Στην εργασία αυτή ασχοληθήκαμε με το πρόβλημα της Πιθανοτικής Ικανοποιησιμότητας. Παρουσιάσαμε ανάλυση της πολυπλοκότητας του προβλήματος και το επιλύσαμε με την βοήθεια του λογισμικού πακέτου CPLEX. Περιγράψαμε προσεγγιστικούς αλγόριθμους για το πρόβλημα της Μέγιστης Ικανοποιησιμότητας που χρησιμοποιείται στην διαδικασία της Column Generation. Τέλος, πριγράψαμε το αντίστροφο πρόβλημα των συχνών στοιχειοσυνόλων και την σχέση του με το πρόβλημα της Μέγιστης Ικανοποιησιμότητας. / This thesis is about the problem of probabilistic satisfiability. We describe its computational complexity, we solve the problem using CPLEX, we discribe some approximations on Maximum Satisfiability. Finally, we describe the connection between the problem of Probabilistic Satisfiability and the inverse frequent itemset mining.

Τα τελευταία χρόνια η αναμφισβήτητα εντυπωσιακή τεχνολογική πρόοδος έχει δώσει τεράστια ώθηση σε ένα ευρύ φάσμα επιστημονικών πεδίων τα οποία βασίζονται σε αυτή, με χαρακτηριστικό παράδειγμα τον τομέα των Τηλεπικοινωνιών. Απόλυτα λογικό αποτέλεσμα είναι η παγκόσμια αγορά να έχει κατακλυστεί από δισεκατομμύρια κινητές συσκευές, η χρήση των οποίων διευκολύνει απίστευτα και την ανάπτυξη της έρευνας στους αντίστοιχους κλάδους. Μία από τις χαρακτηριστικές τεχνολογίες που εκμεταλλευόμενη πλήρως αυτή τη αλματώδη πρόοδο έχει επιφέρει εντυπωσιακά αποτελέσματα είναι η Επαυξημένη Πραγματικότητα. Βασίζεται στην γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της εικονικότητας και της πραγματικότητας με ένα μοναδικό τρόπο ενίσχυσης της αντίληψής μας ως προς την τελευταία και με εφαρμογές από το Στρατό και τη Διαφήμιση ως τα ερευνητικά πεδία της Αναγνώρισης Εικόνας και της Εκπαίδευσης. Αυτή της όμως η σημαντικότατη ανάπτυξη γεννά αναπόφευκτα πέρα από την παραγωγή γνώσης και βασικά ερωτήματα που απασχολούν την ερευνητική κοινότητα, ορισμένα εκ των οποίων είναι αν μπορεί η χρήση τεχνικών Επαυξημένης Πραγματικότητας μέσω της αναγνώρισης εικόνας, πέρα από την εξέλιξη του ευρύτερου κλάδου της Υπολογιστικής Όρασης, να συμβάλλει στη βελτίωση μαθησιακών εμπειριών και αν ναι κατά πόσο είναι εφικτή η αντιμετώπιση θεμελιωδών εκπαιδευτικών προβλημάτων, όπως η διάσπαση προσοχής και η έλλειψη διαδραστικότητας. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας προσπαθώντας να δώσουμε ουσιαστικές απαντήσεις στα παραπάνω ερωτήματα δημιουργήσαμε τη διαδραστική εφαρμογή «AugMentor», ειδικά σχεδιασμένη για τις ανάγκες της ξενάγησης των επισκεπτών του Μουσείου Επιστημών του Πανεπιστημίου Πατρών. Έχοντας ενσωματώσει ένα ολοκληρωμένο περιβάλλον Επαυξημένης Πραγματικότητας εντός της εφαρμογής αναπτύξαμε ένα παιχνίδι κρυμμένου θησαυρού κατά το οποίο οι επισκέπτες του μουσείου δέχονται ένα συγκεκριμένο αριθμό ερωτήσεων οι οποίες βασίζονται στα μουσειακά εκθέματα και αμέσως μετά καλούνται να περιηγηθούν οι ίδιοι στους εσωτερικούς χώρους του. Με βάση την επιτυχή αναγνώριση του κάθε εκθέματος και την προσωποποιημένη απεικόνιση των εκάστοτε απεικονιζόμενων πληροφοριών προσπαθούν να δώσουν απαντήσεις στα ερωτήματα αυτά. Η εφαρμογή AugMentor υλοποιήθηκε για κινητές συσκευές που υποστηρίζουν το λειτουργικό σύστημα Android και πλέον αποτελεί μέρος της μόνιμης ξενάγησης του Μουσείου Επιστημών και Τεχνολογίας. Παρουσιάζουμε μια περιγραφική και αναλυτική μελέτη περίπτωσης χρήσης της εφαρμογής, υλοποιώντας πειραματικά στο Μουσείο Επιστημών μια κανονική ξενάγηση. Χρησιμοποιώντας την εφαρμογή AugMentor οδηγούμαστε σε ασφαλή συμπεράσματα ως προς την επίτευξη του κύριου στόχου υλοποίησής της, ο οποίος είναι το κατά πόσο οι επισκέπτες του μουσείου στην προσπάθειά τους να απαντήσουν τις ερωτήσεις που τους ανατέθηκαν θα μπορούσαν να μάθουν και επιπρόσθετες πληροφορίες για τα εκθέματα, βελτιώνοντας τη μάθηση μέσω της χρήσης κινητών συσκευών. Το πείραμα που πραγματοποιήσαμε χωρίστηκε σε δύο μέρη, το πρώτο βασίζεται στα πρότυπα μιας κανονικής ξενάγησης των επισκεπτών, χωρίς τη χρήση κάποιας εφαρμογής και το δεύτερο στην ξενάγηση μέσω της εφαρμογής AugMentor. Στους επισκέπτες δόθηκαν αντίστοιχα ερωτηματολόγια και στις δύο περιπτώσεις και στη συνέχεια αξιολογήθηκε συγκριτικά η συμβολή της εφαρμογής AugMentor στη συνολική εμπλούτιση της μουσειακής εμπειρίας ενός επισκέπτη. / Over the last few years the indisputably outstanding technological advances have given a huge boost to a wide range of scientific areas of study that are based on it. A typical example can definitely be considered the one associated with Telecommunications. An utterly rational outcome constitutes the fact that global market is overwhelmed by billions of mobile devices, the use of which facilitates to a large extent the whole research development towards those fields. An iconic technology that fully exploiting this rapid progress has brought about impressive results is Augmented Reality. Augmented Reality is based on bridging the gap between virtuality and reality in a unique way to enhance our perception as to the latter and its applications vary from Army and Advertisement to the research fields of Image Recognition and Education. It is exactly the impressive growth of Augmented Reality which inevitably generates essential questions that research community has to deal with. Some of these questions are whether the use of Augmented Reality techniques, through Image Recognition, apart from the wider development of Computer Vision, can help improving learning experiences and if so to which extent it is possible to address fundamental educational problems, such as distractibility and lack of interactivity. In this master thesis, trying to give substantial answers to these questions we have created the interactive application «AugMentor», specially designed for the tour needs of Museum of Science and Technology, located in University of Patras. Having incorporated an integrated Augmented Reality environment inside this application, we developed a treasure hunt game in which visitors receive a certain number of questions closely related to museum’s exhibits and afterwards they have to wander within its interiors. Based on the successful recognition of each exhibit and personalized display of each respective information, visitors attempt to answer these questions. AugMentor is implemented for mobile devices that support the Android operating system and is now part of permanent museum guidance. Our main objective is improving Mobile Learning, which is learning through the use of mobile devices. We present a sufficient case study, selecting Museum of Science and Technology as an experimental space so as to determine the degree to which AugMentor application can practically contribute to this purpose. One of our key points towards this perspective was estimating the amount of totally imparted knowledge, since involving students with a significant pool of knowledge provides them with a motivation to have an active role during their guidance. The experiment we conducted was divided into two parts, the first one was based on the standards of a normal tour of visitors without using any application and the second one was based on a tour using AugMentor application. Guests are respectively given questionnaires in both cases and then we assessed AugMentor’s relative contribution to the overall implementation regarding enriching the museum experience of a visitor.

