Dolphin and whale: development, evaluation and application of novel bioinformatics tools for metabolite profiling in high throughput 1H-NMR analysis

El perfilat de metabòlits es la tasca més difícil dins l'anàlisi espectral de RMN. El seu objectiu es comprendre els processos biològics que tenen lloc en un moment concret mitjançant la identificació i quantificació dels metabòlits presents en mescles d' RMN complexes. Un espectre de RMN està compost per ressonàncies d'un gran nombre de metabòlits, i aquestes se solen solapar entre elles, canviar de posició depenent del pH de la mostra i poden quedar emmascarades per senyals de macromolècules. Tots aquests problemes compliquen la identificació i quantificació de metabòlits, pel que obtenir un perfil de metabòlits curat en una mostra pot ser un gran repte inclús per usuaris experts. En aquest context, la motivació d'aquesta tesi va néixer amb l'objectiu de donar automatismes i funcions fàcils de fer servir per al perfilat de metabòlits en RMN, millorant la qualitat dels resultats i reduint el temps d'anàlisi. Per fer-ho, es van implementar un conjunt d'algoritmes que van acabar empaquetats en dos programes, Dolphin i Whale.El perfilado de metabolitos es la tarea más difícil dentro del análisis espectral de RMN. Su objetivo es comprender los procesos biológicos que tienen lugar en un momento concreto a través de la identificación y cuantificación de los metabolitos presentes en mezclas de RMN complejas. Un espectro de RMN está compuesto por resonancias de un gran numero de metabolitos, y éstas a menudo se solapan entre ellas, cambian de posición dependiendo del pH de la muestra y pueden quedar enmascaradas por señales de macromoléculas. Todos estos problemas complican la identificación y cuantificación de metabolitos, por lo que obtener un perfilado de metabolitos curado en una muestra puede ser un gran reto incluso para usuarios expertos. En este contexto, la motivación de esta tesis nació con el objetivo de dar automatismos y funciones fáciles de usar para el perfilado de metabolitos en RMN, mejorando la calidad de los resultados y reduciendo el tiempo de análisis. Para hacerlo, se implementaron un conjunto de algoritmos que acabaron empaquetados en dos programas, Dolphin y Whale.Metabolite profiling is the most challenging approach in NMR spectral analysis. It aims to comprehend biological processes occurring in a certain moment through identifying and quantifying metabolites present in complex NMR mixtures. An NMR spectrum is composed by resonances of a huge number of metabolites, and these resonances often overlap between them, shift position depending on the sample pH and can be masked by macromolecules signals. All these drawbacks hinder metabolite identification and quantification, so obtaining a cured metabolite profile of a sample can be a very big issue even for expert users. In this context, the motivation of this thesis was born with the aim to provide automatisms and user-friendly interactive functions for NMR metabolite profiling, improving the quality of the results and reducing the time span of the analysis. To do so, several algorisms were implemented and embedded into two software packages, Dolphin and Whale

From dysfunctional to extraordinary verbal repetition abilities: clinical implications and neural features

