빙하후퇴에 따른 서남극반도 킹조지섬 마리안소만의 저서동물 군집 구조와 기능 변화

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 자연과학대학 지구환경과학부, 2022. 8. 김종성.빙하후퇴는 퇴적작용이나 입도, 물리적 교란과 같은 환경의 변화를 유발하여 극지 연안의 저서 무척추동물들에게 강한 영향을 미친다. 남극의 천해에서 심해에 이르기까지 널리 분포하고 있는 저서동물들은 육상의 대부분이 빙하로 뒤덮인 극지에서 저서 생태계의 중요성을 보여준다. 하지만 온난화로 인한 빙하후퇴에 대한 저서 생태계의 반응과 변화에 대해서는 많은 것이 알려지지 않았다. 이를 밝히기 위해 다음의 세 가지 질문에 답하고자 빙하가 후퇴한 남극 연안 피요르드만에서 거대저서동물 군집의 구조와 기능을 조사하였다. 1) 거대저서동물 군집은 빙하후퇴 이후에 어떻게 변하는가? 2) 남극 빙하후퇴 지역의 거대저서동물 분포를 지표하는 분류군 및 관련 환경 요인은 무엇인가? 3) 남극의 우점 분류군 중 하나인 멍게의 섭식 양상은 빙하의 영향에 따라 달라지는가? 빙하가 후퇴한 남극 피요르드만의 거대저서동물 군집 분포와 섭식 양상을 확인하기 위해 마리안소만에서 처음으로 수중 ROV 영상조사를 수행하였다. 멍게 섭식 양상은 탄소 및 질소 동위원소 분석을 통해 확인하였다. 빙하후퇴 지역에서 거대저서동물 군집의 구조적, 기능적 다양성은 공간에 따라 뚜렷하게 달랐다. 종 다양성은 빙하의 영향이 감소하는 만의 외측으로 갈수록 증가했으나 서식밀도는 개척종들(Molgula pedunculata 및 Cnemidocarpa verrucosa)의 급격한 증가로 빙벽 인근에서 가장 높았다. 저서 군집은 빙하후퇴 이후에 상위분류단계 수준에서는 빠르게 성숙되었다(약 10년 이내). 반면, 기능적 다양성은 외측으로 갈수록 증가했으며, 비교적 물리적 교란이 적고 먹이 공급은 풍부한 30 m에서 가장 높았다. 이 연구는 남극 연안에서 빙하후퇴 이후의 3단계 거대저서동물 군집 변화 과정(가입, 전환, 성숙)을 보여주었다. 멍게 분포는 거대저서동물 변화의 64%를 반영하여 남극 빙하후퇴에 대한 저서 생태계 반응을 모니터링하기 위한 지표군으로 적합했다. 멍게의 공간분포는 빙하로부터의 거리와 수심에 따라 뚜렷하게 달랐다. 서식밀도는 개척종들(M. pedunculata 및 C. verrucosa)의 급격한 증가로 빙벽 인근에서 최대였으나 종다양성은 빙하의 영향이 감소하는 외측으로 갈수록 증가하였다. 이런 공간분포 양상은 비교적 교란이 심한 얕은 수심(10–30 m)에서는 두드러지지 않았다. 물리적 교란 정도를 나타내는 퇴적물 특성과 빙벽으로부터의 거리가 멍게 분포를 결정하는 주요인이었다. δ13C와 δ15N 분석은 남극 연안에서 빙하의 영향에 따른 멍게 우점종 3개의 섭식 양상 변화를 보여주었다. 마리안소만에서 멍게의 주요 먹이는 저서규조류였으며(30–70%), 멍게 먹이에 대한 저서규조류의 기여도는 수심 100 m까지 유효했다. 멍게의 섭식은 종에 따라 달랐다. 비선택적 섭식을 하는 기둥형 멍게인 M. pedunculata의 먹이 대한 수층 생산의 기여는 식물플랑크톤이 풍부한 외측으로 갈수록 증가했다. 하지만 여전히 저서규조류가 주된 먹이원 중 하나였다. 반면, 분출 기작을 가진 C. verrucosa와 납작한 형태인 Ascidia challengeri는 빙하의 영향과 무관하게 저서규조류를 주로 섭식했다. 이 결과들은 남극 연안에서 저서규조류가 여과섭식자들의 주된 먹이원이며, 특히 빙하후퇴로 인한 높은 탁도로 수층 생산력이 낮은 지역에서 핵심 먹이원임을 보여주었다. 본 연구는 빙하후퇴에 대한 남극 저서생태계의 반응에 대한 정보를 제공한다. 마리안소만 빙하로부터의 거리는 해저가 노출된 시간과 비례하여, 거대저서동물 군집의 공간 분포로부터 빙하 후퇴 이후에 발생한 군집의 천이 과정을 유추할 수 있다. 그러므로 이 연구의 결과는 기후변화에 따른 남극 해양 생태계의 변화를 예측하고 대비하기 위한 토대를 제공한다.On polar coasts, glacial retreat strongly affects benthic invertebrates by oceanographic settings, including physical disturbance, habitat alteration, and food availability. Benthic organisms widely distributed from shallow to deep seabeds of the Antarctic represent an important polar benthic ecosystem, but ecological processes and the impacts of recent glacial retreat remain unanswered. The community structure and function of benthic megafauna were investigated in a glacial retreated fjord in Antarctica to answer the following questions: 1) how do the benthic megafauna communities shift after glacial retreat? 2) what are the sentinel taxa and environmental factors for benthic megafauna distribution in the deglaciated Antarctic nearshore? 3) do the diets of ascidians differ under the influence of the glaciers? To confirm the distributions of the benthic megafauna community in a deglaciated fjord of Antarctica, underwater imagery survey using a ROV was conducted for the first time in Marian Cove (MC). The diets of ascidians were determined from C and N stable isotope analyses In the glacial retreated fjord, the structural and functional diversities of benthic megafauna communities varied greatly in space. Species diversity increased towards the outer sites where the glacial influence decreased, but the density peaked near the glaciers by the rapid increase of pioneer species (Molgula pedunculata and Cnemidocarpa verrucosa). Benthic communities matured rapidly at higher taxonomic levels after the glacial retreat (~10 years after seabed exposure). Functional diversity, on the other hand, increased toward the outside of the cove and peaked at 30 m as a result of a lesser disturbance and more food-availability. This study showed that three stages (colonization, transition, and maturing) represent the shift process of the benthic megafauna community after the glacial retreat in the Antarctic nearshore. The spatial distribution of ascidians explaining 64% of the benthic megafaunal variations indicates that ascidians are suitable indicator taxa for monitoring the responses of the benthic ecosystem to the glacial retreat in Antarctica. The spatial distribution of ascidians was significantly changed with the distance from the glacier and water depth. The density peaked near the glacier by a rapid increase of pioneer species (M. pedunculata and C. verrucosa), but diversity increased toward the outer site where the glacial influence decreased. The spatial pattern was not distinct at shallow depths (10 to 30 m) which had relatively severe disturbances. Sediment properties and distance from the glacier indicating the physical disturbance level by the deglaciation were key factors determining the ascidian distributions. δ13C and δ15N analysis showed changes in the diets of the three dominant ascidians according to the effects of the glaciers in the Antarctic nearshore. Benthic diatoms were the primary food (30–70%) for the ascidians in MC, and their contribution to the diets of the ascidians was significant up to 100 m. The diets of the ascidians differed depending on the species. The contribution of pelagic production to M. pedunculata with non-selective feeding and cylindrical body form increased toward the outer site abundant in phytoplanktons, but benthic diatoms were still one of the major food sources. On the other hand, benthic diatoms were the major food for C. verrucosa, which had a squirting behavior, and Ascidia challengeri, which had a laterally flat body, regardless of the influence of the glaciers. These results indicate that benthic diatoms were the primary food for filter feeders in the Antarctic nearshore, and their contribution was particularly high in areas with low pelagic production due to high turbidity by the glacial retreats. Overall, the present study provides information on benthic ecosystem responses to glacial retreats in Antarctica. Given that the distance from the glacier was proportional to the seabed exposure time in MC, the spatial variation in the benthic megafauna community across the cove indicates the successional processes that occurred in the past after the glacial retreats. Therefore, this study provides a basis for predicting and preparing for changes in the Antarctic marine ecosystem caused by climate change.CHAPTER. 1. Introduction 1 1.1. Backgrounds 2 1.2. Objectives 10 CHAPTER. 2. Shifts in benthic megafauna communities after glacial retreat in an Antarctic fjord 13 2.1. Introduction 14 2.2. Materials and methods 16 2.2.1. Study area 16 2.2.2. ROV data acquisition 22 2.2.3. Megafaunal community analysis 24 2.2.4. Taxonomic and functional diversities 25 2.2.5. Statistical analysis 38 2.3. Results 39 2.3.1. Assemblages of benthic megafauna 39 2.3.2. Distribution characteristics of benthic megafauna 42 2.3.3. Relationship between the benthic megafauna community and environmental parameters 46 2.4. Discussion 48 2.4.1. Spatial variation in the structure of the benthic megafauna community 48 2.4.2. Changes to the functional diversity of the benthic megafauna community in the deglaciated fjord 55 2.4.3. Impact of glacial retreat on the benthic community 58 2.5. Conclusions 63 CHAPTER. 3. Patterns, drivers and implications of ascidian distributions in a rapidly deglaciating fjord, King George Island, West Antarctic Peninsula 64 3.1. Introduction 65 3.2. Materials and methods 68 3.2.1. Study area 68 3.2.2. ROV survey and sampling 70 3.2.3. ROV images and sample analysis 87 3.2.4. Statistical analyses 90 3.2.5. Supporting datasets 91 3.3. Results 92 3.3.1. Environmental characteristics of the study area 92 3.3.2. Ascidian contribution to the spatial variations of total epibenthic megafauna 99 3.3.3. Spatial patterns of ascidian distribution 104 3.3.3.1 Abundance, species composition and diversity 104 3.3.3.2 Differences in body size among stations 112 3.3.4. Relationship between ascidian assemblages and environmental parameters 114 3.4. Discussion 116 3.4.1. Ascidians as a key megabenthic community in an Antarctic fjord 116 3.4.2. Ascidian assemblages in the ice-proximal zone 118 3.4.3. Physical disturbance structuring ascidian communities in shallow habitats 120 3.4.4. Successional shifts of ascidian communities in deep habitats 125 3.5. Conclusions 129 CHAPTER. 4. Changes in ascidian diets under the influence of glacial retreat in a fjord, Antarctic nearshore 130 4.1. Introduction 131 4.2. Materials and methods 133 4.2.1. Study area 133 4.2.2. Potential food sources selection 136 4.2.3. Sample collection 138 4.2.4. Stable isotope analysis 139 4.2.5. Data analysis and statistics 140 4.3. Results 141 4.3.1. Stable isotope signatures of ascidians and potential food sources 141 4.3.2. Variations of relative contributions of the potential food sources to the diets of the ascidians among the stations and the species 144 4.4. Discussion 146 4.4.1. Diet change of ascidians 146 4.4.2. Effects of glacial retreat on food sources and distribution of ascidians 149 4.5. Conclusions 152 CHAPTER. 5. Conclusions 153 5.1. Summary 154 5.2. Environmental implications and limitations 158 5.3. Future research directions 160 BIBLIOGRAPHY 162 ABSTRACT (IN KOREAN) 175 APPENDIX 177박

