3D-Cryo-Elektronenmikroskopie des 4x6-Hämocyanins der Vogelspinne Eurypelma californicum unter Oxy- und Deoxybedingungen

Arthropodenhämocyanine und Molluskenhämocyanine, die extrazellulären Atmungsproteine der Arthropoden und Mollusken, unterscheiden sich grundsätzlich im Aufbau, besitzen aber ähnliche aktive Zentren, welche in ihrer oxydierten Form für die Blaufärbung der Hämocyanine verantwortlich sind. Sauerstoff wird im Bindungszentrum zwischen zwei, von sechs Histidinen ligandierten, Kupfer(I)Ionen gebunden. Arthropodenhämocyanine bauen sich artspezifisch aus 1, 2, 4, 6, oder 8 Hexameren mit D3-Symmetrie auf. Die Untereinheiten von je ca. 75 kDa falten sich in drei Domänen unterschiedlicher Funktionen. Der komplexe, hierarchische Zusammenbau der Arthropodenhämocyanine hängt von der Heterogenität der Untereinheiten ab. Die 7 verschieden Sequenzen des 4x6-Hämocyanins von Eurypelma californicum (EcHc) sind biochemisch in der Quartärstruktur lokalisiert. Bislang fehlte noch ein unabhängig erstelltes 3D-Modell der geometrischen Gesamtstruktur welche die hexamere und monomere Topographie eindeutig zeigt. Dessen Erstellung war Gegenstand dieser Arbeit, in Verbindung mit der Zielsetzung, die 3D-Rekonstruktion in den beiden extremen physiologischen Zuständen, mit und ohne gebundenen Sauerstoff, zu erzeugen. Dazu wurden in einer eigens entwickelten Atmosphären-Präparationskammer die Proteine in Lösung schockgefrorenen und mittels Cryo-3D-Elektronenmikroskopie gemessen. Aus den daraus gewonnen Projektionsbildern ließen sich mit der ”Single Particle Analyse“ die 3D-Informationen zurückberechnen. Die 3D-Rekonstruktionen wurden mit der publizierten Röntgenkristallstruktur des hexameren Referenz-Hämocyanins der Languste Panulirus interruptus verifiziert. Die Rekonstruktionen erlaubten die eindeutige Messung diverser in der Literatur diskutierter Parameter der Architektur des 4x6-EcHc und darüber hinaus weiterer geometrischer Parameter, welche hier erstmals veröffentlicht werden. SAXS-Daten sagen extreme Translationen und Rotationen von Teilquartärstrukturen zwischen oxy- und deoxy-EcHc voraus, was von den 3D-Rekonstruktionen der beiden Zustände nicht bestätigt werden konnte: Die 16 Å Rekonstruktion der Deoxyform weicht geometrisch nicht von der 21 Å Rekonstruktion der Oxyform ab. Die Einpassung der publizierten Röntgenstruktur der Untereinheit II des Hämocyanin des Pfeilschwanzkrebses Limulus polyphemus in die Rekonstruktionen unterstützt eine auf der hexameren Hierarchieebene lokalisierte Dynamik der Oxygenierung. Mittels Einpassung modellierter molekularer Strukturen der EcHc-Sequenzen konnte eine erste Vermutung zur Lokalisation der beiden zentralen Linker-Untereinheiten b und c des 4x6-Moleküls gemacht werden: Demnach würde Untereinheit b in den exponierten Hexameren des Moleküls liegen. Aussagen über die Quartärstrukturbindungen auf molekularer Ebene aufgrund der Einpassung modellierter molekularer Daten in die Rekonstruktionen sind als spekulativ einzustufen: a) Die Auflösung der Rekonstruktion ist verbesserungswürdig. b) Es gibt keine adäquate Vorlage für eine verlässliche Strukturvorhersage; die verschiedenen EcHc-Sequenzen liegen nur als Modellierung vor. c) Es wäre eine flexible Einpassung notwendig, um Ungenauigkeiten in den modellierten Strukturen durch Sekundärstrukturanpassung zu minimieren.

L'area dei Lungarni di Pisa nel tardo Medioevo (XIV-XV secolo). un tentativo di ricostruzione in 3D.

