Conceptual models for designing information systems supporting the strategic analysis of technology environments

1 6 STRUCTURE OF THIS THESIS -Chapter I presents the motivations of this dissertation by illustrating two gaps in the current body of knowledge that are worth filling, describes the research problem addressed by this thesis and presents the research methodology used to achieve this goal. -Chapter 2 shows a review of the existing literature showing that environment analysis is a vital strategic task, that it shall be supported by adapted information systems, and that there is thus a need for developing a conceptual model of the environment that provides a reference framework for better integrating the various existing methods and a more formal definition of the various aspect to support the development of suitable tools. -Chapter 3 proposes a conceptual model that specifies the various enviromnental aspects that are relevant for strategic decision making, how they relate to each other, and ,defines them in a more formal way that is more suited for information systems development. -Chapter 4 is dedicated to the evaluation of the proposed model on the basis of its application to a concrete environment to evaluate its suitability to describe the current conditions and potential evolution of a real environment and get an idea of its usefulness. -Chapter 5 goes a step further by assembling a toolbox describing a set of methods that can be used to analyze the various environmental aspects put forward by the model and by providing more detailed specifications for a number of them to show how our model can be used to facilitate their implementation as software tools. -Chapter 6 describes a prototype of a strategic decision support tool that allow the analysis of some of the aspects of the environment that are not well supported by existing tools and namely to analyze the relationship between multiple actors and issues. The usefulness of this prototype is evaluated on the basis of its application to a concrete environment. -Chapter 7 finally concludes this thesis by making a summary of its various contributions and by proposing further interesting research directions.

Cost evaluation of cardiovascular magnetic resonance versus coronary angiography for the diagnostic work-up of coronary artery disease: Application of the European Cardiovascular Magnetic Resonance registry data to the German, United Kingdom, Swiss, and United States health care systems.

ABSTRACT: BACKGROUND: Cardiovascular magnetic resonance (CMR) has favorable characteristics for diagnostic evaluation and risk stratification of patients with known or suspected CAD. CMR utilization in CAD detection is growing fast. However, data on its cost-effectiveness are scarce. The goal of this study is to compare the costs of two strategies for detection of significant coronary artery stenoses in patients with suspected coronary artery disease (CAD): 1) Performing CMR first to assess myocardial ischemia and/or infarct scar before referring positive patients (defined as presence of ischemia and/or infarct scar to coronary angiography (CXA) versus 2) a hypothetical CXA performed in all patients as a single test to detect CAD. METHODS: A subgroup of the European CMR pilot registry was used including 2,717 consecutive patients who underwent stress-CMR. From these patients, 21% were positive for CAD (ischemia and/or infarct scar), 73% negative, and 6% uncertain and underwent additional testing. The diagnostic costs were evaluated using invoicing costs of each test performed. Costs analysis was performed from a health care payer perspective in German, United Kingdom, Swiss, and United States health care settings. RESULTS: In the public sectors of the German, United Kingdom, and Swiss health care systems, cost savings from the CMR-driven strategy were 50%, 25% and 23%, respectively, versus outpatient CXA. If CXA was carried out as an inpatient procedure, cost savings were 46%, 50% and 48%, respectively. In the United States context, cost savings were 51% when compared with inpatient CXA, but higher for CMR by 8% versus outpatient CXA. CONCLUSION: This analysis suggests that from an economic perspective, the use of CMR should be encouraged as a management option for patients with suspected CAD.

Information security and the enforcement of secrecy : the practical application of quantum key distribution

There is no doubt about the necessity of protecting digital communication: Citizens are entrusting their most confidential and sensitive data to digital processing and communication, and so do governments, corporations, and armed forces. Digital communication networks are also an integral component of many critical infrastructures we are seriously depending on in our daily lives. Transportation services, financial services, energy grids, food production and distribution networks are only a few examples of such infrastructures. Protecting digital communication means protecting confidentiality and integrity by encrypting and authenticating its contents. But most digital communication is not secure today. Nevertheless, some of the most ardent problems could be solved with a more stringent use of current cryptographic technologies. Quite surprisingly, a new cryptographic primitive emerges from the ap-plication of quantum mechanics to information and communication theory: Quantum Key Distribution. QKD is difficult to understand, it is complex, technically challenging, and costly-yet it enables two parties to share a secret key for use in any subsequent cryptographic task, with an unprecedented long-term security. It is disputed, whether technically and economically fea-sible applications can be found. Our vision is, that despite technical difficulty and inherent limitations, Quantum Key Distribution has a great potential and fits well with other cryptographic primitives, enabling the development of highly secure new applications and services. In this thesis we take a structured approach to analyze the practical applicability of QKD and display several use cases of different complexity, for which it can be a technology of choice, either because of its unique forward security features, or because of its practicability.

Method to assess and optimise dependability of complex macro-systems: application to a railway signalling system

Achieving a high degree of dependability in complex macro-systems is challenging. Because of the large number of components and numerous independent teams involved, an overview of the global system performance is usually lacking to support both design and operation adequately. A functional failure mode, effects and criticality analysis (FMECA) approach is proposed to address the dependability optimisation of large and complex systems. The basic inductive model FMECA has been enriched to include considerations such as operational procedures, alarm systems. environmental and human factors, as well as operation in degraded mode. Its implementation on a commercial software tool allows an active linking between the functional layers of the system and facilitates data processing and retrieval, which enables to contribute actively to the system optimisation. The proposed methodology has been applied to optimise dependability in a railway signalling system. Signalling systems are typical example of large complex systems made of multiple hierarchical layers. The proposed approach appears appropriate to assess the global risk- and availability-level of the system as well as to identify its vulnerabilities. This enriched-FMECA approach enables to overcome some of the limitations and pitfalls previously reported with classical FMECA approaches.

