IDENTIFICATION AND ANALYSIS OF STOCK MARKET DYNAMICS

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

A step towards Advancing Digital Phenotyping In Mental Healthcare

Smartphones and wrist-wearable devices have infiltrated our lives in recent years. According to published statistics, nearly 84% of the world’s population owns a smartphone, and almost 10% own a wearable device today (2022). These devices continuously generate various data sources from multiple sensors and apps, creating our digital phenotypes. This opens new research opportunities, particularly in mental health care, which has previously relied almost exclusively on self-reports of mental health symptoms. Unobtrusive monitoring using patients’ devices may result in clinically valuable markers that can improve diagnostic processes, tailor treatment choices, provide continuous insights into their condition for actionable outcomes, such as early signs of relapse, and develop new intervention models. However, these data sources must be translated into meaningful, actionable features related to mental health to achieve their full potential. In the mental health field, there is a great need and much to be gained from defining a way to continuously assess the evolution of patients’ mental states, ideally in their everyday environment, to support the monitoring and treatments by health care providers. A smartphone-based approach may be valuable in gathering long-term objective data, aside from the usually used self-ratings, to predict clinical state changes and investigate causal inferences about state changes in patients (e.g., those with affective disorders). Being objective does not imply that passive data collection is also perfect. It has several challenges: some sensors generate vast volumes of data, and others cause significant battery drain. Furthermore, the analysis of raw passive data is complicated, and collecting certain types of data may interfere with the phenotype of interest. Nonetheless, machine learning is predisposed to address these matters and advance psychiatry’s era of personalised medicine. This work aimed to advance the research efforts on mobile and wearable sensors for mental health monitoring. We applied supervised and unsupervised machine learning methods to model and understand mental disease evolution based on the digital phenotype of patients and clinician assessments at the follow-up visits, which provide ground truths. We needed to cope with regularly and irregularly sampled, high-dimensional, and heterogeneous time series data susceptible to distortion and missingness. Hence, the developed methods must be robust to these limitations and handle missing data properly. Throughout the various projects presented here, we used probabilistic latent variable models for data imputation and feature extraction, namely, mixture models (MM) and hidden Markov models (HMM). These unsupervised models can learn even in the presence of missing data by marginalising the missing values in the function of the present observations. Once the generative models are trained on the data set with missing values, they can be used to generate samples for imputation. First, the most probable component/state has to be found for each sample. Then, sampling from the most probable distribution yields valid and robust parameter estimates and explicit imputed values for variables that can be analysed as outcomes or predictors. The imputation process can be repeated several times, creating multiple datasets, thereby accounting for the uncertainty in the imputed values and implicitly augmenting the data. Moreover, they are robust to moderate deviations of the observed data from the assumed underlying distribution and provide accurate estimates even when missingness is high. Depending on the properties of the data at hand, we employed feature extraction methods combined with classical machine learning algorithms or deep learning-based techniques for temporal modelling to predict various mental health outcomes - emotional state, World Health Organisation Disability Assessment Schedule (WHODAS 2.0) functionality scores and Generalised Anxiety Disorder-7 (GAD-7) scores, of psychiatric outpatients. We mainly focused on one-size-fits-all models, as the labelled sample size per patient was limited; however, in the mood prediction case, it was possible to apply personalised models. Integrating machines and algorithms into the clinical workflow require interpretability to increase acceptance. Therefore, we also analysed feature importance by computing Shapley additive explanations (SHAP) values. SHAP values provide an overview of essential features in the machine learning models by designating the weight of predictability of each feature positively or negatively to the target variable. The provided solutions, as such, are proof of concept, which require further clinical validation to be deployable in the clinical workflow. Still, the results are promising and lay some foundations for future research and collaboration among clinicians, patients, and computer scientists. They set the paths to advance future research prospects in technology-based mental healthcare.En los últimos años, los smartphones y los dispositivos y pulseras inteligentes, comúnmente conocidos como wearables, se han infiltrado en nuestras vidas. Según las estadísticas publicadas a día de hoy (2022), cerca del 84% de la población tiene un smartphone y aproximadamente un 10% también posee un wearable. Estos dispositivos generan datos de forma continua en base a distintos sensores y aplicaciones, creando así nuestro fenotipo digital. Estos datos abren nuevas vías de investigación, particularmente en el área de salud mental, dónde las fuentes de datos han sido casi exclusivamente autoevaluaciones de síntomas de salud mental. Monitorizar de forma no intrusiva a los pacientes mediante sus dispositivos puede dar lugar a marcadores valiosos en aplicación clínica. Esto permite mejorar los