Lo scopo di questa ricerca è la ricostruzione dei Lungarni di Pisa nel Tardo Medioevo (XIV-XV secolo); lo studio intende sottolineare le trasformazioni urbanistiche che hanno cambiato il volto di Pisa nel corso del tempo e ricordare che l’area fluviale ebbe un ruolo di primo piano come baricentro commerciale ed economico della città, vocazione che si è in gran parte persa con l’età moderna e contemporanea. La metodologia seguita, affinata e perfezionata durante la partecipazione al progetto Nu.M.E. (Nuovo Museo Elettronico della Città di Bologna), si basa sull’analisi e il confronto di fonti eterogenee ma complementari, che includono precedenti studi di storia dell’urbanistica, un corpus di documentazione di epoca medievale (provvedimenti amministrativi come gli Statuti del Comune di Pisa, ma anche descrizioni di cronisti e viaggiatori), fonti iconografiche, tra cui vedute e mappe cinquecentesche o successive, e fonti materiali, come le persistenze medievali ancora osservabili all’interno degli edifici ed i reperti rinvenuti durante alcune campagne di scavo archeologiche. Il modello 3D non è concepito come statico e “chiuso”, ma è liberamente esplorabile all’interno di un engine tridimensionale; tale prodotto può essere destinato a livelli di utenza diversi, che includono sia studiosi e specialisti interessati a conoscere un maggior numero di informazioni e ad approfondire la ricerca, sia semplici cittadini appassionati di storia o utenti più giovani, come studenti di scuole medie superiori e inferiori.

Zur Struktur und Funktion der Typ-3-Kupferproteine sowie der Lichtsammlerkomplexe LHCI und LHCII

In der vorliegenden Arbeit wurden die bioinformatischen Methoden der Homologie-Modellierung und Molekularen Modellierung dazu benutzt, die dreidimensionalen Strukturen verschiedenster Proteine vorherzusagen und zu analysieren. Experimentelle Befunde aus Laborversuchen wurden dazu benutzt, die Genauigkeit der Homologie-Modelle zu erhöhen. Die Ergebnisse aus den Modellierungen wurden wiederum dazu benutzt, um neue experimentelle Versuche vorzuschlagen. Anhand der erstellten Modelle und bekannten Kristallstrukturen aus der Protein-Datenbank PDB wurde die Struktur-Funktionsbeziehung verschiedener Tyrosinasen untersucht. Dazu gehörten sowohl die Tyrosinase des Bakteriums Streptomyces als auch die Tyrosinase der Hausmaus. Aus den vergleichenden Strukturanalysen der Tyrosinasen resultierten Mechanismen für die Monophenolhydroxylase-Aktivität der Tyrosinasen sowie für den Import der Kupferionen ins aktive Zentrum. Es konnte der Beweis geführt werden, daß die Blockade des CuA-Zentrums tatsächlich der Grund für die unterschiedliche Aktivität von Tyrosinasen und Catecholoxidasen ist. Zum ersten Mal konnte mit der Maus-Tyrosinase ein vollständiges Strukturmodell einer Säugetier-Tyrosinase erstellt werden, das dazu in der Lage ist, die Mechanismen bekannter Albino-Mutationen auf molekularer Ebene zu erklären. Die auf der Basis des ermittelten 3D-Modells gewonnenen Erkenntnisse über die Wichtigkeit bestimmter Aminosäuren für die Funktion wurde durch gerichtete Mutagenese an der rekombinant hergestellten Maus-Tyrosinase getestet und bestätigt. Weiterhin wurde die Struktur der Tyrosinase des Krebses Palinurus elephas durch eine niedrigaufgelöste 3D-Rekonstruktion aus elektronenmikroskopischen Bildern aufgeklärt. Der zweite große Themenkomplex umfasst die Strukturanalyse der Lichtsammlerkomplexe LHCI-730 und LHCII. Im Falle des LHCII konnte der Oligomerisierungszustand der LHCMoleküle mit diskreten Konformationen des N-Terminus korreliert werden. Auch hier kam eine Kombination von Homologie-Modellierung und einer experimentellen Methode, der Elektronen-Spin-Resonanz-Messung, zum Einsatz. Die Änderung des Oligomerisierungszustands des LHCII kontrolliert den Energiezufluß zu den Photosystemen PS I und PS II. Des Weiteren wurde ein vollständiges Modell des LHCI-730 erstellt, um die Auswirkungen gerichteter Mutagenese auf das Dimerisierungsverhalten zu untersuchen. Auf Basis dieses Modells wurden die Wechselwirkungen zwischen den Monomeren Lhca1 und Lhca4 evaluiert und potentielle Bindungspartner identifiziert.