근사 연산에 대한 계산 검증 연구

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :자연과학대학 수리과학부,2020. 2. 천정희.Verifiable Computing (VC) is a complexity-theoretic method to secure the integrity of computations. The need is increasing as more computations are outsourced to untrusted parties, e.g., cloud platforms. Existing techniques, however, have mainly focused on exact computations, but not approximate arithmetic, e.g., floating-point or fixed-point arithmetic. This makes it hard to apply them to certain types of computations (e.g., machine learning, data analysis, and scientific computation) that inherently require approximate arithmetic. In this thesis, we present an efficient interactive proof system for arithmetic circuits with rounding gates that can represent approximate arithmetic. The main idea is to represent the rounding gate into a small sub-circuit, and reuse the machinery of the Goldwasser, Kalai, and Rothblum's protocol (also known as the GKR protocol) and its recent refinements. Specifically, we shift the algebraic structure from a field to a ring to better deal with the notion of ``digits'', and generalize the original GKR protocol over a ring. Then, we represent the rounding operation by a low-degree polynomial over a ring, and develop a novel, optimal circuit construction of an arbitrary polynomial to transform the rounding polynomial to an optimal circuit representation. Moreover, we further optimize the proof generation cost for rounding by employing a Galois ring. We provide experimental results that show the efficiency of our system for approximate arithmetic. For example, our implementation performed two orders of magnitude better than the existing system for a nested 128 x 128 matrix multiplication of depth 12 on the 16-bit fixed-point arithmetic.계산검증 기술은 계산의 무결성을 확보하기 위한 계산 복잡도 이론적 방법이다. 최근 많은 계산이 클라우드 플랫폼과 같은 제3자에게 외주됨에 따라 그 필요성이 증가하고 있다. 그러나 기존의 계산검증 기술은 비근사 연산만을 고려했을 뿐, 근사 연산 (부동 소수점 또는 고정 소수점 연산)은 고려하지 않았다. 따라서 본질적으로 근사 연산이 필요한 특정 유형의 계산 (기계 학습, 데이터 분석 및 과학 계산 등)에 적용하기 어렵다는 문제가 있었다. 이 논문은 반올림 게이트를 수반하는 산술 회로를 위한 효율적인 대화형 증명 시스템을 제시한다. 이러한 산술 회로는 근사 연산을 효율적으로 표현할 수 있으므로, 근사 연산에 대한 효율적인 계산 검증이 가능하다. 주요 아이디어는 반올림 게이트를 작은 회로로 변환한 후, 여기에 Goldwasser, Kalai, 및 Rothblum의 프로토콜 (GKR 프로토콜)과 최근의 개선을 적용하는 것이다. 구체적으로, 대수적 객체를 유한체가 아닌 ``숫자''를 보다 잘 처리할 수 있는 환으로 치환한 후, 환 위에서 적용 가능하도록 기존의 GKR 프로토콜을 일반화하였다. 이후, 반올림 연산을 환에서 차수가 낮은 다항식으로 표현하고, 다항식 연산을 최적의 회로 표현으로 나타내는 새롭고 최적화된 회로 구성을 개발하였다. 또한, 갈루아 환을 사용하여 반올림을 위한 증명 생성 비용을 더욱 최적화하였다. 마지막으로, 실험을 통해 우리의 근사 연산 검증 시스템의 효율성을 확인하였다. 예를 들어, 우리의 시스템은 구현 시, 16 비트 고정 소수점 연산을 통한 깊이 12의 반복된 128 x 128 행렬 곱셈의 검증에 있어 기존 시스템보다 약 100배 더 나은 성능을 보인다.1 Introduction 1 1.1 Verifiable Computing 2 1.2 Verifiable Approximate Arithmetic 3 1.2.1 Problem: Verification of Rounding Arithmetic 3 1.2.2 Motivation: Verifiable Machine Learning (AI) 4 1.3 List of Papers 5 2 Preliminaries 6 2.1 Interactive Proof and Argument 6 2.2 Sum-Check Protocol 7 2.3 The GKR Protocol 10 2.4 Notation and Cost Model 14 3 Related Work 15 3.1 Interactive Proofs 15 3.2 (Non-)Interactive Arguments 17 4 Interactive Proof for Rounding Arithmetic 20 4.1 Overview of Our Approach and Result 20 4.2 Interactive Proof over a Ring 26 4.2.1 Sum-Check Protocol over a Ring 27 4.2.2 The GKR Protocol over a Ring 29 4.3 Verifiable Rounding Operation 31 4.3.1 Lowest-Digit-Removal Polynomial over Z_{p^e} 32 4.3.2 Verification of Division-by-p Layer 33 4.4 Delegation of Polynomial Evaluation in Optimal Cost 34 4.4.1 Overview of Our Circuit Construction 35 4.4.2 Our Circuit for Polynomial Evaluation 37 4.4.3 Cost Analysis 40 4.5 Cost Optimization 45 4.5.1 Galois Ring over Z_{p^e} and a Sampling Set 45 4.5.2 Optimization of Prover's Cost for Rounding Layers 47 5 Experimental Results 50 5.1 Experimental Setup 50 5.2 Verifiable Rounding Operation 51 5.2.1 Effectiveness of Optimization via Galois Ring 51 5.2.2 Efficiency of Verifiable Rounding Operation 53 5.3 Comparison to Thaler's Refinement of GKR Protocol 54 5.4 Discussion 57 6 Conclusions 60 6.1 Towards Verifiable AI 61 6.2 Verifiable Cryptographic Computation 62 Abstract (in Korean) 74Docto