Three cases are presented to index the hypothesis that mitigated echolalia emerges from overreliance on the dorsal language stream, through the arcuate fasciculus, when the ventral stream is damaged; whereas conduite d’approche ensues when the ventral stream attempts to compensate a dorsal damage. The role of the right hemisphere and other alternative pathways in both cerebral hemispheres in the successful compensation of brain injury is also discussed. Further, Study 2 reconceptualizes different types of echolalia within a continuous of severity and communication capacity. To accomplish this new instantiation, it is proposed that different types of echolalia may be associated to failure in distinctive linguistic and non-linguistic cognitive functions. Recommendations for its evaluation and treatment are provided, suggesting that echolalia interfering with functional communication should be treated. Further, complementing the previous one, Study 3 reports a comprehensive single case study exploring response to treatment, and behavioral and neuroimaging features of a person with mitigated echolalia associated to a chronic fluent aphasia. Findings from such case include a reduction of mitigated echolalia after two weeks of intensive aphasia therapy as well as the maintenance of these gains with memantine alone for at least 6 months. Importantly, reduction of mitigated echolalia instances in response to treatment speeded up the time needed to complete comprehension tasks. Neuroimaging results, although indirectly, suggested that mitigated echolalia may be supported by the activity of the remaining components of the left dorsal stream and compensatory right hemisphere recruitment. Additionally, to further explore the neural and cognitive mechanisms involved in verbal repetition in a model of language expertise, Study 4 tackles cognitive features and neural correlates of verbal expertise in two healthy adult subjects displaying an extraordinary ability to orally reverse language, a condition referred to as backward speech. Results suggest that phonological expertise, as shown in backward speech, involves reshaping (or pre-existent differences) of cortical areas and tracts relevant for auditory-motor integration and semantic processing. Greater functional coupling between critical language areas and domain-general and high-order visual areas may further support reversing processes. Lastly, Study 5 presents a systematic review of the literature aimed to examine sex differences in the prevalence of repetition deficits in persons with post-stroke aphasia. Results show that the proportion of females in the group of aphasia characterized by repetition deficits (i.e., conduction aphasia) is lower than the expected by the prevalence of stroke among them. It is suggested that sex-related differences in the volume of areas of the right hemisphere homologues to the ones subserving repetition in the left hemisphere may be at the base of this difference. This finding poses sex as a relevant variable to account for variance in repetition abilities, and as a relevant factor to consider in future studies of language acquisition, maturation, and relearning promoted by aphasia therapy. Fecha de lectura de Tesis Doctoral: 16 de diciembre 2019Verbal repetition and audio-visual imitation stand as crucial functions for the acquisition and maturation of language in childhood, language learning in adulthood, and a major resource for language recovery after brain damage. Although modern neuroimaging techniques have allowed the identification of the brain areas involved in repetition tasks in healthy subjects, many clinical and neural aspects of this linguistic function are still overlooked in persons with aphasia and in emerging models of language expertise. Therefore, the present dissertation aims to explore cognitive correlates and neural features of verbal repetition from different perspectives including models of dysfunctional repetition (i.e., people with aphasia) and language expertise (i.e., healthy backward speakers). Generally, this thesis explores the potential of the dorsal and ventral components of the neural network supporting verbal repetition to assume, under certain circumstances (e.g., brain damage or extraordinary abilities), non-canonical functions. Further, this dissertation addresses clinical issues of some aphasic symptoms characterized by uncontrolled repetition (i.e., echolalia), as well as reviews sex as a source of variability in verbal repetition outcomes after brain damage. This dissertation includes five studies that are part of this dissertation. First, it reviews the mechanisms involved in dysfunctional repetition, especially in two repetitive verbal behaviors named conduite d’approche and mitigated echolalia (Study 1) and addresses clinical issues of the last one (Study 2 and 3). In this regard, Study 1 proposes that in the context of aphasia these symptoms (i.e., conduite d’approche and mitigated echolalia) may represent active attempts of verbal communication, rather than inconsequential repetitive verbal behaviors resulting from maladaptive neural changes

Characterization and modeling of the purkinje system for biophysical simulations

The usability of computer models of the heart depends mostly on their capacity to accurately represent heart anatomy, microstructure and function. However, integrating such a variety of biological data is often not possible. This is the case of the cardiac conduction system (CCS), which is responsible for the fast and coordinated distribution of the electrical impulses. The CCS cannot be observed in-vivo but it is mandatory in several cardiac modeling applications involving arrhythmias. The aims of this thesis are to show the importance of explicitly modeling the CCS structure and function for an accurate description of the electrical activation of the ventricles and to present a novel technique to build automatically a CCS structure that meets physiological observations. Pursuing that goal has required a multidisciplinary effort to build models for cardiac electrophysiology, and imaging techniques to acquire and analyze data of the CCS at different scales.La usabilidad de modelos computacionales cardíacos depende del poder representar con precisión la anatomía del corazón, su microestructura y su función. Sin embargo, la integración de tal variedad de datos biológicos no siempre es posible. Este es el caso del sistema de conducción cardiaco (CCS), que es responsable de la distribución rápida y coordinada de los impulsos eléctricos. El CCS no puede ser observado in vivo pero es imprescindible en los modelos del corazón que involucran las arritmias. Los objetivos de esta tesis son el modelar la estructura y función del CCS para obtener una descripción precisa de la activación eléctrica del corazón y el construir la estructura de un CCS que cumpla con las observaciones fisiológicas. La persecución de este objetivo ha requerido un esfuerzo multidisciplinar para construir modelos de la electrofisiología cardiaca y las técnicas de imagen necesarias para adquirir y analizar datos del CCS a diferentes escalas

Improvement of ms based e-nose performances by incorporation of chromatographic retention time as a new data dimension

