Scanned Ion Beam Therapy for Thoracic Tumors

Although frequently cured of Hodgkin lymphoma, adolescents and young adults can develop radiation induced second cancers. These patients could potentially benefit from scanned ion radiotherapy yet likely would require motion mitigation strategies. In theory, four-dimensional (4D) optimization of ion beam fields for individual motion states of respiration can enable superior sparing of healthy tissue near moving targets, compared to other motion mitigation strategies. Furthermore, carbon-ion therapy can sometimes provide greater relative biological effectiveness (RBE) for cell sterilization in a target but nearly equivalent RBE in tissue upstream of the target, compared to proton therapy. Thus, we expected that for some patients with Hodgkin lymphoma, carbon-ion therapy would reduce the predicted risk of second cancer incidence in the breast compared with proton therapy. The purpose of this work was to determine whether 4D-optimized carbon-ion therapy would significantly reduce the predicted risk of radiation induced second cancers in the breast for female Hodgkin lymphoma patients while preserving tumor control compared with proton therapy. To achieve our goals, we first investigated whether 4D-optimized carbon beam tracking could reduce dose to volumes outside a moving target compared with 3D-optimized carbon beam tracking while preserving target dose coverage. To understand the reliability of scanned carbon beam tracking, we studied the robustness of dose distributions in thoracic targets to uncertainties in patient motion. Finally, we investigated whether using carbon-ion therapy instead of proton therapy would significantly reduce the predicted risk of second cancer in the breast for a sample of Hodgkin lymphoma patients. We found that 4D-optimized ion beam tracking therapy can reduce the maximum dose to critical structures near a moving target by as much as 53%, compared to 3D-optimized ion beam tracking therapy. We validated these findings experimentally using a scanned carbon ion synchrotron and a motion phantom. We found scanned carbon beam tracking to be sensitive to a number of motion uncertainties, most notably phase delays in tracking, systematic spatial errors, and interfractional motion changes. Our findings indicate that a lower risk of second cancer in the breast might be expected for some Hodgkin lymphoma patients using carbon-ion therapy instead of proton therapy. For our reference scenario, we found the ratio of risk to be 0.77 ± 0.35 for radiogenic breast cancer after carbon-ion therapy versus proton therapy. Our findings were dependent on the RBE values for tumor induction and the radiosensitivity of breast tissue, as well as the physical dose distribution.

Analytical evaluation of uncertainty on active antenna arrays

An analytical method for evaluating the uncertainty of the performance of active antenna arrays in the whole spatial spectrum is presented. Since array processing algorithms based on spatial reference are widely used to track moving targets, it is essential to be aware of the impact of the uncertainty sources on the antenna response. Furthermore, the estimation of the direction of arrival (DOA) depends on the array uncertainty. The aim of the uncertainties analysis is to provide an exhaustive characterization of the behavior of the active antenna array associated with its main uncertainty sources. The result of this analysis helps to select the proper calibration technique to be implemented. An illustrative example for a triangular antenna array used for satellite tracking is presented showing the suitability of the proposed method to carry out an efficient characterization of an active antenna array.

Desarrollo de Técnicas Interferométricas para Radares de Alta Resolución en Milimétricas

