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포획된 이온에서의 디튠된 상태의존적 스퀴징
No full text학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 컴퓨터공학부, 2024. 2. 김태현.Quantum computing shows possibility to deal with some problems exponentially faster than the classical computer. Trapped ion quantum computer is the physical hardware candidate for future quantum computer. Entanglement in trapped ion is generated by manipulating the phonon phase space of the ions. State dependent force can make geometric phase to induce entanglement in qubits. State dependent squeezing is similar operation to state dependent force in second sideband resonance. In this work, I characterized the detuned state dependent squeezing operation by quantum interference of phonon space of trapped ion experimentally. State dependent squeezing has applications to enhance two-qubit gates. However, detuned state dependent squeezing was not investigated a lot. I found that non-linear rotation of the squeezing axis of detuned squeezing may be used to quantum metrology in future works. Keywords : Trapped ion, quantum computer, state dependent squeezing, two-qubit gate Student Number : 2022-29561양자 컴퓨팅은 일부 문제를 고전 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠르게 해결할 수 있다. 그 중 이온트랩은 미래의 양자 컴퓨터의 물리적 하드웨어 후보 중 하나이다. 이온트랩에서 양자얽힘은 이온의 포논 상태 공간을 조작하여 생성된다. 상태 의존적인 힘을 이용한 기하학적 위상이 큐비트에서 얽힘을 만들 수 있다. 상태 의존적인 스퀴징은 두번째 사이드밴드 공진에서의 상태 의존적인 힘과 유사한 작용을 한다. 본 연구에서는 양자 공간의 포논을 통한 디튠된 상태 의존적인 스퀴징을 양자 간섭을 통해 분석한다. 상태 의존적인 스퀴징은 두 큐비트 게이트의 속도를 향상시키는데 사용되기도 한다. 그러나 디튠된 상태 의존적인 스퀴징에대한 연구는 많이 이루어지지 않았다. 디튠된 상태 의존적인 스퀴징의 스퀴징 축의 비선형적 회전이 향후 양자 메트롤로지에 사용될 수 있을 것으로 보인다.Detuned State Dependent Squeezing in a Trapped Ion . i
Detuned State Dependent Squeezing in a trapped ion i
Abstract . i
Chapter 1. Introduction １
1.1. Quantum Computer １
1.2. Trapped Ion Quantum Computer ３
1.3. Quantum operations in motional phase space ４
Chapter 2. Yb+ Trapped Ion Quantum Computer ８
2.1. Paul Trap . ８
2.2. Vacuum system . １３
2.3. + qubit １４
2.4. Quantum state manipulation . １７
Chapter 3. Phonon Manipulation ２０
3.1. Sideband transitions ２０
3.2. State Dependent Force . ２３
3.3. State Dependent Squeezing ２６
3.4. Detuned Squeezing ２９
3.4. Interferometry of SDF and SDS ３２
Chapter 4. Applications of state dependent squeezing for enhanced gate
operation ３７
4.1. Fast two-qubit gate ３７
4.2. Multi-qubit entanglement . ３８
Chapter 5. Conclusion ４０석
폐 초음파 소견 자동분류를 위한 딥러닝 모델 개발
No full text학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 협동과정 바이오엔지니어링전공, 2024. 2. 박창민, 최진욱.Despite the increasing use of lung ultrasound (LUS) in the evaluation of respiratory diseases operators' competence constrains its effectiveness. Thus, this study aimed to develop a deep learning (DL) model for multi-label classification using LUS images to assess whether it could enhance the agreements of diagnostic performance for the operators.
For the comprehensive purpose of this study, the introduction explains an overview of the integration of artificial intelligence technology in deep learning and medical imaging such as DICOM files. The study explained the structures converted into tensors for the model deployment. Correspondingly, it recaps the loss function selection, Binary Cross-Entropy (BCE) Loss, and the Sigmoid for activation function to develop a multi-label classification model. In this retrospective study, LUS images (normal, B-lines, consolidation, and effusion) were collected from patients undergoing diagnostic or therapeutic thoracentesis at a tertiary institution (2018-2022). From 6880 images, a subset developed the model; 700 images validated internally. Two external test sets (319 and 54 images) were employed, with the second (n=54) notably including critically ill intensive care unit patients. The model's performance was assessed for multi-label classification and binary discrimination (normal vs. abnormal). A comparative analysis evaluated thoracic radiologists' agreement in LUS classification with and without DL model assistance.
Internal validation showed robust DL model performance: AUCs of 0.93 (95% CI: 0.92-0.94) for normal, 0.87 (95% CI: 0.84-0.89) for B-line, 0.82 (95% CI: 0.78-0.86) for consolidation, and 0.94 (95% CI: 0.93-0.95) for effusion. The DL model improved reader accuracy (Reader 1: 87.5% to 95.6%, p=0.004; Reader 2: 95.0% to 97.5%, p=0.19) and significantly enhanced inter-reader agreement (k=0.73 to k=0.83, p=0.01). The Cohen's Kappa coefficient was adopted to assess the degree of agreement among readers. Determined how closely their concordance values approach 1.
A developed DL model can classify LUS into muti-labels and assist in the improvement of the accuracy and agreement between the readers. Thereby, the DL model enhances LUS interpretation, improving accuracy and overcoming operator competence limitations in diagnosing respiratory diseases.호흡기 질환 평가를 위해 폐 초음파의 사용이 증가하고 있습니다. 그럼에도 불구하고, 영상의학 판독자 간의 역량은 그 효과를 제한합니다. 따라서, 본 연구는 폐 초음파 영상을 사용하여 다중 레이블 분류(muti-label) 딥 러닝 모델을 개발하였으며, 나아가 판독자 간의 성능과 진단 합의도를 향상시킬 수 있는지 평가하는 것으로 진행되었습니다.
본 연구의 이해를 위해 서론에서 인공지능 기술인 딥러닝과 의료 영상데이터인 DICOM파일을 텐서화하여 딥러닝에 적용 되는지에 대해 구조를 소개하였습니다. 또한, 손실함수 BCE loss와 활성화 함수Sigmoid를 다중 레이블 분류 모델 개발을 위해 적용 되었는지도 소개합니다. 후향적 연구로서 3차 기관(2018- 2022)에서 진단 또는 흉부 중심 치료를 받는 환자로부터 폐 초음파 영상(정상, B-라인, 경화 및 삼출)을 수집하였으며, 6,880개의 영상에서 하위 집합이 모델을 개발했습니다. 700개의 영상을 내부적으로 검증 목적으로 사용되었습니다. 두 개의 외부 테스트 세트(319개 및 54개 영상)가 사용되었으며, 두 번째(n=54개)에는 특히 중환자실 환자로부터 얻은 데이터도 포함되었습니다. 모델의 성능은 다중 레이블 분류 및 이진 구별(정상 대 비정상)에 대한 평가로 구성되어 있습니다. 비교 분석으로 딥러닝 모델 보조의 여부 관계없이 흉부 영상의학 전문의의 폐 초음파 분류 일치를 평가했습니다. 코헨의 카파 상관계수(Cohens Kappa coefficient)를 채택하여 판독자의 일치도의 값이 1의 가까운지를 판단하였습니다.
내부 검증은 정상의 경우 0.93(95% CI: 0.92-0.94), B-라인 0.87(95% CI: 0.84-0.89), 경화 0.82(95% CI: 0.78-0.86), 그리고 삼출의 경우 0.94(95% CI: 0.93-0.95)의 준수한 성능을 보여주었습니다. 본 딥러닝 모델은 영상의학 전문의 판독자 1의 정확도를 87.5%~95.6%, p=0.004; 판독자 2 : 95.0%~97.5%, p=0.19) 향상시켰고, 판독자 간 합의를 크게 향상시켰습니다(k=0.73~k=0.83, p=0.01).
개발된 딥러닝 모델은 폐 초음파를 다중 레이블 분류로 분류하고 판독자 간의 정확도와 일치도를 향상하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 따라서, 딥러닝 모델은 폐 초음파 판독의 정확도를 향상시키고 호흡기 질환 진단에 있어 판독자 간의 역량 한계를 극복합니다.Chapter 1. Introduction . 1
1.1. Study Background 1
1.1.1. Overview of Lung Ultrasound1
1.1.2. Modern Medical Imaging System.4
1.1.3. Preprocess Medical Image for Deep Learning Application5
1.1.4. Multi-Label Classification Technique8
1.1.5. Approach to Class Imbalances.9
1.1.6. Approach to Findings via Deep Learning10
1.2. Purpose of Research . 11
Chapter 2. Material and Methods 13
2.1. Study Design 13
2.2. Data . 13
2.3. Ground Truth . 14
2.4. Data Partitions 15
2.5. Data Baseline . 16
2.6. Model Development 16
2.7. Observer Performance Evaluation . 19
2.8. Model Performance Evaluation 20
Chapter 3. Results . 23
3.1. Baseline Characteristics of Patients . 23
3.1.1. Patients Data for Model Development.23
3.1.2. Patients Data for External Validation Sets.24
3.2. Performance Results . 27
3.2.1. Model Performance Results.27
3.2.2. Observer Performance Comparison.30
3.2.3. Observer Performance Results..32
Chapter 4. Discussion 34
Chapter 5. Conclusion . 38
Bibliography 39
Abstract in Korean 46
Acknowledgement . 48석
가나 여성의 교육수준과 빈곤
No full text학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 국제대학원 국제학과, 2024. 2. Ki-Soo Eun.Educational Level and Poverty among Women in Ghana
Godwin Appiah Kubi
International Development
Graduate School of International Studies
Seoul National University
Poverty is a multifaceted issue that extends beyond monetary metrics, encompassing the inability to contribute meaningfully to society (Sen, 1992). In the context of Ghana's ongoing efforts to combat poverty, women's education emerges as a pivotal driver of poverty eradication, using quantitative data from the Ghana Living Standard Survey 7 (2016–2017), this study examines the relationship and impact between women's education levels (from primary to tertiary) and poverty among women (female-headed households) in Ghana. This study employs a probit model with marinal effect for the analysis of 4,049 female-headed household, allowing for a comprehensive examination of the relationship and impact of women's education and poverty. The findings of the research underscore the profound significance of women's education in advancing poverty eradication endeavors. As educational attainment among women increases, there is decrease probability of poverty, aligning with established literature highlighting the inverse correlation between education and poverty. Furthermore, the study reveals that women's employment, mainly working in the sales and production work (Informal sector) shows an inverse significance decrease probability of poverty throughout the analysis. The study emphasized the importance of economic activites of reducing poverty for women, emphasizing the potential benefits of employment opportunities with the right policy intervention to protect women in that verious economic sectors mostly the informal sector. Additionally, the study highlights the importance of considering location, predominantly rural areas, when addressing poverty among women, as rural locations are associated with a higher poverty risk due to various challenges. The study recommends policy interventions to prioritize educational empowerment, focusing on both access and quality, to elevate women's socio-economic status and mitigate poverty. Moreover, efforts to improve employment conditions, particularly within the informal sector, could amplify poverty reduction initiatives and policies to address rural women conditions in Ghana.
