Application of Computational Fluid Dynamics in Modeling Blood Flow in Human Thoracic Aorta

The aim of this study was to simulate blood flow in thoracic human aorta and understand the role of flow dynamics in the initialization and localization of atherosclerotic plaque in human thoracic aorta. The blood flow dynamics in idealized and realistic models of human thoracic aorta were numerically simulated in three idealized and two realistic thoracic aorta models. The idealized models of thoracic aorta were reconstructed with measurements available from literature, and the realistic models of thoracic aorta were constructed by image processing Computed Tomographic (CT) images. The CT images were made available by South Karelia Central Hospital in Lappeenranta. The reconstruction of thoracic aorta consisted of operations, such as contrast adjustment, image segmentations, and 3D surface rendering. Additional design operations were performed to make the aorta model compatible for the numerical method based computer code. The image processing and design operations were performed with specialized medical image processing software. Pulsatile pressure and velocity boundary conditions were deployed as inlet boundary conditions. The blood flow was assumed homogeneous and incompressible. The blood was assumed to be a Newtonian fluid. The simulations with idealized models of thoracic aorta were carried out with Finite Element Method based computer code, while the simulations with realistic models of thoracic aorta were carried out with Finite Volume Method based computer code. Simulations were carried out for four cardiac cycles. The distribution of flow, pressure and Wall Shear Stress (WSS) observed during the fourth cardiac cycle were extensively analyzed. The aim of carrying out the simulations with idealized model was to get an estimate of flow dynamics in a realistic aorta model. The motive behind the choice of three aorta models with distinct features was to understand the dependence of flow dynamics on aorta anatomy. Highly disturbed and nonuniform distribution of velocity and WSS was observed in aortic arch, near brachiocephalic, left common artery, and left subclavian artery. On the other hand, the WSS profiles at the roots of branches show significant differences with geometry variation of aorta and branches. The comparison of instantaneous WSS profiles revealed that the model with straight branching arteries had relatively lower WSS compared to that in the aorta model with curved branches. In addition to this, significant differences were observed in the spatial and temporal profiles of WSS, flow, and pressure. The study with idealized model was extended to study blood flow in thoracic aorta under the effects of hypertension and hypotension. One of the idealized aorta models was modified along with the boundary conditions to mimic the thoracic aorta under the effects of hypertension and hypotension. The results of simulations with realistic models extracted from CT scans demonstrated more realistic flow dynamics than that in the idealized models. During systole, the velocity in ascending aorta was skewed towards the outer wall of aortic arch. The flow develops secondary flow patterns as it moves downstream towards aortic arch. Unlike idealized models, the distribution of flow was nonplanar and heavily guided by the artery anatomy. Flow cavitation was observed in the aorta model which was imaged giving longer branches. This could not be properly observed in the model with imaging containing a shorter length for aortic branches. The flow circulation was also observed in the inner wall of the aortic arch. However, during the diastole, the flow profiles were almost flat and regular due the acceleration of flow at the inlet. The flow profiles were weakly turbulent during the flow reversal. The complex flow patterns caused a non-uniform distribution of WSS. High WSS was distributed at the junction of branches and aortic arch. Low WSS was distributed at the proximal part of the junction, while intermedium WSS was distributed in the distal part of the junction. The pulsatile nature of the inflow caused oscillating WSS at the branch entry region and inner curvature of aortic arch. Based on the WSS distribution in the realistic model, one of the aorta models was altered to induce artificial atherosclerotic plaque at the branch entry region and inner curvature of aortic arch. Atherosclerotic plaque causing 50% blockage of lumen was introduced in brachiocephalic artery, common carotid artery, left subclavian artery, and aortic arch. The aim of this part of the study was first to study the effect of stenosis on flow and WSS distribution, understand the effect of shape of atherosclerotic plaque on flow and WSS distribution, and finally to investigate the effect of lumen blockage severity on flow and WSS distributions. The results revealed that the distribution of WSS is significantly affected by plaque with mere 50% stenosis. The asymmetric shape of stenosis causes higher WSS in branching arteries than in the cases with symmetric plaque. The flow dynamics within thoracic aorta models has been extensively studied and reported here. The effects of pressure and arterial anatomy on the flow dynamic were investigated. The distribution of complex flow and WSS is correlated with the localization of atherosclerosis. With the available results we can conclude that the thoracic aorta, with complex anatomy is the most vulnerable artery for the localization and development of atherosclerosis. The flow dynamics and arterial anatomy play a role in the localization of atherosclerosis. The patient specific image based models can be used to diagnose the locations in the aorta vulnerable to the development of arterial diseases such as atherosclerosis.