Integrated application of geochemical and geophysical methods for hydrogeological impact assessment for tunneling in fractured rock

The interaction of tunneling with groundwater is a problem both from an environmental and an engineering point of view. In fact, tunnel drilling may cause a drawdown of piezometric levels and water inflows into tunnels that may cause problems during excavation of the tunnel. While the influence of tunneling on the regional groundwater systems may be adequately predicted in porous media using analytical solutions, such an approach is difficult to apply in fractured rocks. Numerical solutions are preferable and various conceptual approaches have been proposed to describe and model groundwater flow through fractured rock masses, ranging from equivalent continuum models to discrete fracture network simulation models. However, their application needs many preliminary investigations on the behavior of the groundwater system based on hydrochemical and structural data. To study large scale flow systems in fractured rocks of mountainous terrains, a comprehensive study was conducted in southern Switzerland, using as case studies two infrastructures actually under construction: (i) the Monte Ceneri base railway tunnel (Ticino), and the (ii) San Fedele highway tunnel (Roveredo, Graubiinden). The chosen approach in this study combines the temporal and spatial variation of geochemical and geophysical measurements. About 60 localities from both surface and underlying tunnels were temporarily and spatially monitored during more than one year. At first, the project was focused on the collection of hydrochemical and structural data. A number of springs, selected in the area surrounding the infrastructures, were monitored for discharge, electric conductivity, pH, and temperature. Water samples (springs, tunnel inflows and rains) were taken for isotopic analysis; in particular the stable isotope composition (δ2Η, δ180 values) can reflect the origin of the water, because of spatial (recharge altitude, topography, etc.) and temporal (seasonal) effects on precipitation which in turn strongly influence the isotopic composition of groundwater. Tunnel inflows in the accessible parts of the tunnels were also sampled and, if possible, monitored with time. Noble-gas concentrations and their isotope ratios were used in selected locations to better understand the origin and the circulation of the groundwater. In addition, electrical resistivity and VLF-type electromagnetic surveys were performed to identify water bearing fractures and/or weathered areas that could be intersected at depth during tunnel construction. The main goal of this work was to demonstrate that these hydrogeological data and geophysical methods, combined with structural and hydrogeological information, can be successfully used in order to develop hydrogeological conceptual models of the groundwater flow in regions to be exploited for tunnels. The main results of the project are: (i) to have successfully tested the application of electrical resistivity and VLF-electromagnetic surveys to asses water-bearing zones during tunnel drilling; (ii) to have verified the usefulness of noble gas, major ion and stable isotope compositions as proxies for the detection of faults and to understand the origin of the groundwater and its flow regimes (direct rain water infiltration or groundwater of long residence time); and (iii) to have convincingly tested the combined application of a geochemical and geophysical approach to assess and predict the vulnerability of springs to tunnel drilling. - L'interférence entre eaux souterraines et des tunnels pose des problèmes environnementaux et de génie civile. En fait, la construction d'un tunnel peut faire abaisser le niveau des nappes piézométriques et faire infiltrer de l'eau dans le tunnel et ainsi créer des problème pendant l'excavation. Alors que l'influence de la construction d'un tunnel sur la circulation régionale de l'eau souterraine dans des milieux poreux peut être prédite relativement facilement par des solution analytiques de modèles, ceci devient difficile dans des milieux fissurés. Dans ce cas-là, des solutions numériques sont préférables et plusieurs approches conceptuelles ont été proposées pour décrire et modéliser la circulation d'eau souterraine à travers les roches fissurées, en allant de modèles d'équivalence continue à des modèles de simulation de réseaux de fissures discrètes. Par contre, leur application demande des investigations importantes concernant le comportement du système d'eau souterraine basées sur des données hydrochimiques et structurales. Dans le but d'étudier des grands systèmes de circulation d'eau souterraine dans une région de montagnes, une étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction: (i) Le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri (Tessin) et (ii) le tunnel routière de San Fedele (Roveredo, Grisons). L'approche choisie dans cette étude est la combinaison de variations temporelles et spatiales des mesures géochimiques et géophysiques. Environs 60 localités situées à la surface ainsi que dans les tunnels soujacents ont été suiviès du point de vue temporel et spatial pendant plus de un an. Dans un premier temps le projet se focalisait sur la collecte de données hydrochimiques et structurales. Un certain nombre de sources, sélectionnées dans les environs des infrastructures étudiées ont été suivies pour le débit, la conductivité électrique, le pH et la température. De l'eau (sources, infiltration d'eau de tunnel et pluie) a été échantillonnés pour des analyses isotopiques; ce sont surtout les isotopes stables (δ2Η, δ180) qui peuvent indiquer l'origine d'une eaux, à cause de la dépendance d'effets spatiaux (altitude de recharge, topographie etc.) ainsi que temporels (saisonaux) sur les précipitations météoriques , qui de suite influencent ainsi la composition isotopique de l'eau souterraine. Les infiltrations d'eau dans les tunnels dans les parties accessibles ont également été échantillonnées et si possible suivies au cours du temps. La concentration de gaz nobles et leurs rapports isotopiques ont également été utilisées pour quelques localités pour mieux comprendre l'origine et la circulation de l'eau souterraine. En plus, des campagnes de mesures de la résistivité électrique et électromagnétique de type VLF ont été menées afin d'identifier des zone de fractures ou d'altération qui pourraient interférer avec les tunnels en profondeur pendant la construction. Le but principal de cette étude était de démontrer que ces données hydrogéologiques et géophysiques peuvent être utilisées avec succès pour développer des modèles hydrogéologiques conceptionels de tunnels. Les résultats principaux de ce travail sont : i) d'avoir testé avec succès l'application de méthodes de la tomographie électrique et des campagnes de mesures électromagnétiques de type VLF afin de trouver des zones riches en eau pendant l'excavation d'un tunnel ; ii) d'avoir prouvé l'utilité des gaz nobles, des analyses ioniques et d'isotopes stables pour déterminer l'origine de l'eau infiltrée (de la pluie par le haut ou ascendant de l'eau remontant des profondeurs) et leur flux et pour déterminer la position de failles ; et iii) d'avoir testé d'une manière convainquant l'application combinée de méthodes géochimiques et géophysiques pour juger et prédire la vulnérabilité de sources lors de la construction de tunnels. - L'interazione dei tunnel con il circuito idrico sotterraneo costituisce un problema sia dal punto di vista ambientale che ingegneristico. Lo scavo di un tunnel puô infatti causare abbassamenti dei livelli piezometrici, inoltre le venute d'acqua in galleria sono un notevole problema sia in fase costruttiva che di esercizio. Nel caso di acquiferi in materiale sciolto, l'influenza dello scavo di un tunnel sul circuito idrico sotterraneo, in genere, puô essere adeguatamente predetta attraverso l'applicazione di soluzioni analitiche; al contrario un approccio di questo tipo appare inadeguato nel caso di