• Rural Digital Europe
• 2013-2022close
• Doctoral thesis close
• Rural Digital Europe close

Mestrado em Engenharia de Computadores e Telemática Submitted by Patrícia Correia (patriciacorreia@ua.pt) on 2015-09-23T09:14:17Z No. of bitstreams: 1 NSCL na Plataforma ETSI M2M.pdf: 3208173 bytes, checksum: 5e6e18694ed004b2f9f1b860879c8619 (MD5) Made available in DSpace on 2015-09-23T09:14:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 NSCL na Plataforma ETSI M2M.pdf: 3208173 bytes, checksum: 5e6e18694ed004b2f9f1b860879c8619 (MD5) Previous issue date: 2014

Recent developments in robot technology have contributed to the advancement of autonomous behaviours in human-robot systems; for example, in following instructions received from an interacting human partner. Nevertheless, increasingly many systems are moving towards more seamless forms of interaction, where factors such as implicit trust and persuasion between humans and robots are brought to the fore. In this context, the problem of attaining, through suitable computational models and algorithms, more complex strategic behaviours that can influence human decisions and actions during an interaction, remains largely open. To address this issue, this thesis introduces the problem of decision shaping in strategic interactions between humans and robots, where a robot seeks to lead, without however forcing, an interacting human partner to a particular state. Our approach to this problem is based on a combination of statistical modeling and synthesis of demonstrated behaviours, which enables robots to efficiently adapt to novel interacting agents. We primarily focus on interactions between autonomous and teleoperated (i.e. human-controlled) NAO humanoid robots, using the adversarial soccer penalty shooting game as an illustrative example. We begin by describing the various challenges that a robot operating in such complex interactive environments is likely to face. Then, we introduce a procedure through which composable strategy templates can be learned from provided human demonstrations of interactive behaviours. We subsequently present our primary contribution to the shaping problem, a Bayesian learning framework that empirically models and predicts the responses of an interacting agent, and computes action strategies that are likely to influence that agent towards a desired goal. We then address the related issue of factors affecting human decisions in these interactive strategic environments, such as the availability of perceptual information for the human operator. Finally, we describe an information processing algorithm, based on the Orient motion capture platform, which serves to facilitate direct (as opposed to teleoperation-mediated) strategic interactions between humans and robots. Our experiments introduce and evaluate a wide range of novel autonomous behaviours, where robots are shown to (learn to) influence a variety of interacting agents, ranging from other simple autonomous agents, to robots controlled by experienced human subjects. These results demonstrate the benefits of strategic reasoning in human-robot interaction, and constitute an important step towards realistic, practical applications, where robots are expected to be not just passive agents, but active, influencing participants.

At the heart of the smart space vision is the idea that devices interoperate with each other autonomously to assist people in their everyday activities. In order to make this vision a reality, it is important to achieve semantic-level interoperability between devices. The goal of this dissertation is to enable Semantic Web technology-based interoperability in smart spaces. There are many challenges that need to be solved before this goal can be achieved. In this dissertation, the focus has been on the following four challenges: The first challenge is that the Semantic Web technologies have neither been designed for sharing real-time data nor large packets of data such as video and audio files. This makes it challenging to apply them in smart spaces, where it is typical that devices produce and consume this type of data. The second challenge is the verbose syntax and encoding formats of Semantic Web technologies that make it difficult to utilise them in resource-constrained devices and networks. The third challenge is the heterogeneity of smart space communication technologies that makes it difficult to achieve interoperability even at the connectivity level. The fourth challenge is to provide users with simple means to interact with and configure smart spaces where device interoperability is based on Semantic Web technologies. Even though autonomous operation of devices is a core idea in smart spaces, this is still important in order to achieve successful end-user adoption. The main result of this dissertation is a semantic interoperability framework, which consists of following individual contributions: 1) a semantic-level interoperability architecture for smart spaces, 2) a knowledge sharing protocol for resource-constrained devices and networks, and 3) an approach to configuring Semantic Web-based smart spaces. The architecture, protocol and smart space configuration approach are evaluated with several reference implementations of the framework components and proof-of-concept smart spaces that are also key contributions of this dissertation.