실시간 근거리 영상화를 위한 MIMO 역합성 개구 레이더 시스템

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2022. 8. 남상욱.Microwave and millimeter wave (micro/mmW) imaging systems have advantages over other imaging systems in that they have penetration properties over non-metallic structures and non-ionization. However, these systems are commercially applicable in limited areas. Depending on the quality and size of the images, a system can be expensive and images cannot be provided in real-time. To overcome the challenges of the current micro/mmW imaging system, it is critical to suggest a new system concept and prove its potential benefits and hazards by demonstrating the testbed. This dissertation presents Ku1DMIC, a wide-band micro/mmW imaging system using Ku-band and 1D-MIMO array, which can overcome the challenges above. For cost-effective 3D imaging capabilities, Ku1DMIC uses 1D-MIMO array configuration and inverse synthetic aperture radar (ISAR) technique. At the same time, Ku1DMIC supports real-time data acquisition through a system-level design of a seamless interface with frequency modulated continuous wave (FMCW) radar. To show the feasibility of 3D imaging with Ku1DMIC and its real-time capabilities, an accelerated imaging algorithm, 1D-MIMO-ISAR RSA, is proposed and demonstrated. The detailed contributions of the dissertation are as follows. First, this dissertation presents Ku1DMIC – a Ku-band MIMO frequency-modulated continuous-wave (FMCW) radar experimental platform with real-time 2D near-field imaging capabilities. The proposed system uses Ku-band to cover the wider illumination area given the limited number of antennas and uses a fast ramp and wide-band FMCW waveform for rapid radar data acquisition while providing high-resolution images. The key design aspect behind the platform is stability, reconfigurability, and real-time capabilities, which allows investigating the exploration of the system’s strengths and weaknesses. To satisfy the design aspect, a digitally assisted platform is proposed and realized based on an AMD-Xilinx UltraScale+ Radio Frequency System on Chip (RFSoC). The experimental investigation for real-time 2D imaging has proved the ability of video-rate imaging at around 60 frames per second. Second, a waveform digital pre-distortion (DPD) method and calibration method are proposed to enhance the image quality. Even if a clean FMCW waveform is generated with the aid of the optimized waveform generator, the signal will inevitably suffer from distortion, especially in the RF subsystem of the platform. In near-field imaging applications, the waveform DPD is not effective at suppressing distortion in wide-band FMCW radar systems. To solve this issue, the LO-DPD architecture and binary search based DPD algorithm are proposed to make the waveform DPD effective in Ku1DMIC. Furthermore, an image-domain optimization correction method is proposed to compensate for the remaining errors that cannot be eliminated by the waveform DPD. For robustness to various unwanted signals such as noise and clutter signals, two regularized least squares problems are applied and compared: the generalized Tikhonov regularization and the total variation (TV) regularization. Through various 2D imaging experiments, it is confirmed that both methods can enhance the image quality by reducing the sidelobe level. Lastly, the research is conducted to realize real-time 3D imaging by applying the ISAR technique to Ku1DMIC. The realization of real-time 3D imaging using 1D-MIMO array configuration is impactful in that this configuration can significantly reduce the costs of the 3D imaging system and enable imaging of moving objects. To this end, the signal model for the 1D-MIMO-ISAR configuration is presented, and then the 1D-MIMO-ISAR range stacking algorithm (RSA) is proposed to accelerate the imaging reconstruction process. The proposed 1D-MIMO-ISAR RSA can reconstruct images within hundreds of milliseconds while maintaining almost the same image quality as the back-projection algorithm, bringing potential use for real-time 3D imaging. It also describes strategies for setting ROI, considering the real-world situations in which objects enter and exit the field of view, and allocating GPU memory. Extensive simulations and experiments have demonstrated the feasibility and potential benefits of 1D-MIMO-IASR configuration and 1D-MIMO-ISAR RSA.마이크로파 및 밀리미터파(micro/mmW) 영상화 시스템은 비금속 구조 및 비이온화에 비해 침투 특성이 있다는 점에서 다른 이미징 시스템에 비해 장점이 있다. 그러나 이러한 시스템은 제한된 영역에서만 상업적으로 적용되고 있다. 이미지의 품질과 크기에 따라 시스템이 매우 고가일 수 있으며 이미지를 실시간으로 제공할 수 없는 현황이다. 현재의 micro/mmW 이미징 시스템의 문제를 극복하려면 새로운 시스템 개념을 제안하고 테스트베드를 시연하여 잠재적인 이점과 위험을 입증하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 Ku-band와 1D-MIMO 어레이를 이용한 광대역 micro/mmW 이미징 시스템인 Ku1DMIC를 제안하여 위와 같은 문제점을 극복할 수 있다. 비용 효율적인 3차원 영상화 기능을 위해 Ku1DMIC는 1D-MIMO 배열 기술과 ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar) 기술을 사용한다. 동시에 Ku1DMIC는 주파수 변조 연속파 (FMCW) 레이더와의 원활한 인터페이스의 시스템 수준 설계를 통해 실시간 데이터 수집을 지원한다. Ku1DMIC를 사용한 3차원 영상화의 구현 및 실시간 기능의 가능성을 보여주기 위해, 2차원 영상화를 위한 1D-MIMO RSA과 3차원 영상화를 위한 1D-MIMO-ISAR RSA가 제안되고 Ku1DMIC에서 구현된다. 따라서, 본 학위 논문의 주요 기여는 Ku-band 1D-MIMO 배열 기반 영상화 시스템 프로토타입을 개발 및 테스트하고, ISAR 기반 3차원 영상화 기능을 검사하고, 실시간 3차원 영상화 가능성을 조사하는 것이다. 이에 대한 세부적인 기여 항목은 다음과 같다. 첫째, 실시간 2D 근거리장 이미징 기능을 갖춘 Ku 대역 MIMO 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더 실험 플랫폼인 Ku1DMIC를 제시한다. 제안하는 시스템은 제한된 수의 안테나에서 더 넓은 조명 영역을 커버하기 위해 Ku 대역을 사용하고 고해상도 이미지를 제공하면서 빠른 레이더 데이터 수집을 위해 고속 램프 및 광대역 FMCW 파형을 사용한다. 플랫폼의 핵심 설계 원칙은 안정성, 재구성 가능성 및 실시간 기능으로 시스템의 강점과 약점을 광범위하게 탐색한다. 설계 원칙을 만족시키기 위해 AMD-Xilinx UltraScale+ RFSoC(Radio Frequency System on Chip)를 기반으로 디지털 지원 플랫폼을 제안하고 구현한다. 실시간 2D 이미징에 대한 실험적 조사는 초당 약 60프레임에서 비디오 속도 이미징의 능력을 입증했다. 둘째, 영상 품질 향상을 위한 파형 디지털 전치왜곡(DPD) 방법과 보정 방법을 제안한다. 최적화된 파형 발생기의 도움으로 깨끗한 FMCW 파형이 생성되더라도 특히 플랫폼의 RF 하위 시스템에서 신호는 필연적으로 왜곡을 겪게된다. 근거리 영상화 응용 분야에서는 파형 DPD는 광대역 FMCW 레이더 시스템의 왜곡을 억제하는 데 효과적이지 않다. 이 문제를 해결하기 위해 Ku1DMIC에서 파형 DPD가 유효하도록 LO-DPD 아키텍처와 이진 탐색 기반 DPD 알고리즘을 제안한다. 또한, 파형 DPD로 제거할 수 없는 나머지 오류를 보상하기 위해 이미지 영역 최적화 보정 방법을 제안한다. 노이즈 및 클러터 신호와 같은 다양한 원치 않는 신호에 대한 견고성을 위해 일반화된 Tikhonov 정규화 및 전체 변동(TV) 정규화라는 두 가지 정규화된 최소 자승 문제를 적용 후 비교한다. 다양한 2차원 영상화 실험을 통해 두 방법 모두 부엽 레벨을 줄여 화질을 향상시킬 수 있음을 확인한다. 마지막으로, ISAR 기법을 2차원 영상 플랫폼에 적용하여 실시간 3차원 영상을 구현하기 위한 연구를 진행한다. 1D-MIMO-ISAR 구성에서 실시간 3D 이미징의 구현은 이러한 구성이 3D 이미징 시스템의 비용을 크게 줄일 수 있다는 점에서 영향력이 있다. 따라서 이 논문에서는 1D-MIMO-ISAR 구성에 대한 이미징 재구성을 가속화하기 위해 1D-MIMO-ISAR 범위 스태킹 알고리즘(RSA)을 제안한다. 제안된 1D-MIMO-ISAR RSA는 널리 알려진 Back-Projection 알고리즘과 거의 동일한 이미지 품질을 유지하면서도 수백 밀리초 이내에 이미지를 재구성함으로써 실시간 영상화에 대한 가능성을 보여준다. 또한 물체가 시야에 들어오고 나가는 실제 상황을 고려하기 위한 ROI 설정, 그리고 메모리 할당에 대한 전략을 설명한다. 광범위한 시뮬레이션과 실험을 통해 1D-MIMO-IASR 구성 및 1D-MIMO-ISAR RSA의 가능성과 잠재적 이점을 확인한다.1 INTRODUCTION 1 1.1 Microwave and millimeter-wave imaging 1 1.2 Imaging with radar system 2 1.3 Challenges and motivation 5 1.4 Outline of the dissertation 8 2 FUNDAMENTAL OF TWO-DIMENSIONAL IMAGING USING A MIMO RADAR 9 2.1 Signal model 9 2.2 Consideration of waveform 12 2.3 Image reconstruction algorithm 16 2.3.1 Back-projection algorithm 16 2.3.2 1D-MIMO range-migration algorithm 20 2.3.3 1D-MIMO range stacking algorithm 27 2.4 Sampling criteria and resolution 31 2.5 Simulation results 36 3 MIMO-FMCW RADAR IMPLEMENTATION WITH 16 TX - 16 RX ONE- DIMENSIONAL ARRAYS 46 3.1 Wide-band FMCW waveform generator architecture 46 3.2 Overall system architecture 48 3.3 Antenna and RF transceiver module 53 3.4 Wide-band FMCW waveform generator 55 3.5 FPGA-based digital hardware design 63 3.6 System integration and software design 71 3.7 Testing and measurement 75 3.7.1 Chirp waveform measurement 75 3.7.2 Range profile measurement 77 3.7.3 2-D imaging test 79 4 METHODS OF IMAGE QUALITY ENHANCEMENT 84 4.1 Signal model 84 4.2 Digital pre-distortion of chirp signal 86 4.2.1 Proposed DPD hardware system 86 4.2.2 Proposed DPD algorithm 88 4.2.3 Measurement results 90 4.3 Robust calibration method for signal distortion 97 4.3.1 Signal model 98 4.3.2 Problem formulation 99 4.3.3 Measurement results 105 5 THREE-DIMENSIONAL IMAGING USING 1-D ARRAY SYSTEM AND ISAR TECHNIQUE 110 5.1 Formulation for 1D-MIMO-ISAR RSA 111 5.2 Algorithm implementation 114 5.3 Simulation results 120 5.4 Experimental results 122 6 CONCLUSIONS AND FUTURE WORK 127 6.1 Conclusions 127 6.2 Future work 129 6.2.1 Effects of antenna polarization in the Ku-band 129 6.2.2 Forward-looking near-field ISAR configuration 130 6.2.3 Estimation of the movement errors in ISAR configuration 131 Abstract (In Korean) 145 Acknowlegement 148박