En esta tesis doctoral se aborda el desarrollo de técnicas interferométricas para radares de alta resolución en milimétricas. Específicamente, se centra en el desarrollo de técnicas para radares terrestres y en concreto aquellas relacionadas con el seguimiento, clasificación y generación de imágenes de blancos móviles. Aparte del desarrollo teórico y simulación de las diferentes técnicas, uno de los grandes retos de esta tesis es la verificación experimental de las mismas. Para este propósito, se empleará un prototipo de sensor radar interferométrico de muy alta resolución y de ondas milimétricas. El primer capítulo de la tesis realiza una pequeña introducción a las técnicas interferométricas y presenta los objetivos, motivación y organización del presente trabajo. El segundo capítulo hace una pequeña introducción a los radares interferométricos de alta resolución en milimétricas y presenta el sensor radar experimental con el que se llevarán a cabo la validación de las distintas técnicas presentadas. El tercer capítulo recoge las distintas técnicas interferométricas desarrolladas para el seguimiento y cálculo de la altura de blancos móviles en radares de alta resolución. Entre ellas se encuentran: el seguimiento de blancos móviles en sucesión de imágenes ISAR, el cálculo de altura de blancos en imágenes radar bidimensionales distancia-tiempo y su equivalente en imágenes distancia-Doppler. El cuarto capítulo presenta una aplicación de las técnicas interferométricas para la vigilancia de tráfico en carreteras. Se describirán dos configuraciones radar que permiten calcular la velocidad de todos los blancos iluminados por el radar identificando de manera unívoca a los blancos en función del carril por el que circulen. El quinto capítulo presenta técnicas interferométricas aplicadas a la vigilancia en entornos marítimos basadas en la generación de imágenes interferométricas. Para demostrar la viabilidad del uso de estas imágenes se ha desarrollado un simulador de blancos móviles extensos realistas. Abstract This Ph. D thesis deals with the development of radar interferometry techniques for high-resolution millimeter wave sensors. It focuses on the development of techniques for ground-based radars and specifically those related to monitoring, classification and imaging of moving targets. Apart from the theoretical development and simulation, another major technical challenge of this thesis is the experimental verification of the different techniques. For that purpuse, a very high resolution interferometric millimeter wave radar sensor is used. The first chapter of the thesis makes a brief introduction to the interferometric techniques and shows the goals, motivation and organization of this work. The second chapter provides a brief introduction to high resolution interferometric radars in millimeter waves and presents the experimental radar sensor which will be used for the validation of the various techniques presented. The third chapter presents the different interferometric techniques developed for monitoring and obtaining the height of moving targets in high resolution radars. Among them are: tracking of moving targets in a succession of ISAR images, targets height calculation using bidimensional range-time radar images and the equivalente technique using range-Doppler images. The fourth chapter presents the application of interferometric techniques for road traffic monitoring. Two radar configurations are described. Both of them are able to obtain the speed for simultaneuslly illuminated targets, and univocally identify each target based on the detected road lane. The fifth chapter presents the application of interferometric techniques to maritime surveillance based on interferometric imaging. To demonstrate the feasibility of the presented techniques a realistic simulator of extended moving targets has been developed.

Binocular vision in insects: How mantids solve the correspondence problem

Praying mantids use binocular cues to judge whether their prey is in striking distance. When there are several moving targets within their binocular visual field, mantids need to solve the correspondence problem. They must select between the possible pairings of retinal images in the two eyes so that they can strike at a single real target. In this study, mantids were presented with two targets in various configurations, and the resulting fixating saccades that precede the strike were analyzed. The distributions of saccades show that mantids consistently prefer one out of several possible matches. Selection is in part guided by the position and the spatiotemporal features of the target image in each eye. Selection also depends upon the binocular disparity of the images, suggesting that insects can perform local binocular computations. The pairing rules ensure that mantids tend to aim at real targets and not at “ghost” targets arising from false matches.

Temporal precision of interceptive action: differential effects of target size and speed

The duration of movements made to intercept moving targets decreases and movement speed increases when interception requires greater temporal precision. Changes in target size and target speed can have the same effect on required temporal precision, but the response to these changes differs: changes in target speed elicit larger changes in response speed. A possible explanation is that people attempt to strike the target in a central zone that does not vary much with variation in physical target size: the effective size of the target is relatively constant over changes in physical size. Three experiments are reported that test this idea. Participants performed two tasks: (1) strike a moving target with a bat moved perpendicular to the path of the target; (2) press on a force transducer when the target was in a location where it could be struck by the bat. Target speed was varied and target size held constant in experiment 1. Target speed and size were co-varied in experiment 2, keeping the required temporal precision constant. Target size was varied and target speed held constant in experiment 3 to give the same temporal precision as experiment 1. Duration of hitting movements decreased and maximum movement speed increased with increases in target speed and/or temporal precision requirements in all experiments. The effects were largest in experiment 1 and smallest in experiment 3. Analysis of a measure of effective target size (standard deviation of strike locations on the target) failed to support the hypothesis that performance differences could be explained in terms of effective size rather than actual physical size. In the pressing task, participants produced greater peak forces and shorter force pulses when the temporal precision required was greater, showing that the response to increasing temporal precision generalizes to different responses. It is concluded that target size and target speed have independent effects on performance.