Keynote: Poverty; Womens Education; Womens Employment, Probit model and marginal effect
Student number: 2022-23804가나 여성의 교육수준과 빈곤
고드윈아피아 쿠비
국제개발전공
국제대학원
서울대학교
빈곤은 금전적 지표를 넘어서 사회에 의미 있게 기여할 수 없는 것을 포함하는 다면적인 문제입니다. 빈곤 퇴치를 위한 가나의 지속적인 노력의 맥락에서 여성 교육은 빈곤 감소의 중추적인 동인으로 등장합니다. 본 연구는 가나 생활 수준 조사 7(2016/2017)의 정량적 데이터를 사용하여 가나 여성(여성이 가장인 가구)의 교육 수준(초등~고등 교육)과 빈곤 간의 관계를 조사합니다. 이 분석은 마리날 효과가 있는 프로빗 모델을 사용하고 4,049명의 여성 가장 가구를 포함하므로 여성 교육이 빈곤에 미치는 영향과 관계를 포괄적으로 조사할 수 있습니다. 이 연구 결과는 빈곤 퇴치 노력을 진전시키는 데 있어 여성 교육의 심오한 중요성을 강조합니다. 여성의 교육 수준이 높아짐에 따라 빈곤의 위험은 감소하며 이는 교육과 빈곤의 역관계를 강조하는 확립된 문헌과 일치합니다. 또한, 분석 전반에 걸친 유의미한 증거로 인해 주로 판매 및 생산 업무(비공식 부문)에 종사하는 여성 고용은 실업 상태와 대조적으로 비공식적 성격으로 인해 가나 여성의 빈곤을 경험할 가능성을 크게 감소시키는 것으로 나타났습니다. 경제. 이 분석은 여성의 빈곤을 줄이는 경제 활동의 중요성을 강조하고 다양한 경제 부문에서 여성을 보호하기 위한 올바른 정책 개입을 통해 고용 기회의 잠재적 이점을 강조합니다. 또한, 이 연구는 여성의 빈곤 문제를 해결할 때 주로 농촌 지역이라는 위치를 고려하는 것이 중요하다는 점을 강조합니다. 농촌 지역은 다양한 문제로 인해 더 높은 빈곤 위험과 연관되어 있기 때문입니다. 이 연구는 접근성과 질 모두에 중점을 두고 교육 역량 강화를 우선시하고 여성의 사회 경제적 지위를 높이고 빈곤을 완화하기 위한 정책 개입을 권장합니다. 더욱이, 특히 비공식 부문 내에서 고용 조건을 개선하려는 노력은 가나의 농촌 여성 상황을 해결하기 위한 빈곤 감소 계획과 정책을 확대할 수 있습니다.
키워드: 빈곤 위험; 여성교육; 여성고용과 프로빗 모델
학생번호: 2022-23804Acknowledgement i
Abstract ii
List of Tables v
Chapter 1. Introduction 1
1.1. Background 1
1.2. Statement of the Problem 4
1.3. Purpose/Objectives 5
1.4. Research Questions 6
1.5. Significance of Study 6
Chapter 2. Country Profile 8
2.1. Poverty Profile in Ghana 8
2.2. Brief Overview of the Educational System in Ghana 9
2.3. Education, Occupational and Industry of Employment 10
2.4. Status of Women in Ghana 12
Chapter 3. Literature Review 15
3.1. Education and Poverty Reduction 15
3.2. Women Education 17
3.3. Theoretical Framework 19
3.4. Hypothesis 20
Chapter 4. Data and Methodology 21
4.1. Data 21
4.2. Methodology 25
Chapter 5. Findings 29
5.1. Descriptive Statistics 29
5.2. Probit Regression Analysis 33
Chapter 6. Discussion, Summary and Conclusion 38
6.1. Discussion 38
6.2. Summary and Conclusion 41
References 43
Abstract (Korean) 47석
A case of Seoul, South Korea
No full text학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 농업생명과학대학 생태조경·지역시스템공학부(생태조경학), 2024. 2. 윤희연.Globally, urban areas have faced the challenge of significant levels of population density. This leads to environmental pollution, scarcity of outdoor spaces, and the disease outbreaks. In reaction to such condition, urban parks have attracted attention in urban planning. Urban parks satisfy the demand for outdoor spaces and offer venues for physical activity and community engagement to increase physical and mental health status. Most relevant studies have indicated that physical activities within urban parks contribute to improving the health status of citizens. These studies often use indicators that simply reflect the existence of urban parks. However, understanding the actual usage patterns of urban parks is crucial to accurately gauge their impact. In light of this, our study examines the effect of urban parks on the health status of citizens, using K-means clustering and a three level logistic regression model, with park visits as variables. The study focuses on urban parks located in Seoul, South Korea, and spans from January 1, 2019, to December 31, 2019. We propose that urban parks, particularly those close to residential areas and of medium to small size, have a positive effect on the BMI, stress levels, depression, and fatigue of citizens. These parks are utilized throughout the day or predominantly at night, suggesting usage post-work hours. Given the increasing recognition of urban parks from a wellness perspective, we anticipate that empirical studies on the health impacts of urban parks could bolster local government policies concerning the management and development of these spaces.전 세계적으로 도시 지역은 높은 수준의 인구 밀집 문제에 직면해있다. 고밀화된 도시 환경은 환경 오염, 외부 공간 부족, 질병 심화 등의 문제를 야기한다. 이러한 상황에 대응하기 위해 도시공원이 주목을 받고 있다. 도시공원은 도시민의 옥외 공간에 대한 수요를 충족하고, 신체활동과 사회적 활동을 위한 장소를 제공하여 신체적, 정신적 건강 수준을 향상시킨다. 도시공원이 도시민의 건강에 미치는 영향을 분석한 대부분의 선행 연구들은 도시공원에서의 신체활동이 시민의 건강 수준을 개선하는데 기여한다고 주장한다. 이러한 연구들은 도시공원의 면적, 주거지역으로부터의 거리 등을 주요 지표로 사용하였으나, 이는 단순히 도시공원의 존재 유무만을 나타낸다. 그러나, 도시공원의 효과를 보다 정확하게 추정하기 위해서는 시민들이 도시공원을 어떠한 방식으로 이용하는지에 대한 고려가 필요하다. 이에 따라 본 연구에서는 도시공원 방문자 수를 이용하여, K-means clustering 과 three level logistic regression model을 이용하여 도시공원이 시민의 건강상태에 미치는
영향을 추정하였다. 연구 대상지는 대한민국 서울이며, 연구 기간은 2019년 1월 1일부터 2019년 12월 31일까지이다. 분석 결과, 하루 동안 꾸준히 이용 되거나, 퇴근 시간 이후에 이용률이 높은 도시공원의 면적이 증가하면, 시민들의 체질량지수, 스트레스, 우울, 피로 수준에 긍정적인 효과를 미치는 것으로 나타났다. 해당 군집에 포함된 도시공원은 주로 주거지역과 근접해 있으며, 중소형 규모인 것으로 나타났다. 삶의 질에 대한 시민들의 인식이 증가하고, 도시공원의 중요도가 증가하고 있는 상황에서, 도시공원이 건강에 미치는 영향에 대한 실증적 연구는 도시 공간의 관리 및 개발에 관한 정책에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.Chapter 1. Introduction 1
Chapter 2. Background 4
Chapter 3. Analytical design 5
3.1. Study site 5
3.2. Data and samples 6
3.3. Analytical method 8
Chapter 4. Results 12
4.1. Cluster analysis 12
4.2. Statistical analysis 18
Chapter 5. Conclusion and discussion 24
Bibliography 26
Abstract in Korean 30석
CO2 농도 증가와 인간활동이 쥐방울덩굴의 번식에 미치는 영향
No full text학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 사범대학 과학교육과(생물전공), 2024. 2. 김재근.식물의 생식 전략과 환경 간의 복잡한 상호작용은 생태학 연구 분야에서 중요한 이슈로 부상하고 있다. 동아시아의 다년생 덩굴인 쥐방울덩굴(Aristolochia contorta)은 식물 진화 초기 단계에 출현하였으며 독특한 형태의 꽃(유성 생식 기관)을 가지고 있다. 또한 쥐방울덩굴 잎은 한국에서 취약종인 꼬리명주나비(Sericinus montela) 애벌레의 주요 먹이로서 중요한 역할을 한다. 하지만, 서식지 감소로 인해 두 종 모두의 생존은 위협을 받고 있다. 그럼에도 불구하고 쥐방울덩굴의 생식 메커니즘, 특히 낮은 결실률에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 쥐방울덩굴과 꼬리명주나비의 보존을 위해 쥐방울덩굴의 생식 전략을 조사하였고, 기후 변화와 인간의 개입이 이에 미치는 영향을 연구하였다.
첫째로, 꽃가루 수분이 생식 성공에 미치는 영향을 탐구하였다. 현장 조사와 실험을 통해 쥐방울덩굴이 타가수분을 하고 등에모기(Ceratopogonidae spp.)가 수분매개자 역할을 한다는 것을 확인했다. 그러나 꽃가루가 붙은 등에모기의 다수(69.76%)가 화피 내부에서 죽는 등의 문제로 인해 결실률이 낮아지는 것으로 나타났다. 또한 수분매개자의 불균형한 분포, 꽃가루 부족 및 결함이 많은 꽃가루의 높은 비율 등이 낮은 결실률(7.7%)에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 이러한 요인들은 유성생식 감소 및 무성생식 증가로 이어져 유전자 다양성의 감소를 초래할 수 있다.
둘째로, 기후 변화가 쥐방울덩굴의 생육 및 생식에 미치는 영향을 조사했다. 현장 조사와 온실 실험을 통해 쥐방울덩굴의 이산화탄소 농도 상승이 성공적인 개화를 위해 중요한 지하경(rhizome) 방향(수직), 적절한 빛 강도(40%) 및 토양 수분 함량(24%)에 영향을 미친다는 것을 확인했다. 그러나 높은 이산화탄소 농도가 성장 및 유성생식을 방해하는 결과도 나타났으며, 지하경의 방향을 가로로 식재했을 때 더 크게 영향을 받았다. 또한, 증가한 이산화탄소 조건에서는 유성생식 대신 지하싹(root buds)과 슈트(shoots) 수를 늘리는 무성생식 전략을 취하였으며, 이는 쥐방울덩굴의 유전적 다양성을 감소시킬 수 있다는 것을 시사한다.