scavo in roccia. Per gli ammassi rocciosi fratturati sono piuttosto preferibili soluzioni numeriche e, a tal proposito, sono stati proposti diversi approcci concettuali; nella fattispecie l'ammasso roccioso puô essere modellato come un mezzo discreto ο continuo équivalente. Tuttavia, una corretta applicazione di qualsiasi modello numerico richiede necessariamente indagini preliminari sul comportamento del sistema idrico sotterraneo basate su dati idrogeochimici e geologico strutturali. Per approfondire il tema dell'idrogeologia in ammassi rocciosi fratturati tipici di ambienti montani, è stato condotto uno studio multidisciplinare nel sud della Svizzera sfruttando come casi studio due infrastrutture attualmente in costruzione: (i) il tunnel di base del Monte Ceneri (canton Ticino) e (ii) il tunnel autostradale di San Fedele (Roveredo, canton Grigioni). L'approccio di studio scelto ha cercato di integrare misure idrogeochimiche sulla qualité e quantité delle acque e indagini geofisiche. Nella fattispecie sono state campionate le acque in circa 60 punti spazialmente distribuiti sia in superficie che in sotterraneo; laddove possibile il monitoraggio si è temporalmente prolungato per più di un anno. In una prima fase, il progetto di ricerca si è concentrato sull'acquisizione dati. Diverse sorgenti, selezionate nelle aree di possibile influenza attorno allé infrastrutture esaminate, sono state monitorate per quel che concerne i parametri fisico-chimici: portata, conduttività elettrica, pH e temperatura. Campioni d'acqua sono stati prelevati mensilmente su sorgenti, venute d'acqua e precipitazioni, per analisi isotopiche; nella fattispecie, la composizione in isotopi stabili (δ2Η, δ180) tende a riflettere l'origine delle acque, in quanto, variazioni sia spaziali (altitudine di ricarica, topografia, etc.) che temporali (variazioni stagionali) della composizione isotopica delle precipitazioni influenzano anche le acque sotterranee. Laddove possibile, sono state campionate le venute d'acqua in galleria sia puntualmente che al variare del tempo. Le concentrazioni dei gas nobili disciolti nell'acqua e i loro rapporti isotopici sono stati altresi utilizzati in alcuni casi specifici per meglio spiegare l'origine delle acque e le tipologie di circuiti idrici sotterranei. Inoltre, diverse indagini geofisiche di resistività elettrica ed elettromagnetiche a bassissima frequenza (VLF) sono state condotte al fine di individuare le acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso. Principale obiettivo di questo lavoro è stato dimostrare come misure idrogeochimiche ed indagini geofisiche possano essere integrate alio scopo di sviluppare opportuni modelli idrogeologici concettuali utili per lo scavo di opere sotterranee. I principali risultati ottenuti al termine di questa ricerca sono stati: (i) aver testato con successo indagini geofisiche (ERT e VLF-EM) per l'individuazione di acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso e che possano essere causa di venute d'acqua in galleria durante lo scavo di tunnel; (ii) aver provato l'utilità di analisi su gas nobili, ioni maggiori e isotopi stabili per l'individuazione di faglie e per comprendere l'origine delle acque sotterranee (acque di recente infiltrazione ο provenienti da circolazioni profonde); (iii) aver testato in maniera convincente l'integrazione delle indagini geofisiche e di misure geochimiche per la valutazione della vulnérabilité delle sorgenti durante lo scavo di nuovi tunnel. - "La NLFA (Nouvelle Ligne Ferroviaire à travers les Alpes) axe du Saint-Gothard est le plus important projet de construction de Suisse. En bâtissant la nouvelle ligne du Saint-Gothard, la Suisse réalise un des plus grands projets de protection de l'environnement d'Europe". Cette phrase, qu'on lit comme présentation du projet Alptransit est particulièrement éloquente pour expliquer l'utilité des nouvelles lignes ferroviaires transeuropéens pour le développement durable. Toutefois, comme toutes grandes infrastructures, la construction de nouveaux tunnels ont des impacts inévitables sur l'environnement. En particulier, le possible drainage des eaux souterraines réalisées par le tunnel peut provoquer un abaissement du niveau des nappes piézométriques. De plus, l'écoulement de l'eau à l'intérieur du tunnel, conduit souvent à des problèmes d'ingénierie. Par exemple, d'importantes infiltrations d'eau dans le tunnel peuvent compliquer les phases d'excavation, provoquant un retard dans l'avancement et dans le pire des cas, peuvent mettre en danger la sécurité des travailleurs. Enfin, l'infiltration d'eau peut être un gros problème pendant le fonctionnement du tunnel. Du point de vue de la science, avoir accès à des infrastructures souterraines représente une occasion unique d'obtenir des informations géologiques en profondeur et pour échantillonner des eaux autrement inaccessibles. Dans ce travail, nous avons utilisé une approche pluridisciplinaire qui intègre des mesures d'étude hydrogéochimiques effectués sur les eaux de surface et des investigations géophysiques indirects, tels que la tomographic de résistivité électrique (TRE) et les mesures électromagnétiques de type VLF. L'étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction, qui sont le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri, une partie du susmentionné projet Alptransit, situé entièrement dans le canton Tessin, et le tunnel routière de San Fedele, situé a Roveredo dans le canton des Grisons. Le principal objectif était de montrer comment il était possible d'intégrer les deux approches, géophysiques et géochimiques, afin de répondre à la question de ce que pourraient être les effets possibles dû au drainage causés par les travaux souterrains. L'accès aux galeries ci-dessus a permis une validation adéquate des enquêtes menées confirmant, dans chaque cas, les hypothèses proposées. A cette fin, nous avons fait environ 50 profils géophysiques (28 imageries électrique bidimensionnels et 23 électromagnétiques) dans les zones de possible influence par le tunnel, dans le but d'identifier les fractures et les discontinuités dans lesquelles l'eau souterraine peut circuler. De plus, des eaux ont été échantillonnés dans 60 localités situées la surface ainsi que dans les tunnels subjacents, le suivi mensuelle a duré plus d'un an. Nous avons mesurés tous les principaux paramètres physiques et chimiques: débit, conductivité électrique, pH et température. De plus, des échantillons d'eaux ont été prélevés pour l'analyse mensuelle des isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène (δ2Η, δ180). Avec ces analyses, ainsi que par la mesure des concentrations des gaz rares dissous dans les eaux et de leurs rapports isotopiques que nous avons effectués dans certains cas spécifiques, il était possible d'expliquer l'origine des différents eaux souterraines, les divers modes de recharge des nappes souterraines, la présence de possible phénomènes de mélange et, en général, de mieux expliquer les circulations d'eaux dans le sous-sol. Le travail, même en constituant qu'une réponse partielle à une question très complexe, a permis d'atteindre certains importants objectifs. D'abord, nous avons testé avec succès l'applicabilité des méthodes géophysiques indirectes (TRE et électromagnétiques de type VLF) pour prédire la présence d'eaux souterraines dans le sous-sol des massifs rocheux. De plus, nous avons démontré l'utilité de l'analyse des gaz rares, des isotopes stables et de l'analyses des ions majeurs pour la détection de failles et pour comprendre l'origine des eaux souterraines (eau de pluie par le haut ou eau remontant des profondeurs). En conclusion, avec cette recherche, on a montré que l'intégration des ces informations (géophysiques et géochimiques) permet le développement de modèles conceptuels appropriés, qui permettant d'expliquer comment l'eau souterraine circule. Ces modèles permettent de prévoir les infiltrations d'eau dans les tunnels et de prédire la vulnérabilité de sources et des autres ressources en eau lors de construction de tunnels.

