Hamiltonian MCMC methods for estimating rare events probabilities in high-dimensional problems

Accurate and efficient estimation of rare events probabilities is of significant importance, since often the occurrences of such events have widespread impacts. The focus in this work is on precisely quantifying these probabilities, often encountered in reliability analysis of complex engineering systems, based on an introduced framework termed Approximate Sampling Target with Post-processing Adjustment (ASTPA), which herein is integrated with and supported by gradient-based Hamiltonian Markov Chain Monte Carlo (HMCMC) methods. The basic idea is to construct a relevant target distribution by weighting the high-dimensional random variable space through a one-dimensional output likelihood model, using the limit-state function. To sample from this target distribution, we exploit HMCMC algorithms, a family of MCMC methods that adopts physical system dynamics, rather than solely using a proposal probability distribution, to generate distant sequential samples, and we develop a new Quasi-Newton mass preconditioned HMCMC scheme (QNp-HMCMC), which is particularly efficient and suitable for high-dimensional spaces. To eventually compute the rare event probability, an original post-sampling step is devised using an inverse importance sampling procedure based on the already obtained samples. The statistical properties of the estimator are analyzed as well, and the performance of the proposed methodology is examined in detail and compared against Subset Simulation in a series of challenging low- and high-dimensional problems.Comment: arXiv admin note: text overlap with arXiv:1909.0357

Cardiac function alteration after thoracic endovascular aortic repair based on echocardiography: a systematic review and meta-analysis

