Inférence statique et par contraintes des relations de composition dans des programmes Java

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Conventional and Reciprocal Approaches to the Forward and Inverse Problems of Electroencephalography

Le problème inverse en électroencéphalographie (EEG) est la localisation de sources de courant dans le cerveau utilisant les potentiels de surface sur le cuir chevelu générés par ces sources. Une solution inverse implique typiquement de multiples calculs de potentiels de surface sur le cuir chevelu, soit le problème direct en EEG. Pour résoudre le problème direct, des modèles sont requis à la fois pour la configuration de source sous-jacente, soit le modèle de source, et pour les tissues environnants, soit le modèle de la tête. Cette thèse traite deux approches bien distinctes pour la résolution du problème direct et inverse en EEG en utilisant la méthode des éléments de frontières (BEM): l’approche conventionnelle et l’approche réciproque. L’approche conventionnelle pour le problème direct comporte le calcul des potentiels de surface en partant de sources de courant dipolaires. D’un autre côté, l’approche réciproque détermine d’abord le champ électrique aux sites des sources dipolaires quand les électrodes de surfaces sont utilisées pour injecter et retirer un courant unitaire. Le produit scalaire de ce champ électrique avec les sources dipolaires donne ensuite les potentiels de surface. L’approche réciproque promet un nombre d’avantages par rapport à l’approche conventionnelle dont la possibilité d’augmenter la précision des potentiels de surface et de réduire les exigences informatiques pour les solutions inverses. Dans cette thèse, les équations BEM pour les approches conventionnelle et réciproque sont développées en utilisant une formulation courante, la méthode des résidus pondérés. La réalisation numérique des deux approches pour le problème direct est décrite pour un seul modèle de source dipolaire. Un modèle de tête de trois sphères concentriques pour lequel des solutions analytiques sont disponibles est utilisé. Les potentiels de surfaces sont calculés aux centroïdes ou aux sommets des éléments de discrétisation BEM utilisés. La performance des approches conventionnelle et réciproque pour le problème direct est évaluée pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable et deux valeurs très différentes pour la conductivité du crâne. On détermine ensuite si les avantages potentiels de l’approche réciproquesuggérés par les simulations du problème direct peuvent êtres exploités pour donner des solutions inverses plus précises. Des solutions inverses à un seul dipôle sont obtenues en utilisant la minimisation par méthode du simplexe pour à la fois l’approche conventionnelle et réciproque, chacun avec des versions aux centroïdes et aux sommets. Encore une fois, les simulations numériques sont effectuées sur un modèle à trois sphères concentriques pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable. La précision des solutions inverses des deux approches est comparée pour les deux conductivités différentes du crâne, et leurs sensibilités relatives aux erreurs de conductivité du crâne et au bruit sont évaluées. Tandis que l’approche conventionnelle aux sommets donne les solutions directes les plus précises pour une conductivité du crâne supposément plus réaliste, les deux approches, conventionnelle et réciproque, produisent de grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu pour des dipôles très excentriques. Les approches réciproques produisent le moins de variations en précision des solutions directes pour différentes valeurs de conductivité du crâne. En termes de solutions inverses pour un seul dipôle, les approches conventionnelle et réciproque sont de précision semblable. Les erreurs de localisation sont petites, même pour des dipôles très excentriques qui produisent des grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu, à cause de la nature non linéaire des solutions inverses pour un dipôle. Les deux approches se sont démontrées également robustes aux erreurs de conductivité du crâne quand du bruit est présent. Finalement, un modèle plus réaliste de la tête est obtenu en utilisant des images par resonace magnétique (IRM) à partir desquelles les surfaces du cuir chevelu, du crâne et du cerveau/liquide céphalorachidien (LCR) sont extraites. Les deux approches sont validées sur ce type de modèle en utilisant des véritables potentiels évoqués somatosensoriels enregistrés à la suite de stimulation du nerf médian chez des sujets sains. La précision des solutions inverses pour les approches conventionnelle et réciproque et leurs variantes, en les comparant à des sites anatomiques connus sur IRM, est encore une fois évaluée pour les deux conductivités différentes du crâne. Leurs avantages et inconvénients incluant leurs exigences informatiques sont également évalués. Encore une fois, les approches conventionnelle et réciproque produisent des petites erreurs de position dipolaire. En effet, les erreurs de position pour des solutions inverses à un seul dipôle sont robustes de manière inhérente au manque de précision dans les solutions directes, mais dépendent de l’activité superposée d’autres sources neurales. Contrairement aux attentes, les approches réciproques n’améliorent pas la précision des positions dipolaires comparativement aux approches conventionnelles. Cependant, des exigences informatiques réduites en temps et en espace sont les avantages principaux des approches réciproques. Ce type de localisation est potentiellement utile dans la planification d’interventions neurochirurgicales, par exemple, chez des patients souffrant d’épilepsie focale réfractaire qui ont souvent déjà fait un EEG et IRM.

