Modern Regularization Methods for Inverse Problems

Regularization methods are a key tool in the solution of inverse problems. They are used to introduce prior knowledge and allow a robust approximation of ill-posed (pseudo-) inverses. In the last two decades interest has shifted from linear to nonlinear regularization methods, even for linear inverse problems. The aim of this paper is to provide a reasonably comprehensive overview of this shift towards modern nonlinear regularization methods, including their analysis, applications and issues for future research. In particular we will discuss variational methods and techniques derived from them, since they have attracted much recent interest and link to other fields, such as image processing and compressed sensing. We further point to developments related to statistical inverse problems, multiscale decompositions and learning theory.Leverhulme Trust Early Career Fellowship ‘Learning from mistakes: a supervised feedback-loop for imaging applications’ Isaac Newton Trust Cantab Capital Institute for the Mathematics of Information ERC Grant EU FP 7 - ERC Consolidator Grant 615216 LifeInverse German Ministry for Science and Education (BMBF) project MED4D EPSRC grant EP/K032208/

Deconvolution of Quantized-Input Linear Systems: An Information-Theoretic Approach

The deconvolution problem has been drawing the attention of mathematicians, physicists and engineers since the early sixties. Ubiquitous in the applications, it consists in recovering the unknown input of a convolution system from noisy measurements of the output. It is a typical instance of inverse, ill-posed problem: the existence and uniqueness of the solution are not assured and even small perturbations in the data may cause large deviations in the solution. In the last fifty years, a large amount of estimation techniques have been proposed by different research communities to tackle deconvolution, each technique being related to a peculiar engineering application or mathematical set. In many occurrences, the unknown input presents some known features, which can be exploited to develop ad hoc algorithms. For example, prior information about regularity and smoothness of the input function are often considered, as well as the knowledge of a probabilistic distribution on the input source: the estimation techniques arising in different scenarios are strongly diverse. Less effort has been dedicated to the case where the input is known to be affected by discontinuities and switches, which is becoming an important issue in modern technologies. In fact, quantized signals, that is, piecewise constant functions that can assume only a finite number of values, are nowadays widespread in the applications, given the ongoing process of digitization concerning most of information and communication systems. Moreover, hybrid systems are often encountered, which are characterized by the introduction of quantized signals into physical, analog communication channels. Motivated by such consideration, this dissertation is devoted to the study of the deconvolution of continuous systems with quantized input; in particular, our attention will be focused on linear systems. Given the discrete nature of the input, we will show that the whole problem can be interpreted as a paradigmatic digital transmission problem and we will undertake an Information-theoretic approach to tackle it. The aim of this dissertation is to develop suitable deconvolution algorithms for quantized-input linear systems, which will be derived from known decoding procedures, and to test them in different scenarios. Much consideration will be given to the theoretical analysis of these algorithms, whose performance will be rigorously described in mathematical terms

DETERMINISTIC SEA WAVE AND SHIP MOTION FORECASTING: FROM REMOTE WAVE SENSING TO PREDICTION ERROR ASSESSMENT