Υπόβαθρο: Η ενδαγγειακή αποκατάσταση της θωρακικής αορτής αναγνωρίζεται ευρέως ως μια εναλλακτική θεραπεία του ανοιχτού χειρουργείου σε ό,τι αφορά τις παθήσεις της θωρακικής αορτής. Υπάρχουν δεδομένα που υποδεικνύουν μια αύξηση στην αρτηριακή δυσκαμψία μετά την εμφύτευση του μοσχεύματος. Πράγματι, αυτό υποστηρίζεται από μια παρατηρούμενη αύξηση της Ταχύτητας Παλμικού Κύματος, καθώς και υπέρβαση των φυσιολογικών ορίων σε ορισμένους βιοδείκτες, όπως το NT-proBNP, το οποίο σηματοδοτεί μια δυνητική διάταση των καρδιακών κοιλοτήτων. Παρ’όλα αυτά, η επίδραση της δεδομένης αρτηριακής δυσκαμψίας μετά την ενδοαυλική αποκάτασταση στην καρδιακή λειτουργία δεν έχει επαρκώς μελετηθεί. Σκοπός: Να ανακαλύψουμε δυνητικές αλλαγές στην καρδιακή λειτουργία μετά την ενδοαυλική αποκατάσταση της θωρακικής αορτής βασιζόμενοι σε συγκεκριμένα υπερηχογραφικά κριτήρια ( Μάζα αριστερής κοιλίας, Δείκτης Μάζας αριστερής κοιλίας, Κλάσμα Εξώθησης αριστερής κοιλίας, Τελοδιαστολική Διάμετρος αριστερής κοιλίας, Τελοσυστολική Διάμετρος αριστερής κοιλίας, Πάχος Τοιχώματος Μεσοκοιλιακού Διαφράγματος, Πάχος Τοιχώματος Οπισθίου Τοιχώματος αριστερής κοιλίας). Πηγές Πληροφόρησης: Πραγματοποιήθηκε μια ενδελεχής βιβλιογραφική αναζήτηση στις βιβλιογραφικές βάσεις δεδομένων PUBMED και CENTRAL τον Μάρτιο του 2021. Χρησιμοποιήθηκαν ποικίλλοι όροι σε διάφορους συνδυασμούς, η βάση “MeSH”, καθώς και οι παραπομπές από συγκεκριμένα άρθρα. Δεν υπήρχαν γλωσσικοί ή χρονολογικοί περιορισμοί. Επιλογή Μελετών: Μη τυχαιοποιημένες μελέτες ασθενών που υποβλήθηκαν σε ενδοαυλική αποκατάσταση παθήσεων της θωρακικής αορτής [θωρακικό αορτικό ανεύρυσμα, διαχωρισμός αορτής (τύπου Α, τύπου Β, Non – A Non -B), Αμβλύ Τραύμα Θωρακικής Αορτής) και που εξετάστηκαν με υπέρηχο καρδιάς (συμπεριλαμβανομένων των προαναφερθέντων παραμέτρων). Αναφορές περιστατικού/περιστατικών, πειραματικές μελέτες, καθώς και ασθενείς με κοιλιακό ή παρανεφρικό αορτικό ανεύρυσμα αποκλείσθηκαν από τη συστηματική ανασκόπηση και μετα-ανάλυση μας. Εξαγωγή δεδομένων: Ανεξάρτητη εξαγωγή δεδομένων από δυο συγγραφείς χρησιμοποιώντας συγκεκριμένα κριτήρια. Σύνθεση δεδομένων: 4 μελέτες πληρούσαν τα κριτήρια συμμετοχής αι συμπεριλήφθηκαν στη μετα-ανάλυση. Το μοντέλο τυχαίων παραγόντων χρησιμοποίηθηκε λόγω ετερογένειας μεταξύ των μελετών. Τα δεδομένα αναλύθηκαν χρησιμοποιώντας την μέση τιμή των προαναφερθέντων παραμέτρων (Μάζα αριστερής κοιλίας, Δείκτης Μάζας αριστερής κοιλίας, Κλάσμα Εξώθησης αριστερής κοιλίας, Τελοδιαστολική Διάμετρος αριστερής κοιλίας, Τελοσυστολική Διάμετρος αριστερής κοιλίας, Πάχος Τοιχώματος Μεσοκοιλιακού Διαφράγματος, Πάχος Οπισθίου Τοιχώματος αριστερής κοιλίας) και υπολογίστηκε η τυπική απόκλιση πριν και μετά την επέμβαση για κάθε μια μελέτη και η συνδυασμένη τυπική διαφορά στις μέσες τιμές (ΣΤΔΜ), καθώς και τα 95% Διαστήματα Εμπιστοσύνης (ΔΕ). Η ετερογένεια μεταξύ των μελετών εξετάστηκε χρησιμοποιώντας το τεστ του Cochran Q (χ2) και το τεστ I2.Τα αποτελέσματα της μετα-ανάλυσης ήταν μη στατιστικά σημαντικά για όλες τις παραμέτρους που εξετάστηκαν. Ωστόσο, παρατηρήθηκε μια οριακά στατιστικά σημαντική διαφορά για τη Μάζα αριστερής κοιλίας. Πιο συγκεκριμένα, δεν παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές για το Κλάσμα Εξώθησης αριστερής κοιλίας (ΣΤΔΜ=-0,53, 95% ΔΕ=-1,8 έως 0,728, P=0,406, I2= 96%, P<0.000), το Πάχος Τοιχώματος Μεσοκοιλιακού Διαφράγματος (ΣΤΔΜ=-0,79, 95% ΔΕ=-3,25 έως 1,66, P=0,52, I2= 98%, P<0.0001), την Τελοδιαστολική Διάμετρο της αριστερής κοιλίας (ΣΤΔΜ=-0,10, 95% ΔΕ=-0,48 έως 0,28, P=0,60, I2= 72%, P=0.0013), την Τελοσυστολική Διάμετρο της αριστερής κοιλίας (ΣΤΔΜ= -0,66, 95%ΔΕ= -2,35 έως 1,02, P= 0,44, I2=97%, P<0.0001) και το Πάχος Οπισθίου Τοιχώματος αριστερής κοιλίας (ΣΤΔΜ= -2,20, 95%ΔΕ= -5,89 to 1,47, P= 0,24, I2=99%, P<0.0001). Όσον αφορά την Μάζα της αριστερής κοιλίας, παρατηρήθηκε μια τάση για αύξηση αυτής μετεπεμβατικά (ΣΤΔΜ= 0,28, 95%ΔΕ= -0,03 έως 0,60, P= 0,08, I2=0%, P=0.335), χωρίς ωστόσο να ισχύει το ίδιο για τον Δείκτη Μάζας αριστερής κοιλίας (ΣΤΔΜ = 0, 95%ΔΕ= -0,195 έως 0,195, P=1, I2=0%, P=1). Συμπεράσματα: Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης δεν έδειξαν κάποια τάση για μεταβολή της καρδιακής λειτουργίας μετά από ενδοαυλική αποκατάστασης παθήσεων