Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Improving the Accuracy of 3-D Reconstruction in Robotic Vision Applications

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Performance analysis in soccer: applications of player tracking technology

The aim of this thesis was threefold, firstly, to compare current player tracking technology in a single game of soccer. Secondly, to investigate the running requirements of elite women’s soccer, in particular the use and application of athlete tracking devices. Finally, how can game style be quantified and defined. Study One compared four different match analysis systems commonly used in both research and applied settings: video-based time-motion analysis, a semi-automated multiple camera based system, and two commercially available Global Positioning System (GPS) based player tracking systems at 1 Hertz (Hz) and 5 Hz respectively. A comparison was made between each of the systems when recording the same game. Total distance covered during the match for the four systems ranged from 10 830 ± 770 m (semi-automated multiple camera based system) to 9 510 ± 740m (video-based time-motion analysis). At running speeds categorised as high-intensity running (>15 km⋅h-1), the semi-automated multiple camera based system reported the highest distance of 2 650 ± 530 m with video-based time-motion analysis reporting the least amount of distance covered with 1 610 ± 370 m. At speeds considered to be sprinting (>20 km⋅h-1), the video-based time-motion analysis reported the highest value (420 ± 170 m) and 1 Hz GPS units the lowest value (230 ± 160 m). These results demonstrate there are differences in the determination of the absolute distances, and that comparison of results between match analysis systems should be made with caution. Currently, there is no criterion measure for these match analysis methods and as such it was not possible to determine if one system was more accurate than another. Study Two provided an opportunity to apply player-tracking technology (GPS) to measure activity profiles and determine the physical demands of Australian international level women soccer players. In four international women’s soccer games, data was collected on a total of 15 Australian women soccer players using a 5 Hz GPS based athlete tracking device. Results indicated that Australian women soccer players covered 9 140 ± 1 030 m during 90 min of play. The total distance covered by Australian women was less than the 10 300 m reportedly covered by female soccer players in the Danish First Division. However, there was no apparent difference in the estimated "#$%&', as measured by multi-stage shuttle tests, between these studies. This study suggests that contextual information, including the “game style” of both the team and opposition may influence physical performance in games. Study Three examined the effect the level of the opposition had on the physical output of Australian women soccer players. In total, 58 game files from 5 Hz athlete-tracking devices from 13 international matches were collected. These files were analysed to examine relationships between physical demands, represented by total distance covered, high intensity running (HIR) and distances covered sprinting, and the level of the opposition, as represented by the Fédération Internationale de Football Association (FIFA) ranking at the time of the match. Higher-ranking opponents elicited less high-speed running and greater low-speed activity compared to playing teams of similar or lower ranking. The results are important to coaches and practitioners in the preparation of players for international competition, and showed that the differing physical demands required were dependent on the level of the opponents. The results also highlighted the need for continued research in the area of integrating contextual information in team sports and demonstrated that soccer can be described as having dynamic and interactive systems. The influence of playing strategy, tactics and subsequently the overall game style was highlighted as playing a significant part in the physical demands of the players. Study Four explored the concept of game style in field sports such as soccer. The aim of this study was to provide an applied framework with suggested metrics for use by coaches, media, practitioners and sports scientists. Based on the findings of Studies 1- 3 and a systematic review of the relevant literature, a theoretical framework was developed to better understand how a team’s game style could be quantified. Soccer games can be broken into key moments of play, and for each of these moments we categorised metrics that provide insight to success or otherwise, to help quantify and measure different methods of playing styles. This study highlights that to date, there had been no clear definition of game style in team sports and as such a novel definition of game style is proposed that can be used by coaches, sport scientists, performance analysts, media and general public. Studies 1-3 outline four common methods of measuring the physical demands in soccer: video based time motion analysis, GPS at 1 Hz and at 5 Hz and semiautomated multiple camera based systems. As there are no semi-automated multiple camera based systems available in Australia, primarily due to cost and logistical reasons, GPS is widely accepted for use in team sports in tracking player movements in training and competition environments. This research identified that, although there are some limitations, GPS player-tracking technology may be a valuable tool in assessing running demands in soccer players and subsequently contribute to our understanding of game style. The results of the research undertaken also reinforce the differences between methods used to analyse player movement patterns in field sports such as soccer and demonstrate that the results from different systems such as GPS based athlete tracking devices and semi-automated multiple camera based systems cannot be used interchangeably. Indeed, the magnitude of measurement differences between methods suggests that significant measurement error is evident. This was apparent even when the same technologies are used which measure at different sampling rates, such as GPS systems using either 1 Hz or 5 Hz frequencies of measurement. It was also recognised that other factors influence how team sport athletes behave within an interactive system. These factors included the strength of the opposition and their style of play. In turn, these can impact the physical demands of players that change from game to game, and even within games depending on these contextual features. Finally, the concept of what is game style and how it might be measured was examined. Game style was defined as "the characteristic playing pattern demonstrated by a team during games. It will be regularly repeated in specific situational contexts such that measurement of variables reflecting game style will be relatively stable. Variables of importance are player and ball movements, interaction of players, and will generally involve elements of speed, time and space (location)".