사물 통신에서 딥러닝을 이용한 확산코드 설계

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :공과대학 전기·정보공학부,2019. 8. 이광복.Massive machine-type communications (mMTC) have been drawing a lot of attentions because the number of MTC devices is expected to be increasing in the next generation (5G) communication systems with a variety of Internet-of-Things (IoT) applications. For effective uplink transmission in the mMTC, the grant-free non-orthogonal multiple access (NOMA) scheme has been a promising solution to overcome high signaling overhead and latency problems. Due to instant transmissions, active user detection (AUD) is an important task for grant-free NOMA. In the transmitter, data symbols are spread by user-specific spreading sequences. However, the most research papers have focused on designing the effective detection algorithms, but not given much attention to the transmitter design. In this dissertation, the generation of spreading sequences via deep learning is proposed. With sufficient training data, the proposed spreading sequences show the close performance to the mathematically optimized sequences. In particular, we show the capabilities of learning sequences by demonstrating that learned sequences can have different cross-correlations depending on the activity probability of each user.5세대 이동통신에서 사물 통신기기들의 수가 폭발적으로 증가할것이라 예상되면서, 대규모 사물 통신(massive machine-type communications, mMTC)은 많은 관심을 받고있다. 효과적인 상향링크를 위해서 최근 무허가 방식의 비직교 다중접속(non-orthogonal multiple access, NOMA) 기술이 높은 신호 오버헤드와 지연 시간 문제를 해결하기 위한 대안으로 주목받고 있다. 특히 무허가 비직교 다중접속에서는 스케쥴링 없이 즉각적인 전송이 이루어지기 때문에 활성 기기 검출(active user detection, AUD)이 중요한 문제가 된다. 대규모 사물 통신의 상향링크에서 송신기는 데이터 심볼에 기기마다 다른 확산 코드(spreading sequence)를 이용해 데이터를 확산해서 보낸다. 그러나 대부분의 기존 연구들은 수신기의 검출 알고리즘 연구에 치우쳐져 있고 송신기에서 어떠한 확산 코드를 설계해서 보내야 하는지는 미흡했다. 본 논문에서는 딥러닝을 기반으로 확산 코드를 설계하는 기법을 제안한다. 충분한 학습 데이터을 이용해서 학습된 확산 코드는 수학적으로 상관 관계가 최적화된 확산 코드와 비슷한 활성 기기 검출 성능을 보여주었다. 특히 기기들이 서로 다른 활성 확률을 가지는 환경에서는 확산 코드가 활성 확률에 따라 서로 다른 상호상관관계을 가지도록 학습되고, 높은 SNR에서 약 1.4배에서 2배의 성능의 향상을 보여준다.1 Introduction 1 2 System Model 4 3 Design of Spreading Sequences using Deep Learning 6 3.1 Entire Network Structure of the System 6 3.2 Spreading Layer 7 3.3 Active User Detection Layer 7 4 Simulation Results 12 4.1 Simulation Setup 12 4.2 Simulation Results and Interpretation 13 5 Conclusion 19 Abstract (In Korean) 22 Acknowlegement 23Maste

서울시를 중심으로

학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 환경대학원 환경계획학과, 2022.2. 박인권.Recently, the housing market in Seoul has been unstable. The rise in housing rent often leads low-income class to migrate involuntarily. In order to support housing stability on the low-income class, it is necessary to follow their involuntary housing movement mechanism. Therefore, this study analyzed the effect of changes in housing rent on the moving intention of tenants in Seoul by income. Based on household characteristics data derived from 2012-2017 Seoul Survey, this study added additional data on regional characteristics such as jeonse price, long-term rent with lump-sum deposit, jeonse increase rate, and public rental housing rate to analyze how household characteristics and regional characteristics affect moving intentions. After conducting the analysis on all tenants, the same analysis was conducted again by dividing them by income. The research results are as follows. First, in relation to the effect of changes in housing rent on the moving intention in tenants, the analysis conducted on all tenants showed that the rate of increase in housing rent was not significant statistically. However, when analyzing the division by income class, it was demonstrated that the change in housing rent affects the moving intention in the case of low-income class. Second, as to which household characteristics affect the decision of moving intention, the integrated analysis of all tenants showed that age, age square, housing satisfaction, main cause of debt, and number of household members had a statistically significant effect on moving intention. In the case of age, it was consistent with the life cycle theory, and the lower the housing satisfaction and the higher the number of household members, the higher the willingness to move. On the other hand, households who responded that the main cause of household debt was housing costs showed lower intention to move, and middle and high-income classes had higher intention to move than low-income class. This can show structural housing instability to tenants. Third, as a result of analyzing whether the difference in characteristics between regions affects the tenant’s moving intention, the lower the jeonse price, the lower the public rental housing ratio, and the higher the worker ratio, the higher the willingness to move. In districts with low jeonse prices, poor living infrastructure is believed to have been a factor in the moving intention. It has been demonstrated that public rental housing plays a role in inducing local settlement of tenants and preventing external leaks in accordance with the policy purpose. Finally, the factors affecting the moving intention for each income class were different as follows. In the case of low-income class, changes in rent and residential infrastructure, such as the rate of increase in jeonse prices and public rental housing, have a significant impact on the moving intention. However, for middle and high-income classes, household characteristics such as residential housing type and housing rental type have a greater impact.최근 서울시의 주택시장이 불안정하다. 주택 임차료 상승은 저소득층에게 특히 큰 영향을 주어 이들의 비자발적 이주로 이어지는 경우가 많다. 저소득층의 주거 부담을 덜고 주거안정을 지원하기 위해서는 그들의 비자발적 주거 이동 메커니즘을 정확하게 파악할 필요가 있다. 이에 본 연구는 서울시를 대상으로 주택 임차료 변화가 소득계층별 임차가구의 이사의향에 미친 영향을 분석하였다. 서울서베이의 2012년~2017년 이사의향 설문조사 결과에서 도출된 가구적 특성 자료를 토대로 하고, 여기에 전세가격, 전세가 상승률, 공공임대주택 비율 등의 지역적 특성 자료를 추가로 구축해 가구특성과 지역특성이 이사의향에 어떠한 영향을 미치는지를 분석하였다. 전체 임차가구를 대상으로 분석을 수행한 후, 소득계층별로 분할해 동일한 분석을 다시 실시했다. 연구결과는 다음과 같다. 첫째, 주택 임차료의 변화가 임차가구의 이사의향에 미치는 영향과 관련, 전체 임차가구를 대상으로 수행한 통합 분석에서는 주택 임차료의 상승률이 임차가구의 이사의향에 유의하지 않은 것으로 나타났다. 그러나 소득계층별 분할 분석 시에는 저소득층의 경우 주택 임차료의 변화가 이사의향에 영향을 주는 것이 실증되었다. 둘째, 이사의향의 결정에는 어떠한 가구적 특성이 영향을 미치는지에 대해서는, 먼저 전체 임차가구를 대상으로 한 통합 분석 결과 연령과 연령 제곱, 주거만족도, 부채 주 원인, 가구원 수 변수가 이사의향에 통계적으로 유의한 영향을 미쳤다. 연령의 경우 생애주기이론에 부합했으며, 주거만족도가 낮을수록, 가구원 수가 많을수록 이사의향이 증가했다. 반면 가구부채의 주 원인이 주거비라고 응답한 가구일수록 이사의향이 떨어지는 것으로 나타났고, 중·고소득층의 이사의향이 저소득층보다, 공동주택에 거주하는 경우 단독/다가구주택에 거주하는 경우보다 이사의향이 더 높은 것을 확인할 수 있었다. 이는 소득에 상관없이 임차료의 부담 또는 주택 구입의 사유로 이사의향이 발생하는 임차가구의 구조적 주거불안정성을 나타낸다고 해석할 수 있다. 셋째, 지역 간의 특성 차이가 임차가구의 이사의향에 영향을 미치는지를 분석한 결과, 지역특성 변수의 경우 전세가격이 낮은 지역일수록, 공공임대주택 비율이 낮은 지역일수록, 근로자 비율이 높은 지역일수록 이사의향이 높은 것으로 나타났다. 전세가격이 낮은 지역은 각종 생활 인프라가 열악한 것이 이사의향의 요인이 된 것으로 추정된다. 공공임대주택은 정책 취지에 부합하게 임차가구의 지역 정착을 유도하고 외부 유출을 방지하는 역할을 하고 있음을 실증했다. 마지막으로, 소득계층별로 이사의향에 미치는 요소는 다음과 같이 상이하게 나타났다. 저소득층의 경우 전세가격 상승률이나 공공임대주택 비율과 같은 지역의 임차료 변동 및 주거 인프라적 지역특성이 이사의향에 유의한 영향을 미치지만, 중·고소득층에게는 그러한 지역특성보다는 거주 주택유형, 주택 임차유형 등 가구특성이 더욱 큰 영향을 미침을 알 수 있었다. 본 연구는 저소득층의 경우 중·고소득층과는 달리 주택 임차료의 상승이 이사의향을 증가시킨다는 점을 실증함에 따라 이에 대한 정책 마련이 시급하다는 점, 지역 간의 여건 차이가 이사의향에 영향을 미치므로 정부의 주택정책은 지역별 특성을 고려하여 맞춤형으로 추진되어야 한다는 점, 공공임대주택 비율이 낮은 지역에 거주하는 저소득층 가구는 이사의향이 높은 반면, 공공임대주택 비율이 높은 지역에 거주하는 저소득층 가구는 이사의향이 낮았다는 결과를 통해 공공임대주택이 저소득 임차가구의 주거안정에 기여하고 있음을 통계적으로 실증하였다는 점에서 의의가 있다.제１장 서론 1 제１절 연구의 배경 및 목적 1 제２절 연구의 범위 및 방법 5 １. 연구의 범위 5 ２. 연구의 방법 6 ３. 연구의 구성 7 제２장 주거이동이론 및 선행연구 고찰 9 제１절 주거이동에 관한 이론 9 １. 주거이동의 개념 및 결정요인 9 ２. 비자발적 주거이동과 젠트리피케이션 13 제２절 선행연구 검토 및 연구의 차별성 16 １. 주거이동에 관한 연구 16 ２. 계층별 주거이동 결정요인에 관한 연구 19 ３. 본 연구의 차별성 24 제３장 자료 및 연구방법 26 제１절 분석자료 및 표본 26 제２절 연구 가설 및 분석 방법 30 제３절 변수설정 및 기초통계 32 제４장 서울시 임차가구 이사의향 실증분석 39 제１절 전 임차가구 통합 분석 39 １. 영모형 추정 39 ２. 다수준 로지스틱 회귀분석 결과 39 제２절 소득계층별 분석 43 １. 기초통계량 및 영모형 추정 43 ２. 소득계층별 다수준 로지스틱 회귀분석 결과 46 제５장 결론 53 제１절 연구의 요약 및 시사점 53 제２절 연구의 의의 및 한계 55 참 고 문 헌 57 Abstract 62석