3D-electron microscopy of different conformations of cephalopod hemocyanins

Die Hämocyanine der Cephalopoden Nautilus pompilius und Sepia officinalis sorgen für den Sauerstofftransport zwischen den Kiemen und den Geweben. Sie bestehen aus einem zylindrischen Dekamer mit interner Kragenstruktur. Während eine Untereinheit (also eine Polypeptidkette) bei NpH aus sieben paralogen funktionellen Domänen (FU-a bis FU-g) besteht, führte ein Genduplikationsereignis der FU-d zu acht FUs in SoH (a, b, c, d, d´, e, f, g). In allen Mollusken Hämocyaninen bilden sechs dieser FUs den äußeren Ring und die restlichen die interne Kragenstruktur. rnrnIn dieser Arbeit wurde ein dreidimensionales Modell des Hämocyanins von Sepia officinalis (SoH) erstellt. Die Rekonstruktion, mit einer Auflösung von 8,8Å (FSC=0,5), erlaubt das Einpassen von Homolologiemodellen und somit das Erstellen eines molekularen Modells mit pseudo atomarer Auflösung. Des Weiteren wurden zwei Rekonstruktionen des Hämocyanins von Nautilus pompilius (NpH) in verschiedenen Oxygenierungszuständen erstellt. Die auf 10 und 8,1Å aufgelösten Modelle zeigen zwei verschiedene Konformationen des Proteins. Daraus ließ sich eine Modellvorstellung über die allosterische Funktionsweise ableiten. Die hier erreichte Auflösung von 8Å ist die momentan höchste eines Molluskenhämocyanins. rnAuf Grundlage des molekularen Modells von SoH konnte die Topologie des Proteins aufgeklärt werden. Es wurde gezeigt, dass die zusätzliche FU-d´ in den Kragen integriert ist und somit die prinzipielle Wandarchitektur aller Mollusken Hämocyanine identisch ist. Wie die Analyse des erstellten molekularen Modells zeigt werden sind die beiden Isoformen (SoH1 und SoH2) in den Bereichen der Interfaces nahezu identisch; auch der Vergleich mit NpH zeigt grosse Übereinstimmungen. Des weiteren konnte eine Fülle von Informationen bezüglich der allosterischen Signalübertragung innerhalb des Moleküls gewonnen werden. rnDer Versuch, NpH in verschiedenen Oxygenierungszuständen zu zeigen, war erfolgreich. Die Datensätze, die unter zwei atmosphärischen Bedingungen präpariert wurden, führten reproduzierbar zu zwei unterschiedlichen Rekonstruktionen. Dies zeigt, daß der hier entwickelte experimentelle Ansatz funktioniert. Er kann nun routinemäßig auf andere Proteine angewandt werden. Wie der strukturelle Vergleich zeigte, verändert sich die Orientierung der FUs durch die Oxygenierung leicht. Dies wiederum beeinflusst die Anordnung innerhalb der Interfaces sowie die Abstände zwischen den beteiligten Aminosäuren. Aus dieser Analyse konnte eine Modellvorstellung zum allosterischen Signaltransfer innerhalb des Moleküls abgeleitet werden, die auf einer Umordnung von Salzbrücken basiert.

