Medical imaging analysis with artificial neural networks

Given that neural networks have been widely reported in the research community of medical imaging, we provide a focused literature survey on recent neural network developments in computer-aided diagnosis, medical image segmentation and edge detection towards visual content analysis, and medical image registration for its pre-processing and post-processing, with the aims of increasing awareness of how neural networks can be applied to these areas and to provide a foundation for further research and practical development. Representative techniques and algorithms are explained in detail to provide inspiring examples illustrating: (i) how a known neural network with fixed structure and training procedure could be applied to resolve a medical imaging problem; (ii) how medical images could be analysed, processed, and characterised by neural networks; and (iii) how neural networks could be expanded further to resolve problems relevant to medical imaging. In the concluding section, a highlight of comparisons among many neural network applications is included to provide a global view on computational intelligence with neural networks in medical imaging

Motion representation with spiking neural networks for grasping and manipulation

Die Natur bedient sich Millionen von Jahren der Evolution, um adaptive physikalische Systeme mit effizienten Steuerungsstrategien zu erzeugen. Im Gegensatz zur konventionellen Robotik plant der Mensch nicht einfach eine Bewegung und führt sie aus, sondern es gibt eine Kombination aus mehreren Regelkreisen, die zusammenarbeiten, um den Arm zu bewegen und ein Objekt mit der Hand zu greifen. Mit der Forschung an humanoiden und biologisch inspirierten Robotern werden komplexe kinematische Strukturen und komplizierte Aktor- und Sensorsysteme entwickelt. Diese Systeme sind schwierig zu steuern und zu programmieren, und die klassischen Methoden der Robotik können deren Stärken nicht immer optimal ausnutzen. Die neurowissenschaftliche Forschung hat große Fortschritte beim Verständnis der verschiedenen Gehirnregionen und ihrer entsprechenden Funktionen gemacht. Dennoch basieren die meisten Modelle auf groß angelegten Simulationen, die sich auf die Reproduktion der Konnektivität und der statistischen neuronalen Aktivität konzentrieren. Dies öffnet eine Lücke bei der Anwendung verschiedener Paradigmen, um Gehirnmechanismen und Lernprinzipien zu validieren und Funktionsmodelle zur Steuerung von Robotern zu entwickeln. Ein vielversprechendes Paradigma ist die ereignis-basierte Berechnung mit SNNs. SNNs fokussieren sich auf die biologischen Aspekte von Neuronen und replizieren deren Arbeitsweise. Sie sind für spike- basierte Kommunikation ausgelegt und ermöglichen die Erforschung von Mechanismen des Gehirns für das Lernen mittels neuronaler Plastizität. Spike-basierte Kommunikation nutzt hoch parallelisierten Hardware-Optimierungen mittels neuromorpher Chips, die einen geringen Energieverbrauch und schnelle lokale Operationen ermöglichen. In dieser Arbeit werden verschiedene SNNs zur Durchführung von Bewegungss- teuerung für Manipulations- und Greifaufgaben mit einem Roboterarm und einer anthropomorphen Hand vorgestellt. Diese basieren auf biologisch inspirierten funktionalen Modellen des menschlichen Gehirns. Ein Motor-Primitiv wird auf parametrische Weise mit einem Aktivierungsparameter und einer Abbildungsfunktion auf die Roboterkinematik übertragen. Die Topologie des SNNs spiegelt die kinematische Struktur des Roboters wider. Die Steuerung des Roboters erfolgt über das Joint Position Interface. Um komplexe Bewegungen und Verhaltensweisen modellieren zu können, werden die Primitive in verschiedenen Schichten einer Hierarchie angeordnet. Dies ermöglicht die Kombination und Parametrisierung der Primitiven und die Wiederverwendung von einfachen Primitiven für verschiedene