Smart histogram analysis applied to the skull-stripping problem in T1-weighted MRI

In this paper we address the "skull-stripping" problem in 3D MR images. We propose a new method that employs an efficient and unique histogram analysis. A fundamental component of this analysis is an algorithm for partitioning a histogram based on the position of the maximum deviation from a Gaussian fit. In our experiments we use a comprehensive image database, including both synthetic and real MRI. and compare our method with other two well-known methods, namely BSE and BET. For all datasets we achieved superior results. Our method is also highly independent of parameter tuning and very robust across considerable variations of noise ratio.

On bifurcation of solutions of the Yamabe problem in product manifolds

We study local rigidity and multiplicity of constant scalar curvature metrics in arbitrary products of compact manifolds. Using (equivariant) bifurcation theory we determine the existence of infinitely many metrics that are accumulation points of pairwise non-homothetic solutions of the Yamabe problem. Using local rigidity and some compactness results for solutions of the Yamabe problem, we also exhibit new examples of conformal classes (with positive Yamabe constant) for which uniqueness holds. (C) 2011 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Coupled Boltzmann calculation of mixed axion/neutralino cold dark matter production in the early universe

We calculate the relic abundance of mixed axion/neutralino cold dark matter which arises in R-parity conserving supersymmetric (SUSY) models wherein the strong CP problem is solved by the Peccei-Quinn (PQ) mechanism with a concommitant axion/saxion/axino supermultiplet. By numerically solving the coupled Boltzmann equations, we include the combined effects of 1. thermal axino production with cascade decays to a neutralino LSP, 2. thermal saxion production and production via coherent oscillations along with cascade decays and entropy injection, 3. thermal neutralino production and re-annihilation after both axino and saxion decays, 4. gravitino production and decay and 5. axion production both thermally and via oscillations. For SUSY models with too high a standard neutralino thermal abundance, we find the combined effect of SUSY PQ particles is not enough to lower the neutralino abundance down to its measured value, while at the same time respecting bounds on late-decaying neutral particles from BBN. However, models with a standard neutralino underabundance can now be allowed with either neutralino or axion domination of dark matter, and furthermore, these models can allow the PQ breaking scale f(a) to be pushed up into the 10(14) - 10(15) GeV range, which is where it is typically expected to be in string theory models.

A knapsack problem as a tool to solve the production planning problem in small foundries

According to recent research carried out in the foundry sector, one of the most important concerns of the industries is to improve their production planning. A foundry production plan involves two dependent stages: (1) determining the alloys to be merged and (2) determining the lots that will be produced. The purpose of this study is to draw up plans of minimum production cost for the lot-sizing problem for small foundries. As suggested in the literature, the proposed heuristic addresses the problem stages in a hierarchical way. Firstly, the alloys are determined and, subsequently, the items that are produced from them. In this study, a knapsack problem as a tool to determine the items to be produced from furnace loading was proposed. Moreover, we proposed a genetic algorithm to explore some possible sets of alloys and to determine the production planning for a small foundry. Our method attempts to overcome the difficulties in finding good production planning presented by the method proposed in the literature. The computational experiments show that the proposed methods presented better results than the literature. Furthermore, the proposed methods do not need commercial software, which is favorable for small foundries. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Molecular chemistry and the missing mass problem in planetary nebulae

Context. Detections of molecular lines, mainly from H-2 and CO, reveal molecular material in planetary nebulae. Observations of a variety of molecules suggest that the molecular composition in these objects differs from that found in interstellar clouds or in circumstellar envelopes. The success of the models, which are mostly devoted to explain molecular densities in specific planetary nebulae, is still partial however. Aims. The present study aims at identifying the influence of stellar and nebular properties on the molecular composition of planetary nebulae by means of chemical models. A comparison of theoretical results with those derived from the observations may provide clues to the conditions that favor the presence of a particular molecule. Methods. A self-consistent photoionization numerical code was adapted to simulate cold molecular regions beyond the ionized zone. The code was used to obtain a grid of models and the resulting column densities are compared with those inferred from observations. Results. Our models show that the inclusion of an incident flux of X-rays is required to explain the molecular composition derived for planetary nebulae. We also obtain a more accurate relation for the N(CO)/N(H-2) ratio in these objects. Molecular masses obtained by previous works in the literature were then recalculated, showing that these masses can be underestimated by up to three orders of magnitude. We conclude that the problem of the missing mass in planetary nebulae can be solved by a more accurate calculation of the molecular mass.