Mejora del rendimiento de la nariz electrónica basada en espectrometría de masas mediante la incorporación del tiempo de retención cromatografico como una nueva dimensión de datosLa importancia del sentido de olor en la naturaleza y en la sociedad humana queda latente con el gran interés que se muestra en el análisis del olor y el gusto en la industria alimentaria. Aunque las aéreas mas interesadas son las de la alimentación y bebida, también se ha mostrado la necesitad para esta tecnología en otros campos como en el de la cosmética. Lamentablemente, el uso de los paneles sensoriales humanos o paneles caninos son costosos, propensos al cansancio, subjetivos, poco fiables e inadecuados para cuantificar, mientras que el análisis de laboratorio, a pesar de la precisión, imparcialidad y capacidad cuantitativa, necesita una labor intensa, con personal especializado y requiere de mucho tiempo. Debido a estos inconvenientes el concepto de olfato artificial generó un gran interés en entornos industriales.El término "nariz electrónica" se asocia con una serie de sensores de gases químicos, con una amplia superposición de selectividad para las mediciones de compuestos volátiles en combinación con los instrumentos informáticos de análisis de datos. La nariz electrónica se utiliza para proporcionar una información comparativa en vez de una cualitativa en un análisis, y porque la interpretación puede ser automatizada, el dispositivo es adecuado para el control de calidad y análisis. A pesar de algunos logros prometedores, los sensores de estado sólido de gas no han cumplido con sus expectativas. La baja sensibilidad y selectividad, la corta vida del sensor, la calibración difícil y los problemas de deriva han demostrado serias limitaciones. En un esfuerzo para mejorar los inconvenientes de los sensores de estado sólido, se han adoptado nuevos enfoques, utilizando diferentes sensores para la nariz electrónica. Sistemas de sensores ópticos, la espectrometría de movilidad iónica y la espectrometría infrarroja son ejemplos de técnicas que han sido probadas.Las narices electrónicas basadas en la espectrometría de masas (MS) aparecieron por primera vez en 1998 [B. Dittmann, S. y G. Nitz Horner. Adv. Food Sci. 20 (1998), p. 115], y representan un salto importante en la sensibilidad, retando a la nariz electrónica basada en sensores químicos. Este nuevo enfoque del concepto de una nariz electrónica usa sensores virtuales en forma de proporciones m/z. Una huella digital compleja y muy reproducible se obtiene en forma de un espectro de masas, que se procesa mediante algoritmos de reconocimiento de patrones para la clasificación y cuantificación. A pesar de que la nariz electrónica basada en la espectrometría de masas supera a la nariz electrónica clásica de sensores de estado sólido en muchos aspectos, su uso se limita actualmente a la instrumentación de laboratorio de escritorio. La falta de portabilidad no representará necesariamente un problema en el futuro, dado que espectrómetros de masas en miniatura se han fabricado ya en una fase de prototipado.Un inconveniente más crítico de la nariz electrónica basada en MS consiste en la manera en la que se analizan las muestras. La fragmentación simultánea de mezclas complejas de isómeros pueden producir resultados muy similares a raíz de este enfoque. Una nariz electrónica mejor sería la que combina la sensibilidad y el poder de identificación del detector de masas con la capacidad de separación de la cromatografía de gases. El principal inconveniente de este enfoque es de nuevo el coste y la falta de portabilidad de los equipos. Además de los problemas anteriores con la espectrometría de masas, el análisis de cromatografía de gases requiere mucho tiempo de medida.Para abordar estas cuestiones, se han reportado miniaturizaciones en cromatografía capilar de gases (GC) que hacen posible el GC-en-un-chip, CG-rápido y CG-flash que hacen uso de columnas cortas, reduciendo el tiempo de análisis a los tiempos de elución como segundos y, en algunos casos, se han comercializado. La miniaturización de la espectrometría de masas y cromatografía de gases tiene un gran potencial para mejorar el rendimiento, la utilidad y la accesibilidad de la nueva generación de narices electrónicas.Esta tesis se dedica al estudio y a la evaluación del enfoque del GC-MS para la nariz electrónica como un paso anterior al desarrollo de las tecnologías mencionadas anteriormente. El objetivo principal de la tesis es de estudiar si el tiempo de retención de una separación de cromatografía puede mejorar el rendimiento de la nariz electrónica basada en MS, mostrando que la adición de una tercera dimensión trae más información, ayudando a la clasificación de las pruebas. Esto se puede hacer de dos maneras: · comparando el análisis de datos de dos vías de espectrometría de masas con análisis de datos de dos vías de matrices desplegadas y concatenadas para los datos de tres vías y · comparando el análisis de datos de dos vías del espectrometría de masas con el análisis de datos de tres vías para el conjunto de datos tridimensionales.Desde el punto de vista de cromatografía, la meta será la de optimizar el método cromatográfico con el fin de reducir el tiempo de análisis a un mínimo sin dejar de tener resultados aceptables.Un paso importante en el análisis de datos multivariados de vías múltiples es el preprocesamiento de datos. Debido a este objetivo, el último objetivo será el de determinar qué técnicas de preprocesamiento son las mejores para y el análisis de dos y tres vías de datos.Con el fin de alcanzar los objetivos propuestos se crearon dos grupos de datos. El primero consiste en las mezclas de nueve isómeros de dimetilfenol y etilfenol. La razón de esta elección fue la similitud de los espectros de masas entre sí. De esta manera la nariz electrónica basada en espectrometría de masas sería retada por el conjunto de datos. También teniendo en cuenta el tiempo de retención de los nueve isómeros solos, las soluciones se hicieron, como si el conjunto de datos demostraría el reto si se usaría sólo el tiempo de retención. Por tanto, este conjunto de datos "artificiales" sostiene nuestras esperanzas en mostrar las mejoras de la utilización de ambas dimensiones, la MS (espectros de masas) y la GC (tiempo de retención).Veinte clases, representando