마지막으로, 인간활동으로 인한 쥐방울덩굴과 꼬리명주나비의 영향에 대해 조사했다. 현장 조사에서는 하천변의 멸종위기종 보존 및 침입종 제거 사업, 그리고 농약의 사용으로 인해 제거되지 말아야 할 쥐방울덩굴이 함께 제거되어 2017년에 비해 2021년에는 쥐방울덩굴의 서식지가 감소하였다. 실내 실험에서는 꼬리명주나비 애벌레의 먹이 부족과 농약의 사용으로 애벌레와 번데기의 크기가 작아졌으며, 생존율이 낮아졌다. 따라서 농업이나 강가 생태계를 향상시키기 위한 인간의 활동이 쥐방울덩굴과 꼬리명주나비에게 영향을 미칠 수 있음을 밝혔다.
그러므로, 이 연구는 쥐방울덩굴이 환경 변화 및 인간 활동에 민감하게 반응하며, 이로 인해 생식 전략이 변화하고 유전자 다양성이 감소할 수 있다는 점을 보여준다. 이 연구 결과는 인간의 활동이 생태계에 미치는 영향의 광범위성을 보여주며, 특히 쥐방울덩굴과 꼬리명주나비의 보존과 관련된 중요한 기초적인 자료를 제공할 것이다. 이러한 결과들은 인간의 행동이 생태계에 미치는 영향을 더 잘 이해하고, 특정 종들의 보존에 필요한 조치를 적용하는 데 도움이 될 것이다.The study of reproductive strategies and their intricate interplay with environmental factors takes center stage in the realm of plant biology and ecological research for conservation. Aristolochia contorta, a perennial vine in East Asia, employs both sexual and asexual reproduction methods. Additionally, Sericinus montela, an obligate feeder on A. contorta, is categorized as a vulnerable species in South Korea, thus warranting conservation efforts. Research on A. contorta's reproductive mechanisms, especially its low fruiting rate, is scarce, despite its vulnerability to environmental changes and human activities. Therefore, an investigation into A. contorta's reproductive strategies and how they are influenced by climate change and human interventions was conducted. The vital role of pollination in its reproductive success was explored through field surveys and pollination experiments. Field surveys and pollination experiments were conducted to uncover its pollination system. The study revealed that A. contorta was primarily allogamous, relying on pollinators from the Ceratopogonidae family. During the pollination process, flowers acted as focal points for attracting Ceratopogonidae species. However, the retention and release stages presented challenges. While a significant portion of Ceratopogonidae species became loaded with pollen grains, the sticky texture of the perianth's internal cavity hindered their successful exit. This led to adhesion and clogging within the narrow perianth tube, resulting in the unfortunate demise of pollinators. The research shed light on factors contributing to A. contorta's low fruit set (7.7%), including the clustered distribution of its pollinators, insufficient pollen loading, hindrance in pollinator release, and a high rate of defective pollen grains. These factors collectively diminished the rate of sexual reproduction in A. contorta populations, potentially pushing the species towards increased reliance on asexual reproduction, which could lead to genetic erosion. Second, beyond the plant's reproductive intricacies, the implications extended to ecological and conservation aspects. In a world facing climate change challenges, phenology and the transition from vegetative to reproductive phases gained prominence. This study explored the response of A. contorta to elevated CO2 concentrations, a critical environmental factor. Field surveys and greenhouse experiments unveiled how this plant adapted to changing CO2 levels. Successful flowering requires vertical rhizome orientation, about 40% of relative light intensity, and approximately 24% soil water content. The findings suggested that elevated CO2 concentrations could hinder growth, obstructing sexual reproduction and diminishing genetic diversity in A. contorta. The study not only enhanced our understanding of the plant's response to climate change but also provided essential foundational information for the conservation of A. contorta. It also raised broader questions about the survival and resilience of plant species in an era of environmental challenges. Subsequently, the research delved into the intricate relationship between S. montela, a threatened butterfly species, and its exclusive food source, A. contorta. Through field surveys and glasshouse experiments, the study unveiled the vulnerability of S. montela to management practices aimed at controlling invasive species and riverine area management, such as decline weeding and pesticide use. The findings highlighted that these management practices, intended to enhance agricultural or riverine ecosystems, could inadvertently diminish the availability of A. contorta, a vital resource for S. montela. Such ecological changes might lead to a reduced food supply, affecting S. montela's population, which relied solely on A. contorta as its larval food source. This intricate relationship underscored the far- reaching consequences of human activities on ecosystem dynamics. The study served as a reminder of the importance of considering the interconnectedness of species in ecological management efforts, with a focus on preserving the habitat and food source of vulnerable species like S. montela. In conclusion, this research has contributed to our understanding of A. contorta's reproductive mechanisms, its response to environmental changes, and the implications for its long-term survival. In a rapidly changing world, such an approach is critical for safeguarding biodiversity and ecological stability. Keyword: Aristolochia contorta Bunge, Sericinus montela, Ceratopogonidae spp. Climate change, CO2 concentration, Habitat management Student Number: 2021-33270 This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education (NRF-2021R1I1A2041895) and by Korea Environment Industry & Technology Institute (KEITI) through Wetland Ecosystem Value Evaluation and Carbon Absorption Value Promotion Technology Development Project, funded by Korea Ministry of Environment (MOE) (2022003640003).Abstract i
Chapter 1. Introduction １
1.1. Importance of Research １
1.2. Purpose of Research ７
Chapter 2. Mechanistic understanding of perianth traits hindering
pollination in Aristolochia contorta Bunge １０
2.1. Introduction . １０
2.2. Materials and Methods . １３
2.2.1. Study site . １３
2.2.2. Characteristics of flowers １３
2.2.3. Insect visitation １４
2.2.4. Pollination experiment . １５
2.2.5. Pollen distribution on pollinator bodies １６
2.2.6. Data analysis . １７
2.3. Results . １８
2.3.1. Morphology of flowers . １８
2.3.2. Insect visitation ２０
2.3.3. Pollination experiment . ２６
2.3.4. Pollen distribution on pollinator bodies ２６
2.4. Discussion ２８
2.4.1. Aristolochia contorta, an allogamous species pollinated by Ceratopogonidae
spp. ２８
2.4.2. Insect attraction ２９
2.4.3. Trapping ２９
v
2.4.4. Retention . ３０
2.4.5. Release . ３２
2.4.6. Perianth necessary for pollination causes low pollination effectiveness . ３３
2.5. Conclusion . ３６
Chapter 3. The reduced growth due to elevated CO2 concentration
hinders the sexual reproduction of Aristolochia contorta Bunge ３８
3.1. Introduction . ３８
3.2. Methods ４１
3.2.1 Vegetative and reproductive phases comparison ４１
3.2.2 Effects of elevated CO2 on growth and reproduction in different rhizome
directions ４３
3.2.3 Statistical analyses ４６
3.3. Results . ４７
3.3.1 Vegetative and reproductive phases comparison ４７
3.3.2 Effects of elevated CO2 on growth and reproduction in different rhizome
directions ５２
3.3.3 Interactive effects of elevated CO2 concentrations and rhizome direction on
growth and reproductive traits ６２
3.4. Discussion ６５
3.4.1 Environmental factors and growth traits in A. contorta ６５
3.4.2 Growth traits and their impact on reproductive traits in A. contorta ６７
3.4.3 Interactive effects of elevated CO2 and rhizome direction on A. contorta ７０
3.5. Conclusion ７２
Chapter 4. Effects of human activities on Sericinus montela and its host
plant Aristolochia contorta . ７４
4.1. Introduction . ７４
vi
4.2. Methods ７６
4.2.1. Field observations and survey ７６
4.2.2. Experimental setting ７７
4.2.3. Data analysis . ７８
4.3. Results . ７９
4.3.1. Human activity and A. contorta ７９
4.3.2. Effects of feeding organ and pesticides on the growth of S. montela ８３
4.4. Discussion ８６
4.4.1. Response of A. contorta to human activities and subsequent effects on the S.
montela population ８６
4.4.2. The life history variation of S. montela under feeding conditions . ８９
4.5. Conclusion . ９１
Chapter 5. General conclusion ９２
References . ９３
Abstract in Korean １２５
vii
Figure List
Figure 2-1. Structural measurement of perianth of Aristolochia contorta １４
Figure 2-2. Microscopic examination of floral structures and phases of anthesis in
Aristolochia contorta. (A) a yellow limb bud, (B) a purple limb bud, (C)
Inflorescences by order, (D) a yellowish perianth, (E) a purplish perianth, (F) a
flower and gynostemium at the female phase of anthesis, (G) trichomes in the tube
at the female phase of anthesis, (H) a flower and gynostemium at the male phase of
anthesis, (I) trichomes in the tube at the male phase of anthesis, (J) inner utricle
(side), (K) inner utricle with glands, (L) glands (scanning electron microscopy),
(M) glands (optical microscope). The scale bars of (A) to (K) = 1 mm, and the
scale bars of (the inset I), (L), (M) = 100 µm ２０
Figure 2-3. Diverse visitors trapped in Aristolochia contorta flowers. (A)–(C)
Ceratopogonidae spp., (D) Cicadellidae sp., (E) Psocoptera sp., (F) Braconidae sp.,
(G) Scymnus sp. (H) Entomobrya vigintiseta, (I) Tetranychoidea sp., (J)
Typhlocybinae sp., (K) Myzus persicae, (L) Frankliniella occidentalis, (M)
Ponticulothrips diospyrosi. All the scale bars = 1 mm. ２２
Figure 2-4. Percentage of the species of visitors to the Aristolochia contorta
flowers while investigating the pollinators of the plant. E/: Percentage of visitors
exited from flowers in a bottle. ２３
Figure 2-5. Distributions (%) of visitors to Aristolochia contorta according to (A)
the time of day, (B) different developmental stages, (C) height, (D) temperature. 1.
Ceratopogonidae sp. 1, 2. Ceratopogonidae sp. 2, 3. Frankliniella occidentalis, 4.
Ponticulothrips diospyrosi, 5. Chironomidae spp., 6. others. * p < 0.05. ２４
Figure 2-6. The percentage of fruit set in the three groups of Aristolochia contorta,
including flowers that were enclosed in bags, buds that were cut, and the control.
