Developing Bioimage Informatics – from Microscopy to Software Solutions – with alpha2beta1 Integrin as a Case Study

Biokuvainformatiikan kehittäminen – mikroskopiasta ohjelmistoratkaisuihin – sovellusesimerkkinä α2β1-integriini Kun ihmisen genomi saatiin sekvensoitua vuonna 2003, biotieteiden päätehtäväksi tuli selvittää eri geenien tehtävät, ja erilaisista biokuvantamistekniikoista tuli keskeisiä tutkimusmenetelmiä. Teknologiset kehitysaskeleet johtivat erityisesti fluoresenssipohjaisten valomikroskopiatekniikoiden suosion räjähdysmäiseen kasvuun, mutta mikroskopian tuli muuntua kvalitatiivisesta tieteestä kvantitatiiviseksi. Tämä muutos synnytti uuden tieteenalan, biokuvainformatiikan, jonka on sanottu mahdollisesti mullistavan biotieteet. Tämä väitöskirja esittelee laajan, poikkitieteellisen työkokonaisuuden biokuvainformatiikan alalta. Väitöskirjan ensimmäinen tavoite oli kehittää protokollia elävien solujen neliulotteiseen konfokaalimikroskopiaan, joka oli yksi nopeimmin kasvavista biokuvantamismenetelmistä. Ihmisen kollageenireseptori α2β1-integriini, joka on tärkeä molekyyli monissa fysiologisissa ja patologisissa prosesseissa, oli sovellusesimerkkinä. Työssä saavutettiin selkeitä visualisointeja integriinien liikkeistä, yhteenkeräytymisestä ja solun sisään siirtymisestä, mutta työkaluja kuvainformaation kvantitatiiviseen analysointiin ei ollut. Väitöskirjan toiseksi tavoitteeksi tulikin tällaiseen analysointiin soveltuvan tietokoneohjelmiston kehittäminen. Samaan aikaan syntyi biokuvainformatiikka, ja kipeimmin uudella alalla kaivattiin erikoistuneita tietokoneohjelmistoja. Tämän väitöskirjatyön tärkeimmäksi tulokseksi muodostui näin ollen BioImageXD, uudenlainen avoimen lähdekoodin ohjelmisto moniulotteisten biokuvien visualisointiin, prosessointiin ja analysointiin. BioImageXD kasvoi yhdeksi alansa suurimmista ja monipuolisimmista. Se julkaistiin Nature Methods -lehden biokuvainformatiikkaa käsittelevässä erikoisnumerossa, ja siitä tuli tunnettu ja laajalti käytetty. Väitöskirjan kolmas tavoite oli soveltaa kehitettyjä menetelmiä johonkin käytännönläheisempään. Tehtiin keinotekoisia piidioksidinanopartikkeleita, joissa oli "osoitelappuina" α2β1-integriinin tunnistavia vasta-aineita. BioImageXD:n avulla osoitettiin, että nanopartikkeleilla on potentiaalia lääkkeiden täsmäohjaussovelluksissa. Tämän väitöskirjatyön yksi perimmäinen tavoite oli edistää uutta ja tuntematonta biokuvainformatiikan tieteenalaa, ja tämä tavoite saavutettiin erityisesti BioImageXD:n ja sen lukuisten julkaistujen sovellusten kautta. Väitöskirjatyöllä on merkittävää potentiaalia tulevaisuudessa, mutta biokuvainformatiikalla on vakavia haasteita. Ala on liian monimutkainen keskimääräisen biolääketieteen tutkijan hallittavaksi, ja alan keskeisin elementti, avoimen lähdekoodin ohjelmistokehitystyö, on aliarvostettu. Näihin seikkoihin tarvitaan useita parannuksia,

Software for design of experiments and response modelling of cake ltration applications