las soluciones de los nueve isómeros se midieron en diez repeticiones cada una, por tres métodos cromatográficos, dando un total de 600 mediciones. Los métodos cromatográficos fueron diseñados para dar un cromatograma resuelto por completo, un pico coeluido y una situación intermediaria con un cromatograma resuelto parcialmente. Los datos fueron registrados en una matriz de tres dimensiones con las siguientes direcciones: (muestras medidas) x (proporción m/z) x (tiempo de retención). Por "colapsar" los ejes X e Y del tiempo de retención cromatográfica y los fragmentos m/z, respectivamente, se obtuvieron dos matrices que representan los espectros de masa regular y el cromatograma de iones totales, respectivamente. Estos enfoques sueltan la información traída por la tercera dimensión y el despliegue por lo que la matriz original 3D y la concatenación de las TIC y el espectro de masa media se han tenido en consideración como una forma de preservar la información adicional de la tercera dimensión en una matriz de dos dimensiones.Los datos fueron tratados mediante la alineación de picos, con una media de centrado y la normalización por la altura máxima y el área del pico, los instrumentos de pre-procesamiento que también fueron evaluados por sus logros.Para el análisis de datos de dos vías fueron utilizados el PCA, PLS-DA y fuzzyARTMAP. La agrupación de PCA y PARAFAC fueron evaluados por la relación intervariedad - intravariedad, mientras que los resultados mediante fuzzy ARTMAP fueron dados como el éxito de la las tasas de clasificación en porcentajes.Cuando PCA y PARAFAC se utilizaron, como era de esperar, el método de cromatografía resuelto (método 1) dio los mejores resultados globales, donde los algoritmos 2D funcionan mejor, mientras que en un caso más complicado (picos más coeluidos del método 3) pierden eficacia frente a métodos 3D.En el caso de PLS-DA y n-PLS, aunque los resultados no son tan concluyentes como los resultados del PCA y PARAFAC, tratándose de las diferencias mínimas, el modelo de vías múltiples PLS-DA ofrece un porcentaje de éxito en la predicción de ambos conjuntos de datos. También se recomienda el n-PLS en vez de utilizar datos desplegados y concatenados, ya que construye un modelo más parsimonioso.Para el análisis fuzzyARTMAP, la estrategia de votación empleada ha demostrado que al usar los espectros de masa media y la información del cromatograma de iones totales juntos se obtienen resultados más consistentes.En el segundo conjunto de datos se aborda el problema de la adulteración del aceite de oliva extra virgen con aceite de avellana, que debido a las similitudes entre los dos aceites es una de las más difíciles de detectar. Cuatro aceites extra virgen de oliva y dos aceites de avellana se midieron puros y en mezclas de 30%, 10%, 5% y 2% con los mismos objetivos mostrando que la adición de la extra dimensión mejora los resultados. Se han hechos cinco repeticiones para cada preparación, dando un total de 190 muestras: 4 aceites puros de oliva, 2 aceites puros de avellana y 32 adulteraciones de aceite de avellana en aceite de oliva, dando un total de 38 clases. Dos métodos cromatográficos fueron utilizados. El primero estaba dirigido a una completa separación de los componentes del aceite de oliva y empleó una separación con temperatura programable, mientras que el objetivo del segundo método fue un pico coeluido, por lo tanto fue contratada una temperatura constante de separación. Los datos fueron analizados por medio de la PCA, PARAFAC, PLS-DA y PLS-n.Como en el conjunto "artificial" de datos, el PCA y PARAFAC se analizaron por medio de la capacidad de clusterización, que mostró que los mejores resultados se obtienen con los datos desplegados seguido por los datos 3D tratados con el PARAFAC.Desde el punto de vista de optimización de la columna, los logros obtenidos por la columna corta está por debajo del enfoque de la columna larga, pero este caso demuestra una vez más que la adición de los incrementos de tercera dimensión mejoran la nariz electrónica basada en MS.Para el PLS-DA y n-PLS se evaluaron las tasas de éxito comparativamente, tanto para las corridas cromatográficas largas como para las cortas. Mientras que para la columna larga el mejor rendimiento es para los datos del cromatograma de iones totales (TIC), la columna corta muestra mejor rendimiento para los datos concatenados de los espectros de masa media y TIC. Además, la predicción de las tasas de éxito son las mismas para los datos TIC de columna larga como para los datos concatenados de la columna corta. Este caso es muy interesante porque demuestra que el enfoque PLS de la tercera dimensión mejora los resultados y, por otra parte, mediante el uso de la columna corta el tiempo de análisis se acorta considerablemente.Se esperan ciertos logros de la nariz electrónica. Por el momento, ninguno de esos enfoques se acercó lo suficiente para producir una respuesta positiva en los mercados. Los sensores de estado sólido tienen inconvenientes casi imposibles de superar. La nariz electrónica basada en espectrometría de masas tiene una falta de portabilidad y a veces sus logros son insuficientes, y el aparato del cromatógrafo de gases-espectrómetro de masas sufre problemas de portabilidad igual que espectrómetro de masas y toma mucho tiempo. El desarrollo de potentes algoritmos matemáticos durante los últimos años, junto con los avances en la miniaturización, tanto para MS y GC y mostrar cromatografía rápida cierta esperanza de una nariz electrónica mucho mejor.A través de este trabajo podemos afirmar que la adición del tiempo de retención cromatográfica como una dimensión extra aporta una ventaja sobre las actuales tecnologías de la nariz electrónica. Mientras que para los cromatogramas totalmente resueltos no se logran mejoras o la ganancia es mínima, sobre todo en la predicción, para una columna corta la información adicional mejora los resultados, en algunos casos, hacerlos tan bien como cuando una larga columna se utiliza. Esto es muy importante ya que las mediciones en un cromatógrafo de gases - espectrometro de masas se pueden optimizar para tramos muy cortos, una característica muy importante para una nariz electrónica. Esto permitiría el diseño de un instrumento de mayor rendimiento, adecuado para el control de calidad en líneas de productos

