Extended depth from focus reconstruction using NIH ImageJ plugins: Quality and resolution of elevation maps

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

MRT letter: Extended depth from focus reconstruction method for stretch zone measurement in 15-5PH steel

The stretch zone width (SZW) data for 15-5PH steel CTOD specimens fractured at -150 degrees C to + 23 degrees C temperature were measured based on focused images and 3D maps obtained by extended depth-of-field reconstruction from light microscopy (LM) image stacks. This LM-based method, with a larger lateral resolution, seems to be as effective for quantitative analysis of SZW as scanning electron microscopy (SEM) or confocal scanning laser microscopy (CSLM), permitting to clearly identify stretch zone boundaries. Despite the worst sharpness of focused images, a robust linear correlation was established to fracture toughness (KC) and SZW data for the 15-5PH steel tested specimens, measured at their center region. The method is an alternative to evaluate the boundaries of stretched zones, at a lower cost of implementation and training, since topographic data from elevation maps can be associated with reconstructed image, which summarizes the original contrast and brightness information. Finally, the extended depth-of-field method is presented here as a valuable tool for failure analysis, as a cheaper alternative to investigate rough surfaces or fracture, compared to scanning electron or confocal light microscopes. Microsc. Res. Tech. 75:11551158, 2012. (C) 2012 Wiley Periodicals, Inc.

3-D reconstruction by extended depth-of-field in failure analysis - Case study I: Qualitative fractographic investigation of fractured bolts in a partial valve

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Three-dimensional reconstruction of fracture surfaces: Area matching algorithms for automatic parallax measurements

This paper describes two solutions for systematic measurement of surface elevation that can be used for both profile and surface reconstructions for quantitative fractography case studies. The first one is developed under Khoros graphical interface environment. It consists of an adaption of the almost classical area matching algorithm, that is based on cross-correlation operations, to the well-known method of parallax measurements from stereo pairs. A normalization function was created to avoid false cross-correlation peaks, driving to the true window best matching solution at each region analyzed on both stereo projections. Some limitations to the use of scanning electron microscopy and the types of surface patterns are also discussed. The second algorithm is based on a spatial correlation function. This solution is implemented under the NIH Image macro programming, combining a good representation for low contrast regions and many improvements on overall user interface and performance. Its advantages and limitations are also presented.

Correlative fractography: Combining scanning electron microscopy and light microscopes for qualitative and quantitative analysis of fracture surfaces

Correlative fractography is a new expression proposed here to describe a new method for the association between scanning electron microscopy (SEM) and light microscopy (LM) for the qualitative and quantitative analysis of fracture surfaces. This article presents a new method involving the fusion of one elevation map obtained by extended depth from focus reconstruction from LM with exactly the same area by SEM and associated techniques, as X-ray mapping. The true topographic information is perfectly associated to local fracture mechanisms with this new technique, presented here as an alternative to stereo-pair reconstruction for the investigation of fractured components. The great advantage of this technique resides in the possibility of combining any imaging methods associated with LM and SEM for the same observed field from fracture surface. © Microscopy Society of America 2013.

Food categories reconstruction and feeding consumption estimates for the Sciaenid Macrodon ancylodon (Bloch & Schneider), and the congeneric fishes Stellifer rastrifer (Jordan) and Stellifer naso (Jordan) (Pisces, Perciformes) in the Caeté Estuary, Northern Coast of Brazil

Um método quantitativo para se estimar o consumo alimentar e o aporte energético das diferentes categorias alimentares é apresentado através da reconstrução das presas ingeridas com base em estruturas corporais não digeríveis. Para tal, o presente estudo estabelece, através do exame dos conteúdos estomacais de 1.086 exemplares dissecados de Macrodon ancylodon (Bloch & Schneider, 1801), Stellifer rastrifer (Jordan, 1889) e Stellifer naso (Jordan, 1889), as equações das relações funcionais entre o peso das presas e estruturas corporais. Com as categorias reconstruídas foi possível quantificar o alimento ingerido pelos espécimes. Os resultados indicaram que existe uma marcada diferença, tanto na composição das categorias alimentares, bem como no aporte energético acompanhando o desenvolvimento ontogênico do predador.

