From microscopy data to in silico environments for in vivo-oriented simulations

In our previous study, we introduced a combination methodology of Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) and Transmission Electron Microscopy (TEM), which is powerful to investigate the effect of intracellular environment to biochemical reaction processes. Now, we developed a reconstruction method of realistic simulation spaces based on our TEM images. Interactive raytracing visualization of this space allows the perception of the overall 3D structure, which is not directly accessible from 2D TEM images. Simulation results show that the diffusion in such generated structures strongly depends on image post-processing. Frayed structures corresponding to noisy images hinder the diffusion much stronger than smooth surfaces from denoised images. This means that the correct identification of noise or structure is significant to reconstruct appropriate reaction environment in silico in order to estimate realistic behaviors of reactants in vivo. Static structures lead to anomalous diffusion due to the partial confinement. In contrast, mobile crowding agents do not lead to anomalous diffusion at moderate crowding levels. By varying the mobility of these non-reactive obstacles (NRO), we estimated the relationship between NRO diffusion coefficient (Dnro) and the anomaly in the tracer diffusion (α). For Dnro=21.96 to 44.49 μ m2/s, the simulation results match the anomaly obtained from FCS measurements. This range of the diffusion coefficient from simulations is compatible with the range of the diffusion coefficient of structural proteins in the cytoplasm. In addition, we investigated the relationship between the radius of NRO and anomalous diffusion coefficient of tracers by the comparison between different simulations. The radius of NRO has to be 58 nm when the polymer moves with the same diffusion speed as a reactant, which is close to the radius of functional protein complexes in a cell.ISSN:1687-4145ISSN:1687-415

A Design Exploration of Affective Gaming

Physiological sensing has been a prominent fixture in games user research (GUR) since the late 1990s, when researchers began to explore its potential to enhance and understand experience within digital game play. Since these early days, it has been widely argued that “affective gaming”—in which gameplay is influenced by a player’s emotional state—can enhance player experience by integrating physiological sensors into play. In this thesis, I conduct a design exploration of the field of affective gaming by first, systematically exploring the field and creating a framework (the affective game loop) to classify existing literature; and second by presenting two design probes, to probe and explore the design space of affective games contextualized within the affective game loop: In the Same Boat and Commons Sense. The systematic review explored this unique design space of affective gaming, opening up future avenues for exploration. The affective game loop was created as a way to classify the physiological signals and sensors most commonly used in prior literature within the context of how they are mapped into the gameplay itself. Findings suggest that the physiological input mappings can be more action-based (e.g., affecting mechanics in the game such as the movement of the character) or more context-based (e.g., affecting things like environmental or difficulty variables in the game). Findings also suggested that while the field has been around for decades, there is still yet to be any commercial successes, so does physiological interaction really heighten player experience? This question instigated the design of the two probes, exploring ways to implement these mappings and effectively heighten player experience. In the Same Boat (Design Probe One) is an embodied mirroring game designed to promote an intimate interaction, using players’ breathing rate and facial expressions to control movement of a canoe down a river. Findings suggest that playing In the Same Boat fostered the development of affiliation between the players, and that while embodied controls were less intuitive, people enjoyed them more, indicating the potential of embodied controls to foster social closeness in synchronized play over a distance. Commons Sense (Design Probe Two) is a communication modality intended to heighten audience engagement and effectively capture and communicate the audience experience, using a webcam-based heart rate detection software that takes an average of each spectator’s heart rate as input to affect in-game variables such as lighting and sound design, and game difficulty. Findings suggest that Commons Sense successfully facilitated the communication of audience response in an online entertainment context—where these social cues and signals are inherently diminished. In addition, Commons Sense is a communication modality that can both enhance a play experience while offering a novel way to communicate. Overall, findings from this design exploration shows that affective games offer a novel way to deliver a rich gameplay experience for the player