3D-Strukturanalyse von Molluskenhämocyaninen aus elektronenmikroskopischen Bildern

Diese Arbeit präsentiert die bislang höchst aufgelösten KryoEM-Strukturen für ein Cephalopoden hämocyanin Dekamer (Nautilus pompilus Hämocyanin, NpH) und ein Gastropoden Hämocyanin Didekamer (keyhole limpet hemocyanin isoform 1). Durch die Methoden des “molecular modelling” und “rigid-body-fiting” wurde auch eine detaillierte Beschreibung beider Strukturen auf atomarem Niveau erstmalig möglich. Hämocyanine sind kupferhaltige Sauerstoff-Transportproteine die frei gelöst in Blut zahlreicher Arthropoden und Mollusken vorkommen. Allgemein sind Molluskenhämocyanine als Dekamere (Hohlzylinder aus 5 Untereinheiten-dimere) oder Didecamere (Zusammenlagerung von zwei Dekameren) zu finden. Durch Anlagerung weiterer Dekamere bilden sich teilweise tubuläre Multidekamere. Hämocyanine der Cephalopoden bestehen ausschließlich aus solitären Decameren. In Octopus und Nautilus bestehen die 10 Untereinheiten aus 7 funktionellen Einheiten(FU-a bis FU-g), wobei jede FU ein Sauerstoffmolekül binden kann. FUs a-f bilden die Wand des ringförmigen Moleküls und 10 Kopien der FU-g bilden einen sogenannten „inneren Kragenkomplex“. Das im Rahmen dieser Arbeit erstelltes molekulares Modell von NpH klärt die Struktur des Dekamers vollständig auf. Wir waren zum ersten Mal in der Lage das Untereinheiten-dimer, den Verlauf der Polypeptidkette und 15 unterschiedliche Kontaktstellen zwischen FUs zu identifizieren. Viele der inter-FU-Kontakte weisen Aminosäurenkonstellationen auf, die die Basis für die Übertragung allosterischer Wechselwirkungen zwischen FUs darstellen könnten und Hinweise für den Aufbau der allosterische Einheit geben. Potentielle Bindungsstellen für N-glykosidische Zucker und bivalente Kationen wurden auch identifiziert. Im Gegensatz zu NpH, kommen Gastropoden Hämocyanine (inkl. KLH) hauptsächlich als Didekamere vor und der Kragenkomplex wird in diesem Fall aus 2 FUs gebildet (Fu-g und FU-h). Die zusätzliche C'-terminale FU-h zeichnet sich durch eine spezielle Verlängerung von ~ 100 Aminosäuren aus. KLH stammt aus der kalifornische Schnecke Megathura crenulata und kommt seit mehreren Jahrzehnten als Immunostimulator in der immunologischen Grundlagenforschung und klinischen Anwendung zum Einsatz. KLH weist zwei Isoformen auf, KLH1 und KLH2. Das vorliegende Modell von KLH1 erlaubt die komplexe Architektur dieses riesigen Proteins in allen Details zu verstehen, sowie einen Vergleich zum dem NpH Dekamer auf atomare Ebene. Es wurde gefunden, dass das Untereinheitensegment a-b-c-d-e-f-g, sowie die equivalenten Kontaktstellen zwichen FUs stark konserviert sind. Dies deutet darauf hin, dass in Bezug auf die Übertragung allosterische Signale zwischen benachbarten FUs, grundlegende Mechanismen in beiden Molekülen beibehalten wurden. Weiterhin, konnten die Verbindungen zwischen den zwei Dekameren ertsmalig identifiziert werden. Schließlich, wurde die Topologie der N-glycosidischen Zucker, welche für die immunologische Eigenschaften von KLH1 von großer Bedeutung sind, auch aufgeklärt. Somit leistet die vorliegende Arbeit einen wesentlichen Schritt zum Verständnis der Quartärstruktur und Funktion der Molluskenhämocyanine.rn

Validation of statistical shape model based reconstruction of the proximal femur - A morphology study