της θωρακικής αορτής, βάσει των υπερηχογραφικών παραμέτρων που εξετάστηκαν. Σημειώθηκε μια οριακά στατιστικά σημαντική αύξηση της Μάζας αριστερής κοιλίας, χωρίς όμως να επηρεάζονται άλλοι δείκτες της γεωμετρίας της αριστερής κοιλίας. Παρά την τροποποίηση της αρτηριακής δυσκαμψίας, το κλάσμα εξώθησης και οι διαστάσεις της αριστερής κοιλίας δεν επηρεάστηκαν. Συνολικά, η επίδραση της ενδοαυλικής αποκάταστασης της αορτής στη φυσιολογία της καρδιάς φαίνεται να είναι αμελητέα.Background: Thoracic Endovascular Aortic Repair (TEVAR) is widely recognized as an alternative treatment to open surgery when considering thoracic aortic diseases. Evidence suggests that there is an increase in arterial stiffness post-TEVAR, as documented by an augmentation in Pulse Wave Velocity and certain biochemical markers, such as NT-proBNP, which signifies potential cardiac chamber stretching. However, the effect of the documented stiffness post-TEVAR on cardiac function has not been extensively studied. Objective: To unveil potential alterations in cardiac function post-TEVAR based on certain Ultrasonographic markers [Left Ventricle Mass (LVM), Left Ventricle Mass Index (LVMI), Left Ventricle Ejection Fraction (LVEF), Left Ventricle End-Diastolic Diameter (LVEDD), Left Ventricle End-Systolic Diameter (LVESD), Interventricular Septal Thickness (IVST), Left Ventricle Posterior Wall Thickness (LVPWT)]. Data sources: A thorough literature search was applied using MEDLINE and CENTRAL bibliographic databases in March 2021. Free text terms, along with controlled vocabulary thesaurus (“MeSH” database) were used and reference lists of certain articles were evaluated for relevant information. No language or date restrictions were applied. Study Selection: Non-Randomised Studies of Interventions of TEVAR in specified diseases [Thoracic Aortic Aneurysm, Thoracic Aortic Dissection (Type A, Type B, Non – A Non -B), Blunt Τhoracic Aortic Injury], which examine cardiac function with ultrasonography encompassing the pre-specified parameters. Case reports, case studies and experimental studies were excluded. Patients with abdominal, or juxtarenal aortic aneurysms were also excluded. Data extraction: Independent extraction of articles by two authors using pre-specified criteria. Data synthesis: Four studies met the inclusion criteria and were included in the meta-analysis. Random- effects model was applied due to heterogeneity between the studies. Data were analyzed on mean values of LVM, LVMI, LVEF, LVEDD, LVESD, IVST, LVPWT and standard deviation (SD) pre- and post-TEVAR from each individual study and the pooled standardized difference in means and 95% confidence interval (CI) were calculated. The between-study heterogeneity was examined with the combination of the Cochran’s Q (χ2) test and the I2 statistic. The meta-analysis results were non-significant for all parameters examined. However, LV mass showed borderline significance. In particular, for LVEF, non-significant differences were found pre- and post-TEVAR (SMD=-0.53, 95% CI=-1.8 to 0.728, P=0.406, I2= 96%, P<0.0001). IVST results also were non-significant (SMD= -0.79, 95%CI= -3.25 to 1.66, P= 0.52, I2=98%, P<0.0001). Concerning LVEDD, no significant alteration was documented (SMD= -0.10, 95%CI= -0.48 to 0.28, P= 0.60, I2= 72%, P=0.0013). Regarding LVESD, no significant difference was found (SMD= -0.66, 95%CI= -2.35 to 1.02, P= 0.44, I2=97%, P<0.0001). LVPWT did not differ significantly post-TEVAR (SMD= -2.20, 95%CI= -5.89 to 1.47, P= 0.24, I2=99%, P<0.0001). Concerning LVM, a trend towards an increase was documented post-implantation (SMD= 0.28, 95%CI= -0.03 to 0.60, P= 0.08, I2=0%, P=0.335), but not for LVMI (SMD = 0, 95%CI= -0.195 to 0.195, P=1, I2=0%, P=1). Conclusion: The present study’s results did not show a trend towards cardiac function alteration after treatment with TEVAR, based on the echocardiographic parameters examined. A borderline significant increase in LV mass was documented, without other markers of LV geometry being affected. Despite the increase in arterial stiffness, LVEF and cardiac dimensions were not affected. Overall, the impact of TEVAR on heart physiology seems to be negligible

