Texture Description of low grade and high grade Glioma using Statistical features in Brain MRIs

Low grade and High grade Gliomas are tumors that originate in the glial cells. The main challenge in brain tumor diagnosis is whether a tumor is benign or malignant, primary or metastatic and low or high grade. Based on the patient's MRI, a radiologist could not differentiate whether it is a low grade Glioma or a high grade Glioma. Because both of these are almost visually similar, autopsy confirms the diagnosis of low grade with high-grade and infiltrative features. In this paper, textural description of Grade I and grade III Glioma are extracted using First order statistics and Gray Level Co-occurance Matrix Method (GLCM). Textural features are extracted from 16X16 sub image of the segmented Region of Interest(ROI) .In the proposed method, first order statistical features such as contrast, Intensity , Entropy, Kurtosis and spectral energy and GLCM features extracted were showed promising results. The ranges of these first order statistics and GLCM based features extracted are highly discriminant between grade I and Grade III. In this study which gives statistical textural information of grade I and grade III Glioma which is very useful for further classification and analysis and thus assisting Radiologist in greater extent.

Automatic Detection and Classification of Glioma Tumors using Statistical Features

The characterization and grading of glioma tumors, via image derived features, for diagnosis, prognosis, and treatment response has been an active research area in medical image computing. This paper presents a novel method for automatic detection and classification of glioma from conventional T2 weighted MR images. Automatic detection of the tumor was established using newly developed method called Adaptive Gray level Algebraic set Segmentation Algorithm (AGASA).Statistical Features were extracted from the detected tumor texture using first order statistics and gray level co-occurrence matrix (GLCM) based second order statistical methods. Statistical significance of the features was determined by t-test and its corresponding p-value. A decision system was developed for the grade detection of glioma using these selected features and its p-value. The detection performance of the decision system was validated using the receiver operating characteristic (ROC) curve. The diagnosis and grading of glioma using this non-invasive method can contribute promising results in medical image computing

Statistical evaluation of texture analysis from the biocrystallization method

The consumers are becoming more concerned about food quality, especially regarding how, when and where the foods are produced (Haglund et al., 1999; Kahl et al., 2004; Alföldi, et al., 2006). Therefore, during recent years there has been a growing interest in the methods for food quality assessment, especially in the picture-development methods as a complement to traditional chemical analysis of single compounds (Kahl et al., 2006). The biocrystallization as one of the picture-developing method is based on the crystallographic phenomenon that when crystallizing aqueous solutions of dihydrate CuCl2 with adding of organic solutions, originating, e.g., from crop samples, biocrystallograms are generated with reproducible crystal patterns (Kleber & Steinike-Hartung, 1959). Its output is a crystal pattern on glass plates from which different variables (numbers) can be calculated by using image analysis. However, there is a lack of a standardized evaluation method to quantify the morphological features of the biocrystallogram image. Therefore, the main sakes of this research are (1) to optimize an existing statistical model in order to describe all the effects that contribute to the experiment, (2) to investigate the effect of image parameters on the texture analysis of the biocrystallogram images, i.e., region of interest (ROI), color transformation and histogram matching on samples from the project 020E170/F financed by the Federal Ministry of Food, Agriculture and Consumer Protection(BMELV).The samples are wheat and carrots from controlled field and farm trials, (3) to consider the strongest effect of texture parameter with the visual evaluation criteria that have been developed by a group of researcher (University of Kassel, Germany; Louis Bolk Institute (LBI), Netherlands and Biodynamic Research Association Denmark (BRAD), Denmark) in order to clarify how the relation of the texture parameter and visual characteristics on an image is. The refined statistical model was accomplished by using a lme model with repeated measurements via crossed effects, programmed in R (version 2.1.0). The validity of the F and P values is checked against the SAS program. While getting from the ANOVA the same F values, the P values are bigger in R because of the more conservative approach. The refined model is calculating more significant P values. The optimization of the image analysis is dealing with the following parameters: ROI(Region of Interest which is the area around the geometrical center), color transformation (calculation of the 1 dimensional gray level value out of the three dimensional color information of the scanned picture, which is necessary for the texture analysis), histogram matching (normalization of the histogram of the picture to enhance the contrast and to minimize the errors from lighting conditions). The samples were wheat from DOC trial with 4 field replicates for the years 2003 and 2005, “market samples”(organic and conventional neighbors with the same variety) for 2004 and 2005, carrot where the samples were obtained from the University of Kassel (2 varieties, 2 nitrogen treatments) for the years 2004, 2005, 2006 and “market samples” of carrot for the years 2004 and 2005. The criterion for the optimization was repeatability of the differentiation of the samples over the different harvest(years). For different samples different ROIs were found, which reflect the different pictures. The best color transformation that shows efficiently differentiation is relied on gray scale, i.e., equal color transformation. The second dimension of the color transformation only appeared in some years for the effect of color wavelength(hue) for carrot treated with different nitrate fertilizer levels. The best histogram matching is the Gaussian distribution. The approach was to find a connection between the variables from textural image analysis with the different visual criteria. The relation between the texture parameters and visual evaluation criteria was limited to the carrot samples, especially, as it could be well differentiated by the texture analysis. It was possible to connect groups of variables of the texture analysis with groups of criteria from the visual evaluation. These selected variables were able to differentiate the samples but not able to classify the samples according to the treatment. Contrarily, in case of visual criteria which describe the picture as a whole there is a classification in 80% of the sample cases possible. Herewith, it clearly can find the limits of the single variable approach of the image analysis (texture analysis).