２６
Figure 2-7. Visual evidence of the distribution and transfer of pollen grains on the
floral reproductive structures and the bodies of potential pollinators, (A), (B)
Ceratopogonidae spp., (C) Ceratopogonidae sp. with pollen on their thoraxes, (D)
upper side of gynostemium (stigma), (E) pollen grains and their tubes on the stigma
viii
(pollination), (F) seeds developing in the ovary (fertilization). (G) stamens on the
side of an Aristolochia contorta gynostemium, (H) A. contorta pollen grains in the
utricle. All the scale bars = 50 μm ２７
Figure 2-8. Pollen-loaded floral visitors and trapped visitors (A)–(D)
Ceratopogonidae spp. with pollen, (E), (F) Ceratopogonidae spp. trapped to death
on the gynostemium, (G)–(J) Ceratopogonidae spp. trapped to death on the utricle,
(K), (L) Ceratopogonidae spp. trapped to death on the tube. All the scale bars = 1
mm. ２８
Figure 2-9. The pollination mechanism of Aristolochia contorta. The numbers in
the flowchart indicate the number of insects or flowers that answered Yes or No to
the question. ３５
Figure 3-1. Directions of rhizomes. (a) horizontal rhizome, (b) vertical rhizome.
４４
Figure 3-2. Comparisons in environmental variables between vegetative phase and
reproductive phase. (a) relative light intensity, (b) soil water content, (c) soil
organic matter content, (d) pH, (e) EC, (f) PO4–P, (g) NH4–N, (h) NO3–N, (i) Ca2+,
(j) K+, (k) Na+, (l) Mg2+. Bars indicate standard error. *, p < 0.05; ***, p < 0.001.
４８
Figure 3-3. Growth traits of A. contorta in vegetative and reproductive phases. (a)
stem thickness, (b) length of the first internode, (c) number of branches, (d) number
of leaves, (e) single leaf area, (f) total leaf area, (g) rhizome thickness, (h) rhizome
length, (i) direction of rhizome, (j) chlorophyll content, (k) dry weight of stem,
leaves, rhizome and root. Bars indicate standard error. *, p < 0.05; ***, p < 0.001.
５０
Figure 3-4. C/N ratio of each part in vegetative phase and reproductive phase. Bars
indicate standard error. *, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001 ５１
Figure 3-5. Canonical correlation analysis (CCA) plots to determine the
relationships among the environmental factors and growth traits. The percentage
(%) on each axis represent the variance explained. Dotted curves indicate the
groups of individuals in vegetative and reproductive phases, which are represented
by the pink triangles. Arrows have strong correlation with axis. ５１
Figure 3-6. Sum of nutrient uptake by A. contorta and nutrient losses under two
ix
CO2 concentrations (400 ppm, 540 ppm), and two rhizome directions (horizontal
rhizome planting, H; and vertical rhizome planting, V). (a) PO4–P, (b) NH4–N, (c)
NO3–N, (d) Ca2+, (e) K+, (f) Na+, (g) Mg2+, (h) pH, (i) EC, (j) soil C/N ratio. Letter
on the graph means significant difference at 5% level based on Duncans test. Bars
indicate standard error ５３
Figure 3-7. The growth traits of A. contorta under two CO2 concentrations (400
ppm, 540 ppm), and two rhizome directions (horizontal rhizome planting, H; and
vertical rhizome planting, V). (a) stem length, (b) length of the first internode, (c)
stem thickness, (d) number of branches, (e) total branch length, (f) number of
leaves, (g) single leaf area, (h) total leaf area, (i) chlorophyll content. Letter on the
graph means significant difference at 5% level based on Duncans test. Bars
indicate standard error ５５
Figure 3-8. Dry weight of each part of A. contorta and allocation of dry weight
under two CO2 concentrations (400 ppm, 540 ppm), and two rhizome directions
(horizontal rhizome planting, H; and vertical rhizome planting, V). (a) stem weight,
(b) leaves weight, (c) rhizome and root weight, (d) allocation of dry weight. Letter
on the graph means significant difference at 5% level based on Duncans test. Bars
indicate standard error ５６
Figure 3-9. Number of flowers of A. contorta under two CO2 concentrations and
two rhizome directions. ５７
Figure 3-10. Reproductive (sexual, asexual) traits of A. contorta under two CO2
concentrations and two rhizome directions. (a) flower longevity, (b) perianth size,
(c) diameter of utricle, (d) pollen diameter, (e) number of underground buds, (f)
number of shoots. Letter on the graph means significant difference at 5% level
based on Duncans test. Bars indicate standard error. ５８
Figure 3-11. C/N ratio of each part of A. contorta under two CO2 concentrations
and two rhizome directions. (a) stem C/N ratio, (b) leaf C/N ratio, (c) rhizome C/N
ratio, (d) flower C/N ratio, (e) ovary C/N ratio. ５９
Figure 3-12. Canonical correlation analysis (CCA) plots to determine the
relationships among the growth traits and reproductive traits. The percentage (%)
on each axis represent the variance explained. Dotted curves indicate the groups of
individuals in treatment groups, which are represented by the blue triangles.
x
Arrows have strong correlation with axis ６４
Figure 3-13 Comprehensive understanding of various factors that influence the
asexual and sexual reproductions in mature A. contorta. ７３
Figure 4-1. Growth characteristics and reproductive traits of Aristolochia contorta
at study sites in 2017 and 2021(JP only has data for 2021). (a) Coverage, (b) Height,
(c) Leaf number per quadrat, (d) Flower number per quadrat, (e) Fruit number per
quadrat. Bars indicate standard error. * p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001. ８２
Figure 4-2. Average number of larvae (a) and egg clusters (b) of S Sericinus
montela per quadrat at study sites in 2017 and 2021(JP data was collected in 2021
only). Bars indicate standard error. * p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001 ８３
Figure 4-3. Variations of Sericinus montela morphological traits among treatments
(w/o-Pesticides: feeding on foods without pesticides, with-Pesticides: feeding on
foods with pesticides, Fruits: fruit-eating group, Leaves: leaf-eating group, (a) Pupa
length, (b) Wingspan. (Duncan test, p < 0.05). ８４
Figure 4-4. Average growth curves for larvae reared in different treatments (w/o-
P/F: feeding on fruits without pesticides, w/o-P/L: feeding on leaves without
pesticides, with-P/ F: feeding on fruits with pesticides, with-P/L: feeding on leaves
with pesticides). ８４
Figure 4-5. Survival curves of larvae reared in different treatments (w/o-P/F:
feeding on fruits without pesticides, w/o-P/L: feeding on leaves without pesticides,
with-P/F: feeding on fruits with pesticides, with-P/L: feeding on leaves with
pesticides). ８５
Figure 4-6. The number of larvae that did not emerge before the pupal stage (light
colors) and the number of pupae that did not reach the adult stage (dark colors)
under different treatments. The number (%) in parentheses indicates total mortality
before the adult stage. ８６
xi
Table List
Table 2-1 Measurements of the whole flowers and flower parts of each selected
flower from 10 individual plants (n=10) ２０
Table 2-2 Flower visitors observed during video recordings of Aristolochia
contorta. The number in parentheses is the number of flower visitors. F: "free
entry" group, T: "trapped" group, -: no visitor. ２１
Table 2-3 Multivariate ANOVA of the number of visitors to Aristolochia contorta
according to the time of day, different developmental stages, height, and
temperature.; F statistics are shown. df = 3, 4554 for traits. Significant effects are
shown in boldface (p < 0.05). Developmental phase: D, height: H, temperature: T.
. ２５
Table 3-1. Stigmatic receptivity of A. contorta under two CO2 concentrations and
two rhizome directions. +++, strong receptivity; ++, moderate receptivity; +, weak
receptivity; /, no flower ６０
Table 3-2. Proportion of the stained pollen grains at A. contorta individuals (%).
n=30. ６１
Table 3-3 Two-way analysis of variance results for traits of A. contorta in the
greenhouse experiments; F statistics are shown. The two treatments were CO2
concentrations (400ppmCO2 and 540ppmCO2) and rhizome directions (horizontal
and vertical). df=1, 39 for traits. Significant effects are shown in boldface (*, p <
0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001). ６３
Table 4-1. Information on herbaceous plant management at study sites obtained
from interviews ８０
Table 4-2. Two-way ANOVA on traits of S. montela (F ratios are shown). Two
treatments were food types and the presence of pesticides. df = 1, 43 for pupal
length, df = 1, 28 for wingspan, df = 1, 119 for larva weight change, df = 1, 119 for
survival days. * p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001. ８６박
수술 중 흡입산소분율이 무심폐기 관상동맥우회술 환자의 수술 후 결과에 미치는 영향: 다기관, 군집 무작위 배정 임상연구
No full text학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 의과대학 의학과, 2024. 2. 전윤석.Background: To maintain adequate oxygenation is of utmost importance in intraoperative care. However, clinical evidence supporting specific oxygen levels in distinct surgical settings is lacking. This study aimed to compare the effects of 30% and 80% oxygen in off-pump coronary artery bypass grafting (OPCAB).
Methods: This multicenter trial was conducted in three tertiary hospitals from August 2019 to August 2021. Patients undergoing OPCAB were cluster-randomized to receive either 30% or 80% oxygen intraoperatively, based on the month when the surgery was performed. The primary endpoint was postoperative length of hospital stay. Intraoperative hemodynamic data were also compared.
Results: A total of 414 patients were cluster-randomized. Postoperative length of hospital stay was not different in the 30% oxygen group compared to the 80% oxygen group (median, 7.0 days vs 7.0 days; the sub-distribution hazard ratio, 0.98; 95% confidence interval [CI], 0.83–1.16; P = 0.808). The incidence of postoperative acute kidney injury was significantly higher in the 30% oxygen group than in the 80% oxygen group (30.7% vs 19.4%; odds ratio, 1.94; 95% CI, 1.18–3.17; P = 0.036). Intraoperative time-weighted average mixed venous oxygen saturation was significantly higher in the 80% oxygen group (74% vs 64%; P < 0.001). The 80% oxygen group also had a significantly greater intraoperative time-weighted average cerebral regional oxygen saturation than the 30% oxygen group (56% vs 52%; P = 0.002).
Conclusions: In patients undergoing OPCAB, intraoperative administration of 80% oxygen did not decrease postoperative length of hospital stay, compared to 30% oxygen, but may reduce postoperative acute kidney injury. Moreover, compared to 30% oxygen, intraoperative use of 80% oxygen improved oxygen delivery in patients undergoing OPCAB.연구 배경: 수술 환자의 관리 시, 적절한 산소공급은 가장 중요한 것 중 하나이다. 그러나, 어느 수준의 산소공급이 임상적으로 가장 적절한 지에 관한 근거는 매우 부족하다. 본 연구에서는 무심폐기 관상동맥우회술 중, 30% 또는 80%의 흡입산소분율을 사용하였을 때의 임상적 효과를 비교하고자 한다.
