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    LIPIcs, Volume 251, ITCS 2023, Complete Volume

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    LIPIcs, Volume 251, ITCS 2023, Complete Volum

    A BIM - GIS Integrated Information Model Using Semantic Web and RDF Graph Databases

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    In recent years, 3D virtual indoor and outdoor urban modelling has become an essential geospatial information framework for civil and engineering applications such as emergency response, evacuation planning, and facility management. Building multi-sourced and multi-scale 3D urban models are in high demand among architects, engineers, and construction professionals to achieve these tasks and provide relevant information to decision support systems. Spatial modelling technologies such as Building Information Modelling (BIM) and Geographical Information Systems (GIS) are frequently used to meet such high demands. However, sharing data and information between these two domains is still challenging. At the same time, the semantic or syntactic strategies for inter-communication between BIM and GIS do not fully provide rich semantic and geometric information exchange of BIM into GIS or vice-versa. This research study proposes a novel approach for integrating BIM and GIS using semantic web technologies and Resources Description Framework (RDF) graph databases. The suggested solution's originality and novelty come from combining the advantages of integrating BIM and GIS models into a semantically unified data model using a semantic framework and ontology engineering approaches. The new model will be named Integrated Geospatial Information Model (IGIM). It is constructed through three stages. The first stage requires BIMRDF and GISRDF graphs generation from BIM and GIS datasets. Then graph integration from BIM and GIS semantic models creates IGIMRDF. Lastly, the information from IGIMRDF unified graph is filtered using a graph query language and graph data analytics tools. The linkage between BIMRDF and GISRDF is completed through SPARQL endpoints defined by queries using elements and entity classes with similar or complementary information from properties, relationships, and geometries from an ontology-matching process during model construction. The resulting model (or sub-model) can be managed in a graph database system and used in the backend as a data-tier serving web services feeding a front-tier domain-oriented application. A case study was designed, developed, and tested using the semantic integrated information model for validating the newly proposed solution, architecture, and performance

    Declarative Specification of Intraprocedural Control-flow and Dataflow Analysis

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    Static program analysis plays a crucial role in ensuring the quality and security of software applications by detecting and fixing bugs, and potential security vulnerabilities in the code. The use of declarative paradigms in dataflow analysis as part of static program analysis has become increasingly popular in recent years. This is due to its enhanced expressivity and modularity, allowing for a higher-level programming approach, resulting in easy and efficient development.The aim of this thesis is to explore the design and implementation of control-flow and dataflow analyses using the declarative Reference Attribute Grammars formalism. Specifically, we focus on the construction of analyses directly on the source code rather than on an intermediate representation.The main result of this thesis is our language-agnostic framework, called IntraCFG. IntraCFG enables efficient and effective dataflow analysis by allowing the construction of precise and source-level control-flow graphs. The framework superimposes control-flow graphs on top of the abstract syntax tree of the program. The effectiveness of IntraCFG is demonstrated through two case studies, IntraJ and IntraTeal. These case studies showcase the potential and flexibility of IntraCFG in diverse contexts, such as bug detection and education. IntraJ supports the Java programming language, while IntraTeal is a tool designed for teaching program analysis for an educational language, Teal.IntraJ has proven to be faster than and as precise as well-known industrial tools. The combination of precision, performance, and on-demand evaluation in IntraJ leads to low latency in querying the analysis results. This makes IntraJ a suitable tool for use in interactive tools. Preliminary experiments have also been conducted to demonstrate how IntraJ can be used to support interactive bug detection and fixing.Additionally, this thesis presents JFeature, a tool for automatically extracting and summarising the features of a Java corpus, including the use of different Java features (e.g., use of Lambda Expressions) across different Java versions. JFeature provides researchers and developers with a deeper understanding of the characteristics of corpora, enabling them to identify suitable benchmarks for the evaluation of their tools and methodologies

