Dynamic model of the left ventricle for use in simulation of myocardial perfusion SPECT and gated SPECT

Simulation is a useful tool in cardiac SPECT to assess quantification algorithms. However, simple equation-based models are limited in their ability to simulate realistic heart motion and perfusion. We present a numerical dynamic model of the left ventricle, which allows us to simulate normal and anomalous cardiac cycles, as well as perfusion defects. Bicubic splines were fitted to a number of control points to represent endocardial and epicardial surfaces of the left ventricle. A transformation from each point on the surface to a template of activity was made to represent the myocardial perfusion. Geometry-based and patient-based simulations were performed to illustrate this model. Geometry-based simulations modeled ~1! a normal patient, ~2! a well-perfused patient with abnormal regional function, ~3! an ischaemic patient with abnormal regional function, and ~4! a patient study including tracer kinetics. Patient-based simulation consisted of a left ventricle including a realistic shape and motion obtained from a magnetic resonance study. We conclude that this model has the potential to study the influence of several physical parameters and the left ventricle contraction in myocardial perfusion SPECT and gated-SPECT studies.

Identifying quantitative operation principles in metabolic pathways: a systematic method for searching feasible enzyme activity patterns leading to cellular adaptive responses

Background: Optimization methods allow designing changes in a system so that specific goals are attained. These techniques are fundamental for metabolic engineering. However, they are not directly applicable for investigating the evolution of metabolic adaptation to environmental changes. Although biological systems have evolved by natural selection and result in well-adapted systems, we can hardly expect that actual metabolic processes are at the theoretical optimum that could result from an optimization analysis. More likely, natural systems are to be found in a feasible region compatible with global physiological requirements. Results: We first present a new method for globally optimizing nonlinear models of metabolic pathways that are based on the Generalized Mass Action (GMA) representation. The optimization task is posed as a nonconvex nonlinear programming (NLP) problem that is solved by an outer- approximation algorithm. This method relies on solving iteratively reduced NLP slave subproblems and mixed-integer linear programming (MILP) master problems that provide valid upper and lower bounds, respectively, on the global solution to the original NLP. The capabilities of this method are illustrated through its application to the anaerobic fermentation pathway in Saccharomyces cerevisiae. We next introduce a method to identify the feasibility parametric regions that allow a system to meet a set of physiological constraints that can be represented in mathematical terms through algebraic equations. This technique is based on applying the outer-approximation based algorithm iteratively over a reduced search space in order to identify regions that contain feasible solutions to the problem and discard others in which no feasible solution exists. As an example, we characterize the feasible enzyme activity changes that are compatible with an appropriate adaptive response of yeast Saccharomyces cerevisiae to heat shock Conclusion: Our results show the utility of the suggested approach for investigating the evolution of adaptive responses to environmental changes. The proposed method can be used in other important applications such as the evaluation of parameter changes that are compatible with health and disease states.

Dynamic drag modeling of submerged aquatic vegetation canopy flows

Vegetation has a profound effect on flow and sediment transport processes in natural rivers, by increasing both skin friction and form drag. The increase in drag introduces a drag discontinuity between the in-canopy flow and the flow above, which leads to the development of an inflection point in the velocity profile, resembling a free shear layer. Therefore, drag acts as the primary driver for the entire canopy system. Most current numerical hydraulic models which incorporate vegetation rely either on simple, static plant forms, or canopy-scaled drag terms. However, it is suggested that these are insufficient as vegetation canopies represent complex, dynamic, porous blockages within the flow, which are subject to spatially and temporally dynamic drag forces. Here we present a dynamic drag methodology within a CFD framework. Preliminary results for a benchmark cylinder case highlight the accuracy of the method, and suggest its applicability to more complex cases.