Fiber architecture in remodeled myocardium revealed with a quantitative diffusion CMR tractography framework and histological validation

Background: The study of myofiber reorganization in the remote zone after myocardial infarction has been performed in 2D. Microstructural reorganization in remodeled hearts, however, can only be fully appreciated by considering myofibers as continuous 3D entities. The aim of this study was therefore to develop a technique for quantitative 3D diffusion CMR tractography of the heart, and to apply this method to quantify fiber architecture in the remote zone of remodeled hearts. Methods: Diffusion Tensor CMR of normal human, sheep, and rat hearts, as well as infarcted sheep hearts was performed ex vivo. Fiber tracts were generated with a fourth-order Runge-Kutta integration technique and classified statistically by the median, mean, maximum, or minimum helix angle (HA) along the tract. An index of tract coherence was derived from the relationship between these HA statistics. Histological validation was performed using phase-contrast microscopy. Results: In normal hearts, the subendocardial and subepicardial myofibers had a positive and negative HA, respectively, forming a symmetric distribution around the midmyocardium. However, in the remote zone of the infarcted hearts, a significant positive shift in HA was observed. The ratio between negative and positive HA variance was reduced from 0.96 +/- 0.16 in normal hearts to 0.22 +/- 0.08 in the remote zone of the remodeled hearts (p<0.05). This was confirmed histologically by the reduction of HA in the subepicardium from -52.03 degrees +/- 2.94 degrees in normal hearts to -37.48 degrees +/- 4.05 degrees in the remote zone of the remodeled hearts (p < 0.05). Conclusions: A significant reorganization of the 3D fiber continuum is observed in the remote zone of remodeled hearts. The positive (rightward) shift in HA in the remote zone is greatest in the subepicardium, but involves all layers of the myocardium. Tractography-based quantification, performed here for the first time in remodeled hearts, may provide a framework for assessing regional changes in the left ventricle following infarction.

Automatic lumen segmentation in IVOCT images using binary morphological reconstruction

Abstract Background Atherosclerosis causes millions of deaths, annually yielding billions in expenses round the world. Intravascular Optical Coherence Tomography (IVOCT) is a medical imaging modality, which displays high resolution images of coronary cross-section. Nonetheless, quantitative information can only be obtained with segmentation; consequently, more adequate diagnostics, therapies and interventions can be provided. Since it is a relatively new modality, many different segmentation methods, available in the literature for other modalities, could be successfully applied to IVOCT images, improving accuracies and uses. Method An automatic lumen segmentation approach, based on Wavelet Transform and Mathematical Morphology, is presented. The methodology is divided into three main parts. First, the preprocessing stage attenuates and enhances undesirable and important information, respectively. Second, in the feature extraction block, wavelet is associated with an adapted version of Otsu threshold; hence, tissue information is discriminated and binarized. Finally, binary morphological reconstruction improves the binary information and constructs the binary lumen object. Results The evaluation was carried out by segmenting 290 challenging images from human and pig coronaries, and rabbit iliac arteries; the outcomes were compared with the gold standards made by experts. The resultant accuracy was obtained: True Positive (%) = 99.29 ± 2.96, False Positive (%) = 3.69 ± 2.88, False Negative (%) = 0.71 ± 2.96, Max False Positive Distance (mm) = 0.1 ± 0.07, Max False Negative Distance (mm) = 0.06 ± 0.1. Conclusions In conclusion, by segmenting a number of IVOCT images with various features, the proposed technique showed to be robust and more accurate than published studies; in addition, the method is completely automatic, providing a new tool for IVOCT segmentation.