Usability and Security in Medication Administration Applications

The traditional process of filling the medicine trays and dispensing the medicines to the patients in the hospitals is manually done by reading the printed paper medicine chart. This process can be very strenuous and error-prone, given the number of sub-tasks involved in the entire workflow and the dynamic nature of the work environment. Therefore, efforts are being made to digitalise the medication dispensation process by introducing a mobile application called Smart Dosing application. The introduction of the Smart Dosing application into hospital workflow raises security concerns and calls for security requirement analysis. This thesis is written as a part of the smart medication management project at Embedded Systems Laboratory, A° bo Akademi University. The project aims at digitising the medicine dispensation process by integrating information from various health systems, and making them available through the Smart Dosing application. This application is intended to be used on a tablet computer which will be incorporated on the medicine tray. The smart medication management system include the medicine tray, the tablet device, and the medicine cups with the cup holders. Introducing the Smart Dosing application should not interfere with the existing process carried out by the nurses, and it should result in minimum modifications to the tray design and the workflow. The re-designing of the tray would include integrating the device running the application into the tray in a manner that the users find it convenient and make less errors while using it. The main objective of this thesis is to enhance the security of the hospital medicine dispensation process by ensuring the security of the Smart Dosing application at various levels. The methods used for writing this thesis was to analyse how the tray design, and the application user interface design can help prevent errors and what secure technology choices have to be made before starting the development of the next prototype of the Smart Dosing application. The thesis first understands the context of the use of the application, the end-users and their needs, and the errors made in everyday medication dispensation workflow by continuous discussions with the nursing researchers. The thesis then gains insight to the vulnerabilities, threats and risks of using mobile application in hospital medication dispensation process. The resulting list of security requirements was made by analysing the previously built prototype of the Smart Dosing application, continuous interactive discussions with the nursing researchers, and an exhaustive stateof- the-art study on security risks of using mobile applications in hospital context. The thesis also uses Octave Allegro method to make the readers understand the likelihood and impact of threats, and what steps should be taken to prevent or fix them. The security requirements obtained, as a result, are a starting point for the developers of the next iteration of the prototype for the Smart Dosing application.

