M.Sc. (Statistics)

Bildgesteuerte, perkutane Interventionen stellen bei vielen diagnostischen und therapeutischen Fragestellungen eine Alternative zum chirurgischen Vorgehen dar. Hierbei kommen bevorzugt die Sonographie und die Computertomographie (CT) zum Einsatz. Zu den Indikationen für eine gezielte Nutzung der Magnetresonanztomographie (MRT) zählen Befunde, die sich mit anderen Modalitäten nicht ausreichend darstellen lassen, die fehlende Strahlenexposition (CT) sowie Alleinstellungsmerkmale wie der hervorragende native Weichteilkontrast oder die Möglichkeiten zur Darstellung von Temperaturen oder Diffusionsprozessen. Zu den Nachteilen zählen die langen Messzeiten, das starke Magnetfeld sowie die räumliche Enge in den meist röhrenförmigen Geräten, die ein interventionelles Vorgehen oft erschweren. Stereotaktische Führungs- und Navigationshilfen sind kein notwendiger Bestandteil der interventionellen Ausrüstung, ermöglichen jedoch oft eine gezieltere Planung, bessere Visualisierung oder vereinfachte Durchführung, insbesondere gegenüber einer rein kognitiven Einbeziehung der MRT-Informationen. Assistenzsysteme für geschlossene MRT-Geräte sind meist rahmenbasiert und beschränken sich auf bestimmte Regionen, z. B. die Mamma, die Prostata oder das muskuloskelettale System. Diese Arbeit beschreibt hingegen eine leistungsstarke rahmenlose Assistenztechnik (Navigation), die sich praktisch in beliebigen Körperregionen einsetzen lässt. Der Operateur orientiert sich dabei anhand von hochwertigen MRT-Ansichten, die gemäß der in Echtzeit erfassten Nadellage aus einem kurz zuvor erhobenen Referenzdatensatz reformatiert werden. Ausgehend von der Implementierung an einem speziellen offenen MRT-System (0,5 T) werden interventionelle Komponenten und Methoden beschrieben, die erfolgreich auf ein herkömmliches MRT-System (1,5 T) übertragen wurden. Die Einschränkungen des geschlossenen Systems führten dabei zu einer speziellen Registrierungstechnik mit Hilfe einer kompakten, frei positionierbaren Referenzplatte mit resonanten Miniatur-Hochfrequenzspulen (semiaktiv) als MR-Positionsmarker. Im Vordergrund stand die systematische Prüfung der Marker hinsichtlich Signalverhalten und Sicherheit sowie die Zuverlässigkeit und Genauigkeit einer vollautomatischen, bildbasierten 3D-Lokalisation unter experimentellen und klinischen Randbedingungen. Gegenüber herkömmlichen, passiven (Kontrastmittel-) Markern zeichnet sich die semiaktive Technik dadurch aus, dass sie gleichzeitig, auch mehrere, beliebig über das gesamte Messvolumen verteilte Marker, praktisch unabhängig von sämtlichen anatomischen Strukturen lokalisieren kann. Sowohl die Festlegung einer Position (ein Marker) oder einer Ebene (drei Marker) wie auch die navigierte Platzierung einer Nadel zeigten im Experiment ausreichend hohe Genauigkeiten. Auf Basis einer zeitlich optimierten (Subsekunden-) Markerbildgebung konnte experimentell eine robotisch geführte Nadel direkt im MRT bildgebend verfolgt werden, was weitere Anwendungen der Lokalisationstechnik in Aussicht stellt. Navigierte Biopsien an einem Gewebephantom zeigten nach ausschließlich stereotaktischer Positionierung – ohne Kontrollbildgebung – unabhängig vom Erfahrungsgrad der medizinischen Anwender ausreichend hohe Trefferquoten. Gleichzeitig lieferte die Studie wertvolle, auch anwenderspezifische Erkenntnisse über die Bedienbarkeit sowie den Zeitbedarf für einzelne Interventionsschritte. Im Vergleich mit anderen prototypischen oder kommerziellen Systemen zeigte sich die vorgestellte Assistenztechnik – am Beispiel muskuloskelettaler Interventionen – als klinisch flexibel einsetzbar.