Steady-state global optimization of metabolic non-linear dynamic models through recasting into power-law canonical models

Background: Design of newly engineered microbial strains for biotechnological purposes would greatly benefit from the development of realistic mathematical models for the processes to be optimized. Such models can then be analyzed and, with the development and application of appropriate optimization techniques, one could identify the modifications that need to be made to the organism in order to achieve the desired biotechnological goal. As appropriate models to perform such an analysis are necessarily non-linear and typically non-convex, finding their global optimum is a challenging task. Canonical modeling techniques, such as Generalized Mass Action (GMA) models based on the power-law formalism, offer a possible solution to this problem because they have a mathematical structure that enables the development of specific algorithms for global optimization. Results: Based on the GMA canonical representation, we have developed in previous works a highly efficient optimization algorithm and a set of related strategies for understanding the evolution of adaptive responses in cellular metabolism. Here, we explore the possibility of recasting kinetic non-linear models into an equivalent GMA model, so that global optimization on the recast GMA model can be performed. With this technique, optimization is greatly facilitated and the results are transposable to the original non-linear problem. This procedure is straightforward for a particular class of non-linear models known as Saturable and Cooperative (SC) models that extend the power-law formalism to deal with saturation and cooperativity. Conclusions: Our results show that recasting non-linear kinetic models into GMA models is indeed an appropriate strategy that helps overcoming some of the numerical difficulties that arise during the global optimization task.

Research resource: the dynamic transcriptional profile of sertoli cells during the progression of spermatogenesis.

Sertoli cells (SCs), the only somatic cells within seminiferous tubules, associate intimately with developing germ cells. They not only provide physical and nutritional support but also secrete factors essential to the complex developmental processes of germ cell proliferation and differentiation. The SC transcriptome must therefore adapt rapidly during the different stages of spermatogenesis. We report comprehensive genome-wide expression profiles of pure populations of SCs isolated at 5 distinct stages of the first wave of mouse spermatogenesis, using RNA sequencing technology. We were able to reconstruct about 13 901 high-confidence, nonredundant coding and noncoding transcripts, characterized by complex alternative splicing patterns with more than 45% comprising novel isoforms of known genes. Interestingly, roughly one-fifth (2939) of these genes exhibited a dynamic expression profile reflecting the evolving role of SCs during the progression of spermatogenesis, with stage-specific expression of genes involved in biological processes such as cell cycle regulation, metabolism and energy production, retinoic acid synthesis, and blood-testis barrier biogenesis. Finally, regulatory network analysis identified the transcription factors endothelial PAS domain-containing protein 1 (EPAS1/Hif2α), aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator (ARNT/Hif1β), and signal transducer and activator of transcription 1 (STAT1) as potential master regulators driving the SC transcriptional program. Our results highlight the plastic transcriptional landscape of SCs during the progression of spermatogenesis and provide valuable resources to better understand SC function and spermatogenesis and its related disorders, such as male infertility.

Fire management, climate change and their interacting effects on birds in complex Mediterranean landscapes: dynamic distribution modelling of an early-successional species - the near-threatened Dartford Warbler (Sylvia undata)

The current challenge in a context of major environmental changes is to anticipate the responses of species to future landscape and climate scenarios. In the Mediterranean basin, climate change is one the most powerful driving forces of fire dynamics, with fire frequency and impact having markedly increased in recent years. Species distribution modelling plays a fundamental role in this challenge, but better integration of available ecological knowledge is needed to adequately guide conservation efforts. Here, we quantified changes in habitat suitability of an early-succession bird in Catalonia, the Dartford Warbler (Sylvia undata) ― globally evaluated as Near Threatened in the IUCN Red List. We assessed potential changes in species distributions between 2000 and 2050 under different fire management and climate change scenarios and described landscape dynamics using a spatially-explicit fire-succession model that simulates fire impacts in the landscape and post-fire regeneration (MEDFIRE model). Dartford Warbler occurrence data were acquired at two different spatial scales from: 1) the Atlas of European Breeding Birds (EBCC) and 2) Catalan Breeding Bird Atlas (CBBA). Habitat suitability was modelled using five widely-used modelling techniques in an ensemble forecasting framework. Our results indicated considerable habitat suitability losses (ranging between 47% and 57% in baseline scenarios), which were modulated to a large extent by fire regime changes derived from fire management policies and climate changes. Such result highlighted the need for taking the spatial interaction between climate changes, fire-mediated landscape dynamics and fire management policies into account for coherently anticipating habitat suitability changes of early succession bird species. We conclude that fire management programs need to be integrated into conservation plans to effectively preserve sparsely forested and early succession habitats and their associated species in the face of global environmental change.