DISPOSITIVOS VESTÍVEIS APLICADOS NO ENSINO

A grande evasão e retenção de alunos em cursos de computação é uma realidade no Brasil. A forte rejeição dos alunos ingressantes pelas áreas de ciências exatas e a manutenção de métodos tradicionais de ensino, mesmo com tantos recursos tecnológicos disponíveis são fatores que influenciam a evasão e retenção. Dispositivos vestíveis ganham espaço atualmente em tarefas relacionadas ao esporte, saúde e educação. Aliar esse tipo de tecnologia em sala de aula, a fim de promover experiências práticas e discussões sobre a teoria é uma ação promissora. Esse artigo demonstra dois projetos de dispositivos vestíveis e suas experiências práticas. O primeiro permite aos alunos enxergar a relação de integrais com a distância percorrida por um corpo. O outro mostra uma aplicação prática do monitoramento de frequência cardíaca dos usuários.   PALAVRAS-CHAVE: dispositivos vestíveis; educação; acelerômetro; frequência cardíaca; cálculo diferencial e integral.   ABSTRACT The big evasion and retention of students in computer science graduation is a reality in the Brazil. The strong rejection from students of science fields and the same traditional learning methods, even with several technological resources available are factors that influence the retention and evasion. Wearable Devices earn visibility nowadays in tasks related to sports, health and education. Allying this kind of technology in class, with the aim to promote practical experiences and discussions about the theory involved is a promising action. This paper shows two projects of wearable devices and their practical experiences. The first allows students to view the relation of integral (calculus) with the distance traveled by a body. The other shows a practical application of monitoring the heart rate from users.   KEYWORDS: wearable devices; education; acelerometer; heart rate; diferential and integral calculus.   RESUMEN La gran evasión y retención de alumnos en cursos de Computación es una realidad en Brasil. El fuerte rechazo de los alumnos ingresados ​​por las áreas de ciencias exactas y el mantenimiento de métodos tradicionales de enseñanza, incluso con tantos recursos tecnológicos disponibles, son factores que influyen en la evasión y retención. Los dispositivos vestibles ganan espacio actualmente en tareas relacionadas con el deporte, la salud y la educación. Agregar este tipo de tecnología en el aula, a fin de promover experiencias prácticas y discusiones sobre la teoría es una acción prometedora. Este artículo demuestra dos proyectos de dispositivos vestibles y sus experiencias prácticas. El primero permite a los alumnos ver la relación de integrales con la distancia recorrida por un cuerpo. El otro muestra una aplicación práctica del monitoreo de frecuencia cardíaca de los usuarios.   PALABRAS CLAVE: dispositivos portátiles; educación; frecuencia cardiaca; acelerómetro; calculo diferencial y integral

Signal processing for the measurement of the results of the timed-up and go test using sensors