The accuracy of interceptive action in time and space

Hitting a moving target demands that movement is both spatially and temporally accurate. Recent experiments have begun to reveal how performance of such actions depends on the spatial and temporal accuracy requirements of the task. The results suggest a simple strategy for achieving spatiotemporal accuracy using brief, high-speed movements.

Initiation of evasive manoeuvres during self-motion: a test of three hypotheses

To understand performance of evasive and interceptive actions it is important to know how people decide when to initiate a movement - initiating at the 'right' moment is often essential for successful performance. It has been proposed that initiation is triggered when a perceptually derived quantity reaches an invariant criterion value. Candidate quantities include time-to-collision (TTC), distance, and rate of image expansion ( ROE), all of which have received empirical support. We studied initiation of an evasive manoeuvre in a computer-simulated steering task in which the observer was required to steer through a stationary visual environment and avoid colliding with an obstacle in their path. The results could not be explained by hypotheses which propose that evasive manoeuvre initiation is based on a fixed criterion value of TTC or distance. The overall pattern was, however, consistent with the use of a criterion ROE value. This was further tested by analyses designed to directly evaluate whether the ROE value used to initiate the response was the same across experimental conditions. Only two of the six participants showed evidence for using the ROE strategy.

Effects of acoustic startle stimuli on interceptive action

In reaction time (RT) tasks, presentation of a startling acoustic stimulus (SAS) together with a visual imperative stimulus can dramatically reduce RT while leaving response execution unchanged. It has been suggested that a prepared motor response program is triggered early by the SAS but is not otherwise affected. Movements aimed at intercepting moving targets are usually considered to be similarly governed by a prepared program. This program is triggered when visual stimulus information about the time to arrival of the moving target reaches a specific criterion. We investigated whether a SAS could also trigger such a movement. Human experimental participants were trained to hit moving targets with movements of a specific duration. This permitted an estimate of when movement would begin (expected onset time). Startling and sub-startle threshold acoustic probe stimuli were delivered unexpectedly among control trials: 65, 85, 115 and 135 ms prior to expected onset (10:1 ratio of control to probe trials). Results showed that startling probe stimuli at 85 and 115 ms produced early response onsets but not those at 65 or 135 ms. Sub-threshold stimuli at 115 and 135 ms also produced early onsets. Startle probes led to an increased vigor in the response, but sub-threshold probes had no detectable effects. These data can be explained by a simple model in which preparatory, response-related activation builds up in the circuits responsible for generating motor commands in anticipation of the GO command. If early triggering by the acoustic probes is the mechanism underlying the findings, then the data support the hypothesis that rapid interceptions are governed by a motor program. © 2006 Published by Elsevier Ltd on behalf of IBRO.

Description and training of neural network dynamics

Attractor properties of a popular discrete-time neural network model are illustrated through numerical simulations. The most complex dynamics is found to occur within particular ranges of parameters controlling the symmetry and magnitude of the weight matrix. A small network model is observed to produce fixed points, limit cycles, mode-locking, the Ruelle-Takens route to chaos, and the period-doubling route to chaos. Training algorithms for tuning this dynamical behaviour are discussed. Training can be an easy or difficult task, depending whether the problem requires the use of temporal information distributed over long time intervals. Such problems require training algorithms which can handle hidden nodes. The most prominent of these algorithms, back propagation through time, solves the temporal credit assignment problem in a way which can work only if the relevant information is distributed locally in time. The Moving Targets algorithm works for the more general case, but is computationally intensive, and prone to local minima.

Neural networks for time-varying data

This paper reviews some basic issues and methods involved in using neural networks to respond in a desired fashion to a temporally-varying environment. Some popular network models and training methods are introduced. A speech recognition example is then used to illustrate the central difficulty of temporal data processing: learning to notice and remember relevant contextual information. Feedforward network methods are applicable to cases where this problem is not severe. The application of these methods are explained and applications are discussed in the areas of pure mathematics, chemical and physical systems, and economic systems. A more powerful but less practical algorithm for temporal problems, the moving targets algorithm, is sketched and discussed. For completeness, a few remarks are made on reinforcement learning.