Hydrogeophysical data integration at larger scales: Application of Bayesian sequential simulation for the characterization of heterogeneous alluvial aquifers

Knowledge of the spatial distribution of hydraulic conductivity (K) within an aquifer is critical for reliable predictions of solute transport and the development of effective groundwater management and/or remediation strategies. While core analyses and hydraulic logging can provide highly detailed information, such information is inherently localized around boreholes that tend to be sparsely distributed throughout the aquifer volume. Conversely, larger-scale hydraulic experiments like pumping and tracer tests provide relatively low-resolution estimates of K in the investigated subsurface region. As a result, traditional hydrogeological measurement techniques contain a gap in terms of spatial resolution and coverage, and they are often alone inadequate for characterizing heterogeneous aquifers. Geophysical methods have the potential to bridge this gap. The recent increased interest in the application of geophysical methods to hydrogeological problems is clearly evidenced by the formation and rapid growth of the domain of hydrogeophysics over the past decade (e.g., Rubin and Hubbard, 2005).

Advanced mapping of environmental data: Geostatistics, Machine Learning and Bayesian Maximum Entropy

This book combines geostatistics and global mapping systems to present an up-to-the-minute study of environmental data. Featuring numerous case studies, the reference covers model dependent (geostatistics) and data driven (machine learning algorithms) analysis techniques such as risk mapping, conditional stochastic simulations, descriptions of spatial uncertainty and variability, artificial neural networks (ANN) for spatial data, Bayesian maximum entropy (BME), and more.

Evaluation of email alerts in practice: Part 2. Validation of the information assessment method.

RATIONALE AND OBJECTIVE:. The information assessment method (IAM) permits health professionals to systematically document the relevance, cognitive impact, use and health outcomes of information objects delivered by or retrieved from electronic knowledge resources. The companion review paper (Part 1) critically examined the literature, and proposed a 'Push-Pull-Acquisition-Cognition-Application' evaluation framework, which is operationalized by IAM. The purpose of the present paper (Part 2) is to examine the content validity of the IAM cognitive checklist when linked to email alerts. METHODS: A qualitative component of a mixed methods study was conducted with 46 doctors reading and rating research-based synopses sent on email. The unit of analysis was a doctor's explanation of a rating of one item regarding one synopsis. Interviews with participants provided 253 units that were analysed to assess concordance with item definitions. RESULTS AND CONCLUSION: The content relevance of seven items was supported. For three items, revisions were needed. Interviews suggested one new item. This study has yielded a 2008 version of IAM.

Clinical evaluation of a method for detecting superficial surgical transitional cell carcinoma of the bladder by light-induced fluorescence of protoporphyrin IX following the topical application of 5-aminolevulinic acid: preliminary results.

BACKGROUND AND OBJECTIVE: In bladder cancer, conventional white light endoscopic examination of the bladder does not provide adequate information about the presence of "flat" urothelial lesions such as carcinoma in situ. In the present investigation, we examine a new technique for the photodetection of such lesions by the imaging of protoporphyrin IX (PpIX) fluorescence following topical application of 5-aminolevulinic acid (ALA). STUDY DESIGN/MATERIALS AND METHODS: Several hours after bladder instillation of an aqueous solution of ALA in 34 patients, a Krypton ion laser or a filtered Xenon arc-lamp was used to excite PpIX fluorescence. Tissue samples for histological analysis were taken while observing the bladder wall either by means of a video camera, or by direct endoscopic observation. RESULTS: A good correlation was found between the PpIX fluorescence and the histopathological diagnosis. On a total of 215 biopsies, 143 in fluorescent and 72 in nonfluorescent areas, all visible tumors on white light cytoscopy appeared in a bright red fluorescence with the photodetection technique. In addition, this method permitted to discover 47 unsuspected carcinomatous lesions on white light observation, among which 40% were carcinoma in situ. CONCLUSION: PpIX fluorescence induced by instillation into the bladder of 5-ALA is an efficient method of mapping the mucosa in bladder carcinoma.