Dissertação de Mestrado apresentada à Escola Superior de Tecnologia do Instituto Politécnico de Castelo Branco para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Desenvolvimento de Software e Sistemas Interativos.Os recentes avanços tecnológicos e o crescente uso dos dispositivos móveis tem permitido o surgimento de vários estudos em diferentes áreas da vida humana. Estes dispositivos estão equipados com diversos sensores que permitem adquirir diferentes parâmetros físicos e fisiológicos de diferentes indivíduos. Os dispositivos móveis apresentam-se com cada vez mais soluções, funcionalidades e capacidade de processamento. A presença de sensores nos dispositivos móveis, como o acelerómetro, magnetómetro e giroscópio, permite a aquisição de sinais relacionados com atividade física e movimento do ser humano. Em acréscimo, dado que estes dispositivos incluem possibilidade de ligação via Bluetooth, outros sensores podem ser utilizados em conjunto com os sensores incluídos no dispositivo móvel. O desenvolvimento deste tipo de sistemas inteligentes com sensores é um dos temas abordados no desenvolvimento de sistemas de Ambient Assisted Living (AAL). Diversas áreas da medicina têm beneficiado com estes avanços, proporcionando cuidados de saúde à distância, mas o foco desta dissertação é um dos testes funcionais focados na fisioterapia, o Timed-Up and Go test. O Timed-Up and Go test define-se como um teste muito utilizado por fisioterapeutas na recuperação de lesões e é constituído por seis fases, onde o individuo se encontra sentado numa cadeira, levanta-se, caminha três metros, inverte a marcha, caminha três metros e volta a sentar-se na cadeira. O âmbito desta dissertação consiste na análise estatística e com inteligência artificial dos dados recolhidos durante a execução do Timed-Up and Go test com recurso a diversos sensores, sendo que para isso foi desenvolvida uma aplicação móvel que permite adquirir os dados de diversos sensores durante a execução do teste com pessoas idosas institucionalizadas. A dissertação foca-se na criação de um método de análise dos resultados do Timed-Up and Go test com recurso ao acelerómetro e magnetómetro do dispositivo móvel e um sensor de pressão, ligado a um dispositivo BITalino, posicionado na cadeira. Ao mesmo tempo, foram recolhidos sinais de sensores de Eletrocardiografia e Eletroencefalografia, conectados a outro dispositivo BITalino, para análise de diferentes problemas de saúde. Assim, implementaram-se métodos estatísticos e de inteligência artificial para a análise dos dados recolhidos a partir destes sensores com recurso ao procedimento experimental inicialmente executado. Inicialmente, foi realizada a revisão da literatura relacionada com o Timed- Up and Go test e o uso de sensores, sendo que a revisão de literatura terminou com a identificação das doenças passíveis de serem identificadas com recurso aos sensores inerciais. Seguidamente, apresentou-se a proposta de arquitetura a ser utilizada para a recolha dos dados, tendo em conta os sensores anteriormente referidos. Os dados presentes neste estudo foram recolhidos de 40 idosos institucionalizados da região do Fundão (Portugal), equipados com um dispositivo móvel e um dispositivo BITalino, bem como os restantes sensores. Por fim, passou-se então à análise dos dados recolhidos que foi dividida em 3 estágios, começando pela análise do acelerómetro, magnetómetro e sensor de pressão para identificação dos parâmetros do Timed-Up and Go test, utilizando métodos estatísticos para a análise dos dados recolhidos. No segundo estágio foram implementados métodos estatísticos para correlacionar as doenças passiveis de serem detetadas por sensores de Eletrocardiografia e Eletroencefalografia. Por fim, no terceiro estágio foram implementados métodos de inteligência artificial, i.e., redes neuronais artificiais, para relacionar as doenças do foro cardíaco e nervoso com os dados dos diferentes indivíduos de modo a aferir as suas características. Como trabalho futuro, os resultados apresentados nesta dissertação podem servir para a criação de sistemas de baixo-custo, e de acesso a todos os cidadãos, que permitam a deteção mais atempada de determinados distúrbios e possam servir de auxílio aos profissionais de saúde no diagnóstico e tratamento de doenças

Low-Cost Sensors and Biological Signals

Many sensors are currently available at prices lower than USD 100 and cover a wide range of biological signals: motion, muscle activity, heart rate, etc. Such low-cost sensors have metrological features allowing them to be used in everyday life and clinical applications, where gold-standard material is both too expensive and time-consuming to be used. The selected papers present current applications of low-cost sensors in domains such as physiotherapy, rehabilitation, and affective technologies. The results cover various aspects of low-cost sensor technology from hardware design to software optimization

Anuário Científico – 2011 Resumos de Artigos, Comunicações, Livros e Monografias de Mestrado