Use of multi-detector CT in lung cancer screening has the potential to detect smaller lung nodules with improved sensitivity. In this study the development of a Computer Aided Detection (CAD) system for lung nodules is reported. A combination of two segmentation approaches is used, to segment lung regions. Following segmentation, a selective enhancement filter is applied for ''initial'' identification of nodule seed points in lung regions. Candidate lung nodule regions were delineated with the use of a region growing algorithm, with thresholds provided by minimum error thresholding. False positive regions were subsequently removed using two Support Vector Machines (SVM) classifiers in cascade, utilizing a set of 6 morphological features extracted from corresponding nodule candidate regions of the enhanced and the original images. The proposed automated scheme was tested on a reference dataset of 21 cases provided by the Lung Imaging Database Consortium. System performance on a case and slice basis provided sensitivities of 91% and 81% respectively, both with an average of 5 FPs per slice. Further analysis of the slice dataset with respect to size, contrast and location of nodules provided sensitivities of 81%, 83% and 85% for nodules of small size, low contrast and near pleura. This CAD scheme may be a useful tool in assisting radiologists in lung nodule detection. / Χρήση υπολογιστικής αξονικής τομογραφίας με πολλαπλών ανιχνευτών στον πληθυσμιακό έλεγχο καρκίνου το πνεύμονα αναμένεται να συμβάλει θετικά λόγω της ικανότητας της να ανιχνεύει οζίδια του πνεύμονα μικρού μεγέθους με αυξημένη ευαισθησία. Σε αυτή την μελέτη περιγράφεται η ανάπτυξη συστήματος αυτόματης ανίχνευσης οζιδίων του πνεύμονα, με στόχο την αύξηση της ευαισθησίας σε πολυτομική αξονική τομογραφία. Το σύστημα ανίχνευσης οζιδίων αποτελείται από τρία στάδια, το στάδιο της τμηματοποίησης των πνευμονικών πεδίων, την αναγνώριση των αρχικών υποψηφίων περιοχών και τέλος την μείωση των ψευδώς θετικών ενδείξεων. Η τμηματοποίηση των πνευμονικών πεδίων πραγματοποιήθηκε με τον συνδυασμό δύο αυτόματων τεχνικών τμηματοποίησης. Στην συνέχεια ένα επιλεκτικό ενισχυτικό φίλτρο εφαρμόζεται στην περιοχή των πνευμονικών πεδίων, για την ανίχνευση τον αρχικών υποψηφίων οζιδίων και τον συντεταγμένων τους. Τα όρια των υποψήφιων οζιδίων καθορίστηκαν με την βοήθεια ενός αλγορίθμου οριοθέτησης περιοχής με τις σταθερές κατωφλιού να υπολογίζονται αυτόματα βάση τις τεχνικής που προτάθηκε από τον Kittler et al. Η μείωση των ψευδώς θετικών ενδείξεων πραγματοποιήθηκε με την εφαρμογή δύο ταξινομητών Support Vector Machines (SVM) σε σειρά, οι οποίοι χρησιμοποίησαν 6 μορφολογικά χαρακτηριστικά τα οποία υπολογίστηκαν από τις περιοχές των υποψηφίων οζιδίων στην ενισχυμένη αλλά και στην αρχική εικόνα. Το σύστημα το οποίο παρουσιάζεται σε αυτή την εργασία εφαρμόστηκε και δοκιμάστηκε σε βάση δεδομένων αναφοράς η οποία περιλαμβάνει 21 εξετάσεις, την οποία τις παρέχει το Lung Imaging Database Consortium ((LIDC). Η απόδοση του συστήματος σε επίπεδο εξέτασης και επίπεδο τομής ήταν αντίστοιχα 91% και 81% με 5 ψευδώς θετικές ενδείξεις αντίστοιχα. Περαιτέρω ανάλυση βάση του μεγέθους, αντίθεσης και θέσης των οζιδίων απέδωσε ευαισθησίες 81%, 83% και 85% για οζίδια μικρού μεγέθους, χαμηλής αντίθεσης και οζίδια που βρίσκονται στον υπεζοκότα. Το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να αποδειχθεί χρήσιμο εργαλείο υποβοήθησης ανάγνωσης οζιδίων σε πολυτομική αξονική τομογραφία για τους ακτινολόγους.