procesos de diagnóstico, adaptar tratamientos, e incluso proporcionar información continua sobre el estado de los pacientes, como signos tempranos de recaída, y hasta desarrollar nuevos modelos de intervención. Aun así, estos datos en crudo han de ser traducidos a datos interpretables relacionados con la salud mental para conseguir un máximo rendimiento de los mismos. En salud mental existe una gran necesidad, y además hay mucho que ganar, de definir cómo evaluar de forma continuada la evolución del estado mental de los pacientes en su entorno cotidiano para ayudar en el tratamiento y seguimiento de los mismos por parte de los profesionales sanitarios. En este ámbito, un enfoque basado en datos recopilados desde sus smartphones puede ser valioso para recoger datos objetivos a largo plazo al mismo tiempo que se acompaña de las autoevaluaciones utilizadas habitualmente. La combinación de ambos tipos de datos puede ayudar a predecir los cambios en el estado clínico de estos pacientes e investigar las relaciones causales sobre estos cambios (por ejemplo, en aquellos que padecen trastornos afectivos). Aunque la recogida de datos de forma pasiva tiene la ventaja de ser objetiva, también implica varios retos. Por un lado, ciertos sensores generan grandes volúmenes de datos, provocando un importante consumo de batería. Además, el análisis de los datos pasivos en crudo es complicado, y la recogida de ciertos tipos de datos puede interferir con el fenotipo que se quiera analizar. No obstante, el machine learning o aprendizaje automático, está predispuesto a resolver estas cuestiones y aportar avances en la medicina personalizada aplicada a psiquiatría. Esta tesis tiene como objetivo avanzar en la investigación de los datos recogidos por sensores de smartphones y wearables para la monitorización en salud mental. Para ello, aplicamos métodos de aprendizaje automático supervisado y no supervisado para modelar y comprender la evolución de las enfermedades mentales basándonos en el fenotipo digital de los pacientes. Estos resultados se comparan con las evaluaciones de los médicos en las visitas de seguimiento, que proporcionan las etiquetas reales. Para aplicar estos métodos hemos lidiado con datos provenientes de series temporales con alta dimensionalidad, muestreados de forma regular e irregular, heterogéneos y, además, susceptibles a presentar patrones de datos perdidos y/o distorsionados. Por lo tanto, los métodos desarrollados deben ser resistentes a estas limitaciones y manejar adecuadamente los datos perdidos. A lo largo de los distintos proyectos presentados en este trabajo, hemos utilizado modelos probabilísticos de variables latentes para la imputación de datos y la extracción de características, como por ejemplo, Mixture Models (MM) y hidden Markov Models (HMM). Estos modelos no supervisados pueden aprender incluso en presencia de datos perdidos, marginalizando estos valores en función de las datos que sí han sido observados. Una vez entrenados los modelos generativos en el conjunto de datos con valores perdidos, pueden utilizarse para imputar dichos valores generando muestras. En primer lugar, hay que encontrar el componente/estado más probable para cada muestra. Luego, se muestrea de la distirbución más probable resultando en estimaciones de parámetros robustos y válidos. Además, genera imputaciones explícitas que pueden ser tratadas como resultados. Este proceso de imputación puede repetirse varias veces, creando múltiples conjuntos de datos, con lo que se tiene en cuenta la incertidumbre de los valores imputados y aumentándose así, implícitamente, los datos. Además, estas imputaciones son resistentes a desviaciones que puedan existir en los datos observados con respecto a la distribución subyacente asumida y proporcionan estimaciones precisas incluso cuando la falta de datos es elevada. Dependiendo de las propiedades de los datos en cuestión, hemos usado métodos de extracción de características combinados con algoritmos clásicos de aprendizaje automático o técnicas basadas en deep learning o aprendizaje profundo para el modelado temporal. La finalidad de ambas opciones es ser capaces de predecir varios resultados de salud mental/estado emocional, como la puntuación sobre el World Health Organisation Disability Assessment Schedule (WHODAS 2.0), o las puntuaciones del generalised anxiety disorder-7 (GAD-7) de pacientes psiquiátricos ambulatorios. Nos centramos principalmente en modelos generalizados, es decir, no personalizados para cada paciente sino explicativos para la mayoría, ya que el tamaño de muestras etiquetada por paciente es limitado; sin embargo, en el caso de la predicción del estado de ánimo, puidmos aplicar modelos personalizados. Para que la integración de las máquinas y algoritmos dentro del flujo de trabajo clínico sea aceptada, se requiere que los resultados sean interpretables. Por lo tanto, en este trabajo también analizamos la importancia de las características sacadas por cada algoritmo en base a los valores de las explicaciones aditivas de Shapley (SHAP). Estos valores proporcionan una visión general de las características esenciales en los modelos de aprendizaje automático designando el peso, positivo o negativo, de cada característica en su predictibilidad sobre la variable objetivo. Las soluciones aportadas en esta tesis, como tales, son pruebas de concepto, que requieren una mayor validación clínica para poder ser desplegadas en el flujo de trabajo clínico. Aun así, los resultados son prometedores y sientan base para futuras investigaciones y colaboraciones entre clínicos, pacientes y científicos de datos. Éstas establecen las guías para avanzar en las perspectivas de investigación futuras en la atención sanitaria mental basada en la tecnología.Programa de Doctorado en Multimedia y Comunicaciones por la Universidad Carlos III de Madrid y la Universidad Rey Juan CarlosPresidente: David Ramírez García.- Secretario: Alfredo Nazábal Rentería.- Vocal: María Luisa Barrigón Estéve