Presently, the assessment of the operational safety of ships and offshore structures is typically addressed within a statistical framework, both at design stage and for the specification of operational limits. Recently, however, the availability of new remote sensing technologies is paving the way for complementary approaches based on deterministic predictions of sea waves and ship motions. In this respect, the marine wave radar is considered as the key asset for the deterministic prediction of wave elevation. Indeed, the possibility of measuring the sea surface, almost instantaneously and for large areas, can be used to forecast the wave elevation at the location of the operating units. Eventually, the coupling of deterministic wave forecast with suitable ship motion models opens the possibility for giving anticipated prediction and guidance. The application of this emerging approach can be beneficial to those short-time offshore operations requiring sea wave or ship motions to be forecast in the time horizon of tens of seconds to minutes. This envisages the possibility of development of finely tuned early warning, hazard control and support decision systems. One of the main aspects of this chain of models, which is oftentimes overlooked, is the importance of providing the forecast with a consistent assessment of the prediction error. Moreover, the additional sources of uncertainty coming from the wave measurement and from the inversion of the wave radar images are also seldom accounted for. In this thesis, the whole chain of models, that from the wave radar measurement leads to the ship motion prediction, is investigated. The first step is the proposal of a novel technique for the inversion of wave radar images that can consistently account for those regions of the sea surface that cannot be uniformly illuminated because of the shadowing effect. The adoption of a linear least square fitting approach, provided with a regularization technique, allows the proposed inversion method the needed flexibility to address the shadowed regions as missing data. Afterwards, the assessment of the error associated with deterministic wave predictions is addressed. A novel semi-analytical procedure is proposed which allows estimating the ensemble variance of prediction error, in a simple and flexible way, naturally embedding the characteristics of the linear fitting and propagation procedures. The approach also allows the inclusion, in the estimation of prediction error, of the effect of measurement error coming from the radar inversion techniques. The same technique for the estimation of wave elevation prediction error is then extended to linear ship motions, using linear transfer functions. In fact, the developed framework can deal with any linear transformation of the wave elevation, resulting in the definition of a sound measure of the prediction error of linear responses. The method can be used to provide deterministic predictions with confidence intervals, as well as for a consistent setup of the whole forecasting chain. The developed models are then tested for a set of application examples considering both linear and nonlinear wave fields. In this latter respect, a high order spectral method has been implemented to provide more realistic wave elevation fields. Example applications regarding linear ship motions have also been carried out. The proposed inversion procedure has shown interesting results for synthetic radar images generated from both linear and moderately nonlinear wave fields. However, further investigations are needed to reduce the high computational cost required for the inversion. The proposed approach for wave and ship motion prediction error, instead, can represent a convenient novel sound method for the consistent setup of deterministic prediction procedures, remaining, however, limited to those scenarios where nonlinearities play a minor role

Deconvolution of Quantized-Input Linear Systems : an Information-Theoretic Approach

