1,009 research outputs found

    Undergraduate Catalog of Studies, 2023-2024

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    Graduate Catalog of Studies, 2023-2024

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    Undergraduate Catalog of Studies, 2023-2024

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    Graduate Catalog of Studies, 2023-2024

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    Enhancing the forensic comparison process of common trace materials through the development of practical and systematic methods

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    An ongoing advancement in forensic trace evidence has driven the development of new and objective methods for comparing various materials. While many standard guides have been published for use in trace laboratories, different areas require a more comprehensive understanding of error rates and an urgent need for harmonizing methods of examination and interpretation. Two critical areas are the forensic examination of physical fits and the comparison of spectral data, which depend highly on the examiner’s judgment. The long-term goal of this study is to advance and modernize the comparative process of physical fit examinations and spectral interpretation. This goal is fulfilled through several avenues: 1) improvement of quantitative-based methods for various trace materials, 2) scrutiny of the methods through interlaboratory exercises, and 3) addressing fundamental aspects of the discipline using large experimental datasets, computational algorithms, and statistical analysis. A substantial new body of knowledge has been established by analyzing population sets of nearly 4,000 items representative of casework evidence. First, this research identifies material-specific relevant features for duct tapes and automotive polymers. Then, this study develops reporting templates to facilitate thorough and systematic documentation of an analyst’s decision-making process and minimize risks of bias. It also establishes criteria for utilizing a quantitative edge similarity score (ESS) for tapes and automotive polymers that yield relatively high accuracy (85% to 100%) and, notably, no false positives. Finally, the practicality and performance of the ESS method for duct tape physical fits are evaluated by forensic practitioners through two interlaboratory exercises. Across these studies, accuracy using the ESS method ranges between 95-99%, and again no false positives are reported. The practitioners’ feedback demonstrates the method’s potential to assist in training and improve peer verifications. This research also develops and trains computational algorithms to support analysts making decisions on sample comparisons. The automated algorithms in this research show the potential to provide objective and probabilistic support for determining a physical fit and demonstrate comparative accuracy to the analyst. Furthermore, additional models are developed to extract feature edge information from the systematic comparison templates of tapes and textiles to provide insight into the relative importance of each comparison feature. A decision tree model is developed to assist physical fit examinations of duct tapes and textiles and demonstrates comparative performance to the trained analysts. The computational tools also evaluate the suitability of partial sample comparisons that simulate situations where portions of the item are lost or damaged. Finally, an objective approach to interpreting complex spectral data is presented. A comparison metric consisting of spectral angle contrast ratios (SCAR) is used as a model to assess more than 94 different-source and 20 same-source electrical tape backings. The SCAR metric results in a discrimination power of 96% and demonstrates the capacity to capture information on the variability between different-source samples and the variability within same-source samples. Application of the random-forest model allows for the automatic detection of primary differences between samples. The developed threshold could assist analysts with making decisions on the spectral comparison of chemically similar samples. This research provides the forensic science community with novel approaches to comparing materials commonly seen in forensic laboratories. The outcomes of this study are anticipated to offer forensic practitioners new and accessible tools for incorporation into current workflows to facilitate systematic and objective analysis and interpretation of forensic materials and support analysts’ opinions

    Undergraduate Catalog of Studies, 2022-2023

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    Advances and Applications of DSmT for Information Fusion. Collected Works, Volume 5

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    This fifth volume on Advances and Applications of DSmT for Information Fusion collects theoretical and applied contributions of researchers working in different fields of applications and in mathematics, and is available in open-access. The collected contributions of this volume have either been published or presented after disseminating the fourth volume in 2015 in international conferences, seminars, workshops and journals, or they are new. The contributions of each part of this volume are chronologically ordered. First Part of this book presents some theoretical advances on DSmT, dealing mainly with modified Proportional Conflict Redistribution Rules (PCR) of combination with degree of intersection, coarsening techniques, interval calculus for PCR thanks to set inversion via interval analysis (SIVIA), rough set classifiers, canonical decomposition of dichotomous belief functions, fast PCR fusion, fast inter-criteria analysis with PCR, and improved PCR5 and PCR6 rules preserving the (quasi-)neutrality of (quasi-)vacuous belief assignment in the fusion of sources of evidence with their Matlab codes. Because more applications of DSmT have emerged in the past years since the apparition of the fourth book of DSmT in 2015, the second part of this volume is about selected applications of DSmT mainly in building change detection, object recognition, quality of data association in tracking, perception in robotics, risk assessment for torrent protection and multi-criteria decision-making, multi-modal image fusion, coarsening techniques, recommender system, levee characterization and assessment, human heading perception, trust assessment, robotics, biometrics, failure detection, GPS systems, inter-criteria analysis, group decision, human activity recognition, storm prediction, data association for autonomous vehicles, identification of maritime vessels, fusion of support vector machines (SVM), Silx-Furtif RUST code library for information fusion including PCR rules, and network for ship classification. Finally, the third part presents interesting contributions related to belief functions in general published or presented along the years since 2015. These contributions are related with decision-making under uncertainty, belief approximations, probability transformations, new distances between belief functions, non-classical multi-criteria decision-making problems with belief functions, generalization of Bayes theorem, image processing, data association, entropy and cross-entropy measures, fuzzy evidence numbers, negator of belief mass, human activity recognition, information fusion for breast cancer therapy, imbalanced data classification, and hybrid techniques mixing deep learning with belief functions as well