Utilisation d’un modèle de co-culture cellulaire pour l’évaluation in vitro du transport inverse du cholestérol

De nouveaux modèles cellulaires in vitro par transfert de milieu et par coculture ont été mis au point afin d’évaluer la capacité des HDL à éliminer l’excès de cholestérol des tissus périphériques et de le transporter vers le foie afin d’être excrété par le foie, un processus nommé le transport inverse du cholestérol (TIC). Le système cellulaire par transfert in vitro où des macrophages J774 sont gorgés de LDL acétylées et marqués au 3H-cholestérol a été préalablement établi afin de mesurer par scintillation l’efflux de cholestérol marqué vers le milieu de culture contenant des accepteurs de cholestérol. Ce milieu conditionné est transféré sur des cellules HepG2 afin d’étudier l’influx du cholestérol marqué. Ce dernier nous permet d’observer un transport de cholestérol de 25 % hors des J774 et un transport de 39 000 cpm dans les HepG2 en utilisant un milieu contenant 2 % de sérums humains mis en commun. Une stimulation des cellules J774 par l’AMPc augmente l’efflux et l’influx d’environ 45 %. Des tests de preuve de concept ont été effectués sur le système cellulaire par co-culture qui utilise des chambres de Boyden où les J774 sont localisées au fond d’un puits et les HepG2 dans un insert, et où le milieu est partagé entre les deux types cellulaires. On a déterminé qu’une confluence densité de 60 000 cellules/cm2 sur un insert constitué d’une membrane de polyester avec des pores de 3,0 μm, sans autre revêtement, permet d’observer un influx spécifique au sérum d’environ 6 000 cpm associés aux cellules HepG2, où 50 % des comptes radioactifs sont dans les cellules et l’autre moitié présente à la surface cellulaire.

Utilisation d’un modèle de co-culture cellulaire pour l’évaluation in vitro du transport inverse du cholestérol

De nouveaux modèles cellulaires in vitro par transfert de milieu et par coculture ont été mis au point afin d’évaluer la capacité des HDL à éliminer l’excès de cholestérol des tissus périphériques et de le transporter vers le foie afin d’être excrété par le foie, un processus nommé le transport inverse du cholestérol (TIC). Le système cellulaire par transfert in vitro où des macrophages J774 sont gorgés de LDL acétylées et marqués au 3H-cholestérol a été préalablement établi afin de mesurer par scintillation l’efflux de cholestérol marqué vers le milieu de culture contenant des accepteurs de cholestérol. Ce milieu conditionné est transféré sur des cellules HepG2 afin d’étudier l’influx du cholestérol marqué. Ce dernier nous permet d’observer un transport de cholestérol de 25 % hors des J774 et un transport de 39 000 cpm dans les HepG2 en utilisant un milieu contenant 2 % de sérums humains mis en commun. Une stimulation des cellules J774 par l’AMPc augmente l’efflux et l’influx d’environ 45 %. Des tests de preuve de concept ont été effectués sur le système cellulaire par co-culture qui utilise des chambres de Boyden où les J774 sont localisées au fond d’un puits et les HepG2 dans un insert, et où le milieu est partagé entre les deux types cellulaires. On a déterminé qu’une confluence densité de 60 000 cellules/cm2 sur un insert constitué d’une membrane de polyester avec des pores de 3,0 μm, sans autre revêtement, permet d’observer un influx spécifique au sérum d’environ 6 000 cpm associés aux cellules HepG2, où 50 % des comptes radioactifs sont dans les cellules et l’autre moitié présente à la surface cellulaire.