Reconstruction of Etna recent flank eruptions for assessing diversion barrier project

The thesis contributed to the volcanic hazard assessment through the reconstruction of some historical flank eruptions of Etna in order to obtain quantitative data (volumes, effusion rates, etc.) for characterizing the recent effusive activity, quantifying the impact on the territory and defining mitigation actions for reducing the volcanic risk as for example containment barriers. The reconstruction was based on a quantitative approach using data extracted from aerial photographs and topographic maps. The approach allows to obtain the temporal evolution of the lava flow field and estimating the Time Average Discharge Rate (TADR) by dividing the volume emplaced over a given time interval for the corresponding duration. The analysis concerned the 2001, 1981 and 1928 Etna eruptions. The choice of these events is linked to their impact on inhabited areas. The results of the analysis showed an extraordinarily high effusion rate for the 1981 and 1928 eruptions (over 600 m^3/s), unusual for Etna eruptions. For the 1981 Etna eruption an eruptive model was proposed to explain the high discharge rate. The obtained TADRs were used as input data for simulations of the propagation of the lava flows for evaluating different scenarios of volcanic hazard and analyse different mitigation actions against lava flow invasion. It was experienced how numerical simulations could be adopted for evaluating the effectiveness of barrier construction and for supporting their optimal design. In particular, the gabions were proposed as an improvement for the construction of barriers with respect to the earthen barriers. The gabion barriers allow to create easily modular structures reducing the handled volumes and the intervention time. For evaluating operational constrain an experimental test was carried out to test the filling of the gabions with volcanic rock and evaluating their deformation during transport and placement.

Morphologische und quantitative Untersuchungen synaptischer Körperchen in Retina und Zirbeldrüse von Säugetieren und Mensch