    Mathematical Problems in Rock Mechanics and Rock Engineering

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    With increasing requirements for energy, resources and space, rock engineering projects are being constructed more often and are operated in large-scale environments with complex geology. Meanwhile, rock failures and rock instabilities occur more frequently, and severely threaten the safety and stability of rock engineering projects. It is well-recognized that rock has multi-scale structures and involves multi-scale fracture processes. Meanwhile, rocks are commonly subjected simultaneously to complex static stress and strong dynamic disturbance, providing a hotbed for the occurrence of rock failures. In addition, there are many multi-physics coupling processes in a rock mass. It is still difficult to understand these rock mechanics and characterize rock behavior during complex stress conditions, multi-physics processes, and multi-scale changes. Therefore, our understanding of rock mechanics and the prevention and control of failure and instability in rock engineering needs to be furthered. The primary aim of this Special Issue “Mathematical Problems in Rock Mechanics and Rock Engineering” is to bring together original research discussing innovative efforts regarding in situ observations, laboratory experiments and theoretical, numerical, and big-data-based methods to overcome the mathematical problems related to rock mechanics and rock engineering. It includes 12 manuscripts that illustrate the valuable efforts for addressing mathematical problems in rock mechanics and rock engineering

    Deep Multimodality Image-Guided System for Assisting Neurosurgery

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    Intrakranielle Hirntumoren gehören zu den zehn häufigsten bösartigen Krebsarten und sind für eine erhebliche Morbidität und Mortalität verantwortlich. Die größte histologische Kategorie der primären Hirntumoren sind die Gliome, die ein äußerst heterogenes Erschei-nungsbild aufweisen und radiologisch schwer von anderen Hirnläsionen zu unterscheiden sind. Die Neurochirurgie ist meist die Standardbehandlung für neu diagnostizierte Gliom-Patienten und kann von einer Strahlentherapie und einer adjuvanten Temozolomid-Chemotherapie gefolgt werden. Die Hirntumorchirurgie steht jedoch vor großen Herausforderungen, wenn es darum geht, eine maximale Tumorentfernung zu erreichen und gleichzeitig postoperative neurologische Defizite zu vermeiden. Zwei dieser neurochirurgischen Herausforderungen werden im Folgenden vorgestellt. Erstens ist die manuelle Abgrenzung des Glioms einschließlich seiner Unterregionen aufgrund seines infiltrativen Charakters und des Vorhandenseins einer heterogenen Kontrastverstärkung schwierig. Zweitens verformt das Gehirn seine Form ̶ die so genannte "Hirnverschiebung" ̶ als Reaktion auf chirurgische Manipulationen, Schwellungen durch osmotische Medikamente und Anästhesie, was den Nutzen präopera-tiver Bilddaten für die Steuerung des Eingriffs einschränkt. Bildgesteuerte Systeme bieten Ärzten einen unschätzbaren Einblick in anatomische oder pathologische Ziele auf der Grundlage moderner Bildgebungsmodalitäten wie Magnetreso-nanztomographie (MRT) und Ultraschall (US). Bei den bildgesteuerten Instrumenten handelt es sich hauptsächlich um computergestützte Systeme, die mit Hilfe von Computer-Vision-Methoden die Durchführung perioperativer chirurgischer Eingriffe erleichtern. Die Chirurgen müssen jedoch immer noch den Operationsplan aus präoperativen Bildern gedanklich mit Echtzeitinformationen zusammenführen, während sie die chirurgischen Instrumente im Körper manipulieren und die Zielerreichung überwachen. Daher war die Notwendigkeit einer Bildführung während neurochirurgischer Eingriffe schon immer ein wichtiges Anliegen der Ärzte. Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines neuartigen Systems für die peri-operative bildgeführte Neurochirurgie (IGN), nämlich DeepIGN, mit dem die erwarteten Ergebnisse der Hirntumorchirurgie erzielt werden können, wodurch die Gesamtüberle-bensrate maximiert und die postoperative neurologische Morbidität minimiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit werden zunächst neuartige Methoden für die Kernbestandteile des DeepIGN-Systems der Hirntumor-Segmentierung im MRT und der multimodalen präope-rativen MRT zur intraoperativen US-Bildregistrierung (iUS) unter Verwendung der jüngs-ten Entwicklungen im Deep Learning vorgeschlagen. Anschließend wird die Ergebnisvor-hersage der verwendeten Deep-Learning-Netze weiter interpretiert und untersucht, indem für den Menschen verständliche, erklärbare Karten