sexta-feira, 5 de junho de 2020

Uso de Deep Learning para Detecção de COVID-19 em Imagens de Tomografia Computadorizada

Transfer Learning é o processo de se utilizar uma rede neural pré-treinada em um outro contexto semelhante. Nesse processo, substituem-se as camadas finais da rede neural pré-treinada por camadas adaptadas ao problema atual.


Foi o que fizemos nesse experimento: utilizamos como base uma rede neural convolucional VGG16 proposta por K. Simonyan and A. Zisserman da  Universidade of Oxford no artigo “Very Deep Convolutional Networks for Large-Scale Image Recognition” e que alcançou  92.7%  de acurácia na base de dados de imagens ImageNet, composto por 14 milhões de imagens classificadas em 1000 classes.  Utilizando o framework Tensorflow, removemos as camadas de saída da VGG16 e as substituimos por uma combinação de camadas fully connected (FC) softmax e relu, pooling, e flatten.  Essas camadas foram treinadas na base de dados de imagens CT.

No treinamento, utilizamos  a validação cruzada (cross validation) disponível no framework Scikit-Learnque consiste em gerar diferentes distribuições das imagens entre os conjuntos de treinamento e de teste.

A base de dados utilizada para treinamento não é muito grande, consistindo de aproximadamente 700 imagens CT do tórax, positivas e negativas para COVID19, extraidas de artigos científicos e publicações na internet. Aplicou-se um processo de data augmentation sobre as imagens, que consiste em realizar transformações nas mesmas de forma aumentar a variabilidade  no conjunto de treinamento.

No processo de validação, sobre uma base de testes de 150 imagens, obtiveram-se os seguintes resultados após a validação cruzada:

Acurácia ((true positives + true negatives)/total de imagensl) : 78%
Precisão (true positives/(true positives + false positives)): 77%
Recall  (true positives/(true positives + false negatives)): 83%

Ressalte-se o bom resultado obtido para o Recall, que reflete um número menor de falsos negativos.

O modelo continua em melhoramento por meio de testes de novas combinações de camadas e otimizadores, bem como pelo acréscimo de mais imagens nas bases de treinamento e teste.



quarta-feira, 10 de abril de 2019

Trabalho Colaborativo de Vários Observatórios ao Redor do Mundo Produzem Primeira Imagem Direta de Um Buraco Negro

Uma equipe internacional de mais de 200 astrônomos capturou as primeiras imagens diretas de um buraco negro. O resultado foi obtido pelo trabalho conjunto e coordenado de oito  observatórios de rádio em quatro continentes, o EHT-Event Horizon Telescope, um telescópio virtual do tamanho da Terra.

A equipe revelou quatro imagens do buraco negro supermassivo no coração da galáxia M87,  localizada no interior do aglomerado de galáxias de Virgem, a 55 milhões de anos-luz da Terra.

Imagem do buraco negro capturada pelo EHT-Fonte: EHT Colaboration

Com base nas imagens de M87, os cientistas acreditam que estão vendo pela primeira vez a sombra de um buraco negro, na forma da região escura no centro das imagens

A Teoria da Relatividade Geral de Einstein prevê que um campo gravitacional muito intenso faz com que a luz se curve ao redor do buraco negro, formando um anel brilhante em  volta de sua silhueta, e também faz com que qualquer material circundante orbite em torno do mesmo próximo à velocidade da luz. O anel brilhante  nas novas imagens oferece uma confirmação visual desses efeitos.

A partir dessas imagens, os astrônomos calcularam que a massa do buraco negro é cerca de 6,5 bilhões de vezes maior que a do sol.  Pequenas diferenças observadas entre cada uma das quatro imagens sugerem que o material está orbitando em torno do buraco negro à velocidade da luz.Seu tamanho é maior que o da órbita de Netuno.

O objeto foi observado em comprimentos de onda muito curtos, de 1,3 milímetros, que podem atravessar  nuvens de material existentes entre um buraco negro e a Terra. Para visualizar um buraco negro, é necessária uma ampliação (resolução  angular do telescópio) muito grande, impossível de ser obtida por um único telescópio, que teria que ser muito grande. Mas quando múltiplos radiotelescópios, separados por distâncias muito grandes, são sincronizados e focalizados em uma única fonte no céu, eles podem operar como um radiotelescópio muito grande, com um enorme antena, através de uma técnica conhecida como Very Long Base Interferometry, ou VLBI. Nesse caso, o esforço combinado dos 8 radiotelescópios consegue resolver uma imagem de cerca de 20 micro segundos de arco.
Aglomerado de galáxias de Virgem. M87 é o objeto mais luminoso, próximo ao canto superior esquerdo. Ao centro podem ser observadas, também, as galáxias M84 e M86.  Imagem capturada pelo autor em 15/06/2011, às 20:30, sob intensa poluição luminosa, em Belo Horizonte-MG.