Um mit sehr hoher Geschwindigkeit Sinnesreize zur Weiterverarbeitung übertragen zu können, besitzen im Ruhezustand Dauerimpulse liefernde Rezeptorzellen in Sinnesorganen, wie z.B. der Netzhaut (Retina), spezialisierte glutamaterge Synapsen, die durch präsynapti-sche Körperchen (SK) charakterisiert sind, die außerdem nur in Parenchymzellen der Zirbel-drüse vorkommen. SK binden mit hoher Affinität Neurotransmittervesikel und zeigen licht- bzw. reizabhängige morphologische Veränderungen. Sie dienen der Speicherung, eventuell auch dem Transport dieser Vesikel zum Ort der Reizübertragung, der nahen aktiven Zone der Ribbonsynapse. Um Dynamik und Funktion der Zellorganellen zu verstehen, ist es wichtig, ihre genaue Topo-graphie und dreidimensionale (3D) Struktur unter verschiedenen Bedingungen zu kennen. So wurden aus Serienschnitten der Retina und Zirbeldrüse mit Hilfe geeigneter, teils selbst programmierter Software 3D-Rekonstruktionen der SK durchgeführt. Untersucht wurden die ersten und zweiten Synapsen der Sehbahn in Retinae von Mensch, Maus und Ratte, Zapfen-terminale des Hühnchens und SK in Zirbeldrüsen von Ratte, Meerschweinchen und Kaninchen. Analysiert wurde zu verschiedenen Zeitpunkten der Photoperiode oder unter experimentellen Bedingungen entnommenes Frischgewebe sowie Material aus Organkultu-ren. Außerdem wurden SK unter diversen Bedingungen quantifiziert, wobei eine neue Zähl-methode entwickelt wurde, die auf einer Modifikation des Disektors basiert und die Quantifi-zierung auch anderer seltener Ultrastrukturen am Elektronenmikroskop ermöglicht. Im Gegensatz zur etablierten Zählmethode, die die Profilzahl von SK in einer definierten Fläche (PZ) angibt, liefert die vorgestellte Methode die aussagekräftigere Zahl der SK in definierten Volumina und hängt weder von deren Form noch Größe ab. Diverse Kalkulationen zeigten, daß eine Umrechnung von am selben Material gewonnenen PZ in validere Disektor Werte nicht präzise genug möglich ist. Um sinnvolle Aussagen zur Quantität von SK machen zu können, ist es daher erforderlich, die Methode für jedes Tier einer identisch behandelten Gruppe anzuwenden. Es konnte gezeigt werden, daß SK eine konstante Dicke von 35 nm haben. In der Retina sind sie meist nur in einer Ebene C-förmig gebogene Bänder, weshalb sie auch als "synaptic ribbons" bezeichnet werden, oder Platten mit Breite zu Höhe Verhältnissen zwischen 6:1 bis 3:1. Die elektronendichten, unter Normalbedingungen durch regelmäßig polymerisierte Dimere des Hauptproteins RIBEYE pentalamellären SK binden über dünne Proteinbrücken glutamathaltige Neurotransmittervesikel. Ihre untere lange schmale Kante ist über feines elektronendichtes Material an einem, als arciform density (ad) bezeichneten Plaque der Zell-membran verankert, der die Form einer gebogenen Rinne hat. Die zumeist senkrecht darauf stehenden SK zeigen an ihrer membranfernen langen Kante zu Beginn der Lichtphase, ins-besondere aber unter Dauerlicht partiell verdickte Ränder, die auf An- bzw. Abbauvorgänge hinweisen. Diese Veränderungen waren nur in Stäbchenterminalen und Pinealozyten in Ver-bindung mit dem Auftreten kleinerer klumpiger bis kugelförmiger SK nachweisbar und zeig-ten sich in den Schnitten als runde oder irreguläre Profile, die dann neben den "üblichen" stabförmigen SK-Anschnitten vorlagen. Die 3D-Rekonstruktion von Stäbchenterminalen der menschlichen Retina zeigte, daß diese entsprechend der Zahl ihrer SK 1-3 Ribbonsynapsen aufweisen. Letztere bestehen aus einem an der Zellmembran senkrecht über eine ad verankerten SK und der aktiven Zone, die einem ca. 200 nm breiten Bereich der Zellmembran in Fortsetzung der ad nach seitlich oben entspricht. Die boomerang- bis hufeisenförmigen SK haben 2 parallele flache Hauptflächen. Postsynaptisch liegen zwei Horizontalzellfortsätze, welche mit variabeln Aufspaltungen von einem engen Hilus aus tief in Stäbchenendkolben invaginiert sind. Sie verbreitern sich termi-nal und zeigen große breite oft aufgefächerte bzw. verzweigte Auftreibungen. Die Ribbon-synapsen sind in die zwischen solchen Endauftreibungen entstehenden Rinnen eingesenkt. Unterhalb ihrer ad berühren sich die Horizontalzellterminale. Etwas darunter enden 1-2 ca. 100 nm breite Bipolarzelldendriten, die vom Zentrum der Invagination des Stäbchenterminals zum Hilus hin dünner werden, um zum Soma invaginierender ON-Bipolarzellen weiterzulau-fen. Da die Zahl der in den Stäbchenendkolben eintretenden Fortsätze variabel ist, fanden sich Konstellationen von 1-3 SK, 1-3 Horizontal- und 1-4 Bipolarzellterminalen, wie sie auch in der Literatur beschrieben sind. Drei zentrale Ausschnitte menschlicher Zapfenpedikel wurden aus lückenlosen Serienschnit-ten mit ihren Mitochondrien, SK und den in Form von Triaden hier invaginierenden postrib-bonsynaptischen Fortsätzen rekonstruiert. Der Grundbauplan der Ribbonsynapsen ist hier dem der Stäbchen ähnlich, jedoch sind die SK kürzer, die Invaginationen deutlich kleiner und nie verzweigt, die Bipolarzelldendriten breiter und die Horizontalzellfortsätze terminal weniger stark und nur rundlich aufgetrieben. Zapfen-SK sind nur in einer Ebene schwach gebogene Bänder. Die gefundene Zahl von Zapfen SK paßt zu Literaturdaten, deren Zusammenfas-sung für Primaten foveanah 10-20 und peripher 30-40 SK zeigt. In Bipolarzellaxonen des Menschen waren SK nicht immer über leistenartige Membranplaques am Plasmalemm ver-ankert. Die hier flachen Ribbonsynapsen zeigten kleinere bandförmige oder nur ca. 250 x 150 x 35 nm große plattenförmige SK mit etwas größerem Abstand zu den aktiven Zonen als in Photorezeptoren. Bei BALB/c Mäusen, deren SK besonders deutlich auf Veränderungen der Photoperiode oder experimentelle Bedingungen reagieren, zeigten Rekonstruktionen von Stäbchenribbon-synapsen am Ende der Dunkelphase band- bis boomerangförmige SK und weder Klumpen noch Kugeln. Im ersten Drittel und gegen Ende der Lichtphase fanden sich jedoch ca. 20 Prozent solch veränderter SK. Gleichzeitig waren die mittleren Abschnitte vieler SK unter beiden Lichtbedingungen dünner als am Ende der Dunkelphase. Die langen, oft mehrfach gebogenen und verdrehten