The deconvolution problem has been drawing the attention of mathematicians, physicists and engineers since the early sixties. Ubiquitous in the applications, it consists in recovering the unknown input of a convolution system from noisy measurements of the output. It is a typical instance of inverse, ill-posed problem: the existence and uniqueness of the solution are not assured and even small perturbations in the data may cause large deviations in the solution. In the last fifty years, a large amount of estimation techniques have been proposed by di fferent research communities to tackle deconvolution, each technique being related to a peculiar engineering application or mathematical set. In many occurrences, the unknown input presents some known features, which can be exploited to develop ad hoc algorithms. For example, prior information about regularity and smoothness of the input function are often considered, as well as the knowledge of a probabilistic distribution on the input source: the estimation techniques arising in diff erent scenarios are strongly diverse. Less eff ort has been dedicated to the case where the input is known to be aff ected by discontinuities and switches, which is becoming an important issue in modern technologies. In fact, quantized signals, that is, piecewise constant functions that can assume only a fi nite number of values, are nowadays widespread in the applications, given the ongoing process of digitization concerning most of information and communication systems. Moreover, hybrid systems are often encountered, which are characterized by the introduction of quantized signals into physical, analog communication channels. Motivated by such consideration, this dissertation is devoted to the study of the deconvolution of continuous systems with quantized input; in particular, our attention will be focused on linear systems. Given the discrete nature of the input, we will show that the whole problem can be interpreted as a paradigmatic digital transmission problem and we will undertake an Information-theoretic approach to tackle it. The aim of this dissertation is to develop suitable deconvolution algorithms for quantized-input linear systems, which will be derived from known decoding procedures, and to test them in diff erent scenarios. Much consideration will be given to the theoretical analysis of these algorithms, whose performance will be rigorously described in mathematical terms

Influence of Tissue Conductivity Inhomogeneity and Anisotropy on EEG/MEG based Source Localization in the Human Brain

The inverse problem in Electro- and Magneto-EncephaloGraphy (EEG/MEG) aims at reconstructing the underlying current distribution in the human brain using potential differences and/or magnetic fluxes that are measured non-invasively directly, or at a close distance, from the head surface. The solution requires repeated computation of the forward problem, i.e., the simulation of EEG and MEG fields for a given dipolar source in the brain using a volume-conduction model of the head. The associated differential equations are derived from the Maxwell equations. Not only do various head tissues exhibit different conductivities, some of them are also anisotropic conductors as, e.g., skull and brain white matter. To our knowledge, previous work has not extensively investigated the impact of modeling tissue anisotropy on source reconstruction. Currently, there are no readily available methods that allow direct conductivity measurements. Furthermore, there is still a lack of sufficiently powerful software packages that would yield significant reduction of the computation time involved in such complex models hence satisfying the time-restrictions for the solution of the inverse problem. In this dissertation, techniques of multimodal Magnetic Resonance Imaging (MRI) are presented in order to generate high-resolution realistically shaped anisotropic volume conductor models. One focus is the presentation of an improved segmentation of the skull by means of a bimodal T1/PD-MRI approach. The eigenvectors of the conductivity tensors in anisotropic white matter are determined using whole head Diffusion-Tensor-MRI. The Finite Element (FE) method in combination with a parallel algebraic multigrid solver yields a highly