Multi-Level Canonical Correlation Analysis for Standard-Dose PET Image Estimation

Positron emission tomography (PET) images are widely used in many clinical applications such as tumor detection and brain disorder diagnosis. To obtain PET images of diagnostic quality, a sufficient amount of radioactive tracer has to be injected into a living body, which will inevitably increase the risk of radiation exposure. On the other hand, if the tracer dose is considerably reduced, the quality of the resulting images would be significantly degraded. It is of great interest to estimate a standard-dose PET (S-PET) image from a low-dose one in order to reduce the risk of radiation exposure and preserve image quality. This may be achieved through mapping both standard-dose and low-dose PET data into a common space and then performing patch based sparse representation. However, a one-size-fits-all common space built from all training patches is unlikely to be optimal for each target S-PET patch, which limits the estimation accuracy. In this paper, we propose a data-driven multi-level Canonical Correlation Analysis (mCCA) scheme to solve this problem. Specifically, a subset of training data that is most useful in estimating a target S-PET patch is identified in each level, and then used in the next level to update common space and improve estimation. Additionally, we also use multi-modal magnetic resonance images to help improve the estimation with complementary information. Validations on phantom and real human brain datasets show that our method effectively estimates S-PET images and well preserves critical clinical quantification measures, such as standard uptake value

Advances in Spectral Learning with Applications to Text Analysis and Brain Imaging

Spectral learning algorithms are becoming increasingly popular in data-rich domains, driven in part by recent advances in large scale randomized SVD, and in spectral estimation of Hidden Markov Models. Extensions of these methods lead to statistical estimation algorithms which are not only fast, scalable, and useful on real data sets, but are also provably correct. Following this line of research, we make two contributions. First, we propose a set of spectral algorithms for text analysis and natural language processing. In particular, we propose fast and scalable spectral algorithms for learning word embeddings -- low dimensional real vectors (called Eigenwords) that capture the “meaning” of words from their context. Second, we show how similar spectral methods can be applied to analyzing brain images. State-of-the-art approaches to learning word embeddings are slow to train or lack theoretical grounding; We propose three spectral algorithms that overcome these limitations. All three algorithms harness the multi-view nature of text data i.e. the left and right context of each word, and share three characteristics: 1). They are fast to train and are scalable. 2). They have strong theoretical properties. 3). They can induce context-specific embeddings i.e. different embedding for “river bank” or “Bank of America”. \end{enumerate} They also have lower sample complexity and hence higher statistical power for rare words. We provide theory which establishes relationships between these algorithms and optimality criteria for the estimates they provide. We also perform thorough qualitative and quantitative evaluation of Eigenwords and demonstrate their superior performance over state-of-the-art approaches. Next, we turn to the task of using spectral learning methods for brain imaging data. Methods like Sparse Principal Component Analysis (SPCA), Non-negative Matrix Factorization (NMF) and Independent Component Analysis (ICA) have been used to obtain state-of-the-art accuracies in a variety of problems in machine learning. However, their usage in brain imaging, though increasing, is limited by the fact that they are used as out-of-the-box techniques and are seldom tailored to the domain specific constraints and knowledge pertaining to medical imaging, which leads to difficulties in interpretation of results. In order to address the above shortcomings, we propose Eigenanatomy (EANAT), a general framework for sparse matrix factorization. Its goal is to statistically learn the boundaries of and connections between brain regions by weighing both the data and prior neuroanatomical knowledge. Although EANAT incorporates some neuroanatomical prior knowledge in the form of connectedness and smoothness constraints, it can still be difficult for clinicians to interpret the results in specific domains where network-specific hypotheses exist. We thus extend EANAT and present a novel framework for prior-constrained sparse decomposition of matrices derived from brain imaging data, called Prior Based Eigenanatomy (p-Eigen). We formulate our solution in terms of a prior-constrained l1 penalized (sparse) principal component analysis. Experimental evaluation confirms that p-Eigen extracts biologically-relevant, patient-specific functional parcels and that it significantly aids classification of Mild Cognitive Impairment when compared to state-of-the-art competing approaches

Development of a practical and mobile brain-computer communication device for profoundly paralyzed individuals

