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Dr. César A. Beltrán CastañónDr. César A. Beltrán Castañó[email protected]@spc.org.pe
http://www.spc.org.pehttp://www.spc.org.pe
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RECONOCIMIENTO DE PATRONES EN RECONOCIMIENTO DE PATRONES EN IMÁGENES DIGITALIMÁGENES DIGITAL
Dr. César A. Beltrán CastañónDr. César A. Beltrán Castañón
[email protected]@spc.org.pe
Laboratório de Biologia Molecular Laboratório de Biologia Molecular de Coccídiasde Coccídias
Instituto de Ciências BiomédicasInstituto de Ciências Biomédicas Universidade de São PauloUniversidade de São Paulo
Grupo de Pesquisa em Visão CibernéticaGrupo de Pesquisa em Visão CibernéticaInstituto de Física de São CarlosInstituto de Física de São CarlosUniversidade de São Paulo Universidade de São Paulo
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ContenidoContenido
• IntroducciónIntroducción• Adquisición y pre-procesamiento de Adquisición y pre-procesamiento de
imágenesimágenes• Representación de formasRepresentación de formas• Clasificación y minería de datosClasificación y minería de datos• ResultadosResultados• Perspectivas futurasPerspectivas futuras
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• Coccidiosis en aves: siete especies de Coccidiosis en aves: siete especies de EimeriaEimeria infectan la gallina doméstica: infectan la gallina doméstica:
E. maximaE. maxima E. brunettiE. brunetti E. tenellaE. tenella
E. necatrixE. necatrix E. praecoxE. praecox E. acervulinaE. acervulina E. mitisE. mitis
IntroducciónIntroducción
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• Marcadores de DNAMarcadores de DNA• DNA fingerprinting - minisatélites• RAPD• Secuencias ribosómicas ITS1• Marcadores SCARs – PCR multiplex• Desventajas:Desventajas:• Requiere de personal especializado en técnicas moleculares• Requiere transporte de muestras de la granja hasta el laboratorio de referencia – riesgos sanitarios!
PCR multiplex
RAPD
IntroducciónIntroducción
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IntroducciónIntroducción• Reconocimiento de Patrones??
Objeto
-# rectas-# de ángulos-# de alas-Tamaño/dimensión-Dist. Alas-.....
Extracción de Características
Classificación/Reconocimiento
Es un avión!!!
¿Cómo aplicar ese proceso
para el reconocimiento de la Eimeria?
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ContenidoContenido
• IntroducciónIntroducción• Adquisición y pre-procesamiento de Adquisición y pre-procesamiento de
imágenesimágenes• Representación de formasRepresentación de formas• Clasificación y minería de datosClasificación y minería de datos• ResultadosResultados• Perspectivas futurasPerspectivas futuras
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Adquisición y pre-procesamiento Adquisición y pre-procesamiento de imágenesde imágenes
• Secuencia de Secuencia de pasos.pasos.
Micrografias adquiridas por microscopía
Aislamiento de oocistos
individuales
Transformación en tonos de gris
ecualización
Segmentación o Binarización
Detección de contorno
Fezes de gallina
Purificaciónde oocistos
Muestras de oocistos de cada especie
Aquisición de imágenes digitales
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• Diagrama de flujo del proceso de reconocimiento de oocistos
Base de datosde imágenes
Extracción de características
Reconocimento de patrones
Vector de características
Pre-procesamiento de imágenes(elemento de verificación/prueba)
Pre-procesamiento de imágenes (conjunto de entrenamiento)
Clasificación
Vector decaracterísticas
X1
X2
X3
Xn
g1
g2
g3
Adquisición y pre-procesamiento Adquisición y pre-procesamiento de imágenesde imágenes
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• Segmentación y detección del Segmentación y detección del contornocontorno
Algoritmo de seguimiento de contorno
Contorno paramétrico
x(t) e y(t)
Adquisición y pre-procesamiento Adquisición y pre-procesamiento de imágenesde imágenes
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ContenidoContenido
• IntroducciónIntroducción• Aquisición y pre-procesamiento de Aquisición y pre-procesamiento de
imágenesimágenes• Representación de formasRepresentación de formas• Clasificación y minería de datosClasificación y minería de datos• ResultadosResultados• Perspectivas futurasPerspectivas futuras
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Representación de formasRepresentación de formas
Platón: El mundo material es uma sombra del mundo real.Aristóteles: La mente, un lugar de las formas
En los brazos de Morpheus
Originalmente publicado en 1917
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• Transformación y aplicación de filtros
Representación de formasRepresentación de formas
• Reducción de la dimensionalidad• Remoción de información redundante• Maximizar la capacidad de representación• Caracterizar distintos aspectos
Vector de características Medidas GeométricasMedidas GeométricasRepresentación de la curvaturaRepresentación de la curvaturaCaracterización de la estructura internaCaracterización de la estructura interna