Dynamic and quasistatic trajectories in quasifission reactions and particle emission

We show that the quasifission paths predicted by the one-body dissipation dynamics, in the slowest phase of a binary reaction, follow a quasistatic path, which represents a sequence of states of thermal equilibrium at a fixed value of the deformation coordinate. This establishes the use of the statistical particle-evaporation model in the case of dynamical time-evolving systems. Pre- and post-scission multiplicities of neutrons and total multiplicities of protons and α particles in fission reactions of 63Cu+92Mo, 60Ni+100Mo, 63Cu+100Mo at 10 MeV/u and 20Ne+144,148,154Sm at 20 MeV/u are reproduced reasonably well with statistical model calculations performed along dynamic trajectories whose slow stage (from the most compact configuration up to the point where the neck starts to develop) lasts some 35×10−21 s.

The Design and Implementation of Loudspeaker Control Network Protocols

The networking and digitalization of audio equipment has created a need for control protocols. These protocols offer new services to customers and ensure that the equipment operates correctly. The control protocols used in the computer networks are not directly applicable since embedded systems have resource and cost limitations. In this master's thesis the design and implementation of new loudspeaker control network protocols are presented. The protocol stack was required to be reliable, have short response times, configure the network automatically and support the dynamic addition and removal of loudspeakers. The implemented protocol stack was also required to be as efficient and lightweight as possible because the network nodes are fairly simple and lack processing power. The protocol stack was thoroughly tested, validated and verified. The protocols were formally described using LOTOS (Language of Temporal Ordering Specifications) and verified using reachability analysis. A prototype of the loudspeaker network was built and used for testing the operation and the performance of the control protocols. The implemented control protocol stack met the design specifications and proved to be highly reliable and efficient.

Challenges in co-operation with Logistics Service Providers

Kiristyvä kilpailu ja korkean teknologian alalle tyypillisten nopeiden suhdannevaihteluiden tuomat haasteet ajavat yrityksiä etsimään uusia kehityskohteita ja kustannussäästöjä. Ydinosaamisen ulkopuolelle kuuluvan osa-alueen ulkoistamisella yritykset hakevat tehokkuutta ja kustannussäästöjä eri toimintoihinsa. Tässä työssä selvitetään tutkittavan yrityksen toteutuneita ulkoistamisprojekteja, niiden tuomia etuja ja haittoja. Tutkimuksen teoriaosuudessa käsitellään yleisesti ulkoistamiseen liittyviä asioita, sekä uppoudutaan erityisesti logistiikan ulkoistamisen tuomiin mahdollisuuksiin ja haasteisiin. Empiirinen osuus käsittää prosessikuvaukset tutkittavan yrityksen logistisista toiminnoista sekä yrityksen toteutuneista ulkoistamisprojekteista. Vertailut -kappaleessa pohditaan mitä logistiikan ulkoistaminen on tarkoittanut sekä kustannus että operatiivisessa mielessä.