A comparison between static and kinetic visual attention as a means of detecting age-related deterioration of the visual system and driving performance

A critical review of previous research revealed that visual attention tests, such as the Useful Field of View (UFOV) test, provided the best means of detecting age-related changes to the visual system that could potentially increase crash risk. However, the question was raised as to whether the UFOV, which was regarded as a static visual attention test, could be improved by inclusion of kinetic targets that more closely represent the driving task. A computer program was written to provide more information about the derivation of UFOV test scores. Although this investigation succeeded in providing new information, some of the commercially protected UFOV test procedures still remain unknown. Two kinetic visual attention tests (DRTS1 and 2), developed at Aston University to investigate inclusion of kinetic targets in visual attention tests, were introduced. The UFOV was found to be more repeatable than either of the kinetic visual attention tests and learning effects or age did not influence these findings. Determinants of static and kinetic visual attention were explored. Increasing target eccentricity led to reduced performance on the UFOV and DRTS1 tests. The DRTS2 was not affected by eccentricity but this may have been due to the style of presentation of its targets. This might also have explained why only the DRTS2 showed laterality effects (i.e. better performance to targets presented on the left hand side of the road). Radial location, explored using the UFOV test, showed that subjects responded best to targets positioned to the horizontal meridian. Distraction had opposite effects on static and kinetic visual attention. While UFOV test performance declined with distraction, DRTS1 performance increased. Previous research had shown that this striking difference was to be expected. Whereas the detection of static targets is attenuated in the presence of distracting stimuli, distracting stimuli that move in a structured flow field enhances the detection of moving targets. Subjects reacted more slowly to kinetic compared to static targets, longitudinal motion compared to angular motion and to increased self-motion. However, the effects of longitudinal motion, angular motion, self-motion and even target eccentricity were caused by target edge speed variations arising because of optic flow field effects. The UFOV test was more able to detect age-related changes to the visual system than were either of the kinetic visual attention tests. The driving samples investigated were too limited to draw firm conclusions. Nevertheless, the results presented showed that neither the DRTS2 nor the UFOV tests were powerful tools for the identification of drivers prone to crashes or poor driving performance.

Expertise sportive et entraînement perceptivo-cognitif de l’athlète

Pour être performant au plus haut niveau, les athlètes doivent posséder une capacité perceptivo-cognitive supérieure à la moyenne. Cette faculté, reflétée sur le terrain par la vision et l’intelligence de jeu des sportifs, permet d’extraire l’information clé de la scène visuelle. La science du sport a depuis longtemps observé l’expertise perceptivo-cognitive au sein de l’environnement sportif propre aux athlètes. Récemment, des études ont rapporté que l’expertise pouvait également se refléter hors de ce contexte, lors d’activités du quotidien par exemple. De plus, les récentes théories entourant la capacité plastique du cerveau ont amené les chercheurs à développer des outils pour entraîner les capacités perceptivo-cognitives des athlètes afin de les rendre plus performants sur le terrain. Ces méthodes sont la plupart du temps contextuelles à la discipline visée. Cependant, un nouvel outil d’entraînement perceptivo-cognitif, nommé 3-Dimensional Multiple Object Tracking (3D-MOT) et dénué de contexte sportif, a récemment vu le jour et a fait l’objet de nos recherches. Un de nos objectifs visait à mettre en évidence l’expertise perceptivo-cognitive spécifique et non-spécifique chez des athlètes lors d’une même étude. Nous avons évalué la perception du mouvement biologique chez des joueurs de soccer et des non-athlètes dans une salle de réalité virtuelle. Les sportifs étaient systématiquement plus performants en termes d’efficacité et de temps de réaction que les novices pour discriminer la direction du mouvement biologique lors d’un exercice spécifique de soccer (tir) mais également lors d’une action issue du quotidien (marche). Ces résultats signifient que les athlètes possèdent une meilleure capacité à percevoir les mouvements biologiques humains effectués par les autres. La pratique du soccer semble donc conférer un avantage fondamental qui va au-delà des fonctions spécifiques à la pratique d’un sport. Ces découvertes sont à mettre en parallèle avec la performance exceptionnelle des athlètes dans le traitement de scènes visuelles dynamiques et également dénuées de contexte sportif. Des joueurs de soccer ont surpassé des novices dans le test de 3D-MOT qui consiste à suivre des cibles en mouvement et stimule les capacités perceptivo-cognitives. Leur vitesse de suivi visuel ainsi que leur faculté d’apprentissage étaient supérieures. Ces résultats confirmaient des données obtenues précédemment chez des sportifs. Le 3D-MOT est un test de poursuite attentionnelle qui stimule le traitement actif de l’information visuelle dynamique. En particulier, l’attention sélective, dynamique et soutenue ainsi que la mémoire de travail. Cet outil peut être utilisé pour entraîner les fonctions perceptivo-cognitives des athlètes. Des joueurs de soccer entraînés au 3D-MOT durant 30 sessions ont montré une amélioration de la prise de décision dans les passes de 15% sur le terrain comparés à des joueurs de groupes contrôles. Ces données démontrent pour la première fois un transfert perceptivo-cognitif du laboratoire au terrain suivant un entraînement perceptivo-cognitif non-contextuel au sport de l’athlète ciblé. Nos recherches aident à comprendre l’expertise des athlètes par l’approche spécifique et non-spécifique et présentent également les outils d’entraînements perceptivo-cognitifs, en particulier le 3D-MOT, pour améliorer la performance dans le sport de haut-niveau.

