The subject of this dissertation is the assessment and optimization of image quality for multiple-pinhole, multiple-camera SPECT systems. These systems collect gamma-ray photons emitted from an object using pinhole apertures. Conventional measures of image quality, such as the signal-to-noise ratio or the modulation transfer function, do not predict how well a system's images can be used to perform a relevant task. This dissertation takes the stance that the ultimate measure of image quality is to measure how well images produced from a system can be used to perform a task. Furthermore, we recognize that image quality is inherently a statistical concept that must be assessed for the average task performance across a large ensemble of images.The tasks considered in this dissertation are detection tasks. Namely we consider detecting a known three-dimensional signal embedded in a three-dimensional stochastic object using the Bayesian ideal observer. Out of all possible observers (human or otherwise) the ideal observer sets the absolute upper bound for detection task performance by using all possible information in the image data. By employing a stochastic object model we can account for the effects of object variability, which has a large effect on observer performance.An imaging system whose hardware has been optimized for ideal observer detection task performance is an imaging system that maximally transfers detection task relevant information to the image data.The theory and simulation of image quality, detection tasks, and gamma-ray imaging are presented. Assessments of ideal observer detection task performance are used to optimize imaging hardware for SPECT systems as well as to rank different imaging system designs.

In recent years, computational neuroscientists have suggested that human behaviour, including perception, occurs in a manner consistent with Bayesian inference. According to the Bayesian ideal observer model, the observer combines cues from multiple sensory streams as a weighted average based on each cue’s reliability. Most cue-combination research has focused on integration of cues between sensory modalities or within the visual modality. Cue combination within the tactile modality has been relatively rarely studied, and it is still not known whether cues from individual digits combine optimally. In this thesis, we use the ideal observer model to determine whether cues from three different digits are combined optimally. We predicted that cues from multiple digits would be combined according to the optimal cue combination model. To test our hypothesis, we devised a two-interval forced choice (2IFC) task where participants had to discriminate the distal/proximal location of a 1-mm thick edge across the fingerpad(s) of the index (D2), middle (D3), and ring (D4) fingers. We used a Bayesian adaptive method, the ψ method, to compute participants’ psychometric functions for single-digit (D2, D3, and D4) and multiple-digit (D23, D24, D34, and D234) conditions. We determined the stimulus level ∆x, the distance (mm) between the distal and proximal stimuli locations, at 76% correct probability. This distance corresponds to a sensitivity index d'=1 and is the σ value of the participant’s stimulus measurement distribution. We then used the single-digit σ values to predict optimal cue combination for the multiple-digits combinations. We did not observer optimal cue-combination between the digits in this study. We outline potential implications the results of this experimental have on determining how the nervous system combines cues between digits, focusing on theoretical and experimental updates to the experiment that might result in the observation of optimal cue combination between digits. / Thesis / Master of Science (MSc)

L’approche des capabilités a été caractérisée par un développement fulgurant au cours des vingt-cinq dernières années. Bien que formulée à l’origine par Amartya Sen, détenteur du Prix Nobel en économie, Martha Nussbaum reprit cette approche dans le but de s’en servir comme fondation pour une théorie éthico-politique intégrale du bien. Cependant, la version de Nussbaum s’avéra particulièrement vulnérable à plusieurs critiques importantes, mettant sérieusement en doute son efficacité globale. À la lumière de ces faits, cette thèse vise à évaluer la pertinence théorique et pratique de l’approche des capabilités de Nussbaum, en examinant trois groupes de critiques particulièrement percutantes formulées à son encontre. / The capabilities approach has seen significant development over the past quarter century, branching out into a variety of fields and directions. Originally developed by Nobel Prize Laureate Amartya Sen, Martha Nussbaum has sought to extend this approach beyond its mainly instrumental role into a tangible foundation for a full-fledged ethical-political theory of the good. However, this move has attracted a great number of criticisms levelled against Nussbaum’s specific version of the capabilities approach. In this thesis, I identify three main groups of observations under which said criticisms can be classified, and assess their respective strength and tenability.