The Effect of Load Follow Operation on Fuel Behaviour in Loviisa NPP

Työn tarkoituksena oli analysoida polttoainesauvojen käyttäytymistä Loviisan ydinvoimalaitoksen tehonsäätöajossa. Sähkömarkkinoiden vapautuminen Pohjoismaissa sekä tämän seurauksena vaihteleva sähkön markkinahinta ovat ajaneet sähkötuottajat tilanteeseen, jossa tuotanto aiempaa enemmän mukautuu markkinatilanteeseen. Näin ollen myös Loviisan ydinvoimalaitoksen osallistuminen sähkön tuotannon säätelyyn saattaa tulevaisuudessa olla ajankohtaista. Ennen kuin reaktorin tehonsäätöajoa voidaan alkaa toteuttaa, tulee varmistua siitä, että polttoainesauvassa tehonsäätöjen seurauksena tapahtuvat muutokset eivät aiheuta epäsuotuisia käyttäytymisilmiöitä. Työssä tarkastellaan kahden Loviisan ydinvoimalaitoksen polttoainetoimittajan, British Nuclear Fuels plc:n ja venäläisen TVEL:n ensinippujen polttoainesauvan käyttäytymistä tehonsäätötapauksissa. Työssä tarkastellut tehonsäätötapaukset on pyritty valitsemaan niin, että ne kuvaisivat tulevaisuudessa mahdollisesti toteutettavia tehonsäätöjä. Laskentatapauksien sauvatehohistoriat on generoitu HEXBU-3D sydänsimulaattoriohjelmalla lasketun nelivuotisen perustehohistorian pohjalta lisäämällä säätösauvan aiheuttama reaktoritehon muutos, säätösauvan viereisen polttoainenipun aksiaalitehon muutos sekä säätösauvan rakenteen aiheuttama paikallinen tehopiikki säätösauvan vieressä. Työssä tarkastellaan tehonsäätöjen toteuttamista eri tehotasoille ja vaihtelevilla määrillä tehonsäätösyklejä. Työssä käsitellyt laskentatapaukset on jaoteltu reaktorin ajotavan mukaan seuraavasti: peruskuorma-ajo, viikonloppusäätö ja päiväsäätö. Laskenta suoritettiin ydinpolttoaineen käyttäytymistä kuvaavaa ENIGMA-B 7.3.0 ohjelmaa apuna käyttäen. Laskelmien tulokset osoittavat, että molempien polttoainetoimittajien ensinippujen sauvat kestävät reaktorin tehonsäätöajoa rajoituksetta tarkastelluissa laskentatapauksissa. ENIGMA-ohjelman sisältämät mallit, jotka ennustavat polttoainesauvan suojakuoren vaurioitumistodennäköisyyden jännityskorroosion tai väsymismurtuman kautta, eivät näytä mitään merkkejä vaurioitumisesta. BNFL:n polttoainesauva saavuttaa kuitenkin suurempia väsymismurtumatodennäköisyyden arvoja. Tämä johtuu siitä, että polttoainepelletin ja suojakuoren välinen mekaaninen vuorovaikutus syntyy BNFL:n sauvassa aikaisemmin, joka taas johtaa suurempaan määrään sauvaa rasittavia muodonmuutoksia tehonnostotilanteissa. TVEL:n Zr1%Nb -materiaalista valmistetun suojakuoren käyttäytymistä ei voida kuitenkaan suoraan näiden laskujen perusteella arvioida, sillä ENIGMA-ohjelman mallit perustuvat Zircaloy-suojakuorimateriaaleilla suoritettuihin kokeisiin.

Dynamic application development in Symbian OS

Diplomityössä tutkitaan, kuinka Symbian-sovelluskehitystä voitaisiin tehostaa. Työssä esitellään Symbian-käyttöjärjestelmä, sekä pohditaan haasteita ja rajoitteita joita Symbian sovelluskehityksessä kohdataan. Myöskin jo olemassa olevia kehitystapoja pohditaan työn tavoitteen kannalta. Symbian-sovelluskehityksessä tehdään toistuvasti samoja asioita. Koska Symbian on avoin käyttöjärjestelmä, sovelluskehittäjiä on paljon. Tehokkaamman kehitystavan löytäminen säästäisi paljon resursseja. Tällä hetkellä perinteiset ohjelmointitavat näyttävät olevan suosituin tapa kehittää sovelluksia. Kuitenkin on jo olemassa useita ratkaisuja, jotka pyrkivät tehostamaan sovelluskehitystä, mikä todistaa tarpeen kehittää tehokkuutta. Työssä toteutettu systeemi ajaa Symbian sovelluksia XML-määrityksen pohjalta. Kun käytetään XML-määritystä C++-koodin sijasta, sovelluskehitys muuttuu. Näiden muutosten täytyy kuitenkin olla myönteisiä, eivätkä ne saa haitata ohjelmiston laatua tai käytettävyyttä.

