"MS-Ready" structures for non-targeted high-resolution mass spectrometry screening studies.

Chemical database searching has become a fixture in many non-targeted identification workflows based on high-resolution mass spectrometry (HRMS). However, the form of a chemical structure observed in HRMS does not always match the form stored in a database (e.g., the neutral form versus a salt; one component of a mixture rather than the mixture form used in a consumer product). Linking the form of a structure observed via HRMS to its related form(s) within a database will enable the return of all relevant variants of a structure, as well as the related metadata, in a single query. A Konstanz Information Miner (KNIME) workflow has been developed to produce structural representations observed using HRMS ("MS-Ready structures") and links them to those stored in a database. These MS-Ready structures, and associated mappings to the full chemical representations, are surfaced via the US EPA's Chemistry Dashboard ( https://comptox.epa.gov/dashboard/ ). This article describes the workflow for the generation and linking of ~ 700,000 MS-Ready structures (derived from ~ 760,000 original structures) as well as download, search and export capabilities to serve structure identification using HRMS. The importance of this form of structural representation for HRMS is demonstrated with several examples, including integration with the in silico fragmentation software application MetFrag. The structures, search, download and export functionality are all available through the CompTox Chemistry Dashboard, while the MetFrag implementation can be viewed at https://msbi.ipb-halle.de/MetFragBeta/

Schema matching in a peer-to-peer database system

Includes bibliographical references (p. 112-118).Peer-to-peer or P2P systems are applications that allow a network of peers to share resources in a scalable and efficient manner. My research is concerned with the use of P2P systems for sharing databases. To allow data mediation between peers' databases, schema mappings need to exist, which are mappings between semantically equivalent attributes in different peers' schemas. Mappings can either be defined manually or found semi-automatically using a technique called schema matching. However, schema matching has not been used much in dynamic environments, such as P2P networks. Therefore, this thesis investigates how to enable effective semi-automated schema matching within a P2P network

Putting the User at the Centre of the Grid: Simplifying Usability and Resource Selection for High Performance Computing

Computer simulation is finding a role in an increasing number of scientific disciplines, concomitant with the rise in available computing power. Realizing this inevitably re- quires access to computational power beyond the desktop, making use of clusters, supercomputers, data repositories, networks and distributed aggregations of these re- sources. Accessing one such resource entails a number of usability and security prob- lems; when multiple geographically distributed resources are involved, the difficulty is compounded. However, usability is an all too often neglected aspect of computing on e-infrastructures, although it is one of the principal factors militating against the widespread uptake of distributed computing. The usability problems are twofold: the user needs to know how to execute the applications they need to use on a particular resource, and also to gain access to suit- able resources to run their workloads as they need them. In this thesis we present our solutions to these two problems. Firstly we propose a new model of e-infrastructure resource interaction, which we call the user–application interaction model, designed to simplify executing application on high performance computing resources. We describe the implementation of this model in the Application Hosting Environment, which pro- vides a Software as a Service layer on top of distributed e-infrastructure resources. We compare the usability of our system with commonly deployed middleware tools using five usability metrics. Our middleware and security solutions are judged to be more usable than other commonly deployed middleware tools. We go on to describe the requirements for a resource trading platform that allows users to purchase access to resources within a distributed e-infrastructure. We present the implementation of this Resource Allocation Market Place as a distributed multi- agent system, and show how it provides a highly flexible, efficient tool to schedule workflows across high performance computing resources

Distributed Late-binding Micro-scheduling and Data Caching for Data-Intensive Workflows