The role of graphene patterning in field-effect transistor sensors to detect the tau protein for Alzheimer's disease: Simplifying the immobilization process and improving the performance of graphene-based immunosensors

We report the improvement in the sensing performance of electrolyte-gated graphene field-effect transistor (FET) sensors capable of detecting tau protein through a simplified, linker-free, anti-tau antibody immobilization process. For most of the graphene-based immunosensor, linkers, such as pyrenebutanoic acid, succinimidyl ester (PSE) must be used to the graphene surface, while the other side of linkers serves to capture the antibodies that can specifically interact with the target biomarker. In this study, graphene was patterned into eight different types and linker-free patterned graphene FET sensors were fabricated to verify their detection performance. The linker-free antibody immobilization to patterned graphene exhibited that the antibody was immobilized to the edge defect and had a doping-like behaviors on graphene. As the tau protein concentration in the electrolyte increased from 10 fg/ml to 1 ng/ml, the performances, charge neutral point shift and current change rate of the patterned graphene sensors without linkers were enhanced 2-3 times compared to a pristine graphene sensor with the PSE linker. Moreover, tau protein in the plasma of five Alzheimer's disease patients was measured using a linker-free patterned graphene sensor. It shows a 3-4 times higher current change rate than that of pristine graphene sensor with the PSE linker. Since the antibody is immobilized directly without a linker, a patterned graphene sensor without a linker can operate more sensitively in higher ionic concentration electrolyte.ope

Design Method of a Multiport MIMO Antenna on a Bilaterally Symmetric Conductor Using Characteristic Mode Theory

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 공과대학 전기·정보공학부, 2017. 8. 남상욱.본 논문에서는 특성 모드 이론에 기반한 다중 포트 MIMO 안테나 설계 방법을 제안한다. 보다 구체적으로는, 하나의 대칭 축이 있는 도체를 다중 포트 MIMO 안테나로 설계하는 방법론을 제시한다. MIMO 통신 기술의 발달로 정해진 공간내에서의 다중의 독립적인 안테나 설계를 필요로 한다. 특성 모드 이론은 정해진 도체에서의 직교하는 공진 모드들을 제공해주고, 이와 모드 디커플링 네트워크를 이용하면 주어진 도체를 이용한 MIMO 안테나 설계가 가능하다고 알려져 있다. 하지만, 안테나의 수가 늘어남에 따라 모드 디커플링 네트워크는 복잡한 설계가 요구된다. 이전에는 이를 보다 간한하게 구현하기 위해 상하좌우대칭 도체에서의 MIMO 안테나의 설계가 요구되었다. 본 논문에서는 좌우대칭 도체에서의 보다 간단한 다중 포트 MIMO 안테나 설계 방법을 제안한다. 보다 자세하게는, 간단한 모드 디커플링 네트워크 구현은 특성 모드를 급전하는 커플링 요소의 설계에 의존적이기에, 이에 대한 위치 및 모양에 대한 설계 방식을 제안한다. 제안된 설계 방법론을 검증하기 위해서, 2.4GHz- ISM 대역에서 동작하는 생체모방형 드론에 사용되는 삼중 안테나를 제작 및 측정하였다. 이 안테나는 50 mm 61.5 mm 10 mm 의 크기를 가지며, FR-4 단층 기판을 이용하여 설계되었다. 측정 결과, mutual coupling은 -20 dB 이하로 낮은 커플링을 제공하였고, 안테나 패턴 간의 상관도를 나타내는 지표인 envelope correlation coefficient는 0.001보다 낮은 값을 제공하였기에 MIMO 통신용으로써 적합함을 보였다.제 1 장 서론 1 제 2 장 특성 모드 이론 4 제 1 절 특성 모드 이론의 개요 4 제 2 절 특성 전류 상관도 6 제 3 절 슬롯 형태의 유도성 커플링 분석 8 제 3 장 좌우대칭 도체에서의 제안된 설계 방법 11 제 1 절 다른 군의 특성 모드를 사용하는 안테나 설계 12 제 2 절 같은 군의 다른 특성 모드를 사용하는 안테나 설계 13 제 3 절 제안된 다중 포트 MIMO 안테나의 시스템 구성 18 제 4 장 예시 생체 모방의 벌레 모양 MIMO 안테나 20 제 1 절 벌레 모양 도체의 특성 모드 분석 21 제 2 절 제안된 방식에 기반한 ICE 설계 22 제 3 절 MDN을 포함하는 시스템적인 설계 25 제 4 절 측정 및 결과 27 제 5 장 결론 31 부록 34 참고문헌 37 Abstract 40Maste