Spatio-temporal coverage optimization of sensor networks

Les réseaux de capteurs sont formés d’un ensemble de dispositifs capables de prendre individuellement des mesures d’un environnement particulier et d’échanger de l’information afin d’obtenir une représentation de haut niveau sur les activités en cours dans la zone d’intérêt. Une telle détection distribuée, avec de nombreux appareils situés à proximité des phénomènes d’intérêt, est pertinente dans des domaines tels que la surveillance, l’agriculture, l’observation environnementale, la surveillance industrielle, etc. Nous proposons dans cette thèse plusieurs approches pour effectuer l’optimisation des opérations spatio-temporelles de ces dispositifs, en déterminant où les placer dans l’environnement et comment les contrôler au fil du temps afin de détecter les cibles mobiles d’intérêt. La première nouveauté consiste en un modèle de détection réaliste représentant la couverture d’un réseau de capteurs dans son environnement. Nous proposons pour cela un modèle 3D probabiliste de la capacité de détection d’un capteur sur ses abords. Ce modèle inègre également de l’information sur l’environnement grâce à l’évaluation de la visibilité selon le champ de vision. À partir de ce modèle de détection, l’optimisation spatiale est effectuée par la recherche du meilleur emplacement et l’orientation de chaque capteur du réseau. Pour ce faire, nous proposons un nouvel algorithme basé sur la descente du gradient qui a été favorablement comparée avec d’autres méthodes génériques d’optimisation «boites noires» sous l’aspect de la couverture du terrain, tout en étant plus efficace en terme de calculs. Une fois que les capteurs placés dans l’environnement, l’optimisation temporelle consiste à bien couvrir un groupe de cibles mobiles dans l’environnement. D’abord, on effectue la prédiction de la position future des cibles mobiles détectées par les capteurs. La prédiction se fait soit à l’aide de l’historique des autres cibles qui ont traversé le même environnement (prédiction à long terme), ou seulement en utilisant les déplacements précédents de la même cible (prédiction à court terme). Nous proposons de nouveaux algorithmes dans chaque catégorie qui performent mieux ou produits des résultats comparables par rapport aux méthodes existantes. Une fois que les futurs emplacements de cibles sont prédits, les paramètres des capteurs sont optimisés afin que les cibles soient correctement couvertes pendant un certain temps, selon les prédictions. À cet effet, nous proposons une méthode heuristique pour faire un contrôle de capteurs, qui se base sur les prévisions probabilistes de trajectoire des cibles et également sur la couverture probabiliste des capteurs des cibles. Et pour terminer, les méthodes d’optimisation spatiales et temporelles proposées ont été intégrées et appliquées avec succès, ce qui démontre une approche complète et efficace pour l’optimisation spatio-temporelle des réseaux de capteurs.