Zapfen-SK dieser Mäuse waren unabhängig von den Lichtbedin-gungen oft deutlich größer als die der Stäbchen, wohingegen beim Menschen Zapfen-SK re-lativ gerade, bandförmige Zellorganellen geringerer Größe als in Stäbchen darstellten. Während in Stäbchenterminalen nur ausnahmsweise mehr als ein größeres bandförmiges SK (neben eventuellen kugelförmigen) vorlag, zeigten sich in den Zapfen orts- und spezies-abhängig 15 bis über 25 meist bandförmige Organellen, die in wenigen Fällen mit zwei ge-legentlich sogar 3 verschiedenen Triaden aus 2 Horizontal- und einem Bipolarzellfortsatz ver-bunden waren. Dies ist bei BALB/c Mäusen, die weniger, aber größere Zapfen-SK zeigten, häufiger als beim Menschen. Die SK der Bipolarzellen in der inneren plexiformen Schicht waren speziesübergreifend meist lange Bänder oder kleine Platten mit ca. 250 x 150 nm großen Hauptflächen und nur ge-ringen Verdrehungen. Verschiedene Bipolarzelltypen haben unterschiedlich viele SK. Im Rahmen der Arbeit erstmals erstellte 3D-Rekonstruktion ektopischer synaptischer Körper-chen (eSK) konnten belegen, daß diese in Bipolarzelldendriten lokalisiert sind. Die kleinen, leicht gebogenen, 35 nm dicken Platten, deren große Oberflächen Dimensionen von meist nur ca. 100 x 200 nm hatten, sind praktisch nie an der Zellmembran verankert, sondern ste-hen in einigen Fällen über zu langen Tubuli fusionierte Vesikel mit dem Interzellularspalt in Verbindung. Dies könnte ein Hinweis auf eine "compound" Endo- oder Exozytose sein. Sel-ten finden sich zwei, ausnahmsweise auch drei parallel zueinander angeordnete SK im Inne-ren der Bipolarzelldendriten, meistens nahe deren Eintritt in Stäbchenendkolben. Im Gegen-satz zur Ratte fanden sich eSK bei seit Geburt unter Dauerdunkelheit gehaltenen BALB/c Mäusen sogar im in Stäbchen- bzw. Zapfenterminal invaginierten Abschnitt von Bipolarzell-dendriten. Neben plattenförmigen SK lagen bei diesen Mäusen auch innen hohle klumpen-förmige Organellen in Stäbchenbipolarzelldendriten vor. Unter Organkultur und Ca++-Entzug fanden sich in Stäbchen die massivsten Veränderungen von SK, die entweder als Klumpen oder Kugeln vorlagen oder massive Protrusionen an ei-nem kleinen plattenförmigen Abschnitt zeigten, der noch an der ad befestigt blieb. Die Be-funde deuten darauf hin, daß Licht über Kalziumentzug zu Verklumpungen an SK und zur Abschnürung von klumpen- bis kugelförmigen SK Fragmenten führt. Bei der Rekonstruktion mit anti-β-Dystroglykan Immunogold-markierter Zapfenterminalen der Hühnchenretina konnte erstmals gezeigt werden, daß sich dieses zum Dystrophin-assozierten Glykoproteinkomplex gehörende Protein in perisynaptischen Fortsätzen der Pho-torezeptoren seitlich und an ihren Spitzen fand, während Horizontal- und Bipolarzellfortsätze nicht markiert waren. Dies deutet auf eine neue strukturelle oder funktionelle Domäne in Pho-torezeptorterminalen hin, die eine noch im Detail zu klärende Rolle bei der synaptischen Transmission spielt, da bei Mutationen im Dystrophin-assoziierten Proteinkomplex eine Ver-änderung der synaptischen Kommunikation in der äußeren plexiformen Schicht zu beobach-ten ist. In der Zirbeldrüse sind die meisten SK wenig gebogene, flache, plattenförmige Strukturen, die bei der Ratte meist ca. 300x150x35 nm groß sind. Daneben gibt es deutlich längere bandförmige Organellen und unter Normalbedingungen bei Ratte und Hühnchen praktisch keine, bei Meerschweinchen nur wenige klumpige oder kugelförmige SK. Pinealozyten der Meerschweinchenzirbeldrüse weisen üblicherweise Felder parallel gruppierter plattenförmi-ger synaptischer Körperchen auf. Unter Dauerlicht zeigten sich an der Membran benachbar-ter Zellen einander gegenüberliegende Felder stark verbogener, partiell verdickter SK, die vermutlich aus verschmolzenen Einzelplatten entstanden waren sowie deutlich mehr kugeli-ge bzw. klumpige SK. Die Organellen nehmen nachts an Größe zu, wodurch sich ihre Ober-fläche vergrößert, bei Ratten nimmt sie um 19,3 Prozent von 0,041 auf 0,0501 µm² zu. Da die plattenförmigen SK eine konstante Dicke von 35 nm hatten, läßt sich so ein durchschnitt-liches Volumen von 1,47x10-3 µm³ für 12.00 und von 1,75x10-3 µm³ für Mitternacht mit einer Zunahme von 0,28x10-3 µm³ (entspricht 19,3 %) errechnen. Der Vergleich von Pinealocyten-SK von unter LD 4:20 zu LD 20:4 gehaltenen Ratten zeigte unter LD 20:4 insignifikant mehr SK, die signifikant längere Profile hatten, was auf eine Größenzunahme der Organellen hin-deutet. Überlegungen und mathematische Berechnungen, was Profillängenmessungen bedeuten und wieviele Profile für sinnvolle Vergleiche ausgewertet werden müßten, werden kritisch diskutiert. Die selbst erhobenen Befunde werden im Kontext mit allen verfügbaren Literaturdaten de origine, dem Auftreten von SK in der Ontogenese sowie SK betreffenden pathologischen und Altersveränderungen betrachtet. Hierbei deutet die Analyse der Chronobiologie von SK in quantitativer und morphologischer Hinsicht auf eine Abhängigkeit von der Photoperiode bzw. Licht und Dunkelheit und nicht auf eine endogene zirkadiane Rhythmik hin. Die oberhalb funktionell wichtiger Ca++-Känale lokalisierten SK setzen in Photorezeptoren die Lichtinformation in exozytierte Glutamatquanten um, wobei das Glutamat an verschiedenen postsynaptischen Orten wirkt. Die zuvor nie so anschaulich durch 3D-Stereoanimationen visualisierten Befunde zeigen, daß die Morphologie von SK hier für eine maximal schnelle Freisetzung der gebundenen Transmittervesikel an in unmittelbarer Nähe gelegenen aktiven Zonen der Ribbonsynapsen optimiert ist. Der molekulare Aufbau von SK wird ultrastrukturell nachvollzogen und die Funktion der Organellen diskutiert. Diesbezüglich ist die Vesikelspei-cherung erwiesen, das "Priming" für die Exozytose beinahe bewiesen, eine Koordinations-funktion für multivesikuläre Transmitterfreisetzung ist denkbar, während eine Förderband-funktion eher unwahrscheinlich ist. In breve haben die im Rahmen dieser Habilitation ge-wonnenen Erkenntnisse und entwickelten Methoden einige Beiträge zur Klärung des mor-phologisch funktionellen Gesamtverständnisses der Ribbonsynapsen geleistet.

