Temporal Segmentation of Surgical Sub-tasks through Deep Learning with Multiple Data Sources

Many tasks in robot-assisted surgeries (RAS) can be represented by finite-state machines (FSMs), where each state represents either an action (such as picking up a needle) or an observation (such as bleeding). A crucial step towards the automation of such surgical tasks is the temporal perception of the current surgical scene, which requires a real-time estimation of the states in the FSMs. The objective of this work is to estimate the current state of the surgical task based on the actions performed or events occurred as the task progresses. We propose Fusion-KVE, a unified surgical state estimation model that incorporates multiple data sources including the Kinematics, Vision, and system Events. Additionally, we examine the strengths and weaknesses of different state estimation models in segmenting states with different representative features or levels of granularity. We evaluate our model on the JHU-ISI Gesture and Skill Assessment Working Set (JIGSAWS), as well as a more complex dataset involving robotic intra-operative ultrasound (RIOUS) imaging, created using the da Vinci® Xi surgical system. Our model achieves a superior frame-wise state estimation accuracy up to 89.4%, which improves the state-of-the-art surgical state estimation models in both JIGSAWS suturing dataset and our RIOUS dataset

Semantic Segmentation of Ambiguous Images

Medizinische Bilder können schwer zu interpretieren sein. Nicht nur weil das Erkennen von Strukturen und möglichen Veränderungen Erfahrung und jahrelanges Training bedarf, sondern auch weil die dargestellten Messungen oft im Kern mehrdeutig sind. Fundamental ist dies eine Konsequenz dessen, dass medizinische Bild-Modalitäten, wie bespielsweise MRT oder CT, nur indirekte Messungen der zu Grunde liegenden molekularen Identitäten bereithalten. Die semantische Bedeutung eines Bildes kann deshalb im Allgemeinen nur gegeben einem größeren Bild-Kontext erfasst werden, welcher es oft allerdings nur unzureichend erlaubt eine eindeutige Interpretation in Form einer einzelnen Hypothese vorzunehmen. Ähnliche Szenarien existieren in natürlichen Bildern, in welchen die Kontextinformation, die es braucht um Mehrdeutigkeiten aufzulösen, limitiert sein kann, beispielsweise aufgrund von Verdeckungen oder Rauschen in der Aufnahme. Zusätzlich können überlappende oder vage Klassen-Definitionen zu schlecht gestellten oder diversen Lösungsräumen führen. Die Präsenz solcher Mehrdeutigkeiten kann auch das Training und die Leistung von maschinellen Lernverfahren beeinträchtigen. Darüber hinaus sind aktuelle Modelle ueberwiegend unfähig komplex strukturierte und diverse Vorhersagen bereitzustellen und stattdessen dazu gezwungen sich auf sub-optimale, einzelne Lösungen oder ununterscheidbare Mixturen zu beschränken. Dies kann besonders problematisch sein wenn Klassifikationsverfahren zu pixel-weisen Vorhersagen wie in der semantischen Segmentierung skaliert werden. Die semantische Segmentierung befasst sich damit jedem Pixel in einem Bild eine Klassen-Kategorie zuzuweisen. Diese Art des detailierten Bild-Verständnisses spielt auch eine wichtige Rolle in der Diagnose und der Behandlung von Krankheiten wie Krebs: Tumore werden häufig in MRT oder CT Bildern entdeckt und deren präzise Lokalisierung und Segmentierung ist von grosser Bedeutung in deren Bewertung, der Vorbereitung möglicher Biopsien oder der Planung von Fokal-Therapien. Diese klinischen Bildverarbeitungen, aber auch die optische Wahrnehmung unserer Umgebung im Rahmen von täglichen Aufgaben wie dem Autofahren, werden momentan von Menschen durchgeführt. Als Teil des zunehmenden Einbindens von maschinellen Lernverfahren in unsere Entscheidungsfindungsprozesse, ist es wichtig diese Aufgaben adequat zu modellieren. Dies schliesst Unsicherheitsabschätzungen der Modellvorhersagen mit ein, mitunter solche Unsicherheiten die den Bild-Mehrdeutigkeiten zugeschrieben werden können. Die vorliegende Thesis schlägt mehrere Art und Weisen vor mit denen mit einer mehrdeutigen Bild-Evidenz umgegangen werden kann. Zunächst untersuchen wir den momentanen