Neural correlates of impulse control disorder in Parkinson,s Disease: FMRI evidence from motor, inhibition and semantic domains.

222 p.Parkinson's disease (PD) is the second most common neurodegenerative disorder associated with aging. Approximately 40% of the PD patients treated with dopaminergic medication will develop Impulse Control Disorder (ICD). PD patients with ICD engage in pathological behaviors akin to behavioral addictions, as a result of a malfunction of their reward system due to chronic exposure to dopaminergic medication. Cognitive neuroscience research has investigated cognitive impulsivity and reward mechanisms in PD patients with ICD. However, functional and molecular imaging evidence indicates abnormalities in regions and networks that are not associated with cognitive impulsivity, but with domains such as movement, inhibitory control, and semantic processing. These domains have either not been previously investigated in this population, or previous literature shows mixed results. This doctoral dissertation aims at examining the neural correlates of three different domains in a group of patients with PD and ICD, a group of patients with PD and no ICD, and a group of healthy control participants using functional magnetic resonance imaging (fMRI). The three domains examined in each Experiment are motor function through a sequential finger-tapping task (Experiment I), inhibitory control through measures of response inhibition (Experiment II), and semantic processing via an auditory processing task (Experiment III). We were particularly interested in group differences in the functional networks and regions implicated in these tasks. Our results revealed that, across the three examined domains (i.e., motor, response inhibition, semantic processing), PD patients with ICD showed differential functional coupling among regions relative to their control counterparts, which remarks the importance of neural networks in cognitive neuroscience. Although the domains examined here had not received special attention in PD patients with ICD, we show that these patients exhibit functional differences beyond the reward system circuitry.bcbl: basque center on cognition, brain and languag