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• Medidas geométricas
Representación de formasRepresentación de formas
Área : Conteo del número de pixels
Diámetros : Cálculo por componentes principales
D
d
(a) (b) (c)x
y
x
y y
x
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• Medidas geométricas
Representación de formasRepresentación de formas
Simetría :
(d)
(b)
(f)
(c)
(e)
y
x
(a)
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• Representación de la curvatura
Representación de formasRepresentación de formas
Sigma=50Sigma=50
Sigma=10Sigma=10
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• Caracterización de la estrutura interna
Representación de formasRepresentación de formas
Matrices de Matrices de co-ocurrenciaco-ocurrencia
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• Espacio de características
Caracterización de imágenesCaracterización de imágenes
Diámetro menorDiámetro menor
Simetría verticalSimetría vertical
Simetría horizontalSimetría horizontalÁreaÁrea
Entropía de la estructura internaEntropía de la estructura interna
Media de la curvaturaMedia de la curvatura
Desviación estándar curvaturaDesviación estándar curvatura
Entropía de la curvaturaEntropía de la curvaturaSegundo momento angularSegundo momento angular
ContrasteContrasteMomento diferencia inversaMomento diferencia inversaEntropia matriz co-ocurrenciaEntropia matriz co-ocurrencia
Diámetro mayorDiámetro mayor
Excentricidad(ancho/largo)Excentricidad(ancho/largo)
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ContenidoContenido
• IntroducciónIntroducción• Adquisición y pre-procesamiento de Adquisición y pre-procesamiento de
imágenesimágenes• Representación de formasRepresentación de formas• Clasificación y minería de datosClasificación y minería de datos• ResultadosResultados• Perspectivas futurasPerspectivas futuras
![Page 20: Reconocimientos de Patrones en Imagenes Digitales](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022062320/558fcf311a28ab2f1b8b4578/html5/thumbnails/20.jpg)
Clasificación y mineríaClasificación y minería
x1
x2
x3
xn
g1
g2
gc
Clasificación
Vector de características
• Método paramétrico por densidad normal
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Clasificación y mineríaClasificación y minería
Función discriminante basada em la distribución normalFunción discriminante basada em la distribución normal
Resultados son intepretados como por similaridad
• Método paramétrico por densidad normal
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Clasificación y mineríaClasificación y minería• Generalización del clasificador
Generalización delclasificador
Característicasselecionadas
Taxa do conjuntode treinamento
Característicasseleccionadas
Tasa mínima del conjunto de
entrenamiento
Funcióncriterio
Funcióncriterio
Datos Datos
Base de datos de imágenes
Imágenes
Función criterio
(Clasificador)
Funçãocritério
Sistema de diagnóstico en
tiempo-real
1
1
Datos
Evaluación del desempeño del
clasificador
Selección de características
Definición del tamaño mínimo del conjunto de
entrenamiento
Extracción de características
Base de características
Selección de características
Definición del tamaño mínimo del conjunto de entrenamiento
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ContenidoContenido
• IntroducciónIntroducción• Adquisición y pre-procesamiento de Adquisición y pre-procesamiento de
imágenesimágenes• Representación de formasRepresentación de formas• Clasificación y minería de datosClasificación y minería de datos• ResultadosResultados• Perspectivas futurasPerspectivas futuras
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ResultadosResultados
EspecieEspecie NNoo de ejemplos de ejemplos
E. acervulinaE. acervulina 636636
E. maximaE. maxima 321321
E. brunettiE. brunetti 418418
E. mitisE. mitis 757757
E. praecoxE. praecox 747747
E. tenellaE. tenella 608608
E. necatrixE. necatrix 404404
TOTALTOTAL 3.8913.891
• Identificación de especies de Eimeria de gallinaConjunto de datos Características
IDID CaracterísticaCaracterística
F1F1 Média de la curvaturaMédia de la curvatura
F2F2 Desviación estándard de la curvaturaDesviación estándard de la curvatura
F3F3 Entropía de la curvaturaEntropía de la curvatura
F4F4 Diámetro mayor (largo)Diámetro mayor (largo)
F5F5 Diámetro menor (ancho)Diámetro menor (ancho)
F6F6 Simetría en función del diámetro mayorSimetría en función del diámetro mayor
F7F7 Simetría en función del diámetro menorSimetría en función del diámetro menor
F8F8 ÁreaÁrea
F9F9 Entropía de la estructura internaEntropía de la estructura interna
F10F10 Segundo momento angularSegundo momento angular
F11F11 ContrasteContraste
F12F12 Momento de la diferencia inversaMomento de la diferencia inversa
F13F13 Entropía de la matriz de co-ocurrenciaEntropía de la matriz de co-ocurrencia
F14F14 Excentricidad o Excentricidad o shape indexshape index
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ResultadosResultados• Identificación de especies de Eimeria de gallina
¿Cuál es el conjunto mínimo de elementos de entrenamiento?