efficient solution of the forward problem. After giving an overview of state-of-the-art inverse methods, new regularization concepts are presented. Next, the sensitivity of inverse methods to tissue anisotropy is tested. The results show that skull anisotropy affects significantly EEG source reconstruction whereas white matter anisotropy affects both EEG and MEG source reconstructions. Therefore, high-resolution FE forward modeling is crucial for an accurate solution of the inverse problem in EEG and MEG.Motivation und Einordnung: Seit nun fast drei Jahrzehnten werden im Bereich der Kognitionswissenschaften und in klinischer Forschung und Routine die Quellen elektrischer Aktivitaet im menschlichen Gehirn anhand ihrer ueber das Elektroenzephalogramm (EEG) an der Kopfoberflaeche gemessenen Potentialverteilung bzw. ihres ueber das Magnetoenzephalogramm (MEG) in einigen Zentimetern Entfernung davon gemessenen magnetischen Flusses rekonstruiert. Im Vergleich zu anderen funktionellen Bildgebungsmethoden wie z.B. die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) hat die EEG/MEG-Quellrekonstruktion den Vorteil einer sehr hohen zeitlichen Aufloesung. Die gemessene Aktivitaet ist das Resultat von Ionenbewegungen in aktivierten kortikalen Regionen des Gehirns, den sog. Primaerstroemen. Schon im Jahr 1949 wurden erstmals die Primaerstroeme ueber Stromdipole mathematisch modelliert. Der Primaerstrom erzeugt R\'uckstr\'ome im leitf\'ahigen Gewebe des Kopfes, die sog. {\em Sekund\'arstr\'ome}. Die Rekonstruktion der Dipolquellen wird das {\em EEG/MEG inverse Problem} genannt. Dessen L\'osung erfordert die wiederholte Berechnung des {\em Vorw\'arts\-problems}, d.h. der Simulation der EEG/MEG-Feldverteilung f\'ur eine gegebene Dipolquelle im Gehirn. Ein erstes Anwendungsgebiet f\/indet sich in der Diagnose und Therapie von pharma-resistenten Epilepsien, von denen ca. 0,25\% der Weltbev\'olkerung betroffen sind und f\'ur die sich in den letzten Jahrzehnten eine systematische chirurgische Behandlung ent\-wickelt hat. Voraussetzung f\'ur einen die restlichen Gehirnregionen schonenden chirurgischen Eingrif\/f ist die Kenntnis der Lage und Ausdehnung der epileptischen Zentren. Bisher wurden diese Charakteristika in den Patienten stark belastenden invasiven Untersuchungen wie zum Beispiel Subdural- oder Tiefen-Elektroden gewonnen. Die bioelektrischen Signale von Epilepsiekranken weisen zwischen den Anfallsereignissen sog. interiktale Spikes auf. Die nicht-invasive Messung des EEG/MEG dieser interiktalen Spikes und die anschlie{\ss}ende Berechnung des epileptischen Zentrums belastet den Patienten nicht. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die pr\'aoperative Ermittlung der Lage wichtiger funk\-tio\-nell-zu\-sam\-men\-h\'angender Zentren im Gehirn, z.B.~des prim\'ar-mo\-to\-ri\-schen, des prim\'ar-au\-di\-to\-rischen oder prim\'ar-somatosensorischen Cortex. Bei Operationen in diesen Bereichen (z.B.~Tumoroperationen) k\'onnten L\'ahmungen, H\'or- und Sensibilit\'atsst\'orungen vermieden werden. Dazu werden \'uber akustische oder sensorische Reize charakteristische Signale evoziert und \'uber Summationstechniken sichtbar gemacht. Durch das L\'osen des inversen Problems wird versucht, die zugrunde liegende Quellstruktur zu ermitteln. Neben den aufgef\'uhrten klinischen Anwendungen ergeben sich auch zahlreiche Anwendungsfelder in der Kognitionswissenschaft. Von Interesse sind z.B.~funktionelle Zusammenh\'ange im Gehirn und die Aufdeckung der aktivierten Areale w\'ahrend der Verarbeitung eines Reizes, wie z.B. der Sprachverarbeitung im Gehirn. Die L\'osung des Vorw\'artsproblems impliziert die Mo\-del\-lierung des Kopfes als Volumenleiter. Es ist bekannt, dass in makroskopischer Hinsicht Gewebe wie die Kopfhaut, der Sch\'adel, die Zerebrospinalfl\'ussigkeit (engl.: CSF) und die Hirngewebe graue und wei{\ss}e Substanz (engl.: GM und WM) verschiedene Leitf\'ahigkeiten besitzen. Der menschliche Sch\'adel ist aus drei Schichten aufgebaut, eine relativ gut leitf\'ahige spongi\'ose Schicht wird von zwei stark