Inverse analysis FOR two-dimensional structures using the boundary element method

Inverse analysis is currently an important subject of study in several fields of science and engineering. The identification of physical and geometric parameters using experimental measurements is required in many applications. In this work a boundary element formulation to identify boundary and interface values as well as material properties is proposed. In particular the proposed formulation is dedicated to identifying material parameters when a cohesive crack model is assumed for 2D problems. A computer code is developed and implemented using the BEM multi-region technique and regularisation methods to perform the inverse analysis. Several examples are shown to demonstrate the efficiency of the proposed model. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved,

Leak detection by inverse transient analysis in an experimental PVC pipe system

Leakage reduction in water supply systems and distribution networks has been an increasingly important issue in the water industry since leaks and ruptures result in major physical and economic losses. Hydraulic transient solvers can be used in the system operational diagnosis, namely for leak detection purposes, due to their capability to describe the dynamic behaviour of the systems and to provide substantial amounts of data. In this research work, the association of hydraulic transient analysis with an optimisation model, through inverse transient analysis (ITA), has been used for leak detection and its location in an experimental facility containing PVC pipes. Observed transient pressure data have been used for testing ITA. A key factor for the success of the leak detection technique used is the accurate calibration of the transient solver, namely adequate boundary conditions and the description of energy dissipation effects since PVC pipes are characterised by a viscoelastic mechanical response. Results have shown that leaks were located with an accuracy between 4-15% of the total length of the pipeline, depending on the discretisation of the system model.

A simple and effective inverse projection scheme for void distribution control in topology optimization

The ability to control both the minimum size of holes and the minimum size of structural members are essential requirements in the topology optimization design process for manufacturing. This paper addresses both requirements by means of a unified approach involving mesh-independent projection techniques. An inverse projection is developed to control the minimum hole size while a standard direct projection scheme is used to control the minimum length of structural members. In addition, a heuristic scheme combining both contrasting requirements simultaneously is discussed. Two topology optimization implementations are contributed: one in which the projection (either inverse or direct) is used at each iteration; and the other in which a two-phase scheme is explored. In the first phase, the compliance minimization is carried out without any projection until convergence. In the second phase, the chosen projection scheme is applied iteratively until a solution is obtained while satisfying either the minimum member size or minimum hole size. Examples demonstrate the various features of the projection-based techniques presented.

Inverse aerodynamic design applications using the MGM hybrid formulation

The well-known modified Garabedian-Mcfadden (MGM) method is an attractive alternative for aerodynamic inverse design, for its simplicity and effectiveness (P. Garabedian and G. Mcfadden, Design of supercritical swept wings, AIAA J. 20(3) (1982), 289-291; J.B. Malone, J. Vadyak, and L.N. Sankar, Inverse aerodynamic design method for aircraft components, J. Aircraft 24(2) (1987), 8-9; Santos, A hybrid optimization method for aerodynamic design of lifting surfaces, PhD Thesis, Georgia Institute of Technology, 1993). Owing to these characteristics, the method has been the subject of several authors over the years (G.S. Dulikravich and D.P. Baker, Aerodynamic shape inverse design using a Fourier series method, in AIAA paper 99-0185, AIAA Aerospace Sciences Meeting, Reno, NV, January 1999; D.H. Silva and L.N. Sankar, An inverse method for the design of transonic wings, in 1992 Aerospace Design Conference, No. 92-1025 in proceedings, AIAA, Irvine, CA, February 1992, 1-11; W. Bartelheimer, An Improved Integral Equation Method for the Design of Transonic Airfoils and Wings, AIAA Inc., 1995). More recently, a hybrid formulation and a multi-point algorithm were developed on the basis of the original MGM. This article discusses applications of those latest developments for airfoil and wing design. The test cases focus on wing-body aerodynamic interference and shock wave removal applications. The DLR-F6 geometry is picked as the baseline for the analysis.

The generalized inverse Weibull distribution

The inverse Weibull distribution has the ability to model failure rates which are quite common in reliability and biological studies. A three-parameter generalized inverse Weibull distribution with decreasing and unimodal failure rate is introduced and studied. We provide a comprehensive treatment of the mathematical properties of the new distribution including expressions for the moment generating function and the rth generalized moment. The mixture model of two generalized inverse Weibull distributions is investigated. The identifiability property of the mixture model is demonstrated. For the first time, we propose a location-scale regression model based on the log-generalized inverse Weibull distribution for modeling lifetime data. In addition, we develop some diagnostic tools for sensitivity analysis. Two applications of real data are given to illustrate the potentiality of the proposed regression model.

A hybrid, inverse approach to the design of magnetic resonance imaging magnets

This paper describes a hybrid numerical method of an inverse approach to the design of compact magnetic resonance imaging magnets. The problem is formulated as a field synthesis and the desired current density on the surface of a cylinder is first calculated by solving a Fredholm equation of the first, kind. Nonlinear optimization methods are then invoked to fit practical magnet coils to the desired current density. The field calculations are performed using a semi-analytical method. The emphasis of this work is on the optimal design of short MRI magnets. Details of the hybrid numerical model are presented, and the model is used to investigate compact, symmetric MRI magnets as well as asymmetric magnets. The results highlight that the method can be used to obtain a compact MRI magnet structure and a very homogeneous magnetic field over the central imaging volume in clinical systems of approximately 1 m in length, significantly shorter than current designs. Viable asymmetric magnet designs, in which the edge of the homogeneous region is very close to one end of the magnet system are also presented. Unshielded designs are the focus of this work. This method is flexible and may be applied to magnets of other geometries. (C) 2000 American Association of Physicists in Medicine. [S0094-2405(00)00303-5].