Optimization-Based Robotic Manipulation for Safe Interaction with Human Operators

This thesis investigates a method for human-robot interaction (HRI) in order to uphold productivity of industrial robots like minimization of the shortest operation time, while ensuring human safety like collision avoidance. For solving such problems an online motion planning approach for robotic manipulators with HRI has been proposed. The approach is based on model predictive control (MPC) with embedded mixed integer programming. The planning strategies of the robotic manipulators mainly considered in the thesis are directly performed in the workspace for easy obstacle representation. The non-convex optimization problem is approximated by a mixed-integer program (MIP). It is further effectively reformulated such that the number of binary variables and the number of feasible integer solutions are drastically decreased. Safety-relevant regions, which are potentially occupied by the human operators, can be generated online by a proposed method based on hidden Markov models. In contrast to previous approaches, which derive predictions based on probability density functions in the form of single points, such as most likely or expected human positions, the proposed method computes safety-relevant subsets of the workspace as a region which is possibly occupied by the human at future instances of time. The method is further enhanced by combining reachability analysis to increase the prediction accuracy. These safety-relevant regions can subsequently serve as safety constraints when the motion is planned by optimization. This way one arrives at motion plans that are safe, i.e. plans that avoid collision with a probability not less than a predefined threshold. The developed methods have been successfully applied to a developed demonstrator, where an industrial robot works in the same space as a human operator. The task of the industrial robot is to drive its end-effector according to a nominal sequence of grippingmotion-releasing operations while no collision with a human arm occurs.

Detection of matchings in a sequence of underwater images through texture analysis

This paper presents an approach to ameliorate the reliability of the correspondence points relating two consecutive images of a sequence. The images are especially difficult to handle, since they have been acquired by a camera looking at the sea floor while carried by an underwater robot. Underwater images are usually difficult to process due to light absorption, changing image radiance and lack of well-defined features. A new approach based on gray-level region matching and selective texture analysis significantly improves the matching reliability

Algorisme d'optimització global de les mesures de semblança quàntica molecular

Les Mesures de Semblança Quàntica Molecular (MSQM) requereixen la maximització del solapament de les densitats electròniques de les molècules que es comparen. En aquest treball es presenta un algorisme de maximització de les MSQM, que és global en el límit de densitats electròniques deformades a funcions deltes de Dirac. A partir d'aquest algorisme se'n deriva l'equivalent per a densitats no deformades

Sobre les relacions lineals d'energia lliure: mesures de semblança molecular quàntica sobre funcions de densitat electrònica modificad

