8,618 research outputs found

    Machine learning in solar physics

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    The application of machine learning in solar physics has the potential to greatly enhance our understanding of the complex processes that take place in the atmosphere of the Sun. By using techniques such as deep learning, we are now in the position to analyze large amounts of data from solar observations and identify patterns and trends that may not have been apparent using traditional methods. This can help us improve our understanding of explosive events like solar flares, which can have a strong effect on the Earth environment. Predicting hazardous events on Earth becomes crucial for our technological society. Machine learning can also improve our understanding of the inner workings of the sun itself by allowing us to go deeper into the data and to propose more complex models to explain them. Additionally, the use of machine learning can help to automate the analysis of solar data, reducing the need for manual labor and increasing the efficiency of research in this field.Comment: 100 pages, 13 figures, 286 references, accepted for publication as a Living Review in Solar Physics (LRSP

    Evaluation Methodologies in Software Protection Research

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    Man-at-the-end (MATE) attackers have full control over the system on which the attacked software runs, and try to break the confidentiality or integrity of assets embedded in the software. Both companies and malware authors want to prevent such attacks. This has driven an arms race between attackers and defenders, resulting in a plethora of different protection and analysis methods. However, it remains difficult to measure the strength of protections because MATE attackers can reach their goals in many different ways and a universally accepted evaluation methodology does not exist. This survey systematically reviews the evaluation methodologies of papers on obfuscation, a major class of protections against MATE attacks. For 572 papers, we collected 113 aspects of their evaluation methodologies, ranging from sample set types and sizes, over sample treatment, to performed measurements. We provide detailed insights into how the academic state of the art evaluates both the protections and analyses thereon. In summary, there is a clear need for better evaluation methodologies. We identify nine challenges for software protection evaluations, which represent threats to the validity, reproducibility, and interpretation of research results in the context of MATE attacks

    Machine Learning Approaches for the Prioritisation of Cardiovascular Disease Genes Following Genome- wide Association Study

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    Genome-wide association studies (GWAS) have revealed thousands of genetic loci, establishing itself as a valuable method for unravelling the complex biology of many diseases. As GWAS has grown in size and improved in study design to detect effects, identifying real causal signals, disentangling from other highly correlated markers associated by linkage disequilibrium (LD) remains challenging. This has severely limited GWAS findings and brought the method’s value into question. Although thousands of disease susceptibility loci have been reported, causal variants and genes at these loci remain elusive. Post-GWAS analysis aims to dissect the heterogeneity of variant and gene signals. In recent years, machine learning (ML) models have been developed for post-GWAS prioritisation. ML models have ranged from using logistic regression to more complex ensemble models such as random forests and gradient boosting, as well as deep learning models (i.e., neural networks). When combined with functional validation, these methods have shown important translational insights, providing a strong evidence-based approach to direct post-GWAS research. However, ML approaches are in their infancy across biological applications, and as they continue to evolve an evaluation of their robustness for GWAS prioritisation is needed. Here, I investigate the landscape of ML across: selected models, input features, bias risk, and output model performance, with a focus on building a prioritisation framework that is applied to blood pressure GWAS results and tested on re-application to blood lipid traits

    Beam scanning by liquid-crystal biasing in a modified SIW structure

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    A fixed-frequency beam-scanning 1D antenna based on Liquid Crystals (LCs) is designed for application in 2D scanning with lateral alignment. The 2D array environment imposes full decoupling of adjacent 1D antennas, which often conflicts with the LC requirement of DC biasing: the proposed design accommodates both. The LC medium is placed inside a Substrate Integrated Waveguide (SIW) modified to work as a Groove Gap Waveguide, with radiating slots etched on the upper broad wall, that radiates as a Leaky-Wave Antenna (LWA). This allows effective application of the DC bias voltage needed for tuning the LCs. At the same time, the RF field remains laterally confined, enabling the possibility to lay several antennas in parallel and achieve 2D beam scanning. The design is validated by simulation employing the actual properties of a commercial LC medium