isolierenden Schichten, den \'au{\ss}eren und inneren Kompakta, eingeschlossen. In radialer Richtung durch den Sch\'adel handelt es sich also um eine Reihenschaltung von hohem, niedrigem und hohem Widerstand, wohingegen in den tangentialen Richtungen die Leiter parallel geschaltet sind. Als Ganzes gesehen besitzt der Sch\'adel demnach eine richtungsabh\'angige oder {\em anisotrope} Leitf\'ahigkeit mit einem gemessenen Verh\'altnis von bis zu 1 zu 10. F\'ur die faserige WM wurde ebenfalls eine Anisotropie mit einem \'ahnlichen Verh\'altnis (senkrecht zu parallel zu den Fasern) nachgewiesen. Leider existiert bis heute keine direkte Methode, die Leitf\'ahigkeit der WM nicht-invasiv in gen\'ugender Aufl\'osung zu ermittelt. Seit einigen Jahren werden aller\-dings Formalismen diskutiert, die den gesuchten Leitf\'ahigkeitstensor in Bezug setzen zum Wasserdiffusionstensor, der in WM nicht-invasiv \'uber die Diffusionstensor-MRT (DT-MRT) gemessen werden kann. Nat\'urlich wird keine fundamentale Beziehung zwischen der freien Beweglichkeit von Ionen und Wasserteilchen angenommen, sondern lediglich, dass die eingeschr\'ankte Mobilit\'at \'uber die Fasergeometrie der WM in Beziehung steht. Heutzutage werden verschiedene Ans\'atze f\'ur die L\'osung des Vor\-w\'arts\-pro\-blems genutzt und mit steigender Genauigkeit der Modellierung des Kopfvolumenleiters erh\'oht sich die Komplexit\'at der numerischen Feldberechnungen. Einfache Modelle, die immer noch am h\'aufigsten Gebrauchten, beschreiben den Kopf als Mehrschalenkugel-Leiter mit \'ublicherweise drei Schichten, die die Kopfhaut, den Sch\'adel und das Gehirn repr\'asentieren. Um besser auf die Geometrie der drei modellierten Oberfl\'achen einzugehen, wurden sog. BE-Modelle (von engl.: Boundary Element) entwickelt, die sich f\'ur isotrop leitf\'ahige Schichten eignen. Um sowohl auf realistische Geometrien als auch auf Anisotropien und Inhomogenit\'aten eingehen zu k\'onnen, wurden Finite-Elemente (FE) Modelle des Kopfes ent\-wi\-ckelt. Zwei wichtige Fragen stellen sich nun: Ist eine exakte Modellierung der vorgestellten Gewebeleitf\'ahigkeits-Anisotropien n\'otig und in welchen F\'allen reichen weniger berechnungsaufwendige Verfahren aus? Wie k\'onnen komplexe FE-Vorw\'artsmodelle hinreichend beschleunigt werden, um den Zeitrestriktionen f\'ur inverse Quellrekonstruktionen in den Anwendungen zu gen\'ugen? Es existieren zahlreiche Arbeiten, die, basierend auf FE-Modellen des Kopfes, gezeigt haben, dass \'Offnungen im Sch\'adel wie z.B. diejenige, durch die der optische Nerv eintritt oder das okzipitale Loch des Hirnstamms, oder Inhomogenit\'aten wie L\'asionen im Gehirn oder die Sutura des Sch\'adels (insbesondere bei Kleinkindern, wo die Sutura noch nicht geschlossen sind) einen nicht vernachl\'assigbaren Einfluss auf das EEG/MEG-Vorw\'arts\-problem haben. Eine erste Studie bzgl. der Sensitivit\'at zweier ausgew\'ahlter EEG-Rekonstruktionsverfahren wies teils gro{\ss}e Fehler im Falle der Nichtbeachtung von Sch\'adel-Anisotropie nach. Insbesondere f\'ur diverse klinische Anwendungen wird der sog. {\em single dipole fit} im kontinuierlichen Parameterraum verwendet. Aufgrund des hohen Berechnungsaufwands wurden solche Verfahren bisher noch nicht auf ihre Sensitivit\'at auf Sch\'adel\-anisotropie getestet. Obwohl bereits eine Studie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG/MEG-Vorw\'artssimulation zeigte, gibt es noch keinerlei Ergebnis zur Aus\-wir\-kung der WM-Anisotropie auf inverse Rekonstruktionsverfahren. Die L\'osung des inversen Problems ist im allgemeinen nicht eindeutig. Viele Dipol-Quell\-konfi\-gura\-tionen k\'onnen ein und dieselbe EEG und MEG Feldverteilung erzeugen. Zus\'atz\-liche Annahmen \'uber die Quellen sind dementsprechend unerl\'asslich. Bei den sog. {\em fokalen Rekonstruktionsmethoden} wird die Annahme gemacht, dass einige wenige Dipole den gemessenen Daten zugrunde liegen. Diese Dipole (Anzahl, Ort, Richtung, St\'arke) sollen innerhalb des anatomisch und physiologisch sinnvollen Suchgebiets so ermittelt werden, dass die