Since the end of the 19th century, the mining area of Gafsa (south-west Tunisia) has specialized in the single-activity extraction and enrichment of phosphate for reasons of economic profits. With these exports, this area has suffered an intense degradation of soil resources, vegetation cover and an advanced deterioration of agricultural areas. The management of the mining infrastructure has failed to meet environmental standards, causing social and spatial inequalities and increasing the level of environmental risks.The mining activity was at the origin of the birth and genesis of the mining towns in the Basin of Gafsa (BMG). The formation of spontaneous cities has caused the disarticulation of the urbanization. Urban extensions, including the expansion of anarchic cities, extending to laundries and to mines, thus created conflicts with the phosphatier domain. All these factors make costly and complicated attempts at development and rehabilitation that mining companies do not dare to commit.Taking into account the complexity of the many social, spatial and environmental aspects of the BMG, we used both the classical geographical approach and the geomatics approach that seemed appropriate for better decision-making. The interest of this latter approach makes it possible to identify, analyze, and model the state of the sites, the urban and environmental mutations in relation to the spatial-mining growth.; Depuis la fin du 19ème siècle, l’espace minier de Gafsa (Sud-Ouest de Tunisie) s’est spécialisé dans la mono-activité de l’extraction et l’enrichissement du phosphate pour des raisons de profits économiques certains. Avec ces exportations, l’espace a subi une dégradation intense des ressources du sol, de la couverture végétale et une détérioration avancée des zones agricoles. La gestion des infrastructures minières n’a pas su répondre aux normes environnementales et a provoqué ainsi des inégalités sociales et spatiales et a accentué le niveau des risques environnementaux.L’activité minière a été à l’origine de la naissance et de la genèse des villes minières dans le Bassin Minier de Gafsa (BMG). La formation de cités spontanées a provoqué la désarticulation du tissu urbain. Les extensions urbaines notamment l’expansion des quartiers anarchiques, s’étendant vers les laveries et vers les mines, ont créé ainsi des conflits avec le domaine phosphatier. Tenant compte de la complexité des multiples aspects sociaux, spatiaux et environnementaux du BMG, nous avons utilisé à la fois l’approche géographique classique et l’approche géomatique qui nous a semblé appropriée pour aider à la prise de décision. L’intérêt de cette dernière approche permet d’identifier, d’analyser, et de modéliser l’état des lieux, les mutations urbaines et environnementales en relation avec la croissance spatiale-minière. Les principaux résultats permettent d’avoir une banque de données statistiques et cartographiques, à différentes échelles, pour une vision synthétique et une meilleure compréhension du BMG et de réaliser un modèle d’aide à la décision.

La paralysie cérébrale (PC) spastique est une pathologie qui touche près d’un enfant sur 500 à la naissance. Cette pathologie crée de nombreux problèmes moteurs notamment lors de la marche comme des mouvements involontaires due à une hypertonie musculaire appelée aussi spasticité. Chaque paralysie cérébrale a sa propre sévérité mesurée par différentes échelles. Actuellement, très peu d’aides motrices sont disponibles pour les enfants, le marché des assistances robotisées se focalisant principalement sur les adultes (anthropométrie constante et pathologie peu évolutive).L’objectif du projet EXOKID, dont cette thèse est issue, est donc de permettre à davantage d’enfants atteints de paralysie cérébrale d’avoir accès à un système robotisé à anthropométrie adaptée. Ce système doit pouvoir évoluer en fonction de leur croissance et de l’évolution de leur pathologie afin d’améliorer leur marche tant dans un contexte de rééducation au sein de structures adaptées que dans leur mobilité quotidienne.L’enfant, atteint de cette paralysie cérébrale, doit être pris en charge le plus tôt possible. Le but est de permettre à ce que l’enfant apprenne à marcher : en effet, la plasticité cérébrale des enfants est plus importante que celle des adultes et permet potentiellement à l’enfant d’apprendre rapidement, malgré d’éventuelles lésions cérébrales.Deux sœurs jumelles, dont l’une est atteinte de PC spastique, ont été étudiées. Cette gémellité nous a permis d’avoir des anthropométries proches et d’utiliser les données de la jumelle saine comme référence pour améliorer la marche spastique de sa sœur.Cette thèse s’articule ainsi autour de deux grands champs : la biomécanique