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática, leída el 06-07-2015El mundo de hoy en día se encuentra inundado por ingentes cantidades de información digital procedente de muy diversas fuentes. Todo apunta, además, a que esta tendencia se agudizará en el futuro. Ni la industria, ni la sociedad en general, ni, muy particularmente, la ciencia, permanecen indiferentes ante este hecho. Al contrario, se esfuerzan por obtener el máximo provecho de esta información, lo que significa que deben capturarla, transferirla, almacenarla y procesarla puntual y eficientemente, utilizando una amplia gama de recursos computacionales. Pero esta tarea no es siempre sencilla. Un ejemplo representativo de los desafíos que suponen el manejo y procesamiento de grandes cantidades de datos es el de los experimentos de física de partículas del Large Hadron Collider (LHC), en Ginebra, que cada año deben gestionar decenas de petabytes de información. Basándonos en la experiencia de una de estas colaboraciones, hemos estudiado los principales problemas relativos a la gestión de volúmenes de datos masivos y a la ejecución de vastos flujos de trabajo que necesitan consumirlos. En este contexto, hemos desarrollado una arquitectura de propósito general para la planificación y ejecución de flujos de trabajo con importantes requisitos de datos, que hemos llamado Task Queue. Este nuevo sistema aprovecha el modelo de asignación tardía basado en agentes que ha ayudado a los experimentos del LHC a superar los problemas asociados con la heterogeneidad y la complejidad de las grandes infraestructuras grid de computación. Nuestra propuesta presenta varias mejoras con respecto a los sistemas existentes. Los agentes de ejecución de la arquitectura Task Queue comparten una tabla hash distribuida (Distributed Hash Table, DHT) y realizan la asignación de tareas de una manera cooperativa. De esta forma, se evitan los problemas de escalabilidad de los algoritmos centralizados de asignación y se mejoran los tiempos de ejecución. Esta escalabilidad nos permite realizar una microplanificación de grano fino lo cual posibilita nuevas funcionalidades, como la implementación de una cache distribuida en los nodos de ejecución y el uso de la información de ubicación de los datos en las decisiones de asignación de tareas. Esto mejora la eficiencia del procesado de datos y ayuda a aliviar los habitualmente congestionados servicios de almacenamiento del grid. Además, nuestro sistema es más robusto frente a problemas en la interacción con la cola central de tareas y ofrece mejor comportamiento en situaciones con patrones de acceso a datos exigentes o en ausencia de servicios de almacenamiento locales. Todo esto ha sido demostrado en una amplia serie de pruebas de evaluación. Dado que nuestro procedimiento de planificación de tareas distribuido requiere el uso de mensajes de broadcast, también hemos realizado un profundo estudio de las posibles aproximaciones a la implementación de esta operación sobre el DHT Kademlia, el cual es utilizado para la cache de datos compartida. Kademlia ofrece enrutamiento a nodos individuales pero no incluye ninguna primitiva de broadcast. Nuestro trabajo expone las peculiaridades de este sistema, particularmente su métrica basada en la operación XOR, y estudia analíticamente qué técnicas de broadcast pueden ser usadas con él. También se ha desarrollado un modelo que estima la cobertura de nodos en función de la probabilidad que cada mensaje individual alcance su destino correctamente. Como validación, los algoritmos se han implementado y se han evaluado exhaustivamente. Además, proponemos varias técnicas para mejorar los protocolos en situaciones adversas, por ejemplo cuando el sistema presenta una alta rotación de nodos o la tasa de error en las entregas no es despreciable. Esta técnicas incluyen redundancia, reenvío e inundación (flooding), así como combinaciones de las mismas. Presentamos un análisis de las fortalezas y debilidades de los diferentes algoritmos y las mencionadas técnicas complementarias.Depto. de Arquitectura de Computadores y AutomáticaFac. de InformáticaTRUEunpu

e-Skills: The International dimension and the Impact of Globalisation - Final Report 2014

In today’s increasingly knowledge-based economies, new information and communication technologies are a key engine for growth fuelled by the innovative ideas of highly - skilled workers. However, obtaining adequate quantities of employees with the necessary e-skills is a challenge. This is a growing international problem with many countries having an insufficient numbers of workers with the right e-Skills. For example: Australia: “Even though there’s 10,000 jobs a year created in IT, there are only 4500 students studying IT at university, and not all of them graduate” (Talevski and Osman, 2013). Brazil: “Brazil’s ICT sector requires about 78,000 [new] people by 2014. But, according to Brasscom, there are only 33,000 youths studying ICT related courses in the country” (Ammachchi, 2012). Canada: “It is widely acknowledged that it is becoming inc reasingly difficult to recruit for a variety of critical ICT occupations –from entry level to seasoned” (Ticoll and Nordicity, 2012). Europe: It is estimated that there will be an e-skills gap within Europe of up to 900,000 (main forecast scenario) ICT pr actitioners by 2020” (Empirica, 2014). Japan: It is reported that 80% of IT and user companies report an e-skills shortage (IPA, IT HR White Paper, 2013) United States: “Unlike the fiscal cliff where we are still peering over the edge, we careened over the “IT Skills Cliff” some years ago as our economy digitalized, mobilized and further “technologized”, and our IT skilled labour supply failed to keep up” (Miano, 2013)

Chemical Information Bulletin

Created as a supplement for "the regular journals of the American Chemical Society," this publication contains annotated bibliographies of chemical documentation literature as well as information about meetings, conferences, awards, scholarships, and other news from the American Chemical Society (ACS) Division of Chemical Information (CINF)

Analysis and Development of Instrument Software Paradigms: Conception and Implementation of a New Instrument Control and Data Acquisition System, Proven by Material Scientific Applications