Application of low temperature thermochronology to understanding cooling and exhumation in the Central Swiss Alps

THESIS ABSTRACT : Low-temperature thermochronology relies on application of radioisotopic systems whose closure temperatures are below temperatures at which the dated phases are formed. In that sense, the results are interpreted as "cooling ages" in contrast to "formation ages". Owing to the low closure-temperatures, it is possible to reconstruct exhumation and cooling paths of rocks during their residence at shallow levels of the crust, i.e. within first ~10 km of depth. Processes occurring at these shallow depths such as final exhumation, faulting and relief formation are fundamental for evolution of the mountain belts. This thesis aims at reconstructing the tectono-thermal history of the Aar massif in the Central Swiss Alps by means of zircon (U-Th)/He, apatite (U-Th)/He and apatite fission track thermochronology. The strategy involved acquisition of a large number of samples from a wide range of elevations in the deeply incised Lötschen valley and a nearby NEAT tunnel. This unique location allowed to precisely constrain timing, amount and mechanisms of exhumation of the main orographic feature of the Central Alps, evaluate the role of topography on the thermochronological record and test the impact of hydrothermal activity. Samples were collected from altitudes ranging between 650 and 3930 m and were grouped into five vertical profiles on the surface and one horizontal in the tunnel. Where possible, all three radiometric systems were applied to each sample. Zircon (U-Th)/He ages range from 5.1 to 9.4 Ma and are generally positively correlated with altitude. Age-elevation plots reveal a distinct break in slope, which translates into exhumation rate increasing from ~0.4 to ~3 km/Ma at 6 Ma. This acceleration is independently confirmed by increased cooling rates on the order of 100°C/Ma constrained on the basis of age differences between the zircon (U-Th)/He and the remaining systems. Apatite fission track data also plot on a steep age-elevation curve indicating rapid exhumation until the end of the Miocene. The 6 Ma event is interpreted as reflecting tectonically driven uplift of the Aar massif. The late Miocene timing implies that the increase of precipitation in the Pliocene did not trigger rapid exhumation in the Aar massif. The Messinian salinity crisis in the Mediterranean could not directly intensify erosion of the Aar but associated erosional output from the entire Alps may have tapered the orogenic wedge and caused reactivation of thrusting in the Aar massif. The high exhumation rates in the Messinian were followed by a decrease to ~1.3 km/Ma as evidenced by ~8 km of exhumation during last 6 Ma. The slowing of exhumation is also apparent from apatite (U-Th)1He age-elevation data in the northern part of the Lötschen valley where they plot on a ~0.5km/Ma line and range from 2.4 to 6.4 Ma However, from the apatite (U-Th)/He and fission track data from the NEAT tunnel, there is an indication of a perturbation of the record. The apatite ages are youngest under the axis of the valley, in contrast to an expected pattern where they would be youngest in the deepest sections of the tunnel due to heat advection into ridges. The valley however, developed in relatively soft schists while the ridges are built of solid granitoids. In line with hydrological observations from the tunnel, we suggest that the relatively permeable rocks under the valley floor, served as conduits of geothermal fluids that caused reheating leading to partial Helium loss and fission track annealing in apatites. In consequence, apatite ages from the lowermost samples are too young and the calculated exhumation rates may underestimate true values. This study demonstrated that high-density sampling is indispensable to provide meaningful thermochronological data in the Alpine setting. The multi-system approach allows verifying plausibility of the data and highlighting sources of perturbation. RÉSUMÉ DE THÈSE : La thermochronologie de basse température dépend de l'utilisation de systèmes radiométriques dont la température de fermeture est nettement inférieure à la température de cristallisation du minéral. Les résultats obtenus sont par conséquent interprétés comme des âges de refroidissement qui diffèrent des âges de formation obtenus par le biais d'autres systèmes de datation. Grâce aux températures de refroidissement basses, il est aisé de reconstruire les chemins de refroidissement et d'exhumation des roches lors de leur résidence dans la croute superficielle (jusqu'à 10 km). Les processus qui entrent en jeu à ces faibles profondeurs tels que l'exhumation finale, la fracturation et le faillage ainsi que la formation du relief sont fondamentaux dans l'évolution des chaînes de montagne. Ces dernières années, il est devenu clair que l'enregistrement thermochronologique dans les orogènes peut être influencé par le relief et réinitialisé par l'advection de la chaleur liée à la circulation de fluides géothermaux après le refroidissement initial. L'objectif de cette thèse est de reconstruire l'histoire tectono-thermique du massif de l'Aar dans les Alpes suisses Centrales à l'aide de trois thermochronomètres; (U-Th)/He sur zircon, (U-Th)/He sur apatite et les traces de fission sur apatite. Afin d'atteindre cet objectif, nous avons récolté un grand nombre d'échantillons provenant de différentes altitudes dans la vallée fortement incisée de Lötschental ainsi que du tunnel de NEAT. Cette stratégie d'échantillonnage nous a permis de contraindre de manière précise la chronologie, les quantités et les mécanismes d'exhumation de cette zone des Alpes Centrales, d'évaluer le rôle de la topographie sur l'enregistrement thermochronologique et de tester l'impact de l'hydrothermalisme sur les géochronomètres. Les échantillons ont été prélevés à des altitudes comprises entre 650 et 3930m selon 5 profils verticaux en surface et un dans le tunnel. Quand cela à été possible, les trois systèmes radiométriques ont été appliqués aux échantillons. Les âges (U-Th)\He obtenus sur zircons sont compris entre 5.l et 9.4 Ma et sont corrélés de manière positive avec l'altitude. Les graphiques représentant l'âge et l'élévation montrent une nette rupture de la pente qui traduisent un accroissement de la vitesse d'exhumation de 0.4 à 3 km\Ma il y a 6 Ma. Cette accélération de l'exhumation est confirmée par les vitesses de refroidissement de l'ordre de 100°C\Ma obtenus à partir des différents âges sur zircons et à partir des autres systèmes géochronologiques. Les données obtenues par traces de fission