연구 방법: 본 다기관 연구는 2019년 8월부터 2021년 8월까지 국내 3개 대학병원에서 무심폐기 관상동맥우회술을 받는 환자들을 대상으로 하여, 수술받는 월을 기준으로 수술 중 30% 또는 80%의 산소를 사용하는 군으로 군집 무작위 배정하였다. 일차 임상 종점은 수술 후 재원기간이었으며, 수술 중 혈역학적 자료들도 두 군 간에 비교하였다.
연구 결과: 본 연구에서는 군 당 207명씩, 총 414명의 환자가 군집 무작위 배정되었다. 30%군과 80%군 간 수술 후 재원기간에 유의한 차이는 없었으나 (중앙값, 7.0일 vs 7.0일; sub-distribution hazard ratio, 0.98; 95% 신뢰구간, 0.83–1.16; P = 0.808), 수술 후 급성 신손상의 발생률은 30%군이 80%군에 비해 유의하게 높았다 (30.7% vs 19.4%; odds ratio, 1.94; 95% 신뢰구간, 1.18–3.17; P = 0.036). 수술 중 시간 가중 평균 혼합정맥혈 산소포화도가 80%군에서 30%군에 비해 유의하게 높았고 (74% vs 64%; P < 0.001), 수술 중 시간 가중 평균 대뇌 산소포화도 또한 유의하게 높았다 (56% vs 52%; P=0.002).
결론: 무심폐기 관상동맥우회술을 받는 환자에서 흡입산소분율을 30%로 사용하는 것에 비하여, 80%로 사용할 경우, 수술 후 재원기간이 감소하지는 않지만, 급성 신손상을 줄일 가능성이 있는 것으로 나타났다. 또한, 30%에 비해 80%의 흡입산소분율의 사용이 환자의 수술 중 산소전달 (oxygen delivery)을 개선시키는 것으로 관찰되었다.Abstract i
Contents iv
List of tables and figures v
Introduction 1
Methods 3
Results 20
Discussion 46
Conclusions 54
References 55
Abstract in Korean 64박
results of multi-center randomized clinical trials
No full text학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 의과대학 협동과정 의료정보학전공, 2024. 2. Ju Han Kim.배경: 사회의 고령화와 함께 만성콩팥병(CKD) 환자 인구는 증가하며 나날이 의료시스템에 주는 부담이 커지고 있다. 만성질병에선 환자의 자가관리가 질병의 진행 예방, 환자의 예후 및 삶의 질에 중요한 영향을 미치지만, CKD는 질환의 복잡성 때문에 자가관리에 어려움이 많다. 개인에게 맞춤화된 의료 서비스는 복잡성 해결에 도움이 되지만 의료서비스 공급자에게 부담이 증가한다. 여기서 기술의 발전으로 가능해진 디지털 건강 중재 방법(DHI)이 서비스 제공을 자동화하여 해결 방안을 제시한다. 하지만 아직 CKD에서 DHI에 대한 연구는 많지 않은 편이다. 본 논문에서는 CKD를 위한 두 가지 DHI를 개발하고 그 효과를 임상연구를 통해 살펴보고자 한다. 첫 번째 연구는 적응중재방법을 통해 투석 환자에게 맞춤형 영양중재를 시행하였고, 두 번째 연구는 비투석 환자에게 모바일 앱에서 실행되는 웹 기반 에이전트를 통해 교육중재를 시행하였다.
방법: 두 연구 모두 분산형 다기관 임상 시험으로, 참여자의 건강지표를 개선할 것이라는 가설을 세우고 진행되었다. 첫 번째 연구에서는 3개월 이상 혈액 투석을 받은 환자(N = 153)를 대조군, 교육, 식이, 그리고 교육&식이 4개의 그룹으로 나누었다. 교육 자료는 문자메시지를 통해 제공되었으며 식사는 참여자의 집으로 배달되었다. 두 번째 연구에서는 CKD 진단을 받은 환자 중 6개월 이상 치료를 받은 환자(N = 68)를 대조군과 교육군으로 나누었다. 교육군에게는 웹 기반 에이전트를 통해 8주간 구조화된 교육이 제공되었다. 혈중 수치, Korean-Beck Depression Inventory (K-BDI) 및 Insomnia Severity Index (ISIK) 점수의 변화를 분석했다.
결과: 첫 번째 연구에서는 식이중재가 8주 차에서 혈중 인 수치를 안정화했으며(β = -0.81) 목표 범위 내에 있는 가능성이 커졌다. (Odds Ratio = 1.21). 교육&식이 그룹은 8주 차에서 대조군보다 더 나은 영양 상태를 보였다 (MIS = 3.97 대 MIS = 4.57) (adjusted p <0.05). 혈중 칼륨, K-BDI 및 자기 효능에는 유의한 변화가 관찰되지 않았다. 두 번째 연구에서는 대조군과 중재준 간 유의한 차이가 없었다. 다만, 여성이 남성보다 교육 순응도가 높았고, eGFR이 높은 참여자가 로그인 횟수가 더 높았다. 교육 순응도가 0인 참여자에게도 로그인 시도(4.1 ± 2.4일)가 관찰되었다.
결론: 첫 번째 연구에서는 적응형 식이중재가 혈액 투석 환자의 혈중 인 조절과 영양 상태에 도움이 될 수 있음을 보여줬다. 동시에 우울증이나 자기 효능 점수의 부정적인 영향을 미치지 않았다. 두 번째 연구에서는 교육 순응도가 낮은 문제가 먼저 해결되어야 할 것으로 보인다. 교육 순응도가 0인데 로그인 시도를 한 환자가 있는 것은 사용자 인터페이스 사용의 어려움이 교육의 장애물이 되었을 가능성을 보여준다. 또한 초기 CKD환자가 로그인 횟수가 더 높은 것으로 보아, 추후 개발에 있어 좋은 고객층임을 보였다.Background: The prevalence of chronic kidney disease (CKD) is rising, becoming a greater burden on the healthcare system. Self-management is crucial in preventing disease progression. However, the complexity of the disease makes it particularly challenging for CKD patients to effectively manage their health. Individualized care can deal with disease complexity but places an extra burden on the healthcare providers. Digital health intervention (DHI) provides a workable solution by automating the care process. However, the literature on DHI for CKD is still scarce. This study evaluates the efficacy of two DHIs for CKD: an adaptive nutritional intervention algorithm for hemodialysis (HD) patients, and a web-based agent in a mobile application designed for non-dialysis CKD patients. Both DHIs had the objective of increasing the users health outcome.
Method: A total of two decentralized multi-center clinical trials were conducted. The first study recruited patients who have been under HD for over three months (N=153) from seven HD facilities and divided them into four groups: control, education, meal, and education & meal. Education materials were digitally provided via Short Message Service (SMS) and meals were home-delivered. Primary outcomes were serum potassium, serum phosphorus, and nutritional status. Secondary outcomes were depression and self-efficacy. The second study recruited patients diagnosed with CKD receiving treatment for over six months (N=68) from five clinics and divided them into two groups: control and education. A web-based agent provided educational materials in a structured format for eight weeks, with evaluation components. Primary outcomes were serum potassium, serum phosphorus, serum albumin, and serum hemoglobin. Secondary outcomes were depression and sleep insomnia.
Results: In the first study, meal intervention significantly stabilized serum phosphorus level (β = - 0.81) at week eight, with increased likelihood of being in the target range (Odds ratio = 1.21, C.I.=[1.04, 1.40]). The education & meal group displayed better nutritional status (Malnutrition Inflammation Score (MIS) = 3.97) than the control group (MIS = 4.57) at week eight (adjusted p<0.05). No significant changes were observed in serum potassium level, depression level, and self-efficacy. In the second study, no significant changes were observed in any of the outcomes. Females were significantly more likely to comply to education, and participants with higher estimated Glomerular Filtration Rate (eGFR) were more likely to login to the application. Login attempts (4.1 ± 2.4 days) were also observed in participants with zero compliance.
Conclusion: The first study demonstrated that an adaptive nutrition intervention in a real-world care setting may benefit HD patients serum phosphorus control and nutritional status, without negative effects on depression level or self-efficacy. On the other hand, the second study showed the need for a mitigation strategy to resolve low education compliance. Login attempts from participants with zero compliance indicate that the difficulty in user interface navigation could have been a barrier to using the educational application. Early CKD patients were more likely to log in to the application and are thus a good DHI target.Chapter 1. Introduction 1
1.1. Background 1
1.2. Purpose of Research 10
Chapter 2. Study 1: Adaptive nutritional intervention for hemodialysis patients 12
2.1. Methods 12
2.2. Results 19
2.3. Discussion 21
Chapter 3. Study 2: 8-week educational module on a mobile app for CKD patients 26
3.1. Methods 26
3.2. Results 32
3.3. Discussion 33
Chapter 4. Conclusion 35
4.1. Summary 35
4.2. Future Work 35
Tables 39
Figures 76
References 91
Abstract in Korean 97박
완전 동형 암호화된 데이터의 추론에서의 비산술 함수의 효과적 다항식 근사
No full text학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2024. 2. 노종선.동형 암호(HE)는 정보 보호 머신 러닝(PPML)을 수행할 수 있도록 하는 대표적인 도구 중 하나로서, 데이터의 보안을 보장하는 가운데 암호화된 클라이언트의 데이터를 서버가 분석할 수 있도록 도와준다. 이 학위 논문에서는 완전 동형 암호(FHE)를 사용하는 정보 보호 머신 러닝을 중점적으로 다룬다. 완전 동형 암호를 통해 딥 러닝을 구현할 때, 동형 연산을 위해 비산술 함수가 다항식으로 근사되어야 한다. 대부분의 기존 연구들은 ReLU 함수나 맥스-풀링 함수와 같은 비산술 함수를 작은 차수의 다항식으로 근사하는 동형 암호 친화적 네트워크의 개발에 초점이 맞추어져 있다. 하지만 다항식의 차수가 작으면 큰 근사 오차가 발생하므로, 이 근사 방법은 깊이가 깊은 신경망 네트워크를 구현하는 데에 한계가 있고 규모가 작은 데이터셋만 분류가 가능하다. 새로운 동형 암호 친화적 네트워크를 개발하는 대신, 정확한 다항식 근사 기술을 사용한 암호화된 데이터를 위한 정보 보호 머신 러닝의 중요성이 대두되고 있다. 이 기술은 이미 좋은 성능을 보이는 평문 상에서 기학습된 깊은 신경망 네트워크를 완전 동형 암호화된 데이터에 곧바로 적용할 수 있도록 해 주며, 동형 암호를 위한 모델을 새롭게 개발할 필요가 없고 큰 데이터셋을 쉽게 분석할 수 있도록 한다. 그러나 다항식 근사의 오차가 깊은 신경망 네트워크의 암호화된 데이터의 분석 성능에 미치는 영향이 정확하게 분석된 바는 지금까지 없었다.