30% = 672 ejemplos
96 imágenes/especie
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ResultadosResultados• Identificación de especies de Eimeria de gallina
NivelNivel F1F1 F2F2 F3F3 F4F4 F5F5 F6F6 F7F7 F8F8 F9F9 F10F10 F11F11 F12F12 F13F13 F14F14 AciertoAcierto
22 XX XX 76,4576,45
33 XX XX XX 79,1379,13
44 XX XX XX XX 80,1580,15
55 XX XX XX XX XX 81,4781,47
66 XX XX XX XX XX XX 82,9282,92
77 XX XX XX XX XX XX XX 84,3784,37
88 XX XX XX XX XX XX XX XX 85,0885,08
99 XX XX XX XX XX XX XX XX XX 85,0085,00
1010 XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX 85,0985,09
1111 XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX 85,1485,14
1212 XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX 85,2985,29
1313 XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX 85,3985,39
1414 XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX 85,1585,15
Selección de características con SFS y el clasificador por similaridad
![Page 27: Reconocimientos de Patrones en Imagenes Digitales](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022062320/558fcf311a28ab2f1b8b4578/html5/thumbnails/27.jpg)
ResultadosResultados• Identificación de espécies de Eimeria de gallina
iíveliível F1F1 F2F2 F3F3 F4F4 F5F5 F6F6 F7F7 F8F8 F9F9 F10F10 F11F11 F12F12 F13F13 F14F14 AciertoAcierto
22 XX XX 69,6569,65
33 XX XX XX 74,8074,80
44 XX XX XX XX 77,6977,69
55 XX XX XX XX XX 79,6179,61
66 XX XX XX XX XX XX 81,0281,02
77 XX XX XX XX XX XX XX 81,0581,05
88 XX XX XX XX XX XX XX XX 81,2081,20
99 XX XX XX XX XX XX XX XX XX 81,1581,15
1010 XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX 81,2881,28
1111 XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX 81,4681,46
1212 XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX 80,8880,88
1313 XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX 80.9780.97
1414 XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX XX 80,1080,10
Selección de características con SFS y el clasificador por probabilidad
![Page 28: Reconocimientos de Patrones en Imagenes Digitales](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022062320/558fcf311a28ab2f1b8b4578/html5/thumbnails/28.jpg)
ResultadosResultados• Identificación de especies de Eimeria de gallina
Discriminación de especies
EspeciesEspecies Nro. de Nro. de oocistosoocistos
Especies de oocistosEspecies de oocistos
E. aceE. ace E. maxE. max E. bruE. bru E. mitE. mit E. praE. pra E. tenE. ten E. necE. nec
E. acervulinaE. acervulina 636636 81,7681,76 0,000,00 0,000,00 1,731,73 0,160,16 1,731,73 14,6214,62
E. maximaE. maxima 321321 0,000,00 99,0799,07 0,940,94 0,000,00 0,000,00 0,000,00 0,000,00
E. brunettiE. brunetti 418418 0,000,00 0,480,48 94,0294,02 0,000,00 0,960,96 4,074,07 0,480,48
E. mitisE. mitis 757757 0,660,66 0,000,00 0,000,00 92,7492,74 3,043,04 0,260,26 3,303,30
E. praecoxE. praecox 747747 0,000,00 0,000,00 3,083,08 6,696,69 75,7775,77 5,625,62 8,848,84
E. tenellaE. tenella 608608 0,490,49 0,000,00 2,472,47 0,330,33 4,614,61 80,5980,59 11,5111,51
E. necatrixE. necatrix 404404 2,972,97 0,000,00 0,500,50 4,704,70 5,205,20 12,1312,13 74,5174,51
Clasificador: por similaridadClasificador: por similaridadEstrategia de validación: Estrategia de validación: Leave-one-outLeave-one-outAcierto medio: Acierto medio: 85,49%85,49%
![Page 29: Reconocimientos de Patrones en Imagenes Digitales](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022062320/558fcf311a28ab2f1b8b4578/html5/thumbnails/29.jpg)
ResultadosResultados• Identificación de especies de Eimeria de gallina
Discriminación de especies