<p>Ova doktorska teza analizira problem re&scaron;avanja karakterističnih<br />jednačina, koje se koriste prilikom re&scaron;avanja jednačina svojstvenih<br />oblika, definisanih kroz harmonijski spojen metod konačnih<br />traka. U slučaju složenijih graničnih uslova pokazano<br />je da gre&scaron;ke određivanja korenova karakteristične jednačine rastu<br />gotovo eksponencijalno sa svakim narednim modom, usled<br />prirode s&acirc;mih karakterističnih jednačina. Tako dobijeni korenovi<br />karakteristične jednačine značajno i nepovoljno utiču na<br />tačnost re&scaron;avanja jednačina svojstvenih oblika, izračunavanja<br />određenih integrala, kao i celokupnih proračuna. Predstavljena<br />je hibridna metoda putem koje se na pouzdan nacin određuju<br />korenovi karakterističnih jednačina, re&scaron;avaju jednačine svojstvenih<br />oblika i izračunavaju određeni integrali. Razvijen je<br />prototip referentne Open Source implementacije hibridne metode,<br />uz podsistem za automatsku verifikaciju koji rigorozno<br />verifikuje karakteristike hibridne metode i njene referentne implementacije,<br />za sve navedene granične uslove i integrale.</p> / <p>This PhD thesis analyzes the problem of solving the characteristic<br />equations of the basic functions, as defined by the harmonic<br />coupled finite strip method. It&rsquo;s found that with each increasing<br />mode the characteristic equation root-finding error grows<br />exponentially for all but the most trivial edge boundary conditions,<br />due to the hyperbolic functions involved. These large rootfinding<br />errors will lead to severe accuracy issues when computing<br />basic functions and their integrals, especially for higher modes.<br />A hybrid method for accurately solving characteristic equations<br />and obtaining the required integrals is presented, along with its<br />reference Open Source implementation. An extensive test suite<br />has been developed to verify the hybrid method and its implementation<br />for all the presented boundary conditions and integrals.</p>

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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

L'acquisition de modèles 3D des scènes réelles trouve son utilité dans de nombreuses applications pratiques, comme l'archivage numérique, les jeux vidéo, l'ingénierie, la publicité. Il existe principalement deux méthodes pour acquérir un modèle 3D: la reconstruction avec un scanner laser (méthode active) et la reconstruction à partir de plusieurs photographies d'une même scène prise dans des points de vues différentes (méthode passive). Si la méthode active permet d'acquérir des modèles avec une grande précision, il est cependant coûteux et difficile à mettre en place pour de grandes scènes extérieures. La méthode passive, ou la stéréo multi-vues est en revanche plus flexible, facile à mettre en oeuvre et surtout moins coûteuse que la méthode active. Cette thèse s'attaque au problème de la reconstruction de stéréo multi-vues à grande échelle et précise pour les scènes extérieures. Nous améliorons des méthodes précédentes et les assemblons pour créer une chaîne de stéréo multi-vues efficace tirant parti de l'accélération de cartes graphiques. La chaîne produit des maillages de qualité à partir d'images de haute résolution, ce qui permet d'atteindre les meilleurs scores dans de nombreuses évaluations. Aux plus grandes échelles, nous développons d'une part des techniques de type diviser-pour-régner pour reconstruire des morceaux partiaux de la scène. D'autre part, pour combiner ces résultats séparés, nous créons une nouvelle méthode qui fusionne rapidement des centaines de maillages. Nous réussissons à reconstruire de beaux maillages urbains et des monuments historiques précis à partir de grandes collections d'images (environ 1600 images de 5M Pixel) / Acquisition of 3D model of real objects and scenes is indispensable and useful in many practical applications, such as digital archives, game and entertainment industries, engineering, advertisement. There are 2 main methods for 3D acquisition : laser-based reconstruction (active method) and image-based reconstruction from multiple images of the scene in different points of view (passive method). While laser-based reconstruction achieves high accuracy, it is complex, expensive and difficult to set up for large-scale outdoor reconstruction. Image-based, or multi-view stereo methods are more versatile, easier, faster and cheaper. By the time we begin this thesis, most multi-view methods could handle only low resolution images under controlled environment. This thesis targets multi-view stereo both both in large scale and high accuracy issues. We significantly improve some previous methods and combine them into a remarkably effective multi-view pipeline with GPU acceleration. From high-resolution images, we produce highly complete and accurate meshes that achieve best scores in many international recognized benchmarks. Aiming even larger scale, on one hand, we develop Divide and Conquer approaches in order to reconstruct many small parts of a big scene. On the other hand, to combine separate partial results, we create a new merging method, which can merge automatically and quickly hundreds of meshes. With all these components, we are successful to reconstruct highly accurate water-tight meshes for cities and historical monuments from large collections of high-resolution images (around 1600 images of 5 M Pixel images)