이 학위 논문에서는 깊은 신경망 네트워크에 사용되는 ReLU 함수나 맥스-풀링 함수와 같은 비산술 함수를 다항식으로 근사하여 기학습된 깊은 신경망 네트워크에 근사 다항식을 곧바로 적용하는 방법을 제안한다. 이 학위 논문에서는 두 가지 다항식 근사 방법을 제안한다.
먼저, 동형 연산을 위해 부호 함수를 근사하는 데에 사용된 합성 미니맥스 다항식을 통하여 ReLU 함수와 맥스-풀링 함수를 근사하는 방법을 제안한다. 이론석인 분석을 통해, 합성 미니맥스 다항식을 통하여 설계한 근사 다항식을 각 비산술 함수 대신 깊은 신경망 네트워크에 대체하였을 때 기학습된 네트워크의 성능을 그대로 유지할 수 있음을 보인다. 또한, ReLU 함수와 맥스-풀링 함수 대신 제안하는 근사 다항식을 대체하였을 때, ResNet와 VGGNet에서 재학습 없이 높은 정확도를 달성할 수 있음을 시뮬레이션을 통해 보인다. 이 학위 논문에서는 ResNet-152 모델을 활용하여 평문 ImageNet 데이터셋을 다항식 연산만으로 77.52%의 분류 정확도를 성공적으로 달성하는 시뮬레이션 결과를 얻어내고, 이를 통해 제안하는 근사 다항식의 유용성을 보여준다.
두 번째로, 대체 근사 방법으로서 가중 최소 제곱법을 제안한다. 가중 최소 제곱법을 통해 네트워크의 성능을 그대로 유지하면서도 합성 미니맥스 다항식을 사용하는 것보다 효과적으로 근사 다항식의 차수를 줄일 수 있다. 가중 최소 제곱법을 통해, 전체 분석 시간을 크게 줄이면서도 네트워크의 분류 정확도를 유지할 수 있는 활성화 함수의 다항식 차수의 계층별 최적화 방법을 제안한다. 이 최적화 방법은 각 계층의 특성이 고려된다. 미니맥스 근사 방법 대신 각 계층의 활성화 함수의 입력 분포가 반영된 가중 최소 제곱법을 적용한다. 또한, 각 계층별 다항식의 최적화된 차수를 결정하기 위해 동적 프로그래밍 알고리즘을 제안하여 각 계층의 근사 오차가 깊은 신경망 네트워크의 분류 정확도에 미치는 영향을 고려한다. 그리고, 계층별 암호문의 모듈러스-체인을 조절하는 방법을 제안하여 총 분석 시간을 절약하도록 한다. 이러한 최적화 방법을 통해 ResNet-20과 ResNet-32 모델의 분석 시간을 기존의 다항식 차수를 일정하게 유지하는 방법 대비 각각 3.44배와 3.16배 줄일 수 있음을 입증한다.Homomorphic encryption (HE) is one of the representative solutions to privacy-preserving machine learning (PPML) classification enabling the server to classify private data of clients while guaranteeing privacy. This dissertation focuses on PPML using fully homomorphic encryption (FHE). In order to implement deep learning on FHE, non-arithmetic functions should be approximated by polynomials for homomorphic operations. Most of the previous studies focus on HE-friendly networks, which approximate non-arithmetic functions such as the ReLU and max-pooling functions using low-degree polynomials, because the possible operations on the encrypted data are addition and multiplication. However, this approximation cannot support deeper neural networks due to large approximation errors in general and can classify only relatively small datasets. Instead of designing a new HE-friendly model, there is a growing importance in accurately approximating polynomials for PPML on encrypted data. This allows the direct application of a well-performing pre-trained deep neural network on the plaintexts to fully homomorphically encrypted data, eliminating the necessity of designing a model optimized for FHE and fostering the expectation of easily analyzing large datasets. However, the systematic impact of errors introduced by polynomial approximation on the actual performance of deep neural networks on the encrypted data has not yet been thoroughly investigated. In this dissertation, I propose a method to directly apply pre-trained deep neural networks on the encrypted data by approximating non-arithmetic functions, such as the ReLU and the max-pooling functions, as polynomials. The approximation method proposed in this dissertation involves two main aspects. Firstly, I propose a method to approximate the widely used ReLU and max-pooling functions in deep neural networks using a composite minimax polynomial, approximating sign function for fully homomorphic encryption operations. I theoretically demonstrate that substituting the approximating polynomials designed through the composite minimax polynomial for non-arithmetic functions in a deep neural network allows the network to maintain its performance. Additionally, this dissertation confirms through simulations that replacing the ReLU and max-pooling functions in widely used deep neural networks, specifically ResNet and VGGNet for image classification, with the proposed polynomials achieves high accuracy of classification without retraining. For the first time, the simulations presented in this dissertation successfully classify the plaintexts of ImageNet dataset with a high accuracy of 77.52% solely through polynomial operations, using the backbone network as ResNet-152, which validates the effectiveness of the proposed approximate polynomials. Secondly, I introduce an alternative approximation technique utilizing the weighted least squares method. This method decreases the approximation degree more significantly than the one employing composite minimax polynomials, while preserving the networks performance. With the weighted least squares approximation approach, I propose a layerwise optimization of activation function degrees, aiming to notably reduce inference time while upholding classification accuracy. This involves considering the unique characteristics of each layer. In lieu of minimax approximation, I utilize the weighted least squares method along with input distributions of activation functions. Subsequently, I determine layerwise optimized degrees for activation functions using a dynamic programming algorithm, accounting for the impact of each layers approximation error of the classification accuracy for the deep neural network on the encrypted data. Additionally, I suggest adjusting the ciphertext moduli-chain layerwise to further diminish inference time. Through these proposed layerwise optimization techniques, the ResNet-20 model and the ResNet-32 model demonstrate inference time reductions of 3.44 times and 3.16 times, respectively, compared to previous implementations employing uniform degree polynomials and a consistent ciphertext modulus.Abstract i
Contents iv
List of Tables vii
List of Figures ix
1 Introduction 1
1.1 Background 1
1.2 Contributions of Dissertation 6
2 Preliminaries 10
2.1 RNS-CKKS Scheme 10
2.2 Deep Learning on Fully Homomorphic Encryption 11
2.3 Minimax Composite Polynomial 12
2.4 Homomorphic Max Function 12
2.5 Bootstrapping 13
3 Polynomial Approximation with Composite Minimax Polynomials 15
3.1 Precise Polynomial Approximation of the ReLU and Max-Pooling Functions 15
3.1.1 Precise Approximate Polynomial of the ReLU Function 15
3.1.2 Precise Approximate Polynomial for the Max-pooling Function 18
3.1.3 Comparison Between the Minimax Approximate Polynomial and the Proposed Approximate Polynomial for the ReLU and Max-Pooling Functions 26
3.2 Theoretical Performance Analysis of Approximate Deep Learning Model 29
4 Polynomial Approximation by Weighted Least Squares Method 39
4.1 Polynomial Construction 40
4.1.1 The Case of Arbitrary Input Distribution 40
4.1.2 The Case of Normal Input Distribution 42
4.2 Adjustment of the Coefficients Magnitudes 45
4.2.1 Analysis of the Coefficients Magnitudes 45
4.2.2 Simulation for Verifying the Role of λ 49
4.3 Minimizing the Variance of the Loss Function 49
4.4 Layerwise Degree Optimization 51
4.5 Moduli-Chain Managing 54
5 Simulation Results 59
5.1 Polynomial Approximation Using Composite Minimax Polynomials 59
5.1.1 Numerical Analysis on the CIFAR-10 for the Plaintext Data 61
5.1.2 Numerical Analysis on the ImageNet for the Plaintext Data 62
5.1.3 Numerical Analysis on the CIFAR-10 for the Encrypted Data 63
5.1.4 Discussion 63
5.2 Layerwise Optimized Polynomial with Weighted Least Squares Method 64
5.2.1 Results of Dynamic Programming and Comparison of Plaintext Results 65
5.2.2 Results of Ciphertext Inference 65
6 Conclusion 69
Abstract (In Korean) 76박
ALS 발병 과정에서 SOD1 독성 필라멘트 형성의 분자 메커니즘과 ALS 예방을 위한 천연물 발굴
No full text학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 농업생명과학대학 농생명공학부, 2024. 2. Nam-Chul Ha.진핵생물의 구리/아연 초과산화물 불균등화효소(SOD1)는 근위축성 측색경화증(ALS) 뉴런에서 독성 아밀로이드 필라멘트를 형성한다. SOD1 내의 4개의 시스테인 잔기 중 두 개는 활성 부위에서 분자 내 이황화결합을 형성하고 나머지 두 개는 환원된 형태로 남아있는데, 이들은 단백질의 안정성에 있어 매우 중요하다.
이 연구는 먼저 산발성 ALS(sALS)에서 이황화결합을 형성하는 시스테인(Cys57 및 Cys146)의 과산화에 의한 SOD1 필라멘트 형성의 분자 메커니즘을 탐구하는 것을 목표로 한다. 이 연구에서는 이황화결합 형성 시스테인 잔기들의 과산화를 모방하는 이중 돌연변이(C57D/C146D) SOD1의 결정 구조를 규명했다. 결정 구조는 변이된 Asp57이 포함된 loop 4의 열린 및 이완된 형태를 나타냈다. C57D/C146D 이중 돌연변이 SOD1는 야생형 SOD1 단백질보다 더 전염성이 강한 필라멘트를 생산하여, 야생형 SOD1 단백질의 필라멘트 형성을 촉진시켰다. 중요하게도, 이번 연구에서는 HOCl 처리가 야생형 SOD1 단백질의 필라멘트 형성을 촉진시키는 것을 추가로 발견했다. 이 연구는 ALS에서 야생형 SOD1로부터 SOD1 필라멘트 형성의 가능한 메커니즘을 제안하며, 과산화된 SOD1가 sALS의 중요 유발 요인이라는 것을 제시한다. 이러한 발견은 분자 수준에서 활성산소(ROS) 스트레스와 관련된 다른 퇴행성 신경 질환의 이해를 확장한다.