Exploring the relationship between hemi-inattention and functional recovery in the first six months after stroke: a longitudinal study with a multilevel modelling approach to data analysis

This thesis was submitted for the award of Doctor of Philosophy and was awarded by Brunel University LondonIn recent years, the functional outcomes of patients with right hemisphere stroke (RHS) received considerable attention due to their impact on disability, independent living, quality of life and economic burden. Hemi-inattention (HI) is a complex condition which often accompanies RHS. It is characterised by reduced alertness, attention and low spatial awareness levels. Past studies reported poor outcomes in patients with HI and inconsistent findings in regard to the relationship of HI with functional outcome. Literature review of 13 relevant studies highlighted poor research methodology which complicated interpretation of previous results. Aims: The aim of this study was to address the clinically important question “What is the relationship between early HI status (HI±) and functional change in the 1st six months after right hemisphere stroke?” by improving on research methodology from past studies. Methods: An all-inclusive stroke severity RHS sample (58 with and 35 without HI) were recruited from two stroke units and assessed on motor and cognitive factors with validated measurement tools on four occasions; baseline, hospital discharge, 6 weeks after discharge, and 6 months after stroke. A multi-level modelling approach was used to analyse change in functional progress over time with potential explanatory motor and cognitive factors. Results: HI status was only statistically significant when modelled alone. Its predictive importance greatly diminished when modelled with other factors e.g. stroke severity, time since stroke and age. Conclusion: On average, HI group membership at baseline is unrelated to functional recovery when other influential factors are also considered. The findings extend current knowledge in stroke recovery research and provide suggestions for optimal therapeutic and rehabilitation outcomes. In contrast with traditional methods of regression analysis, multi-level modelling techniques enabled important relationships to be studied in depth. This resulted in new insights into the data which can be used to inform patient management and future research in the field

Studies on nonlinear mechanical wave behavior to characterize cement based materials and its durability

