A Monte Carlo-Based Fiber Tracking Algorithm using Diffusion Tensor MRI

Diffusion tensor magnetic resonance imaging, which measures directional information of water diffusion in the brain, has emerged as a powerful tool for human brain studies. In this paper, we introduce a new Monte Carlo-based fiber tracking approach to estimate brain connectivity. One of the main characteristics of this approach is that all parameters of the algorithm are automatically determined at each point using the entropy of the eigenvalues of the diffusion tensor. Experimental results show the good performance of the proposed approach

Conceptual design of wastewater treatment plants using multiple objectives

La implementació de la Directiva Europea 91/271/CEE referent a tractament d'aigües residuals urbanes va promoure la construcció de noves instal·lacions al mateix temps que la introducció de noves tecnologies per tractar nutrients en àrees designades com a sensibles. Tant el disseny d'aquestes noves infraestructures com el redisseny de les ja existents es va portar a terme a partir d'aproximacions basades fonamentalment en objectius econòmics degut a la necessitat d'acabar les obres en un període de temps relativament curt. Aquests estudis estaven basats en coneixement heurístic o correlacions numèriques provinents de models determinístics simplificats. Així doncs, moltes de les estacions depuradores d'aigües residuals (EDARs) resultants van estar caracteritzades per una manca de robustesa i flexibilitat, poca controlabilitat, amb freqüents problemes microbiològics de separació de sòlids en el decantador secundari, elevats costos d'operació i eliminació parcial de nutrients allunyant-les de l'òptim de funcionament. Molts d'aquestes problemes van sorgir degut a un disseny inadequat, de manera que la comunitat científica es va adonar de la importància de les etapes inicials de disseny conceptual. Precisament per aquesta raó, els mètodes tradicionals de disseny han d'evolucionar cap a sistemes d'avaluació mes complexos, que tinguin en compte múltiples objectius, assegurant així un millor funcionament de la planta. Tot i la importància del disseny conceptual tenint en compte múltiples objectius, encara hi ha un buit important en la literatura científica tractant aquest camp d'investigació. L'objectiu que persegueix aquesta tesi és el de desenvolupar un mètode de disseny conceptual d'EDARs considerant múltiples objectius, de manera que serveixi d'eina de suport a la presa de decisions al seleccionar la millor alternativa entre diferents opcions de disseny. Aquest treball de recerca contribueix amb un mètode de disseny modular i evolutiu que combina diferent tècniques com: el procés de decisió jeràrquic, anàlisi multicriteri, optimació preliminar multiobjectiu basada en anàlisi de sensibilitat, tècniques d'extracció de coneixement i mineria de dades, anàlisi multivariant i anàlisi d'incertesa a partir de simulacions de Monte Carlo. Això s'ha aconseguit subdividint el mètode de disseny desenvolupat en aquesta tesis en quatre blocs principals: (1) generació jeràrquica i anàlisi multicriteri d'alternatives, (2) anàlisi de decisions crítiques, (3) anàlisi multivariant i (4) anàlisi d'incertesa. El primer dels blocs combina un procés de decisió jeràrquic amb anàlisi multicriteri. El procés de decisió jeràrquic subdivideix el disseny conceptual en una sèrie de qüestions mes fàcilment analitzables i avaluables mentre que l'anàlisi multicriteri permet la consideració de diferent objectius al mateix temps. D'aquesta manera es redueix el nombre d'alternatives a avaluar i fa que el futur disseny i operació de la planta estigui influenciat per aspectes ambientals, econòmics, tècnics i legals. Finalment aquest bloc inclou una anàlisi de sensibilitat dels pesos que proporciona informació de com varien les diferents alternatives al mateix temps que canvia la importància relativa del objectius de disseny. El segon bloc engloba tècniques d'anàlisi de sensibilitat, optimització preliminar multiobjectiu i extracció de coneixement per donar suport al disseny conceptual d'EDAR, seleccionant la millor alternativa un cop s'han identificat decisions crítiques. Les decisions crítiques són aquelles en les que s'ha de seleccionar entre alternatives que compleixen de forma similar els objectius de disseny però amb diferents implicacions pel que respecte a la futura estructura i operació de la planta. Aquest tipus d'anàlisi proporciona una visió més àmplia de l'espai de disseny i permet identificar direccions desitjables (o indesitjables) cap on el procés de disseny pot derivar. El tercer bloc de la tesi proporciona l'anàlisi multivariant de les matrius multicriteri obtingudes durant l'avaluació de les alternatives de disseny. Específicament, les tècniques utilitzades en aquest treball de recerca engloben: 1) anàlisi de conglomerats, 2) anàlisi de components principals/anàlisi factorial i 3) anàlisi discriminant. Com a resultat és possible un millor accés a les dades per realitzar la selecció de les alternatives, proporcionant més informació per a una avaluació mes efectiva, i finalment incrementant el coneixement del procés d'avaluació de les alternatives de disseny generades. En el quart i últim bloc desenvolupat en aquesta tesi, les diferents alternatives de disseny són avaluades amb incertesa. L'objectiu d'aquest bloc és el d'estudiar el canvi en la presa de decisions quan una alternativa és avaluada incloent o no incertesa en els paràmetres dels models que descriuen el seu comportament. La incertesa en el paràmetres del model s'introdueix a partir de funcions de probabilitat. Desprès es porten a terme simulacions Monte Carlo, on d'aquestes distribucions se n'extrauen números aleatoris que es subsisteixen pels paràmetres del model i permeten estudiar com la incertesa es propaga a través del model. Així és possible analitzar la variació en l'acompliment global dels objectius de disseny per a cada una de les alternatives, quines són les contribucions en aquesta variació que hi tenen els aspectes ambientals, legals, econòmics i tècnics, i finalment el canvi en la selecció d'alternatives quan hi ha una variació de la importància relativa dels objectius de disseny. En comparació amb les aproximacions tradicionals de disseny, el mètode desenvolupat en aquesta tesi adreça problemes de disseny/redisseny tenint en compte múltiples objectius i múltiples criteris. Al mateix temps, el procés de presa de decisions mostra de forma objectiva, transparent i sistemàtica el perquè una alternativa és seleccionada en front de les altres, proporcionant l'opció que més bé acompleix els objectius marcats, mostrant els punts forts i febles, les principals correlacions entre objectius i alternatives, i finalment tenint en compte la possible incertesa inherent en els paràmetres del model que es fan servir durant les anàlisis. Les possibilitats del mètode desenvolupat es demostren en aquesta tesi a partir de diferents casos d'estudi: selecció del tipus d'eliminació biològica de nitrogen (cas d'estudi # 1), optimització d'una estratègia de control (cas d'estudi # 2), redisseny d'una planta per aconseguir eliminació simultània de carboni, nitrogen i fòsfor (cas d'estudi # 3) i finalment anàlisi d'estratègies control a nivell de planta (casos d'estudi # 4 i # 5).