    Computational Approaches to Drug Profiling and Drug-Protein Interactions

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    Despite substantial increases in R&D spending within the pharmaceutical industry, denovo drug design has become a time-consuming endeavour. High attrition rates led to a long period of stagnation in drug approvals. Due to the extreme costs associated with introducing a drug to the market, locating and understanding the reasons for clinical failure is key to future productivity. As part of this PhD, three main contributions were made in this respect. First, the web platform, LigNFam enables users to interactively explore similarity relationships between ‘drug like’ molecules and the proteins they bind. Secondly, two deep-learning-based binding site comparison tools were developed, competing with the state-of-the-art over benchmark datasets. The models have the ability to predict offtarget interactions and potential candidates for target-based drug repurposing. Finally, the open-source ScaffoldGraph software was presented for the analysis of hierarchical scaffold relationships and has already been used in multiple projects, including integration into a virtual screening pipeline to increase the tractability of ultra-large screening experiments. Together, and with existing tools, the contributions made will aid in the understanding of drug-protein relationships, particularly in the fields of off-target prediction and drug repurposing, helping to design better drugs faster

    Blending the Material and Digital World for Hybrid Interfaces

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    The development of digital technologies in the 21st century is progressing continuously and new device classes such as tablets, smartphones or smartwatches are finding their way into our everyday lives. However, this development also poses problems, as these prevailing touch and gestural interfaces often lack tangibility, take little account of haptic qualities and therefore require full attention from their users. Compared to traditional tools and analog interfaces, the human skills to experience and manipulate material in its natural environment and context remain unexploited. To combine the best of both, a key question is how it is possible to blend the material world and digital world to design and realize novel hybrid interfaces in a meaningful way. Research on Tangible User Interfaces (TUIs) investigates the coupling between physical objects and virtual data. In contrast, hybrid interfaces, which specifically aim to digitally enrich analog artifacts of everyday work, have not yet been sufficiently researched and systematically discussed. Therefore, this doctoral thesis rethinks how user interfaces can provide useful digital functionality while maintaining their physical properties and familiar patterns of use in the real world. However, the development of such hybrid interfaces raises overarching research questions about the design: Which kind of physical interfaces are worth exploring? What type of digital enhancement will improve existing interfaces? How can hybrid interfaces retain their physical properties while enabling new digital functions? What are suitable methods to explore different design? And how to support technology-enthusiast users in prototyping? For a systematic investigation, the thesis builds on a design-oriented, exploratory and iterative development process using digital fabrication methods and novel materials. As a main contribution, four specific research projects are presented that apply and discuss different visual and interactive augmentation principles along real-world applications. The applications range from digitally-enhanced paper, interactive cords over visual watch strap extensions to novel prototyping tools for smart garments. While almost all of them integrate visual feedback and haptic input, none of them are built on rigid, rectangular pixel screens or use standard input modalities, as they all aim to reveal new design approaches. The dissertation shows how valuable it can be to rethink familiar, analog applications while thoughtfully extending them digitally. Finally, this thesis’ extensive work of engineering versatile research platforms is accompanied by overarching conceptual work, user evaluations and technical experiments, as well as literature reviews.Die Durchdringung digitaler Technologien im 21. Jahrhundert schreitet stetig voran und neue Geräteklassen wie Tablets, Smartphones oder Smartwatches erobern unseren Alltag. Diese Entwicklung birgt aber auch Probleme, denn die vorherrschenden berührungsempfindlichen Oberflächen berücksichtigen kaum haptische Qualitäten und erfordern daher die volle Aufmerksamkeit ihrer Nutzer:innen. Im Vergleich zu traditionellen Werkzeugen und analogen Schnittstellen bleiben die menschlichen Fähigkeiten ungenutzt, die Umwelt mit allen Sinnen zu begreifen und wahrzunehmen. Um das Beste aus beiden Welten zu vereinen, stellt sich daher die Frage, wie neuartige hybride Schnittstellen sinnvoll gestaltet und realisiert werden können, um die materielle und die digitale Welt zu verschmelzen. In der Forschung zu Tangible User Interfaces (TUIs) wird die Verbindung zwischen physischen Objekten und virtuellen Daten untersucht. Noch nicht ausreichend erforscht wurden hingegen hybride Schnittstellen, die speziell darauf abzielen, physische Gegenstände des Alltags digital zu erweitern und anhand geeigneter Designparameter und Entwurfsräume systematisch zu untersuchen. In dieser Dissertation wird daher untersucht, wie Materialität und Digitalität nahtlos ineinander übergehen können. Es soll erforscht werden, wie künftige Benutzungsschnittstellen nützliche digitale Funktionen bereitstellen können, ohne ihre physischen Eigenschaften und vertrauten Nutzungsmuster in der realen Welt zu verlieren. Die Entwicklung solcher hybriden Ansätze wirft jedoch übergreifende Forschungsfragen zum Design auf: Welche Arten von physischen Schnittstellen sind es wert, betrachtet zu werden? Welche Art von digitaler Erweiterung verbessert das Bestehende? Wie können hybride Konzepte ihre physischen Eigenschaften beibehalten und gleichzeitig neue digitale Funktionen ermöglichen? Was sind geeignete Methoden, um verschiedene Designs zu erforschen? Wie kann man Technologiebegeisterte bei der Erstellung von Prototypen unterstützen? Für eine systematische Untersuchung stützt sich die Arbeit auf einen designorientierten, explorativen und iterativen Entwicklungsprozess unter Verwendung digitaler Fabrikationsmethoden und neuartiger Materialien. Im Hauptteil werden vier Forschungsprojekte vorgestellt, die verschiedene visuelle und interaktive Prinzipien entlang realer Anwendungen diskutieren. Die Szenarien reichen von digital angereichertem Papier, interaktiven Kordeln über visuelle Erweiterungen von Uhrarmbändern bis hin zu neuartigen Prototyping-Tools für intelligente Kleidungsstücke. Um neue Designansätze aufzuzeigen, integrieren nahezu alle visuelles Feedback und haptische Eingaben, um Alternativen zu Standard-Eingabemodalitäten auf starren Pixelbildschirmen zu schaffen. Die Dissertation hat gezeigt, wie wertvoll es sein kann, bekannte, analoge Anwendungen zu überdenken und sie dabei gleichzeitig mit Bedacht digital zu erweitern. Dabei umfasst die vorliegende Arbeit sowohl realisierte technische Forschungsplattformen als auch übergreifende konzeptionelle Arbeiten, Nutzerstudien und technische Experimente sowie die Analyse existierender Forschungsarbeiten