다음으로, 이 연구는 또한 환원 상태인 나머지 두 시스테인(Cys6 및 Cys111)이 SOD1 필라멘트 형성 시 미치는 영향을 형태학적 관점에서 조사하였다. C6A/C111A 이중 돌연변이 SOD1 단백질은 야생형 SOD1 보다 더 빠르게 필라멘트를 형성했다. 초저온 전자 현미경(cryo-EM) 연구는 야생형 SOD1에서 이전에 보고되지 않은 단일 가닥 필라멘트(SF) 구조를 밝혀냈다. 반면, C6A/C111A 돌연변이 SOD1은 야생형 SOD1보다 필라멘트 중심부를 이루는 서열이 더 짧은 새로운 이중 가닥 필라멘트(PF) 구조를 형성하였다. 교차 시딩(cross-seeding) 실험은 Cys6 또는 Cys111의 변이에 관계없이 SF 구조의 우위를 관찰하며, 필라멘트 전파 메커니즘을 제시했다. 또한, SOD1 필라멘트의 존재가 아밀로이드성 단백질 중 하나인 인슐린의 필라멘트 형성을 촉진함으로써, 더 다양한 단백질 응집 촉진에 영향을 줄 수 있음을 밝혔다. 이 발견들은 필라멘트 형성 및 전파 시 필라멘트 구조의 영향을 강조하며, 구조적 및 열역학적 관점에서의 통찰을 제공한다. 이러한 통찰은 독성 필라멘트의 형성 저해 방법을 탐구하는데 유용하게 이용될 것이다.
이전 연구에서는 에피갈로카테킨 갈레이트(EGCG)가 SOD1 필라멘트의 효과적인 억제제로 확인되었다. 마지막으로, 이 연구는 천연 화합물이 ALS 치료 전략으로서 SOD1 필라멘트 형성을 억제할 가능성을 탐구했다. 이 연구는 탄닌산의 수용성 성분이자 탄닌산 및 EGCG의 가수분해 생성물인 갈산이 EGCG와 유사하게 SOD1 필라멘트 형성을 방해한다는 것을 밝혀냈다. 또한, 갈산은 이미 형성된 SOD1 단백질 필라멘트를 해체할 수 있는 능력을 보여주었다. 이 연구는 탄닌산의 식이원인 레드 와인의 SOD1 필라멘트 형성 억제 잠재력을 드러내고, 유산균의 탄나아제로 처리한 탄닌산이 SOD1 필라멘트 형성 억제를 강화할 수 있다는 것을 보여주었다. 이 발견들은 등온 등온 적정 열량계(ITC) 및 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 사용하여 검증되었으며, 갈산이 SOD1 단백질의 수용성 및 필라멘트 형태 모두에 결합할 수 있음을 시사한다. 결론적으로, 이 연구는 갈산이 SOD1 필라멘트 형성을 억제하는 분자 메커니즘을 밝혀냈다. 이 연구는 레드 와인의 가수분해 산물인 갈산이, ALS와 같이 단백질 필라멘트로 인한 신경퇴행성 질환을 예방 및 완화하는 기능성 식품 성분으로 사용될 수 있음을 제안한다.Eukaryotic Cu, Zn-superoxide dismutase (SOD1) is primarily responsible for cytotoxic amyloid filament formation in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) neurons. The quartet of cysteine residues within SOD1, where two cysteines create an intramolecular disulfide bond at the active site and the other two remain in a reduced form, are crucial for the stability of protein. Chapter 1 introduces and reviews the overall background of ALS and SOD1.
Chapter 2 aims to explore the molecular mechanism of SOD1 filament formation by disulfide-forming cysteine (Cys57 and Cys146) overoxidation in sporadic ALS (sALS). In this study, I determined the crystal structure of the double mutant (C57D/C146D) SOD1 that mimics the overoxidation of the disulfide-forming cysteine residues. The structure revealed the open and relaxed conformation of loop IV containing the mutated Asp57. The double mutant SOD1 produced more contagious filaments than wild-type SOD1 protein, promoting filament formation of the wild-type SOD1 proteins. Importantly, I further found that HOCl treatment to the wild-type SOD1 proteins facilitated their filament formation. I propose a feasible mechanism for SOD1 filament formation in ALS from the wild-type SOD1, suggesting that overoxidized SOD1 is a triggering factor of sALS. These findings extend our understanding of other neurodegenerative disorders associated with ROS stresses at the molecular level.
Chapter 3 probes the influence of the other two reduced cysteines (Cys6 and Cys111) on the morphological evolution of SOD1 filaments. C6A/C111A mutant SOD1 proteins were observed to form filaments more rapidly than the wild-type SOD1. Cryo-EM studies uncovered a previously unreported single protofilament (SF) structure in wild-type SOD1. Conversely, the mutant SOD1 formed a unique paired filament (PF) structure, which was notably shorter in the core filament region than that of the wild-type SOD1. Cross-seeding experiments demonstrated the predominance of SF structure, irrespective of mutations at Cys6 or Cys111, showing its pivotal role in filament propagation. Furthermore, the presence of SOD1 filaments was shown to catalyze filament formation in amyloidogenic insulin protein, suggesting a broader impact on promoting protein aggregation. The findings highlight the critical roles in filament propagation, providing insights from structural and thermodynamic standpoints. These insights are instrumental in understanding how to thwart the formation of harmful filaments.
Earlier studies identified Epigallocatechin gallate (EGCG) as an effective inhibitor of SOD1 filaments. Chapter 4 explores the potential of natural compounds to inhibit SOD1 filament formation as an ALS treatment strategy. This study revealed that gallic acid, a soluble constituent of tannic acid and a hydrolysis product of EGCG, disrupts SOD1 filament formation, similar to EGCG. Furthermore, gallic acid demonstrated the ability to dismantle pre-existing SOD1 protein filaments. The study unveiled the inhibitory potential of red wine, a dietary source of tannic acid, and showed that tannic acid, when treated with tannase from lactobacilli, can enhance the inhibition against SOD1 filament formation. The findings were validated using isothermal titration calorimetry (ITC) and molecular dynamics (MD) simulations, suggesting that gallic acid can bind to both the soluble and filamentous forms of SOD1 protein. This interaction could elucidate the mechanism by which SOD1 filament formation is inhibited. In conclusion, the study unveils the molecular mechanism by which gallic acid inhibits the formation of SOD1 filaments. These results suggest that gallic acid, a hydrolysis product of red wine, may be employed as a functional food ingredient to mitigate neurodegenerative diseases caused by protein filaments, such as ALS.
This study provides the molecular insights into the SOD1 amyloid filament formation in ALS and presents methods for inhibiting the filaments using natural food compounds, which would be a valuable information for the prevention and management of ALS and neurodegenerative diseases.Abstract i
Table of Contents v
List of Figures xii
List of Tables xvii
Chapter 1. Background １
1.1. Neurodegenerative diseases and amyloid filaments １
1.1.1. Neurodegenerative diseases １
1.1.2. Amyloid filaments in neurodegenerative diseases ２
1.1.3. Structure of amyloid filaments ４
1.1.4. Formation and propagation of amyloid filaments ５
1.2. Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) ７
1.2.1. Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) ７
1.2.2. Familial ALS (fALS) ７
1.2.3. Sporadic ALS (sALS) ８
1.3. Cu/Zn superoxide dismutase (SOD1) in ALS １０
1.3.1. Genetic mutation of SOD1 in fALS １０
1.3.2. Wild-type SOD1 in sALS １１
1.3.3. Structure and folding of SOD1 １１
1.3.4. Structural transition of SOD1 into amyloid filament １２
1.3.5. Toxic role of SOD1 filaments in the ALS pathogenesis １３
1.4. Functional foods for the prevention of ALS １７
1.4.1. Therapeutic approaches for neurodegenerative diseases １７
1.4.2. Inhibitors of amyloid filament １８
1.4.3. Natural compounds as preventive agents against amyloid filament formation １８
1.5. Purpose of research ２０
1.6. References ２１
Chapter 2. Structural analysis of the overoxidized Cu/Zn-superoxide dismutase in ROS-induced ALS filament formation ２９
2.1. Introduction ３０
2.2. Materials and Methods ３５
2.2.1. Plasmid construction and expression ３５
2.2.2. Protein purification ３６
2.2.3. Crystallization of SOD1 ３７
2.2.4. Data collection and structural determination ３８
2.2.5. Analysis of the metal contents of the purified SOD1 proteins ４０
2.2.6. Superoxide dismutase activity assay ４０
2.2.7. Size exclusion chromatography coupled with multiangle light scattering (SEC-MALS) ４１
2.2.8. Tm measurement by thermal shift assay ４１
2.2.9. Protein proteolysis using trypsin ４２
2.2.10. Circular dichroism and protein secondary structure analysis ４２
2.2.11. Cell culture and transfection ４３
2.2.12. Dot blot analysis ４３
2.2.13. Immunofluorescence ４４
2.2.14. Filament formation of the SOD1 proteins ４５
2.2.15. Analysis of the SOD1 filament by transmission electron microscopy (TEM) ４６
2.2.16. Statistics and reproducibility ４６
2.3. Results ４８
2.3.1. Monomeric overoxidation-mimicking C57D/C146D mutant SOD1 ４８
2.3.2. Less structurally stable C57D/C146D mutant SOD1 protein with a lower activity ５４
2.3.3. Crystal structures of SOD1 account for the increased monomeric and flexible nature by cysteine-overoxidation. ６２
2.3.4. Overoxidation-mimicking mutation facilitates filament formation. ７５
2.3.5. Filament structures of the wild-type and overoxidation-mimicking mutant SOD1 ７９
2.3.6. Overoxidized SOD1 as an ALS triggering factor candidate ８３
2.3.7. Promotion of SOD1 filament formation by HOCl, but not by H2O2 ９１
2.4. Discussion ９３
2.5. References １００
Chapter 3. Cryo-EM structural analysis of SOD1 filaments: Implications for formation and seed-dependent propagation of the filaments １１０
3.1. Introduction １１１
3.2. Materials and Methods １１４
3.2.1. Plasmid construction and expression １１４
3.2.2. Protein purification １１５
3.2.3. Filament formation of the SOD1 and insulin proteins １１６
3.2.4. Post-filamentation SDS-PAGE analysis １１７
3.2.5. Negative-staining electron microscopy １１８
3.2.6. Cryo-EM data collection of SOD1 filaments １１８
3.2.7. Helical reconstruction １２０
3.2.8. Statistics and reproducibility １２２
3.3. Results １２４
3.3.1. Alanine mutation at Cys6 and Cys111 promotes the filament formation of SOD1 １２４
3.3.2. The modification at Cys6 or Cys111 delayed the filament formation of SOD1 protein. １２８