Scene Reconstruction And Understanding By RGB-D Sensors

This thesis investigates interactive scene reconstruction and understanding using RGB-D data only. Indeed, we believe that depth cameras will still be in the near future a cheap and low-power 3D sensing alternative suitable for mobile devices too. Therefore, our contributions build on top of state-of-the-art approaches to achieve advances in three main challenging scenarios, namely mobile mapping, large scale surface reconstruction and semantic modeling. First, we will describe an effective approach dealing with Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) on platforms with limited resources, such as a tablet device. Unlike previous methods, dense reconstruction is achieved by reprojection of RGB-D frames, while local consistency is maintained by deploying relative bundle adjustment principles. We will show quantitative results comparing our technique to the state-of-the-art as well as detailed reconstruction of various environments ranging from rooms to small apartments. Then, we will address large scale surface modeling from depth maps exploiting parallel GPU computing. We will develop a real-time camera tracking method based on the popular KinectFusion system and an online surface alignment technique capable of counteracting drift errors and closing small loops. We will show very high quality meshes outperforming existing methods on publicly available datasets as well as on data recorded with our RGB-D camera even in complete darkness. Finally, we will move to our Semantic Bundle Adjustment framework to effectively combine object detection and SLAM in a unified system. Though the mathematical framework we will describe does not restrict to a particular sensing technology, in the experimental section we will refer, again, only to RGB-D sensing. We will discuss successful implementations of our algorithm showing the benefit of a joint object detection, camera tracking and environment mapping.