Há mais de uma década que o ISEL vem firmando a sua aposta na busca e na divulgação do conhecimento científico na área da Engenharia, assentes na inovação e no desenvolvimento de novas tecnologias, procurando que os resultados alcançados nos projetos de investigação tenham impacto na indústria e na vida dos cidadãos como forma de responder às necessidades cada vez mais complexas e exigentes da sociedade no seu todo. Nesta relação, o ISEL tem contribuído para a evolução da produção e do conhecimento científicos, assumindo, por vezes numa posição de vanguarda, ora em iniciativa própria ora em parceria com diversas instituições, quer de ensino quer do tecido empresarial. Como forma de dar visibilidade ao trabalho desenvolvido pelos docentes (com afiliação ISEL) e alunos do ISEL, o Anuário Científico tornou-se num meio de divulgação privilegiado, estando disponível em acesso livre a toda a comunidade científica mas também a todos os cidadãos, podendo ser consultado em formato eletrónico no sítio institucional do ISEL, bem como no Repositório Científico do Instituto Polítécnico de Lisboa.1 Fazendo uma análise comparativa em relação às publicações referentes a 2009 e a 2010, constata-se que o número de publicações duplicou em 2011

Sensing and Signal Processing in Smart Healthcare

In the last decade, we have witnessed the rapid development of electronic technologies that are transforming our daily lives. Such technologies are often integrated with various sensors that facilitate the collection of human motion and physiological data and are equipped with wireless communication modules such as Bluetooth, radio frequency identification, and near-field communication. In smart healthcare applications, designing ergonomic and intuitive human–computer interfaces is crucial because a system that is not easy to use will create a huge obstacle to adoption and may significantly reduce the efficacy of the solution. Signal and data processing is another important consideration in smart healthcare applications because it must ensure high accuracy with a high level of confidence in order for the applications to be useful for clinicians in making diagnosis and treatment decisions. This Special Issue is a collection of 10 articles selected from a total of 26 contributions. These contributions span the areas of signal processing and smart healthcare systems mostly contributed by authors from Europe, including Italy, Spain, France, Portugal, Romania, Sweden, and Netherlands. Authors from China, Korea, Taiwan, Indonesia, and Ecuador are also included

Políticas de Copyright de Publicações Científicas em Repositórios Institucionais: O Caso do INESC TEC

A progressiva transformação das práticas científicas, impulsionada pelo desenvolvimento das novas Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC), têm possibilitado aumentar o acesso à informação, caminhando gradualmente para uma abertura do ciclo de pesquisa. Isto permitirá resolver a longo prazo uma adversidade que se tem colocado aos investigadores, que passa pela existência de barreiras que limitam as condições de acesso, sejam estas geográficas ou financeiras. Apesar da produção científica ser dominada, maioritariamente, por grandes editoras comerciais, estando sujeita às regras por estas impostas, o Movimento do Acesso Aberto cuja primeira declaração pública, a Declaração de Budapeste (BOAI), é de 2002, vem propor alterações significativas que beneficiam os autores e os leitores. Este Movimento vem a ganhar importância em Portugal desde 2003, com a constituição do primeiro repositório institucional a nível nacional. Os repositórios institucionais surgiram como uma ferramenta de divulgação da produção científica de uma instituição, com o intuito de permitir abrir aos resultados da investigação, quer antes da publicação e do próprio processo de arbitragem (preprint), quer depois (postprint), e, consequentemente, aumentar a visibilidade do trabalho desenvolvido por um investigador e a respetiva instituição. O estudo apresentado, que passou por uma análise das políticas de copyright das publicações científicas mais relevantes do INESC TEC, permitiu não só perceber que as editoras adotam cada vez mais políticas que possibilitam o auto-arquivo das publicações em repositórios institucionais, como também que existe todo um trabalho de sensibilização a percorrer, não só para os investigadores, como para a instituição e toda a sociedade. A produção de um conjunto de recomendações, que passam pela implementação de uma política institucional que incentive o auto-arquivo das publicações desenvolvidas no âmbito institucional no repositório, serve como mote para uma maior valorização da produção científica do INESC TEC.The progressive transformation of scientific practices, driven by the development of new Information and Communication Technologies (ICT), which made it possible to increase access to information, gradually moving towards an opening of the research cycle. This opening makes it possible to resolve, in the long term, the adversity that has been placed on researchers, which involves the existence of barriers that limit access conditions, whether geographical or financial. Although large commercial publishers predominantly dominate scientific production and subject it to the rules imposed by them, the Open Access movement whose first public declaration, the Budapest Declaration (BOAI), was in 2002, proposes significant changes that benefit the authors and the readers. This Movement has gained importance in Portugal since 2003, with the constitution of the first institutional repository at the national level. Institutional repositories have emerged as a tool for disseminating the scientific production of an institution to open the results of the research, both before publication and the preprint process and postprint, increase the visibility of work done by an investigator and his or her institution. The present study, which underwent an analysis of the copyright policies of INESC TEC most relevant scientific publications, allowed not only to realize that publishers are increasingly adopting policies that make it possible to self-archive publications in institutional repositories, all the work of raising awareness, not only for researchers but also for the institution and the whole society. The production of a set of recommendations, which go through the implementation of an institutional policy that encourages the self-archiving of the publications developed in the institutional scope in the repository, serves as a motto for a greater appreciation of the scientific production of INESC TEC