Η κατά συμμετρίες ανάλυση είναι μια σύγχρονή και αποτελεσματική μέθοδος ανάλυσης του μαθηματικού πεδίου των Διαφορικών Εξισώσεων. Στα πλεονεκτήματα της, ο αλγοριθμικός τρόπος με τον οποίο μπορούμε να βρούμε τις συμμετριες ενός συστήματος και η κατακευή λύσεων από αυτές. Όμως, όπως και κάθε άλλη μέθοδος έτσι και αυτή έχει τα μειονεκτήματα της, το μέγεθος και η πολυπλοκότητα των ενδιάμεσων υπολογισμών που απαιτούνται για την εύρεση των συμμετρίων ενός συστήματος αυξάνεται εκθετικά σε σχέση με αυτό. Γεγονός που καθιστά τους υπολογισμούς αυτούς με το χέρι χρονοβόρους και επιρρεπής σε σφάλματα και συνεπώς την ανάγκη για την χρήση αξιόπιστων συμβολικών προγραμμάτων επιτακτική. Για τον σκοπό αυτό αναπτύξαμε το συμβολικό πακέτο Sym για το αλγεβρικό σύστημα Mathematica. Το συμβολικό αυτό πακέτο περιέχει στοιχεία τεχνικής νοημοσύνης και εξιδικευμένες συμβολικές μεθόδους. Στοιχεία που το καθιστούν ένα αποτελεσματικό και ευέλικτο μαθηματικό εργαλείο τόσο στον ερευνητικό τομέα όσο και στην εκπαίδευση. Το παρόν διδακτορικό χωρίζεται σε δύο μέρη, στο πρώτο παρουσιάζουμε τις βασικές έννοιες της κατα συμμετρίες ανάλυσης διαφορικών εξισώσεων και τους λόγους για τους οποίους η χρήση συμβολικών προγραμμάτων βρίσκει πρόσφορο έδαφος. Στο δεύτερο μέρος, παρουσιάζουμε το συμβολικό πακέτο Sym και δύο ερευνητικά αποτελέσματα της χρήσης του. Όσο αναφορά το ίδιο το πακέτο, δίνουμε τα βασικά του χαρακτηριστικά , τον τρόπο λειτουργίας του και τα οφέλη του σε σχέση με τα ήδη υπάρχοντα συμβολικά πακέτα για την εύρεση συμμετριών. Η χρηστικότητα του παρουσιάζεται μέσω δύο ερευνητικών αποτελεσμάτων. Στο πρώτο, εξετάζουμε ενα πρόβλημα από την περιοχή της Γενικής Σχετικότητας, την εύρεση βαρυτικών κυμάτων. Οι συμμετρίες των εξισώσεων πεδίου του Einstein για την μετρική του Bondi καθορίζονται μέσω του Sym και υποβιβάζουμε με αυτές την τάξη του μή γραμμικού συστήματος. Με υποθέσεις εργασίας πάνω στο σύστημα αυτό δίνουμε ειδικές λύσεις οι οποίες είχαν προκύψει παλίοτερα με άλλες μεθόδους. Τέλος, παρουσιάζουμε τις μελλοντικές μας κατευθύνσεις προς την καθορισμό νέων λύσεων με την σωστή φυσική συμπεριφορά που επιβάλει το πρόβλημα. Στο δεύτερο, δίνουμε μια προτότυπη διαδικασία κατηγοριοποίησης διαφορικών εξισώσεων χρησιμοποιώντας τις ένοιες της πλήρους ομάδας συμετρίας και της αξιοσημείωτης κατά Lie διαφορικής εξίσωσης. Με βάση αυτή, επιτυγχάνουμε την συνθέση διαφορικών εξισώσεων κατασκευάζοντας έτσι καινούργιες οικογένεις διαφορικών εξισώσεων περιέχοντες τις αρχικές μας εξισώσεις. / The symmetry analysis is a modern and effective method of mathematical field of differential equations. On its advantages, the algorithmic way for determining the symmetries and constructing solutions. Like any other method it also has its disadvantages; the size and the complexity of the intermediate calculations needed for giving the symmetries is increased exponentially with respect to the equation under investigation. This fact renders the calculations unmanageable by hand and error prone. The need for reliable and fast symbolic tools is apparent. For this reason, we developed a symbolic package called Sym based on the Mathematica program. The package employing artificial intelligent elements and specialized symbolic methods is an effective and versatile mathematical tool ideal for research and education alike. The present thesis consists of two parts; on the first we present the basic notions of the mathematical theory and the reasons that symbolic tools can be utilized. On the second part, we present the symbolic package Sym itself along with two new result employing it. As for the package itself, we give the basic characteristics, its functionality and the benefits using it against the existing programs. Its usefulness is presented through two results. On the first, we study a problem from General Relativity, finding solutions describing gravity waves. The symmetries of the Einstein’s field equations for the radiating Bondi metric are determined from Sym. Using them we reduce the non-linear system. Using specific ansatzes we arrive to specific solutions already found using other methods. Finally, we present our future directions for finding new solutions with the correct physical behavior. On the second, we describe a new procedure for classifying differential equations using the notions of complete symmetry groups and Lie remarkability. Using this procedure we achieved by starting with a set of differential equation to construct a new family that includes the initial set. Future directions include finding a way to link the solutions of the newly constructed family with the solutions of the equations that we use for constructing it.

Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά της ομόζυγης β-θαλασσαιμίας είναι η οστεοπάθεια, η οποία αποτελεί μία πολυπαραγοντική διαταραχή, που δεν έχει πλήρως διευκρινισθεί. Μελετήσαμε τους οσφυϊκούς σπονδύλους 48 ασθενών με τις μεθόδους Dual-Energy X-ray Absorptiometry (DXA) και Quantitative Computed Tomography (QCT), και εστιάσαμε στις δομικές οστικές ιδιότητες, όπως προσδιορίζονται από την υψηλής ευκρίνειας Υπολογιστική τομογραφία (HRCT). Οι τιμές της οστικής πυκνότητας (BMD values) εκφράσθηκαν ως Z-scores και τα αποτελέσματα συσχετίσθηκαν. Εκτιμήθηκε η επίδραση της ηλικίας, του φύλου, του τύπου της θαλασσαιμίας και των ορμονικών παραγόντων στις τιμές ΒΜD. Αξιολογήσαμε, με βάση την HRCT, την ακεραιότητα του φλοιού και τον αριθμό και πάχος των δοκίδων της σπογγώδους ουσίας. Με βάση τον αριθμό των δοκίδων ταξινομήσαμε τους ασθενείς σε κλίμακα τριών βαθμίδων. Τα αποτελέσματά μας έδειξαν ότι ο συνολικός επιπολασμός της οστεοπόρωσης με την μέθοδο DXA ήταν 44 % και με την QCT 6 %. Και οι δύο μέθοδοι έδειξαν μία αρνητική συσχέτιση μεταξύ της ηλικίας και της BMD, ενώ οι ορμονικοί παράγοντες παρουσίασαν συσχετίσεις τόσο με τις μετρήσεις της QCT όσο και με τις αντίστοιχες της DXA. Ο συντελεστής συσχέτισης μεταξύ της BMD της DXA και της σπογγώδους BMD της QCT ήταν 0,545 (p<0,001) ενώ η αντίστοιχη τιμή για τα Ζ-scores ήταν 0,491 (p<0,001). Η ομαδοποίηση των ασθενών σε φυσιολογικούς, οστεοπενικούς και οστεοπορωτικούς, με βάση το Ζ της QCT, ήταν σε καλύτερη συμφωνία με την ταξινόμηση με βάση τον αριθμό των δοκίδων (K=0,209, p=0,053), σε σύγκριση με την ομαδοποίηση σύμφωνα με το Ζ της μεθόδου DXA (K=0,145, p=0,120). Η εκτίμηση του φλοιού με την HRCT έδειξε διακοπές στη συνέχειά του σε 15 ασθενείς. Και οι δύο μέθοδοι δείχνουν μία επιδείνωση της οστεοπόρωσης με την πρόοδο της ηλικίας. Η ανεπάρκεια των ορμονών συσχετίζεται με την θαλασσαιμική οστεοπόρωση, ενώ η οτπική εκτίμηση του φλοιώδους οστού δείχνει ότι οι ενδιάμεσου τύπου θαλασσαιμικοί πάσχουν σε μεγαλύτερο βαθμό από τους ασθενείς με μείζονα μορφή θαλασσαιμίας. Με τον αριθμό των δοκίδων ως δείκτη οστεοπόρωσης, φαίνεται ότι η QCT μπορεί να εκτιμήσει την οστεοπάθεια καλύτερα από την DXA. Δεδομένου ότι η QCT έχει την ικανότητα να μετρήσει την οστική πυκνότητα του σπογγώδους και φλοιώδους οστού, ξεχωριστά, μπορεί να παρέχει πρώιμη ένδειξη του ποιο από τα δύο μεταβάλλεται πιο γρήγορα και σε τι βαθμό. - / Osteopathy, as a major feature of homozygous beta-thalassaemia, is a multifactorial disorder, not fully understood. We studied the lumbar vertebrae of 48 patients using Dual-Energy X-ray Absorptiometry (DXA) and Quantitative Computed Tomography (QCT), and we focused on structural properties, assessed by High Resolution Computed Tomography (HRCT). Bone Mineral Density (BMD) values were expressed as Z scores and the results were correlated. The effect of age, sex, type of thalassaemia and hormonal factors on BMD was assessed. We estimated, with HRCT, the cortex integrity and the number and thickness of trabeculae; the latter were classified to a three-grade scale. Our results showed the overall prevalence of osteoporosis to be 44 % with DXA and 6 % with QCT. Both techniques revealed an inverse correlation between age and BMD, whereas hormonal factors demonstrated associations with QCT and DXA measurements. The correlation coefficient between DXA’s BMD and QCT’s trabecular BMD was 0.545 (p<0.001) whereas the corresponding value for Z scores was r=0.491 (p<0.001). The classification of the patients into normal, osteopenic and osteoporotic categories, using QCT’s Z, was in better agreement with the assignment based on trabecular number (K=0.209, p=0.053) than the classification using DXA’s Z (K=0.145, p=0.120). Cortex evaluation by HRCT showed discontinuity in 15 patients. Both methods indicate a progression of osteoporosis with age. Hormonal deficiency is associated with thalassaemic osteoporosis whereas the visual estimation of cortex indicate that TI could be more affected than TM. Using the trabecular number as an indicator of osteoporosis, it seems that QCT may evaluate osteopathy better than DXA. Since the former has the ability to measure trabecular and cortical BMD separately, it could give early indication of which changes more rapidly and to what degree.