Seventeen bones (sixteen cadaveric bones and one plastic bone) were used to validate a method for reconstructing a surface model of the proximal femur from 2D X-ray radiographs and a statistical shape model that was constructed from thirty training surface models. Unlike previously introduced validation studies, where surface-based distance errors were used to evaluate the reconstruction accuracy, here we propose to use errors measured based on clinically relevant morphometric parameters. For this purpose, a program was developed to robustly extract those morphometric parameters from the thirty training surface models (training population), from the seventeen surface models reconstructed from X-ray radiographs, and from the seventeen ground truth surface models obtained either by a CT-scan reconstruction method or by a laser-scan reconstruction method. A statistical analysis was then performed to classify the seventeen test bones into two categories: normal cases and outliers. This classification step depends on the measured parameters of the particular test bone. In case all parameters of a test bone were covered by the training population's parameter ranges, this bone is classified as normal bone, otherwise as outlier bone. Our experimental results showed that statistically there was no significant difference between the morphometric parameters extracted from the reconstructed surface models of the normal cases and those extracted from the reconstructed surface models of the outliers. Therefore, our statistical shape model based reconstruction technique can be used to reconstruct not only the surface model of a normal bone but also that of an outlier bone.

PS-GANS: A Patient-Specific, Gravity Assisted Navigation System for Acetabular Cup Placement

In this paper we propose a new system that allows reliable acetabular cup placement when the THA is operated in lateral approach. Conceptually it combines the accuracy of computer-generated patient-specific morphology information with an easy-to-use mechanical guide, which effectively uses natural gravity as the angular reference. The former is achieved by using a statistical shape model-based 2D-3D reconstruction technique that can generate a scaled, patient-specific 3D shape model of the pelvis from a single conventional anteroposterior (AP) pelvic X-ray radiograph. The reconstructed 3D shape model facilitates a reliable and accurate co-registration of the mechanical guide with the patient’s anatomy in the operating theater. We validated the accuracy of our system by conducting experiments on placing seven cups to four pelvises with different morphologies. Taking the measurements from an image-free navigation system as the ground truth, our system showed an average accuracy of 2.1 ±0.7 o for inclination and an average accuracy of 1.2 ±1.4 o for anteversion.

Automatic Food Intake Assessment Using Camera Phones

Obesity is becoming an epidemic phenomenon in most developed countries. The fundamental cause of obesity and overweight is an energy imbalance between calories consumed and calories expended. It is essential to monitor everyday food intake for obesity prevention and management. Existing dietary assessment methods usually require manually recording and recall of food types and portions. Accuracy of the results largely relies on many uncertain factors such as user's memory, food knowledge, and portion estimations. As a result, the accuracy is often compromised. Accurate and convenient dietary assessment methods are still blank and needed in both population and research societies. In this thesis, an automatic food intake assessment method using cameras, inertial measurement units (IMUs) on smart phones was developed to help people foster a healthy life style. With this method, users use their smart phones before and after a meal to capture images or videos around the meal. The smart phone will recognize food items and calculate the volume of the food consumed and provide the results to users. The technical objective is to explore the feasibility of image based food recognition and image based volume estimation. This thesis comprises five publications that address four specific goals of this work: (1) to develop a prototype system with existing methods to review the literature methods, find their drawbacks and explore the feasibility to develop novel methods; (2) based on the prototype system, to investigate new food classification methods to improve the recognition accuracy to a field application level; (3) to design indexing methods for large-scale image database to facilitate the development of new food image recognition and retrieval algorithms; (4) to develop novel convenient and accurate food volume estimation methods using only smart phones with cameras and IMUs. A prototype system was implemented to review existing methods. Image feature detector and descriptor were developed and a nearest neighbor classifier were implemented to classify food items. A reedit card marker method was introduced for metric scale 3D reconstruction and volume calculation. To increase recognition accuracy, novel multi-view food recognition algorithms were developed to recognize regular shape food items. To further increase the accuracy and make the algorithm applicable to arbitrary food items, new food features, new classifiers were designed. The efficiency of the algorithm was increased by means of developing novel image indexing method in large-scale image database. Finally, the volume calculation was enhanced through reducing the marker and introducing IMUs. Sensor fusion technique to combine measurements from cameras and IMUs were explored to infer the metric scale of the 3D model as well as reduce noises from these sensors.

A system for 3-D reconstruction of a patient-specific surface model from calibrated X-ray images

This paper presents a system for 3-D reconstruction of a patient-specific surface model from calibrated X-ray images. Our system requires two X-ray images of a patient with one acquired from the anterior-posterior direction and the other from the axial direction. A custom-designed cage is utilized in our system to calibrate both images. Starting from bone contours that are interactively identified from the X-ray images, our system constructs a patient-specific surface model of the proximal femur based on a statistical model based 2D/3D reconstruction algorithm. In this paper, we present the design and validation of the system with 25 bones. An average reconstruction error of 0.95 mm was observed.