Messwerte m\'oglichst genau erkl\'art werden, gleichzeitig aber das Rauschen keinen zu starken Einfluss auf die L\'osung nimmt und die Algorithmen stabil in Bezug auf eine \'Ubersch\'atzung der Anzahl aktiver Quellen bleiben. Bei diesen, wie auch bei den sog. {\em Stromdichterekonstruktionsverfahren}, wird sich das Konzept der Regularisierung als eine wichtige Methode herausstellen. Wissenschaftliche Ergebnisse der Dissertation: Die Ergebnisse der vorgelegten Dissertation k\'onnen in vier Teilbereiche aufgeteilt werden. Im ersten Teilbereich wurden Methoden zur Registrierung und Segmentierung multimodaler MR-Bilder vorgestellt mit dem Ziel, ein {\bf realistisches anisotropes Multigewebe Kopfmodell} zu generieren. In der Literatur wurde von gr\'o{\ss}eren EEG- und MEG-Quell\-rekonstruktions\-fehlern aufgrund mangelhafter Modellierung insbesondere der inneren Sch\'a\-del\-kante berichtet. Ein erster Fokus dieser Arbeit lag dementsprechend auf einer verbesserten Segmentierung dieser Kante, die \'uber ein auf dem T1-gewichteten MRT (T1-MRT) registrierten Protonendichte-ge\-wich\-teten MRT (PD-MRT) gewonnen wurde. Die innere Sch\'a\-del\-kante zeichnet sich im PD-MRT im Gegensatz zum T1-MRT durch einen hohen Kontrast zwischen CSF (protonenreich) und Knochen (protonenarm) aus. Das T1-MRT wurde hingegen f\'ur die Segmentierung der Kopfhaut, der GM und der WM verwendet. Die Standardtechnik im Bereich der EEG/MEG-Quellrekonstruktion nutzt lediglich ein T1-MRT und gewinnt die gesuchte innere Sch\'adelkante \'uber ein Gl\'atten und Aufblasen der segmentierten Hirnoberfl\'ache. Im Vergleich beider Methoden konnte eine Verbesserung der Segmentierung von bis zu 8,5mm in Gebieten erzielt werden, in denen die Standardmethode die Dicke der CSF-Schicht untersch\'atzte. \'Uber die vorgestellten Methoden, insbesondere der Segmentierung unter Ber\'ucksichtigung der MR-Inhomogenit\'aten, konnte zudem eine sehr exakte Modellierung der GM erzielt werden, welche dann als anatomische und auch physiologische Nebenbedingung in die Quellrekonstruktion eingebettet werden kann. Zur realistischen Modellierung der An\-iso\-tropie der Sch\'adelschicht wurde ein deformierbares Modell eingesetzt, welches eine gegl\'attete Spongiosaoberfl\'ache darstellt und somit ein Abgreifen der Leitf\'ahigkeitstensor-Eigenvektoren in radialer Knochenrichtung erm\'oglicht. Die Eigenvektoren der WM-Tensoren wurden \'uber Ganzkopf-DT-MRT gemessen. Sch\'adel- und WM-Tensor-Eigen\-werte wurden entweder unter Ausnutzung publizierter Werte simuliert oder gem\'a{\ss} einem differentialen EMA (von engl.: Effective Medium Approach) ermittelt. Der zweite Teilbereich betraf die {\bf schnelle hochaufgel\'oste FE-Modellierung} des EEG/ MEG-Vorw\'artsproblems. Zun\'achst wurde ein \'Uberblick \'uber die Theorie gegeben und die praktische Realisierung der sp\'ater eingesetzten hochaufgel\'osten anisotropen FE-Volumen\-leiter\-modelle vorgestellt. In numerischen Genauigkeitsstudien konnte nachgewiesen werden, dass Hexaeder-FE-Netze, welche ein Verschieben der St\'utzpunkte zur Gl\'attung an Gewebekanten nutzen, vorteilhaft sind zu herk\'ommlichen Hexaeder-Netzen. Dazu wurden die Reihenentwicklungsformeln f\'ur das Mehrschalenkugel-Modell eingesetzt. Ein wei\-terer Fokus dieser Arbeit lag auf dem Einsatz schneller FE-L\'osungsmethoden, welche die praktische Anwendbarkeit von hochaufgel\'osten anisotropen FE-Kopfmodellen in den verschiedenen Anwendungsgebieten erm\'oglichen sollte. In einem Zeitvergleich zwischen dem neu in die Software integrierten parallelen (12 Prozessoren) algebraischen Mehrgitter- und dem Standard-Einprozessor-Jacobi-Vor\-kon\-di\-tio\-nierer f\'ur das Verfahren der konjugierten Gradienten konnte f\'ur hochaufgel\'oste anisotrope FE-Kopfmodelle ein Beschleunigungsfaktor von mehr als 100 erzielt werden. Im dritten Teilbereich, den {\bf Methoden zum inversen Problem}, wurden neben einem \'Uber\-blick \'uber fokale Rekonstruktions\-verfahren und Stromdichte\-rekon\-struk\-tions\-verfahren algorithmische Neuentwicklungen pr\'asentiert. Es wurde