This study has aimed to investigate monitoring accuracy as a skill in an academic performance. First part of the study defined metacognitive monitoring theoretically as a strategy evolved from metacognitive strategies and based on self-regulated learning principles. Previous studies assert that monitoring accuracy is a beneficial skill that enhances performance regardless a domain of use. In order to give those claims empirical support in the Czech educational environment, the research has been carried out. Data have been collected from three classes of 6th graders within six weeks. Classes were assigned during the practice test into different settings: individual, competitive and cooperative. Reading comprehension has been selected as the monitored skill. The results corroborate the assumptions that monitoring accuracy training is beneficial both for performance and for increasing metacognitive skills to monitor. Secondary, the cooperative setting appeared to be the only one that both calibration accuracy and reading comprehension did significantly increase. The outcomes and recommendations for follow-up studies are discussed.

La prédiction d'un événement clinique à l'aide d'outils pronostiques est une question centrale en oncologie. L'émergence des biomarqueurs mesurés au cours du temps permet de proposer des outils incorporant les données répétées de ces biomarqueurs pour mieux guider le clinicien dans la prise en charge des patients. L'objectif de ce travail est de développer et valider des outils pronostiques dynamiques de rechute de cancer de la prostate, chez des patients traités initialement par radiothérapie externe, en prenant en compte les données répétées du PSA, l'antigène spécifique de la prostate, en plus des facteurs pronostiques standard. Ces outils sont dynamiques car ils peuvent être mis à jour à chaque nouvelle mesure disponible du biomarqueur. Ils sont construits à partir de modèles conjoints pour données longitudinales et de temps d'événement. Le principe de la modélisation conjointe est de décrire l'évolution du biomarqueur à travers un modèle linéaire mixte, décrire le risque d'événement à travers un modèle de survie et lier ces deux processus à travers une structure latente. Deux approches existent, les modèles conjoints à effets aléatoires partagés et les modèles conjoints à classes latentes. Dans un premier travail, nous avons tout d'abord comparé, en terme de qualité d'ajustement et de pouvoir prédictif, des modèles conjoints à effets aléatoires partagés différant par leur forme de dépendance entre le PSA et le risque de rechute clinique. Puis nous avons évalué et comparé ces deux approches de modélisation conjointe. Dans un deuxième travail, nous avons proposé un outil pronostique dynamique différentiel permettant d'évaluer le risque de rechute clinique suivant l'initiation ou non d'un second traitement (un traitement hormonal) au cours du suivi. Dans ces travaux, la validation de l'outil pronostique a été basée sur deux mesures de pouvoir prédictif: le score de Brier et l'entropie croisée pronostique. Dans un troisième travail, nous avons enfin décrit la dynamique des PSA après un second traitement de type hormonal chez des patients traités initialement par une radiothérapie seule. / The prediction of a clinical event with prognostic tools is a central issue in oncology. The emergence of biomarkers measured over time can provide tools incorporating repeated data of these biomarkers to better guide the clinician in the management of patients. The objective of this work is to develop and validate dynamic prognostic tools of recurrence of prostate cancer in patients initially treated by external beam radiation therapy, taking into account the repeated data of PSA, the Prostate-Specific Antigen, in addition to standard prognostic factors. These tools are dynamic because they can be updated at each available new measurement of the biomarker. They are built from joint models for longitudinal and time-to-event data. The principle of joint modelling is to describe the evolution of the biomarker through a linear mixed model, describe the risk of event through a survival model and link these two processes through a latent structure. Two approaches exist, shared random-effect models and joint latent class models. In a first study, we first compared in terms of goodness-of-fit and predictive accuracy shared random-effect models differing in the form of dependency between the PSA and the risk of clinical recurrence. Then we have evaluated and compared these two approaches of joint modelling. In a second study, we proposed a differential dynamic prognostic tool to evaluate the risk of clinical recurrence according to the initiation or not of a second treatment (an hormonal treatment) during the follow-up. In these works, validation of the prognostic tool was based on two measures of predictive accuracy: the Brier score and the prognostic cross-entropy. In a third study, we have described the PSA dynamics after a second treatment (hormonal) in patients initially treated by a radiation therapy alone.