A nonlinear elliptic problem with terms concentrating in the boundary

In this paper, we investigate the behavior of a family of steady-state solutions of a nonlinear reaction diffusion equation when some reaction and potential terms are concentrated in a e-neighborhood of a portion G of the boundary. We assume that this e-neighborhood shrinks to G as the small parameter e goes to zero. Also, we suppose the upper boundary of this e-strip presents a highly oscillatory behavior. Our main goal here was to show that this family of solutions converges to the solutions of a limit problem, a nonlinear elliptic equation that captures the oscillatory behavior. Indeed, the reaction term and concentrating potential are transformed into a flux condition and a potential on G, which depends on the oscillating neighborhood. Copyright (C) 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

THE ROLE OF TURBULENT MAGNETIC RECONNECTION IN THE FORMATION OF ROTATIONALLY SUPPORTED PROTOSTELLAR DISKS

The formation of protostellar disks out of molecular cloud cores is still not fully understood. Under ideal MHD conditions, the removal of angular momentum from the disk progenitor by the typically embedded magnetic field may prevent the formation of a rotationally supported disk during the main protostellar accretion phase of low-mass stars. This has been known as the magnetic braking problem and the most investigated mechanism to alleviate this problem and help remove the excess of magnetic flux during the star formation process, the so-called ambipolar diffusion (AD), has been shown to be not sufficient to weaken the magnetic braking at least at this stage of the disk formation. In this work, motivated by recent progress in the understanding of magnetic reconnection in turbulent environments, we appeal to the diffusion of magnetic field mediated by magnetic reconnection as an alternative mechanism for removing magnetic flux. We investigate numerically this mechanism during the later phases of the protostellar disk formation and show its high efficiency. By means of fully three-dimensional MHD simulations, we show that the diffusivity arising from turbulent magnetic reconnection is able to transport magnetic flux to the outskirts of the disk progenitor at timescales compatible with the collapse, allowing the formation of a rotationally supported disk around the protostar of dimensions similar to 100 AU, with a nearly Keplerian profile in the early accretion phase. Since MHD turbulence is expected to be present in protostellar disks, this is a natural mechanism for removing magnetic flux excess and allowing the formation of these disks. This mechanism dismisses the necessity of postulating a hypothetical increase of the ohmic resistivity as discussed in the literature. Together with our earlier work which showed that magnetic flux removal from molecular cloud cores is very efficient, this work calls for reconsidering the relative role of AD in the processes of star and planet formation.

Characterization of electromagnetic fields in the aSPECT spectrometer and reduction of systematic errors