Computer programs for analysis of droplets sprayed on water sensitive papers

The use of water-sensitive papers is an important tool for assessing the quality of pesticide application on crops, but manual analysis is laborious and time-consuming. Thus, this study aimed to evaluate and compare the results obtained from four software programs for spray droplet analysis in different scanned images of water-sensitive papers. After spraying, papers with four droplet deposition patterns (varying droplet spectra and densities) were analyzed manually and by means of the following computer programs: CIR, e-Sprinkle, DepositScan and Conta-Gotas. The diameter of the volume and number medians and the number of droplets per target area were studied. There is a strong correlation between the values measured using the different programs and the manual analysis, but there is a great difference between the numerical values measured for the same paper. Thus, it is not advisable to compare results obtained from different programs.

User Experience of Geocaching and Its Application to Tourism and Education

Advances in technology have provided new ways of using entertainment and game technology to foster human interaction. Games and playing with games have always been an important part of people’s everyday lives. Traditionally, human-computer interaction (HCI) research was seen as a psychological cognitive science focused on human factors, with engineering sciences as the computer science part of it. Although cognitive science has made significant progress over the past decade, the influence of people’s emotions on design networks is increasingly important, especially when the primary goal is to challenge and entertain users (Norman 2002). Game developers have explored the key issues in game design and identified that the driving force in the success of games is user experience. User-centered design integrates knowledge of users’ activity practices, needs, and preferences into the design process. Geocaching is a location-based treasure hunt game created by a community of players. Players use GPS (Global Position System) technology to find “treasures” and create their own geocaches; the game can be developed when the players invent caches and used more imagination to creations the caches. This doctoral dissertation explores user experience of geocaching and its applications in tourism and education. Globally, based on the Geocaching.com webpage, geocaching has been played about 180 countries and there are more than 10 million registered geocachers worldwide (Geocaching.com, 25.11.2014). This dissertation develops and presents an interaction model called the GameFlow Experience model that can be used to support the design of treasure hunt applications in tourism and education contexts. The GameFlow Model presents and clarifies various experiences; it provides such experiences in a real-life context, offers desirable design targets to be utilized in service design, and offers a perspective to consider when evaluating the success of adventure game concepts. User-centered game designs have adapted to human factor research in mainstream computing science. For many years, the user-centered design approach has been the most important research field in software development. Research has been focusing on user-centered design in software development such as office programs, but the same ideas and theories that will reflect the needs of a user-centered research are now also being applied to game design (Charles et al. 2005.) For several years, we have seen a growing interest in user experience design. Digital games are experience providers, and game developers need tools to better understand the user experience related to products and services they have created. This thesis aims to present what the user experience is in geocaching and treasure hunt games and how it can be used to develop new concepts for the treasure hunt. Engineers, designers, and researchers should have a clear understanding of what user experience is, what its parts are, and most importantly, how we can influence user satisfaction. In addition, we need to understand how users interact with electronic products and people, and how different elements synergize their experiences. This doctoral dissertation represents pioneering work on the user experience of geocaching and treasure hunt games in the context of tourism and education. The research also provides a model for game developers who are planning treasure hunt concepts.

Automated UI testing. WBCT, a computer-automated user test environment tool.

Today, the user experience and usability in software application are becoming a major design issue due to the adaptation of many processes using new technologies. Therefore, the study of the user experience and usability might be included in every software development project and, thus, they should be tested to get traceable results. As a result of different testing methods to evaluate the concepts, a non-expert on the topic might have doubts on which option he/she should opt for and how to interpret the outcomes of the process. This work aims to create a process to ease the whole testing methodology based on the process created by Seffah et al. and a supporting software tool to follow the procedure of these testing methods for the user experience and usability.