Filtration is a widely used unit operation in chemical engineering. The huge variation in the properties of materials to be ltered makes the study of ltration a challenging task. One of the objectives of this thesis was to show that conventional ltration theories are di cult to use when the system to be modelled contains all of the stages and features that are present in a complete solid/liquid separation process. Furthermore, most of the ltration theories require experimental work to be performed in order to obtain critical parameters required by the theoretical models. Creating a good overall understanding of how the variables a ect the nal product in ltration is somewhat impossible on a purely theoretical basis. The complexity of solid/liquid separation processes require experimental work and when tests are needed, it is advisable to use experimental design techniques so that the goals can be achieved. The statistical design of experiments provides the necessary tools for recognising the e ects of variables. It also helps to perform experimental work more economically. Design of experiments is a prerequisite for creating empirical models that can describe how the measured response is related to the changes in the values of the variable. A software package was developed that provides a ltration practitioner with experimental designs and calculates the parameters for linear regression models, along with the graphical representation of the responses. The developed software consists of two software modules. These modules are LTDoE and LTRead. The LTDoE module is used to create experimental designs for di erent lter types. The lter types considered in the software are automatic vertical pressure lter, double-sided vertical pressure lter, horizontal membrane lter press, vacuum belt lter and ceramic capillary action disc lter. It is also possible to create experimental designs for those cases where the variables are totally user de ned, say for a customized ltration cycle or di erent piece of equipment. The LTRead-module is used to read the experimental data gathered from the experiments, to analyse the data and to create models for each of the measured responses. Introducing the structure of the software more in detail and showing some of the practical applications is the main part of this thesis. This approach to the study of cake ltration processes, as presented in this thesis, has been shown to have good practical value when making ltration tests.

Software for design of experiments and response modelling of cake filtration applications

Filtration is a widely used unit operation in chemical engineering. The huge variation in the properties of materials to be ltered makes the study of ltration a challenging task. One of the objectives of this thesis was to show that conventional ltration theories are di cult to use when the system to be modelled contains all of the stages and features that are present in a complete solid/liquid separation process. Furthermore, most of the ltration theories require experimental work to be performed in order to obtain critical parameters required by the theoretical models. Creating a good overall understanding of how the variables a ect the nal product in ltration is somewhat impossible on a purely theoretical basis. The complexity of solid/liquid separation processes require experimental work and when tests are needed, it is advisable to use experimental design techniques so that the goals can be achieved. The statistical design of experiments provides the necessary tools for recognising the e ects of variables. It also helps to perform experimental work more economically. Design of experiments is a prerequisite for creating empirical models that can describe how the measured response is related to the changes in the values of the variable. A software package was developed that provides a ltration practitioner with experimental designs and calculates the parameters for linear regression models, along with the graphical representation of the responses. The developed software consists of two software modules. These modules are LTDoE and LTRead. The LTDoE module is used to create experimental designs for di erent lter types. The lter types considered in the software are automatic vertical pressure lter, double-sided vertical pressure lter, horizontal membrane lter press, vacuum belt lter and ceramic capillary action disc lter. It is also possible to create experimental designs for those cases where the variables are totally user de ned, say for a customized ltration cycle or di erent piece of equipment. The LTRead-module is used to read the experimental data gathered from the experiments, to analyse the data and to create models for each of the measured responses. Introducing the structure of the software more in detail and showing some of the practical applications is the main part of this thesis. This approach to the study of cake ltration processes, as presented in this thesis, has been shown to have good practical value when making ltration tests.

Korkeapainevesisumusuuttimen virtaustekninen laadunhallinta

Tämä työ vastaa tarpeeseen hallita korkeapainevesisumusuuttimen laatua virtausmekaniikan työkalujen avulla. Työssä tutkitaan suutinten testidatan lisäksi virtauksen käyttäytymistä suuttimen sisällä CFD-laskennan avulla. Virtausmallinnus tehdään Navier-Stokes –pohjaisella laskentamenetelmällä. Työn teoriaosassa käsitellään virtaustekniikkaa ja sen kehitystä yleisesti. Lisäksi esitetään suuttimen laskennassa käytettävää perusteoriaa sekä teknisiä ratkaisuja. Teoriaosassa käydään myös läpi laskennalliseen virtausmekaniikkaan (CFD-laskenta) liittyvää perusteoriaa. Tutkimusosiossa esitetään käsitellyt suutintestitulokset sekä mallinnetaan suutinvirtausta ajasta riippumattomaan virtauslaskentaan perustuvalla laskentamenetelmällä. Virtauslaskennassa käytetään OpenFOAM-laskentaohjelmiston SIMPLE-virtausratkaisijaa sekä k-omega SST –turbulenssimallia. Tehtiin virtausmallinnus kaikilla paineilla, joita suuttimen testauksessa myös todellisuudessa käytetään. Lisäksi selvitettiin mahdolliset kavitaatiokohdat suuttimessa ja suunniteltiin kavitaatiota ehkäisevä suutingeometria. Todettiin myös lämpötilan ja epäpuhtauksien vaikuttavan kavitaatioon sekä mallinnettiin lämpötilan vaikutusta. Luotiin malli, jolla suuttimen suunnitteluun liittyviin haasteisiin voidaan vastata numeerisella laskennalla.