et la robotique. Une étude de l’impact de paralysie cérébrale spastique sur la marche humaine a été réalisée. Cette étude a été suivie par une modélisation de la marche spastique et de l’interaction entre un enfant atteint de PC spastique et un exosquelette dans le but d’améliorer la cinématique de l’enfant.Cette thèse a abouti à la modélisation personnalisée d’une marche spastique ainsi que d’un premier contrôle de cette marche, par le biais d’une interaction exosquelette-humain, afin de la faire converger vers une marche plus saine. Spastic cerebral palsy is a pathology that affects nearly one child in 500 at birth.This pathology creates numerous motor problems, particularly when walking, suchas involuntary movements due to muscular hypertonia, also called spasticity. Eachcerebral palsy has its own severity measured by different scales. Currently, very fewmotor aids are available for children, as the market for robotic aids focuses mainlyon adults (constant anthropometry and pathology that does not evolve much). Theobjective of the EXOKID project, from which this thesis stems, is therefore to allowmore children with cerebral palsy to have access to a robotic system with adaptedanthropometry. This system must be able to evolve according to their growth andthe evolution of their pathology in order to improve their walking both in the contextof rehabilitation within adapted structures and in their daily mobility. The child,suffering from this cerebral palsy, must be taken in charge as soon as possible. Theaim is to enable the child to learn to walk : indeed, the cerebral plasticity of childrenis more important than that of adults and potentially allows the child to learnquickly, despite possible cerebral lesions.Two twin sisters, one of whom has spastic PC, were studied. This twinhood allowedus to have close anthropometries and to use the data of the healthy twin as areference to improve the spastic gait of her sister. This thesis is thus articulatedaround two main fields : biomechanics and robotics. A study of the impact of spasticcerebral palsy on human walking was carried out. This study was followed by amodelling of a spastic walking and the interaction between a child suffering fromspastic cerebral palsy and an exoskeleton with the aim of improving the child’skinematics. This thesis resulted in the personalised modelling of a spastic gait anda first control of this gait, through an exoskeleton-human interaction, in order tomake it converge towards a healthier gait.

Since its founding as a social welfare state, India has been meandering through “a life of contradictions” when it comes to social and economic equality. A potent indicator of this reality is the state of food and nutrition security across the country. India’s meager progress comes on the heels of rapid economic growth over the last two decades and a slew of public programs have attempted to address the multi-faceted nature of food and nutrition security. These efforts have included subsidized grains for households through the Targeted Public Distribution System (TPDS), village health, nutrition and education programming through the Integrated Child Development Services (ICDS), and Nutrition Rehabilitation Centers (NRCs) to treat cases of severe acute malnutrition (SAM). Though these programs have been scaled across the country, numerous governance challenges and institutional failures have persisted. The latest development in India’s food and nutrition policy landscape is the National Food Security Act (hereafter referred to as the Act) of 2013, which leverages existing national programs, including the TPDS and ICDS, to grant legal entitlements to nearly 70% of the total population. This Act was the fruit of a rights-based movement in India that demanded for over a decade to codify social and economic rights. However, the question arises as to whether this new Act been able to achieve its goal to ensure food and nutrition security by strengthening the governance of these programs? This is the central question of the present thesis. This thesis investigates how the Act has reformed the implementation of food and nutrition programs in the states of Jharkhand, Madhya Pradesh and the capital of New Delhi. The four key objectives of this study are to investigate 1) what changes are prescribed by the Act; 2) how effective these reforms have been in addressing persistent governance challenges; 3) what challenges remain and why; and 4) what strategies could be used to address these gaps. A qualitative case study approach was applied, which involved the following data collection methods: key informant and in-depth interviews, focus group discussions, participant observation, matrix ranking and process