10,420 research outputs found
Deep Learning Techniques for Electroencephalography Analysis
In this thesis we design deep learning techniques for training deep neural networks on electroencephalography (EEG) data and in particular on two problems, namely EEG-based motor imagery decoding and EEG-based affect recognition, addressing challenges associated with them. Regarding the problem of motor imagery (MI) decoding, we first consider the various kinds of domain shifts in the EEG signals, caused by inter-individual differences (e.g. brain anatomy, personality and cognitive profile). These domain shifts render multi-subject training a challenging task and impede robust cross-subject generalization. We build a two-stage model ensemble architecture and propose two objectives to train it, combining the strengths of curriculum learning and collaborative training. Our subject-independent experiments on the large datasets of Physionet and OpenBMI, verify the effectiveness of our approach. Next, we explore the utilization of the spatial covariance of EEG signals through alignment techniques, with the goal of learning domain-invariant representations. We introduce a Riemannian framework that concurrently performs covariance-based signal alignment and data augmentation, while training a convolutional neural network (CNN) on EEG time-series. Experiments on the BCI IV-2a dataset show that our method performs superiorly over traditional alignment, by inducing regularization to the weights of the CNN. We also study the problem of EEG-based affect recognition, inspired by works suggesting that emotions can be expressed in relative terms, i.e. through ordinal comparisons between different affective state levels. We propose treating data samples in a pairwise manner to infer the ordinal relation between their corresponding affective state labels, as an auxiliary training objective. We incorporate our objective in a deep network architecture which we jointly train on the tasks of sample-wise classification and pairwise ordinal ranking. We evaluate our method on the affective datasets of DEAP and SEED and obtain performance improvements over deep networks trained without the additional ranking objective
Machine learning in solar physics
The application of machine learning in solar physics has the potential to
greatly enhance our understanding of the complex processes that take place in
the atmosphere of the Sun. By using techniques such as deep learning, we are
now in the position to analyze large amounts of data from solar observations
and identify patterns and trends that may not have been apparent using
traditional methods. This can help us improve our understanding of explosive
events like solar flares, which can have a strong effect on the Earth
environment. Predicting hazardous events on Earth becomes crucial for our
technological society. Machine learning can also improve our understanding of
the inner workings of the sun itself by allowing us to go deeper into the data
and to propose more complex models to explain them. Additionally, the use of
machine learning can help to automate the analysis of solar data, reducing the
need for manual labor and increasing the efficiency of research in this field.Comment: 100 pages, 13 figures, 286 references, accepted for publication as a
Living Review in Solar Physics (LRSP
FairAdaBN: Mitigating unfairness with adaptive batch normalization and its application to dermatological disease classification
Deep learning is becoming increasingly ubiquitous in medical research and
applications while involving sensitive information and even critical diagnosis
decisions. Researchers observe a significant performance disparity among
subgroups with different demographic attributes, which is called model
unfairness, and put lots of effort into carefully designing elegant
architectures to address unfairness, which poses heavy training burden, brings
poor generalization, and reveals the trade-off between model performance and
fairness. To tackle these issues, we propose FairAdaBN by making batch
normalization adaptive to sensitive attribute. This simple but effective design
can be adopted to several classification backbones that are originally unaware
of fairness. Additionally, we derive a novel loss function that restrains
statistical parity between subgroups on mini-batches, encouraging the model to
converge with considerable fairness. In order to evaluate the trade-off between
model performance and fairness, we propose a new metric, named
Fairness-Accuracy Trade-off Efficiency (FATE), to compute normalized fairness
improvement over accuracy drop. Experiments on two dermatological datasets show
that our proposed method outperforms other methods on fairness criteria and
FATE.Comment: Accepted by MICCAI 202
TeamSTEPPS and Organizational Culture
Patient safety issues remain despite several strategies developed for their deterrence. While many safety initiatives bring about improvement, they are repeatedly unsustainable and short-lived. The index hospital’s goal was to build an organizational culture within a groundwork that improves teamwork and continuing healthcare team engagement. Teamwork influences the efficiency of patient care, patient safety, and clinical outcomes, as it has been identified as an approach for enhancing collaboration, decreasing medical errors, and building a culture of safety in healthcare. The facility implemented Team Strategies and Tools to Enhance Performance and Patient Safety (TeamSTEPPS), an evidence-based framework which was used for team training to produce valuable and needed changes, facilitating modification of organizational culture, increasing patient safety compliance, or solving particular issues. This study aimed to identify the correlation between TeamSTEPPS enactment and improved organizational culture in the ambulatory care nursing department of a New York City public hospital
Recommended from our members
The impact of employees' working relations in creating and retaining trust: the case of the Bahrain Olympic Committee
Introduction: This thesis investigates the impact of employees’ working relations in creating, maintaining and retaining trust in the Bahrain Olympic Committee (BOC).