Modeling of Pressurizer Using APROS and TRACE Thermal Hydraulic Codes

Diplomityön tavoitteena on paineistimen yksityiskohtainen mallintaminen APROS- ja TRACE- termohydrauliikkaohjelmistoja käyttäen. Rakennetut paineistinmallit testattiin vertaamalla laskentatuloksia paineistimen täyttymistä, tyhjentymistä ja ruiskutusta käsittelevistä erilliskokeista saatuun mittausdataan. Tutkimuksen päätavoitteena on APROSin paineistinmallin validoiminen käyttäen vertailuaineistona PACTEL ATWS-koesarjan sopivia paineistinkokeita sekä MIT Pressurizer- ja Neptunus- erilliskokeita. Lisäksi rakennettiin malli Loviisan ydinvoimalaitoksen paineistimesta, jota käytettiin turbiinitrippitransientin simulointiin tarkoituksena selvittää mahdolliset voimalaitoksen ja koelaitteistojen mittakaavaerosta johtuvat vaikutukset APROSin paineistinlaskentaan. Kokeiden simuloinnissa testattiin erilaisia noodituksia ja mallinnusvaihtoehtoja, kuten entalpian ensimmäisen ja toisen kertaluvun diskretisointia, ja APROSin sekä TRACEn antamia tuloksia vertailtiin kattavasti toisiinsa. APROSin paineistinmallin lämmönsiirtokorrelaatioissa havaittiin merkittävä puute ja laskentatuloksiin saatiin huomattava parannus ottamalla käyttöön uusi seinämälauhtumismalli. Työssä tehdyt TRACE-simulaatiot ovat osa United States Nuclear Regulatory Commissionin kansainvälistä CAMP-koodinkehitys-ja validointiohjelmaa.

Paperikoneen lajinvaihdon säätötapojen vertailu

Työn tavoitteena oli vertailla paperikoneen lajinvaihdon säätötapoja. Vertailun kohteina olivat Metso Automationin IQGradeChange lajinvaihto-ohjelmisto ja operaattoreiden käsin tekemät lajinvaihdot. Kattavan tutkimusaineiston saamiseksi paperikoneen lajinvaihtodataa kerättiin seitsemän kuukauden ajan. Kerätyt lajinvaihdot käytiin läpi Matlab-ympäristössä lajinvaihtoaikojen selvittämiseksi. Lisäksi lajinvaihdoista laskettiin tuotannon muutokset ((t/h)/min) vanhan ja uudenlajin välillä, jotta päästiin selvyyteen lajinvaihdon laajuudesta ja eri lajinvaihtotapojen suorituskyvyistä. Koeajojaksona paperikoneelta kerättiin kaikkiaan 130 lajinvaihdon tiedot. Näistä lajinvaihdoista 58 tehtiin IQGradeChange lajinvaihto-ohjelmistolla ja 72 oli operaattoreiden käsin tekemiä lajinvaihtoja. Kerätyistä 130 lajinvaihdosta 27 kappaletta päättyi ratakatkoon. Yhtenä tehtävänä olikin tutkia katkoon päättyneitä lajinvaihtoja.

Flow phenomena, heat and mass transfer in microchannel reactors

The studies of flow phenomena, heat and mass transfer in microchannel reactors are beneficial to estimate and evaluate the ability of microchannel reactors to be operated for a given process reaction such as Fischer-Tropsch synthesis. The flow phenomena, for example, the flow regimes and flow patterns in microchannel reactors for both single phase and multiphase flow are affected by the configuration of the flow channel. The reviews of the previous works about the analysis of related parameters that affect the flow phenomena are shown in this report. In order to predict the phenomena of Fischer-Tropsch synthesis in microchannel reactors, the 3-dimensional computational fluid dynamic simulation with commercial software package FLUENT was done to study the flow phenomena and heat transfer for gas phase Fischer-Tropsch products flow in rectangular microchannel with hydraulic diameter 500 ¿m and length 15 cm. Numerical solution with slip boundary condition was used in the simulation and the flowphenomena and heat transfer were determined.