En aquest treball es presenta l'ús de funcions de densitat electrònica de forat de Fermi per incrementar el paper que pren una regió molecular concreta, considerada com a responsable de la reactivitat molecular, tot i mantenir la mida de la funció de densitat original. Aquestes densitats s'utilitzen per fer mesures d'autosemblança molecular quàntica i es presenten com una alternativa a l'ús de fragments moleculars aillats en estudis de relació entre estructura i propietat. El treball es complementa amb un exemple pràctic, on es correlaciona l'autosemblanca molecular a partir de densitats modificades amb l'energia d'una reacció isodòsmica

Estructura computacional i aplicacions de la semblança molecular quàntica

La tesis tracta diferents aspectes relacionats amb el càlcul de la semblança quàntica, així com la seva aplicació en la racionalització i predicció de l'activitat de fàrmacs. Es poden destacar dos progressos importants en el desenvolupament de noves metodologies que faciliten el càlcul de les mesures de semblança quàntica. En primer lloc, la descripció de les molècules mitjançant les funciones densitat aproximades PASA (Promolecular Atomic Shell Approximation) ha permès descriure amb suficient precisió la densitat electrònica dels sistemes moleculars analitzats, reduint substancialment el temps de càlcul de les mesures de semblança. En segon lloc, el desenvolupament de tècniques de superposició molecular específiques de les mesures de semblança quàntica ha permès resoldre el problema de l'alineament en l'espai dels compostos comparats. El perfeccionament d'aquests nous procediments i algoritmes matemàtics associats a les mesures de semblança molecular quàntica, ha estat essencial per poder progressar en diferents disciplines de la química computacional, sobretot les relacionades amb les anàlisis quantitatives entre les estructures moleculars i les seves activitats biològiques, conegudes amb les sigles angleses QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationships). Precisament en l'àrea de les relacions estructura-activitat s'han presentat dues aproximacions fonamentades en la semblança molecular quàntica que s'originen a partir de dues representacions diferents de les molècules. La primera descripció considera la densitat electrònica global de les molècules i és important, entre altres, la disposició dels objectes comparats en l'espai i la seva conformació tridimensional. El resultat és una matriu de semblança amb les mesures de semblança de tots els parells de compostos que formen el conjunt estudiat. La segona descripció es fonamenta en la partició de la densitat global de les molècules en fragments. S'utilitzen mesures d'autosemblança per analitzar els requeriments bàsics d'una determinada activitat des del punt de vista de la semblança quàntica. El procés permet la detecció de les regions moleculars que són responsables d'una alta resposta biològica. Això permet obtenir un patró amb les regions actives que és d'evident interès per als propòsits del disseny de fàrmacs. En definitiva, s'ha comprovat que mitjançant la simulació i manipulació informàtica de les molècules en tres dimensions es pot obtenir una informació essencial en l'estudi de la interacció entre els fàrmacs i els seus receptors macromoleculars.

Analysis and Simulation of Transverse Random Fracture of Long Fibre Reinforced Composites

La present tesi proposa una metodología per a la simulació probabilística de la fallada de la matriu en materials compòsits reforçats amb fibres de carboni, basant-se en l'anàlisi de la distribució aleatòria de les fibres. En els primers capítols es revisa l'estat de l'art sobre modelització matemàtica de materials aleatoris, càlcul de propietats efectives i criteris de fallada transversal en materials compòsits. El primer pas en la metodologia proposada és la definició de la determinació del tamany mínim d'un Element de Volum Representatiu Estadístic (SRVE) . Aquesta determinació es du a terme analitzant el volum de fibra, les propietats elàstiques efectives, la condició de Hill, els estadístics de les components de tensió i defromació, la funció de densitat de probabilitat i les funcions estadístiques de distància entre fibres de models d'elements de la microestructura, de diferent tamany. Un cop s'ha determinat aquest tamany mínim, es comparen un model periòdic i un model aleatori, per constatar la magnitud de les diferències que s'hi observen. Es defineix, també, una metodologia per a l'anàlisi estadístic de la distribució de la fibra en el compòsit, a partir d'imatges digitals de la secció transversal. Aquest anàlisi s'aplica a quatre materials diferents. Finalment, es proposa un mètode computacional de dues escales per a simular la fallada transversal de làmines unidireccionals, que permet obtenir funcions de densitat de probabilitat per a les variables mecàniques. Es descriuen algunes aplicacions i possibilitats d'aquest mètode i es comparen els resultats obtinguts de la simulació amb valors experimentals.

Desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica

La present Tesi Doctoral, titulada desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica, tracta, fonamentalment, els aspectes de càlcul de mesures de semblança basades en la comparació de funcions de densitat electrònica.El primer capítol, Semblança quàntica, és introductori. S'hi descriuen les funcions de densitat de probabilitat electrònica i llur significança en el marc de la mecànica quàntica. Se n'expliciten els aspectes essencials i les condicions matemàtiques a satisfer, cara a una millor comprensió dels models de densitat electrònica que es proposen. Hom presenta les densitats electròniques, mencionant els teoremes de Hohenberg i Kohn i esquematitzant la teoria de Bader, com magnituds fonamentals en la descripció de les molècules i en la comprensió de llurs propietats.En el capítol Models de densitats electròniques moleculars es presenten procediments computacionals originals per l'ajust de funcions densitat a models expandits en termes de gaussianes 1s centrades en els nuclis. Les restriccions físico-matemàtiques associades a les distribucions de probabilitat s'introdueixen de manera rigorosa, en el procediment anomenat Atomic Shell Approximation (ASA). Aquest procediment, implementat en el programa ASAC, parteix d'un espai funcional quasi complert, d'on se seleccionen variacionalment les funcions o capes de l'expansió, d'acord als requisits de no negativitat. La qualitat d'aquestes densitats i de les mesures de semblança derivades es verifica abastament. Aquest model ASA s'estén a representacions dinàmiques, físicament més acurades, en quant que afectades per les vibracions nuclears, cara a una exploració de l'efecte de l'esmorteïment dels pics nuclears en les mesures de semblança molecular. La comparació de les densitats dinàmiques respecte les estàtiques evidencia un reordenament en les densitats dinàmiques, d'acord al que constituiria una manifestació del Principi quàntic de Le Chatelier. El procediment ASA, explícitament consistent amb les condicions de N-representabilitat, s'aplica també a la determinació directe de densitats electròniques hidrogenoides, en un context de teoria del funcional de la densitat.El capítol Maximització global de la funció de semblança presenta algorismes originals per la determinació de la màxima sobreposició de les densitats electròniques moleculars. Les mesures de semblança molecular quàntica s'identifiquen amb el màxim solapament, de manera es mesuri la distància entre les molècules, independentment dels sistemes de referència on es defineixen les densitats electròniques. Partint de la solució global en el límit de densitats infinitament compactades en els nuclis, es proposen tres nivells de aproximació per l'exploració sistemàtica, no estocàstica, de la funció de semblança, possibilitant la identificació eficient del màxim global, així com també dels diferents màxims locals. Es proposa també una parametrització original de les integrals de recobriment a través d'ajustos a funcions lorentzianes, en quant que tècnica d'acceleració computacional. En la pràctica de les relacions estructura-activitat, aquests avenços possibiliten la implementació eficient de mesures de semblança quantitatives, i, paral·lelament, proporcionen una metodologia totalment automàtica d'alineació molecular. El capítol Semblances d'àtoms en molècules descriu un algorisme de comparació dels àtoms de Bader, o regions tridimensionals delimitades per superfícies de flux zero de la funció de densitat electrònica. El caràcter quantitatiu d'aquestes semblances possibilita la mesura rigorosa de la noció química de transferibilitat d'àtoms i grups funcionals. Les superfícies de flux zero i els algorismes d'integració usats han estat publicats recentment i constitueixen l'aproximació més acurada pel càlcul de les propietats atòmiques. Finalment, en el capítol Semblances en estructures cristal·lines hom proposa una definició original de semblança, específica per la comparació dels conceptes de suavitat o softness en la distribució de fonons associats a l'estructura cristal·lina. Aquests conceptes apareixen en estudis de superconductivitat a causa de la influència de les interaccions electró-fonó en les temperatures de transició a l'estat superconductor. En aplicar-se aquesta metodologia a l'anàlisi de sals de BEDT-TTF, s'evidencien correlacions estructurals entre sals superconductores i no superconductores, en consonància amb les hipòtesis apuntades a la literatura sobre la rellevància de determinades interaccions.Conclouen aquesta tesi un apèndix que conté el programa ASAC, implementació de l'algorisme ASA, i un capítol final amb referències bibliogràfiques.

