5,538 research outputs found

    DATA AUGMENTATION FOR SYNTHETIC APERTURE RADAR USING ALPHA BLENDING AND DEEP LAYER TRAINING

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    Human-based object detection in synthetic aperture RADAR (SAR) imagery is complex and technical, laboriously slow but time critical—the perfect application for machine learning (ML). Training an ML network for object detection requires very large image datasets with imbedded objects that are accurately and precisely labeled. Unfortunately, no such SAR datasets exist. Therefore, this paper proposes a method to synthesize wide field of view (FOV) SAR images by combining two existing datasets: SAMPLE, which is composed of both real and synthetic single-object chips, and MSTAR Clutter, which is composed of real wide-FOV SAR images. Synthetic objects are extracted from SAMPLE using threshold-based segmentation before being alpha-blended onto patches from MSTAR Clutter. To validate the novel synthesis method, individual object chips are created and classified using a simple convolutional neural network (CNN); testing is performed against the measured SAMPLE subset. A novel technique is also developed to investigate training activity in deep layers. The proposed data augmentation technique produces a 17% increase in the accuracy of measured SAR image classification. This improvement shows that any residual artifacts from segmentation and blending do not negatively affect ML, which is promising for future use in wide-area SAR synthesis.Outstanding ThesisMajor, United States Air ForceApproved for public release. Distribution is unlimited

    Soundscape in Urban Forests

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    This Special Issue of Forests explores the role of soundscapes in urban forested areas. It is comprised of 11 papers involving soundscape studies conducted in urban forests from Asia and Africa. This collection contains six research fields: (1) the ecological patterns and processes of forest soundscapes; (2) the boundary effects and perceptual topology; (3) natural soundscapes and human health; (4) the experience of multi-sensory interactions; (5) environmental behavior and cognitive disposition; and (6) soundscape resource management in forests

    Seamless Multimodal Biometrics for Continuous Personalised Wellbeing Monitoring

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    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

    Synthetic Aperture Radar (SAR) Meets Deep Learning

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    This reprint focuses on the application of the combination of synthetic aperture radars and depth learning technology. It aims to further promote the development of SAR image intelligent interpretation technology. A synthetic aperture radar (SAR) is an important active microwave imaging sensor, whose all-day and all-weather working capacity give it an important place in the remote sensing community. Since the United States launched the first SAR satellite, SAR has received much attention in the remote sensing community, e.g., in geological exploration, topographic mapping, disaster forecast, and traffic monitoring. It is valuable and meaningful, therefore, to study SAR-based remote sensing applications. In recent years, deep learning represented by convolution neural networks has promoted significant progress in the computer vision community, e.g., in face recognition, the driverless field and Internet of things (IoT). Deep learning can enable computational models with multiple processing layers to learn data representations with multiple-level abstractions. This can greatly improve the performance of various applications. This reprint provides a platform for researchers to handle the above significant challenges and present their innovative and cutting-edge research results when applying deep learning to SAR in various manuscript types, e.g., articles, letters, reviews and technical reports

    The Active CryoCubeSat Technology: Active Thermal Control for Small Satellites

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    Modern CubeSats and Small Satellites have advanced in capability to tackle science and technology missions that would usually be reserved for more traditional, large satellites. However, this rapid growth in capability is only possible through the fast-to-production, low-cost, and advanced technology approach used by modern small satellite engineers. Advanced technologies in power generation, energy storage, and high-power density electronics have naturally led to a thermal bottleneck, where CubeSats and Small Satellites can generate more power than they can easily reject. The Active CryoCubeSat (ACCS) is an advanced active thermal control technology (ATC) for Small Satellites and CubeSats, which hopes to help solve this thermal problem. The ACCS technology is based on a two-stage design. An integrated miniature cryocooler forms the first stage, and a single-phase mechanically pumped fluid loop heat exchanger the second. The ACCS leverages advanced 3D manufacturing techniques to integrate the ATC directly into the satellite structure, which helps to improve the performance while simultaneously miniaturizing and simplifying the system. The ACCS system can easily be scaled to mission requirements and can control zonal temperature, bulk thermal rejection, and dynamic heat transfer within a satellite structure. The integrated cryocooler supports cryogenic science payloads such as advanced LWIR electro-optical detectors. The ACCS hopes to enable future advanced CubeSat and Small Satellite missions in earth science, heliophysics, and deep space operations. This dissertation will detail the design, development, and testing of the ACCS system technology