La présente thèse avait pour mandat d’examiner la question suivante : quels sont les indices visuels utilisés pour catégoriser le sexe d’un visage et comment sont-ils traités par le cerveau humain? La plupart des études examinant l’importance de certaines régions faciales pour la catégorisation du sexe des visages présentaient des limites quant à leur validité externe. L’article 1 visait à investiguer l’utilisation des indices achromatiques et chromatiques (sur l’axe xy) dans un contexte de plus grande validité externe. Pour ce faire, nous avons utilisé la technique Bubbles afin d’échantillonner l’espace xy de visages en couleurs n’ayant subi aucune transformation. Afin d’éviter les problèmes liés à la grande répétition des mêmes visages, nous avons utilisé un grand nombre de visages (c.-à-d. 300 visages caucasiens d’hommes et de femmes) et chaque visage n’a été présenté qu’une seule fois à chacun des 30 participants. Les résultats indiquent que la région des yeux et des sourcils—probablement dans le canal blanc-noir—est l’indice le plus important pour discriminer correctement le genre des visages; et que la région de la bouche—probablement dans le canal rouge-vert—est l’indice le plus important pour discriminer rapidement et correctement le genre des visages. Plusieurs études suggèrent qu’un indice facial que nous n’avons pas étudié dans l’article 1—les distances interattributs—est crucial à la catégorisation du sexe. L’étude de Taschereau et al. (2010) présente toutefois des données allant à l’encontre de cette hypothèse : les performances d’identification des visages étaient beaucoup plus faibles lorsque seules les distances interattributs réalistes étaient disponibles que lorsque toutes les autres informations faciales à l’exception des distances interattributs réalistes étaient disponibles. Quoi qu’il en soit, il est possible que la faible performance observée dans la condition où seules les distances interattributs étaient disponibles soit explicable non par une incapacité d’utiliser ces indices efficacement, mais plutôt par le peu d’information contenue dans ces indices. L’article 2 avait donc comme objectif principal d’évaluer l’efficacité—une mesure de performance qui compense pour la faiblesse de l’information disponible—des distances interattributs réalistes pour la catégorisation du sexe des visages chez 60 participants. Afin de maximiser la validité externe, les distances interattributs manipulées respectaient la distribution et la matrice de covariance observées dans un large échantillon de visages (N=515). Les résultats indiquent que les efficacités associées aux visages ne possédant que de l’information au niveau des distances interattributs sont un ordre de magnitude plus faibles que celles associées aux visages possédant toute l’information que possèdent normalement les visages sauf les distances interattributs et donnent le coup de grâce à l’hypothèse selon laquelle les distances interattributs seraient cuciale à la discrimination du sexe des visages. L’article 3 avait pour objectif principal de tester l’hypothèse formulée à la fin de l’article 1 suivant laquelle l’information chromatique dans la région de la bouche serait extraite très rapidement par le système visuel lors de la discrimination du sexe. Cent douze participants ont chacun complété 900 essais d’une tâche de discrimination du genre pendant laquelle l’information achromatique et chromatique des visages était échantillonnée spatiotemporellement avec la technique Bubbles. Les résultats d’une analyse présentée en Discussion seulement confirme l’utilisation rapide de l’information chromatique dans la région de la bouche. De plus, l’utilisation d’un échantillonnage spatiotemporel nous a permis de faire des analyses temps-fréquences desquelles a découlé une découverte intéressante quant aux mécanismes d’encodage des informations spatiales dans le temps. Il semblerait que l’information achromatique et chromatique à l’intérieur d’une même région faciale est échantillonnée à la même fréquence par le cerveau alors que les différentes parties du visage sont échantillonnées à des fréquences différentes (entre 6 et 10 Hz). Ce code fréquentiel est compatible avec certaines évidences électrophysiologiques récentes qui suggèrent que les parties de visages sont « multiplexées » par la fréquence d’oscillations transitoires synchronisées dans le cerveau. / In this thesis, we asked which face cues are used for gender discrimination and how they are processed by the humain brain. The few studies have tried to answer this question used only a small set of grayscale stimuli, often distorted and presented a large number of times. In Article 1, we reassessed the importance of chromatic and achromatic facial cues for gender categorisation in a more realistic setting. We used the Bubbles technique to sample the xy plane of a set of 300 color photographs of Caucasian faces, each presented only once to 30 participants. Results show that the region of the eyes and the eyebrows—probably in the light-dark channel—is the most important facial cue for accurate gender discrimination; and that the mouth region is also driving fast correct responses (but not fast incorrect responses)—the gender discrimination information in the mouth region is concentrated in the red-green color channel. Several studies suggest that a cue which we did not examine in Article 1—interattribute distances (e.g. the interpupil distance)—is critical for gender discrimination. A recent study by Taschereau-Dumouchel et al. (2010) challenged this idea by showing that participants were nearly at chance when asked to identify faces on the sole basis of real-word interattribute distances, while they were nearly perfect when all other facial cues were shown. However, it remains possible that humans are highly tuned to interattribute distances but that the information conveyed by these cues is scarce. In Article 2, we tested this hypothesis by contrasting the efficiencies—a measure of performance that factors out task difficulty—of 60 observers in six face-gender categorization tasks. Most importantly, efficiencies for faces that varied only in terms of their interattribute distances were an order of magnitude lower than efficiencies for faces that varied in all respects except their interattribute distances or in all respects. These results provide a definitive blow to the idea that real-world interattribute distances are critical for face gender categorization. In Article 3, we tested and confirmed the hypothesis formulated at the end of Article 1 according to which observers would rapidly extract chromatic information in the mouth region during sex categorization. One hundred and twelve participants each performed 900 trials of a face gender categorization task in which the achromatic and isoluminant chromatic content of faces were partially revealed in space and time with Bubbles. This experiment also allowed us to perform time-frequency analyses, which showed that achromatic and isoluminant chromatic information within the same facial part were sampled by the brain at the same frequency, whereas different facial parts were sampled at distinct frequencies (ranging from 6 to 10 Hz). This sampling code is consistent with recent electrophysiological evidence suggesting that facial features are multiplexed by the frequency of transient synchronized oscillations in the brain.

L’approche des capabilités a été caractérisée par un développement fulgurant au cours des vingt-cinq dernières années. Bien que formulée à l’origine par Amartya Sen, détenteur du Prix Nobel en économie, Martha Nussbaum reprit cette approche dans le but de s’en servir comme fondation pour une théorie éthico-politique intégrale du bien. Cependant, la version de Nussbaum s’avéra particulièrement vulnérable à plusieurs critiques importantes, mettant sérieusement en doute son efficacité globale. À la lumière de ces faits, cette thèse vise à évaluer la pertinence théorique et pratique de l’approche des capabilités de Nussbaum, en examinant trois groupes de critiques particulièrement percutantes formulées à son encontre. / The capabilities approach has seen significant development over the past quarter century, branching out into a variety of fields and directions. Originally developed by Nobel Prize Laureate Amartya Sen, Martha Nussbaum has sought to extend this approach beyond its mainly instrumental role into a tangible foundation for a full-fledged ethical-political theory of the good. However, this move has attracted a great number of criticisms levelled against Nussbaum’s specific version of the capabilities approach. In this thesis, I identify three main groups of observations under which said criticisms can be classified, and assess their respective strength and tenability.