Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones

Metamaterial lens design with resonant rings for application in medical imaging of Magnetic Resonance

RESUMEN El presente artículo propone el diseño de dos prototipos de lentes metamateriales magnéticas empleando anillos resonadores. La estructura elegida es basada en resonadores CLR por sus siglas en inglés (capacitively loaded rings). Los diseños se conciben como guías de onda, con la finalidad de disminuir el efecto del campo eléctrico que provoca el aumento de la Relación Señal-Ruido en la bobina para animales (Volume Resonator ID35OD119 of Rapid Biomedical GmbH). Esta bobina se emplea para obtener imágenes de ratas en ensayos no clínicos. Para ello se empleó el equipo de imágenes por resonancia magnética Siemens Magnetón Allegra 3T del Centro de Neurociencias de Cuba a una frecuencia de Larmor de 123.3 MHz.

ABSTRACT This article proposes the design of two prototypes of magnetic metamaterial lens using rings resonator. The chosen structure is based on CLR resonator (capacitively loaded rings). The designs are conceived as wave guides, in order to reduce the effect of the electric field that causes the increase Signal-Noise Ratio in the coil for animals (Volume Resonator IDR5OD119 from Rapid Biomedical GmbH). This coil is used to obtain images of rats in non-clinical trials. The Siemens Magneton Allegra 3T Magnetic Resonance Imaging equipment was used from the Cuban Neuroscience Center at Larmor frequency of 123.3 MHz.

OTFS performance analysis to improve architecture flexibility for 6G

RESUMEN En el presente artículo se hace un estudio sobre la modulación en el espacio de tiempo-frecuencia ortogonal (OTFS) y su influencia en el desarrollo de las redes inalámbricas, para lograr una mayor transmisión de datos, flexibilidad y confiabilidad para el despliegue de la sexta generación (6G), por los beneficios que puede brindar esta modulación para entornos con dispersión de alta frecuencia. Ofreciendo la posibilidad de abarcar retrasos localizados y degradaciones Doppler, convirtiendo los canales selectivos de tiempo-frecuencia (TF), en un canal invariante en el dominio de retardo-Doppler (DD). Esto será posible gracias a que es un nuevo esquema de modulación bidimensional (2D), donde los símbolos de información se multiplexan en el dominio DD en lugar del dominio de TF, en relación a las técnicas de modulación tradicionales. Definiendo los desafíos de seguridad y privacidad que pueden surgir para la nueva arquitectura de red, aplicaciones y tecnologías habilitadoras, ante lo nuevos requisitos que se establecerán para la 6G. El estudio se realiza con el propósito de mejorar la transmisión de datos, por ser esta una tecnología clave para abordar problemas similares en futuros sistemas masivos de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO), por la capacidad que brinda esta modulación de transformar un canal que se desvanece aleatoriamente dentro del espacio de tiempo frecuencia en un canal estacionario, no aleatorio y sin desvanecimiento, entre el transmisor y el receptor.

ABSTRACT This article makes a study on the modulation in the orthogonal time-frequency space (OTFS) and its influence on the development of wireless networks, to achieve greater data transmission, flexibility, and reliability for the deployment of the sixth generation (6G), due to the benefits that this modulation can provide for environments with high-frequency dispersion. Offering the possibility of covering localized delays and Doppler degradations, converting the selective time-frequency (TF) channels into an invariant channel in the delay-Doppler domain (DD). This will be possible thanks to the fact that it is a new two-dimensional (2D) modulation scheme, where the information symbols are multiplexed in the DD domain instead of the TF domain, about traditional modulation techniques. Defining the security and privacy challenges that may arise for the new network architecture, applications, and enabling technologies, given the new requirements that will be established for 6G. The study is carried out to improve data transmission, as this is a key technology to address similar problems in future massive multiple-input and multiple-output (MIMO) systems, due to the ability provided by this modulation to transform a channel that randomly fades within the frequency-time slot on a non-random, non-fading stationary channel between the transmitter and receiver.