Estimation of Usual Intakes of Foods and Nutrients in Korean Adults

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 식품영양학과, 2013. 2. 백희영.식사섭취조사의 주된 목적은 집단이나 개인의 섭취량을 측정하여 만성질병과의 관계를 규명하거나, 식사섭취기준 등과의 비교를 통해 섭취수준의 적절성을 평가하는 것이다. 인간의 섭취량은 날에 따라 차이가 크기 때문에 장기간의 평균 섭취량으로 정의되는 일상섭취량을 파악하는 것이 중요하다. 식사섭취조사방법 중 24시간 회상법(24HR)이나 식사기록법(DR)은 식품의 목록 및 분량을 정확하게 조사할 수 있지만, 조사일수가 적을 경우 일상섭취량을 파악하기 어렵고 여러 날을 조사하면 조사비용이 증가할 뿐 아니라 조사의 부담으로 인한 오류가 생길 수 있으므로 적절한 조사일수를 산정할 필요가 있다. 식품섭취빈도조사(FFQ)는 일상섭취량을 조사할 목적으로 고안된 것이지만, 조사항목이 제한되고 1회조사로 장기간의 섭취를 파악하고자 하므로 타당도 검증 및 보정을 통해 사용하여야 한다. 또한 대부분의 사람이 매일 섭취하는 에너지 및 영양소와 달리 특정 음식이나 식품은 조사된 날에 섭취하지 않을 수 있기 때문에, FFQ에서 얻은 섭취빈도와 24HR 또는 DR의 섭취량을 함께 고려하여 일상섭취량을 추정하는 방법이 권장된다. 본 연구는 수도권에 거주하는 20~65세 한국 성인의 일상적인 영양소 섭취량을 추정할 수 있는 DR의 조사일수 산정 및 FFQ의 타당도 검증, 그리고 음식 수준의 일상섭취량 추정 모형을 탐색하기 위하여 수행되었다. 총 414명의 12일 DR(12DR) 자료로 영양소 섭취량의 변이요소를 분석하였을 때, 대부분의 변이는 개인내 변이(60~85%)와 개인간 변이(14~38%)로 구성되어 있었으며, 계절, 조사횟수, 주중/주말에 의한 변이는 총 변이 중 차지하는 비율이 낮았다(<3%). 개인내 변이와 개인간 변이의 비율은 남성이 여성에 비해 20~45세 성인이 46~65세 성인에 비해 높았다. 개인내 변이`와 개인간 변이의 비율을 이용하여 조사일수를 산정한 결과 일상섭취량과의 상관관계가 0.7 이상인 결과를 얻기 위해서는 대부분의 영양소에서 3~4일의 DR이 필요하였고, 0.8 이상의 수준을 목적으로 하는 경우 6~7일의 DR을 수행할 필요가 있었다. 국민건강영양조사 자료로부터 개발된 FFQ의 신뢰도 및 타당도를 12DR과 2회의 FFQ 조사를 마친 126명의 섭취량 자료간 상관계수로 검증한 결과, 비교적 높은 수준의 신뢰도(평균상관계수=0.55)와 보통 수준의 타당도(평균상관계수=0.41)가 나타났다. 사분위 분류결과 평균적으로 약 77%의 대상자들이 동일 또는 인접한 사분위에 분류되었으며, 4%의 대상자들이 반대 사분위에 위치하였다. 12DR 대비 FFQ의 섭취비율 및 그 95% 신뢰구간으로 일치도를 평가한 결과 에너지, 탄수화물, 비타민 C는 FFQ에서 과대평가가, 지방, 나트륨, 비타민 A, 리보플라빈은 과소평가가 나타났다. 에너지 조정 결과 일부 영양소에서 상관계수가 상승하고 동일 또는 인접 사분위에 분류되는 대상자의 비율이 증가하였으며, 회귀모형에 의해 보정된 FFQ의 평균은 12DR의 평균에 유사해지는 것을 확인하였다. 대부분의 영양소에서 첫 번째 FFQ와 두 번째 FFQ의 상대적인 타당도는 유사하였으며, 2회 FFQ를 평균한 경우가 각 FFQ보다 타당도가 높았다. 음식수준의 FFQ와 12DR을 288명에게 수행한 후, FFQ에서 응답된 섭취빈도와 12DR에서 보고된 음식의 섭취빈도간 상관관계를 분석한 결과, 106개 음식항목 중 89개 항목(84%)에서 유의한 양의 상관관계가 나타났다. 섭취빈도간 상관관계는 자주 섭취하는 음식들이 더 높았으며, 음식군 수준으로 통합하여 분석한 경우에는 7개군 모두에서 유의한 상관관계가 나타났다. 계절별 2일씩 임의 추출한 DR의 섭취량에 FFQ의 섭취빈도를 공변수로 활용하는 모형(Multiple Source Method)으로 음식(군)수준의 일상섭취량을 추정한 결과, 대부분의 음식항목과 7개 음식군 모두에서 섭취량의 분포가 양 극단에서 12DR에 유사해졌으며 비섭취자의 비율도 보다 정확하게 추정되었다. 본 연구는 영양소의 조사일수를 산정하는 기존 국내선행연구보다 다양한 변이요소를 고려하여 더 넓은 범위의 연령군(20~65세)을 대상으로 수행되었으며, FFQ의 섭취빈도를 2DR의 섭취량과 함께 고려하는 모형으로 음식수준의 일상섭취량을 처음으로 추정하였다는 데서 그 의의를 찾을 수 있다. 또한 FFQ는 수행 전후의 섭취량과 모두 유사한 타당도를 보였으므로 추후 FFQ의 수행시점을 정하는데 참고할 수 있을 것이다. 이상의 결과에서 DR을 3일에서 4일 수행하는 경우 대부분 영양소의 일상섭취량을 상관관계 0.7의 수준으로 추정할 수 있었으며, 국민건강영양조사 FFQ는 영양소의 일상섭취량을 추정하는데 비교적 높은 수준의 신뢰도와 보통 수준의 타당도를 보였다. 영양소와 달리 섭취확률을 고려해야 하는 음식의 경우에는 FFQ로부터 조사된 섭취빈도를 공변수로 포함하는 일상섭취량 추정 모형의 적용가능성을 확인하였으며, 최소 2DR에 1회의 FFQ가 병행된다면 더 정확한 수준으로 일상섭취량을 추정할 수 있을 것이다. 본 연구는 수도권 성인을 대상으로 수행된 결과이므로 다른 연령군/지역에 대한 연구가 지속되어 한국인의 식생활 분석과 평가가 보다 다양하게 수행될 필요가 있다.The major purpose of dietary assessment is to assess the relationship between chronic disease and dietary intake and to evaluate the dietary intake of an individual or a group by using certain standards (Dietary Reference Intakes). Since dietary intake of humans can vary greatly on a day to day basis, it is essential to know the usual intake, which is defined as long-term average intake. 24-hour recall (24HR) and dietary record (DR) provide rich detail about the types and amount of foods consumed. However, due to the day-to-day variation, observed intake obtained from a small number of days is a poor estimator of usual intake. In addition, high burden on respondent make the multiple 24HR/DR infeasible. In contrast, food frequency questionnaire (FFQ) is designed to measure long-term intake but is limited to a finite list and has the disadvantage of not being able to accurately report individual intake over a long period of time. Unlike most nutrients, which is consumed daily, estimating usual intake of foods or dishes that are consumed only occasionally need to be estimated by calculating the probability of consumption and the amount consumed for those days. The aim of this study is to calculate the required number of DR needed and to validate the FFQ in order to assess usual nutrient intake and to evaluate the application of an analytical model to estimate the distribution of usual intake of occasionally-consumed foods among adults residing in Seoul metropolitan area. To determine the number of days, 12DR were collected from four seasons of 1 year from 414 adults aged 20~65y. The sources of variation and the variation ratio were calculated to determine the number of DR. Upon examining the data, variations attributable to the day of the week, recording sequence and seasonality were generally small (<3%), although the degree of variation differed by sex and age (20~45y and 46~65y). The correlation coefficient between the true intake and the observed intake increased with additional DR, reaching 0.7 at 3~4 days and 0.8 at 6~7 days. To examine the validity and reproducibility of the FFQ developed for Korean National Health and Nutrition Examination Survey (KNHANES), the 109-item FFQ was administered twice to 126 adults in a 1-year period and 3DR for each of the four seasons were conducted as a reference method. The mean Pearson correlation coefficient was 0.55 for reproducibility and 0.42 for validity. On average, 77% of the participants were classified into the same or adjacent quartiles, while 4% of the participants were grossly misclassified. The FFQ overestimated the nutrient intake of energy, carbohydrate and vitamin C, and underestimated the nutrient intake of fat, sodium, vitamin A and riboflavin. Adjusting for energy increased the correlation between FFQ and 12DR for most nutrients, and the mean nutrient intakes estimated by the calibrated FFQ were similar to the means estimated by the 12DR. The validity of the first and second FFQ was similar, while the validity of mean FFQ (average of two FFQ) was generally higher than for each FFQ. To estimate the usual intake of foods, whether or not increasing the FFQ frequency is associated with consumption frequency of 12DR was assessed from 288 adults. For all seven food groups, and 89 of 106 individual foods (84%), there was a significant correlation between FFQ frequency and consumption frequency of 12DR. The Multiple Source Method (MSM) was applied to a randomly selected 2DR using the FFQ frequency as a covariate. Usual food intake distributions that were estimated by MSM showed similar extreme estimates (5th, 95th percentiles) when compared with 12DR, more so than when 12DR was compared with 2DR. In addition, the proportion of non-consumer was reduced for most individual foods and food groups and was comparable with those of 12DR. This is the first study to estimate usual food intake distribution among Korean adults, and comprehensively examine the components of within-individual variation compared to previous Korean studies. In conclusion, this study suggests that 3~4 days of DR may be sufficient to achieve modest precision (r≥0.7), and 6~7 days may be needed for high precision (r≥0.8). The FFQ developed for assessing nutrient intakes in KNHANES has acceptable reproducibility and modest validity over a 1-year period. A significant correlation between FFQ frequency and consumption frequency of DR was observed (84%). Using at least 2 days of DR with frequency information such as a FFQ, usual food intake and the proportion of true-nonconsumers could be estimated more accurately. Since this study was performed to assess and evaluate the usual dietary intake in Korean adults residing in Seoul metropolitan area, further studies targeting subjects in different age groups and living areas are required in the future.국문초록 List of Tables List of Figures I. 서론 1 1. 연구 배경 1 2. 연구 목적 5 II. 문헌고찰 6 1. 일상섭취량 추정의 중요성 6 2. 영양소의 일상섭취량 추정을 위한 조사일수의 산정 11 3. 식품섭취빈도조사지의 신뢰도 및 타당도 검증 방법 15 4. 일상섭취량 추정을 위한 통계적 모형 20 (1) 영양소의 일상섭취량 추정 21 (2) 식품(음식)의 일상섭취량 추정 27 5. 일상섭취량 추정을 위한 통계적 방법들의 비교 40 6. 국내의 연구 동향 43 (1) 일상섭취량 추정을 위한 조사일수의 산정 43 (2) 식품섭취빈도조사지의 신뢰도 및 타당도 검증 44 (3) 한국인의 일상 섭취량 추정 46 III. 연구 1: 한국 성인의 영양소 일상섭취량 추정에 필요한 조사일수의 산정 47 1. 서론 47 2. 연구내용 및 방법 50 (1) 연구 대상자 50 (2) 식사기록법 50 (3) 통계 처리 51 3. 연구 결과 53 (1) 대상자들의 일반 사항 및 영양소 섭취량 53 (2) 성별에 따른 변이 구성 비율 55 (3) 연령그룹에 따른 변이 구성 비율 58 (4) 성별에 따른 조사일수의 산정 63 (5) 연령그룹에 따른 조사일수의 산정 66 (6) 조사일수의 증가에 따른 상관계수의 변화 69 4. 고찰 71 5. 결론 76 IV. 연구 2: 국민건강영양조사 식품섭취빈도조사지의 신뢰도 및 타당도 검증 77 1. 서론 77 2. 연구내용 및 방법 80 (1) 연구 대상자 80 (2) 식품섭취빈도조사지 82 (3) 식사기록법 83 (4) 식사섭취자료 분석 84 (5) 통계 처리 86 3. 연구 결과 88 (1) 신뢰도의 검증 88 (2) 타당도 검증 92 (3) 12DR을 이용한 FFQ의 보정 99 4. 고찰 103 5. 결론 109 V. 연구 3: 한국 성인의 주요 상용 음식 일상섭취량 추정 110 1. 서론 110 2. 연구내용 및 방법 113 (1) 연구 대상자 113 (2) 식사섭취조사 자료 수집 및 연동 114 (3) 섭취빈도와 섭취량의 상관관계 분석 115 (4) 일상섭취량의 산출 116 (5) 통계 처리 119 3. 연구결과 120 (1) FFQ와 12DR의 섭취빈도간의 상관관계 비교 120 (2) 2DR 섭취량과 FFQ 빈도를 활용한 일상섭취량의 추정 131 4. 고찰 156 5. 결론 160 VI. 종합 고찰 161 VII. 요약 및 결론 166 1. 요약 166 2. 제한점 167 3. 제언 168 참고문헌 169 Appendices 186 Abstract 236Docto