klinischen Standard der im Falle von Prostata Läsionen darin besteht, die MRT-sichtbaren Läsionen subjektiv auf ihre Aggressivität hin zu bewerten, was mit einer hohen Variabilität zwischen Bewertern einhergeht. Unseren Studien zufolge können bereits einfache machinelle Lernverfahren und sogar simple quantitative MRT-basierte Parameter besser abschneiden als ein individueller, subjektiver Experte, was ein vielversprechendes Potential der Quantifizerung des Prozesses nahelegt. Desweiteren stellen wir die derzeit erfolgreichste Segmentierungsarchitektur auf einem stark mehrdeutigen Datensatz zur Probe der während klinischer Routine erhoben und annotiert wurde. Unsere Experimente zeigen, dass die standard Segmentierungsverlustfuntion in Szenarien mit starkem Annotationsrauschen sub-optimal sein kann. Als eine Alternative erproben wir die Möglichkeit ein Modell der Verlustunktion zu lernen mit dem Ziel die Koexistenz von plausiblen Lösungen während des Trainings zuzulassen. Wir beobachten gesteigerte Performanz unter Verwendung dieser Trainingsmethode für ansonsten unveränderte neuronale Netzarchitekturen und finden weiter gesteigerte relative Verbesserungen im Limit weniger Daten. Mangel an Daten und Annotationen, hohe Maße an Bild- und Annotationsrauschen sowie mehrdeutige Bild-Evidenz finden sich besonders häufig in Datensätzen medizinischer Bilder wieder. Dieser Teil der Thesis exponiert daher einige der Schwächen die standard Techniken des maschinellen Lernens im Lichte dieser Besonderheiten aufweisen können. Derzeitige Segmentierungsmodelle, wie die zuvor Herangezogenen, sind dahingehend eingeschränkt, dass sie nur eine einzige Vorhersage abgeben können. Dies kontrastiert die Beobachtung dass eine Gruppe von Annotierern, gegeben mehrdeutiger Bilddaten, typischer Weise eine Menge an diverser aber plausibler Annotationen produziert. Um die vorgenannte Modell-Einschränkung zu beheben und die angemessen probabilistische Behandlung der Aufgabe zu ermöglichen, entwickeln wir zwei Modelle, die eine Verteilung über plausible Annotationen vorhersagen statt nur einer einzigen, deterministischen Annotation. Das erste der beiden Modelle kombiniert ein `encoder-decoder\u27 Modell mit dem Verfahren der `variational inference\u27 und verwendet einen globalen `latent vector\u27, der den Raum der möglichen Annotationen für ein gegebenes Bild kodiert. Wir zeigen, dass dieses Modell deutlich besser als die Referenzmethoden abschneidet und gut kalibrierte Unsicherheiten aufweist. Das zweite Modell verbessert diesen Ansatz indem es eine flexiblere und hierarchische Formulierung verwendet, die es erlaubt die Variabilität der Segmentierungen auf verschiedenden Skalen zu erfassen. Dies erhöht die Granularität der Segmentierungsdetails die das Modell produzieren kann und erlaubt es unabhängig variierende Bildregionen und Skalen zu modellieren. Beide dieser neuartigen generativen Segmentierungs-Modelle ermöglichen es, falls angebracht, diverse und kohärente Bild Segmentierungen zu erstellen, was im Kontrast zu früheren Arbeiten steht, welche entweder deterministisch sind, die Modellunsicherheiten auf der Pixelebene modellieren oder darunter leiden eine unangemessen geringe Diversität abzubilden. Im Ergebnis befasst sich die vorliegende Thesis mit der Anwendung von maschinellem Lernen für die Interpretation medizinischer Bilder: Wir zeigen die Möglichkeit auf den klinischen Standard mit Hilfe einer quantitativen Verwendung von Bildparametern, die momentan nur subjektiv in Diagnosen einfliessen, zu verbessern, wir zeigen den möglichen Nutzen eines neuen Trainingsverfahrens um die scheinbare Verletzlichkeit der standard Segmentierungsverlustfunktion gegenüber starkem Annotationsrauschen abzumildern und wir schlagen zwei neue probabilistische Segmentierungsmodelle vor, die die Verteilung über angemessene Annotationen akkurat erlernen können. Diese Beiträge können als Schritte hin zu einer quantitativeren, verstärkt Prinzipien-gestützten und unsicherheitsbewussten Analyse von medizinischen Bildern gesehen werden -ein wichtiges Ziel mit Blick auf die fortschreitende Integration von lernbasierten Systemen in klinischen Arbeitsabläufen