Detección de rotura del conductor en el sistema de distribución mediante tensión de secuencia negative

Este artículo analiza la eficiencia de la Tensión de Secuencia Negativa (TSN) aplicada a la detección y distinción de la rotura del conductor, en comparación con otras perturbaciones de tensión y conmutación que ocurren comúnmente en el Sistema de Distribución (SD). La metodología aplicada es sencilla y práctica para ser implementada en los SDs. El sistema de distribución utilizado para extraer las características de las señales de voltaje fue el alimentador de prueba de la IEEE 34 nodos, que se modeló utilizando el software ATPTM. Utilizando el software Octave, se agregó un ruido gaussiano blanco a las señales trifásicas y el método se considera inmune al ruido. En seguida, la señal se filtró a través de un filtro Butterworth de segundo orden con una frecuencia de corte de 180 Hz. Posteriormente, los voltajes trifásicos filtrados VA, VB y VC se dividieron en ventanas en cada ciclo (γ), con una frecuencia de muestreo de 128 muestras por ciclo. A continuación, los fasores se calcularon utilizando la Transformada Rápida de Fourier. Finalmente, con la intención de lograr el menor número de implementación de dispositivos de medición y así reducir los costes operativos del sistema, el sistema de distribución se implementó en el software GAMS que, mediante un proceso iterativo, establece que todos los nodos del sistema son visibles usando el mínimo número de medidores de tensión. El análisis de los resultados indica que la detección y distinción de la rotura del conductor a través del TSN ocurrió de manera eficiente, distinguiéndola de otros eventos del sistema, por lo tanto, muestra una metodología eficiente, robusta y confiable para ayudar en la corrección de perturbaciones en el sistema eléctrico, proporcionando mayor confiabilidad y calidad en el SD.

ABSTRACT This paper analyzes the efficiency of Negative Sequence Voltage (NSV) applied to the detection and distinction of the Conductor Break, compared to other voltage disturbances and switching that commonly occur in the Distribution System (DS). The methodology applied is simple and practical to be implemented in DSs. The distribution system used to extract characteristics of the voltage signals was the IEEE 34 nodes test feeder, which was modeled using the ATPTM software. Using Octave software, a white Gaussian noise was added to the three-phase signals and the method is considered immune to noise. Then, the signal was filtered through a second order Butterworth filter with cut-off frequency of 180 Hz. Posteriorly, the filtered three-phase voltages V A , V B and V C were windowed at each cycle (γ), with a sample rate of 128 samples per cycle. Then, the phasors were calculated using the Fast Fourier Transform. Finally, in order to achieve the lowest number of measuring devices implementation and thus reduce system operating costs, the distribution system was implemented in the GAMS software which, through an iterative process, provides that all system buses are observable using the minimum number of voltage meters. Analysis of the results indicates that the detection and distinction of the conductor break through the NSV occurred efficiently, distinguishing it from other system events using only two meters in the test system used in this paper, therefore, showing an efficient, robust and reliable methodology to aid in the correction of disturbances in the electrical system, providing greater reliability and quality in DS.

Ring artifacts reduction in computed tomography

RESUMEN La tomografía computarizada es una técnica no invasiva ampliamente utilizada para la detección de problemas de salud. La calidad de imagen puede ser afectada por artefactos de anillos debidos a la falta de homogeneidad en los detectores del tomógrafo. En esta investigación se comparan siete métodos para la reducción de artefactos de anillos: Métodos de variaciones totales (TV), Variación total unidireccional (UTV), Modelo disperso direccional con filtrado L0 (DL0SM), Modelo de variación total-espectral anisótropo (ASSTV), Descomposición de imagen de bajo rango (LRSID), Método estático (SGE) y Método de filtrado por transformadas de Wavelet y Fourier (WF). Estos métodos se basan en la transformación del plano cartesiano al polar con centro de rotación en el centro de los mismos, los cuales son trasformados a líneas y luego estas son reducidas. Fueron programados en lenguaje Matlab. Su desempeño fue evaluado a partir del análisis de cuatro métricas objetivas de calidad de imagen y el criterio subjetivo de dos especialistas. Se demostró que el método de mejor desempeño entre los probados es el denominado UTV.

ABSTRACT Computed tomography is a widely used non-invasive technique for the detection of health problems. Image quality can be affected by ring artifacts due to inhomogeneities in the scanner's detectors. In this research, seven methods for ring artifact reduction were compared: Total Variation Methods (TV), Unidirectional Total Variation (UTV), Directional Sparse Model with L0 Filtering (DL0SM), Anisotropic Total-Spectral Variation Model (ASSTV), Low Range Image Decomposition (LRSID), a Static Method (SGE) and Wavelet and Fourier Transform Filtering (WF) method. These methods are based on the transformation of the Cartesian plane to the polar one with the center of rotation in the center of the same, which are transformed into lines and then these are reduced. They were programmed in MATLAB. Its performance is evaluated from the analysis of four objective image quality metrics, and the subjective criteria of two specialists. It was shown that the method with the best performance among those tested is the so-called UTV.