Neuroprotection of active principles from the Cudrania tricuspidata in in vitro models of Parkinsons disease: Effect on the ubiquitin-proteasome system and Nrf2-ARE pathway

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 약학대학 약학과, 2018. 2. 마응천.Abstract Neuroprotection of active principles from the Cudrania tricuspidata in in vitro models of Parkinsons disease: Effect on the ubiquitin-proteasome system and Nrf2- ARE pathway Dong-Woo Kim Natural Products Science Major College of Pharmacy Doctor Course in the Graduate School Seoul National University Parkinsons disease (PD) is characterized by severe motor deficits, cogwheel rigidity, bradykinesia, and the loss of dopaminergic neurons. The aetiology of PD has not been clearly identifiedhowever, oxidative stress is thought to be a common factor that leads to cellular dysfunction and neurodegeneration. In particular, the pathological events that occur in PD have been suggested to be linked to protein oxidation caused by oxidative stress, and excessive intracellular ROS induce apoptosis that is characterized by the cleavage of caspase-3, caspase-9 and poly ADP-ribose polymerase (PARP). The neurotoxin 6-hydroxydopamine (6-OHDA), Carbonyl cyanide 3-chlorophenylhydrazone (CCCP) destroys dopaminergic and noradrenergic neurons in the brain by inducing excessive ROS such as superoxide radicals, which leads to protein oxidation and neuronal cell death. Also, ubiquitin-proteasome system play a key role in the etiology of PD. The proteasome selective degrades oxidized proteins via ubiquitin-mediated processes, and its role is essential for cellular protein maintenance. However, dysfunctions in the ubiquitination machinery or in the proteolytic activities of the proteasome induce the accumulation of polyubiquitinated misfolded proteins and oxidized proteins. Subsequently, this induces protein aggregation, further inhibits proteasome activity, generates additional cellular stress, and ultimately leads to neuronal cell death. Additionally, mitophagy play a major role in the etiology of PD. Mitophagy, a specialized autophagy pathway that mediates the clearance of damaged mitochondria by lysosomes, is important for mitochondrial quality control. Defective mitochondria, if left uncleared, can be a source of oxidative stress and compromise the health of the entire mitochondrial network. The several lines of evidence propose that mitochondrial dysfunction is central to the disease. PD-associated mutations in PINK1 or parkin impair parkin recruitment, mitochondrial ubiquitination, and/or mitophagy. In the context of the inherently high mitochondrial oxidative stress in substantia nigra dopamine neurons, loss of parkin-mediated mitophagy could explain the greater susceptibility of substantia nigra neurons to neurodegeneration. Thus, promoting mitophagy and enhancing mitochondrial quality control could benefit dopaminergic neurons. The current therapeutic drugs are based on prohibiting the progress of PD through treatment of dopamine agonist or dopamine precursor. New therapies in development are aimed at protecting dopaminergic neurons. In this study, the effects of natural products on 6-OHDA, CCCP-mediated signaling in SH-SY5Y neuroblastoma cell were investigated to discover new lead compounds for the treatment of PD. Cudrania tricuspidata (Moraceae) is a subtropical tree that is widely distributed in Korea, China, and Japan. The fruits of C. tricuspidata are used in jams, juices, and a fermented alcoholic beverage with sugar, and they are commercially produced as food in Korea. Also, the cortex and root bark of C. tricuspidata have been used as a traditional medicine for inflammation and tumors. A recent study demonstrated that the extracts of C. tricuspidata protect neurons against oxidative stress-induced cytotoxicity and inhibitory effects on nitric oxide synthase (NOS). The compounds isolated from C. tricuspidata are primarily xanthones and flavones in addition to some alkaloids, lignins, coumarins, polysaccharides, and chromones. The isoflavones and chromones from C. tricuspidata have been reported to exert protective effects against 6-OHDA-induced neurotoxicity and to have inhibitory effects against IgE-mediated allergic and inflammatory responses. In first chapter, it was investigated that 5,7-dihydroxychromone (DHC) isolated from the roots of C. tricuspidata for its neuronal cell protection and inhibition of the generation of ROS in 6-OHDA-induced SH-SY5Y cells. Flow cytometric analysis revealed that DHC protected against the 6-OHDA-induced generation of ROS and protected against neuronal cell death. Additionally, DHC increased the nuclear translocation of Nrf2 and the binding of Nrf2 to ARE, which subsequently resulted in the up-regulation of the expression of Nrf2-dependent antioxidant genes, including heme oxygenase 1 (HO-1), NAD(P)H quinone oxidoreductase 1 (NQO1) and glutamate-cysteine ligase, catalytic subunit (GCLc). DHC inhibited the expression of cleaved caspase-3 and caspase-9 and PARP in 6-OHDA-induced SH-SY5Y cells. The addition of Nrf2 siRNA abolished the neuroprotective effect of DHC against 6-OHDA-induced cell death and the expression of Nrf2-mediated antioxidant genes. These findings suggest that the neuroprotective effect of DHC against 6-OHDA-induced toxicity is partly due to the induction of Nrf2-mediated antioxidant gene expression via the activation of the Nrf2-ARE signaling pathway in SH-SY5Y cells. In the second chapter, the effects of ethanol extract from the fruits of C. tricuspidata (CTE) and it active compounds were studied. Among the nine isolates from a 50% ethanol extract from C. tricuspidata fruits (CTE50), orobol (OB), 6-prenylorobol (POB), and 6,8-diprenylorobol (DPOB) showed neuroprotective effects in 6-OHDA-induced SH-SY5Y cell death. In addition, CTE50 and the three orobol derivatives (OB, POB, and DPOB) attenuated the cleavage of caspase-3, caspase-9, and PARP and inhibited the excessive generation of ROS. Furthermore, it enhanced the 6-OHDA-induced dysfunction of proteasome activity and reduced the accumulation of ubiquitin conjugated-proteins and the polyubiquitination of α-synuclein and synphilin-1. The proteasome inhibitor MG132 blocked the neuroprotective effects and the enhanced proteasome activity produced by CTE50 and the three orobol derivatives. These results demonstrate that CTE50 and three orobol derivatives protect against 6-OHDA-induced neurotoxicity by enhancing the ubiquitin/proteasome-dependent degradation of α-synuclein and synphilin-1, suggesting that they might be possible candidates for the treatment of neurodegenerative diseases. In