IDENTIFICATION OF GENES CONTROLLING BIOLOGICAL PROCESSES AND PATHWAYS THROUGH STATISTICAL ANALYSIS AND NETWORK RECONSTRUCTION

The developmental processes and functions of an organism are controlled by the genes and the proteins that are derived from these genes. The identification of key genes and the reconstruction of gene networks can provide a model to help us understand the regulatory mechanisms for the initiation and progression of biological processes or functional abnormalities (e.g. diseases) in living organisms. In this dissertation, I have developed statistical methods to identify the genes and transcription factors (TFs) involved in biological processes, constructed their regulatory networks, and also evaluated some existing association methods to find robust methods for coexpression analyses. Two kinds of data sets were used for this work: genotype data and gene expression microarray data. On the basis of these data sets, this dissertation has two major parts, together forming six chapters. The first part deals with developing association methods for rare variants using genotype data (chapter 4 and 5). The second part deals with developing and/or evaluating statistical methods to identify genes and TFs involved in biological processes, and construction of their regulatory networks using gene expression data (chapter 2, 3, and 6). For the first part, I have developed two methods to find the groupwise association of rare variants with given diseases or traits. The first method is based on kernel machine learning and can be applied to both quantitative as well as qualitative traits. Simulation results showed that the proposed method has improved power over the existing weighted sum method (WS) in most settings. The second method uses multiple phenotypes to select a few top significant genes. It then finds the association of each gene with each phenotype while controlling the population stratification by adjusting the data for ancestry using principal components. This method was applied to GAW 17 data and was able to find several disease risk genes. For the second part, I have worked on three problems. First problem involved evaluation of eight gene association methods. A very comprehensive comparison of these methods with further analysis clearly demonstrates the distinct and common performance of these eight gene association methods. For the second problem, an algorithm named the bottom-up graphical Gaussian model was developed to identify the TFs that regulate pathway genes and reconstruct their hierarchical regulatory networks. This algorithm has produced very significant results and it is the first report to produce such hierarchical networks for these pathways. The third problem dealt with developing another algorithm called the top-down graphical Gaussian model that identifies the network governed by a specific TF. The network produced by the algorithm is proven to be of very high accuracy.

Mineralogy-based quantitative precipitation and temperature reconstructions from annually laminated lake sediments (Swiss Alps) since AD 1580

[1] We present quantitative autumn, summer and annual precipitation and summer temperature reconstructions from proglacial annually laminated Lake Silvaplana, eastern Swiss Alps back to AD 1580. We used X-ray diffraction peak intensity ratios of minerals in the sediment layers (quartz qz, plagioclase pl, amphibole am, mica mi) that are diagnostic for different source areas and hydro-meteorological transport processes in the catchment. XRD data were calibrated with meteorological data (AD 1800/1864–1950) and revealed significant correlations: mi/pl with SON precipitation (r = 0.56, p < 0.05) and MJJAS precipitation (r = 0.66, p < 0.01); qz/mi with MJJAS temperature (r = −0.72, p < 0.01)and qz/am with annual precipitation (r = −0.54, p < 0.05). Geological catchment settings and hydro-meteorological processes provide deterministic explanations for the correlations. Our summer temperature reconstruction reproduces the typical features of past climate variability known from independent data sets. The precipitation reconstructions show a LIA climate moister than today. Exceptionally wet periods in our reconstruction coincide with regional glacier advances.