    A review of technical factors to consider when designing neural networks for semantic segmentation of Earth Observation imagery

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    Semantic segmentation (classification) of Earth Observation imagery is a crucial task in remote sensing. This paper presents a comprehensive review of technical factors to consider when designing neural networks for this purpose. The review focuses on Convolutional Neural Networks (CNNs), Recurrent Neural Networks (RNNs), Generative Adversarial Networks (GANs), and transformer models, discussing prominent design patterns for these ANN families and their implications for semantic segmentation. Common pre-processing techniques for ensuring optimal data preparation are also covered. These include methods for image normalization and chipping, as well as strategies for addressing data imbalance in training samples, and techniques for overcoming limited data, including augmentation techniques, transfer learning, and domain adaptation. By encompassing both the technical aspects of neural network design and the data-related considerations, this review provides researchers and practitioners with a comprehensive and up-to-date understanding of the factors involved in designing effective neural networks for semantic segmentation of Earth Observation imagery.Comment: 145 pages with 32 figure

    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

    Ciguatoxins

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    Ciguatoxins (CTXs), which are responsible for Ciguatera fish poisoning (CFP), are liposoluble toxins produced by microalgae of the genera Gambierdiscus and Fukuyoa. This book presents 18 scientific papers that offer new information and scientific evidence on: (i) CTX occurrence in aquatic environments, with an emphasis on edible aquatic organisms; (ii) analysis methods for the determination of CTXs; (iii) advances in research on CTX-producing organisms; (iv) environmental factors involved in the presence of CTXs; and (v) the assessment of public health risks related to the presence of CTXs, as well as risk management and mitigation strategies

    Neonatal ECMO: be ready!:Navigating pharmacotherapy and vulnerability through training and monitoring

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    Development and Validation of Mechatronic Systems for Image-Guided Needle Interventions and Point-of-Care Breast Cancer Screening with Ultrasound (2D and 3D) and Positron Emission Mammography

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    The successful intervention of breast cancer relies on effective early detection and definitive diagnosis. While conventional screening mammography has substantially reduced breast cancer-related mortalities, substantial challenges persist in women with dense breasts. Additionally, complex interrelated risk factors and healthcare disparities contribute to breast cancer-related inequities, which restrict accessibility, impose cost constraints, and reduce inclusivity to high-quality healthcare. These limitations predominantly stem from the inadequate sensitivity and clinical utility of currently available approaches in increased-risk populations, including those with dense breasts, underserved and vulnerable populations. This PhD dissertation aims to describe the development and validation of alternative, cost-effective, robust, and high-resolution systems for point-of-care (POC) breast cancer screening and image-guided needle interventions. Specifically, 2D and 3D ultrasound (US) and positron emission mammography (PEM) were employed to improve detection, independent of breast density, in conjunction with mechatronic and automated approaches for accurate image acquisition and precise interventional workflow. First, a mechatronic guidance system for US-guided biopsy under high-resolution PEM localization was developed to improve spatial sampling of early-stage breast cancers. Validation and phantom studies showed accurate needle positioning and 3D spatial sampling under simulated PEM localization. Subsequently, a whole-breast spatially-tracked 3DUS system for point-of-care screening was developed, optimized, and validated within a clinically-relevant workspace and healthy volunteer studies. To improve robust image acquisition and adaptability to diverse patient populations, an alternative, cost-effective, portable, and patient-dedicated 3D automated breast (AB) US system for point-of-care screening was developed. Validation showed accurate geometric reconstruction, feasible clinical workflow, and proof-of-concept utility across healthy volunteers and acquisition conditions. Lastly, an orthogonal acquisition and 3D complementary breast (CB) US generation approach were described and experimentally validated to improve spatial resolution uniformity by recovering poor out-of-plane resolution. These systems developed and described throughout this dissertation show promise as alternative, cost-effective, robust, and high-resolution approaches for improving early detection and definitive diagnosis. Consequently, these contributions may advance breast cancer-related equities and improve outcomes in increased-risk populations and limited-resource settings
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