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sexta-feira, 22 de fevereiro de 2019

Klann Linkage Robot

O  "Klann Linkage" (Articulação Klann) é um mecanismo robótico para simular o movimento das pernas de um animal quadrúpede, capaz de substituir rodas. A articulação é formada  por um quadro, uma manivela, dois balancins aterrados e dois acopladores, todos conectados por articulações pivotantes. Foi desenvolvido por Joe Klann em 1994.

O mecanismo converte o movimento rotatório em movimento linear e realmente se parece com um animal quadrúpede se locomovenfo. O robô pode subir escadas e trafegar por área irregulares não acessíveis por veículos com rodas.

Veja no vídeo abaixo o robô Klann Linkage que construí, com 2 conjuntos de 4 pernas, um de cada lado. As peças (hastes, articulações, pinos, engrenagens, plataformas e bases) foram impressas em impressora 3D, utilizando-se plástico PLA. Um Arduino Uno  controla o movimento de dois servos de rotação contínua.  


Robô construído com peças impressas em impressora 3D-Fonte: O próprio autor.

Abaixo temos uma animação que mostra o movimento sincronizado das 4  pernas de um dos lados do robô. O movimento pode ser compreendido focando-se nos pontos em verde e observando-se os caminhos cíclicos que cada um percorre. Perceba que cada  perna possui 3 pontos fixos e 5 pontos artculados móveis. O movimento das pernas deve ser sincronizado em posições relativas bem definidas de forma produzir o movimento linear desejado. Para tal, existe uma  engrenagem em cada conjunto de duas pernas, conectadas a uma engrenagem central impulsionada por  um servo de rotação contínua, que mantém a sincronização desejada. 



Movimento sincronizado das pernas do robô - Fonte: Wikipedia

Na figura a seguir, representam-se os movimentos dos pontos móveis de uma perna através de rastros na cor verde. Os pontos ligados pelas linhas azuis são fixos. Compare essa figura com a anterior para compreender os caminhos cíclicos de cada ponto móvel.

Caminhos dos pontos móveis (em verde). Fonte: Wikipedia

Referências

WIKIPEDIA - Klann Linkage. Disponível em https://en.wikipedia.org/wiki/Klann_linkage . Consultado em 21/09/2018.

quinta-feira, 11 de fevereiro de 2016

Observações diretas detectam ondas gravitacionais previstas pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein

Cem anos depois que Albert Einstein previu a existência das ondas gravitacionais, cientistas finalmente detectaram essas furtivas ondulações do espaço-tempo.

Físicos do Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory  (LIGO) revelaram em 11 de fevereiro que  seus detectores gêmeos capturaram sinais de  ondas gravitacionais produzidas pela colisão de dois buracos negros a cerca de 1,3 bilhão de luz- anos da Terra.

Um buraco negro possui cerca de 36 vezes a massa do Sol, e o outro cerca de 29 massas solares. Um orbita ao redor do outro, mas se aproximaram por meio de um movimento espiral e se fundiram em um único buraco negro de massa estimada em  62 massas solares.

Essa é a primeira fusão de buracos negros observada. O evento violento irradia temporariamente mais energia  sob a forma de ondas gravitacionais  do que a luz de todas as estrelas do universo observável emitida na mesma quantidade de tempo.

Os detectores do LIGO funcionam por interferometria, em que um feixe de laser é partido em dois, que são postos a viajar por dois túneis perpendiculares de 4 km cada. Cada feixe é refletido de volta e é recombinado em um detector. Em situações nornais, os dois feixes viajam caminhos de tamanhos idênticos e se cancelam no detector. Quando uma onda gravitacional passa pelo LIGO, o comprimento dos túneis é ligeiramente alterado, o que faz com que os lasers não se cancelem, produzindo um padrão característico de interferência. A Figura a seguir, produzida pela Nature News, ilustra o processo de detecção.




A descoberta foi feita quase simultaneamente por dois detectores do LIGO localizados em Livingston, na Louisina e em Hanford, Washington.