Inference and dynamic decision-making for deteriorating systems with probabilistic dependencies through Bayesian networks and deep reinforcement learning

In the context of modern environmental and societal concerns, there is an increasing demand for methods able to identify management strategies for civil engineering systems, minimizing structural failure risks while optimally planning inspection and maintenance (I&M) processes. Most available methods simplify the I&M decision problem to the component level due to the computational complexity associated with global optimization methodologies under joint system-level state descriptions. In this paper, we propose an efficient algorithmic framework for inference and decision-making under uncertainty for engineering systems exposed to deteriorating environments, providing optimal management strategies directly at the system level. In our approach, the decision problem is formulated as a factored partially observable Markov decision process, whose dynamics are encoded in Bayesian network conditional structures. The methodology can handle environments under equal or general, unequal deterioration correlations among components, through Gaussian hierarchical structures and dynamic Bayesian networks. In terms of policy optimization, we adopt a deep decentralized multi-agent actor-critic (DDMAC) reinforcement learning approach, in which the policies are approximated by actor neural networks guided by a critic network. By including deterioration dependence in the simulated environment, and by formulating the cost model at the system level, DDMAC policies intrinsically consider the underlying system-effects. This is demonstrated through numerical experiments conducted for both a 9-out-of-10 system and a steel frame under fatigue deterioration. Results demonstrate that DDMAC policies offer substantial benefits when compared to state-of-the-art heuristic approaches. The inherent consideration of system-effects by DDMAC strategies is also interpreted based on the learned policies

Synergistic exploitation of geoinformation methods for post-earthquake 3D mapping of Vrisa traditional settlement, Lesvos Island, Greece

The aim of this paper is to present the methodology followed and the results obtained by the synergistic exploitation of geo-information methods towards 3D mapping of the impact of the catastrophic earthquake of June 12th 2017 on the traditional settlement of Vrisa on the island of Lesvos, Greece. A campaign took place for collecting: a) more than 150 ground control points using an RTK system, b) more than 20.000 high-resolution terrestrial and aerial images using cameras and Unmanned Aircraft Systems and c) 140 point clouds by a 3D Terrestrial Laser Scanner. The Structure from Motion method has been applied on the high-resolution terrestrial and aerial photographs, for producing accurate and very detailed 3D models of the damaged buildings of the Vrisa settlement. Additionally, two Orthophoto maps and Digital Surface Models have been created, with a spatial resolution of 5cm and 3cm, respectively. The first orthophoto map has been created just one day after the earthquake, while the second one, a month later. In parallel, 3D laser scanning data have been exploited in order to validate the accuracy of the 3D models and the RTK measurements used for the geo-registration of all the above-mentioned datasets. The significant advantages of the proposed methodology are: a) the coverage of large scale areas; b) the production of 3D models having very high spatial resolution and c) the support of post-earthquake management and reconstruction processes of the Vrisa village, since such 3D information can serve all stakeholders, be it national and/or local organizations