Water quality monitoring in rural drinking water system

RESUMEN El procedimiento existente para analizar la potabilidad y niveles de contaminación de los sistemas de Agua Potable Rural (APR) presenta deficiencias como solo un muestreo mensual, bajo presupuesto y sistema sin vigilancia continua. Este trabajo propone un sistema de análisis y monitoreo en tiempo real de las principales variables que determinan la calidad del agua potable en una APR, sistema de bajo costo capaz de entregar información oportuna. Para lograrlo, se abordan las principales variables que determinan la calidad del agua potable, los sensores adecuados, el sistema de comunicación, la programación, la obtención de un sensor virtual microbiológico basado en inteligencia artificial, el procesamiento de datos en la nube y se validan los resultados a nivel de prototipo. Los sensores empleados son de pH, conductividad, turbidez, sólidos disueltos totales (TDS), temperatura y potencial de reducción de la oxidación (ORP). Para el análisis microbiológico, factor importante y complejo, los sensores poseen un costo inalcanzable para las APR. Aquí se emplea un sensor virtual inteligente basado en sistema difuso para determinar posible contaminación microbiológica, que emplea como entradas los valores de turbidez, ORP, temperatura y TDS. La adquisición de datos se realiza con sistema IoT de bajo costo, un Arduino y una RaspberryPi. Para la programación se emplea Node Red, para computación en la nube se emplea la plataforma IMB Cloud y para la comunicación se emplea red 3G de compañía Entel. Finalmente, se implementa un prototipo donde se comprueba el funcionamiento adecuado de todo el sistema.

ABSTRACT The existing procedure to analyze the potability and contamination levels of the Rural Potable Water (APR) systems has deficiencies such as only a monthly sampling, low budget and a system without continuous surveillance. This work proposes a real-time analysis and monitoring system of the main variables that determine the quality of drinking water in an APR, a low-cost system capable of delivering timely information. To achieve this, the main variables that determine the quality of drinking water are addressed, the appropriate sensors, the communication system, programming, obtaining a virtual microbiological sensor based on artificial intelligence, data processing in the cloud and validated the results at the prototype level. The sensors used are pH, conductivity, turbidity, total dissolved solids (TDS), temperature and oxidation reduction potential (ORP). For microbiological analysis, an important and complex factor, the indicated sensors have an unattainable cost for APRs. Here we propose an intelligent virtual sensor based on a fuzzy system to determine possible microbiological contamination, which uses turbidity, ORP, temperature and TDS values as inputs. Data acquisition is done with the low cost IoT system, an Arduino and a RaspberryPi. Node Red is used for programming, the IMB Cloud platform is used for cloud computing, and Entel's 3G network is used for communication. Finally, a prototype is implemented where the proper functioning of the entire system is checked.

Longitudinal MRI processing to document the effect of drugs in clinical trials

RESUMEN En Cuba se producen medicamentos para tratar diferentes enfermedades. Por tanto, es necesario identificar y validar biomarcadores que permitan evaluar el curso natural de la enfermedad y el efecto en el tiempo de los fármacos utilizados durante los ensayos clínicos. El objetivo es establecer una metodología automática para el cálculo longitudinal de las estructuras cerebrales para estudiar las imágenes de resonancia magnética de los sujetos que participan en estos ensayos. Participaron 20 sujetos cubanos diagnosticados con Enfermedad de Alzheimer (EA) y 20 individuos sanos de la base de datos internacional ADNI 3 (en inglés, Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative), ambos grupos estudiados dos veces en un año. Los pasos para la cuantificación volumétrica longitudinal del hipocampo se establecieron para FreeSurfer 6.0. El pipeline se validó al no encontrar diferencias significativas entre los resultados del método desarrollado con los reportados por ADNI 3. Se encontraron diferencias significativas entre el cambio porcentual anual y el índice de asimetría del hipocampo entre sujetos sanos y enfermos. Se observó atrofia acelerada en sujetos enfermos en comparación con sujetos sanos. Por primera vez en Cuba, el procesamiento longitudinal para la cuantificación volumétrica de estructuras cerebrales se puede utilizar como biomarcador de imagen en investigaciones y ensayos clínicos. Se estableció y validó un procedimiento longitudinal para la cuantificación volumétrica automatizada del hipocampo. Su utilidad y confiabilidad se demostró al mostrar resultados similares a los reportados en bases de datos internacionales.