Expertise sportive et entraînement perceptivo-cognitif de l’athlète

Pour être performant au plus haut niveau, les athlètes doivent posséder une capacité perceptivo-cognitive supérieure à la moyenne. Cette faculté, reflétée sur le terrain par la vision et l’intelligence de jeu des sportifs, permet d’extraire l’information clé de la scène visuelle. La science du sport a depuis longtemps observé l’expertise perceptivo-cognitive au sein de l’environnement sportif propre aux athlètes. Récemment, des études ont rapporté que l’expertise pouvait également se refléter hors de ce contexte, lors d’activités du quotidien par exemple. De plus, les récentes théories entourant la capacité plastique du cerveau ont amené les chercheurs à développer des outils pour entraîner les capacités perceptivo-cognitives des athlètes afin de les rendre plus performants sur le terrain. Ces méthodes sont la plupart du temps contextuelles à la discipline visée. Cependant, un nouvel outil d’entraînement perceptivo-cognitif, nommé 3-Dimensional Multiple Object Tracking (3D-MOT) et dénué de contexte sportif, a récemment vu le jour et a fait l’objet de nos recherches. Un de nos objectifs visait à mettre en évidence l’expertise perceptivo-cognitive spécifique et non-spécifique chez des athlètes lors d’une même étude. Nous avons évalué la perception du mouvement biologique chez des joueurs de soccer et des non-athlètes dans une salle de réalité virtuelle. Les sportifs étaient systématiquement plus performants en termes d’efficacité et de temps de réaction que les novices pour discriminer la direction du mouvement biologique lors d’un exercice spécifique de soccer (tir) mais également lors d’une action issue du quotidien (marche). Ces résultats signifient que les athlètes possèdent une meilleure capacité à percevoir les mouvements biologiques humains effectués par les autres. La pratique du soccer semble donc conférer un avantage fondamental qui va au-delà des fonctions spécifiques à la pratique d’un sport. Ces découvertes sont à mettre en parallèle avec la performance exceptionnelle des athlètes dans le traitement de scènes visuelles dynamiques et également dénuées de contexte sportif. Des joueurs de soccer ont surpassé des novices dans le test de 3D-MOT qui consiste à suivre des cibles en mouvement et stimule les capacités perceptivo-cognitives. Leur vitesse de suivi visuel ainsi que leur faculté d’apprentissage étaient supérieures. Ces résultats confirmaient des données obtenues précédemment chez des sportifs. Le 3D-MOT est un test de poursuite attentionnelle qui stimule le traitement actif de l’information visuelle dynamique. En particulier, l’attention sélective, dynamique et soutenue ainsi que la mémoire de travail. Cet outil peut être utilisé pour entraîner les fonctions perceptivo-cognitives des athlètes. Des joueurs de soccer entraînés au 3D-MOT durant 30 sessions ont montré une amélioration de la prise de décision dans les passes de 15% sur le terrain comparés à des joueurs de groupes contrôles. Ces données démontrent pour la première fois un transfert perceptivo-cognitif du laboratoire au terrain suivant un entraînement perceptivo-cognitif non-contextuel au sport de l’athlète ciblé. Nos recherches aident à comprendre l’expertise des athlètes par l’approche spécifique et non-spécifique et présentent également les outils d’entraînements perceptivo-cognitifs, en particulier le 3D-MOT, pour améliorer la performance dans le sport de haut-niveau.

Moving from outsider to insider : peer status and partnerships between electricity utilities and residential consumers

An electricity demand reduction project based on comprehensive residential consumer engagement was established within an Australian community in 2008. By 2011, both the peak demand and grid supplied electricity consumption had decreased to below pre-intervention levels. This case study research explored the relationship developed between the utility, community and individual consumer from the residential customer perspective through qualitative research of 22 residential households. It is proposed that an energy utility can be highly successful at peak demand reduction by becoming a community member and a peer to residential consumers and developing the necessary trust, access, influence and partnership required to create the responsive environment to change. A peer-community approach could provide policymakers with a pathway for implementing pro-environmental behaviour for low carbon communities, as well as peak demand reduction, thereby addressing government emission targets while limiting the cost of living increases from infrastructure expenditure.