Usability and Security in Medication. Administration Applications

The traditional process of filling the medicine trays and dispensing the medicines to the patients in the hospitals is manually done by reading the printed paper medicinechart. This process can be very strenuous and error-prone, given the number of sub-tasksinvolved in the entire workflow and the dynamic nature of the work environment.Therefore, efforts are being made to digitalise the medication dispensation process byintroducing a mobile application called Smart Dosing application. The introduction ofthe Smart Dosing application into hospital workflow raises security concerns and callsfor security requirement analysis. This thesis is written as a part of the smart medication management project at EmbeddedSystems Laboratory, A˚bo Akademi University. The project aims at digitising the medicine dispensation process by integrating information from various health systems, and making them available through the Smart Dosing application. This application is intended to be used on a tablet computer which will be incorporated on the medicine tray. The smart medication management system include the medicine tray, the tablet device, and the medicine cups with the cup holders. Introducing the Smart Dosing application should not interfere with the existing process carried out by the nurses, and it should result in minimum modifications to the tray design and the workflow. The re-designing of the tray would include integrating the device running the application into the tray in a manner that the users find it convenient and make less errors while using it. The main objective of this thesis is to enhance the security of the hospital medicine dispensation process by ensuring the security of the Smart Dosing application at various levels. The methods used for writing this thesis was to analyse how the tray design, and the application user interface design can help prevent errors and what secure technology choices have to be made before starting the development of the next prototype of the Smart Dosing application. The thesis first understands the context of the use of the application, the end-users and their needs, and the errors made in everyday medication dispensation workflow by continuous discussions with the nursing researchers. The thesis then gains insight to the vulnerabilities, threats and risks of using mobile application in hospital medication dispensation process. The resulting list of security requirements was made by analysing the previously built prototype of the Smart Dosing application, continuous interactive discussions with the nursing researchers, and an exhaustive state-of-the-art study on security risks of using mobile applications in hospital context. The thesis also uses Octave Allegro method to make the readers understand the likelihood and impact of threats, and what steps should be taken to prevent or fix them. The security requirements obtained, as a result, are a starting point for the developers of the next iteration of the prototype for the Smart Dosing application.

All-regime Lagrangian-Remap numerical schemes for the gas dynamics equations. Applications to the large friction and low Mach coefficients

In this talk, we propose an all regime Lagrange-Projection like numerical scheme for the gas dynamics equations. By all regime, we mean that the numerical scheme is able to compute accurate approximate solutions with an under-resolved discretization with respect to the Mach number M, i.e. such that the ratio between the Mach number M and the mesh size or the time step is small with respect to 1. The key idea is to decouple acoustic and transport phenomenon and then alter the numerical flux in the acoustic approximation to obtain a uniform truncation error in term of M. This modified scheme is conservative and endowed with good stability properties with respect to the positivity of the density and the internal energy. A discrete entropy inequality under a condition on the modification is obtained thanks to a reinterpretation of the modified scheme in the Harten Lax and van Leer formalism. A natural extension to multi-dimensional problems discretized over unstructured mesh is proposed. Then a simple and efficient semi implicit scheme is also proposed. The resulting scheme is stable under a CFL condition driven by the (slow) material waves and not by the (fast) acoustic waves and so verifies the all regime property. Numerical evidences are proposed and show the ability of the scheme to deal with tests where the flow regime may vary from low to high Mach values.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Design, construction, and applications of a high-resolution terahertz time-domain spectrometer

This thesis reports on the design, construction, and initial applications of a high-resolution terahertz time-domain ASOPS spectrometer. The instrument employs asynchronous optical sampling (ASOPS) between two Ti:sapphire ultrafast lasers operating at a repetition rate of approximately 80 MHz, and we thus demonstrate a THz frequency resolution approaching the limit of that repetition rate. This is an order of magnitude improvement in resolution over typical THz time-domain spectrometers. The improved resolution is important for our primary effort of collecting THz spectra for far-infrared astronomy. We report on various spectroscopic applications including the THz rotational spectrum of water, where we achieve a mean frequency error, relative to established line centers, of 27.0 MHz. We also demonstrate application of the THz system to the long-duration observation of a coherent magnon mode in a anti-ferromagnetic yttrium iron oxide (YFeO3) crystal. Furthermore, we apply the all-optical virtual delay line of ASOPS to a transient thermoreflectance experiment for quickly measuring the thermal conductivity of semiconductors.