EspeciesEspecies Nro. de Nro. de oocistosoocistos
Especies de oocistosEspecies de oocistos
E. aceE. ace E. maxE. max E. bruE. bru E. mitE. mit E. praE. pra E. tenE. ten E. necE. nec
E. acervulinaE. acervulina 636636 84,4384,43 0,000,00 0,160,16 2,202,20 0,160,16 2,202,20 10,8510,85
E. MaximaE. Maxima 321321 0,000,00 98,4498,44 1,561,56 0,000,00 0,000,00 0,000,00 0,000,00
E. brunettiE. brunetti 418418 0,000,00 0,960,96 89,2489,24 0,000,00 3,113,11 6,706,70 0,000,00
E. mitisE. mitis 757757 1,061,06 0,000,00 0,000,00 91,4191,41 2,252,25 0,130,13 5,155,15
E. praecoxE. praecox 747747 0,130,13 0,000,00 5,095,09 5,895,89 65,3365,33 8,978,97 14,5914,59
E. tenellaE. tenella 608608 0,660,66 0,000,00 2,962,96 0,160,16 5,105,10 70,2370,23 20,8920,89
E. necatrixE. necatrix 404404 7,187,18 0,000,00 0,990,99 5,695,69 6,196,19 18,3218,32 61,6361,63
Clasificador: por probabilidadClasificador: por probabilidadEstrategia de validación: Estrategia de validación: Leave-one-outLeave-one-outAcierto medio: Acierto medio: 80,10%80,10%
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ResultadosResultados• Identificación de especies de Eimeria de gallina
Análisis comparativo del desempeño de los clasificadores
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ResultadosResultados• Identificación de especies de Eimeria de gallina
Análisis del desempeño de los clasificadores por curvas ROC
E. acervulina E. maxima E. brunetti E. mitis
E. praecoxE. praecox E. tenellaE. tenella E. necatrixE. necatrix
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Base deDatos
Repositório de imágenes
Aplicación y servidor Web
Sub-sistema de Análisis
Image_ID Nombre Metadatos
3578 Imágen1 dato1
3579 Imágen2 dato2
Visualización y envio de
imágenes
Usuario
Internet Link
Bas
e d
e D
ato
sA
plic
ac
ión
Clie
nte
Clasificación de patrones
Extracción de caractetísticas
Pre-Procesamiento
de imágenes
Análisis de Oocistos
Importación
Microscopio
Sub-sistema de importación
ResultadosResultados• Flujograma del sistema integrado (COCCIMORPH)
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ResultadosResultados• Interfaz web
http://puma.icb.usp.br/coccimorph/
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ResultadosResultados• Base de imágenes
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Filograma inferido por Filograma inferido por máxima verosemejanza a máxima verosemejanza a partir de genomas partir de genomas mitocondriais de mitocondriais de EimeriaEimeria spp.spp.
E. coecicola
E. flavescens
E. necatrix
E. tenella
E. praecox
E. maxima
E. brunetti
E. mitis
E. acervulina
97
100
66
100
100
1000.02
Filograma inferido por Filograma inferido por Neighbor-joining con Neighbor-joining con datos morfométricosdatos morfométricos
E. acervulina
E. mitis
E. praecox
E. maxima
E. brunetti
E. tenella
E. necatrix0.1
92
64
100
97
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Producción científicaProducción científica
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ContenidoContenido
• IntroducciónIntroducción• Adquisición y pre-procesamiento de Adquisición y pre-procesamiento de
imágenesimágenes• Representación de formasRepresentación de formas• Clasificación y minería de datosClasificación y minería de datos• ResultadosResultados• Perspectivas futurasPerspectivas futuras
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Perspectivas FuturasPerspectivas Futuras
• Segmentación automática.Segmentación automática.• Aprendizaje Aprendizaje onlineonline..• Aplicación del sistema a otros parásitos.Aplicación del sistema a otros parásitos.