Towards Smart Homes Using Low Level Sensory Data

Ubiquitous Life Care (u-Life care) is receiving attention because it provides high quality and low cost care services. To provide spontaneous and robust healthcare services, knowledge of a patient’s real-time daily life activities is required. Context information with real-time daily life activities can help to provide better services and to improve healthcare delivery. The performance and accuracy of existing life care systems is not reliable, even with a limited number of services. This paper presents a Human Activity Recognition Engine (HARE) that monitors human health as well as activities using heterogeneous sensor technology and processes these activities intelligently on a Cloud platform for providing improved care at low cost. We focus on activity recognition using video-based, wearable sensor-based, and location-based activity recognition engines and then use intelligent processing to analyze the context of the activities performed. The experimental results of all the components showed good accuracy against existing techniques. The system is deployed on Cloud for Alzheimer’s disease patients (as a case study) with four activity recognition engines to identify low level activity from the raw data captured by sensors. These are then manipulated using ontology to infer higher level activities and make decisions about a patient’s activity using patient profile information and customized rules

Neural approaches to sequence labeling for information extraction

Een belangrijk aspect binnen artificiële intelligentie (AI) is het interpreteren van menselijke taal uitgedrukt in tekstuele (geschreven) vorm: natural Language processing (NLP) is belangrijk gezien tekstuele informatie nuttig is voor veel toepassingen. Toch is het verstaan ervan (zogenaamde natural Language understanding, (NLU) een uitdaging, gezien de ongestructureerde vorm van tekst, waarvan de betekenis vaak dubbelzinnig en contextafhankelijk is. In dit proefschrift introduceren we oplossingen voor tekortkomingen van gerelateerd werk bij het behandelen van fundamentele taken in natuurlijke taalverwerking, zoals named entity recognition (i.e. het identificeren van de entiteiten die in een zin voorkomen) en relatie-extractie (het identificeren van relaties tussen entiteiten). Vertrekkend van een specifiek probleem (met name het identificeren van de structuur van een huis aan de hand van een tekstueel zoekertje), bouwen we stapsgewijs een complete (geautomatiseerde) oplossing voor de bovengenoemde taken, op basis van neutrale netwerkarchitecturen. Onze oplossingen zijn algemeen toepasbaar op verschillende toepassingsdomeinen en talen. We beschouwen daarnaast ook de taak van het identificeren van relevante gebeurtenissen tijdens een evenement (bv. een doelpunt tijdens een voetbalwedstrijd), in informatiestromen op Twitter. Meer bepaald formuleren we dit probleem als het labelen van woord sequenties (vergelijkbaar met named entity recognition), waarbij we de chronologische relatie tussen opeenvolgende tweets benutten

Automatic Identification of Addresses: A Systematic Literature Review

Cruz, P., Vanneschi, L., Painho, M., & Rita, P. (2022). Automatic Identification of Addresses: A Systematic Literature Review. ISPRS International Journal of Geo-Information, 11(1), 1-27. https://doi.org/10.3390/ijgi11010011 -----------------------------------------------------------------------The work by Leonardo Vanneschi, Marco Painho and Paulo Rita was supported by Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) within the Project: UIDB/04152/2020—Centro de Investigação em Gestão de Informação (MagIC). The work by Prof. Leonardo Vanneschi was also partially supported by FCT, Portugal, through funding of project AICE (DSAIPA/DS/0113/2019).Address matching continues to play a central role at various levels, through geocoding and data integration from different sources, with a view to promote activities such as urban planning, location-based services, and the construction of databases like those used in census operations. However, the task of address matching continues to face several challenges, such as non-standard or incomplete address records or addresses written in more complex languages. In order to better understand how current limitations can be overcome, this paper conducted a systematic literature review focused on automated approaches to address matching and their evolution across time. The Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses (PRISMA) guidelines were followed, resulting in a final set of 41 papers published between 2002 and 2021, the great majority of which are after 2017, with Chinese authors leading the way. The main findings revealed a consistent move from more traditional approaches to deep learning methods based on semantics, encoder-decoder architectures, and attention mechanisms, as well as the very recent adoption of hybrid approaches making an increased use of spatial constraints and entities. The adoption of evolutionary-based approaches and privacy preserving methods stand as some of the research gaps to address in future studies.publishersversionpublishe

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

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