Thesis (Ph.D.)--Boston UniversityBrain-computer interface (BCI) technology has seen tremendous growth over the past several decades, with numerous groundbreaking research studies demonstrating technical viability (Sellers et al., 2010; Silvoni et al., 2011). Despite this progress, BCIs have remained primarily in controlled laboratory settings. This dissertation proffers a blueprint for translating research-grade BCI systems into real-world applications that are noninvasive and fully portable, and that employ intelligent user interfaces for communication. The proposed architecture is designed to be used by severely motor-impaired individuals, such as those with locked-in syndrome, while reducing the effort and cognitive load needed to communicate. Such a system requires the merging of two primary research fields: 1) electroencephalography (EEG)-based BCIs and 2) intelligent user interface design. The EEG-based BCI portion of this dissertation provides a history of the field, details of our software and hardware implementation, and results from an experimental study aimed at verifying the utility of a BCI based on the steady-state visual evoked potential (SSVEP), a robust brain response to visual stimulation at controlled frequencies. The visual stimulation, feature extraction, and classification algorithms for the BCI were specially designed to achieve successful real-time performance on a laptop computer. Also, the BCI was developed in Python, an open-source programming language that combines programming ease with effective handling of hardware and software requirements. The result of this work was The Unlock Project app software for BCI development. Using it, a four-choice SSVEP BCI setup was implemented and tested with five severely motor-impaired and fourteen control participants. The system showed a wide range of usability across participants, with classification rates ranging from 25-95%. The second portion of the dissertation discusses the viability of intelligent user interface design as a method for obtaining a more user-focused vocal output communication aid tailored to motor-impaired individuals. A proposed blueprint of this communication "app" was developed in this dissertation. It would make use of readily available laptop sensors to perform facial recognition, speech-to-text decoding, and geo-location. The ultimate goal is to couple sensor information with natural language processing to construct an intelligent user interface that shapes communication in a practical SSVEP-based BCI

Inferring brain-wide interactions using data-constrained recurrent neural network models

Behavior arises from the coordinated activity of numerous anatomically and functionally distinct brain regions. Modern experimental tools allow unprecedented access to large neural populations spanning many interacting regions brain-wide. Yet, understanding such large-scale datasets necessitates both scalable computational models to extract meaningful features of inter-region communication and principled theories to interpret those features. Here, we introduce Current-Based Decomposition (CURBD), an approach for inferring brain-wide interactions using data-constrained recurrent neural network models that directly reproduce experimentally-obtained neural data. CURBD leverages the functional interactions inferred by such models to reveal directional currents between multiple brain regions. We first show that CURBD accurately isolates inter-region currents in simulated networks with known dynamics. We then apply CURBD to multi-region neural recordings obtained from mice during running, macaques during Pavlovian conditioning, and humans during memory retrieval to demonstrate the widespread applicability of CURBD to untangle brain-wide interactions underlying behavior from a variety of neural datasets

Data-Driven Representation Learning in Multimodal Feature Fusion

abstract: Modern machine learning systems leverage data and features from multiple modalities to gain more predictive power. In most scenarios, the modalities are vastly different and the acquired data are heterogeneous in nature. Consequently, building highly effective fusion algorithms is at the core to achieve improved model robustness and inferencing performance. This dissertation focuses on the representation learning approaches as the fusion strategy. Specifically, the objective is to learn the shared latent representation which jointly exploit the structural information encoded in all modalities, such that a straightforward learning model can be adopted to obtain the prediction. We first consider sensor fusion, a typical multimodal fusion problem critical to building a pervasive computing platform. A systematic fusion technique is described to support both multiple sensors and descriptors for activity recognition. Targeted to learn the optimal combination of kernels, Multiple Kernel Learning (MKL) algorithms have been successfully applied to numerous fusion problems in computer vision etc. Utilizing the MKL formulation, next we describe an auto-context algorithm for learning image context via the fusion with low-level descriptors. Furthermore, a principled fusion algorithm using deep learning to optimize kernel machines is developed. By bridging deep architectures with kernel optimization, this approach leverages the benefits of both paradigms and is applied to a wide variety of fusion problems. In many real-world applications, the modalities exhibit highly specific data structures, such as time sequences and graphs, and consequently, special design of the learning architecture is needed. In order to improve the temporal modeling for multivariate sequences, we developed two architectures centered around attention models. A novel clinical time series analysis model is proposed for several critical problems in healthcare. Another model coupled with triplet ranking loss as metric learning framework is described to better solve speaker diarization. Compared to state-of-the-art recurrent networks, these attention-based multivariate analysis tools achieve improved performance while having a lower computational complexity. Finally, in order to perform community detection on multilayer graphs, a fusion algorithm is described to derive node embedding from word embedding techniques and also exploit the complementary relational information contained in each layer of the graph.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Objectivation of Visual Perception