Tarkkuuselektroniikkatuotteen elinkaariarviointi tuotesuunnittelun tueksi

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia tarkkuuselektroniikkatuotteen ympäristönäkökohtia elinkaariarvioinnin avulla. Työn osana tehtiin elinkaariarviointi (LCA) kahdelle tarkkuuselektroniikkatuotteelle. LCA:ssa keskityttiin elinkaaren kehdosta-asiakkaalle-vaiheisiin. Työn tavoitteena oli tuottaa määrällistä ja laadullista tietoa valittujen tuotteiden ympäristövaikutuksista. Selvitys tehtiin yrityksen tuotesuunnittelun tueksi. LCA:n inventaarioanalyysiin kerättiin prosessikohtaista tietoa selvityksen aikana. Myös kaupallista LCA-ohjelmaa ja sen tarjoamia tietopankkeja hyödynnettiin elinkaariarvioinnin toteuttamisessa. Teoriaosassa esitellään LCA-menetelmä. Lisäksi tarkastellaan elinkaariarviointiin liittyviä tuotekohtaisia ympäristökysymyksiä. Työssä eritellään myös yleisesti tarkkuuselektroniikkatuotteen eri osien elinkaareen vaiheita ja niihin liittyviä ympäristönäkökohtia. Kokeellisessa osassa kuvataan kahdelle tuotteelle tehtyä LCA-tapaustutkimusta. Elinkaariarvioinnin inventaariotiedon lähteet kuvataan. Inventaarioanalyysin ja vaikutusarvioinnin avulla tuodaan esille tuotteiden ympäristökuormaan merkittävimmin vaikuttavat prosessit ja elinkaaren vaiheet. Lisäksi tarkastellaan miten tapaustuotteiden ympäristökuormaa voitaisiin pienentää kahden esimerkin avulla. Lopuksi annetaan suosituksia jatkotoimenpiteistä tuotesuunnitteluun ja tiedonkeruuseen.

Aging based maintenance and reinvestment scheduling of electric distribution

The maintenance of electric distribution network is a topical question for distribution system operators because of increasing significance of failure costs. In this dissertation the maintenance practices of the distribution system operators are analyzed and a theory for scheduling maintenance activities and reinvestment of distribution components is created. The scheduling is based on the deterioration of components and the increasing failure rates due to aging. The dynamic programming algorithm is used as a solving method to maintenance problem which is caused by the increasing failure rates of the network. The other impacts of network maintenance like environmental and regulation reasons are not included to the scope of this thesis. Further the tree trimming of the corridors and the major disturbance of the network are not included to the problem optimized in this thesis. For optimizing, four dynamic programming models are presented and the models are tested. Programming is made in VBA-language to the computer. For testing two different kinds of test networks are used. Because electric distribution system operators want to operate with bigger component groups, optimal timing for component groups is also analyzed. A maintenance software package is created to apply the presented theories in practice. An overview of the program is presented.

Das persönliche Glück auf dem unpersönlichen Markt. Deutsche und finnische Kontaktanzeigen im 20. Jahrhundert - eine kontrastive und diachrone Textsortenuntersuchung

Min avhandling är en diakronisk och kontrastiv undersökning av texttyper. Forskningsmaterialet består av kontaktannonser i tidningarna Süddeutsche Zeitung och Helsingin Sanomat under tiden 1900 – 1999. Materialet består av 652 tyska och 538 finska annonser. De undersökta annonserna har publicerats i maj och har samlats från ovannämnda tidningar vart tionde år. Materialet har analyserats med ett statistiskt SPSS-program. I avhandlingen analyseras utvecklingen av ovannämnda texttyp under hundra år i två olika kulturer, den tyska och den finska. Syftet med avhandlingen är att med hjälp av detta material finna språkliga och kulturella likheter och skillnader i kontaktannonser. Utgångspunkten är att språkliga uttryck avspeglar sin tids samhälleliga värderingar, vilka således också påverkar sökandet efter en livskamrat. Analysresultaten granskas sålunda i ett större samhälleligt sammanhang under olika decennier. Annonstexterna undersöks dock inte utgående från enskilda samhälleliga skeenden. Avhandlingen analyserar 13 olika informationsenheter i kontaktannonserna, huruvida dessa enheter förekommer under hela den aktuella perioden och om samma informationsenheter förekommer i annonser i de båda kulturerna. Avhandlingen är sålunda intra- och interlingual samt interkulturell. Genom denna metod får man fram de kännetecken som är betecknande för denna texttyp under en viss tid i de bägge kulturerna. Avhandlingen är indelad i tre delar. Den första delen ger bakgrundsinformation om äktenskapets och familjebegreppets historia samt om uppkomsten av den tyska och finska pressen. Den andra teoretiska delen behandlar text- och texttyplingvistik samt nuvarande forskning inom dessa områden. Den tredje och mest omfattade delen består av en kvalitativ och kvantitativ analys, som omfattar 11 olika forskningsdelar. Undersökningen visar att man i texttypen kontaktannonser kan upptäcka skillnader t ex redan däri att en tysk annons skiljer sig från en finsk vad längd och informationsmängd beträffar. En finsk annons förlitar sig i sin språkliga knapphet på att läsaren förstår kontexten i texttypen. Av avhandlingen framgår också att vid analys av texttyper bör deras historiska och kulturella kontext beaktas, eftersom analysen påvisar att texttyperna är historie- och kulturbundna.

