704 research outputs found
Unveiling the frontiers of deep learning: innovations shaping diverse domains
Deep learning (DL) enables the development of computer models that are
capable of learning, visualizing, optimizing, refining, and predicting data. In
recent years, DL has been applied in a range of fields, including audio-visual
data processing, agriculture, transportation prediction, natural language,
biomedicine, disaster management, bioinformatics, drug design, genomics, face
recognition, and ecology. To explore the current state of deep learning, it is
necessary to investigate the latest developments and applications of deep
learning in these disciplines. However, the literature is lacking in exploring
the applications of deep learning in all potential sectors. This paper thus
extensively investigates the potential applications of deep learning across all
major fields of study as well as the associated benefits and challenges. As
evidenced in the literature, DL exhibits accuracy in prediction and analysis,
makes it a powerful computational tool, and has the ability to articulate
itself and optimize, making it effective in processing data with no prior
training. Given its independence from training data, deep learning necessitates
massive amounts of data for effective analysis and processing, much like data
volume. To handle the challenge of compiling huge amounts of medical,
scientific, healthcare, and environmental data for use in deep learning, gated
architectures like LSTMs and GRUs can be utilized. For multimodal learning,
shared neurons in the neural network for all activities and specialized neurons
for particular tasks are necessary.Comment: 64 pages, 3 figures, 3 table
Analytical validation of innovative magneto-inertial outcomes: a controlled environment study.
peer reviewe
Beam scanning by liquid-crystal biasing in a modified SIW structure
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
Seamless Multimodal Biometrics for Continuous Personalised Wellbeing Monitoring
Artificially intelligent perception is increasingly present in the lives of
every one of us. Vehicles are no exception, (...) In the near future, pattern
recognition will have an even stronger role in vehicles, as self-driving cars
will require automated ways to understand what is happening around (and within)
them and act accordingly. (...) This doctoral work focused on advancing
in-vehicle sensing through the research of novel computer vision and pattern
recognition methodologies for both biometrics and wellbeing monitoring. The
main focus has been on electrocardiogram (ECG) biometrics, a trait well-known
for its potential for seamless driver monitoring. Major efforts were devoted to
achieving improved performance in identification and identity verification in
off-the-person scenarios, well-known for increased noise and variability. Here,
end-to-end deep learning ECG biometric solutions were proposed and important
topics were addressed such as cross-database and long-term performance,
waveform relevance through explainability, and interlead conversion. Face
biometrics, a natural complement to the ECG in seamless unconstrained
scenarios, was also studied in this work. The open challenges of masked face
recognition and interpretability in biometrics were tackled in an effort to
evolve towards algorithms that are more transparent, trustworthy, and robust to
significant occlusions. Within the topic of wellbeing monitoring, improved
solutions to multimodal emotion recognition in groups of people and
activity/violence recognition in in-vehicle scenarios were proposed. At last,
we also proposed a novel way to learn template security within end-to-end
models, dismissing additional separate encryption processes, and a
self-supervised learning approach tailored to sequential data, in order to
ensure data security and optimal performance. (...)Comment: Doctoral thesis presented and approved on the 21st of December 2022
to the University of Port
Artificial Intelligence for Cognitive Health Assessment: State-of-the-Art, Open Challenges and Future Directions
The subjectivity and inaccuracy of in-clinic Cognitive Health Assessments (CHA) have led many researchers to explore ways to automate the process to make it more objective and to facilitate the needs of the healthcare industry. Artificial Intelligence (AI) and machine learning (ML) have emerged as the most promising approaches to automate the CHA process. In this paper, we explore the background of CHA and delve into the extensive research recently undertaken in this domain to provide a comprehensive survey of the state-of-the-art. In particular, a careful selection of significant works published in the literature is reviewed to elaborate a range of enabling technologies and AI/ML techniques used for CHA, including conventional supervised and unsupervised machine learning, deep learning, reinforcement learning, natural language processing, and image processing techniques. Furthermore, we provide an overview of various means of data acquisition and the benchmark datasets. Finally, we discuss open issues and challenges in using AI and ML for CHA along with some possible solutions. In summary, this paper presents CHA tools, lists various data acquisition methods for CHA, provides technological advancements, presents the usage of AI for CHA, and open issues, challenges in the CHA domain. We hope this first-of-its-kind survey paper will significantly contribute to identifying research gaps in the complex and rapidly evolving interdisciplinary mental health field
Visual place recognition for improved open and uncertain navigation
Visual place recognition localises a query place image by comparing it against a reference database of known place images, a fundamental element of robotic navigation.
Recent work focuses on using deep learning to learn image descriptors for this task
that are invariant to appearance changes from dynamic lighting, weather and seasonal
conditions. However, these descriptors: require greater computational resources than
are available on robotic hardware, have few SLAM frameworks designed to utilise
them, return a relative comparison between image descriptors which is difficult to interpret, cannot be used for appearance invariance in other navigation tasks such as
scene classification and are unable to identify query images from an open environment that have no true match in the reference database. This thesis addresses these
challenges with three contributions. The first is a lightweight visual place recognition
descriptor combined with a probabilistic filter to address a subset of the visual SLAM
problem in real-time. The second contribution combines visual place recognition and
scene classification for appearance invariant scene classification, which is extended
to recognise unknown scene classes when navigating an open environment. The final contribution uses comparisons between query and reference image descriptors to
classify whether they result in a true, or false positive localisation and whether a true
match for the query image exists in the reference database.Edinburgh Centre for Robotics and Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) fundin
Deep Multimodality Image-Guided System for Assisting Neurosurgery
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
Deep Learning for Head Pose Estimation: A Survey
Head pose estimation (HPE) is an active and popular area of research. Over the years, many approaches have constantly been developed, leading to a progressive improvement in accuracy; nevertheless, head pose estimation remains an open research topic, especially in unconstrained environments. In this paper, we will review the increasing amount of available datasets and the modern methodologies used to estimate orientation, with a special attention to deep learning techniques. We will discuss the evolution of the feld by proposing a classifcation of head pose estimation methods, explaining their advantages and disadvantages, and highlighting the diferent ways deep learning techniques have been used in the context of HPE. An
in-depth performance comparison and discussion is presented at the end of the work. We also highlight the most promising research directions for future investigations on the topic
- …