Uma biblioteca de algoritmos e rotinas foi então desenvolvida para este fim, implementando técnicas de controle e otimização da qualidade dos elementos da malha, técnicas de adaptação da interface entre fluidos com esquemas de conservação de massa, técnicas de mudanças topológicas e preservação de propriedades materiais, além de uma comunicação facilitada destas rotinas com códigos de simulação numérica de escoamentos multifásicos existentes Multiphase flow simulations are of great interest in practical applications, particularly in the oil industry. Several processes depend on understanding physical aspects of flows with particle interaction, sedimentation and fluid separation. Among the several existing methods to simulate the processes described above, theres a growing interest in achieving higher precision, which led to the development of strategies that use finite element discretization in adaptive, dynamic meshes, using the ALE formatulation along with a geometrical representation of the interface. In this context, this thesis aims to study and implement robust strategies for mesh adaptation, for cases where the dynamic mesh is subject to large deformations. A library of routines and algorithms was developed, implementing mesh elements control and quality optimization techniques, fluid interface adaptation techniques with a mass conservation scheme, topological modifications and material properties preservation techniques, and also a decoupled, simplified communication between these routines with existing multiphase flow numerical simulation code

Técnicas para geração de malhas volumétricas não estruturadas podem ser divididas em três categorias principais: técnicas baseadas em Octree, técnica de avanço de fronteira e técnicas Delaunay. Este trabalho faz uso de uma proposta para geração de malhas volumétricas não estruturadas baseada em uma técnica que utiliza uma triangulação adaptativa que contém similaridades com os métodos de geração de malhas baseados em Octree. Esta triangulação, além de decompor o domínio, oferece suporte para a construção de funções implícitas que aproximam a superfície do objeto de interesse. As funções implícitas são obtidas a partir de nuvens de pontos pelo método de Partição da Unidade Implícita - PUI. Um processo de poligonalização discretiza a isosuperfície fornecida pela função implícita gerando uma malha de triângulos superficial. Uma malha volumétrica é gerada a partir da malha superficial utilizando os tetraedros que decompõem o domínio criados pela triangulação. Apresentamos nesta tese um método original para a poligonalização de isosuperfícies obtidas através de nuvens de pontos. Apresentamos também uma abordagem para o melhoramento de malhas volumétricas baseadas na aplicação do conceito de molas virtuais. O foco principal é gerar malhas de qualidade para serem usadas em simulações de fluidos em artérias do corpo humano Techniques for generation of three-dimensional unstructured meshes can be divided into three main categories: Octree-based techniques, advancing front techniques and Delaunay techniques. In the present study it is used a three-dimensional unstructured mesh generation approach based on a technique which uses an adaptive triangulation which contains similarities with Octree-based mesh generation techniques. This triangulation decomposes the domain and supports the construction of implicit functions that approximates the surface of an object of interest. The implicit functions are derived from point clouds by the Partition of Unity Implicits - PUI method. A polygonization process discretizes the isosurface provided by the implicit function generating a triangular mesh surface. A three-dimensional mesh is generated from the surface mesh using the tetrahedra that decomposes the domain created by the triangulation. In this tesis, we present an original polygonization method of isosurfaces obtained from point clouds. We also present an approach to improve tetrahedral meshes based on the application of the concept of virtual springs. The main focus is to generate quality meshes for fluid flow simulations in human arteries