net-mapping, an innovative participatory tool that maps complex institutional processes and actors. This thesis is comprised of nine chapters. The first chapter introduces the puzzle of India’s nutritional status and explores why government efforts to tackle this problem have had tepid results. The second chapter presents the conceptual framework that defines governance challenges and an institutional framework of demand and supply side factors that contribute to effective policy and programming. Chapters three and four present an overview of the TPDS, ICDS and NRCs, and review the existing literature on the governance issues of these programs. Chapter 5 lays out the study design, methods and ethical protocols. Chapters six through eight explore each of the three programs and present key findings across the selected study sites. The last chapter presents cross-cutting conclusions for these programs in the wake of the Act and proposes a way forward to address institutional gaps in tackling food and nutrition security. Seit der Gründung des Wohlfahrtsstaates erlebt Indien eine Reihe von Widersprüchen, was die soziale und wirtschaftliche Gerechtigkeit des Landes angeht. Ein aussagekräftiger Indikator dieser Realität ist der Stand der Ernährungsicherheit im Land. Indiens dürftiger Fortschritt in der Ernährungssicherung folgt einer zwei Jahrzehnte andauernden Periode rasantem Wirtschaftswachstum, sowie einer Reihe von öffentlichen Programmen, die versuchen, die vielschichtigen Aspekte von Ernährung zu adressieren. Zu diesen Bemühungen gehören subventioniertes Getreide für Haushalte durch das gezielte öffentliche Vergabesystem TPDS, dörfliche Gesundheits-, Ernährungs- und Bildungsprogramme durch die Integrierten Dienstleistungen zur Entwicklung von Kindern ICDS und Rehabilitierungszentren für Fälle von schwerer akuter Mangelernährung (NRCs). Obwohl diese Programme auf ganz Indien ausgeweitet wurden, bestehen weiterhin institutionelle Mängel sowie zahlreiche Governance-Herausforderungen. Die jüngste Entwicklung in der Indischen Ernährungspolitik ist das Gesetz zur nationalen Ernährungssicherheit NFSA aus dem Jahr 2013. Das NFSA nutzt zwei bestehende nationale Programme, TPDS und ICDS, um fast 70% der Bevölkerung Rechtsansprüche zu gewähren. Dieses Gesetz war das Ergebnis einer größeren rechtebasierten Bewegung in Indien, die seit über einem Jahrzehnt das Ziel hat, soziale und wirtschaftliche Rechte zu kodifizieren. Es stellt sich die Frage, ob dieses neue Gesetz es ermöglicht hat, durch eine Stärkung der Governance der bestehenden Programme einen Lebenszyklusansatz in der Ernährungssicherung zu etablieren. Diese Doktorarbeit verwendet einen Ansatz vergleichender Fallstudien, um zu untersuchen, wie das NFSA die Umsetzung der Ernährungsprogramme in den Staaten Jharkhand, Madhya Pradesh und der Hauptstadt Neu Delhi reformiert hat. Die vier Hauptziele der Dissertation sind: 1) die Änderungen, die durch das NFSA vorgeschrieben wurden, zu beschreiben 2) die Effektivität dieser Reformen bei der Bewältigung von Governance-Herausforderungen zu erklären, 3) die weiterhin bestehenden Governanceprobleme und Gründe dafür zu erklären, und 4) Strategien zu erarbeiten, die zur Behebung dieser Defizite beitragen können. Diese vier Aspekte wurden untersucht mittels Befragung von Schlüsselpersonen, Tiefeninterviews, Fokusgruppendiskussionen, teilnehmender Beobachtung, Matrix-Ranking und Prozessnetzkartierung (process net-mapping), ein innovatives und partizipatives Instrument, das komplexe institutionelle Prozesse und Akteure abbildet. Die vorliegende Doktorarbeit besteht aus neun Kapiteln. Das erste Kapitel gibt eine Einleitung in die Rätselhaftigkeit der Ernährungslage in Indien, und warum staatliche Bemühungen dieses Problem anzugehen, nur dürftige Ergebnisse erzielt haben. Das zweite Kapitel stellt einen konzeptionellen Rahmen bezüglich Governance-Herausforderungen und einen institutionellen Rahmen bezüglich Nachfrage- und Angebotsfaktoren, die zu wirkungsvollen Politikmaßnahmen und Programmgestaltung beitragen, dar. Kapitel drei und vier geben einen Überblick über TPDS, ICDS und NRCs, und über die bestehende Literatur bezüglich der Governance-Herausforderungen dieser drei Programme. Kapitel fünf beschreibt das Studiendesign, die angewandten Methoden und die Forschungsprotokolle. Kapitel sechs bis acht untersuchen jeweils eins der drei Programme und erklären Schlüsselergebnisse über die drei ausgewählten Untersuchungsstandorte hinweg. Die Dissertation schließt mit einer übergreifenden Zusammenfassung für diese Programme vor dem Hintergrund des neuen Gesetzes und gibt wegweisende Vorschläge wie man diese institutionellen Defizite zur Verbesserung der Ernährungssicherheit adressiert.