sur apatite nous indiquent également une exhumation rapide jusqu'à la fin du Miocène. Nous interprétons cet évènement à 6 Ma comme étant lié à l'uplift tectonique du massif de l'Aar. Le fait que cet évènement soit tardi-miocène implique qu'une augmentation des précipitations au Pliocène n'a pas engendré cette exhumation rapide du massif de l'Aar. La crise Messinienne de la mer méditerranée n'a pas pu avoir une incidence directe sur l'érosion du massif de l'Aar mais l'érosion associée à ce phénomène à pu réduire le coin orogénique alpin et causer la réactivation des chevauchements du massif de l'Aar. L'exhumation rapide Miocène a été suivie pas une diminution des taux d'exhumation lors des derniers 6 Ma (jusqu'à 1.3 km\Ma). Cependant, les âges (U-Th)\He sur apatite ainsi que les traces de fission sur apatite des échantillons du tunnel enregistrent une perturbation de l'enregistrement décrit ci-dessus. Les âges obtenus sur les apatites sont sensiblement plus jeunes sous l'axe de la vallée en comparaison du profil d'âges attendus. En effet, on attendrait des âges plus jeunes sous les parties les plus profondes du tunnel à cause de l'advection de la chaleur dans les flancs de la vallée. La vallée est creusée dans des schistes alors que les flancs de celle-ci sont constitués de granitoïdes plus durs. En accord avec les observations hydrologiques du tunnel, nous suggérons que la perméabilité élevée des roches sous l'axe de la vallée à permi l'infiltration de fluides géothermaux qui a généré un réchauffement des roches. Ce réchauffement aurait donc induit une perte d'Hélium et un recuit des traces de fission dans les apatites. Ceci résulterait en un rajeunissement des âges apatite et en une sous-estimation des vitesses d'exhumation sous l'axe de la vallée. Cette étude à servi à démontrer la nécessité d'un échantillonnage fin et précis afin d'apporter des données thermochronologiques de qualité dans le contexte alpin. Cette approche multi-système nous a permi de contrôler la pertinence des données acquises ainsi que d'identifier les sources possibles d'erreurs lors d'études thermochronologiques. RÉSUMÉ LARGE PUBLIC Lors d'une orogenèse, les roches subissent un cycle comprenant une subduction, de la déformation, du métamorphisme et, finalement, un retour à la surface (ou exhumation). L'exhumation résulte de la déformation au sein de la zone de collision, menant à un raccourcissement et un apaissessement de l'édifice rocheux, qui se traduit par une remontée des roches, création d'une topographie et érosion. Puisque l'érosion agit comme un racloir sur la partie supérieure de l'édifice, des tentatives de corrélation entre les épisodes d'exhumation rapide et les périodes d'érosion intensive, dues aux changements climatiques, ont été effectuées. La connaissance de la chronologie et du lieu précis est d'une importance capitale pour une quelconque reconstruction de l'évolution d'une chaîne de montagne. Ces critères sont donnés par un retraçage des changements de la température de la roche en fonction du temps, nous donnant le taux de refroidissement. L'instant auquel les roches ont refroidit, passant une certaine température, est contraint par l'application de techniques de datation par radiométrie. Ces méthodes reposent sur la désintégration des isotopes radiogéniques, tels que l'uranium et le potassium, tous deux abondants dans les roches de la croûte terrestre. Les produits de cette désintégration ne sont pas retenus dans les minéraux hôtes jusqu'au moment du refroidissement de la roche sous une température appelée 'de fermeture' , spécifique à chaque système de datation. Par exemple, la désintégration radioactive des atomes d'uranium et de thorium produit des atomes d'hélium qui s'échappent d'un cristal de zircon à des températures supérieures à 200°C. En mesurant la teneur en uranium-parent, l'hélium accumulé et en connaissant le taux de désintégration, il est possible de calculer à quel moment la roche échantillonnée est passée sous la température de 200°C. Si le gradient géothermal est connu, les températures de fermeture peuvent être converties en profondeurs actuelles (p. ex. 200°C ≈ 7km), et le taux de refroidissement en taux d'exhumation. De plus, en datant par système radiométrique des échantillons espacés verticalement, il est possible de contraindre directement le taux d'exhumation de la section échantillonnée en observant les différences d'âges entre des échantillons voisins. Dans les Alpes suisses, le massif de l'Aar forme une structure orographique majeure. Avec des altitudes supérieures à 4000m et un relief spectaculaire de plus de 2000m, le massif domine la partie centrale de la chaîne de montagne. Les roches aujourd'hui exposées à la surface ont été enfouies à plus de 10 km de profond il y a 20 Ma, mais la topographie actuelle du massif de l'Aar semble surtout s'être développée par un soulèvement actif depuis quelques millions d'années, c'est-à-dire depuis le Néogène supérieur. Cette période comprend un changement climatique soudain ayant touché l'Europe il y a environ 5 Ma et qui a occasionné de fortes précipitations, entraînant certainement une augmentation de l'érosion et accélérant l'exhumation des Alpes. Dans cette étude, nous avons employé le système de datation (U-TH)/He sur zircon, dont la température de fermeture de 200°C est suffisamment basse pour caractériser l'exhumation du Néogène sup. /Pliocène. Les échantillons proviennent du Lötschental et du tunnel ferroviaire le plus profond du monde (NEAT) situé dans la partie ouest du massif de l'Aar. Considérés dans l'ensemble, ces échantillons se répartissent sur un dénivelé de 3000m et des âges de 5.1 à 9.4 Ma. Les échantillons d'altitude supérieure (et donc plus vieux) documentent un taux d'exhumation de 0.4 km/Ma jusqu'à il y a 6 Ma, alors que les échantillons situés les plus bas ont des âges similaires allant de 6 à 5.4 Ma, donnant un taux jusqu'à 3km /Ma. Ces données montrent une accélération dramatique de l'exhumation du massif de l'Aar il y a 6 Ma. L'exhumation miocène sup. du massif prédate donc le changement climatique Pliocène. Cependant, lors de la crise de salinité d'il y a 6-5.3 Ma (Messinien), le niveau de la mer Méditerranée est descendu de 3km. Un tel abaissement de la surface d'érosion peut avoir accéléré l'exhumation des Alpes, mais le bassin sud alpin était trop loin du massif de l'Aar pour influencer son érosion. Nous arrivons à la conclusion que la datation (U-Th)/He permet de contraindre précisément la chronologie et l'exhumation du massif de l'Aar. Concernant la dualité tectonique-érosion, nous suggérons que, dans le cas du massif de l'Aar, la tectonique prédomine.