Adaptación del sistema para parásitos cuya Adaptación del sistema para parásitos cuya morfología se encuadre em el mismo dominio morfología se encuadre em el mismo dominio de imágenes.de imágenes.
Adaptación del sistema para parásitos con Adaptación del sistema para parásitos con morfología muy diferente de morfología muy diferente de EimeriaEimeria spp. spp.
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Otras AplicacionesOtras AplicacionesPredicción e Identificación de genes Predicción e Identificación de genes
aplicando dominio de frecuenciaaplicando dominio de frecuencia
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Visualización de ProteinasVisualización de Proteinas
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Predicción de estructura de proteinasPredicción de estructura de proteinas
Parallel Right-handed β-helix
Leucine-rich repeatsHemagglutinin
Eubacterial 70S
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Secuencia Primaria MNGTEGPNFY VPFSNKTGVV RSPFEAPQYY LAEPWQFSML AAYMFLLIML GFPINFLTLY VTVQHKKLRT PLNYILLNLA VADLFMVFGG FTTTLYTSLH GYFVFGPTGC NLEGFFATLG GEIALWSLVV LAIERYVVVC KPMSNFRFGE NHAIMGVAFT WVMALACAAP PLVGWSRYIP EGMQCSCGID YYTPHEETNN ESFVIYMFVV HFIIPLIVIF FCYGQLVFTV KEAAAQQQES ATTQKAEKEV TRMVIIMVIA FLICWLPYAG VAFYIFTHQG SDFGPIFMTI PAFFAKTSAV YNPVIYIMMN KQFRNCMVTT LCCGKNPLGD DEASTTVSKT ETSQVAPA
Estructura 3D
Folding
Funcion compleja dentro de una red de proteinas
Normal
PROTEINASSecuencia Estructura Función
(Extraido de: Judith Klein-Seetharaman)
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Secuencia primariaMNGTEGPNFY VPFSNKTGVV RSPFEAPQYY LAEPWQFSML AAYMFLLIML GFPINFLTLY VTVQHKKLRT PLNYILLNLA VADLFMVFGG FTTTLYTSLH GYFVFGPTGC NLEGFFATLG GEIALWSLVV LAIERYVVVC KPMSNFRFGE NHAIMGVAFT WVMALACAAP PLVGWSRYIP EGMQCSCGID YYTPHEETNN ESFVIYMFVV HFIIPLIVIF FCYGQLVFTV KEAAAQQQES ATTQKAEKEV TRMVIIMVIA FLICWLPYAG VAFYIFTHQG SDFGPIFMTI PAFFAKTSAV YNPVIYIMMN KQFRNCMVTT LCCGKNPLGD DEASTTVSKT ETSQVAPA
Estructura 3D
Folding
Función compleja dentro de red de proteinas
Enfermedad
PROTEINASSecuencia Estructura Función
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Alineamiento y predicción: Alineamiento y predicción: ββ--HelixHelix
(Extraido de: Carbonell 2006)
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Reconstrucción de Patrones de Reconstrucción de Patrones de Expresión Genética (Expresión Genética (Travençolo 2008Travençolo 2008))
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Gestión de CuencasGestión de Cuencas
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Equipo de Equipo de investigacióninvestigación
Propagación y purificación de parásitosPropagación y purificación de parásitosSandra Fernandez - ICB-USPJane Silveira Fraga - ICB-USP
OrientaciónOrientaciónProf. Dr. Arthur Gruber – ICB-USPProf. Dr. Luciano da Fontoura Costa – IFSC-USPProf. Dr. Carlos Alberto de B. Pereira – IME-USP
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Soporte financieroSoporte financiero
CAPES - CAPES - Coordenação de Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorSuperior
CNPq – CNPq – Conselho Nacional de Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Desenvolvimento Científico e TecnológicoTecnológico