This work seeks to mitigate the effects of constraints on mobile robotic systems. To this end, auxiliary control loops and robust tuning techniques are proposed. The former are proposed to mitigate the effects of constraints on the input and output of the systems through the modification of the motion parameter in path following applications.Then, PID controllers are considered as a structural constraint, given its wide use in robotics particularly at low control level. A robust tuning methodology considering this constraint is proposed which achieves good performancelevels even when facing disturbances. Finally, to deal with robustness in presence of robots nonlinearity constraints, an analysis and tuning tool for sliding mode controllers is proposed. The particularity of this tuning method, based on global optimization and interval techniques,is that it allows generating tuning maps of the parameter regions where the desired performance criterion is fulfilled. All the proposed strategies are put into practice, through real experimentation or invalidated simulators, over the AUV Ciscrea available at ENSTA Bretagne.; Ce travail vise à atténuer les effets des contraintes sur les systèmes robotiques mobiles. À cette fin, des structures de commande auxiliaire et des techniques de réglage robuste sont proposées. Les structures sont proposées dans le cadre du suivi de chemin pour atténuer les effets des contraintes sur les entrées et les sorties des systèmes. Ensuite, étant donnée leur utilisation répandue en robotique, les contrôleurs de type PID sont considérés comme une contrainte structurelle. Une méthode de réglage robuste, tenant compte de cette contrainte, est proposée permettant d’atteindre de bons niveaux de performance même en présence de perturbations. Enfin, pour faire face à la robustesse en présence des contraintes de non-linéarité sur robots, un outil d’analyse et de réglage pour les contrôleurs de mode glissant est proposé. La particularité de cette méthode de réglage, basée sur des techniques d’optimisation globale et de calculs par intervalles, est qu’elle permet de générer des cartographies de réglage des paramètres pour lesquels le critère de performance souhaité est rempli.Toutes les stratégies proposées sont mises en pratique par des expérimentations réelles ou sur des simulateurs validés (AUV Ciscrea disponible à l’ENSTA Bretagne).

Seed reserves are the primary source of mineral nutrients for early seedling development. ?Nutrient seed priming? is a technique in which seeds are soaked in nutrient solution and subsequently dried back to initial moisture content for storage. It is an efficient approach to increase seed nutrient contents along with priming effects to improve seed quality, germination speed and seedling establishment. Various abiotic stresses, such as sub-optimal temperature, drought, submergence and soil pH extremes can seriously affect seedling establishment and nutrient acquisition at early growth stages. This thesis focused on the role and contribution of nutrient seed priming in plant growth and nutritional status in maize and soybean under conditions of limited nutrient availability and low root-zone temperature. Protocols for nutrient seed priming with Zn, Mn, Zn+Mn, B and P were optimised for application in maize and soybean seeds (B and P priming in maize only). Optimum priming durations of 24 h (maize) and 12 h (soybean) were identified for both plant species but in instead of submerging seeds in priming solutions slow imbibition between filter papers was essential for soybean to minimise development of abnormal seedlings to avoid imbibition damage. Nutrient concentrations were calculated according to water uptake to double the natural seed reserves of the respective micronutrients and 50% increase in phosphorus. However, final uptake of the micronutrients was generally much higher (+500-1000%) while it was lower for P (+20%). In case of soybean this could be attributed to a high Zn and Mn binding capacity of the seed coat, which adsorbed up to 60% of the primed nutrients. Particularly, Zn and Zn+Mn priming stimulated plant growth in hydroponic culture systems and to a lower extent also on a soil with low availability of P, Zn and Fe. This was associated with a high shoot translocation of the primed nutrients (Zn and Mn), which was most expressed in the hydroponic culture system. Combined priming treatments with Zn and Mn were usually less effective than Zn priming alone, suggesting an antagonistic interaction. By contrast, mobility of primed B was extremely low and B priming was completely ineffective. In soil culture also P priming moderately increased shoot biomass production by 10-20 %. However the efficiency of P priming was