Predictive analysis and mapping of indoor radon concentrations in Switzerland

It is estimated that around 230 people die each year due to radon (222Rn) exposure in Switzerland. 222Rn occurs mainly in closed environments like buildings and originates primarily from the subjacent ground. Therefore it depends strongly on geology and shows substantial regional variations. Correct identification of these regional variations would lead to substantial reduction of 222Rn exposure of the population based on appropriate construction of new and mitigation of already existing buildings. Prediction of indoor 222Rn concentrations (IRC) and identification of 222Rn prone areas is however difficult since IRC depend on a variety of different variables like building characteristics, meteorology, geology and anthropogenic factors. The present work aims at the development of predictive models and the understanding of IRC in Switzerland, taking into account a maximum of information in order to minimize the prediction uncertainty. The predictive maps will be used as a decision-support tool for 222Rn risk management. The construction of these models is based on different data-driven statistical methods, in combination with geographical information systems (GIS). In a first phase we performed univariate analysis of IRC for different variables, namely the detector type, building category, foundation, year of construction, the average outdoor temperature during measurement, altitude and lithology. All variables showed significant associations to IRC. Buildings constructed after 1900 showed significantly lower IRC compared to earlier constructions. We observed a further drop of IRC after 1970. In addition to that, we found an association of IRC with altitude. With regard to lithology, we observed the lowest IRC in sedimentary rocks (excluding carbonates) and sediments and the highest IRC in the Jura carbonates and igneous rock. The IRC data was systematically analyzed for potential bias due to spatially unbalanced sampling of measurements. In order to facilitate the modeling and the interpretation of the influence of geology on IRC, we developed an algorithm based on k-medoids clustering which permits to define coherent geological classes in terms of IRC. We performed a soil gas 222Rn concentration (SRC) measurement campaign in order to determine the predictive power of SRC with respect to IRC. We found that the use of SRC is limited for IRC prediction. The second part of the project was dedicated to predictive mapping of IRC using models which take into account the multidimensionality of the process of 222Rn entry into buildings. We used kernel regression and ensemble regression tree for this purpose. We could explain up to 33% of the variance of the log transformed IRC all over Switzerland. This is a good performance compared to former attempts of IRC modeling in Switzerland. As predictor variables we considered geographical coordinates, altitude, outdoor temperature, building type, foundation, year of construction and detector type. Ensemble regression trees like random forests allow to determine the role of each IRC predictor in a multidimensional setting. We found spatial information like geology, altitude and coordinates to have stronger influences on IRC than building related variables like foundation type, building type and year of construction. Based on kernel estimation we developed an approach to determine the local probability of IRC to exceed 300 Bq/m3. In addition to that we developed a confidence index in order to provide an estimate of uncertainty of the map. All methods allow an easy creation of tailor-made maps for different building characteristics. Our work is an essential step towards a 222Rn risk assessment which accounts at the same time for different architectural situations as well as geological and geographical conditions. For the communication of 222Rn hazard to the population we recommend to make use of the probability map based on kernel estimation. The communication of 222Rn hazard could for example be implemented via a web interface where the users specify the characteristics and coordinates of their home in order to obtain the probability to be above a given IRC with a corresponding index of confidence. Taking into account the health effects of 222Rn, our results have the potential to substantially improve the estimation of the effective dose from 222Rn delivered to the Swiss population.

Application of text-mining for updating protein post-translational modification annotation in UniProtKB.

BACKGROUND: The annotation of protein post-translational modifications (PTMs) is an important task of UniProtKB curators and, with continuing improvements in experimental methodology, an ever greater number of articles are being published on this topic. To help curators cope with this growing body of information we have developed a system which extracts information from the scientific literature for the most frequently annotated PTMs in UniProtKB. RESULTS: The procedure uses a pattern-matching and rule-based approach to extract sentences with information on the type and site of modification. A ranked list of protein candidates for the modification is also provided. For PTM extraction, precision varies from 57% to 94%, and recall from 75% to 95%, according to the type of modification. The procedure was used to track new publications on PTMs and to recover potential supporting evidence for phosphorylation sites annotated based on the results of large scale proteomics experiments. CONCLUSIONS: The information retrieval and extraction method we have developed in this study forms the basis of a simple tool for the manual curation of protein post-translational modifications in UniProtKB/Swiss-Prot. Our work demonstrates that even simple text-mining tools can be effectively adapted for database curation tasks, providing that a thorough understanding of the working process and requirements are first obtained. This system can be accessed at http://eagl.unige.ch/PTM/.

Impact of engineered nanomaterials on health : considerations for benefit-risk assessment

Nanotechnology encompasses the design, characterisation, production and application of materials and systems by controlling shape and size at the nanoscale (nanometres). Nanomaterials may differ from other materials because of their relatively large specific surface area, such that surface properties become particularly important. There has been rapid growth in investment in nanotechnology by both the public and private sectors worldwide. In the EU, nanotechnology is expected to become an important strategic contributor to achieving economic gain and societal and individual benefits. At the same time there is continuing scientific uncertainty and controversy about the safety of nanomaterials. It is important to ensure that timely policy development takes this into consideration. Uncertainty about safety may lead to polarised public debate and to business unwillingness to invest further. A clear regulatory framework to address potential health and environmental impacts, within the wider context of evaluating and communicating the benefit-risk balance, must be a core part of Europe's integrated efforts for nanotechnology innovation. While a number of studies have been carried out on the effect of environmental nanoparticles, e.g. from combustion processes, on human health, there is yet no generally acceptable paradigm for safety assessment of nanomaterials in consumer and other products. Therefore, a working group was established to consider issues for the possible impact of nanomaterials on human health focussing specifically on engineered nanomaterials. This represents the first joint initiative between EASAC and the Joint Research Centre of the European Commission. The working group was given the remit to describe the state of the art of benefits and potential risks, current methods for safety assessment, and to evaluate their relevance, identify knowledge gaps in studying the safety of current nanomaterials, and recommend on priorities for nanomaterial research and the regulatory framework. This report focuses on key principles and issues, cross-referencing other sources for detailed information, rather than attempting a comprehensive account of the science. The focus is on human health although environmental effects are also discussed when directly relevant to health