    Deep Multimodality Image-Guided System for Assisting Neurosurgery

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    Intrakranielle Hirntumoren gehören zu den zehn häufigsten bösartigen Krebsarten und sind für eine erhebliche Morbidität und Mortalität verantwortlich. Die größte histologische Kategorie der primären Hirntumoren sind die Gliome, die ein äußerst heterogenes Erschei-nungsbild aufweisen und radiologisch schwer von anderen Hirnläsionen zu unterscheiden sind. Die Neurochirurgie ist meist die Standardbehandlung für neu diagnostizierte Gliom-Patienten und kann von einer Strahlentherapie und einer adjuvanten Temozolomid-Chemotherapie gefolgt werden. Die Hirntumorchirurgie steht jedoch vor großen Herausforderungen, wenn es darum geht, eine maximale Tumorentfernung zu erreichen und gleichzeitig postoperative neurologische Defizite zu vermeiden. Zwei dieser neurochirurgischen Herausforderungen werden im Folgenden vorgestellt. Erstens ist die manuelle Abgrenzung des Glioms einschließlich seiner Unterregionen aufgrund seines infiltrativen Charakters und des Vorhandenseins einer heterogenen Kontrastverstärkung schwierig. Zweitens verformt das Gehirn seine Form ̶ die so genannte "Hirnverschiebung" ̶ als Reaktion auf chirurgische Manipulationen, Schwellungen durch osmotische Medikamente und Anästhesie, was den Nutzen präopera-tiver Bilddaten für die Steuerung des Eingriffs einschränkt. Bildgesteuerte Systeme bieten Ärzten einen unschätzbaren Einblick in anatomische oder pathologische Ziele auf der Grundlage moderner Bildgebungsmodalitäten wie Magnetreso-nanztomographie (MRT) und Ultraschall (US). Bei den bildgesteuerten Instrumenten handelt es sich hauptsächlich um computergestützte Systeme, die mit Hilfe von Computer-Vision-Methoden die Durchführung perioperativer chirurgischer Eingriffe erleichtern. Die Chirurgen müssen jedoch immer noch den Operationsplan aus präoperativen Bildern gedanklich mit Echtzeitinformationen zusammenführen, während sie die chirurgischen Instrumente im Körper manipulieren und die Zielerreichung überwachen. Daher war die Notwendigkeit einer Bildführung während neurochirurgischer Eingriffe schon immer ein wichtiges Anliegen der Ärzte. Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines neuartigen Systems für die peri-operative bildgeführte Neurochirurgie (IGN), nämlich DeepIGN, mit dem die erwarteten Ergebnisse der Hirntumorchirurgie erzielt werden können, wodurch die Gesamtüberle-bensrate maximiert und die postoperative neurologische Morbidität minimiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit werden zunächst neuartige Methoden für die Kernbestandteile des DeepIGN-Systems der Hirntumor-Segmentierung im MRT und der multimodalen präope-rativen MRT zur intraoperativen US-Bildregistrierung (iUS) unter Verwendung der jüngs-ten Entwicklungen im Deep Learning vorgeschlagen. Anschließend wird die Ergebnisvor-hersage der verwendeten Deep-Learning-Netze weiter interpretiert und untersucht, indem für den Menschen verständliche, erklärbare Karten erstellt werden. Schließlich wurden Open-Source-Pakete entwickelt und in weithin anerkannte Software integriert, die für die Integration von Informationen aus Tracking-Systemen, die Bildvisualisierung und -fusion sowie die Anzeige von Echtzeit-Updates der Instrumente in Bezug auf den Patientenbe-reich zuständig ist. Die Komponenten von DeepIGN wurden im Labor validiert und in einem simulierten Operationssaal evaluiert. Für das Segmentierungsmodul erreichte DeepSeg, ein generisches entkoppeltes Deep-Learning-Framework für die automatische Abgrenzung von Gliomen in der MRT des Gehirns, eine Genauigkeit von 0,84 in Bezug auf den Würfelkoeffizienten für das Bruttotumorvolumen. Leistungsverbesserungen wurden bei der Anwendung fort-schrittlicher Deep-Learning-Ansätze wie 3D-Faltungen über