largely limited by the high P demand of the plants. Low root zone temperature (RZT) at early spring is a limiting factor for maize production in Central and Northern Europe. Nutrient acquisition, nutrient uptake and particularly root growth are severely affected at low RZT and the consequences of these growth depressions are often not completely compensated until final harvest. Model experiments in hydroponics and soil culture revealed that maize nutrient seed priming with Zn, Mn and Fe is a promising strategy to diminish the deficiency of specific nutrients, such as Zn, Mn and also P and to maintain plant growth under low RZT stress. This was mainly attributed to significantly increased root growth and particularly fine root production in plants grown from nutrient-primed seeds. Improved net photosynthesis of primed plants was mainly related with increased leaf area and preliminary results suggest a higher tolerance to oxidative damage due to increased production of protective phenolics. Two independent field experiments under conditions of suboptimal temperatures during germination and early growth revealed an increase in grain yield of 10 ? 15 % for plants derived from Zn+Mn and Fe primed seeds. This finding demonstrates long-lasting persistence of priming effects. The molecular and physiological mechanisms behind require further investigation. Samenreserven sind die primäre Quelle für die Mineralstoffversorgung während der frühen Keimlingsentwicklung. Nährstoffpriming ist ein methodischer Ansatz, bei dem Saatgut in Mineralstofflösungen vorgequollen und anschließend zur weiteren Lagerung auf Ausgangsfeuchte zurückgetrocknet wird. Hierdurch ist es möglich, neben vorquellungsbedingten Primingeffekten auch die Mineralstoffreserven zur Verbesserung der Saatgutqualität zu erhöhen sowie die Auflauf-Geschwindigkeit und die Keimlingsentwicklung zu verbessern, die durch verschiedenste Stressfaktoren, wie suboptimale Temperaturbedingungen, Trockenheit, Staunässe und pH-Extreme beeinträchtigt werden kann. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Wirkung von Nährstoffpriming auf das Wachstum und den Ernährungsstatus von Mais und Soja unter Bedingungen eingeschränkter Nährstoffverfügbarkeit und niedriger Wurzelraumtemperatur. Für die Saatgutapplikation von Zink (Zn), Mangan (Mn), Mn+Zn, Bor (B), Eisen (Fe) und Phosphat (P) bei Mais und Soja wurden Primingprotokolle entwickelt. Bei beiden Pflanzenarten ergab sich eine optimale Behandlungsdauer von 24 h. Jedoch war es notwendig, das Soja-Saatgut anstelle von submerser Inkubation in den Nährlösungen, langsam in Nährlösungsgetränktem Filterpapier einzuquellen, um die Entwicklung abnormaler Keimlinge aufgrund von Quellungsschäden zu vermeiden. Anhand der Wasseraufnahme der Keinlinge wurden die Nährlösungskonzentrationen so berechnet, das sich nach Einquellen eine Verdopplung der natürlichen Mineralstoffreserven im Samen ergeben sollte. Jedoch wurden für die Mikronährstoffe erheblich höhere Aufnahmeraten gemessen (+500 - 1000%), während die Aufnahme von P geringer war (+ 20%). Bei Soja konnte gezeigt werden, das die erhöhten Mikronährstoffgehalte auf eine hohe Bindungskapazität der Zwei unabhängige Feldversuche bei suboptimaler Temperatur während der Keimphase und des Jugendwachstums ergaben Kornertragssteigerungen von 10-15 % bei Mais nach Saatgutpriming mit Zn+Mn oder Fe. Diese Ergebnisse belegen die Langzeitwirkung der Primingeffekte. Die molekularen und physiologischen Grundlagen erfordern allerdings noch weitere Untersuchungen.

Industrielle Röntgendurchleuchtungsgeräte lassen sich für die Untersuchung verschiedenster Fragestellungen anwenden. Das Spektrum der Anwendbarkeit reicht von der hochauflösenden in vivo-Bildgebung von z. B. Glioblastomen, zerebralen Hirngefäßen, abdominellen und thorakalen Organen in der Maus, bis hin zur hoch-auflösenden Untersuchung von Objekten wie z. B. Stents, Zähnen, Insekten oder auch einzelner Organe ex vivo. Desweitern zeichnet das hier eingesetzte industrielle Röntgengerät die Möglichkeit zur Strahlentherapie von Tieren aus, was mit herkömmlichen speziellen Kleintier-Computertomographen nicht möglich ist. Ziel dieser Dissertation war zum einen die Etablierung eines Glioblastom-Maus-Modells und anschließend die Überprüfung der Anwendbarkeit eines Mikro-CT für die wiederholte bildgebende Darstellung der Hirntumoren vor und nach Strahlentherapie. Darüber hinaus wurde die Mikro-CT für die Evaluierung sowohl der Verschlussrate von Aneurysmen als auch der artefaktfreien Darstellung der verwendeten Materialien im Modellversuch getestet. Wir konnten in beiden von uns durchgeführten Studien die Mikro-CT erfolgreich zur Bildgebung anwenden. Zur Etablierung des Glioblastom-Maus-Modells wurde die