Bewegungen. Es gibt verschiedene Aktivierungsmechanismen für den Parameter, der ein Motorprimitiv steuert — willkürliche, rhythmische und reflexartige. Außerdem bestehen verschiedene Möglichkeiten neue Motorprimitive entweder online oder offline zu lernen. Die Bewegung kann entweder als Funktion modelliert oder durch Imitation der menschlichen Ausführung gelernt werden. Die SNNs können in andere Steuerungssysteme integriert oder mit anderen SNNs kombiniert werden. Die Berechnung der inversen Kinematik oder die Validierung von Konfigurationen für die Planung ist nicht erforderlich, da der Motorprimitivraum nur durchführbare Bewegungen hat und keine ungültigen Konfigurationen enthält. Für die Evaluierung wurden folgende Szenarien betrachtet, das Zeigen auf verschiedene Ziele, das Verfolgen einer Trajektorie, das Ausführen von rhythmischen oder sich wiederholenden Bewegungen, das Ausführen von Reflexen und das Greifen von einfachen Objekten. Zusätzlich werden die Modelle des Arms und der Hand kombiniert und erweitert, um die mehrbeinige Fortbewegung als Anwendungsfall der Steuerungsarchitektur mit Motorprimitiven zu modellieren. Als Anwendungen für einen Arm (3 DoFs) wurden die Erzeugung von Zeigebewegungen und das perzeptionsgetriebene Erreichen von Zielen modelliert. Zur Erzeugung von Zeigebewegun- gen wurde ein Basisprimitiv, das auf den Mittelpunkt einer Ebene zeigt, offline mit vier Korrekturprimitiven kombiniert, die eine neue Trajektorie erzeugen. Für das wahrnehmungsgesteuerte Erreichen eines Ziels werden drei Primitive online kombiniert unter Verwendung eines Zielsignals. Als Anwendungen für eine Fünf-Finger-Hand (9 DoFs) wurden individuelle Finger-aktivierungen und Soft-Grasping mit nachgiebiger Steuerung modelliert. Die Greif- bewegungen werden mit Motor-Primitiven in einer Hierarchie modelliert, wobei die Finger-Primitive die Synergien zwischen den Gelenken und die Hand-Primitive die unterschiedlichen Affordanzen zur Koordination der Finger darstellen. Für jeden Finger werden zwei Reflexe hinzugefügt, zum Aktivieren oder Stoppen der Bewegung bei Kontakt und zum Aktivieren der nachgiebigen Steuerung. Dieser Ansatz bietet enorme Flexibilität, da Motorprimitive wiederverwendet, parametrisiert und auf unterschiedliche Weise kombiniert werden können. Neue Primitive können definiert oder gelernt werden. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist, dass im Gegensatz zu Deep Learning und End-to-End-Lernmethoden, keine umfangreichen Datensätze benötigt werden, um neue Bewegungen zu lernen. Durch die Verwendung von Motorprimitiven kann der gleiche Modellierungsansatz für verschiedene Roboter verwendet werden, indem die Abbildung der Primitive auf die Roboterkinematik neu definiert wird. Die Experimente zeigen, dass durch Motor- primitive die Motorsteuerung für die Manipulation, das Greifen und die Lokomotion vereinfacht werden kann. SNNs für Robotikanwendungen ist immer noch ein Diskussionspunkt. Es gibt keinen State-of-the-Art-Lernalgorithmus, es gibt kein Framework ähnlich dem für Deep Learning, und die Parametrisierung von SNNs ist eine Kunst. Nichtsdestotrotz können Robotikanwendungen - wie Manipulation und Greifen - Benchmarks und realistische Szenarien liefern, um neurowissenschaftliche Modelle zu validieren. Außerdem kann die Robotik die Möglichkeiten der ereignis- basierten Berechnung mit SNNs und neuromorpher Hardware nutzen. Die physikalis- che Nachbildung eines biologischen Systems, das vollständig mit SNNs implementiert und auf echten Robotern evaluiert wurde, kann neue Erkenntnisse darüber liefern, wie der Mensch die Motorsteuerung und Sensorverarbeitung durchführt und wie diese in der Robotik angewendet werden können. Modellfreie Bewegungssteuerungen, inspiriert von den Mechanismen des menschlichen Gehirns, können die Programmierung von Robotern verbessern, indem sie die Steuerung adaptiver und flexibler machen