Image analysis techniques have been broadly used in computer aided diagnosis tasks in recent years. Computer-aided image analysis is a popular tool in medical imaging research and practice, especially due to the development of different imag- ing modalities and due to the increased volume of image data. Image segmenta- tion, a process that aims at identifying and separating regions of an image, is crucial in many medical applications, such as in identification (delineation) of anatomical structures and pathological regions, providing objective quantitative assessment and monitoring of the onset and progression of the disease. Multidetector CT (MDCT) allows acquisition of volumetric datasets with almost isotropic voxels, enabling visualization, characterization and quantification of the entire extent of lung anatomy, thus lending itself to characterization of Interstitial Lung Diseases (ILDs), often characterized by non uniform (diffuse) distribution in the lung volume. Interpretation of ILDs is characterized by high inter and intra- observer variability, due to lack of standardized criteria in assessing its complex and variable morphological appearance, further complicated by the increased vol- ume of image data being reviewed. Computer-Aided Diagnosis (CAD) schemes that automatically identify and char- acterize radiologic patterns of ILDs in CT images have been proposed to improve diagnosis and follow-up management decisions. These systems typically consist of two stages. The first stage is the segmentation of left and right Lung Parenchyma (LP) region, resulting from lung field segmentation and vessel tree removal, while the second stage performs classification of LP into normal and abnormal tissue types. The segmentation of Lung Field (LF) and vessel tree structures are crucial preprocessing steps for the subsequent characterization and quantification of ILD patterns. Systems proposed for identification and quantification of ILDpatterns havemainly exploited 2D texture extraction techniques, while only a few have investigated 3D texture features. Specifically, texture feature extraction methods that have been exploited towards lung parenchyma analysis are: first order statistics, grey level co-occurrence matrices, gray level run length matrices, histogram signatures and fractals. The identification and quantification of lung parenchyma into normal and abnormal tissue type has been achieved by means of supervised classification tech- niques (e.g. Artificial Neural Networks, ANN, Bayesian classifier, linear discrimi- nant analysis (LDA) and k-Nearest Neighboor (k-NN). However, the previously proposed identification and quantification schemes in- corporate preprocessing segmentation algorithms, effective on normal patient data. In addition the effect of the preprocessing stages (i.e. segmentation of LF and ves- sel tree structures) on the performance of ILD characterization and quantification schemes has not been investigated. Finally, the complex interaction of such automated schemes with the radiologists remains an open issue. The current thesis deals with identification and quantification of ILD in lung CT. The thesis aims at optimizing all major steps encountered in a computer aided ILD quantification scheme, by exploiting 3D texture feature extraction techniques and supervised and unsupervised pattern classification schemes to derive 3D disease segments. The specific objectives of the current thesis are focused on: • Development of LF segmentation algorithms adapted to pathology. • Development of vessel tree segmentation adapted to presence of pathology. • Development of ILD identification and quantification algorithms. • Investigation of the interaction of an ILD identification and quantification scheme with the radiologist, by an interactive image editing tool. / Η Διάμεση Νόσος (ΔΝ) του πνεύμονα αποτελεί το 15% των παθήσεων του πνεύμονα που εμφανίζονται στην κλινική πρακτική. Η ΔΝ επηρεάζει κυρίως το πνευμονικό παρέγχυμα και εμφανίζεται στις εικόνες Υπολογιστικής Τομογραφίας (ΥΤ) του πνεύμονα με την μορφή διάχυτων περιοχών χαρακτηριστικών προτύπων υφής που παρεκκλίνουν από αυτό του φυσιολογικού παρεγχύματος. Η Πολυτομική Υπολογιστική Τομογραφία (ΠΥΤ) επιτρέπει την απόκτηση τρισδιάστατων απεικονίσεων με σημαντική μείωση του χρόνου λήψης και αποτελεί την απεικονιστική τεχνική επιλογής για την ποσοτικοποίηση και τη διάγνωση της ΔΝ. Η διάγνωση της ΔΝ χαρακτηρίζεται από μειωμένη διαγνωστική ακρίβεια χαρακτηρισμού και ακρίβεια ποσοτικοποίησης έκτασης ακόμα και για τον έμπειρο ακτινολόγο, αλλά και από χαμηλή επαναληψιμότητα. Η δυσκολία διάγνωσης οφείλεται στη μειωμένη ικανότητα του ανθρώπινου παράγοντα ως προς το καθορισμό έκτασης των προτύπων υφής λόγω ομοιότητας ακτινολογικής εμφάνισης τους σε συνδυασμό με το φόρτο εργασίας του ακτινολόγου και τον αυξημένο όγκο δεδομένων της ΠΥΤ. Αυτοματοποιημένα συστήματα ανάλυσης εικόνας μπορούν να αντιμετωπίσουν τα παραπάνω προβλήματα παρέχοντας σημαντική υποβοήθηση στο έργο της διάγνωσης και παρακολούθησης της νόσου. Η ανάπτυξη αυτοματοποιημένων συστημάτων ανάλυσης εικόνας για υποβοήθηση διάγνωσης στην ΥΤ του πνεύμονα έχει αποτελέσει θέμα εκτεταμένης έρευνας την τελευταία δεκαετία με ένα μικρό τμήμα της να επικεντρώνεται στο χαρακτηρισμό και ποσοτικοποίηση της έκτασης της ΔΝ. Σημαντικά στάδια προεπεξεργασίας των συστημάτων αυτών αποτελούν οι τμηματοποίησεις των Πνευμονικών Πεδίων (ΠΠ) και του αγγειακού δένδρου για τον καθορισμό του προς ανάλυση όγκου του πνευμονικού παρεγχύματος. Τα έως σήμερα προταθέντα συστήματα αυτόματης ανίχνευσης και ποσοτικοποίησης της έκτασης της ΔΝ αξιοποιούν κυρίως μεθόδους ανάλυσης δισδιάστατης (2Δ) υφής εικόνας, ενώ μόνο δύο μελέτες έως σήμερα έχουν αξιοποιήσει ανάλυση 3Δ υφής. Συγκεκριμένα, μέθοδοι ανάλυσης υφής εικόνας που έχουν αξιοποιηθεί είναι: στατιστική 1ης τάξης (ιστόγραμμα), μήτρες συνεμφάνισης αποχρώσεων του γκρι (Grey level Co-occurrence Matrices), μήτρες μήκους διαδρομής απόχρωσης του γκρι (Gray Level Run Length Matrices), υπογραφές ιστογράμματος και Fractals. Ο χαρακτηρισμός και η ποσοτικοποίηση περιοχών του πνευμονικού παρεγχύματος που αντιστοιχούν σε φυσιολογικό παρέγχυμα και υποκατηγορίες παθολογίας υλοποιείται με μεθόδους επιβλεπόμενης ταξινόμησης προτύπων όπως: τεχνητά νευρωνικά δίκτυα (Artificial Neural Networks, ΑΝΝ), Bayesian ταξινομητής, ανάλυση γραμμικού διαχωρισμού ( Linear Discriminant Analysis, LDΑ) και ταξινομητής πλησιέστερου γείτονα (k-Nearest Neighboor, k-NN). Στα έως σήμερα προταθέντα συστήματα, η τμηματοποίηση των ΠΠ υλοποιείται με συμβατικές μεθόδους τμηματοποίησης με βάση τις αποχρώσεις του γκρί (τιμές έντασης) εικονοστοιχείων. Ανοικτό ζήτημα παραμένει και η αξιολόγηση της επίδρασης των σταδίων προ-επεξεργασίας (τμηματοποίηση ΠΠ και αγγειακού δένδρου) στην ακρίβεια συστημάτων χαρακτηρισμού και ποσοτικοποίησης της έκτασης της ΔΝ. Τέλος, η αξιολόγηση της αλληλεπίδρασης αυτόματων συστημάτων ποσοτικοποίησης και ακτινολόγου στη λήψη αποφάσεων χαρακτηρισμού και ποσοτικοποίησης της έκτασης που αφορούν την ΔΝ δεν έχει διερευνηθεί. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη ολοκληρωμένου συστήματος ανάλυσης εικόνας το οποίο χαρακτηρίζει και ποσοτικοποιεί την έκταση περιοχών με ΔΝ σε απεικονίσεις ΠΥΤ θώρακος, στοχεύοντας στη βελτιστοποίηση όλων των σταδίων του, καθώς και στην αξιολόγηση της συμβολής του συστήματος στην λήψη διαγνωστικών αποφάσεων. Για το σκοπό αυτό διερευνώνται τεχνικές 3Δ ενίσχυσης εικόνας, 3Δ τμηματοποίησης εικόνας καθώς και 3Δ χαρακτηριστικά υφής εικόνας σε συνδυασμό με επιβλεπόμενα και μη επιβλεπόμενα συστήματα ταξινόμησης. Συγκεκριμένα η συμβολή της παρούσας διατριβής επικεντρώνεται στα ακόλουθα: • Ανάπτυξη μεθόδων τμηματοποίησης των ΠΠ και του αγγειακού δένδρου παρουσία παθολογίας. • Διερεύνηση της συμβολής αλγορίθμων εξαγωγής 3Δ υφής εικόνας στην ακρίβεια μεθόδων ταξινόμησης προτύπων ΔΝ. • Βελτιστοποίηση μεθόδων χαρακτηρισμού και ποσοτικοποίησης έκτασης με χρήση τεχνικών επιβλεπόμενης και μη επιβλεπόμενης ταξινόμησης. • Αξιολόγηση της επίδρασης των σταδίων προεπεξεργασίας στην ακρίβεια συστημάτων ποσοτικοποίησης. • Αξιολόγηση της συμβολής συστημάτων ποσοτικοποίησης στη διάγνωση της ΔΝ.