Anuário Científico – 2009 & 2010 Resumos de Artigos, Comunicações, Teses, Patentes, Livros e Monografias de Mestrado

O Conselho Técnico-Científico do Instituto Superior de Engenharia de Lisboa (ISEL), na senda da consolidação da divulgação do conhecimento e da ciência desenvolvidos pelo nosso corpo docente, propõe-se publicar mais uma edição do Anuário Científico, relativa à produção científica de 2009 e 2010. A investigação, enquanto vertente estratégica do Instituto Superior de Engenharia de Lisboa (ISEL), tem concorrido para o seu reconhecimento nacional e internacional como instituição de referência e de qualidade na área do ensino das engenharias. É também nesta vertente que o ISEL consubstancia a sua ligação à sociedade portuguesa e internacional através da transferência de tecnologia e de conhecimento, resultantes da sua atividade científica e pedagógica, contribuindo para o seu desenvolvimento e crescimento de forma sustentada. São parte integrante do Anuário Científico todos os conteúdos com afiliação ISEL resultantes de resumos de artigos publicados em livros, revistas e atas de congressos que os docentes do ISEL apresentaram em fóruns e congressos nacionais e internacionais, bem como teses e patentes. Desde 2002, ano da publicação da primeira edição, temos assistido a uma evolução crescente do número de publicações de conteúdos científicos, fruto do trabalho desenvolvido pelos docentes que se têm empenhado com afinco e perseverança. Contudo, nestes dois anos (2009 e 2010) constatou-se um decréscimo no número de publicações, principalmente em 2010. Uma das causas poderá estar diretamente relacionada com a redução do financiamento ao ensino superior uma vez que limita toda a investigação no âmbito da atividade de I&D e da produção científica. Na sequência da implementação do Processo de Bolonha em 2006, o ISEL promoveu a criação de cursos de Mestrado disponibilizando uma oferta educativa mais completa e diversificada aos seus alunos, mas também de outras instituições, dotando-os de competências inovadoras apropriadas ao mercado de trabalho que hoje se carateriza mais competitivo e dinâmico. Terminados os períodos escolar e de execução das monografias dos alunos, os resumos destas são igualmente parte integrante deste Anuário, no que concerne à conclusão dos Mestrados em 2009 e 2010.A fim de permitir uma maior acessibilidade à comunidade científica e à sociedade civil, o Anuário Científico será editado de ora avante em formato eletrónico. Excecionalmente esta edição contempla publicações referentes a dois anos – 2009 e 2010