[EN] The test for determining the resonance frequencies has traditionally been used to investigate the mechanical integrity of concrete cores, to assess the conformity of concrete constituents in different accelerated durability tests, and to ascertain constitutive properties such as the elastic modulus and the damping factor. This nondestructive technique has been quite appealed for evaluation of mechanical properties in all kinds of durability tests. The damage evolution is commonly assessed from the reduction of dynamic modulus which is produced as a result of any cracking process. However, the mechanical behavior of concrete is intrinsically nonlinear and hysteretic. As a result of a hysteretic stress-strain behavior, the elastic modulus is a function of the strain. In dynamic tests, the nonlinearity of the material is manifested by a decrease of the resonance frequencies, which is inversely proportional to the excitation amplitude. This phenomenon is commonly referred as fast dynamic effect. Once the dynamic excitation ceases, the material undergoes a relaxation process whereby the elastic modulus is restored to that at rest. This phenomenon is termed as slow dynamics. These phenomena (fast and slow dynamics) find their origin in the internal friction of the material. Therefore, in cement-based materials, the presence of microcracks and interfaces between its constituents plays an important role in the material nonlinearity. In the context of the assessment of concrete durability, the damage evolution is based on the increase of hysteresis, as a result of any cracking process. In this thesis three different nondestructive techniques are investigated, which use impacts for exciting the resonant frequencies. The first technique consists in determining the resonance frequencies over a range of impact forces. The technique is termed Nonlinear Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NIRAS). It consists in ascertaining the downward resonant frequency shift that the material undergoes upon increasing excitation amplitude. The second technique consists in investigating the nonlinear behavior by analyzing the signal corresponding to a single impact. This is, to determine the instantaneous frequency, amplitude and attenuation variations corresponding to a single impact event. This technique is termed as Nonlinear Resonant Acoustic Single Impact Spectroscopy (NSIRAS). Two techniques are proposed to extract the nonlinear behavior by analyzing the instantaneous frequency variations and attenuation over the signal ring down. The first technique consists in discretizing the frequency variation with time through a Short-Time Fourier Transform (STFT) based analysis. The second technique consists of a least-squares fit of the vibration signals to a model that considers the frequency and attenuation variations over time. The third technique used in this thesis can be used for on-site evaluation of structures. The technique is based on the Dynamic Acousto- Elastic Test (DAET). The variations of elastic modulus as derived through NIRAS and NSIRAS techniques provide an average behavior and do not allow derivation of the elastic modulus variations over one vibration cycle. Currently, DAET technique is the only one capable to investigate the entire range of nonlinear phenomena in the material. Moreover, unlike other DAET approaches, this study uses a continuous wave source as probe. The use of a continuous wave allows investigation of the relative variations of the elastic modulus, as produced by an impact. Moreover, the experimental configuration allows one-sided inspection.[ES] El ensayo de determinación de las frecuencias de resonancia ha sido tradicionalmente empleado para determinar la integridad mecánica de testigos de hormigón, en la evaluación de la conformidad de mezclas de hormigón en diversos ensayos de durabilidad, y en la terminación de propiedades constitutivas como son el módulo elástico y el factor de amortiguamiento. Esta técnica no destructiva ha sido ampliamente apelada para la evaluación de las propiedades mecánicas en todo tipo de ensayos de durabilidad. La evolución del daño es comúnmente evaluada a partir de la reducción del módulo dinámico, producido como resultado de cualquier proceso de fisuración. Sin embargo, el comportamiento mecánico del hormigón es intrínsecamente no lineal y presenta histéresis. Como resultado de un comportamiento tensión-deformación con histéresis, el módulo elástico depende de la deformación. En ensayos dinámicos, la no linealidad del material se manifiesta por una disminución de las frecuencias de resonancia, la cual es inversamente proporcional a la amplitud de excitación. Este fenómeno es normalmente denominado como dinámica rápida. Una vez la excitación cesa, el material experimenta un proceso de relajación por el cual, el módulo elástico es restaurado a aquel en situación de reposo. Este fenómeno es denominado como dinámica lenta. Estos fenómenos ¿dinámicas rápida y lenta¿ encuentran su origen en la fricción interna del material. Por tanto, en materiales basados en cemento, la presencia de microfisuras y las interfaces entre sus constituyentes juegan un rol importante en la no linealidad mecánica del material. En el contexto de evaluación de la durabilidad del hormigón, la evolución del daño está basada en el incremento de histéresis, como resultado de cualquier proceso de fisuración. En esta tesis se investigan tres técnicas diferentes las cuales utilizan el impacto como medio de excitación de las frecuencias de resonancia. La primera técnica consiste en determinar las frecuencias de resonancia a diferentes energías de impacto. La técnica es denominada en inglés: Nonlinear Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NIRAS). Ésta consiste en relacionar el detrimento que el material experimenta en sus frecuencias de resonancia, con el aumento de la amplitud de la excitación. La segunda técnica consiste en investigar el comportamiento no lineal mediante el análisis de la señal correspondiente a un solo impacto. Ésta consiste en determinar las propiedades