Validation of an automated algorithm for auditory brainstem response testing

This paper discusses the auditory brainstem response (ABR) testing for infants.

Evaluation of a feedback equalization algorithm in the CID Wearable Digital Hearing Aid

This paper describes the results of an investigation which examined the efficacy of a feedback equalization algorithm incorporated into the Central Institute for the Deaf Wearable Digital Hearing Aid. The study examined whether the feedback equalization would allow for greater usable gains when subjects listened to soft speech signals, and if so, whether or not this would improve speech intelligibility.

An improved algorithm for generating global window brightness temperatures from multiple satellite infrared imagery

An improved algorithm for the generation of gridded window brightness temperatures is presented. The primary data source is the International Satellite Cloud Climatology Project, level B3 data, covering the period from July 1983 to the present. The algorithm rakes window brightness, temperatures from multiple satellites, both geostationary and polar orbiting, which have already been navigated and normalized radiometrically to the National Oceanic and Atmospheric Administration's Advanced Very High Resolution Radiometer, and generates 3-hourly global images on a 0.5 degrees by 0.5 degrees latitude-longitude grid. The gridding uses a hierarchical scheme based on spherical kernel estimators. As part of the gridding procedure, the geostationary data are corrected for limb effects using a simple empirical correction to the radiances, from which the corrected temperatures are computed. This is in addition to the application of satellite zenith angle weighting to downweight limb pixels in preference to nearer-nadir pixels. The polar orbiter data are windowed on the target time with temporal weighting to account for the noncontemporaneous nature of the data. Large regions of missing data are interpolated from adjacent processed images using a form of motion compensated interpolation based on the estimation of motion vectors using an hierarchical block matching scheme. Examples are shown of the various stages in the process. Also shown are examples of the usefulness of this type of data in GCM validation.