Der Sehsinn ermöglicht eine detailgenaue Wahrnehmung der Welt. Virtual Reality (VR), Brain-Computer Interfaces (BCI) und Deep Learning sind neue Technologien, die uns hierbei neue Möglichkeiten für die Erforschung der visuellen Wahrnehmung geben. In dieser Dissertation wird ein System für die Augenheilkunde vorgestellt, das Augenkrankheiten in VR simulieren kann und durch Hinzufügen von BCI und KI eine objektive Diagnostik von Gesichtsfeldausfällen ermöglicht. Für ein besseres Verständnis der Arbeit wird das menschliche Sehen mit Modellen der Computer Vision verglichen und basierend hierauf ein allgemeines vierstufiges Seh-Modell eingeführt. Innerhalb des Modells werden Schnittstellen zwischen der biologisch-realen und der technologisch-virtuellen Welt evaluiert. Besteht heutzutage bei einem Patienten der Verdacht auf einen Gesichtsfeldausfall (Skotom), so werden ophthalmologische Geräte wie das Perimeter zur Ausmessung des Gesichtsfeldes eingesetzt. Das dem Stand der Technik entsprechende Verfahren liegt dem subjektiven Feedback des Patienten zugrunde. Entsprechend können Lerneffekte beim Patienten das Ergebnis nicht unwesentlich beeinflussen. Um diese Problematiken zu umgehen, wurde in dieser Dissertation ein objektives Perimetriesystem auf Basis von VR, BCI und Deep Learning erfolgreich implementiert und evaluiert. Ein weiterer Vorteil des neuen Systems ist die Möglichkeit zur Einsetzung bei Menschen mit Schwerbehinderung, Kindern und Tieren. Der Lösungsansatz dieser Dissertation ist die Simulation (pathologischer/eingeschränkter) Sehzustände. Hierfür wurde der Zustand von Glaukompatienten mit Hilfe von VR-Technologien virtuell abgebildet. Die resultierende VR-Anwendung bildet individuelle Glaukomverläufe immersiv in VR ab. Evaluiert wurde die Simulationsumgebung mit medizinischem Fachpersonal und Glaukompatienten an der Augenklinik des Universitätsklinikums Heidelberg (\textit{N}=22). Hierbei wurde gezeigt, dass VR eine geeignete Maßnahme zur Simulation von Sehbedingungen ist und zum Verständnis des Patientenzustandes einen Beitrag leisten kann. Ausgehend von dieser Simulationsumgebung wurden weitere Software- und Hardwaremodule hinzugefügt. Erzeugte stationäre visuelle Stimuli wurden hierbei eingesetzt, um (simulierte) Sehfehler durch ein Elektroenzephalographie (EEG)-basiertes BCI zu erkennen. Das System wurde in einer internationalen Laborstudie (\textit{N}=15) in Zusammenarbeit mit dem Massachusetts Institute of Technology getestet und validiert. Die gesammelten Daten deuten darauf hin, dass das System für die Klassifizierung des zentralen (88\% Genauigkeit pro 2,5 Sekunden EEG-Daten) und peripheren Gesichtsfeldes (63-81\% Genauigkeit) geeignet ist, während es für periphere Positionen aufgrund der Technologiesensitivität zu Einschränkungen (50-57\% Genauigkeit) kommt. Entsprechend sollte das System für Skotome eingesetzt werden, sofern der Sehausfall das zentrale Sehen oder ganze Quadranten des Gesichtsfelds betrifft. Aufgrund der Notwendigkeit für einen besseren ambulanten EEG-Messaufbau werden modulare, plattformübergreifende Softwareimplementierungen und neuartige, zum Patent angemeldete, EEG-Elektroden vorgestellt. Die neuartigen Elektroden bieten ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis als herkömmliche Trockenelektroden (\SI{1,35}{dB} Verbesserung), sind schnell anzulegen, wiederverwendbar und hinterlassen kaum bis keine unerwünschten Rückstände im Haar des Patienten. Diese Dissertation legt den Grundstein für ein VR, BCI und KI-basiertes Perimetrie-Messsystem, welches insbesondere im ambulanten Setting oder bei Patienten mit Einschränkungen zum Einsatz kommen könnte