alle Schichten, regionenbasier-tes Training, fliegende Datenerweiterungstechniken und Ensemble-Methoden beobachtet. Um Hirnverschiebungen zu kompensieren, wird ein automatisierter, schneller und genauer deformierbarer Ansatz, iRegNet, für die Registrierung präoperativer MRT zu iUS-Volumen als Teil des multimodalen Registrierungsmoduls vorgeschlagen. Es wurden umfangreiche Experimente mit zwei Multi-Location-Datenbanken durchgeführt: BITE und RESECT. Zwei erfahrene Neurochirurgen führten eine zusätzliche qualitative Validierung dieser Studie durch, indem sie MRT-iUS-Paare vor und nach der deformierbaren Registrierung überlagerten. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene iRegNet schnell ist und die besten Genauigkeiten erreicht. Darüber hinaus kann das vorgeschlagene iRegNet selbst bei nicht trainierten Bildern konkurrenzfähige Ergebnisse liefern, was seine Allgemeingültigkeit unter Beweis stellt und daher für die intraoperative neurochirurgische Führung von Nutzen sein kann. Für das Modul "Erklärbarkeit" wird das NeuroXAI-Framework vorgeschlagen, um das Vertrauen medizinischer Experten in die Anwendung von KI-Techniken und tiefen neuro-nalen Netzen zu erhöhen. Die NeuroXAI umfasst sieben Erklärungsmethoden, die Visuali-sierungskarten bereitstellen, um tiefe Lernmodelle transparent zu machen. Die experimen-tellen Ergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene XAI-Rahmen eine gute Leistung bei der Extraktion lokaler und globaler Kontexte sowie bei der Erstellung erklärbarer Salienzkar-ten erzielt, um die Vorhersage des tiefen Netzwerks zu verstehen. Darüber hinaus werden Visualisierungskarten erstellt, um den Informationsfluss in den internen Schichten des Encoder-Decoder-Netzwerks zu erkennen und den Beitrag der MRI-Modalitäten zur end-gültigen Vorhersage zu verstehen. Der Erklärungsprozess könnte medizinischen Fachleu-ten zusätzliche Informationen über die Ergebnisse der Tumorsegmentierung liefern und somit helfen zu verstehen, wie das Deep-Learning-Modell MRT-Daten erfolgreich verar-beiten kann. Außerdem wurde ein interaktives neurochirurgisches Display für die Eingriffsführung entwickelt, das die verfügbare kommerzielle Hardware wie iUS-Navigationsgeräte und Instrumentenverfolgungssysteme unterstützt. Das klinische Umfeld und die technischen Anforderungen des integrierten multimodalen DeepIGN-Systems wurden mit der Fähigkeit zur Integration von (1) präoperativen MRT-Daten und zugehörigen 3D-Volumenrekonstruktionen, (2) Echtzeit-iUS-Daten und (3) positioneller Instrumentenver-folgung geschaffen. Die Genauigkeit dieses Systems wurde anhand eines benutzerdefi-nierten Agar-Phantom-Modells getestet, und sein Einsatz in einem vorklinischen Operati-onssaal wurde simuliert. Die Ergebnisse der klinischen Simulation bestätigten, dass die Montage des Systems einfach ist, in einer klinisch akzeptablen Zeit von 15 Minuten durchgeführt werden kann und mit einer klinisch akzeptablen Genauigkeit erfolgt. In dieser Arbeit wurde ein multimodales IGN-System entwickelt, das die jüngsten Fort-schritte im Bereich des Deep Learning nutzt, um Neurochirurgen präzise zu führen und prä- und intraoperative Patientenbilddaten sowie interventionelle Geräte in das chirurgi-sche Verfahren einzubeziehen. DeepIGN wurde als Open-Source-Forschungssoftware entwickelt, um die Forschung auf diesem Gebiet zu beschleunigen, die gemeinsame Nut-zung durch mehrere Forschungsgruppen zu erleichtern und eine kontinuierliche Weiter-entwicklung durch die Gemeinschaft zu ermöglichen. Die experimentellen Ergebnisse sind sehr vielversprechend für die Anwendung von Deep-Learning-Modellen zur Unterstützung interventioneller Verfahren - ein entscheidender Schritt zur Verbesserung der chirurgi-schen Behandlung von Hirntumoren und der entsprechenden langfristigen postoperativen Ergebnisse