Molecular quantum similarity in QSAR: applications in computer-aided molecular design

La present tesi està centrada en l'ús de la Teoria de Semblança Quàntica per a calcular descriptors moleculars. Aquests descriptors s'utilitzen com a paràmetres estructurals per a derivar correlacions entre l'estructura i la funció o activitat experimental per a un conjunt de compostos. Els estudis de Relacions Quantitatives Estructura-Activitat són d'especial interès per al disseny racional de molècules assistit per ordinador i, en particular, per al disseny de fàrmacs. Aquesta memòria consta de quatre parts diferenciades. En els dos primers blocs es revisen els fonaments de la teoria de semblança quàntica, així com l'aproximació topològica basada en la teoria de grafs. Ambdues teories es fan servir per a calcular els descriptors moleculars. En el segon bloc, s'ha de remarcar la programació i implementació de programari per a calcular els anomenats índexs topològics de semblança quàntica. La tercera secció detalla les bases de les Relacions Quantitatives Estructura-Activitat i, finalment, el darrer apartat recull els resultats d'aplicació obtinguts per a diferents sistemes biològics.

Validation of ocean model syntheses against hydrography using a new web application

Results are presented from a new web application called OceanDIVA - Ocean Data Intercomparison and Visualization Application. This tool reads hydrographic profiles and ocean model output and presents the data on either depth levels or isotherms for viewing in Google Earth, or as probability density functions (PDFs) of regional model-data misfits. As part of the CLIVAR Global Synthesis and Observations Panel, an intercomparison of water mass properties of various ocean syntheses has been undertaken using OceanDIVA. Analysis of model-data misfits reveals significant differences between the water mass properties of the syntheses, such as the ability to capture mode water properties.

The statistical properties of tropical ice clouds generated by the West-African and Australian monsoons from ground-based radar-lidar observations

In the present paper we characterize the statistical properties of non-precipitating tropical ice clouds (deep ice anvils resulting from deep convection and cirrus clouds) over Niamey, Niger, West Africa, and Darwin, northern Australia, using ground-based radar–lidar observations from the Atmospheric Radiation Measurement (ARM) programme. The ice cloud properties analysed in this paper are the frequency of ice cloud occurrence, cloud fraction, the morphological properties (cloud-top height, base height, and thickness), the microphysical and radiative properties (ice water content, visible extinction, effective radius, terminal fall speed, and concentration), and the internal cloud dynamics (in-cloud vertical air velocity). The main highlight of the paper is that it characterizes for the first time the probability density functions of the tropical ice cloud properties, their vertical variability and their diurnal variability at the same time. This is particularly important over West Africa, since the ARM deployment in Niamey provides the first vertically resolved observations of non-precipitating ice clouds in this crucial area in terms of redistribution of water and energy in the troposphere. The comparison between the two sites also provides an additional observational basis for the evaluation of the parametrization of clouds in large-scale models, which should be able to reproduce both the statistical properties at each site and the differences between the two sites. The frequency of ice cloud occurrence is found to be much larger over Darwin when compared to Niamey, and with a much larger diurnal variability, which is well correlated with the diurnal cycle of deep convective activity. The diurnal cycle of the ice cloud occurrence over Niamey is also much less correlated with that of deep convective activity than over Darwin, probably owing to the fact that Niamey is further away from the deep convective sources of the region. The frequency distributions of cloud fraction are strongly bimodal and broadly similar over the two sites, with a predominance of clouds characterized either by a very small cloud fraction (less than 0.3) or a very large cloud fraction (larger than 0.9). The ice clouds over Darwin are also much thicker (by 1 km or more statistically) and are characterized by a much larger diurnal variability than ice clouds over Niamey. Ice clouds over Niamey are also characterized by smaller particle sizes and fall speeds but in much larger concentrations, thereby carrying more ice water and producing more visible extinction than the ice clouds over Darwin. It is also found that there is a much larger occurrence of downward in-cloud air motions less than 1 m s−1 over Darwin, which together with the larger fall speeds retrieved over Darwin indicates that the life cycle of ice clouds is probably shorter over Darwin than over Niamey.