3D Ultrasound imaging--a useful non-invasive tool to detect AV fistulas in transplanted kidneys

BACKGROUND: A precise, non-invasive, non-toxic, repeatable, convenient and inexpensive follow-up of renal transplants, especially following biopsies, is in the interest of nephrologists. Formerly, the rate of biopsies leading to AV fistulas had been underestimated. Imaging procedures suited to a detailed judgement of these vascular malformations are to be assessed. METHODS: Three-dimensional (3D) reconstruction techniques of ultrasound flow-directed and non-flow-directed energy mode pictures were compared with a standard procedure, gadolinium-enhanced nuclear magnetic resonance imaging angiography (MRA) using the phase contrast technique. RESULTS: Using B-mode and conventional duplex information, AV fistulas were localized in the upper pole of the kidney transplant of the index patient. The 3D reconstruction provided information about the exact localization and orientation of the fistula in relation to other vascular structures, and the flow along the fistula. The MRA provided localization and orientation information, but less functional information. Flow-directed and non-flow-directed energy mode pictures could be reconstructed to provide 3D information about vascular malformations in transplanted kidneys. CONCLUSION: In transplanted kidneys, 3D-ultrasound angiography may be equally as effective as MRA in localizing and identifying AV malformations. Advantages of the ultrasound method are that it is cheaper, non-toxic, non-invasive, more widely availability and that it even provides more functional information. Future prospective studies will be necessary to evaluate the two techniques further.

Food Volume Computation for Self Dietary Assessment Applications

There is great demand for easily-accessible, user-friendly dietary self-management applications. Yet accurate, fully-automatic estimation of nutritional intake using computer vision methods remains an open research problem. One key element of this problem is the volume estimation, which can be computed from 3D models obtained using multi-view geometry. The paper presents a computational system for volume estimation based on the processing of two meal images. A 3D model of the served meal is reconstructed using the acquired images and the volume is computed from the shape. The algorithm was tested on food models (dummy foods) with known volume and on real served food. Volume accuracy was in the order of 90 %, while the total execution time was below 15 seconds per image pair. The proposed system combines simple and computational affordable methods for 3D reconstruction, remained stable throughout the experiments, operates in near real time, and places minimum constraints on users.

Is the acetabular cup orientation after total hip arthroplasty on a two dimension or three dimension model accurate?

Purpose Malposition of the acetabular component in total hip arthroplasty (THA) is a common surgical problem that can lead to hip dislocation, reduced range of motion and may result in early loosening. The aim of this study is to validate the accuracy and reproducibility of a single x-ray image based 2D/3D reconstruction technique in determining cup inclination and anteversion against two different computer tomography (CT)-based measurement techniques. Methods Cup anteversion and inclination of 20 patients after cementless primary THA was measured on standard anteroposterior (AP) radiographs with the help of the single x-ray 2D/3D reconstruction program and compared with two different 3D CT-based analyses [Ground Truth (GT) and MeVis (MV) reconstruction model]. Results The measurements from the single x-ray 2D/3D reconstruction technique were strongly correlated with both types of CT image-processing protocols for both cup inclination [R²=0.69 (GT); R²=0.59 (MV)] and anteversion [R²=0.89 (GT); R²=0.80 (MV)]. Conclusions The single x-ray image based 2D/3D reconstruction technique is a feasible method to assess cup position on postoperative x-rays. CTscans remain the golden standard for a more complex biomechanical evaluation when a lower tolerance limit (+/-2 degrees) is required.