erstellt werden. Schließlich wurden Open-Source-Pakete entwickelt und in weithin anerkannte Software integriert, die für die Integration von Informationen aus Tracking-Systemen, die Bildvisualisierung und -fusion sowie die Anzeige von Echtzeit-Updates der Instrumente in Bezug auf den Patientenbe-reich zuständig ist. Die Komponenten von DeepIGN wurden im Labor validiert und in einem simulierten Operationssaal evaluiert. Für das Segmentierungsmodul erreichte DeepSeg, ein generisches entkoppeltes Deep-Learning-Framework für die automatische Abgrenzung von Gliomen in der MRT des Gehirns, eine Genauigkeit von 0,84 in Bezug auf den Würfelkoeffizienten für das Bruttotumorvolumen. Leistungsverbesserungen wurden bei der Anwendung fort-schrittlicher Deep-Learning-Ansätze wie 3D-Faltungen über alle Schichten, regionenbasier-tes Training, fliegende Datenerweiterungstechniken und Ensemble-Methoden beobachtet. Um Hirnverschiebungen zu kompensieren, wird ein automatisierter, schneller und genauer deformierbarer Ansatz, iRegNet, für die Registrierung präoperativer MRT zu iUS-Volumen als Teil des multimodalen Registrierungsmoduls vorgeschlagen. Es wurden umfangreiche Experimente mit zwei Multi-Location-Datenbanken durchgeführt: BITE und RESECT. Zwei erfahrene Neurochirurgen führten eine zusätzliche qualitative Validierung dieser Studie durch, indem sie MRT-iUS-Paare vor und nach der deformierbaren Registrierung überlagerten. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene iRegNet schnell ist und die besten Genauigkeiten erreicht. Darüber hinaus kann das vorgeschlagene iRegNet selbst bei nicht trainierten Bildern konkurrenzfähige Ergebnisse liefern, was seine Allgemeingültigkeit unter Beweis stellt und daher für die intraoperative neurochirurgische Führung von Nutzen sein kann. Für das Modul "Erklärbarkeit" wird das NeuroXAI-Framework vorgeschlagen, um das Vertrauen medizinischer Experten in die Anwendung von KI-Techniken und tiefen neuro-nalen Netzen zu erhöhen. Die NeuroXAI umfasst sieben Erklärungsmethoden, die Visuali-sierungskarten bereitstellen, um tiefe Lernmodelle transparent zu machen. Die experimen-tellen Ergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene XAI-Rahmen eine gute Leistung bei der Extraktion lokaler und globaler Kontexte sowie bei der Erstellung erklärbarer Salienzkar-ten erzielt, um die Vorhersage des tiefen Netzwerks zu verstehen. Darüber hinaus werden Visualisierungskarten erstellt, um den Informationsfluss in den internen Schichten des Encoder-Decoder-Netzwerks zu erkennen und den Beitrag der MRI-Modalitäten zur end-gültigen Vorhersage zu verstehen. Der Erklärungsprozess könnte medizinischen Fachleu-ten zusätzliche Informationen über die Ergebnisse der Tumorsegmentierung liefern und somit helfen zu verstehen, wie das Deep-Learning-Modell MRT-Daten erfolgreich verar-beiten kann. Außerdem wurde ein interaktives neurochirurgisches Display für die Eingriffsführung entwickelt, das die verfügbare kommerzielle Hardware wie iUS-Navigationsgeräte und Instrumentenverfolgungssysteme unterstützt. Das klinische Umfeld und die technischen Anforderungen des integrierten multimodalen DeepIGN-Systems wurden mit der Fähigkeit zur Integration von (1) präoperativen MRT-Daten und zugehörigen 3D-Volumenrekonstruktionen, (2) Echtzeit-iUS-Daten und (3) positioneller Instrumentenver-folgung geschaffen. Die Genauigkeit dieses Systems wurde anhand eines benutzerdefi-nierten Agar-Phantom-Modells getestet, und sein Einsatz in einem vorklinischen Operati-onssaal wurde simuliert. Die Ergebnisse der klinischen Simulation bestätigten, dass die Montage des Systems einfach ist, in einer klinisch akzeptablen Zeit von 15 Minuten durchgeführt werden kann und mit einer klinisch akzeptablen Genauigkeit erfolgt. In dieser Arbeit wurde ein multimodales IGN-System entwickelt, das die jüngsten Fort-schritte im Bereich des Deep Learning nutzt, um Neurochirurgen präzise zu führen und prä- und intraoperative Patientenbilddaten sowie interventionelle Geräte in das chirurgi-sche Verfahren einzubeziehen. DeepIGN wurde als Open-Source-Forschungssoftware entwickelt, um die Forschung auf diesem Gebiet zu beschleunigen, die gemeinsame Nut-zung durch mehrere Forschungsgruppen zu erleichtern und eine kontinuierliche Weiter-entwicklung durch die Gemeinschaft zu ermöglichen. Die experimentellen Ergebnisse sind sehr vielversprechend für die Anwendung von Deep-Learning-Modellen zur Unterstützung interventioneller Verfahren - ein entscheidender Schritt zur Verbesserung der chirurgi-schen Behandlung von Hirntumoren und der entsprechenden langfristigen postoperativen Ergebnisse
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