gesamte OP-Methode zur Tumorzellimplantation in das Gehirn zunächst an toten Mäusen durchgeführt. Anstatt Zellen wurde eine äquivalente Menge an mit Kontrastmittel vermengter Methylcellulose des später geplanten Injektionsvolumens an Zellen in das Gehirn appliziert. Anschließend wurde zur Erfolgskontrolle eine Röntgenaufnahme im Mikro-CT angefertigt. Anhand der Aufnahmen konnten wir die genaue Lokalisation und Ausdehnung der applizierten Menge beurteilen und unsere OP-Methode gegebenenfalls optimieren. Erst nach verlässlicher Reproduzierbarkeit der OP wurden humane Zellen in vivo in die rechte Hemisphäre von insgesamt 27 NOD/SCID/yc-/- Mäusen injiziert. Zwei Wochen nach Xenotransplantation erfolgte eine erste kontrasmittelgestützte Untersuchung im Mikro-CT zur Tumordetektion. Bei negativem Befund wurde bei den Tieren wöchentlich eine weitere Mikro-CT durchgeführt. Tiere mit positivem Befund wurden je nach geplantem Versuch nicht therapiert (n=21) oder mittels Strahlentherapie (n=6) behandelt. Alle Tiere wurden im weiteren Verlauf wöchentlich bis zum Versuchsende im Mikro-CT untersucht. Insgesamt wurden 103 kontrastmittelgestützte Untersuchungen im Mikro-CT durchgeführt. Der maximale Tumordurchmesser und das maximale Tumorvolumen wurden anhand der einzelnen CT-Datensätze bestimmt. Zusätzlich wurden die Gehirne histologisch aufgearbeitet um das maximale Volumen und den maximalen Durchmesser der Tumore anhand der Histologie zu berechnen. Die histologischen Ergebnisse wurden mit der jeweils letzten Mikro-CT (durchgeführt am Tag des Versuchsendes) verglichen. Die hervorragende Korrelation von maximalem Tumordurchmesser und Tumorvolumen ermittelt in der Mikro-CT mit den Ergebnissen aus der Histologie (Tumordurchmesser: 0,929, p < 0,001; Tumorvolumen: 0969, p < 0,001, n = 17) belegt die hohe Genauigkeit und damit Anwendbarkeit der Mikro-CT für ein Hirntumormodell. Die hohe Sensitivität (0,95) und Spezifität (0,71) belegen zusätzlich die Exaktheit der Mikro-CT zur Erkennung von Gehirntumoren in sehr kleinen Tieren wie Mäusen (PPV=0,91, NPV=0,83). Die zweite im Rahmen dieser kumulativen Dissertation eingereichte Arbeit befasst sich mit der Evaluation einer neuen Methode zur Embolisation von Aneurysmen. Hierzu wurden Aneurysmen mit einem dicht gewobenem Stent (sog. Flow diverter) überdeckt. Über einen zuvor im Aneurysma platzierten Mikrokatheter wurde das Aneurysma mit Mikropartikeln embolisiert, welche größer als die Maschen des flussmodulierenden Stents sind. Die Mikro-CT konnten wir erfolgreich einsetzen, um mit einer hohen Auflösung die 700–900 µm kleinen Partikel im Aneurysma darzustellen und die komplette Ausfüllung des Aneurysmas zu verifizieren. Auch die Maschendichte des Stents im Verhältnis zum Aneurysma konnte mittels Mikro-CT analysiert werden. Die Möglichkeit der wiederholten Darstellbarkeit von Gehirntumoren im zeitlichen Verlauf mittels Mikro-CT bietet eine Grundlage für weitere Versuchsvorhaben, wie z. B. die Visualisierung morphologischer Veränderungen des Tumors unter verschiedenen Therapieansätzen. Die erfolgreiche Evaluation der Verschlussrate von Aneurysmen mittels einer neuen Technik in der Mikro-CT ist ein wesentlicher Schritt, bevor es zu einer ersten Anwendung im lebenden Tier kommt. Beide hier vorgestellten Arbeiten tragen durch den erfolgreichen Einsatz eines bildgebenden Verfahrens erheblich zur langfristigen Senkung der Versuchstierzahlen bei. Zusammenfassend konnten wir durch die erfolgreiche Anwendung der Mikro-CT in den hier vorgestellten Arbeiten das Spektrum der Anwendbarkeit eines industriellen Mikro-CTs in der präklinischen Forschung deutlich erweitern. Micro-CT systems are being used with increasing frequency in preclinical research. The range of examinations includes high-resolution in vivo imaging of glioblastoma, cerebral vessels, abdominal and thoracic organs in mice as well as investigation of other small objects like stents, teeth, insects or single organs ex vivo or in vitro. In addition, micro-CT may be used for radiation therapy of small rodents like mice and rats, as shown in our studies. Aim of this thesis was to establish an orthotopic glioblastoma mouse model and to evaluate the applicability of a micro-CT for repetetive imaging of brain tumors in mice. We furthermore used a micro-CT to evaluate the distribution of microspheres used to treat a silicone aneurysm model. The glioblastoma mouse model was trained in dead mice first. Instead of tumor cells we first injected methylcellulose mixed with contrast agent to train intracerebral injections. The use of contrast agent allowed us to verify our injection technique by subsequent micro-CT. After successfully establishing the technique, human brain tumor cells were in injected into