Design and Applications of a Decade-Spanning Terahertz Frequency Comb Spectrometer: Doppler-limited Rotational Spectroscopy of Methanol and Methanol-OD

This thesis details the design and applications of a terahertz (THz) frequency comb spectrometer. The spectrometer employs two offset locked Ti:Sapphire femtosecond oscillators with repetition rates of approximately 80 MHz, offset locked at 100 Hz to continuously sample a time delay of 12.5 ns at a maximum time delay resolution of 15.6 fs. These oscillators emit continuous pulse trains, allowing the generation of a THz pulse train by the master, or pump, oscillator and the sampling of this THz pulse train by the slave, or probe, oscillator via the electro-optic effect. Collecting a train of 16 consecutive THz pulses and taking the Fourier transform of this pulse train produces a decade-spanning frequency comb, from 0.25 to 2.5 THz, with a comb tooth width of 5 MHz and a comb tooth spacing of ~80 MHz. This frequency comb is suitable for Doppler-limited rotational spectroscopy of small molecules. Here, the data from 68 individual scans at slightly different pump oscillator repetition rates were combined, producing an interleaved THz frequency comb spectrum, with a maximum interval between comb teeth of 1.4 MHz, enabling THz frequency comb spectroscopy.

The accuracy of the THz frequency comb spectrometer was tested, achieving a root mean square error of 92 kHz measuring selected absorption center frequencies of water vapor at 10 mTorr, and a root mean square error of 150 kHz in measurements of a K-stack of acetonitrile. This accuracy is sufficient for fitting of measured transitions to a model Hamiltonian to generate a predicted spectrum for molecules of interest in the fields of astronomy and physical chemistry. As such, the rotational spectra of methanol and methanol-OD were acquired by the spectrometer. Absorptions from 1.3 THz to 2.0 THz were compared to JPL catalog data for methanol and the spectrometer achieved an RMS error of 402 kHz, improving to 303 kHz when excluding low signal-to-noise absorptions. This level of accuracy compares favorably with the ~100 kHz accuracy achieved by JPL frequency multiplier submillimeter spectrometers. Additionally, the relative intensity performance of the THz frequency comb spectrometer is linear across the entire decade-spanning bandwidth, making it the preferred instrument for recovering lineshapes and taking absolute intensity measurements in the THz region. The data acquired by the Terahertz Frequency Comb Spectrometer for methanol-OD is of comparable accuracy to the methanol data and may be used to refine the fit parameters for the predicted spectrum of methanol-OD.

Applications of advanced and dual energy computed tomography in proton therapy

This thesis focuses on advanced reconstruction methods and Dual Energy (DE) Computed Tomography (CT) applications for proton therapy, aiming at improving patient positioning and investigating approaches to deal with metal artifacts. To tackle the first goal, an algorithm for post-processing input DE images has been developed. The outputs are tumor- and bone-canceled images, which help in recognising structures in patient body. We proved that positioning error is substantially reduced using contrast enhanced images, thus suggesting the potential of such application. If positioning plays a key role in the delivery, even more important is the quality of planning CT. For that, modern CT scanners offer possibility to tackle challenging cases, like treatment of tumors close to metal implants. Possible approaches for dealing with artifacts introduced by such rods have been investigated experimentally at Paul Scherrer Institut (Switzerland), simulating several treatment plans on an anthropomorphic phantom. In particular, we examined the cases in which none, manual or Iterative Metal Artifact Reduction (iMAR) algorithm were used to correct the artifacts, using both Filtered Back Projection and Sinogram Affirmed Iterative Reconstruction as image reconstruction techniques. Moreover, direct stopping power calculation from DE images with iMAR has also been considered as alternative approach. Delivered dose measured with Gafchromic EBT3 films was compared with the one calculated in Treatment Planning System. Residual positioning errors, daily machine dependent uncertainties and film quenching have been taken into account in the analyses. Although plans with multiple fields seemed more robust than single field, results showed in general better agreement between prescribed and delivered dose when using iMAR, especially if combined with DE approach. Thus, we proved the potential of these advanced algorithms in improving dosimetry for plans in presence of metal implants.