Στο πρώτο μέρος της διατριβής περιγράφεται η "στρατηγική του μιγαδικού επιπέδου" (cxps) και εξηγείται ο λόγος για τον οποίο προκρίνεται αυτή. με την cxps συνεργάζεται στενά η "τεχνική της πολλαπλής διαμερισης" (MTP), η οποία χρησιμοποιείται στους σχετικούς υπολογισμούς. κατασκευάζεται το μοντέλο ενός διαφορικά περιστρεφόμενου πολυτρόπου αστέρα υπό την επίδραση τυροειδούς μαγνητικού πεδίου. εισάγεται η ποσότητα h σαν παράμετρος διαταραχής και u παράμετρος διαφορικής περιστροφής. αναπτύσσεται η θεωρία που περιλαμβάνει όρους μέχρι και πρώτης τάξης στις παραμέτρους διαταραχής u, h και ευρίσκονται οι διαφορικές εξισώσεις, στις οποίες, υπακούουν οι συναρτήσεις του προβλήματος. ακολούθως γίνεται αριθμητική εφαρμογή των προηγούμενων για όλες τις ενδιαφέρουσες καταστάσεις περιστροφής. το δεύτερο μέρος της διατριβής διαπραγματεύεται μοντέλα, στα οποία η διαφορική περιστροφή προκύπτει από το ιξώδες υλικό του αστέρα με επίλυση της λεγόμενης "εξισώσεως ζεύξης", η οποία είναι συνέπεια της εξισώσεως Navier-Stokes για ιξωδοπολυτροπικούς αστέρες. παρουσιάζονται αριθμητικά αποτελέσματα για τη δομή διαφόρων μοντέλων με ασθενές, μέτριο και ισχυρό μαγνητικό πεδίο. δίνεται έμφαση στον υπολογισμό της "ενεργειακής απώλειας" λογω ιξώδους τριβής. ακολουθει σχολιασμός των αριθμητικών αποτελεσμάτων με έμφαση στο γεγονός ότι η ύπαρξη του μαγνητικού πεδίου περιορίζει δραστικά την ενεργειακή απώλεια. στην περίπτωση αυτή το μαγνητικό πεδίο δρα ως "λιπαντικό" και προστατεύει τον αστέρα από την υπερβολική απώλεια ενέργειας λογά ιξώδους τριβής των διαφορικώς περιστρεφόμενων φλοιών του. / In the first part, it has primarily been described the "complex plane strategy"(cxps) and has also been explained the reason of implementing this method in the present investigation. With the cxps collaborates the "multiple partition technique" (MTP) which is involved in the corresponding computations. In particular, the model of a differentially rotating polytropic star is constructed, which is under the cooperating influence of a toroidal magnetic field. To this purpose, perturbation theory is used on the basis of the fundamental magnetic perturbation parameter h. the theory including terms up to the first order in both the perturbation parameters u (rotation) and h (magnetic field),is developed and the corresponding differential equations are set up. Our computation concerns mainly critical rotations. In the second part of the thesis, we consider models with differential rotation owing to the viscous material of the star, on the basis of the so called "coupling equation" that is consequence of the Navier-Stokes equation for viscous polytropic stars. Emphasis is given on the study of dissipative effects due to viscous friction, as they are determined by the combined action of rotation and magnetic field. The computations show that a toroidal magnetic field can play the role of an efficient "lubricant" injected into the material of the particular magnetic model, thus reducing drastically the energy dissipated due to viscous friction.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει ένα συστηματικό και συγκεκριμένο τρόπο προσέγγισης και ανάλυσης της αλλομορφίας σε θεωρητικό, ενώ παράλληλα αποδεικνύει επιτυχώς τη δυνατότητα επεξεργασίας του φαινομένου σε υπολογιστικό επίπεδο στα Ελληνικά. Προηγούμενες έρευνες δεν ασχολήθηκαν με την αλλομορφία στο σύστημα παραγωγής των Ελληνικών, ενώ οι γενικότερες προσπάθειες μηχανικής μάθησης και ανάλυσης της αλλομορφίας ήταν εξαιρετικά περιορισμένες και μερικώς επιτυχημένες στη μορφολογική ανάλυση. Αντίθετα, η παρούσα εργασία ορίζει το φαινόμενο της αλλομορφίας με αυστηρά μορφολογικά κριτήρια, καθορίζει τα περιβάλλοντα εμφάνισης και παρουσιάζει με παραδείγματα τη συστηματική συμμετοχή σε όλες τις διαδικασίες σχηματισμού λέξεων. Πιο συγκεκριμένα παρουσίασε συγκριτικά τις αλλομορφικές συμπεριφορές θεμάτων και προσφυμάτων, περιορισμούς που διέπουν την επιλογή αλλομόρφου και την πεποίθηση της προβλεψιμότητας και κανονικότητας του φαινομένου. Εξετάζοντας την αλλομορφία υπολογιστικά επισημαίνουμε την έλλειψη καθορισμένης στρατηγικής για την αντιμετώπισή της, καθώς και την επιλεκτική επεξεργασία των αλλομόρφων. Μετά την επιλογή των στρατηγικών της μηχανικής μάθησης, η αλλομορφία των παραγώγων δοκιμάστηκε αρχικά στο LINGUISTICA, το gold standard υλοποιημένο μοντέλο ΜεΜΜ, όπου ο συγκεκριμένος αλγόριθμος απέτυχε όχι μόνο να αναλύσει σωστά τις παράγωγες λέξεις, αλλά και να εντοπίσει αλλόμορφα. Επιπλέον, δοκιμάζουμε ένα επιβλεπόμενο μοντέλο Μέγιστης Εντροπίας, το AMIS, για την πρόβλεψη της αλλομορφίας των ονοματικών αλλομόρφων σε επίπεδο θεμάτων και επιθημάτων. Ο ΑλλοMantIS καταφέρνει να επιτύχει μία state-of-the-art επίδοση και θέτει τις αρχικές βάσεις για την υπολογιστική πρόβλεψη των αλλομορφικών αλλαγών. Για την τελική υπολογιστική προσέγγιση της αλλομορφίας προτείνουμε ένα συνδυαστικό μοντέλο, το οποίο θα συνδυάζει διαφορετικές στρατηγικές, αυτής της χρήσης των αλλο-κανόνων σε συνεργασία με το μοντέλο χαρακτηριστικών για την πρόβλεψη της αλλομορφίας. Θεωρούμε ότι η παρούσα διατριβή καλύπτει και παρουσιάζει με συστηματικότητα την υπολογιστική αντιμετώπιση της αλλομορφίας στην παραγωγή της ΚΝΕ κρίνοντας με βάση τα αποτελέσματα των πειραμάτων. / This thesis presents a systematic approach and analysis of allomorphy, while successfully demonstrates the possibility of treating the phenomenon in computational level in Greek. Previous research did not deal with allomorphy at the derivation process of Greek, while the overall efforts of morphology learning and analysis of allomorphy was extremely limited and partially successful in morphological analysis. In contrast, our work analyses the phenomenon of allomorphy with strict morphological criteria, defines the morphological environments of allomorph participants and presents examples of systematic participation in all word formation processes. More specifically, there are presented the allomorphic behavior of stems and derivational suffixes, restrictions governing the allomorphs selection and proofs of predictability and regularity of the phenomenon. We highlight the lack of defined computational strategy for dealing with allomorphy and the selective treatment of allomorphs. We test the allomorphy of derived words initially with LINGUISTICA, the gold-standard UML model. This model’s algorithm not only fails to analyze properly the derived words, but also to identify allomorphy. In addition, we test a supervised maximum entropy model (AMIS), which help us to predict the nominal allomorphy of stems and derivational suffixes. We build AlloMantIS, which manages to achieve a state-of-the-art performance and establish a solid ground for the computational prediction of allomorphic changes. Finally we propose a combination computational model for allomorphy, which combines different strategies that use allomorphic rules in cooperation with a model of characteristics for predicting allomorphy. We believe that this thesis is covered and presented a systematic theoretical and computational treatment of allomorphy in Modern Greek derivation based on the results of experiments.