Validation of three new measure-correlate-predict models for the long-term prospection of the wind resource

The estimation of the long-term wind resource at a prospective site based on a relatively short on-site measurement campaign is an indispensable task in the development of a commercial wind farm. The typical industry approach is based on the measure-correlate-predict �MCP� method where a relational model between the site wind velocity data and the data obtained from a suitable reference site is built from concurrent records. In a subsequent step, a long-term prediction for the prospective site is obtained from a combination of the relational model and the historic reference data. In the present paper, a systematic study is presented where three new MCP models, together with two published reference models �a simple linear regression and the variance ratio method�, have been evaluated based on concurrent synthetic wind speed time series for two sites, simulating the prospective and the reference site. The synthetic method has the advantage of generating time series with the desired statistical properties, including Weibull scale and shape factors, required to evaluate the five methods under all plausible conditions. In this work, first a systematic discussion of the statistical fundamentals behind MCP methods is provided and three new models, one based on a nonlinear regression and two �termed kernel methods� derived from the use of conditional probability density functions, are proposed. All models are evaluated by using five metrics under a wide range of values of the correlation coefficient, the Weibull scale, and the Weibull shape factor. Only one of all models, a kernel method based on bivariate Weibull probability functions, is capable of accurately predicting all performance metrics studied.

The interplay of secondary Hg⋯S, Hg⋯N and Hg⋯π bonding interactions in supramolecular structures of phenylmercury(ii) dithiocarbamates

Three new phenylmercury(II) and one mercury(II) dithiocarbamate complexes viz. PhHg S2CN(PyCH2) Bz (1), PhHg S2CN(PyCH2)CH3 (2), PhHg S2CN(Bz)CH3 (3), and [Hg (NCS2(PyCH2)Bz)(2)] (4) (Py = pyridine; Bz = benzyl) have been synthesized and characterized by elemental analyses, IR, electronic absorption, H-1 and C-13 NMR spectroscopy. The crystal structures of 1, 2 and 3 showed a linear S-Hg-C core at the centre of the molecule, in which the metal atom is bound to the sulfur atom of the dithiocarbamate ligand and a carbon atom of the aromatic ring. In contrast the crystal structure of 4 showed a linear S-Hg-S core at the Hg(II) centre of the molecule. Weak intermolecular Hg center dot center dot center dot N (Py) interactions link molecules into a linear chain in the case of 1, whereas chains of dimers are formed in 2 through intermolecular Hg center dot center dot center dot N (Py) and Hg center dot center dot center dot S interactions. 3 forms a conventional face-to-edge dimeric structure through intermolecular Hg center dot center dot center dot S secondary bonding and 4 forms a linear chain of dimers through face-to-face Hg center dot center dot center dot S secondary bonding. In order to elucidate the nature of these secondary bonding interactions and the electronic absorption spectra of the complexes, ab initio quantum chemical calculations at the MP2 level and density functional theory calculations were carried out for 1-3. Complexes 1 and 2 exhibited photoluminescent properties in the solid state as well as in the solution phase. Studies indicate that Hg center dot center dot center dot S interactions decrease and Hg center dot center dot center dot N interactions increase the chances of photoluminescence in the solid phase