Aim: The main aim of this thesis is to determine how the three groups of Organisational Trust variables, namely Social System Elements (SSE), Factors of Trustworthiness (FoT) and Third-Party Gossip (TPG), affect employees’ Organisational Trust (OTR) in the BOC and promote Organisational Citizenship Behaviour (OCB). To answer this main aim, a conceptual framework was created that focused on exploring the following research aims: (1) the interrelationship between SSE and FoT, (2) the effect of SSE on OTR, (3) the impact of TPG on OTR and (4) the effect of OTR on overall OCB.
Methodology: The study uses a mixed-method case study research style that included in-depth semi-structured interviews with 17 managers, an online questionnaire survey with 320 employees of the BOC and an analysis of the BOC’s Annual Reports from 2015 to 2018.
Results: The qualitative and quantitative findings indicate, firstly, that there is a significant interrelationship between SSE and FoT, establishing that SSE’s perception of organisational justice (OJ), including that FoTs benevolence and integrity as the most important factors in yielding employees’ trust in the BOC. Secondly, it has been established that SSEs have significant direct and indirect effects on OTR. Thirdly, negative and positive TPG concurrently occurred in the BOC and the prevalence of negative TPG poses more impact on OTR. Finally, this study’s findings demonstrated OTR’s effect in generating OCB, including that Civic Virtue was rated as the most preferred of the five OCB themes; this indicates the managers’ and the employees’ strong emotional attachment and support of the activities taking place at the BOC.
Contributions: Overall, this thesis substantially contributes to OTR literature, particularly in the context of the Middle East. It also proposes several insightful recommendations for future research and practical implications for practitioners in the field of Organisational Trust
An exploration of the attitudes and beliefs of teacher trainers and teacher trainees concerning the use of the L1 in the EFL classroom
One important conflict within English language teaching methodology is concerning the use or exclusion of learners’ first languages (L1) when learning English. Perspectives on the topic range from those in favour of complete avoidance of the L1 in the EFL classroom, constantly striving for an exclusively L2 classroom to those who believe in the value and learning benefit of allowing and, to some extent, encouraging the use of all manner of languages available to the learner. This thesis conducted interviews and surveys in order to provide an in-depth exploration of the attitudes and beliefs of teacher trainers and teacher trainees in North Rhine Westphalia concerning the use of the L1, as well as other potential languages, in the English language classroom. Although the two groups of participants held many similar attitudes and beliefs concerning L1 use, some significant and interesting differences were found. Teacher trainees showed themselves to be more open concerning the use of the L1 than their more experienced counterparts. It remains, however, unclear what exactly the reason for these differences is. A further aspect which became apparent is how the pressures of language choice and of exclusive L2 instruction in the EFL classroom during observed and examination lessons is felt by teacher trainees. This is potentially adding to the overall burden of the teacher training period in NRW. The thesis concludes that an increase in evidence-based teacher education, concerning not only the aspect of L1 use in the EFL classroom but also many other aspects of language teaching could be prudent in the continued development of well-informed best-practice approaches. This thesis holds the standpoint that complete eradication of the L1 in the EFL classroom is counterproductive to successful language learning. Judicious use of the L1 and the development of a more plurilingusitic attitude to language learning, enabling learners to make use of any available linguistic resources, can offer both learners and teachers helpful scaffolding which can facilitate the successful learning of further languages
Introduction to Facial Micro Expressions Analysis Using Color and Depth Images: A Matlab Coding Approach (Second Edition, 2023)
The book attempts to introduce a gentle introduction to the field of Facial
Micro Expressions Recognition (FMER) using Color and Depth images, with the aid
of MATLAB programming environment. FMER is a subset of image processing and it
is a multidisciplinary topic to analysis. So, it requires familiarity with
other topics of Artifactual Intelligence (AI) such as machine learning, digital
image processing, psychology and more. So, it is a great opportunity to write a
book which covers all of these topics for beginner to professional readers in
the field of AI and even without having background of AI. Our goal is to
provide a standalone introduction in the field of MFER analysis in the form of
theorical descriptions for readers with no background in image processing with
reproducible Matlab practical examples. Also, we describe any basic definitions
for FMER analysis and MATLAB library which is used in the text, that helps
final reader to apply the experiments in the real-world applications. We
believe that this book is suitable for students, researchers, and professionals
alike, who need to develop practical skills, along with a basic understanding
of the field. We expect that, after reading this book, the reader feels
comfortable with different key stages such as color and depth image processing,
color and depth image representation, classification, machine learning, facial
micro-expressions recognition, feature extraction and dimensionality reduction.
The book attempts to introduce a gentle introduction to the field of Facial
Micro Expressions Recognition (FMER) using Color and Depth images, with the aid
of MATLAB programming environment.Comment: This is the second edition of the boo
Machine Learning Meets Mental Training -- A Proof of Concept Applied to Memory Sports
This work aims to combine these two fields together by presenting a practical
implementation of machine learning to the particular form of mental training
that is the art of memory, taken in its competitive version called "Memory
Sports". Such a fusion, on the one hand, strives to raise awareness about both
realms, while on the other it seeks to encourage research in this mixed field
as a way to, ultimately, drive forward the development of this seemingly
underestimated sport.Comment: 75 pages, 47 figures, 2 tables, 26 code excerpt
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
- …