The introduction of input devices with natural user interfaces in gaming hardware has changed the way we interact with games. Hardware with motion-sensing and gesture recognizing capabilities remove the constraint of interacting with games through typical traditional devices like mouse-keyboard and gamepads. This changes the way we approach games and how the game communicates back to us as the player opening new levels of interactivity. This thesis covers how eye tracker technology can be used to affect rendering effects in games.

<p>Despite an emphasis on oral communication in most foreign language classrooms, the resource-intensive nature (i.e. time and manpower) of speaking tests hinder regular oral assessments. A possible solution is the development of a (semi-) automated scoring system. When it is used in conjunction with human raters, the consistency of computers can complement human raters’ comprehensive judgments and increase efficiency in scoring (e.g., Enright & Quinlan, 2010). In search of objective and quantifiable variables that are strongly correlated with overall oral proficiency, a number of studies have reported that some utterance fluency variables (e.g., speech rate and mean length of run) might be strong predictors for L2 learners’ speaking ability (e.g., Ginther et al., 2010; Hirotani et al., 2017). However, these findings are difficult to generalize due to small sample sizes, narrow ranges of proficiency levels, and/or a lack of data from languages other than English. The current study analyzed spontaneous speech samples collected from 170 Japanese learners at a wide range of proficiency levels determined by a well-established speaking test, the American Council on the Teaching of Foreign Languages’ (ACTFL) Oral Proficiency Interview (OPI). Prior to analysis, 48 <i>Complexity, Accuracy, Fluency</i> (CAF) measures (with a focus on fluency variables) were calculated from the speech samples. First, the study examined the relationships among the CAF measures and learner oral proficiency assessed by the ACTFL OPI. Then, using an empirically-based approach, a feasibility of using a composite measure to predict L2 oral proficiency was investigated. The results revealed that <i>Speech Speed</i> and <i>Complexity</i> variables demonstrated strong correlation to the OPI levels, and moderately strong correlations were found for the variables in the following categories: <i>Speech Quantity, Pause</i>, <i>Pause Location</i> (i.e., Silent pause ratio within AS-unit), <i>Dysfluency</i> (i.e., Repeat ratio), and <i>Accuracy.</i> Then, a series of multiple regression analyses revealed that a combination of five CAF measures (i.e., Effective articulation rate, Silent pause ratio, Repeat ratio, Syntactic complexity, and Error-free AS-unit ratio) can predict 72.3% of the variance of the OPI levels. This regression model includes variables that correspond to Skehan’s (2009) proposed three categories of fluency (speed, breakdown, and repair) and variables that represent CAF, supporting the literature (e.g., Larsen-Freeman, 1978, Skehan, 1996).</p>