A geometric algorithm for an artificial life form based on anachronistic methods

Modern methods of spawning new technological motifs are not appropriate when it is desired to realize artificial life as an actual real world entity unto itself (Pattee 1995; Brooks 2006; Chalmers 1995). Many fundamental aspects of such a machine are absent in common methods, which generally lack methodologies of construction. In this paper we mix classical and modern studies in order to attempt to realize an artificial life form from first principles. A model of an algorithm is introduced, its methodology of construction is presented, and the fundamental source from which it sprang is discussed.

Algorithm for generating defective graphene sheets

An algorithm is presented for the generation of molecular models of defective graphene fragments, containing a majority of 6-membered rings with a small number of 5- and 7-membered rings as defects. The structures are generated from an initial random array of points in 2D space, which are then subject to Delaunay triangulation. The dual of the triangulation forms a Voronoi tessellation of polygons with a range of ring sizes. An iterative cycle of refinement, involving deletion and addition of points followed by further triangulation, is performed until the user-defined criteria for the number of defects are met. The array of points and connectivities are then converted to a molecular structure and subject to geometry optimization using a standard molecular modeling package to generate final atomic coordinates. On the basis of molecular mechanics with minimization, this automated method can generate structures, which conform to user-supplied criteria and avoid the potential bias associated with the manual building of structures. One application of the algorithm is the generation of structures for the evaluation of the reactivity of different defect sites. Ab initio electronic structure calculations on a representative structure indicate preferential fluorination close to 5-ring defects.

Evolving graphs: dynamical models, inverse problems and propagation

Applications such as neuroscience, telecommunication, online social networking, transport and retail trading give rise to connectivity patterns that change over time. In this work, we address the resulting need for network models and computational algorithms that deal with dynamic links. We introduce a new class of evolving range-dependent random graphs that gives a tractable framework for modelling and simulation. We develop a spectral algorithm for calibrating a set of edge ranges from a sequence of network snapshots and give a proof of principle illustration on some neuroscience data. We also show how the model can be used computationally and analytically to investigate the scenario where an evolutionary process, such as an epidemic, takes place on an evolving network. This allows us to study the cumulative effect of two distinct types of dynamics.

A contour-advective semi-lagrangian numerical algorithm for simulating fine-scale conservative dynamical fields

This paper describes a novel numerical algorithm for simulating the evolution of fine-scale conservative fields in layer-wise two-dimensional flows, the most important examples of which are the earth's atmosphere and oceans. the algorithm combines two radically different algorithms, one Lagrangian and the other Eulerian, to achieve an unexpected gain in computational efficiency. The algorithm is demonstrated for multi-layer quasi-geostrophic flow, and results are presented for a simulation of a tilted stratospheric polar vortex and of nearly-inviscid quasi-geostrophic turbulence. the turbulence results contradict previous arguments and simulation results that have suggested an ultimate two-dimensional, vertically-coherent character of the flow. Ongoing extensions of the algorithm to the generally ageostrophic flows characteristic of planetary fluid dynamics are outlined.

A genetic algorithm for the design of a fuzzy controller for active queue management

Active queue management (AQM) policies are those policies of router queue management that allow for the detection of network congestion, the notification of such occurrences to the hosts on the network borders, and the adoption of a suitable control policy. This paper proposes the adoption of a fuzzy proportional integral (FPI) controller as an active queue manager for Internet routers. The analytical design of the proposed FPI controller is carried out in analogy with a proportional integral (PI) controller, which recently has been proposed for AQM. A genetic algorithm is proposed for tuning of the FPI controller parameters with respect to optimal disturbance rejection. In the paper the FPI controller design metodology is described and the results of the comparison with random early detection (RED), tail drop, and PI controller are presented.

Efficient operator pipelining in a bit serial genetic algorithm engine

The authors propose a bit serial pipeline used to perform the genetic operators in a hardware genetic algorithm. The bit-serial nature of the dataflow allows the operators to be pipelined, resulting in an architecture which is area efficient, easily scaled and is independent of the lengths of the chromosomes. An FPGA implementation of the device achieves a throughput of >25 million genes per second