A time-harmonic inverse methodology for the design of RF coils in MRI

An inverse methodology is described to assist in the design of radio-frequency (RF) coils for magnetic resonance imaging (MRI) applications. The time-harmonic electromagnetic Green's functions are used to calculate current on the coil and shield cylinders that will generate a specified internal magnetic field. Stream function techniques and the method of moments are then used to implement this theoretical current density into an RF coil. A novel asymmetric coil operating for a 4.5 T MRI machine was designed and constructed using this methodology and the results are presented.

QUADRANT-SEARCHING: A NEW TECHNIQUE TO REDUCE THE SEARCH SPACE OF THE INVERSE PROBLEM OF EIT USING BEM TO THE DIRECT PROBLEM

The image reconstruction using the EIT (Electrical Impedance Tomography) technique is a nonlinear and ill-posed inverse problem which demands a powerful direct or iterative method. A typical approach for solving the problem is to minimize an error functional using an iterative method. In this case, an initial solution close enough to the global minimum is mandatory to ensure the convergence to the correct minimum in an appropriate time interval. The aim of this paper is to present a new, simple and low cost technique (quadrant-searching) to reduce the search space and consequently to obtain an initial solution of the inverse problem of EIT. This technique calculates the error functional for four different contrast distributions placing a large prospective inclusion in the four quadrants of the domain. Comparing the four values of the error functional it is possible to get conclusions about the internal electric contrast. For this purpose, initially we performed tests to assess the accuracy of the BEM (Boundary Element Method) when applied to the direct problem of the EIT and to verify the behavior of error functional surface in the search space. Finally, numerical tests have been performed to verify the new technique.

Prediction of impact forces in a vibratory ball mill using an inverse technique

To understand the dynamic mechanisms of the mechanical milling process in a vibratory mill, it is necessary to determine the characteristics of the impact forces associated with the collision events. However, it is difficult to directly measure the impact force in an operating mill. This paper describes an inverse technique for the prediction of impact forces from acceleration measurements on a vibratory ball mill. The characteristics of the vibratory mill have been investigated by the modal testing technique, and its system modes have been identified. In the modelling of the system vibration response to the impact forces, two modal equations have been used to describe the modal responses. The superposition of the modal responses gives rise to the total response of the system. A method based on an optimisation approach has been developed to predict the impact forces by minimising the difference between the measured acceleration of the vibratory ball mill and the predicted acceleration from the solution of the modal equations. The predicted and measured impact forces are in good agreement. Copyright (C) 1996 Elsevier Science Ltd.

Inverse relationship between markers of nitric oxide formation and plasma matrix metalloproteinase-9 levels in healthy volunteers

Background: Nitric oxide (NO) is a major regulator of cardiovascular homeostasis and has anti-atherogenic properties. Reduced NO formation is associated with endothelial dysfunction and with cardiovascular risk factors. Although NO downregulates the expression and activity of the pro-atherogenic enzyme matrix metalloproteinase-9 (MMP-9), no previous clinical study has examined whether endogenous NO formation is inversely associated with the circulating levels of pro-MMP-9, which are associated with cardiovascular events. We examined this hypothesis in 175 healthy male subjects who were non-smokers. Methods: To assess NO bioavailability, the plasma concentrations of nitrite, nitrate, and cGMP were determined using an ozone-based chemiluminescence assay and an enzyme immunoassay. Pro-MMP-9 and pro-MMP-2 levels were measured in plasma samples by gelatin zymography. Results: We found significant negative correlations between pro-MMP-9 levels and plasma nitrite (P=0.035, rs=-0.159), nitrate (P=0.040, rs=-0.158), and cGMP (P=0.011, rs=-0.189) concentrations. However, no significant correlations were found between pro-MMP-2 levels and the plasma concentrations of markers of NO bioavailability (all P>0.05). Conclusions: There is an inverse relationship between markers of NO formation and plasma MMP-9 levels. This finding may shed some light on the possible mechanisms involved in the increased cardiovascular risk of apparently healthy subjects with low NO bioavailability or high circulating levels of pro-MMP-9. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.