Das aSPECT Spektrometer wurde entworfen, um das Spektrum der Protonen beimrnZerfall freier Neutronen mit hoher Präzision zu messen. Aus diesem Spektrum kann dann der Elektron-Antineutrino Winkelkorrelationskoeffizient "a" mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Das Ziel dieses Experiments ist es, diesen Koeffizienten mit einem absoluten relativen Fehler von weniger als 0.3% zu ermitteln, d.h. deutlich unter dem aktuellen Literaturwert von 5%.rnrnErste Messungen mit dem aSPECT Spektrometer wurden an der Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz in München durchgeführt. Jedoch verhinderten zeitabhängige Instabilitäten des Meßhintergrunds eine neue Bestimmung von "a".rnrnDie vorliegende Arbeit basiert hingegen auf den letzten Messungen mit dem aSPECTrnSpektrometer am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, Frankreich. Bei diesen Messungen konnten die Instabilitäten des Meßhintergrunds bereits deutlich reduziert werden. Weiterhin wurden verschiedene Veränderungen vorgenommen, um systematische Fehler zu minimieren und um einen zuverlässigeren Betrieb des Experiments sicherzustellen. Leider konnte aber wegen zu hohen Sättigungseffekten der Empfängerelektronik kein brauchbares Ergebnis gemessen werden. Trotzdem konnten diese und weitere systematische Fehler identifiziert und verringert, bzw. sogar teilweise eliminiert werden, wovon zukünftigernStrahlzeiten an aSPECT profitieren werden.rnrnDer wesentliche Teil der vorliegenden Arbeit befasst sich mit der Analyse und Verbesserung der systematischen Fehler, die durch das elektromagnetische Feld aSPECTs hervorgerufen werden. Hieraus ergaben sich vielerlei Verbesserungen, insbesondere konnten die systematischen Fehler durch das elektrische Feld verringert werden. Die durch das Magnetfeld verursachten Fehler konnten sogar soweit minimiert werden, dass nun eine Verbesserung des aktuellen Literaturwerts von "a" möglich ist. Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit ein für den Versuch maßgeschneidertes NMR-Magnetometer entwickelt und soweit verbessert, dass nun Unsicherheiten bei der Charakterisierung des Magnetfeldes soweit reduziert wurden, dass sie für die Bestimmung von "a" mit einer Genauigkeit von mindestens 0.3% vernachlässigbar sind.

Computer simulations of slowly relaxing systems in external fields

Eine der offenen Fragen der aktuellen Physik ist das Verständnis von Systemen im Nichtgleichgewicht. Im Gegensatz zu der Gleichgewichtsphysik ist in diesem Bereich aktuell kein Formalismus bekannt der ein systematisches Beschreiben der unterschiedlichen Systeme ermöglicht. Um das Verständnis über diese Systeme zu vergrößern werden in dieser Arbeit zwei unterschiedliche Systeme studiert, die unter einem externen Feld ein starkes nichtlineares Verhalten zeigen. Hierbei handelt es sich zum einen um das Verhalten von Teilchen unter dem Einfluss einer extern angelegten Kraft und zum anderen um das Verhalten eines Systems in der Nähe des kritischen Punktes unter Scherung. Das Modellsystem in dem ersten Teil der Arbeit ist eine binäre Yukawa Mischung, die bei tiefen Temperaturen einen Glassübergang zeigt. Dies führt zu einer stark ansteigenden Relaxationszeit des Systems, so dass man auch bei kleinen Kräften relativ schnell ein nichtlineares Verhalten beobachtet. In Abhängigkeit der angelegten konstanten Kraft können in dieser Arbeit drei Regime, mit stark unterschiedlichem Teilchenverhalten, identifiziert werden. In dem zweiten Teil der Arbeit wird das Ising-Modell unter Scherung betrachtet. In der Nähe des kritischen Punkts kommt es in diesem Modell zu einer Beeinflussung der Fluktuationen in dem System durch das angelegte Scherfeld. Dies hat zur Folge, dass das System stark anisotrop wird und man zwei unterschiedliche Korrelationslängen vorfindet, die mit unterschiedlichen Exponenten divergieren. Infolgedessen lässt sich der normale isotrope Formalismus des "finite-size scaling" nicht mehr auf dieses System anwenden. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie dieser auf den anisotropen Fall zu verallgemeinern ist und wie damit die kritischen Punkte, sowie die dazu gehörenden kritischen Exponenten berechnet werden können.

Climatological analysis of temperature and salinity fields in the Mediterranean sea

A climatological field is a mean gridded field that represents the monthly or seasonal trend of an ocean parameter. This instrument allows to understand the physical conditions and physical processes of the ocean water and their impact on the world climate. To construct a climatological field, it is necessary to perform a climatological analysis on an historical dataset. In this dissertation, we have constructed the temperature and salinity fields on the Mediterranean Sea using the SeaDataNet 2 dataset. The dataset contains about 140000 CTD, bottles, XBT and MBT profiles, covering the period from 1900 to 2013. The temperature and salinity climatological fields are produced by the DIVA software using a Variational Inverse Method and a Finite Element numerical technique to interpolate data on a regular grid. Our results are also compared with a previous version of climatological fields and the goodness of our climatologies is assessed, according to the goodness criteria suggested by Murphy (1993). Finally the temperature and salinity seasonal cycle for the Mediterranean Sea is described.