High-resolution summer temperature reconstruction from Lake Silvaplana based on in-situ reflectance spectroscopy

Annually laminated (varved) sediments of proglacial Lake Silvaplana (46 ̊27’N, 9 ̊48’E, 1791 m a.s.l., Engadine, eastern Swiss Alps) provide an excellent archive for quantitative high-resolution (seasonal – annual) reconstruction of high- and lowfrequency climate signals back to AD 1580. The chronology of the core is based on varve counting, Cs-137, Pb-210 and event stratigraphy. In this study we present a reconstruction based on in-situ reflectance spectroscopy. In situ reflectance spectroscopy is known as a cost- and time-effective non destructtive method for semi-quantitative analysis of pigments (e.g., chlorines and carotenoids) and of lithoclastic sediment fractions. Reflectance-dependent absorption (RDA) was measured with a Gretac Macbeth spectrolino at 2 mm resolution. The spectral coverage ranges from 380 nm to 730 nm at 10 nm band resolution. In proglacial Lake Silvaplana, 99% of the sediment is lithoclastic prior to AD 1950. Therefore, we concentrate on absorption features that are characteristic for lithoclastic sediment fractions. In Lake Silvaplana, two significant correlations that are stable in time were found between RDA typical for lithoclastics and meteorological data: (1) the time series R 570 /R 630 (ratio between RDA at 570 nm and 630 nm) of varves in Lake Silvaplana and May to October temperatures at nearby station of Sils correlate highly significantly (calibration period AD 1864 – 1951, r = 0.74, p < 0.01 for 5ptsmoothed series; RMSE is 0.28 ̊C, RE = 0.41 and CE = 0.38), and (2) the minimum reflectance within the 690nm band (min690) data correlate with May to October (calibration period AD 1864 – 1951, r = 0.68, p < 0.01 for 5pt-smoothed series; RMSE = 0.22 ̊C, RE = 0.5, CE = 0.31). Both proxy series (min690nm and R 570 /R 630 values) are internally highly consistent (r = 0.8, p < 0.001). In proglacial Lake Silvaplana the largest amount of sediment is transported by glacial meltwater. The melting season spans approximately from May to October, which gives us a good understanding of the geophysical processes explaining the correlations between lithoclastic proxies and the meteorological data. The reconstructions were extended back to AD 1580 and show a broad corresponddence with fully independent reconstructions from tree rings and documentary data.

A 950 yr temperature reconstruction from Duckhole Lake, southern Tasmania, Australia

A lack of quantitative high resolution paleoclimate data from the Southern Hemisphere limits the ability to examine current trends within the context of long-term natural climate variability. This study presents a temperature reconstruction for southern Tasmania based on analyses of a sediment core from Duckhole Lake (43.365°S, 146.875°E). The relationship between non-destructive whole core scanning reflectance spectroscopy measurements in the visible spectrum (380–730 nm) and the instrumental temperature record (ad 1911–2000) was used to develop a calibration-in-time reflectance spectroscopy-based temperature model. Results showed that a trough in reflectance from 650 to 700 nm, which represents chlorophyll and its derivatives, was significantly correlated to annual mean temperature. A calibration model was developed (R = 0.56, p auto < 0.05, root mean squared error of prediction (RMSEP) = 0.21°C, five-year filtered data, calibration period 1911–2000) and applied down-core to reconstruct annual mean temperatures in southern Tasmania over the last c. 950 years. This indicated that temperatures were initially cool c. ad 1050, but steadily increased until the late ad 1100s. After a brief cool period in the ad 1200s, temperatures again increased. Temperatures steadily decreased during the ad 1600s and remained relatively stable until the start of the 20th century when they rapidly decreased, before increasing from ad 1960s onwards. Comparisons with high resolution temperature records from western Tasmania, New Zealand and South America revealed some similarities, but also highlighted differences in temperature variability across the mid-latitudes of the Southern Hemisphere. These are likely due to a combination of factors including the spatial variability in climate between and within regions, and differences between records that document seasonal (i.e. warm season/late summer) versus annual temperature variability. This highlights the need for further records from the mid-latitudes of the Southern Hemisphere in order to constrain past natural spatial and seasonal/annual temperature variability in the region, and to accurately identify and attribute changes to natural variability and/or anthropogenic activities.