Development of Safety Performance Functions for SafetyAnalyst Applications in Florida

In 2010, the American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) released a safety analysis software system known as SafetyAnalyst. SafetyAnalyst implements the empirical Bayes (EB) method, which requires the use of Safety Performance Functions (SPFs). The system is equipped with a set of national default SPFs, and the software calibrates the default SPFs to represent the agency’s safety performance. However, it is recommended that agencies generate agency-specific SPFs whenever possible. Many investigators support the view that the agency-specific SPFs represent the agency data better than the national default SPFs calibrated to agency data. Furthermore, it is believed that the crash trends in Florida are different from the states whose data were used to develop the national default SPFs. In this dissertation, Florida-specific SPFs were developed using the 2008 Roadway Characteristics Inventory (RCI) data and crash and traffic data from 2007-2010 for both total and fatal and injury (FI) crashes. The data were randomly divided into two sets, one for calibration (70% of the data) and another for validation (30% of the data). The negative binomial (NB) model was used to develop the Florida-specific SPFs for each of the subtypes of roadway segments, intersections and ramps, using the calibration data. Statistical goodness-of-fit tests were performed on the calibrated models, which were then validated using the validation data set. The results were compared in order to assess the transferability of the Florida-specific SPF models. The default SafetyAnalyst SPFs were calibrated to Florida data by adjusting the national default SPFs with local calibration factors. The performance of the Florida-specific SPFs and SafetyAnalyst default SPFs calibrated to Florida data were then compared using a number of methods, including visual plots and statistical goodness-of-fit tests. The plots of SPFs against the observed crash data were used to compare the prediction performance of the two models. Three goodness-of-fit tests, represented by the mean absolute deviance (MAD), the mean square prediction error (MSPE), and Freeman-Tukey R2 (R2FT), were also used for comparison in order to identify the better-fitting model. The results showed that Florida-specific SPFs yielded better prediction performance than the national default SPFs calibrated to Florida data. The performance of Florida-specific SPFs was further compared with that of the full SPFs, which include both traffic and geometric variables, in two major applications of SPFs, i.e., crash prediction and identification of high crash locations. The results showed that both SPF models yielded very similar performance in both applications. These empirical results support the use of the flow-only SPF models adopted in SafetyAnalyst, which require much less effort to develop compared to full SPFs.

Applications of perceptual sparse representation (Spikegram) for copyright protection of audio signals