3.3.3. The cryo-EM structure of the wild-type SOD1 filament from the holo form of SOD1 protein １３０
3.3.4. Cryo-EM density map of the C6A/C111A mutant SOD1 filament １３７
3.3.5. Backbone modelling with the side chains of the C6A/C111A mutant SOD1 filament. １４３
3.3.6. Superior phenotype of the asymmetric filament forms in the cross-seeding with the wild-type and mutant SOD1 proteins. １４９
3.3.7. Cross-seeding of SOD1 filament seeds to insulin protein １５４
3.4. Discussion １５６
3.5. References １６２
Chapter 4. Gallic acid inhibits filament formation and promotes the disassembly of SOD1 １６６
4.1. Introduction １６７
4.2. Materials and Methods １６９
4.2.1. Plasmid construction of SOD1 １６９
4.2.2. Protein expression and purification of SOD1 １６９
4.2.3. Filament formation of the SOD1 proteins １７０
4.2.4. Transmission electron microscopy (TEM) １７１
4.2.5. Isothermal titration calorimetry (ITC) １７２
4.2.6. Cell culture and transfection １７２
4.2.7. Fluorescence imaging and analysis １７３
4.2.8. Molecular docking and molecular dynamics (MD) simulation １７３
4.2.9. Protein expression and purification of Lactiplantibacillus plantarum D2-3 tannase １７４
4.2.10. Tannic acid hydrolysis by tannase １７５
4.2.11. Statistics and reproducibility １７６
4.3. Results １７８
4.3.1. Screening of inhibitors for SOD1 filamentation in the natural compound library １７８
4.3.2. Gallic acid, tannic acid, and EGCG inhibit the filament formation of the wild-type or G93A mutant SOD1 protein １８６
4.3.3. Gallic acid-induced amorphous aggregation of SOD1 proteins, revealed by EM １９１
xi
4.3.4. Gallic acid and EGCG diminished inclusion formation in SOD1-overexpressing neuronal cells １９３
4.3.5. Gallic acid changes the forms of SOD1 from filaments to amorphous aggregates １９８
4.3.6. Gallic acid directly binds to SOD1 proteins like EGCG ２０１
4.3.7. Inhibitory effect of red wine on the formation of SOD1 filaments ２０３
4.3.8. Tannase from L. plantarum enhances the inhibitory effect on
SOD1 filament formation by hydrolyzing tannic acid into gallic acid ２０７
4.3.9. A proposed mechanism of gallic acid in inhibiting filament formation by MD simulation ２１３
4.4. Discussion ２２０
4.5. References ２２６
국문 초록 ２５０박
V2X 통신 시나리오에서의 향상된 차량 상태 추정 알고리즘
No full text학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2024. 2. 김성철.본 학위논문에서는 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM) 시스템과 밀리미터파 통신 시스템을 고려한 차량 상태 추정 알고리즘들을 개발한다. 차량-모든 것 (Vehicle-to-Everything; V2X) 통신 시스템 은 차량을 무선 네트워크에 연결하여 운전 경험과 자동차 안전을 향상시키기 위한 강력한 방안이다. 차량 연결성의 모든 이점을 활용하기 위해서는 로드 사이드 유닛(Roadside Unit; RSU)과 빠르게 움직이는 차량 간의 안정된 네트워크 연결을 보장하는 것이 중요하다. OFDM 통신 기반 레이더 시스템은 같은 주파수 자원을 사용하여 동시에 대상 탐지와 데이터 전송을 가능하게 함으로써 스펙트럼 효율성을 향상시키기를 기대하고 있습니다. 그러나 현재 무선 통신 시스템을 활용하여 차량 상태 정보를 추정하는 데 있어 여러 문제점이 있다.
첫번째로, 차량이 RSU로 향하는 방향과 RSU가 도로를 바라보는 방향이 수 직이기 때문에, RSU에서 차량의 속도를 추정할 때 측정 값은 왜곡된다. 왜곡된 속도를 보상하기 위해서 정확한 차량 위치가 필요하지만, 단일 RSU 시스템에서는 해당 정보를 획득할 수 없다. 또한, 낮은 신호 대 잡음비 (Signal-to-Noise Ratio; SNR)를 가지는 RSU는 타깃 감지 성능이 저하된다. 본 연구에서는, 낮은 SNR을 가지는 RSU를 배제하기 위해 2차원에 놓인 차량 측위에 필요한 RSU수를 기존 3개에서 2개로 줄이는 효율적인 알고리즘을 개발한다. 추가로, 차량이 접선 방향 근처에서 이동시 발생하는 상대속도 검출이 불가한 특이점 문제를 분산 배치된 RSU로 해결한다.
두번째로, OFDM 기반 레이더 시스템에서 거리 및 상대 속도 샘플 취득 시 이산화 오차가 발생한다. 이산화 오차가 내재된 샘플을 보정하지 않고 차량 추적 알고리즘에 직접적으로 사용시, 해당 오차로 인해 차량 상태 추정이 부정확해지며, 특히 낮은 해상도 시나리오에서 차량 상태 추정 성능 저하가 두드러진다. 본 연구에서는 이러한 차량 추적 알고리즘 적용 시 이산화 오차를 보정하는 측정보정 계수를 제안한다. 제안된 차량 추적 알고리즘에서의 측정보정 계수는 2차원 이미 지 프로필의 해당 직사각형 영역 내에서 통계적 특성을 활용하여 계산된다. 또한, 레이더 해상도 변화에 따라 차량 상태 정보의 추정 성능이 어떻게 변화하는지를 조사한다.
확장 칼만 필터를 기반으로 하여 안정적인 무선 연결을 가능하게 하는 차량 추 적 알고리즘을 개발한다. 차량 추적 알고리즘을 위해 고이동성 차량의 빠른 빔 방향 변화를 추정하고 피드백 부하를 줄이는 데 중점을 둔다. 또한, 도로 레이아웃 및 RSU를 고려한 빔포밍 코드북이 설계한다. 제안된 빔포밍 코드북을 활용함으로써 도로 위 차량은 기존의 셀룰라 서비스와 유사한 서비스 품질을 기대할 수 있다. 마 지막으로, 시스템의 링크에 충분한 이득을 보장하기 위한 빔포머 선택 알고리즘을 개발한다. 수치 결과들은 제안된 차량 상태 추정 알고리즘들이 V2I 시나리오에서 기존 차량 상태 추정 성능을 능가하는 것을 확인한다.In this dissertation, several vehicle state estimation algorithms are developed considering both an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system and millimeter wave communications system. OFDM communication-based radar systems are expected to improve spectral efficiency by enabling simultaneous target detection and data transmission using the same frequency resources. Vehicle-to-everything communication system is a strong candidate for improving the driving experience and automotive safety by linking vehicles to wireless networks. To take advantage of the full benefits of vehicle connectivity, it is essential to ensure a stable network connection between roadside unit (RSU) and fast-moving vehicles. However, there are several issues when estimating vehicle state information using the current wireless communications systems.
First, due to the transverse movement with respect to the direction from the target to RSU, the measured velocity is distorted as the Doppler shift depends on the angle formed between the vehicle position and RSU. To compensate for the distorted velocity, the exact vehicle position is required. However, this cannot be obtained in a system with a single RSU. Also, RSUs with low Signal-to-Noise Ratio (SNR) experience a degradation in target detection performance. In this study, to exclude RSUs with in a low SNR regime, an efficient algorithm is developed to reduce the required number of RSUs for two-dimensional (2D) positioning from the three to two. In addition, the singularity problem due to the absence of Doppler shift when the vehicle travels near the tangential direction can be addressed with spatially distributed RSUs.
Second, the sample acquisition process in OFDM-based radar systems in- herently introduces discretization errors in the acquired distance and relative velocity samples. Using the discrete samples directly for vehicle tracking algo- rithms is inefficient due to the substantial impact of discretization errors, which notably hinder the precise estimation of vehicle state information, particularly in lower-solution scenarios. In this dissertation, I propose a vehicle tracking algorithm with aim to correct the discretization errors that arise from the discretization process during the measurement update process. The proposed vehicle tracking algorithm adaptively calculates measurement correction factors, leveraging statistical characteristics within the corresponding rectangular region of the 2D image profile. Furthermore, it is analyzed that how radar resolution impacts the estimation performance of vehicle state information by examining the variations in measurement correction factors.
Based on the extended Kalman filter, a vehicle tracking algorithm to enable reliable radio connections is developed. For the vehicle tracking algorithm, I focus on estimating the rapid changes in the beam direction of a high-mobility vehicle while reducing the feedback overhead. Furthermore, a beamforming codebook that considers the road layout and RSU is designed. By leveraging the proposed beamforming codebook, vehicles on the road can expect a service quality similar to that of conventional cellular services. Finally, a beamformer selection algorithm is developed to secure sufficient gain for the systems link budget. Numerical results verify that the proposed estimation algorithm outperforms the existing schemes in V2I scenarios. Keywords: Vehicle tracking algorithm, V2I communication scenarios, extended Kalman filter, millimeter wave communications, OFDM-based radar system, distributed RSUs, discrete measurement Student Number: 2018-27212Abstract i
Chapter 1 Introduction 1
Chapter 2 Joint Vehicle State Estimation with Distributed RSUs for OFDM-based Radar System 8
2.1 Motivation 8
2.2 Principles of OFDM-based Radar 10
2.3 System Model 12
2.4 Cooperative Vehicle Mobility State Estimation 13
2.4.1 Problems in a System with Single RSU 13
2.4.2 Joint Estimation of Vehicles Position and Velocity with Cooperative RSU System 16
2.5 Performance Evaluations 18
2.6 Summary 21
Chapter 3 Enhanced Vehicle Tracking with Discretization Error Control for OFDM-based Radar System 23
3.1 Motivation 23
3.2 System Model 27
3.2.1 Signal Processing of OFDM-Based Radar System 28
3.2.2 EKF-based Vehicle Tracking Algorithm 31
3.3 Proposed Vehicle Tracking Algorithm with Discrete Measurements 32
3.3.1 State Prediction Process 33
3.3.2 Measurement Update Process 33
3.4 Performance Evaluations 44
3.5 Summary 51
Chapter 4 Adaptive Beam Design for V2I Communications Using Vehicle Tracking with Extended Kalman Filter 53
4.1 Motivation 53
4.2 System Model 56
4.3 Vehicle Tracking Algorithm 59
4.3.1 Linear state prediction 59
4.3.2 State tracking based on uplink sounding 60
4.3.3 Combining vector design for uplink channel sounding 64
4.3.4 Acceleration parameter estimation 65
4.4 Downlink Beamformer Design Algorithm 69
4.4.1 Beam-Region Division Algorithm 70
4.4.2 Codebook Design for Downlink Beamforming 75
4.4.3 Beamformer selection algorithm 78
4.5 Performance Evaluations 80
4.6 Summary 86
Chapter 5 Conculsion 87
초록 100박