Deep Representation Learning and Prediction for Forest Wildfires

An average of 8000 forest wildfires occurs each year in Canada burning an average of 2.5M ha/year as reported by the Government of Canada. Given the current rate of climate change, this number is expected to increase each year. Being able to predict how the fires spread would play a critical role in fire risk management. However, given the complexity of the natural processes that influence a fire system, most of the models used for simulating wildfires are computationally expensive and need a high variety of information about the environmental parameters to be able to give good performances. Deep learning algorithms allow computers to learn from experience and understand the world in terms of a hierarchy of concepts, with each concept defined in terms of its relation to simpler concepts. We propose a deep learning predictor that uses a Deep Convolutional Auto-Encoder to learn the key structures of a forest wildfire spread from images and a Long Short Term Memory to predict the next phase of the fire. We divided the predictor problem in three phases: find a dataset of wildfires, learning the essential structure of forest fire, and predict the next image. We first present the simulated wildfires dataset and the algorithm we applied on it to make it more suitable to the model. Then we present the Deep Forest Wildfire Auto-Encoder and its implementation using the Caffe framework. Particular attention is given to the design considerations and to the best practice used to implement the model. We also present the design of the Deep Forest Wildfire Predictor, and some possible future variations of it

Adaptive Cooperative Learning Methodology for Oil Spillage Pattern Clustering and Prediction

The serious environmental, economic and social consequences of oil spillages could devastate any nation of the world. Notable aftermath of this effect include loss of (or serious threat to) lives, huge financial losses, and colossal damage to the ecosystem. Hence, understanding the pattern and  making precise predictions in real time is required (as opposed to existing rough and discrete prediction) to give decision makers a more realistic picture of environment. This paper seeks to address this problem by exploiting oil spillage features with sets of collected data of oil spillage scenarios. The proposed system integrates three state-of-the-art tools: self organizing maps, (SOM), ensembles of deep neural network (k-DNN) and adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS). It begins with unsupervised learning using SOM, where four natural clusters were discovered and used in making the data suitable for classification and prediction (supervised learning) by ensembles of k-DNN and ANFIS. Results obtained showed the significant classification and prediction improvements, which is largely attributed to the hybrid learning approach, ensemble learning and cognitive reasoning capabilities. However, optimization of k-DNN structure and weights would be needed for speed enhancement. The system would provide a means of understanding the nature, type and severity of oil spillages thereby facilitating a rapid response to impending oils spillages. Keywords: SOM, ANFIS, Fuzzy Logic, Neural Network, Oil Spillage, Ensemble Learnin

Toward multi-label sentiment analysis: a transfer learning based approach

Sentiment analysis is recognized as one of the most important sub-areas in Natural Language Processing (NLP) research, where understanding implicit or explicit sentiments expressed in social media contents is valuable to customers, business owners, and other stakeholders. Researchers have recognized that the generic sentiments extracted from the textual contents are inadequate, thus, Aspect Based Sentiment Analysis (ABSA) was coined to capture aspect sentiments expressed toward specific review aspects. Existing ABSA methods not only treat the analytical problem as single-label classification that requires a fairly large amount of labelled data for model training purposes, but also underestimate the entity aspects that are independent of certain sentiments. In this study, we propose a transfer learning based approach tackling the aforementioned shortcomings of existing ABSA methods. Firstly, the proposed approach extends the ABSA methods with multi-label classification capabilities. Secondly, we propose an advanced sentiment analysis method, namely Aspect Enhanced Sentiment Analysis (AESA) to classify text into sentiment classes with consideration of the entity aspects. Thirdly, we extend two state-of-the-art transfer learning models as the analytical vehicles of multi-label ABSA and AESA tasks. We design an experiment that includes data from different domains to extensively evaluate the proposed approach. The empirical results undoubtedly exhibit that the proposed approach outperform all the baseline approaches