In Vitro Implant Impression Accuracy Using a New Photopolymerizing SDR Splinting Material

PURPOSE The study aims to evaluate three-dimensionally (3D) the accuracy of implant impressions using a new resin splinting material, "Smart Dentin Replacement" (SDR). MATERIALS AND METHODS A titanium model of an edentulous mandible with six implant analogues was used as a master model and its dimensions measured with a coordinate measuring machine. Before the total 60 impressions were taken (open tray, screw-retained abutments, vinyl polysiloxane), they were divided in four groups: A (test): copings pick-up splinted with dental floss and fotopolymerizing SDR; B (test): see A, additionally sectioned and splinted again with SDR; C (control): copings pick-up splinted with dental floss and autopolymerizing Duralay® (Reliance Dental Mfg. Co., Alsip, IL, USA) acrylic resin; and D (control): see C, additionally sectioned and splinted again with Duralay. The impressions were measured directly with an optomechanical coordinate measuring machine and analyzed with a computer-aided design (CAD) geometric modeling software. The Wilcoxon matched-pair signed-rank test was used to compare groups. RESULTS While there was no difference (p = .430) between the mean 3D deviations of the test groups A (17.5 μm) and B (17.4 μm), they both showed statistically significant differences (p < .003) compared with both control groups (C 25.0 μm, D 19.1 μm). CONCLUSIONS Conventional impression techniques for edentulous jaws with multiple implants are highly accurate using the new fotopolymerizing splinting material SDR. Sectioning and rejoining of the SDR splinting had no impact on the impression accuracy.

New algorithms for automated phylogenetic reconstruction using artificial intelligence and data mining techniques

Academic and industrial research in the late 90s have brought about an exponential explosion of DNA sequence data. Automated expert systems are being created to help biologists to extract patterns, trends and links from this ever-deepening ocean of information. Two such systems aimed on retrieving and subsequently utilizing phylogenetically relevant information have been developed in this dissertation, the major objective of which was to automate the often difficult and confusing phylogenetic reconstruction process. ^ Popular phylogenetic reconstruction methods, such as distance-based methods, attempt to find an optimal tree topology (that reflects the relationships among related sequences and their evolutionary history) by searching through the topology space. Various compromises between the fast (but incomplete) and exhaustive (but computationally prohibitive) search heuristics have been suggested. An intelligent compromise algorithm that relies on a flexible “beam” search principle from the Artificial Intelligence domain and uses the pre-computed local topology reliability information to adjust the beam search space continuously is described in the second chapter of this dissertation. ^ However, sometimes even a (virtually) complete distance-based method is inferior to the significantly more elaborate (and computationally expensive) maximum likelihood (ML) method. In fact, depending on the nature of the sequence data in question either method might prove to be superior. Therefore, it is difficult (even for an expert) to tell a priori which phylogenetic reconstruction method—distance-based, ML or maybe maximum parsimony (MP)—should be chosen for any particular data set. ^ A number of factors, often hidden, influence the performance of a method. For example, it is generally understood that for a phylogenetically “difficult” data set more sophisticated methods (e.g., ML) tend to be more effective and thus should be chosen. However, it is the interplay of many factors that one needs to consider in order to avoid choosing an inferior method (potentially a costly mistake, both in terms of computational expenses and in terms of reconstruction accuracy.) ^ Chapter III of this dissertation details a phylogenetic reconstruction expert system that selects a superior proper method automatically. It uses a classifier (a Decision Tree-inducing algorithm) to map a new data set to the proper phylogenetic reconstruction method. ^

Efficient hybrid monocular-stereo approach to on-board, video-based traffic sign detection and tracking

In this paper we propose an innovative method for the automatic detection and tracking of road traffic signs using an onboard stereo camera. It involves a combination of monocular and stereo analysis strategies to increase the reliability of the detections such that it can boost the performance of any traffic sign recognition scheme. Firstly, an adaptive color and appearance based detection is applied at single camera level to generate a set of traffic sign hypotheses. In turn, stereo information allows for sparse 3D reconstruction of potential traffic signs through a SURF-based matching strategy. Namely, the plane that best fits the cloud of 3D points traced back from feature matches is estimated using a RANSAC based approach to improve robustness to outliers. Temporal consistency of the 3D information is ensured through a Kalman-based tracking stage. This also allows for the generation of a predicted 3D traffic sign model, which is in turn used to enhance the previously mentioned color-based detector through a feedback loop, thus improving detection accuracy. The proposed solution has been tested with real sequences under several illumination conditions and in both urban areas and highways, achieving very high detection rates in challenging environments, including rapid motion and significant perspective distortion