Partikkelikokoanalyysimenetelmän kehittäminen

Päällystettyä paperia valmistettaessa syntyy päällystettyä hylkyä, joka kierrätetään takaisin prosessiin raaka-aineen tehokkaaksi hyödyntämiseksi. Hylyn mukana takaisin paperikoneen lyhyeen kiertoon päätyy myös pigmenttiaines levymäisinä partikkeleina. Nämä partikkelit rejektoituvat lyhyen kierron pyörrepuhdistimilla. Raaka-aineen hävikin pienentämiseksi käytetään lyhyessä kierrossa täyteaineen talteenottojärjestelmää, jonka tehtävänä on hienontaa päällystysainepartikkelit tasakokoisiksi, jotta ne voitaisiin palauttaa prosessiin. Talteenottolaitteistojen toiminnan tarkkailun kannalta on keskeistä tietää pyörrepuhdistuslaitoksen eri jakeiden partikkelikokojakaumat juuri pigmenttipartikkelien osalta. Tätä määritystä häiritsee näytteissä oleva kuitu. Tässä työssä pyrittiin löytämään partikkelikokoanalyysimenetelmä, jolla pigmenttien partikkelikokojakauma saataisiin selvitettyä kuidusta huolimatta. Aiemmin käytetty näytteen tuhkaus esikäsittelynä ennen partikkelikokoanalyysiä laserdiffraktiometrillä on osoittautunut toimimattomaksi. Kokeiden pääpaino keskittyi näytteen esikäsittelyyn fraktioinnilla ennen laserdiffraktioanalyysiä ja virtaussytometriamittauksiin. Fraktiointiin käytettiin DDJ-laitetta (dynamic drainage jar), joka oli varustettu metalliviiralla. Kumpikaan menetelmistä ei ollut täysin toimiva partikkelikokoanalyysiin, fraktioinnilla saadaan vähennettyä kuidun partikkelikokojakaumaan aiheuttamaa virhettä, mutta sen toimivuus riippuu paljolti näytteestä. Virtaussytometrialla väriainetta SYTO13 käyttämällä saadaan pigmenttipartikkelit tunnistettua ja näin rajattua kuidut pois mittauksista, mutta pigmenttiä ei saada erotettua puuperäisestä hienoaineesta, mikä vääristää mittaustulosta.

TTCN testing of WCDMA base station operation and maintenance software

TTCN-kieltä käytetään testitapausten määrittelemiseen tietoliikennejärjestelmissä. Nykyään TTCN:stä on tullut yhä suositumpi tapa toteuttaa testitapauksia. TTCN tarjoaa hyvän ja yksinkertaisen tavan muuntaa käsin testattavat testitapaukset automatisoiduiksi. Tämän diplomityön yhteydessä toteutettiin TTCN testitapaukset WCDMA -tukiaseman käyttö- ja kunnossapito- (O&M) ohjelmistolle. Ohjelmistoa on käytetty myös toisen sukupolven tukiasemissa, mutta kolmannen sukupolven tukiasemissa sillä on huomattavasti isompi rooli. WCDMA -tukiasemassa O&M käsittelee muun muassa tukiaseman käynnistyksen, virhetilanteet ja valvoo tukiaseman komponentteja. Ensimmäisiä tehtäviä diplomityötä tehdessä oli valita ne testitapaukset, jotka olisivat mahdollisia ja hyödyllisiä toteuttaa TTCN:n avulla. Testitapaukset valittiin valmiina olleista testitapausten kuvauksista. Valitut testitapaukset toteutettiin käyttäen rinnakkaista ja modulaarista TTCN-kieltä ja testattiin WCDMA -tukiasemaa vasten käyttäen TTCN Tester ohjelmistoa. Tämän diplomityön yhteydessä toteutettuja testitapauksia käytetään varmistamaan, että tukiasema voi toipua erilaisista virhetilanteista O&M ohjelmiston avulla. Testitapauksia WCDMA -tukiasemaa vasten ajettaessa varmistetaan myös, että O&M ohjelmisto toimii määrittelyn mukaisesti eri tilanteissa. Toteutetut testi tapaukset korvaavat nykyään käsin testatut O&M testi tapaukset tukiaseman O&M ohjelmistoa testatessa. Automatisoidut testi tapaukset tekevät O&M ohjelmiston testaamisen merkittävästi nopeammaksi ja helpommaksi.