ABSTRACT In Cuba drugs are produced to treat dissimilar diseases. Therefore, it is necessary to identify and validate biomarkers, which make it possible to assess the natural course of the disease and the effect over time of drugs used during clinical trials. Our goal is establishing an automatic methodology for the longitudinal calculation of brain structures to study magnetic resonance images of subjects participating in these trials. Twenty Cuban subjects diagnosed with Alzheimer's disease (AD) and 20 healthy individuals from the international database ADNI 3 (Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative) participated, both groups studied twice in one year. The steps for the longitudinal volumetric quantification of the hippocampus were established for FreeSurfer 6.0. The pipeline was validated by not finding significant differences between the processing results with those reported by ADNI 3. Significant differences were found between the annual percentage change and the hippocampal asymmetry index between healthy and diseased subjects. Accelerated atrophy was observed in sick subjects compared to healthy subjects. For the first time in Cuba, longitudinal processing for the volumetric quantification of brain structures can be used as an imaging biomarker in research and clinical trials. A longitudinal procedure for automated volumetric quantification of the hippocampus was established and validated. Its usefulness and reliability were demonstrated by showing results similar to those reported in international databases.

Software tool for the design of event based PID controllers with events generated by crossing fixed thresholds

RESUMEN Los algoritmos de control PID basados en eventos tratan de aprovechar las conocidas ventajas del control PID a la vez que reducen el tráfico por las redes de comunicaciones que conectan las distintas unidades de hardware que forman los sistemas de control distribuidos: sensores, controladores, actuadores. En este trabajo se muestran resultados recientes en el ámbito de los PID basado en eventos por cruce de umbrales fijos y se presenta una herramienta de software que permite el análisis, diseño y simulación de este tipo de sistemas de control. La herramienta está programada en Python, es de código abierto y puede ser usada tanto con fines de investigación como docentes.

ABSTRACT Event-based PID control algorithms try to take advantage of the well-known benefits of PID controllers while reducing the traffic over the communications networks that connect the different devices in distributed control systems: sensors, controllers, actuators. This work shows recent results in the field of events based PID by crossing fixed thresholds and a software tool is presented for the analysis, design and simulation of this kind of control systems. The tool has been programmed in Python, it is open source and can be used for both research and teaching purposes.

Upgrade of the control system of a 75 L bioreactor for the fermentation of bacteria and yeasts

RESUMEN El Centro de Ingeniería Genética y Biotecnología (CIGB) de Camagüey cuenta con un biorreactor Chemap de 75 L en su Planta de Desarrollo Tecnológico que presenta problemas técnicos y operacionales debido a un sistema de control obsoleto. De acuerdo a lo anterior, este trabajo se dirige a su modernización usando tecnología Siemens y Mettler Toledo. Se aborda la sustitución de un controlador lógico programable (PLC por sus siglas en inglés) SattCon15 por un S7-300 y la adición de un panel de operador TP 177B y de dos transmisores M400 T2 para la medición de pH y oxígeno disuelto. Siguiendo un estricto esquema de ejecución por prioridades fueron programadas 23 funciones, cinco lazos de control para las variables principales del proceso y posibilidades de operación manual y automática. Además, se incluye un sistema de mensajes de confirmación al usuario, avisos y alarmas como elementos para brindar una mayor confiabilidad y seguridad al sistema. Se presentan los resultados de crecimiento celular, viabilidad y pureza de varias fermentaciones realizadas, evidenciándose un sistema de control que cumple con las exigencias de la industria biotecnológica.

ABSTRACT The Center for Genetic Engineering and Biotechnology (CIGB) of Camagüey has a Chemap 75 L bioreactor in the Technological Development Plant, that presents operational diﬃculties due to an obsolete control system. The present work shows the modernization of the same using technology Siemens and Mettler Toledo. The substitution of the SattCon15 Programmable Logic Controller (PLC) for an S7-300 and the addition of an operator panel TP177B and two M400 T2 transmitters for the measurement of pH and DO are presented. 23 functions are programmed following a strict execution scheme by priorities, ﬁve control loops for the variables to be controlled in the process and the possibility of manual and automatic operation. It uses a system of conﬁrmation messages to the user, warning messages and alarms as elements to provide greater reliability and security to the system. The cellular growing, viability and purity results of several fermentation performed are presented showing a control system which complies with the biotechnology industry demands.