Optimization of trial wave functions for use in quantum Monte Carlo with application to LiH

Methods for both partial and full optimization of wavefunction parameters are explored, and these are applied to the LiH molecule. A partial optimization can be easily performed with little difficulty. But to perform a full optimization we must avoid a wrong minimum, and deal with linear-dependency, time step-dependency and ensemble-dependency problems. Five basis sets are examined. The optimized wavefunction with a 3-function set gives a variational energy of -7.998 + 0.005 a.u., which is comparable to that (-7.990 + 0.003) 1 of Reynold's unoptimized \fin ( a double-~ set of eight functions). The optimized wavefunction with a double~ plus 3dz2 set gives ari energy of -8.052 + 0.003 a.u., which is comparable with the fixed-node energy (-8.059 + 0.004)1 of the \fin. The optimized double-~ function itself gives an energy of -8.049 + 0.002 a.u. Each number above was obtained on a Bourrghs 7900 mainframe computer with 14 -15 hrs CPU time.

Application of Reptation Quantum Monte Carlo and Related Methods to LiH

This work investigates mathematical details and computational aspects of Metropolis-Hastings reptation quantum Monte Carlo and its variants, in addition to the Bounce method and its variants. The issues that concern us include the sensitivity of these algorithms' target densities to the position of the trial electron density along the reptile, time-reversal symmetry of the propagators, and the length of the reptile. We calculate the ground-state energy and one-electron properties of LiH at its equilibrium geometry for all these algorithms. The importance sampling is performed with a single-determinant large Slater-type orbitals (STO) basis set. The computer codes were written to exploit the efficiencies engineered into modern, high-performance computing software. Using the Bounce method in the calculation of non-energy-related properties, those represented by operators that do not commute with the Hamiltonian, is a novel work. We found that the unmodified Bounce gives good ground state energy and very good one-electron properties. We attribute this to its favourable time-reversal symmetry in its target density's Green's functions. Breaking this symmetry gives poorer results. Use of a short reptile in the Bounce method does not alter the quality of the results. This suggests that in future applications one can use a shorter reptile to cut down the computational time dramatically.

Computer "Insecurity" and Viral Attacks : Liability Issues Regarding Unsafe Computer Systems Under Quebec Law

Un résumé en français est également disponible.

Désambiguisation de sens par modèles de contextes et son application à la Recherche d’Information

Il est connu que les problèmes d'ambiguïté de la langue ont un effet néfaste sur les résultats des systèmes de Recherche d'Information (RI). Toutefois, les efforts de recherche visant à intégrer des techniques de Désambiguisation de Sens (DS) à la RI n'ont pas porté fruit. La plupart des études sur le sujet obtiennent effectivement des résultats négatifs ou peu convaincants. De plus, des investigations basées sur l'ajout d'ambiguïté artificielle concluent qu'il faudrait une très haute précision de désambiguation pour arriver à un effet positif. Ce mémoire vise à développer de nouvelles approches plus performantes et efficaces, se concentrant sur l'utilisation de statistiques de cooccurrence afin de construire des modèles de contexte. Ces modèles pourront ensuite servir à effectuer une discrimination de sens entre une requête et les documents d'une collection. Dans ce mémoire à deux parties, nous ferons tout d'abord une investigation de la force de la relation entre un mot et les mots présents dans son contexte, proposant une méthode d'apprentissage du poids d'un mot de contexte en fonction de sa distance du mot modélisé dans le document. Cette méthode repose sur l'idée que des modèles de contextes faits à partir d'échantillons aléatoires de mots en contexte devraient être similaires. Des expériences en anglais et en japonais montrent que la force de relation en fonction de la distance suit généralement une loi de puissance négative. Les poids résultant des expériences sont ensuite utilisés dans la construction de systèmes de DS Bayes Naïfs. Des évaluations de ces systèmes sur les données de l'atelier Semeval en anglais pour la tâche Semeval-2007 English Lexical Sample, puis en japonais pour la tâche Semeval-2010 Japanese WSD, montrent que les systèmes ont des résultats comparables à l'état de l'art, bien qu'ils soient bien plus légers, et ne dépendent pas d'outils ou de ressources linguistiques. La deuxième partie de ce mémoire vise à adapter les méthodes développées à des applications de Recherche d'Information. Ces applications ont la difficulté additionnelle de ne pas pouvoir dépendre de données créées manuellement. Nous proposons donc des modèles de contextes à variables latentes basés sur l'Allocation Dirichlet Latente (LDA). Ceux-ci seront combinés à la méthodes de vraisemblance de requête par modèles de langue. En évaluant le système résultant sur trois collections de la conférence TREC (Text REtrieval Conference), nous observons une amélioration proportionnelle moyenne de 12% du MAP et 23% du GMAP. Les gains se font surtout sur les requêtes difficiles, augmentant la stabilité des résultats. Ces expériences seraient la première application positive de techniques de DS sur des tâches de RI standard.