As ondas detectadas foram convertidas em um som audível como uma rápida subida de tom, seguida de uma descida, produzindo uma assinatura sonora compatível com o padrão de radiação proveniente da colisão dos buracos negros.

Softwares de análise dos dados detectaram   uma oscilação, que começou em 35  hertz e rapidamente aumentou para 250 hertz. O sinal tornou-se então caótico e rapidamente caiu. Fundamentalmente, ambos os detectores detectaram mais ou menos ao mesmo tempo, Livingston primeiro e Hanford 7 milésimos de segundo mais tarde. Esse atraso é uma indicação de como as ondas passaram através da Terra. A Figura abaixo exibe graficamente os sinais particamente idênticos detectados pelas estações LIGO de Hanford e Livingston (créditos: Nature News).




Fonte: Nature News - http://www.nature.com/news/einstein-s-gravitational-waves-found-at-last-1.19361

quinta-feira, 15 de maio de 2014

A Terra vista do espaço em tempo-real

A NASA  disponibilizou na internet imagens produzidas em tempo-real pela ISS-International Space Station (Estação Espacial Internacional), com uma vista privilegiada da Terra. Ao todo, são quatro câmeras instaladas na estação espacial para filmar o nosso planeta em alta definição e 24 horas por dia. O vídeo está disponível no site Ustream, e para assistir basta torcer para que a ISS não esteja na parte escura da Terra. Quando isso ocorre a imagem fica negra. Caso esteja cinza, significa que a transmissão está mudando de câmera ou que ocorreu algum problema/interrupção. A localização da estação está disponível no site da NASA.


Imagem capturada quando a ISS passava sobre a Mongólia, às 19:50 de 15/05/2014.Observe a lua ao fundo.

quinta-feira, 20 de dezembro de 2012

NEBULOSA DE ETA CARINAE - NGC 3372

Trata-se de uma nebulosa bastante grande, cobrindo cerca de 3 graus do céu, a uma distância de 7.500 anos-luz da Terra e com um diâmetro de 460 anos-luz. Como pode ser observado na foto, existem muitos aglomerados de estrelas em sua vizinhança.
Em seu interior localiza-se uma estrela grande e massiva, denominada Eta Carina, que tem como característica marcante o fato de ter sua luminosidade variável. Em 1677 tinha uma magnitude de 4, mas em 1877 ejetou uma nuvem de poeira 500 vezes maior que o sistema solar, tornando-se mais brilhante. Na foto, essa ejeção pode ser visualizada como uma estrutura tridimensional em formato de alteres, o denominado homúnculo.  Depois disso (entre 1900 e 1940), a magnitude era de apenas  8. Em 2002, tinha magnitude 5, tendo  repentinamente  dobrado o seu brilho entre 1998 e 1999. É considerada a estrela mais brilhante conhecida na galáxia, irradiando uma energia  5 milhões de vezes maior que a do sol. É certo que vai explodir como uma supernova a qualquer momento, no próximo milhão de anos.

Dados:

RA: 10h 45m 03.6s
DEC: -59° 41' 04"
Magnitude aparente: 6.21
Constelação: Carina



Imagem obtida no dia 24/11/2012 à 1:58 em Belo Horizonte
Telescópio SkyWatcher 8" Newtonian F/5
Montagem EQ5 PRO
Câmera Canon EOS Rebel T3i
120s de exposição processada em Photoshop CS3 para ajustes e remoção de intensa poluição luminosa




NEBULOSA DE ORION - M42

Trata-se de uma nebulosa difusa situada na constelação de Orion, a 1340 anos-luz da Terra. É a nebulosa mais brilhante do céu, visível a olho nu. Em seu interior existe um aglomerado aberto bastante jovem constituído por 4 estrelas, o Trapézio. É um local de intensa formação de estrelas. À esquerda na foto, a nebulosa Running Man (NGC 1977).


RA: 05h 35m 17.3s
DEC: -05° 23' 28"
Magnitude aparente: 4.
Constelação: Orion
Raio: 12 anos-luz


Imagem obtida no dia 23/11/2012 às 23:12 em Belo Horizonte
Telescópio SkyWatcher 8" Newtonian F/5
Montagem EQ5 PRO
Câmera Canon EOS Rebel T3i
120s de exposição processada em Photoshop CS3 para ajustes e remoção de intensa poluição luminosa