Revealing atomic-scale details in the force fields above carbonate surfaces

Diese Arbeit stellt eine ausführliche Studie fundamentaler Eigenschaften der Kalzit CaCO3(10.4) und verwandter Mineraloberflächen dar, welche nicht nur durch die Verwendung von Nichtkontakt Rasterkraftmikroskopie, sondern hauptsächlich durch die Messung von Kraftfeldern ermöglicht wurde. Die absolute Oberflächenorientierung sowie der hierfür zugrundeliegende Prozess auf atomarer Skala konnten erfolgreich für die Kalzit (10.4) Oberfläche identifiziert werden.rnDie Adsorption chiraler Moleküle auf Kalzit ist relevant im Bereich der Biomineralisation, was ein Verständnis der Oberflächensymmetrie unumgänglich macht. Die Messung des Oberflächenkraftfeldes auf atomarer Ebene ist hierfür ein zentraler Aspekt. Eine solche Kraftkarte beleuchtet nicht nur die für die Biomineralisation wichtige Wechselwirkung der Oberfläche mit Molekülen, sondern enthält auch die Möglichkeit, Prozesse auf atomarer Skala und damit Oberflächeneigenschaften zu identifizieren.rnDie Einführung eines höchst flexiblen Messprotokolls gewährleistet die zuverlässige und kommerziell nicht erhältliche Messung des Oberflächenkraftfeldes. Die Konversion der rohen ∆f Daten in die vertikale Kraft Fz ist jedoch kein trivialer Vorgang, insbesondere wenn Glätten der Daten in Frage kommt. Diese Arbeit beschreibt detailreich, wie Fz korrekt für die experimentellen Bedingungen dieser Arbeit berechnet werden können. Weiterhin ist beschrieben, wie Lateralkräfte Fy und Dissipation Γ erhalten wurden, um das volle Potential dieser Messmethode auszureizen.rnUm Prozesse auf atomarer Skala auf Oberflächen zu verstehen sind die kurzreichweitigen, chemischen Kräfte Fz,SR von größter Wichtigkeit. Langreichweitige Beiträge müssen hierzu an Fz angefittet und davon abgezogen werden. Dies ist jedoch eine fehleranfällige Aufgabe, die in dieser Arbeit dadurch gemeistert werden konnte, dass drei unabhängige Kriterien gefunden wurden, die den Beginn zcut von Fz,SR bestimmen, was für diese Aufgabe von zentraler Bedeutung ist. Eine ausführliche Fehleranalyse zeigt, dass als Kriterium die Abweichung der lateralen Kräfte voneinander vertrauenswürdige Fz,SR liefert. Dies ist das erste Mal, dass in einer Studie ein Kriterium für die Bestimmung von zcut gegeben werden konnte, vervollständigt mit einer detailreichen Fehleranalyse.rnMit der Kenntniss von Fz,SR und Fy war es möglich, eine der fundamentalen Eigenschaften der CaCO3(10.4) Oberfläche zu identifizieren: die absolute Oberflächenorientierung. Eine starke Verkippung der abgebildeten Objekte

Regularization methods for the solution of a nonlinear least-squares problem in tomography

In this work we study a polyenergetic and multimaterial model for the breast image reconstruction in Digital Tomosynthesis, taking into consideration the variety of the materials forming the object and the polyenergetic nature of the X-rays beam. The modelling of the problem leads to the resolution of a high-dimensional nonlinear least-squares problem that, due to its nature of inverse ill-posed problem, needs some kind of regularization. We test two main classes of methods: the Levenberg-Marquardt method (together with the Conjugate Gradient method for the computation of the descent direction) and two limited-memory BFGS-like methods (L-BFGS). We perform some experiments for different values of the regularization parameter (constant or varying at each iteration), tolerances and stop conditions. Finally, we analyse the performance of the several methods comparing relative errors, iterations number, times and the qualities of the reconstructed images.