Chaque année, le piratage mondial de la musique coûte plusieurs milliards de dollars en pertes économiques, pertes d’emplois et pertes de gains des travailleurs ainsi que la perte de millions de dollars en recettes fiscales. La plupart du piratage de la musique est dû à la croissance rapide et à la facilité des technologies actuelles pour la copie, le partage, la manipulation et la distribution de données musicales [Domingo, 2015], [Siwek, 2007]. Le tatouage des signaux sonores a été proposé pour protéger les droit des auteurs et pour permettre la localisation des instants où le signal sonore a été falsifié. Dans cette thèse, nous proposons d’utiliser la représentation parcimonieuse bio-inspirée par graphe de décharges (spikegramme), pour concevoir une nouvelle méthode permettant la localisation de la falsification dans les signaux sonores. Aussi, une nouvelle méthode de protection du droit d’auteur. Finalement, une nouvelle attaque perceptuelle, en utilisant le spikegramme, pour attaquer des systèmes de tatouage sonore. Nous proposons tout d’abord une technique de localisation des falsifications (‘tampering’) des signaux sonores. Pour cela nous combinons une méthode à spectre étendu modifié (‘modified spread spectrum’, MSS) avec une représentation parcimonieuse. Nous utilisons une technique de poursuite perceptive adaptée (perceptual marching pursuit, PMP [Hossein Najaf-Zadeh, 2008]) pour générer une représentation parcimonieuse (spikegramme) du signal sonore d’entrée qui est invariante au décalage temporel [E. C. Smith, 2006] et qui prend en compte les phénomènes de masquage tels qu’ils sont observés en audition. Un code d’authentification est inséré à l’intérieur des coefficients de la représentation en spikegramme. Puis ceux-ci sont combinés aux seuils de masquage. Le signal tatoué est resynthétisé à partir des coefficients modifiés, et le signal ainsi obtenu est transmis au décodeur. Au décodeur, pour identifier un segment falsifié du signal sonore, les codes d’authentification de tous les segments intacts sont analysés. Si les codes ne peuvent être détectés correctement, on sait qu’alors le segment aura été falsifié. Nous proposons de tatouer selon le principe à spectre étendu (appelé MSS) afin d’obtenir une grande capacité en nombre de bits de tatouage introduits. Dans les situations où il y a désynchronisation entre le codeur et le décodeur, notre méthode permet quand même de détecter des pièces falsifiées. Par rapport à l’état de l’art, notre approche a le taux d’erreur le plus bas pour ce qui est de détecter les pièces falsifiées. Nous avons utilisé le test de l’opinion moyenne (‘MOS’) pour mesurer la qualité des systèmes tatoués. Nous évaluons la méthode de tatouage semi-fragile par le taux d’erreur (nombre de bits erronés divisé par tous les bits soumis) suite à plusieurs attaques. Les résultats confirment la supériorité de notre approche pour la localisation des pièces falsifiées dans les signaux sonores tout en préservant la qualité des signaux. Ensuite nous proposons une nouvelle technique pour la protection des signaux sonores. Cette technique est basée sur la représentation par spikegrammes des signaux sonores et utilise deux dictionnaires (TDA pour Two-Dictionary Approach). Le spikegramme est utilisé pour coder le signal hôte en utilisant un dictionnaire de filtres gammatones. Pour le tatouage, nous utilisons deux dictionnaires différents qui sont sélectionnés en fonction du bit d’entrée à tatouer et du contenu du signal. Notre approche trouve les gammatones appropriés (appelés noyaux de tatouage) sur la base de la valeur du bit à tatouer, et incorpore les bits de tatouage dans la phase des gammatones du tatouage. De plus, il est montré que la TDA est libre d’erreur dans le cas d’aucune situation d’attaque. Il est démontré que la décorrélation des noyaux de tatouage permet la conception d’une méthode de tatouage sonore très robuste. Les expériences ont montré la meilleure robustesse pour la méthode proposée lorsque le signal tatoué est corrompu par une compression MP3 à 32 kbits par seconde avec une charge utile de 56.5 bps par rapport à plusieurs techniques récentes. De plus nous avons étudié la robustesse du tatouage lorsque les nouveaux codec USAC (Unified Audion and Speech Coding) à 24kbps sont utilisés. La charge utile est alors comprise entre 5 et 15 bps. Finalement, nous utilisons les spikegrammes pour proposer trois nouvelles méthodes d’attaques. Nous les comparons aux méthodes récentes d’attaques telles que 32 kbps MP3 et 24 kbps USAC. Ces attaques comprennent l’attaque par PMP, l’attaque par bruit inaudible et l’attaque de remplacement parcimonieuse. Dans le cas de l’attaque par PMP, le signal de tatouage est représenté et resynthétisé avec un spikegramme. Dans le cas de l’attaque par bruit inaudible, celui-ci est généré et ajouté aux coefficients du spikegramme. Dans le cas de l’attaque de remplacement parcimonieuse, dans chaque segment du signal, les caractéristiques spectro-temporelles du signal (les décharges temporelles ;‘time spikes’) se trouvent en utilisant le spikegramme et les spikes temporelles et similaires sont remplacés par une autre. Pour comparer l’efficacité des attaques proposées, nous les comparons au décodeur du tatouage à spectre étendu. Il est démontré que l’attaque par remplacement parcimonieux réduit la corrélation normalisée du décodeur de spectre étendu avec un plus grand facteur par rapport à la situation où le décodeur de spectre étendu est attaqué par la transformation MP3 (32 kbps) et 24 kbps USAC.