zun\'achst die Methode des {\em single dipole fit} in die FE-Modellierung eingef\'uhrt. F\'ur multiple dipolare Quellen wurde ein {\em Si\-mu\-lated Annealing} Algorithmus in Kombination mit einer abgeschnittenen Singul\'arwertzerlegung im diskreten Parameterraum entwickelt. Im Vergleich zu Standardmethoden zeigte der Algorithmus in verschiedenen Si\-mu\-lations\-studien eine ver\-bes\-serte F\'ahigkeit der Unterscheidung zwischen realen und sog. {\em ghost} Quellen. Des Weiteren wurde eine k\'urzlich in der Literatur vorgestellte raum-zeitliche Regularisierungsme\-thode auf die Stromdichterekonstruktion und, als zweite Anwendung, auf die dynamische Impedanztomographie angewandt. Der raum-zeitliche Ansatz konnte dabei eine stabilisierende Wirkung auf die Rekonstruktionsergebnisse erzielen und zeigte im Hinblick auf seine Genauigkeit und den Speicher- und Rechenzeitbedarf Vorteile gegen\'uber einem sog. {\em Kal\-man-Gl\'atter}. Im letzten Teilbereich der Dissertation wurden Untersuchungen zur {\bf An\-iso\-tro\-pie-Sensi\-tivi\-t\'at} durchgef\'uhrt. Der erste Teil bezog sich dabei auf das Vorw\'arts\-problem, wo die Resultate im Einklang mit der verf\'ugbaren Literatur waren. Es kann festgehalten werden, dass Sch\'adelanisotropie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG-Simulation hatte, wohingegen das MEG unbeeinflusst blieb. Je mehr eine Quelle von WM umgeben war, desto gr\'o{\ss}er war der Einfluss der WM-Anisotropie auf sowohl EEG als auch MEG. F\'ur das MEG wirkte sich WM-Anisotropie insbesondere auf Quellen mit starken radialen Anteilen aus. Lokale Leitf\'ahigkeits\'anderungen im Bereich der Quelle sollten sowohl im Hinblick auf das EEG als auch auf das MEG modelliert werden. Im zweiten Teil wurden die Einfl\'usse auf die inverse Quellrekonstruktion untersucht. Mit 18mm maximalem Fehler des EEG basierten {\em single dipole fit} war die Lokalisation einer haupts\'achlich tangential orientierten oberfl\'achennahen Quelle besonders sensitiv gegen\'uber einer 1 zu 10 Sch\'adelanisotropie. Da die tangentialen Quellen im temporalen Bereich (Sch\'adel re\-la\-tiv d\'unn) zu tief und im parietalen und okzipitalen Bereich (Sch\'adel relativ dick) zu oberfl\'achennah lokalisiert wurden, scheint eine Approximation der Sch\'adelanisotropie in BE-Modellen \'uber eine Anpassung des skalaren Sch\'adelleitf\'ahigkeitswertes nicht m\'oglich zu sein. Obwohl bei Vernachl\'assigung der WM-Anisotropie der maximale EEG-Lokalisierungsfehler mit 6,2mm f\'ur eine tiefe Quelle wesentlich geringer ausfiel, kann aufgrund eines maximalen Orientierungsfehlers von 24$^{\circ}$ und einer mehr als zweifach untersch\'atzten Quellst\'arke eine Missinterpretation des Ergebnisses nicht ausgeschlossen werden. F\'ur die Rekonstruktion der vier tangentialen oberfl\'achennahen Dipole, welche als Aktivit\'atszentren der sog. {\em Early Left Anterior Negativity} (ELAN) Komponente bei der Syntaxanalyse von Sprache betrachtet werden, stellte sich WM und Sch\'adel\-anisotropie als vernachl\'assigbar im Hinblick auf eine MEG-Rekonstruk\-tion heraus. Im Gegensatz dazu wurde das EEG-Rekonstruktionsergebnis f\'ur alle getesteten inversen Verfahren stark verf\'alscht. Anisotropie verschob das Aktivit\'ats\-zentrum von $L_1$ und $L_2$ Norm Stromdichterekonstruktionsverfahren entlang der Sylvischen Furche in anteriore Richtung

Adaptive spectral inversion for inverse medium problems

Inverse medium problems are typically dedicated to finding the cause behind measured behaviors. Examples include exploring the Earth's interior through seismic or geophysical imaging, using ultrasounds or X-rays for medical imaging, or investigating materials in material science. In each case, our goal is to determine the unknown, also referred to as the medium, responsible for these measured observations by solving a constraint minimization problem for the data misfit. The constraints arise from the physical state, which is modeled and mathematically expressed by a partial differential equation. In this Thesis, we propose a nonlinear iterative