the third chapter, the effects of active compounds from the C. tricuspidata extracts on deubiquitinating enzymes were studied. TH3-125-4 (TH20) isolated from the root barks of the C. tricuspidata protected against CCCP-induced neuronal cell death in Parkin K.D. SH-SY5Y cells. Also, TH20 significantly inhibited USP30 enzyme activity and disassembly of polyubiquitin chain in in vitro assay. Additionally, TH20 decreased protein expression of USP30. Based on the results, it was suggested that TH20 might be promising candidates for the therapy of familiar PD via restoring Parkin-mediated mitophagy.Chapter1 Neuroprotection against 6-OHDA-induced oxidative stress and apoptosis in SH-SY5Y cells by 5,7 Dihydroxychromone: Activation of the Nrf2/ARE pathway 1 1. Introduction 2 2. Material and methods 10 2.1. Chemicals and reagents 10 2.2. Preparation of 5,7-dihydroxychromone (DHC) 11 2.3 Cell cultures 11 2.4 Measurement of cell viability 12 2.5 Measurement of cell necrosis by propidium iodide staining 12 2.6 Measurement of intracellular ROS by Flow cytometry 13 2.7 Nuclear and cytosolic lysate preparations 13 2.8 Electrophoretic mobility shift assay (EMSA) 14 2.9 Nrf2 knockout via the transfection of small interfering RNA (siRNA) 14 2.10 Measurement of mRNA expression 14 2.11 Measurement of protein expression 16 2.12 Nuclear translocation of Nrf2 using fluorescence microscope 16 2.13 Statistical analysis 17 3 . Results 18 3.1 Protective effect of DHC against 6-OHDA-induced neuronal cell death 18 3.2 Inhibitory effect of DHC against 6-OHDA-induced intracellular ROS generation 27 3.3 Effects of DHC on induction of the nuclear Nrf2 and binding affinity of Nrf2/ARE in SH-SY5Y cells 29 3.4 Effects of DHC on HO-1, NQO1 and GCLc protein expression in SH-SY5Y cells 34 3.5 Effects of DHC on HO-1, NQO1 and GCLc mRNA expression in SH-SY5Y cells 37 3.6 The inhibitory effects of DHC on the 6-OHDA-induced apoptotic signal 41 4. Discussion 43 5. Conclusion 47 Chapter2 Orobol derivatives and extracts from Cudrania tricuspidata fruits protect against 6-hydroxydopamine-induced neuronal cell death by enhancing proteasome activity and the ubiquitin/proteasome-dependent degradation of α-synuclein and synphilin- 1 49 1. Introduction 50 2. Material and methods 57 2.1. Chemicals and reagents 57 2.2. Preparation of ethanol extracts from the fruits of C. tricuspidata (CTE) 57 2.3 Ultra performance liquid chromatography (UPLC) analysis of CTE50 58 2.4 Isolation and identification of compounds from CTE50 59 2.5 Cell cultures 59 2.6 Measurement of cell viability 60 2.7 Measurement of intracellular ROS by flow cytometry 60 2.8 Measurement of proteasome activity 61 2.9 Measurement of mRNA expression 62 2.10 Measurement of protein expression 63 2.11 Immunoprecipitation assay 64 2.12 Statistical analysis 65 3. Results 66 3.1 Protective effects against 6-OHDA-induced neuronal cell death in SH-SY5Y cell 66 3.2 Inhibition of 6-OHDA-induced intracellular ROS generation 73 3.3 Neuroprotective effects against 6-OHDA-induced apoptosis 76 3.4 Protective effects against 6-OHDA-induced dysfunction of proteasome activity 78 3.5 Effects of CTE50 and three orobol derivatives on proteasome subunit mRNA expression 82 3.6 Inhibition of 6-OHDA-induced ubiquitin-conjugated proteins 84 3.7 Inhibition of 6-OHDA-induced poly-ubiquitination of α-synuclein, and synphilin-1 86 3.8 A proteasome inhibitor (MG-132) diminished the protective effects of CTE50 and the three orobol derivatives against 6-OHDA-induced neuronal cell death and proteasome dysfunction 89 4. Discussion 96 5. Conclusion 103 Chapter3 Protective effects of TH3-125-4 (TH20) from the root barks of Cudrania tricuspidata on CCCP-induced neuronal cell death via the inhibition of USP30 deubiquitinating enzyme in Parkin knock down SH-SY5Y cells 105 1. Introduction 106 2. Material and methods 109 2.1 Chemicals and reagents 109 2.2 Preparation of TH3-125-4 (TH20) 109 2.3 Cell cultures 110 2.4 Measurement of cell viability 110 2.5 Measurement of mitochondrial membrane potential by JC-1 staining 111 2.6 Measurement of intracellular ROS by Flow cytometry 111 2.7 Mitochondrial and cytosolic fraction preparations 112 2.8 Parkin knock down via the transfection of small interfering RNA (siRNA) 112 2.9 Measurement of protein expression 113 2.10 Immunoprecipitation assay 113 2.11 Measurement of mitophagy by fluorescence microscope 114 2.12 Measurement of deubiquitinating enzyme activity 115 2.13 Measurement of ubiquitin chain disassembly 115 2.14 Statistical analysis 115 3. Results 117 3.1 Inhibitory effect of TH3-125-4 (TH20) on deubiquitinating enzymes, USP15, USP30 117 3.2 Effect of TH3-125-4 (TH20) on ubiquitin chain disassembly 123 3.3 The protective effects of TH3-125-4 (TH20) against CCCP-induced neuronal cell death in parkin knock down SH-SY5Y cells 125 3.4 Inhibitory effect of TH3-125-4 (TH20) on USP30 protein expression in SH-SY5Y cells 129 3.5 Effect of TH3-125-4 (TH20) on CCCP-induced disruption of mitochondrial membrane potential 132 4. Discussion 134 5. Conclusion 137 References 138 Abstract (in Korean) 161Docto

Glucose Loading Enhances the Value of 18 F-FDG PET/CT for the Characterization and Delineation of Cerebral Gliomas

This study aimed to assess how to enhance the value of 18F-Fluorodeoxyglucose (FDG) PET/CTs for glioma grading and better delineation of the tumor boundary by glucose loading. In mouse models of brain tumor using U87MG cells, 18F-FDG-PET images were obtained after fasting and after glucose loading. There was a significant difference in the tumor-to-normal cortex-uptake ratio (TNR) between the fasting and glucose-loading scans. 14C-2-Deoxy-D-glucose (14C-DG) uptake was measured in vitro using U87MG, U373MG and primary neurons cultured with different concentrations of glucose. The tumor-to-neuron ratio of 14C-DG uptake increased with up to 10 mM of glucose. Finally, 10 low-grade and 17 high-grade glioma patients underwent fasting and glucose loading 18F-FDG PET/CT and the TNR was compared between scans. The effect of glucose loading was significant in high-grade but not in low-grade gliomas. The receiver operating characteristic curve analyses with a cut-off TNR of 0.81 showed a higher area under the curve after glucose loading than fasting for differentiating low-grade versus high-grade gliomas. In addition, the glucose loading PET/CT was more useful than the fasting PET/CT for the discrimination of oligodendrogliomas from IDH-wildtype glioblastomas. Glucose loading resulted in a greater reduction in 18F-FDG uptake in the normal cortex than in tumors, which increases the usefulness of 18F-FDG PET/CT for grading.ope