Déploiement automatique d’une application de routage téléphonique d’une langue source vers une langue cible

Les modèles de compréhension statistiques appliqués à des applications vocales nécessitent beaucoup de données pour être entraînés. Souvent, une même application doit pouvoir supporter plusieurs langues, c’est le cas avec les pays ayant plusieurs langues officielles. Il s’agit donc de gérer les mêmes requêtes des utilisateurs, lesquelles présentent une sémantique similaire, mais dans plusieurs langues différentes. Ce projet présente des techniques pour déployer automatiquement un modèle de compréhension statistique d’une langue source vers une langue cible. Ceci afin de réduire le nombre de données nécessaires ainsi que le temps relié au déploiement d’une application dans une nouvelle langue. Premièrement, une approche basée sur les techniques de traduction automatique est présentée. Ensuite une approche utilisant un espace sémantique commun pour comparer plusieurs langues a été développée. Ces deux méthodes sont comparées pour vérifier leurs limites et leurs faisabilités. L’apport de ce projet se situe dans l’amélioration d’un modèle de traduction grâce à l’ajout de données très proche de l’application ainsi que d’une nouvelle façon d’inférer un espace sémantique multilingue.

Exploitation de contraintes photométriques et géométriques en vision : application au suivi, au calibrage et à la reconstruction

Cette thése a été réalisée dans le cadre d'une cotutelle avec l'Institut National Polytechnique de Grenoble (France). La recherche a été effectuée au sein des laboratoires de vision 3D (DIRO, UdM) et PERCEPTION-INRIA (Grenoble).

Étude empirique des commentaires et application des techniques de résumé par extraction pour la redocumentation

La documentation des programmes aide les développeurs à mieux comprendre le code source pendant les tâches de maintenance. Toutefois, la documentation n’est pas toujours disponible ou elle peut être de mauvaise qualité. Le recours à la redocumentation s’avère ainsi nécessaire. Dans ce contexte, nous proposons de faire la redocumentation en générant des commentaires par application de techniques de résumé par extraction. Pour mener à bien cette tâche, nous avons commencé par faire une étude empirique pour étudier les aspects quantitatifs et qualitatifs des commentaires. En particulier, nous nous sommes intéressés à l’étude de la distribution des commentaires par rapport aux différents types d’instructions et à la fréquence de documentation de chaque type. Aussi, nous avons proposé une taxonomie de commentaires pour classer les commentaires selon leur contenu et leur qualité. Suite aux résultats de l’étude empirique, nous avons décidé de résumer les classes Java par extraction des commentaires des méthodes/constructeurs. Nous avons défini plusieurs heuristiques pour déterminer les commentaires les plus pertinents à l’extraction. Ensuite, nous avons appliqué ces heuristiques sur les classes Java de trois projets pour en générer les résumés. Enfin, nous avons comparé les résumés produits (les commentaires produits) à des résumés références (les commentaires originaux) en utilisant la métrique ROUGE.

Modélisation d'une ontologie et conceptualisation d'une application sémantique dédiée au e-recrutement dans le domaine des technologies de l'information

Ce mémoire présente les recherches et réflexions entourant la conception d’une application à base d’ontologie dédiée au e-recrutement dans le domaine des services de dotation de personnel en technologies de l’information à l’ère du Web Social. Cette application, nommée Combine, vise essentiellement à optimiser et enrichir la Communication Médiée par Ordinateur (CMO) des acteurs du domaine et utilise des concepts issus du paradigme technologique émergent qu’est le Web sémantique. Encore très peu discuté dans une perspective CMO, le présent mémoire se propose donc d’examiner les enjeux communicationnels relatifs à ce nouveau paradigme. Il présente ses principaux concepts, dont la notion d’ontologie qui implique la modélisation formelle de connaissances, et expose le cas de développement de Combine. Il décrit comment cette application fut développée, de l’analyse des besoins à l’évaluation du prototype par les utilisateurs ciblés, tout en révélant les préoccupations, les contraintes et les opportunités rencontrées en cours de route. Au terme de cet examen, le mémoire tend à évaluer de manière critique le potentiel de Combine à optimiser la CMO du domaine d’activité ciblé. Le mémoire dresse au final un portrait plutôt favorable quant à la perception positive des acteurs du domaine d’utiliser un tel type d’application, et aussi quant aux nets bénéfices en frais d’Interactions Humain-Ordinateur (IHO) qu’elle fait miroiter. Il avertit toutefois d’une certaine exacerbation du problème dit « d’engagement ontologique » à considérer lors de la construction d’ontologies modélisant des objets sociaux tels que ceux dont le monde du recrutement est peuplé.