    Systemic Circular Economy Solutions for Fiber Reinforced Composites

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    This open access book provides an overview of the work undertaken within the FiberEUse project, which developed solutions enhancing the profitability of composite recycling and reuse in value-added products, with a cross-sectorial approach. Glass and carbon fiber reinforced polymers, or composites, are increasingly used as structural materials in many manufacturing sectors like transport, constructions and energy due to their better lightweight and corrosion resistance compared to metals. However, composite recycling is still a challenge since no significant added value in the recycling and reprocessing of composites is demonstrated. FiberEUse developed innovative solutions and business models towards sustainable Circular Economy solutions for post-use composite-made products. Three strategies are presented, namely mechanical recycling of short fibers, thermal recycling of long fibers and modular car parts design for sustainable disassembly and remanufacturing. The validation of the FiberEUse approach within eight industrial demonstrators shows the potentials towards new Circular Economy value-chains for composite materials

    Chatbots for Modelling, Modelling of Chatbots

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    Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Escuela Politécnica Superior, Departamento de Ingeniería Informática. Fecha de Lectura: 28-03-202

    Modern meat: the next generation of meat from cells

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    Modern Meat is the first textbook on cultivated meat, with contributions from over 100 experts within the cultivated meat community. The Sections of Modern Meat comprise 5 broad categories of cultivated meat: Context, Impact, Science, Society, and World. The 19 chapters of Modern Meat, spread across these 5 sections, provide detailed entries on cultivated meat. They extensively tour a range of topics including the impact of cultivated meat on humans and animals, the bioprocess of cultivated meat production, how cultivated meat may become a food option in Space and on Mars, and how cultivated meat may impact the economy, culture, and tradition of Asia

    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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