Hardware-in-the-loop implementation of single- and dual-phase shift control for dual active bridge converters in EV applications

Isolated DC-DC converters play a significant role in fast charging and maintaining the variable output voltage for EV applications. This study aims to investigate the different Isolated DC-DC converters for onboard and offboard chargers, then, once the topology is selected, study the control techniques and, finally, achieve a real-time converter model to accomplish Hardware-In-The-Loop (HIL) results. Among the different isolated DC-DC topologies, the Dual Active Bridge (DAB) converter has the advantage of allowing bidirectional power flow, which enables operating in both Grid to Vehicle (G2V) and Vehicle to Grid (V2G) modalities. Recently, DAB has been used in the offboard chargers for high voltage applications due to SiC and GaN MOSFETs; this new technology also allows the utilization of higher switching frequencies. By empowering soft switching techniques to reduce switching losses, higher switching frequency operation is possible in DAB. There are four phase shift control techniques for the DAB converter. They are Single Phase shift, Extended Phase shift, Dual Phase shift, Triple Phase shift controls. This thesis considers two control strategies; Single-Phase, and Dual-Phase shifts, to understand the circulating currents, power losses, and output capacitor size reduction in the DAB. Hardware-In-The-Loop (HIL) experiments are carried out on both controls with high switching frequencies using the PLECS software tool and the RT box supporting the PLECS. Root Mean Square Error is also calculated for steady-state values of output voltage with different sampling frequencies in both the controls to identify the achievable sampling frequency in real-time. DSP implementation is also executed to emulate the optimized DAB converter design, and final real-time simulation results are discussed for both the Single-Phase and Dual-Phase shift controls.

Performance Analysis of Topological Quantum Error Correcting Codes

In the last few years there has been a great development of techniques like quantum computers and quantum communication systems, due to their huge potentialities and the growing number of applications. However, physical qubits experience a lot of nonidealities, like measurement errors and decoherence, that generate failures in the quantum computation. This work shows how it is possible to exploit concepts from classical information in order to realize quantum error-correcting codes, adding some redundancy qubits. In particular, the threshold theorem states that it is possible to lower the percentage of failures in the decoding at will, if the physical error rate is below a given accuracy threshold. The focus will be on codes belonging to the family of the topological codes, like toric, planar and XZZX surface codes. Firstly, they will be compared from a theoretical point of view, in order to show their advantages and disadvantages. The algorithms behind the minimum perfect matching decoder, the most popular for such codes, will be presented. The last section will be dedicated to the analysis of the performances of these topological codes with different error channel models, showing interesting results. In particular, while the error correction capability of surface codes decreases in presence of biased errors, XZZX codes own some intrinsic symmetries that allow them to improve their performances if one kind of error occurs more frequently than the others.

An Efficient Protocol For The Generation Of Monocyte Derived Dendritic Cells Using Serum-free Media For Clinical Applications In Post Remission Aml Patients.

Protocols for the generation of dendritic cells (DCs) using serum as a supplementation of culture media leads to reactions due to animal proteins and disease transmissions. Several types of serum-free media (SFM), based on good manufacture practices (GMP), have recently been used and seem to be a viable option. The aim of this study was to evaluate the results of the differentiation, maturation, and function of DCs from Acute Myeloid Leukemia patients (AML), generated in SFM and medium supplemented with autologous serum (AS). DCs were analyzed by phenotype characteristics, viability, and functionality. The results showed the possibility of generating viable DCs in all the conditions tested. In patients, the X-VIVO 15 medium was more efficient than the other media tested in the generation of DCs producing IL-12p70 (p=0.05). Moreover, the presence of AS led to a significant increase of IL-10 by DCs as compared with CellGro (p=0.05) and X-Vivo15 (p=0.05) media, both in patients and donors. We concluded that SFM was efficient in the production of DCs for immunotherapy in AML patients. However, the use of AS appears to interfere with the functional capacity of the generated DCs.