Acceleration of Solar Energetic Particles in coronal shocks through self-generated turbulence

The acceleration of solar energetic particles (SEPs) by flares and coronal mass ejections (CMEs) has been a major topic of research for the solar-terrestrial physics and geophysics communities for decades. This thesis discusses theories describing first-order Fermi acceleration of SEPs through repeated crossings at a CME-driven shock. We propose that particle trapping occurs through self-generated Alfvén waves, leading to a turbulent trapping region in front of the shock. Decelerating coronal shocks are shown to be capable of efficient SEP acceleration, provided seed particle injection is sufficient. Quasi-parallel shocks are found to inject thermal particles with good efficiency. The roles of minimum injection velocities, cross-field diffusion, downstream scattering efficiency and cross-shock potential are investigated in detail, with downstream isotropisation timescales having a major effect on injection efficiency. Accelerated spectra of heavier elements up to iron are found to exhibit significantly harder spectra than protons. Accelerated spectra cut-off energies are found to scale proportional to (Q/A)^1.5, which is explained through analysis of the spectral shape of amplified Alfvénic turbulence. Acceleration times to different threshold energies are found to be non-linear, indicating that self-consistent time-dependent simulations are required in order to expose the full extent of acceleration dynamics. The well-established quasilinear theory (QLT) of particle scattering is investigated by comparing QLT scattering coefficients with those found via full-orbit simulations. QLT is found to overemphasise resonance conditions. This finding supports the simplifications implemented in the presented coronal shock acceleration (CSA) simulation software. The CSA software package is used to simulate a range of acceleration scenarios. The results are found to be in agreement with well-established particle acceleration theory. At the same time, new spatial and temporal dynamics of particle population trapping and wave evolution are revealed.

Invenio customization for CERN Document Server

Presentation at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

Local Binary Patterns in Focal-Plane Processing. Analysis and Applications

Feature extraction is the part of pattern recognition, where the sensor data is transformed into a more suitable form for the machine to interpret. The purpose of this step is also to reduce the amount of information passed to the next stages of the system, and to preserve the essential information in the view of discriminating the data into different classes. For instance, in the case of image analysis the actual image intensities are vulnerable to various environmental effects, such as lighting changes and the feature extraction can be used as means for detecting features, which are invariant to certain types of illumination changes. Finally, classification tries to make decisions based on the previously transformed data. The main focus of this thesis is on developing new methods for the embedded feature extraction based on local non-parametric image descriptors. Also, feature analysis is carried out for the selected image features. Low-level Local Binary Pattern (LBP) based features are in a main role in the analysis. In the embedded domain, the pattern recognition system must usually meet strict performance constraints, such as high speed, compact size and low power consumption. The characteristics of the final system can be seen as a trade-off between these metrics, which is largely affected by the decisions made during the implementation phase. The implementation alternatives of the LBP based feature extraction are explored in the embedded domain in the context of focal-plane vision processors. In particular, the thesis demonstrates the LBP extraction with MIPA4k massively parallel focal-plane processor IC. Also higher level processing is incorporated to this framework, by means of a framework for implementing a single chip face recognition system. Furthermore, a new method for determining optical flow based on LBPs, designed in particular to the embedded domain is presented. Inspired by some of the principles observed through the feature analysis of the Local Binary Patterns, an extension to the well known non-parametric rank transform is proposed, and its performance is evaluated in face recognition experiments with a standard dataset. Finally, an a priori model where the LBPs are seen as combinations of n-tuples is also presented