optimization method to solve inverse medium problems. Instead of using a grid based optimization approach, which leads to challenging large scale problems, we iteratively minimize the data misfit within a small finite dimensional subspace spanned by the first few eigenfunctions of a carefully chosen elliptic operator. As the operator depends on the minimizer in the previous search space, so do its eigenfunctions, and consequently the subsequent search space. This approach allows us to incorporate regularization inherently at each iteration without the need for additional penalization, such as Total Variation or Tikhonov regularization. By introducing a key angle condition, we can prove the convergence of the resulting Adaptive Spectral Inversion (ASI) method and demonstrate its regularizing effect. Through numerical experiments, we illustrate the remarkable accuracy of the ASI, even detecting the smallest inclusions where previous methods failed. Furthermore, we demonstrate that the ASI performs favorably compared to standard grid based inversion using Tikhonov regularization when applied to an elliptic inverse problem. The choice of the elliptic operator for obtaining the subsequent search space is crucial for achieving accurate reconstructed media. For known piecewise constant media, consisting of a few interior inclusions, we prove that the first few eigenfunctions of the operator, that depend on the medium, effectively approximate the medium and its discontinuities. Then, we validate these analytically proven properties of the operator through various numerical experiments

Reduced order modeling of convection-dominated flows, dimensionality reduction and stabilization

We present methodologies for reduced order modeling of convection dominated flows. Accordingly, three main problems are addressed. Firstly, an optimal manifold is realized to enhance reducibility of convection dominated flows. We design a low-rank auto-encoder to specifically reduce the dimensionality of solution arising from convection-dominated nonlinear physical systems. Although existing nonlinear manifold learning methods seem to be compelling tools to reduce the dimensionality of data characterized by large Kolmogorov n-width, they typically lack a straightforward mapping from the latent space to the high-dimensional physical space. Also, considering that the latent variables are often hard to interpret, many of these methods are dismissed in the reduced order modeling of dynamical systems governed by partial differential equations (PDEs). This deficiency is of importance to the extent that linear methods, such as principle component analysis (PCA) and Koopman operators, are still prevalent. Accordingly, we propose an interpretable nonlinear dimensionality reduction algorithm. An unsupervised learning problem is constructed that learns a diffeomorphic spatio-temporal grid which registers the output sequence of the PDEs on a non-uniform time-varying grid. The Kolmogorov n-width of the mapped data on the learned grid is minimized. Secondly, the reduced order models are constructed on the realized manifolds. We project the high fidelity models on the learned manifold, leading to a time-varying system of equations. Moreover, as a data-driven model free architecture, recurrent neural networks on the learned manifold are trained, showing versatility of the proposed framework. Finally, a stabilization method is developed to maintain stability and accuracy of the projection based ROMs on the learned manifold a posteriori. We extend the eigenvalue reassignment method of stabilization of linear time-invariant ROMs, to the more general case of linear time-varying systems. Through a post-processing step, the ROMs are controlled using a constrained nonlinear lease-square minimization problem. The controller and the input signals are defined at the algebraic level, using left and right singular vectors of the reduced system matrices. The proposed stabilization method is general and applicable to a large variety of linear time-varying ROMs