instantáneas de frecuencia, atenuación y amplitud. Esta técnica se denomina, en inglés, Nonlinear Single Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NSIRAS). Se proponen dos técnicas de extracción del comportamiento no lineal mediante el análisis de las variaciones instantáneas de frecuencia y atenuación. La primera técnica consiste en la discretización de la variación de la frecuencia con el tiempo, mediante un análisis basado en Short-Time Fourier Transform (STFT). La segunda técnica consiste en un ajuste por mínimos cuadrados de las señales de vibración a un modelo que considera las variaciones de frecuencia y atenuación con el tiempo. La tercera técnica empleada en esta tesis puede ser empleada para la evaluación de estructuras in situ. La técnica se trata de un ensayo acusto-elástico en régimen dinámico. En inglés Dynamic Acousto-Elastic Test (DAET). Las variaciones del módulo elástico obtenidas mediante los métodos NIRAS y NSIRAS proporcionan un comportamiento promedio y no permiten derivar las variaciones del módulo elástico en un solo ciclo de vibración. Actualmente, la técnica DAET es la única que permite investigar todo el rango de fenómenos no lineales en el material. Por otra parte, a diferencia de otras técnicas DAET, en este estudio se emplea como contraste una onda continua. El uso de una onda continua permite investigar las variaciones relativas del módulo elástico, para una señal transito[CA] L'assaig de determinació de les freqüències de ressonància ha sigut tradicionalment empleat per a determinar la integritat mecànica de testimonis de formigó, en l'avaluació de la conformitat de mescles de formigó en diversos assajos de durabilitat, i en la terminació de propietats constitutives com són el mòdul elàstic i el factor d'amortiment. Esta tècnica no destructiva ha sigut àmpliament apel·lada per a l'avaluació de les propietats mecàniques en tot tipus d'assajos de durabilitat. L'evolució del dany és comunament avaluada a partir de la reducció del mòdul dinàmic, produït com resultat de qualsevol procés de fisuración. No obstant això, el comportament mecànic del formigó és intrínsecament no lineal i presenta histèresi. Com resultat d'un comportament tensió-deformació amb histèresi, el mòdul elàstic depén de la deformació. En assajos dinàmics, la no linealitat del material es manifesta per una disminució de les freqüències de ressonància, la qual és inversament proporcional a l'amplitud d'excitació. Este fenomen és normalment denominat com a dinàmica ràpida. Una vegada l'excitació cessa, el material experimenta un procés de relaxació pel qual, el mòdul elàstic és restaurat a aquell en situació de repòs. Este fenomen és denominat com a dinàmica lenta. Estos fenòmens --dinámicas ràpida i lenta troben el seu origen en la fricció interna del material. Per tant, en materials basats en ciment, la presència de microfissures i les interfícies entre els seus constituents juguen un rol important en la no linealitat mecànica del material. En el context d'avaluació de la durabilitat del formigó, l'evolució del dany està basada en l'increment d'histèresi, com resultat de qualsevol procés de fisuración. En esta tesi s'investiguen tres tècniques diferents les quals utilitzen l'impacte com a mitjà d'excitació de les freqüències de ressonància. La primera tècnica consistix a determinar les freqüències de ressonància a diferents energies d'impacte. La tècnica és denominada en anglés: Nonlinear Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NIRAS). Esta consistix a relacionar el detriment que el material experimenta en les seues freqüències de ressonància, amb l'augment de l'amplitud de l'excitació. La segona tècnica consistix a investigar el comportament no lineal per mitjà de l'anàlisi del senyal corresponent a un sol impacte. Esta consistix a determinar les propietats instantànies de freqüència, atenuació i amplitud. Esta tècnica es denomina, en anglés, Nonlinear Single Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NSIRAS). Es proposen dos tècniques d'extracció del comportament no lineal per mitjà de l'anàlisi de les variacions instantànies de freqüència i atenuació. La primera tècnica consistix en la discretización de la variació de la freqüència amb el temps, per mitjà d'una anàlisi basat en Short-Time Fourier Transform (STFT). La segona tècnica consistix en un ajust per mínims quadrats dels senyals de vibració a un model que considera les variacions de freqüència i atenuació amb el temps. La tercera tècnica empleada en esta tesi pot ser empleada per a l'avaluació d'estructures in situ. La tècnica es tracta d'un assaig acusto-elástico en règim dinàmic. En anglés Dynamic Acousto-Elastic Test (DAET). Les variacions del mòdul elàstic obtingudes per mitjà dels mètodes NIRAS i NSIRAS proporcionen un comportament mitjà i no permeten derivar les variacions del mòdul elàstic en un sol cicle de vibració. Actualment, la tècnica DAET és l'única que permet investigar tot el rang de fenòmens no lineals en el material. D'altra banda, a diferència d'altres tècniques DAET, en este estudi s'empra com contrast una ona contínua. L'ús d'una ona contínua permet investigar les variacions relatives del mòdul elàstic, per a un senyal transitori. A més, permet la inspecció d'elements per mitjà de l'accés per una sola cara.Eiras Fernández, JN. (2016). Studies on nonlinear mechanical wave behavior to characterize cement based materials and its durability [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/71439TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

Novel Analytical Methods in Food Analysis

This reprint provides information on the novel analytical methods used to address challenges occurring at academic, regulatory, and commercial level. All topics covered include information on the basic principles, procedures, advantages, limitations, and applications. Integration of biological reagents, (nano)materials, technologies, and physical principles (spectroscopy and spectrometry) are discussed. This reprint is ideal for professionals of the food industry, regulatory bodies, as well as researchers