the right hemisphere of n = 27 NOD/SCID/yc-/- mice. Two weeks after xenotransplantation mice underwent first contrast-enhanced micro-CT. Animals with negative results in micro-CT received additional micro-CT scans weekly until brain tumors were detected. Animals were left untreated (control group), or were treated with radiation- or chemotherapy. During treatment all animals received weekly micro-CT scans until animals had to be sacrificed. The maximum diameter and volume of intracerebrally growing xenografts were measured. Brains of sacrificed mice were histologically worked up and maximum tumor diameter and tumor volume were measured again. Results from histology were compared to micro-CT data. The excellent correlation between maximum tumor diameter and tumor volume measured in micro-CT and histology (tumor diameter: 0.929, p < 0.001; tumor volume: 0.969, p < 0.001, n=17). Sensitivity and specificity of micro-CT were 0.95 and 0.71, respectively (PPV=0.91, NPV=0.83). This proved the high accurary of micro-CT for brain tumor detection in animals as small as mice. The second paper referenced to within this doctoral thesis describes the evaluation of the distribution of microspheres within a silicon aneurysm and the degree of aneurysm occlusion. For this purpose a silicon aneurysm was treated with a densely woven stent (a so called flow diverter). Additionally, the aneurysm was embolized with microspheres larger than the pores of the stent via a microcatheter previously placed in the aneurysm. Using our micro-CT we were able to visualize the 700-900 µm small microspheres, which allowed us to verify complete embolization of the aneurysm. Furthermore, the mesh density of the flow diverter in relation to the size of the microspheres was analyzed using the micro-CT. From our findings we conclude, that micro-CT is a versatile tool that may be used for imaging of a vast range of objects and thus propose that micro-CT will be used with increasing frequency in preclinical research.

This thesis aims to examine the usage possibilities of remote sensing imagery at different spectral and spatial resolutions in topographic map production procedure. While considering the topographic maps, third dimension (i.e height information) was kept out of the thesis. In this context, characteristics of topographic maps (by means of scale) and satellite image data (by means of spatial resolution) were examined in order to create requirement matrices for maps and remote sensing data. Benefiting from several national and international standards, the relationship between map scale and spatial resolution was introduced and requirements of maps and satellite data were determined. A case study was conducted with Worldview-2, SPOT-5 and Landsat-5 TM images belonging to the same study area. On-screen digitization (linear and areal) was applied to the images for identifying administrative, transportation, vegetation and hydrographic details. Digitization results obtained from three different images were compared and evaluated considering requirement matrices by means geometric and thematic aspects. With a good geometric accuracy of ground control points (at least 0.5 m), Worldview-2 images can be used to generate 1 : 5 000 scale maps depending on the purpose and user whereas SPOT-5 is suitable for 1 : 25 000-scale mapping. Bu tezin amacı topografik harita üretim süreçlerinde farklı spektral ve mekansal çözünürlükteki uydu görüntülerinin kullanım olanaklarını incelemektir. Topografik haritalar yükseklik bilgisi (eş yükseklik eğrileri) olmaksızın, sadece iki boyutlu olarak ele alınmıştır. Bu kapsamda, gereksinim matrislerini oluşturmak üzere, ölçeğe bağlı olarak topografik harita özellikleri ve mekansal çözünürlüğe bağlı olarak uydu görüntüsü karakteristikleri incelenmiştir. Ulusal ve uluslararası standartlardan yararlanarak ölçek ve mekansal çözünürlük arasındaki ilişki kurulmuş ve topografik harita ve uydu görüntüleri için gereksinim matrisleri oluşturulmuştur. Uygulama, aynı bölgeye ait Worldview-2, SPOT-5 ve Landsat-5 TM uydu görüntülerinde ulaşım, yerleşim, bitki örtüsü ve su bilgisini içerecek çizgisel ve alansal detayların sayısallaştırılması ve sonuçların karşılaştırılmasını kapsamaktadır. Sayısallaştırma sonuçları gereksinim matrisleri de göz önünde bulundurularak geometrik ve tematik anlamda irdelenmiştir. Geometrik doğruluğu yüksek (en az 0.5 m) yer kontrol noktalarına sahip Worldview-2 görüntüsü kullanılarak amaca ve kullanıcıya bağlı olarak 1 : 5 000 ölçekli harita üretilebilir. SPOT-5 ise bazı kısıtlamalarla birlikte 1 : 25 000 ölçekli harita üretime elverişlidir. Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013 Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013 Yüksek Lisans M.Sc.