During the last 50 years, the quality of analysis methods in many scientific disciplines has been enhanced by electronic applications, automation and data processing. While the features, performance and usability of these processes have been continually enhanced, it is conspicuous that the majority of institutes operate own proprietary software. This situation arises for both historical and financial reasons, plus a wish to retain autonomy fuelled by the requirement for a system that remains compatible with both new and legacy hardware. This thesis reviews the commonly used scientific software systems and their stakeholders and tries to identify generic problems. The demands on instrument systems are summarized by a requirement specification. Based on these requirements, a basic concept is developed that reflects the current state-of-the art in software design and which may provide a blueprint for instrument system architectures. The results are used to create a proof-of-concept implementation. Core to this approach is an application server that comes with a container, which makes use of the Inversion-of-Control pattern to loosely couple and execute components. These do not need to implement fixed interfaces and are thus decoupled from a specific use-case. Components can, for example, be proxies that control and acquire data from legacy hardware, perform calculations, provide a human-machine interface or act as storage. They are dynamically wired to experiments using XML-based Assembly files. Both Assemblies and Components can be published using a central store on a collaboration platform and shared by the community. This increases reusability and allows the use of existing Assemblies with new hardware by simply replacing the hardware proxy modules. Example components have been provided for the access to legacy and new instrument hardware, the storage of results in the NeXus format, data reduction, simulation with McStas, the execution of customizable scans and the visualization of data

Advanced tracking and image registration techniques for intraoperative radiation therapy