Application du concept des transactions pour la modélisation et la simulation multicoeur des systèmes sur puce

Avec la complexité croissante des systèmes sur puce, de nouveaux défis ne cessent d’émerger dans la conception de ces systèmes en matière de vérification formelle et de synthèse de haut niveau. Plusieurs travaux autour de SystemC, considéré comme la norme pour la conception au niveau système, sont en cours afin de relever ces nouveaux défis. Cependant, à cause du modèle de concurrence complexe de SystemC, relever ces défis reste toujours une tâche difficile. Ainsi, nous pensons qu’il est primordial de partir sur de meilleures bases en utilisant un modèle de concurrence plus efficace. Par conséquent, dans cette thèse, nous étudions une méthodologie de conception qui offre une meilleure abstraction pour modéliser des composants parallèles en se basant sur le concept de transaction. Nous montrons comment, grâce au raisonnement simple que procure le concept de transaction, il devient plus facile d’appliquer la vérification formelle, le raffinement incrémental et la synthèse de haut niveau. Dans le but d’évaluer l’efficacité de cette méthodologie, nous avons fixé l’objectif d’optimiser la vitesse de simulation d’un modèle transactionnel en profitant d’une machine multicoeur. Nous présentons ainsi l’environnement de modélisation et de simulation parallèle que nous avons développé. Nous étudions différentes stratégies d’ordonnancement en matière de parallélisme et de surcoût de synchronisation. Une expérimentation faite sur un modèle du transmetteur Wi-Fi 802.11a a permis d’atteindre une accélération d’environ 1.8 en utilisant deux threads. Avec 8 threads, bien que la charge de travail des différentes transactions n’était pas importante, nous avons pu atteindre une accélération d’environ 4.6, ce qui est un résultat très prometteur.

Identification d’une architecture à base de composants dans une application orientée objets à l’aide d’une analyse dynamique

Un système, décrit avec un grand nombre d'éléments fortement interdépendants, est complexe, difficile à comprendre et à maintenir. Ainsi, une application orientée objet est souvent complexe, car elle contient des centaines de classes avec de nombreuses dépendances plus ou moins explicites. Une même application, utilisant le paradigme composant, contiendrait un plus petit nombre d'éléments, faiblement couplés entre eux et avec des interdépendances clairement définies. Ceci est dû au fait que le paradigme composant fournit une bonne représentation de haut niveau des systèmes complexes. Ainsi, ce paradigme peut être utilisé comme "espace de projection" des systèmes orientés objets. Une telle projection peut faciliter l'étape de compréhension d'un système, un pré-requis nécessaire avant toute activité de maintenance et/ou d'évolution. De plus, il est possible d'utiliser cette représentation, comme un modèle pour effectuer une restructuration complète d'une application orientée objets opérationnelle vers une application équivalente à base de composants tout aussi opérationnelle. Ainsi, La nouvelle application bénéficiant ainsi, de toutes les bonnes propriétés associées au paradigme composants. L'objectif de ma thèse est de proposer une méthode semi-automatique pour identifier une architecture à base de composants dans une application orientée objets. Cette architecture doit, non seulement aider à la compréhension de l'application originale, mais aussi simplifier la projection de cette dernière dans un modèle concret de composant. L'identification d'une architecture à base de composants est réalisée en trois grandes étapes: i) obtention des données nécessaires au processus d'identification. Elles correspondent aux dépendances entre les classes et sont obtenues avec une analyse dynamique de l'application cible. ii) identification des composants. Trois méthodes ont été explorées. La première utilise un treillis de Galois, la seconde deux méta-heuristiques et la dernière une méta-heuristique multi-objective. iii) identification de l'architecture à base de composants de l'application cible. Cela est fait en identifiant les interfaces requises et fournis pour chaque composant. Afin de valider ce processus d'identification, ainsi que les différents choix faits durant son développement, j'ai réalisé différentes études de cas. Enfin, je montre la faisabilité de la projection de l'architecture à base de composants identifiée vers un modèle concret de composants.