Development and application of computational methodologies in qualitative modeling

La présente thèse s'intitule "Développent et Application des Méthodologies Computationnelles pour la Modélisation Qualitative". Elle comprend tous les différents projets que j'ai entrepris en tant que doctorante. Plutôt qu'une mise en oeuvre systématique d'un cadre défini a priori, cette thèse devrait être considérée comme une exploration des méthodes qui peuvent nous aider à déduire le plan de processus regulatoires et de signalisation. Cette exploration a été mue par des questions biologiques concrètes, plutôt que par des investigations théoriques. Bien que tous les projets aient inclus des systèmes divergents (réseaux régulateurs de gènes du cycle cellulaire, réseaux de signalisation de cellules pulmonaires) ainsi que des organismes (levure à fission, levure bourgeonnante, rat, humain), nos objectifs étaient complémentaires et cohérents. Le projet principal de la thèse est la modélisation du réseau de l'initiation de septation (SIN) du S.pombe. La cytokinèse dans la levure à fission est contrôlée par le SIN, un réseau signalant de protéines kinases qui utilise le corps à pôle-fuseau comme échafaudage. Afin de décrire le comportement qualitatif du système et prédire des comportements mutants inconnus, nous avons décidé d'adopter l'approche de la modélisation booléenne. Dans cette thèse, nous présentons la construction d'un modèle booléen étendu du SIN, comprenant la plupart des composantes et des régulateurs du SIN en tant que noeuds individuels et testable expérimentalement. Ce modèle utilise des niveaux d'activité du CDK comme noeuds de contrôle pour la simulation d'évènements du SIN à différents stades du cycle cellulaire. Ce modèle a été optimisé en utilisant des expériences d'un seul "knock-out" avec des effets phénotypiques connus comme set d'entraînement. Il a permis de prédire correctement un set d'évaluation de "knock-out" doubles. De plus, le modèle a fait des prédictions in silico qui ont été validées in vivo, permettant d'obtenir de nouvelles idées de la régulation et l'organisation hiérarchique du SIN. Un autre projet concernant le cycle cellulaire qui fait partie de cette thèse a été la construction d'un modèle qualitatif et minimal de la réciprocité des cyclines dans la S.cerevisiae. Les protéines Clb dans la levure bourgeonnante présentent une activation et une dégradation caractéristique et séquentielle durant le cycle cellulaire, qu'on appelle communément les vagues des Clbs. Cet évènement est coordonné avec la courbe d'activation inverse du Sic1, qui a un rôle inhibitoire dans le système. Pour l'identification des modèles qualitatifs minimaux qui peuvent expliquer ce phénomène, nous avons sélectionné des expériences bien définies et construit tous les modèles minimaux possibles qui, une fois simulés, reproduisent les résultats attendus. Les modèles ont été filtrés en utilisant des simulations ODE qualitatives et standardisées; seules celles qui reproduisaient le phénotype des vagues ont été gardées. L'ensemble des modèles minimaux peut être utilisé pour suggérer des relations regulatoires entre les molécules participant qui peuvent ensuite être testées expérimentalement. Enfin, durant mon doctorat, j'ai participé au SBV Improver Challenge. Le but était de déduire des réseaux spécifiques à des espèces (humain et rat) en utilisant des données de phosphoprotéines, d'expressions des gènes et des cytokines, ainsi qu'un réseau de référence, qui était mis à disposition comme donnée préalable. Notre solution pour ce concours a pris la troisième place. L'approche utilisée est expliquée en détail dans le dernier chapitre de la thèse. -- The present dissertation is entitled "Development and Application of Computational Methodologies in Qualitative Modeling". It encompasses the diverse projects that were undertaken during my time as a PhD student. Instead of a systematic implementation of a framework defined a priori, this thesis should be considered as an exploration of the methods that can help us infer the blueprint of regulatory and signaling processes. This exploration was driven by concrete biological questions, rather than theoretical investigation. Even though the projects involved divergent systems (gene regulatory networks of cell cycle, signaling networks in lung cells), as well as organisms (fission yeast, budding yeast, rat, human), our goals were complementary and coherent. The main project of the thesis is the modeling of the Septation Initiation Network (SIN) in S.pombe. Cytokinesis in fission yeast is controlled by the SIN, a protein kinase signaling network that uses the spindle pole body as scaffold. In order to describe the qualitative behavior of the system and predict unknown mutant behaviors we decided to adopt a Boolean modeling approach. In this thesis, we report the construction of an extended, Boolean model of the SIN, comprising most SIN components and regulators as individual, experimentally testable nodes. The model uses CDK activity levels as control nodes for the simulation of SIN related events in different stages of the cell cycle. The model was optimized using single knock-out experiments of known phenotypic effect as a training set, and was able to correctly predict a double knock-out test set. Moreover, the model has made in silico predictions that have been validated in vivo, providing new insights into the regulation and hierarchical organization of the SIN. Another cell cycle related project that is part of this thesis was to create a qualitative, minimal model of cyclin interplay in S.cerevisiae. CLB proteins in budding yeast present a characteristic, sequential activation and decay during the cell cycle, commonly referred to as Clb waves. This event is coordinated with the inverse activation curve of Sic1, which has an inhibitory role in the system. To generate minimal qualitative models that can explain this phenomenon, we selected well-defined experiments and constructed all possible minimal models that, when simulated, reproduce the expected results. The models were filtered using standardized qualitative ODE simulations; only the ones reproducing the wave-like phenotype were kept. The set of minimal models can be used to suggest regulatory relations among the participating molecules, which will subsequently be tested experimentally. Finally, during my PhD I participated in the SBV Improver Challenge. The goal was to infer species-specific (human and rat) networks, using phosphoprotein, gene expression and cytokine data and a reference network provided as prior knowledge. Our solution to the challenge was selected as in the final chapter of the thesis.