Mención Internacional en el título de doctorIntraoperative electron radiation therapy (IOERT) is a technique used to deliver radiation to the surgically opened tumor bed without irradiating healthy tissue. Treatment planning systems and mobile linear accelerators enable clinicians to optimize the procedure, minimize stress in the operating room (OR) and avoid transferring the patient to a dedicated radiation room. However, placement of the radiation collimator over the tumor bed requires a validation methodology to ensure correct delivery of the dose prescribed in the treatment planning system. In this dissertation, we address three well-known limitations of IOERT: applicator positioning over the tumor bed, docking of the mobile linear accelerator gantry with the applicator and validation of the dose delivery prescribed. This thesis demonstrates that these limitations can be overcome by positioning the applicator appropriately with respect to the patient’s anatomy. The main objective of the study was to assess technological and procedural alternatives for improvement of IOERT performance and resolution of problems of uncertainty. Image-to-world registration, multicamera optical trackers, multimodal imaging techniques and mobile linear accelerator docking are addressed in the context of IOERT. IOERT is carried out by a multidisciplinary team in a highly complex environment that has special tracking needs owing to the characteristics of its working volume (i.e., large and prone to occlusions), in addition to the requisites of accuracy. The first part of this dissertation presents the validation of a commercial multicamera optical tracker in terms of accuracy, sensitivity to miscalibration, camera occlusions and detection of tools using a feasible surgical setup. It also proposes an automatic miscalibration detection protocol that satisfies the IOERT requirements of automaticity and speed. We show that the multicamera tracker is suitable for IOERT navigation and demonstrate the feasibility of the miscalibration detection protocol in clinical setups. Image-to-world registration is one of the main issues during image-guided applications where the field of interest and/or the number of possible anatomical localizations is large, such as IOERT. In the second part of this dissertation, a registration algorithm for image-guided surgery based on lineshaped fiducials (line-based registration) is proposed and validated. Line-based registration decreases acquisition time during surgery and enables better registration accuracy than other published algorithms. In the third part of this dissertation, we integrate a commercial low-cost ultrasound transducer and a cone beam CT C-arm with an optical tracker for image-guided interventions to enable surgical navigation and explore image based registration techniques for both modalities. In the fourth part of the dissertation, a navigation system based on optical tracking for the docking of the mobile linear accelerator to the radiation applicator is assessed. This system improves safety and reduces procedure time. The system tracks the prescribed collimator location to solve the movements that the linear accelerator should perform to reach the docking position and warns the user about potentially unachievable arrangements before the actual procedure. A software application was implemented to use this system in the OR, where it was also evaluated to assess the improvement in docking speed. Finally, in the last part of the dissertation, we present and assess the installation setup for a navigation system in a dedicated IOERT OR, determine the steps necessary for the IOERT process, identify workflow limitations and evaluate the feasibility of the integration of the system in a real OR. The navigation system safeguards the sterile conditions of the OR, clears the space available for surgeons and is suitable for any similar dedicated IOERT OR.La Radioterapia Intraoperatoria por electrones (RIO) consiste en la aplicación de radiación de alta energía directamente sobre el lecho tumoral, accesible durante la cirugía, evitando radiar los tejidos sanos. Hoy en día, avances como los sistemas de planificación (TPS) y la aparición de aceleradores lineales móviles permiten optimizar el procedimiento, minimizar el estrés clínico en el entorno quirúrgico y evitar el desplazamiento del paciente durante la cirugía a otra sala para ser radiado. La aplicación de la radiación se realiza mediante un colimador del haz de radiación (aplicador) que se coloca sobre el lecho tumoral de forma manual por el oncólogo radioterápico. Sin embargo, para asegurar una correcta deposición de la dosis prescrita y planificada en el TPS, es necesaria una adecuada validación de la colocación del colimador. En esta Tesis se abordan tres limitaciones conocidas del procedimiento RIO: el correcto posicionamiento del aplicador sobre el lecho tumoral, acoplamiento del acelerador lineal con el aplicador y validación de la dosis de radiación prescrita. Esta Tesis demuestra que estas limitaciones pueden ser abordadas mediante el posicionamiento del aplicador de radiación en relación con la anatomía del paciente. El objetivo principal de este trabajo es la evaluación de alternativas tecnológicas y procedimentales para la mejora de la práctica de la RIO y resolver los problemas de incertidumbre descritos anteriormente. Concretamente se revisan en el contexto de la radioterapia intraoperatoria los siguientes temas: el registro de la imagen y el paciente, sistemas de posicionamiento multicámara, técnicas de imagen multimodal y el acoplamiento del acelerador lineal móvil. El entorno complejo y multidisciplinar de la RIO precisa de necesidades especiales para el empleo de sistemas de posicionamiento como una alta precisión y un volumen de trabajo grande y propenso a las oclusiones de los sensores de posición. La primera parte de esta Tesis presenta una exhaustiva evaluación de un sistema de posicionamiento óptico multicámara comercial. Estudiamos la precisión del sistema, su sensibilidad a errores cometidos en la calibración, robustez frente a posibles oclusiones de las cámaras y precisión en el seguimiento de herramientas en un entorno quirúrgico real. Además, proponemos un protocolo para la detección automática de errores por calibración que satisface los requisitos de automaticidad y velocidad para la RIO demostrando la viabilidad del empleo de este sistema para la navegación en RIO. Uno de los problemas principales de la cirugía guiada por imagen es el correcto registro de la imagen médica y la anatomía del paciente en el quirófano. En el caso de la RIO, donde el número de posibles localizaciones anatómicas es bastante amplio, así como el campo de trabajo es grande se hace necesario abordar este problema para una correcta navegación. Por ello, en la segunda parte de esta Tesis, proponemos y validamos un nuevo algoritmo de registro (LBR) para la cirugía guiada por imagen basado en marcadores lineales. El método propuesto reduce el tiempo de la adquisición de la posición de los marcadores durante la cirugía y supera en precisión a otros algoritmos de registro establecidos y estudiados en la literatura. En la tercera parte de esta tesis, integramos un transductor de ultrasonido comercial de bajo coste, un arco en C de rayos X con haz cónico y un sistema de posicionamiento óptico para intervenciones guiadas por imagen que permite la navegación quirúrgica y exploramos técnicas de registro de imagen para ambas modalidades. En la cuarta parte de esta tesis se evalúa un navegador basado en el sistema de posicionamiento óptico para el acoplamiento del acelerador lineal móvil con aplicador de radiación, mejorando la seguridad y reduciendo el tiempo del propio acoplamiento. El sistema es capaz de localizar el colimador en el espacio y proporcionar los movimientos que el acelerador lineal debe realizar para alcanzar la posición de acoplamiento. El sistema propuesto es capaz de advertir al usuario de aquellos casos donde la posición de acoplamiento sea inalcanzable. El sistema propuesto de ayuda para el acoplamiento se integró en una aplicación software que fue evaluada para su uso final en quirófano demostrando su viabilidad y la reducción de tiempo de acoplamiento mediante su uso. Por último, presentamos y evaluamos la instalación de un sistema de navegación en un quirófano RIO dedicado, determinamos las necesidades desde el punto de vista procedimental, identificamos las limitaciones en el flujo de trabajo y evaluamos la viabilidad de la integración del sistema en un entorno quirúrgico real. El sistema propuesto demuestra ser apto para el entorno RIO manteniendo las condiciones de esterilidad y dejando despejado el campo quirúrgico además de ser adaptable a cualquier quirófano similar.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y ComunicacionesPresidente: Raúl San José Estépar.- Secretario: María Arrate Muñoz Barrutia.- Vocal: Carlos Ferrer Albiac