Proceedings of the Second Airborne Imaging Spectrometer Data Analysis Workshop

Topics addressed include: calibration, the atmosphere, data problems and techniques, geological research, and botanical and geobotanical research

The 1982 NASA/ASEE Summer Faculty Fellowship Program

A NASA/ASEE Summer Faculty Fellowship Research Program was conducted to further the professional knowledge of qualified engineering and science faculty members, to stimulate an exchange of ideas between participants and NASA, to enrich and refresh the research and teaching activities of participants' institutions, and to contribute to the research objectives of the NASA Centers

Workshop on Magmatic Processes of Early Planetary Crusts: Magma Oceans and Stratiform Layered Intrusions

The significance of the lunar highland pristine cumulate samples were reevaluated with the aid of the additional insights provided by geologically constrained terrestrial investigations. This exercise involved a review of the state of knowledge about terrestrial and lunar cumulate rocks as well as an enumeration and reevaluation of the processes hypothesized to have been responsible for their formation, both classically and at present

Microplastic in the Environment: Pattern and Process

This open access book examines global plastic pollution, an issue that has become a critical societal challenge with implications for environmental and public health. This volume provides a comprehensive, holistic analysis on the plastic cycle and its subsequent effects on biota, food security, and human exposure. Importantly, global environmental change and its associated, systems-level processes, including atmospheric deposition, ecosystem complexity, UV exposure, wind patterns, water stratification, ocean circulation, etc., are all important direct and indirect factors governing the fate, transport and biotic and abiotic processing of plastic particles across ecosystem types. Furthermore, the distribution of plastic in the ocean is not independent of terrestrial ecosystem dynamics, since much of the plastic in marine ecosystems originates from land and should therefore be evaluated in the context of the larger plastic cycle. Changes in species size, distribution, habitat, and food web complexity, due to global environmental change, will likely alter trophic transfer dynamics and the ecological effects of nano- and microplastics. The fate and transport dynamics of plastic particles are influenced by their size, form, shape, polymer type, additives, and overall ecosystem conditions. In addition to the risks that plastics pose to the total environment, the potential impacts on human health and exposure routes, including seafood consumption, and air and drinking water need to be assessed in a comprehensive and quantitative manner. Here I present a holistic and interdisciplinary book volume designed to advance the understanding of plastic cycling in the environment with an emphasis on sources, fate and transport, ecotoxicology, climate change effects, food security, microbiology, sustainability, human exposure and public policy

Protected Area Management

Until recently, values and benefits from protected areas have often been underestimated as well as taken for granted. Protected Area Management - Recent Advances demonstrates that there are deep necessities in how the wider scientific, environmental, socioeconomic, and cultural values that these natural ecosystems provide should increasingly be recognized. The book highlights various approaches for managing and conserving protected areas to respond to some pressing global challenges such as climate change, demand for food and energy, overexploitation, and habitat change. It addresses these issues in five main sections that cover biodiversity and genetic resources; protected marine areas; community, ecotourism, and protected areas; and protected area conservation and monitoring