Αντικείμενο της εργασίας είναι η αεροδυναμική και αεροακουστική ανάλυση στροφείων ανεμοκινητήρων οριζοντίου άξονα (α-ο-α). Ο υπολογισμός του πεδίου ροής και των αεροδυναμικών συντελεστών του στροφείου ενός ανεμοκινητήρα επιτυγχάνεται κατά δύο τρόπους, με σκοπό την άμεση σύγκριση των αποτελεσμάτων με κριτήρια αφενός την ακρίβεια και αφετέρου την ευκολία ή πρακτικότητα που προσδιορίζεται κύρια σε όρους χρόνου υπολογισμού και διαθεσιμότητας υπολογιστικών πόρων. Οι δύο επιλεγμένοι τρόποι που διαφοροποιούνται στην φυσικο-μαθηματική μοντελοποίηση του προβλήματος ροής γύρω από το στροφείο του ανεμοκινητήρα, αποτελούν δύο δοκιμασμένες μεθοδολογίες ή τεχνικές ανάλυσης και σχεδιασμού περιστρεφόμενων στροφείων, τα οποία μπορούν να λειτουργούν ως κινητήριες μηχανές ή ως εργομηχανές, είναι η μέθοδος των επιφανειακών στοιχείων και η αριθμητική επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes. Για την αξιολόγηση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων επιλέχθηκε ως στροφείο αναφοράς, ο πειραματικός ανεμοκινητήρας NREL phase II. Ο αλγόριθμος των επιφανειακών στοιχείων συμπλέχτηκε με ολοκληρωτικά σχήματα πρόλεξης και υπολογισμού του οριακού στρώματος με σκοπό να συμπεριληφθούν τα φαινόμενα συνεκτικότητας της ροής. Πραγματοποιήθηκε παραμετρική ανάλυση του δρομέα του ανεμοκινητήρα για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας του. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων των συντελεστών πίεσης των περιστρεφόμενων πτερυγίων για τέσσερις θέσεις κατά το εκπέτασμα του πτερυγίου με τα πειραματικά δεδομένα δείχνει ικανοποιητική συμφωνία. Για την ανάλυση του πεδίου ροής που παράγεται γύρω από περιστρεφόμενους δρομείς α-ο-α χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD). Πραγματοποιήθηκαν RANS προσομοιώσεις για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας του ανεμοκινητήρα και για τέσσερα διαφορετικά μοντέλα τύρβης. Το k-ω SST μοντέλο τύρβης έχει τις μικρότερες αποκλίσεις με τα πειραματικά αποτελέσματα. Η αεροακουστική ανάλυση του στροφείου ενός ανεμοκινητήρα επιτυγχάνεται με την επίλυση της ακουστικής εξίσωσης Ffowcs-Williams Hawkings, μέσω ενός υπολογιστικού κώδικα που αναπτύχθηκε γι’ αυτό το σκοπό. Από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, φάνηκε στα ροδογράμματα κατευθυντικότητας του ήχου, τα επίπεδα της ακουστικής πίεσης να είναι υψηλότερα για θέσεις παρατηρητή ανάντη και κατάντη του ανεμοκινητήρα. / The aim of this study is to represent the aerodynamic and aeroacoustic analysis of horizontal axis wind turbine (ΗAWT) rotors. The calculation of the flow field and the aerodynamic coefficients over the wind turbine rotor are performed using two methodologies, the panel method and the numerical solution of Navier-Stokes equations. These two methodologies are differentiated in the mathematical modeling approach of the flow around the rotor and are utilized in the design and manufacturing phases of horizontal axis wind turbine rotors. Moreover, the results of these two methodologies are compared in terms of the accuracy and the computational time required. For the evaluation of the computational results the experimental wind turbine NREL phase II is chosen as the reference rotor. An invicid/viscous interaction algorithm is developed using integral boundary layer equations coupled with the low order panel method solution in order to account the viscous effects. A parametric analysis of the wind turbine rotor is conducted for different operating conditions. The comparison of the results of the pressure coefficients of the rotating blades for four spanwise positions along the blade with the experimental data shows satisfactory agreement. The analysis of the near and far flow field of HAWT is obtained via CFD by RANS simulations of four different turbulence models (Spalart-Allmaras, k-ε, k-ε RNG and k-ω SST). From the conducted study, it is confirmed the ability of analysis of a HAWT rotor flow field with the RANS equations and the good agreement of the computations with experimental data, when the k-ω SST turbulence model is used. The aeroacoustic analysis of the HAWT is based on the solution of the Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) equation via a computer code developed for this purpose. The radiation patterns of the calculated aeroacoustic noise show that high level amplitudes are calculated for upwind and downwind positions.

H παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Αναγνώρισης Προτύπων, του Τμήματος Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αποτελεί μέρος της ευρύτερης ερευνητικής δραστηριότητας του Εργαστηρίου στον τομέα του σχεδιασμού και της εφαρμογής των τεχνολογιών Υπολογιστικής Νοημοσύνης στην ανάλυση βιολογικών δεδομένων. Η διδακτορική αυτή διατριβή χρηματοδοτήθηκε από το πρόγραμμα Ηράκλειτος ΙΙ. Ο τομέας της πρωτεωμικής είναι ένα σχετικά καινούργιο και γρήγορα αναπτυσσόμενο ερευνητικό πεδίο. Μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στον τομέα της πρωτεωμικής είναι η αναδόμηση του πλήρους πρωτεϊνικού αλληλεπιδραστικού δικτύου μέσα στα κύτταρα. Εξαιτίας του γεγονότος, ότι οι πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στις βασικές λειτουργίες ενός κυττάρου, η ανάλυση αυτών των δικτύων μπορεί να αποκαλύψει τον ρόλο αυτών των αλληλεπιδράσεων στις ασθένειες καθώς και τον τρόπο με τον οποίο οι τελευταίες αναπτύσσονται. Παρόλα αυτά, είναι αρκετά δύσκολο να καταγραφούν και να μελετηθούν οι πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις ενός οργανισμού, καθώς το πρωτέωμα διαφοροποιείται από κύτταρο σε κύτταρο και αλλάζει συνεχώς μέσα από τις βιοχημικές του αλληλεπιδράσεις με το γονιδίωμα και το περιβάλλον. Ένας οργανισμός έχει ριζικά διαφορετική πρωτεϊνική έκφραση στα διάφορα σημεία του σώματός του, σε διαφορετικά στάδια του κύκλου ζωής του και υπό διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Δημιουργούνται, λοιπόν, δύο πάρα πολύ σημαντικοί τομείς έρευνας, που είναι, πρώτον, η εύρεση των πραγματικών πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων ενός οργανισμού που θα συνθέσουν το πρωτεϊνικό δίκτυο αλληλεπιδράσεων και, δεύτερον, η περαιτέρω ανάλυση του πρωτεϊνικού δικτύου για εξόρυξη πληροφορίας (εύρεση πρωτεϊνικών συμπλεγμάτων, καθορισμός λειτουργίας πρωτεϊνών κτλ). Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζονται καινοτόμες αλγοριθμικές τεχνικές Υπολογιστικής Νοημοσύνης για την πρόβλεψη πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων, τον υπολογισμό ενός βαθμού εμπιστοσύνης για κάθε προβλεφθείσα αλληλεπίδραση, την πρόβλεψη πρωτεϊνικών συμπλόκων από δίκτυα πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων και την πρόβλεψη της λειτουργίας πρωτεϊνών. Συγκεκριμένα, στο κομμάτι της πρόβλεψης και βαθμολόγησης πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων αναπτύχθηκε μια πληθώρα καινοτόμων τεχνικών ταξινόμησης. Αυτές κυμαίνονται από υβριδικούς συνδυασμούς μετα-ευρετικών μεθόδων και ταξινομητών μηχανικής μάθησης, μέχρι μεθόδους γενετικού προγραμματισμού και υβριδικές μεθοδολογίες ασαφών συστημάτων. Στο κομμάτι της πρόβλεψης πρωτεϊνικών συμπλόκων υλοποιήθηκαν δύο βασικές καινοτόμες μεθοδολογίες μη επιβλεπόμενης μάθησης, οι οποίες θεωρητικά και πειραματικά ξεπερνούν τα μειονεκτήματα των υπαρχόντων αλγορίθμων. Για τις περισσότερες από αυτές τις υλοποιηθείσες μεθοδολογίες υλοποιήθηκαν φιλικές προς τον χρήστη διεπαφές. Οι περισσότερες από αυτές τις μεθοδολογίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε άλλους τομείς. Αυτό πραγματοποιήθηκε με μεγάλη επιτυχία σε προβλήματα βιοπληροφορικής όπως η πρόβλεψη microRNA γονιδίων και mRNA στόχων τους και η μοντελοποίηση - πρόβλεψη οικονομικών χρονοσειρών. Πειραματικά, η μελέτη αρχικά επικεντρώθηκε στον οργανισμό της ζύμης (Saccharomyces cerevisiae), έτσι ώστε να αξιολογηθούν οι αλγόριθμοι, που υλοποιήθηκαν και να συγκριθούν με τις υπάρχουσες αλγοριθμικές μεθοδολογίες. Στη συνέχεια, δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στις πρωτεΐνες του ανθρώπινου οργανισμού. Συγκεκριμένα, οι καλύτερες αλγοριθμικές τεχνικές για την ανάλυση δεδομένων πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων εφαρμόστηκαν σε ένα σύνολο δεδομένων που δημιουργήθηκε για τον ανθρώπινο οργανισμό. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα την δημιουργία ενός πλήρους, σταθμισμένου δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων για τον άνθρωπο και την εξαγωγή των πρωτεϊνικών συμπλόκων, που υπάρχουν σε αυτό καθώς και τον λειτουργικό χαρακτηρισμό πολλών αχαρακτήριστων πρωτεϊνών. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης των δεδομένων πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων για τον άνθρωπο είναι διαθέσιμα μέσω μίας διαδικτυακής βάσης γνώσης HINT-KB (http://hintkb.ceid.upatras.gr), που υλοποιήθηκε στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής. Σε αυτή την βάση γνώσης ενσωματώνεται, από διάφορες πηγές, ακολουθιακή, δομική και λειτουργική πληροφορία για ένα τεράστιο πλήθος ζευγών πρωτεϊνών του ανθρώπινου οργανισμού. Επίσης, οι χρήστες μπορούν να έχουν προσβαση στις προβλεφθείσες πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις και στον βαθμό εμπιστοσύνης τους. Τέλος, παρέχονται εργαλεία οπτικοποίησης του δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων, αλλά και εργαλεία ανάκτησης των πρωτεϊνικών συμπλόκων που υπάρχουν σε αυτό και της λειτουργίας πρωτεϊνών και συμπλόκων. Το προβλήματα με τα οποία καταπιάνεται η παρούσα διδακτορική διατριβή έχουν σημαντικό ερευνητικό ενδιαφέρον, όπως τεκμηριώνεται και από την παρατιθέμενη στη διατριβή εκτενή βιβλιογραφία. Μάλιστα, βασικός στόχος είναι οι παρεχόμενοι αλγόριθμοι και υπολογιστικά εργαλεία να αποτελέσουν ένα οπλοστάσιο στα χέρια των βιοπληροφορικάριων για την επίτευξη της κατανόησης των κυτταρικών λειτουργιών και την χρησιμοποίηση αυτής της γνώσης για γονιδιακή θεραπεία διαφόρων πολύπλοκων πολυπαραγοντικών ασθενειών όπως ο καρκίνος. Τα σημαντικόταρα επιτεύγματα της παρούσας διατριβής μπορούν να συνοψισθούν στα ακόλουθα σημεία: • Παροχή ολοκληρωμένης υπολογιστικής διαδικασίας ανάλυσης δεδομένων πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων • Σχεδιασμός και υλοποίηση ευφυών τεχνικών πρόβλεψης και βαθμολόγησης πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων, που θα παρέχουν αποδοτικά και ερμηνεύσιμα μοντέλα πρόβλεψης. • Σχεδιασμός και υλοποίηση αποδοτικών αλγορίθμων μη επιβλεπόμενης μάθησης για την εξόρυξη πρωτεϊνικών συμπλόκων από δίκτυα πρωτεϊνικών αλληλλεπιδράσεων. • Δημιουργία μιας βάσης γνώσης που θα παρέχει στην επιστημονική κοινότητα όλα τα ευρήματα της ανάλυσης των δεδομένων πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων για τον ανθρώπινο οργανισμό. / The present dissertation was conducted in the Pattern Recognition Laboratory, of the Department of Computer Engineering and Informatics at the University of Patras. It is a part of the wide research activity of the Pattern Recognition Laboratory in the domain of designing, implementing and applying Computational Intelligence technologies for the analysis of biological data. The present dissertation was co-financed by the research program Hrakleitos II. The proteomics domain is a quite new and fast evolving research domain. One of the great challenges in the domain of proteomics is the reconstruction of the complete protein-protein interaction network within the cells. The analysis of these networks is able to uncover the role of protein-protein interactions in diseases as well as their developmental procedure, as protein-protein interactions play very important roles in the basic cellular functions. However, this is very hard to be accomplished as protein-protein interactions and the whole proteome is differentiated among cells and it constantly changes through the biochemical cellular and environment interactions. An organism has radically different protein expression in different tissues, in different phases of his life and under varying environmental conditions. Two very important domains of research are created. First, the identification of the real protein-protein interactions within an organism which will compose its protein interaction network. Second, the analysis of the protein interaction network to extract knowledge (search for protein complexes, uncovering of proteins functionality e.tc.) In the present dissertation novel algorithmic Computational Intelligent techniques are presented for the prediction of protein-protein interactions, the prediction of a confidence score for each predicted protein-protein interaction, the prediction of protein complexes and the prediction of proteins functionality. In particular, in the task of predicting and scoring protein-protein interactions, a wide range of novel classification techniques was designed and developed. These techniques range from hybrid combinations of meta-heuristic methods and machine learning classifiers, to genetic programming methods and fuzzy systems. For the task of predicting protein complexes, two novel unsupervised methods were designed and developed which theoretically and experimentally surpassed the limitations of existing methodologies. For most of the designed techniques user friendly interfaces were developed to allow their utilizations by other researchers. Moreover, many of the implemented techniques were successfully applied to other research domaines such as the prediction of microRNAs and their targets and the forecastment of financial time series. The experimental procedure, initially focused on the well studied organism of Yeast (Saccharomyces cerevisiae) to validate the performance of the proposed algorithms and compare them with existing computational methodologies. Then, it focuses on the analysis of protein-protein interaction data from the Human organism. In specific, the best algorithmic techniques, from the ones proposed in the present dissertation, were applied to a human protein-protein interaction dataset. This resulted to the construction of a weighted protein-protein interaction network of high coverage, to the extraction of human protein complexes and to the functional characterization of Human proteins and complexes. The results of the analysis of Human protein-protein interaction data are available in the web knowledge base HINT-KB (http://hintkb.ceid.upatras.gr) which was implemented during this dissertation. In this knowledge base, structural, functional and sequential information from various sources were incorporated for every protein pair. Moreover, HINTKB provide access to the predicted and scored protein-protein interactions and to the predicted protein complexes and their functional characterization. The problems which occupied the present dissertation have very significant research interest as it is proved by the provided wide bibliography. The basic goal is the provided algorithms and tools to contribute in the ultimate goal of systems biology to understand the cellular mechanisms and contribute in the development of genomic therapy of complex diseases such as cancer. The most important achievements of the present dissertation are summarized in the next points: • Providing an integrated computational framework for the analysis of protein-protein interaction data. • Designing and implementing intelligent techniques for predicting and scoring protein-protein interactions in an accurate and interpretable manner. • Designing and implementing effective unsupervised algorithmic techniques for extracting protein complexes and predicting their functionality. • Creating a knowledge base which will provide to the scientific community all the findings of the analysis conducted on the Human protein-protein interaction data.