An Objectivation of Visual Perception using Virtual Reality, Brain-Computer Interfaces and Deep Learning

Der Sehsinn ermöglicht eine detailgenaue Wahrnehmung der Welt. Virtual Reality (VR), Brain-Computer Interfaces (BCI) und Deep Learning sind neue Technologien, die uns hierbei neue Möglichkeiten für die Erforschung der visuellen Wahrnehmung geben. In dieser Dissertation wird ein System für die Augenheilkunde vorgestellt, das Augenkrankheiten in VR simulieren kann und durch Hinzufügen von BCI und KI eine objektive Diagnostik von Gesichtsfeldausfällen ermöglicht. Für ein besseres Verständnis der Arbeit wird das menschliche Sehen mit Modellen der Computer Vision verglichen und basierend hierauf ein allgemeines vierstufiges Seh-Modell eingeführt. Innerhalb des Modells werden Schnittstellen zwischen der biologisch-realen und der technologisch-virtuellen Welt evaluiert. Besteht heutzutage bei einem Patienten der Verdacht auf einen Gesichtsfeldausfall (Skotom), so werden ophthalmologische Geräte wie das Perimeter zur Ausmessung des Gesichtsfeldes eingesetzt. Das dem Stand der Technik entsprechende Verfahren liegt dem subjektiven Feedback des Patienten zugrunde. Entsprechend können Lerneffekte beim Patienten das Ergebnis nicht unwesentlich beeinflussen. Um diese Problematiken zu umgehen, wurde in dieser Dissertation ein objektives Perimetriesystem auf Basis von VR, BCI und Deep Learning erfolgreich implementiert und evaluiert. Ein weiterer Vorteil des neuen Systems ist die Möglichkeit zur Einsetzung bei Menschen mit Schwerbehinderung, Kindern und Tieren. Der Lösungsansatz dieser Dissertation ist die Simulation (pathologischer/eingeschränkter) Sehzustände. Hierfür wurde der Zustand von Glaukompatienten mit Hilfe von VR-Technologien virtuell abgebildet. Die resultierende VR-Anwendung bildet individuelle Glaukomverläufe immersiv in VR ab. Evaluiert wurde die Simulationsumgebung mit medizinischem Fachpersonal und Glaukompatienten an der Augenklinik des Universitätsklinikums Heidelberg (\textit{N}=22). Hierbei wurde gezeigt, dass VR eine geeignete Maßnahme zur Simulation von Sehbedingungen ist und zum Verständnis des Patientenzustandes einen Beitrag leisten kann. Ausgehend von dieser Simulationsumgebung wurden weitere Software- und Hardwaremodule hinzugefügt. Erzeugte stationäre visuelle Stimuli wurden hierbei eingesetzt, um (simulierte) Sehfehler durch ein Elektroenzephalographie (EEG)-basiertes BCI zu erkennen. Das System wurde in einer internationalen Laborstudie (\textit{N}=15) in Zusammenarbeit mit dem Massachusetts Institute of Technology getestet und validiert. Die gesammelten Daten deuten darauf hin, dass das System für die Klassifizierung des zentralen (88\% Genauigkeit pro 2,5 Sekunden EEG-Daten) und peripheren Gesichtsfeldes (63-81\% Genauigkeit) geeignet ist, während es für periphere Positionen aufgrund der Technologiesensitivität zu Einschränkungen (50-57\% Genauigkeit) kommt. Entsprechend sollte das System für Skotome eingesetzt werden, sofern der Sehausfall das zentrale Sehen oder ganze Quadranten des Gesichtsfelds betrifft. Aufgrund der Notwendigkeit für einen besseren ambulanten EEG-Messaufbau werden modulare, plattformübergreifende Softwareimplementierungen und neuartige, zum Patent angemeldete, EEG-Elektroden vorgestellt. Die neuartigen Elektroden bieten ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis als herkömmliche Trockenelektroden (\SI{1,35}{dB} Verbesserung), sind schnell anzulegen, wiederverwendbar und hinterlassen kaum bis keine unerwünschten Rückstände im Haar des Patienten. Diese Dissertation legt den Grundstein für ein VR, BCI und KI-basiertes Perimetrie-Messsystem, welches insbesondere im ambulanten Setting oder bei Patienten mit Einschränkungen zum Einsatz kommen könnte