State of the art of audio- and video based solutions for AAL

Working Group 3. Audio- and Video-based AAL ApplicationsIt is a matter of fact that Europe is facing more and more crucial challenges regarding health and social care due to the demographic change and the current economic context. The recent COVID-19 pandemic has stressed this situation even further, thus highlighting the need for taking action. Active and Assisted Living (AAL) technologies come as a viable approach to help facing these challenges, thanks to the high potential they have in enabling remote care and support. Broadly speaking, AAL can be referred to as the use of innovative and advanced Information and Communication Technologies to create supportive, inclusive and empowering applications and environments that enable older, impaired or frail people to live independently and stay active longer in society. AAL capitalizes on the growing pervasiveness and effectiveness of sensing and computing facilities to supply the persons in need with smart assistance, by responding to their necessities of autonomy, independence, comfort, security and safety. The application scenarios addressed by AAL are complex, due to the inherent heterogeneity of the end-user population, their living arrangements, and their physical conditions or impairment. Despite aiming at diverse goals, AAL systems should share some common characteristics. They are designed to provide support in daily life in an invisible, unobtrusive and user-friendly manner. Moreover, they are conceived to be intelligent, to be able to learn and adapt to the requirements and requests of the assisted people, and to synchronise with their specific needs. Nevertheless, to ensure the uptake of AAL in society, potential users must be willing to use AAL applications and to integrate them in their daily environments and lives. In this respect, video- and audio-based AAL applications have several advantages, in terms of unobtrusiveness and information richness. Indeed, cameras and microphones are far less obtrusive with respect to the hindrance other wearable sensors may cause to one’s activities. In addition, a single camera placed in a room can record most of the activities performed in the room, thus replacing many other non-visual sensors. Currently, video-based applications are effective in recognising and monitoring the activities, the movements, and the overall conditions of the assisted individuals as well as to assess their vital parameters (e.g., heart rate, respiratory rate). Similarly, audio sensors have the potential to become one of the most important modalities for interaction with AAL systems, as they can have a large range of sensing, do not require physical presence at a particular location and are physically intangible. Moreover, relevant information about individuals’ activities and health status can derive from processing audio signals (e.g., speech recordings). Nevertheless, as the other side of the coin, cameras and microphones are often perceived as the most intrusive technologies from the viewpoint of the privacy of the monitored individuals. This is due to the richness of the information these technologies convey and the intimate setting where they may be deployed. Solutions able to ensure privacy preservation by context and by design, as well as to ensure high legal and ethical standards are in high demand. After the review of the current state of play and the discussion in GoodBrother, we may claim that the first solutions in this direction are starting to appear in the literature. A multidisciplinary 4 debate among experts and stakeholders is paving the way towards AAL ensuring ergonomics, usability, acceptance and privacy preservation. The DIANA, PAAL, and VisuAAL projects are examples of this fresh approach. This report provides the reader with a review of the most recent advances in audio- and video-based monitoring technologies for AAL. It has been drafted as a collective effort of WG3 to supply an introduction to AAL, its evolution over time and its main functional and technological underpinnings. In this respect, the report contributes to the field with the outline of a new generation of ethical-aware AAL technologies and a proposal for a novel comprehensive taxonomy of AAL systems and applications. Moreover, the report allows non-technical readers to gather an overview of the main components of an AAL system and how these function and interact with the end-users. The report illustrates the state of the art of the most successful AAL applications and functions based on audio and video data, namely (i) lifelogging and self-monitoring, (ii) remote monitoring of vital signs, (iii) emotional state recognition, (iv) food intake monitoring, activity and behaviour recognition, (v) activity and personal assistance, (vi) gesture recognition, (vii) fall detection and prevention, (viii) mobility assessment and frailty recognition, and (ix) cognitive and motor rehabilitation. For these application scenarios, the report illustrates the state of play in terms of scientific advances, available products and research project. The open challenges are also highlighted. The report ends with an overview of the challenges, the hindrances and the opportunities posed by the uptake in real world settings of AAL technologies. In this respect, the report illustrates the current procedural and technological approaches to cope with acceptability, usability and trust in the AAL technology, by surveying strategies and approaches to co-design, to privacy preservation in video and audio data, to transparency and explainability in data processing, and to data transmission and communication. User acceptance and ethical considerations are also debated. Finally, the potentials coming from the silver economy are overviewed.publishedVersio