A mecânica celular jaz nas propriedades materiais da membrana plasmática, fundamentalmente uma bicamada fosfolipídica com espessura de dimensões moleculares. Além de forças elásticas, tal material bidimensional também experimenta tensões viscosas devido ao seu comportamento fluido (presumivelmente newtoniano) na direção tangencial. A despeito da notável concordância entre teoria e experimentos biofísicos sobre a geometria de membranas celulares, ainda não se faz presente um método computacional para simulação de sua (real) dinâmica viscosa governada pela lei de Boussinesq-Scriven. Assim sendo, introduzimos uma formulação variacional mista de três campos para escoamentos viscosos de superfícies fechadas curvas. Nela, o fluido circundante é levado em conta considerando-se uma restrição de volume interior, ao passo que uma restrição de área corresponde à inextensibilidade. As incógnitas são a velocidade, o vetor curvatura e a pressão superficial, todas estas interpoladas com elementos finitos lineares contínuos via estabilização baseada na projeção do gradiente de pressão. O método é semi-implícito e requer a solução de apenas um único sistema linear por passo de tempo. Outro ingrediente numérico proposto é uma força que mimetiza a ação de uma pinça óptica, permitindo interação virtual com a membrana, onde a qualidade e o refinamento de malha são mantidos por remalhagem adaptativa automática. Extensivos experimentos numéricos de dinâmica de relaxação são apresentados e comparados com soluções quasi-analíticas. É observada estabilidade temporal condicional com uma restrição de passo de tempo que escala como o quadrado do tamanho de malha. Reportamos a convergência e os limites de estabilidade de nosso método e sua habilidade em predizer corretamente o equilíbrio dinâmico de compridas e finas elongações cilíndricas (tethers) que surgem a partir de pinçamentos membranais. A dependência de forma membranal com respeito a uma velocidade imposta de pinçamento também é discutida, sendo que há um valor limiar de velocidade abaixo do qual um tether não se forma de início. Testes adicionais ilustram a robustez do método e a relevância dos efeitos viscosos membranais quando sob a ação de forças externas. Sem dúvida, ainda há um longo caminho a ser trilhado para o entendimento completo da mecânica celular (há de serem consideradas outras estruturas tais como citoesqueleto, canais iônicos, proteínas transmembranares, etc). O primeiro passo, porém, foi dado: a construção de um esquema numérico variacional capaz de simular a intrigante dinâmica das membranas celulares. Cell mechanics lies on the material properties of the plasmatic membrane, fundamentally a two-molecule-thick phospholipid bilayer. Other than bending elastic forces, such a two-dimensional interfacial material also experiences viscous stresses due to its (presumably Newtonian) surface fluid tangential behaviour. Despite the remarkable agreement on membrane shapes between theory and biophysical experiments, there is no computational method for simulating its (actual) viscous dynamics governed by the Boussinesq- Scriven law. Accordingly, we introduce a mixed three-field variational formulation for viscous flows of closed curved surfaces. In it, the bulk fluid is taken into account by means of an enclosed-volume constraint, whereas an area constraint stands for the membranes inextensible character. The unknowns are the velocity, vector curvature and surface pressure fields, all of which are interpolated with linear continuous finite elements by means of a pressure-gradient-projection scheme. The method is semi-implicit and it requires the solution of a single linear system per time step. Another proposed ingredient is a numerical force that emulates the action of an optical tweezer, allowing for virtual interaction with the membrane, where mesh quality and refinement are maintained by adaptively remeshing. Extensive relaxation experiments are reported and compared with quasi-analytical solutions. Conditional time stability is observed, with a time step restriction that scales as the square of the mesh size. We discuss both convergence and the stability limits of our method, its ability to correctly predict the dynamical equilibrium of the tether due to tweezing. The dependence of the membrane shape on imposed tweezing velocities is also addressed. Basically, there is a threshold velocity value below which the tethers shape does not arise at first. Further tests illustrate the robustness of the method and show the significance of viscous effects on membranes deformation under external forces. Undoubtedly, there is still a long way to track toward the understanding of celullar mechanics (one still has to account other structures such as cytoskeleton, ion channels, transmembrane proteins, etc). The first step has given, though: the design of a numerically robust variational scheme capable of simulating the engrossing dynamics of fluid cell membranes.

Tesis de Maestría

A simulação computacional de membranas biológicas, em particular membranas formadas por bicamadas lipídicas, é uma área de grande interesse na atualidade. Enquanto simulações moleculares são bastante populares, a simulação na escala de uma célula inteira requer modelos baseados na mecânica dos meios contínuos. Essas membranas apresentam um comportamento de fluido viscoso incompressível bidimensional. Além disso, as formas de equilíbrio são bem explicadas pela energia de Canham-Helfrich, que depende da curvatura da membrana. Neste trabalho, um novo método de simulação de membranas viscosas, baseado em elementos finitos, é apresentado. Ele se inspira no conceito de James Clerk Maxwell de elasticidade fugaz, o qual é usado para adaptar técnicas bem estabelecidas de simulação de membranas elásticas. Trata-se do primeiro método a levar em conta, de maneira rigorosa, o aspecto viscoso da membrana, que é dominante na escala de tamanho de uma célula biológica, além da sua característica de fluido incompressível The computational simulation of biological membranes, in particular of those made of lipid bilayers, is currently an area of great interest. While molecular simulations are quite popular, the simulation on the scale of a whole cell requires models based on continuum mechanics. Those membranes behave like a bidimensional incompressible viscous fluid. Furthermore, the equilibrium shapes are well explained by means of the Canham-Helfrich energy, which depends on the curvature of the membrane. In this work, a novel finite element based method for the simulation of viscous membranes is presented. It is inspired by James Clerk Maxwells concept of fugitive elasticity, which is used to adapt well established simulation techniques for elastic membranes. This is the first method to take into account, in a rigorous fashion, the viscous aspect of the membrane, which is dominant at the length scale of a biological cell, in addition to its characteristics as an incompressible fluid