An Objectivation of Visual Perception using Virtual Reality, Brain-Computer Interfaces and Deep Learning

Der Sehsinn ermöglicht eine detailgenaue Wahrnehmung der Welt. Virtual Reality (VR), Brain-Computer Interfaces (BCI) und Deep Learning sind neue Technologien, die uns hierbei neue Möglichkeiten für die Erforschung der visuellen Wahrnehmung geben. In dieser Dissertation wird ein System für die Augenheilkunde vorgestellt, das Augenkrankheiten in VR simulieren kann und durch Hinzufügen von BCI und KI eine objektive Diagnostik von Gesichtsfeldausfällen ermöglicht. Für ein besseres Verständnis der Arbeit wird das menschliche Sehen mit Modellen der Computer Vision verglichen und basierend hierauf ein allgemeines vierstufiges Seh-Modell eingeführt. Innerhalb des Modells werden Schnittstellen zwischen der biologisch-realen und der technologisch-virtuellen Welt evaluiert. Besteht heutzutage bei einem Patienten der Verdacht auf einen Gesichtsfeldausfall (Skotom), so werden ophthalmologische Geräte wie das Perimeter zur Ausmessung des Gesichtsfeldes eingesetzt. Das dem Stand der Technik entsprechende Verfahren liegt dem subjektiven Feedback des Patienten zugrunde. Entsprechend können Lerneffekte beim Patienten das Ergebnis nicht unwesentlich beeinflussen. Um diese Problematiken zu umgehen, wurde in dieser Dissertation ein objektives Perimetriesystem auf Basis von VR, BCI und Deep Learning erfolgreich implementiert und evaluiert. Ein weiterer Vorteil des neuen Systems ist die Möglichkeit zur Einsetzung bei Menschen mit Schwerbehinderung, Kindern und Tieren. Der Lösungsansatz dieser Dissertation ist die Simulation (pathologischer/eingeschränkter) Sehzustände. Hierfür wurde der Zustand von Glaukompatienten mit Hilfe von VR-Technologien virtuell abgebildet. Die resultierende VR-Anwendung bildet individuelle Glaukomverläufe immersiv in VR ab. Evaluiert wurde die Simulationsumgebung mit medizinischem Fachpersonal und Glaukompatienten an der Augenklinik des Universitätsklinikums Heidelberg (\textit{N}=22). Hierbei wurde gezeigt, dass VR eine geeignete Maßnahme zur Simulation von Sehbedingungen ist und zum Verständnis des Patientenzustandes einen Beitrag leisten kann. Ausgehend von dieser Simulationsumgebung wurden weitere Software- und Hardwaremodule hinzugefügt. Erzeugte stationäre visuelle Stimuli wurden hierbei eingesetzt, um (simulierte) Sehfehler durch ein Elektroenzephalographie (EEG)-basiertes BCI zu erkennen. Das System wurde in einer internationalen Laborstudie (\textit{N}=15) in Zusammenarbeit mit dem Massachusetts Institute of Technology getestet und validiert. Die gesammelten Daten deuten darauf hin, dass das System für die Klassifizierung des zentralen (88\% Genauigkeit pro 2,5 Sekunden EEG-Daten) und peripheren Gesichtsfeldes (63-81\% Genauigkeit) geeignet ist, während es für periphere Positionen aufgrund der Technologiesensitivität zu Einschränkungen (50-57\% Genauigkeit) kommt. Entsprechend sollte das System für Skotome eingesetzt werden, sofern der Sehausfall das zentrale Sehen oder ganze Quadranten des Gesichtsfelds betrifft. Aufgrund der Notwendigkeit für einen besseren ambulanten EEG-Messaufbau werden modulare, plattformübergreifende Softwareimplementierungen und neuartige, zum Patent angemeldete, EEG-Elektroden vorgestellt. Die neuartigen Elektroden bieten ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis als herkömmliche Trockenelektroden (\SI{1,35}{dB} Verbesserung), sind schnell anzulegen, wiederverwendbar und hinterlassen kaum bis keine unerwünschten Rückstände im Haar des Patienten. Diese Dissertation legt den Grundstein für ein VR, BCI und KI-basiertes Perimetrie-Messsystem, welches insbesondere im ambulanten Setting oder bei Patienten mit Einschränkungen zum Einsatz kommen könnte