    Economic and Social Consequences of the COVID-19 Pandemic in Energy Sector

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    The purpose of the Special Issue was to collect the results of research and experience on the consequences of the COVID-19 pandemic for the energy sector and the energy market, broadly understood, that were visible after a year. In particular, the impact of COVID-19 on the energy sector in the EU, including Poland, and the US was examined. The topics concerned various issues, e.g., the situation of energy companies, including those listed on the stock exchange, mining companies, and those dealing with renewable energy. The topics related to the development of electromobility, managerial competences, energy expenditure of local government units, sustainable development of energy, and energy poverty during a pandemic were also discussed

    Measuring the Severity of Depression from Text using Graph Representation Learning

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    The common practice of psychology in measuring the severity of a patient's depressive symptoms is based on an interactive conversation between a clinician and the patient. In this dissertation, we focus on predicting a score representing the severity of depression from such a text. We first present a generic graph neural network (GNN) to automatically rate severity using patient transcripts. We also test a few sequence-based deep models in the same task. We then propose a novel form for node attributes within a GNN-based model that captures node-specific embedding for every word in the vocabulary. This provides a global representation of each node, coupled with node-level updates according to associations between words in a transcript. Furthermore, we evaluate the performance of our GNN-based model on a Twitter sentiment dataset to classify three different sentiments and on Alzheimer's data to differentiate Alzheimer’s disease from healthy individuals respectively. In addition to applying the GNN model to learn a prediction model from the text, we provide post-hoc explanations of the model's decisions for all three tasks using the model's gradients

    Modeling and Simulation in Engineering

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    The Special Issue Modeling and Simulation in Engineering, belonging to the section Engineering Mathematics of the Journal Mathematics, publishes original research papers dealing with advanced simulation and modeling techniques. The present book, “Modeling and Simulation in Engineering I, 2022”, contains 14 papers accepted after peer review by recognized specialists in the field. The papers address different topics occurring in engineering, such as ferrofluid transport in magnetic fields, non-fractal signal analysis, fractional derivatives, applications of swarm algorithms and evolutionary algorithms (genetic algorithms), inverse methods for inverse problems, numerical analysis of heat and mass transfer, numerical solutions for fractional differential equations, Kriging modelling, theory of the modelling methodology, and artificial neural networks for fault diagnosis in electric circuits. It is hoped that the papers selected for this issue will attract a significant audience in the scientific community and will further stimulate research involving modelling and simulation in mathematical physics and in engineering

    Oxysterols as drivers of inflammatory diseases

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    Evaluating footwear “in the wild”: Examining wrap and lace trail shoe closures during trail running

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    Trail running participation has grown over the last two decades. As a result, there have been an increasing number of studies examining the sport. Despite these increases, there is a lack of understanding regarding the effects of footwear on trail running biomechanics in ecologically valid conditions. The purpose of our study was to evaluate how a Wrap vs. Lace closure (on the same shoe) impacts running biomechanics on a trail. Thirty subjects ran a trail loop in each shoe while wearing a global positioning system (GPS) watch, heart rate monitor, inertial measurement units (IMUs), and plantar pressure insoles. The Wrap closure reduced peak foot eversion velocity (measured via IMU), which has been associated with fit. The Wrap closure also increased heel contact area, which is also associated with fit. This increase may be associated with the subjective preference for the Wrap. Lastly, runners had a small but significant increase in running speed in the Wrap shoe with no differences in heart rate nor subjective exertion. In total, the Wrap closure fit better than the Lace closure on a variety of terrain. This study demonstrates the feasibility of detecting meaningful biomechanical differences between footwear features in the wild using statistical tools and study design. Evaluating footwear in ecologically valid environments often creates additional variance in the data. This variance should not be treated as noise; instead, it is critical to capture this additional variance and challenges of ecologically valid terrain if we hope to use biomechanics to impact the development of new products
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