A review of artificial intelligence in prostate cancer detection on imaging

A multitude of studies have explored the role of artificial intelligence (AI) in providing diagnostic support to radiologists, pathologists, and urologists in prostate cancer detection, risk-stratification, and management. This review provides a comprehensive overview of relevant literature regarding the use of AI models in (1) detecting prostate cancer on radiology images (magnetic resonance and ultrasound imaging), (2) detecting prostate cancer on histopathology images of prostate biopsy tissue, and (3) assisting in supporting tasks for prostate cancer detection (prostate gland segmentation, MRI-histopathology registration, MRI-ultrasound registration). We discuss both the potential of these AI models to assist in the clinical workflow of prostate cancer diagnosis, as well as the current limitations including variability in training data sets, algorithms, and evaluation criteria. We also discuss ongoing challenges and what is needed to bridge the gap between academic research on AI for prostate cancer and commercial solutions that improve routine clinical care

Event-Driven Technologies for Reactive Motion Planning: Neuromorphic Stereo Vision and Robot Path Planning and Their Application on Parallel Hardware

Die Robotik wird immer mehr zu einem Schlüsselfaktor des technischen Aufschwungs. Trotz beeindruckender Fortschritte in den letzten Jahrzehnten, übertreffen Gehirne von Säugetieren in den Bereichen Sehen und Bewegungsplanung noch immer selbst die leistungsfähigsten Maschinen. Industrieroboter sind sehr schnell und präzise, aber ihre Planungsalgorithmen sind in hochdynamischen Umgebungen, wie sie für die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) erforderlich sind, nicht leistungsfähig genug. Ohne schnelle und adaptive Bewegungsplanung kann sichere MRK nicht garantiert werden. Neuromorphe Technologien, einschließlich visueller Sensoren und Hardware-Chips, arbeiten asynchron und verarbeiten so raum-zeitliche Informationen sehr effizient. Insbesondere ereignisbasierte visuelle Sensoren sind konventionellen, synchronen Kameras bei vielen Anwendungen bereits überlegen. Daher haben ereignisbasierte Methoden ein großes Potenzial, schnellere und energieeffizientere Algorithmen zur Bewegungssteuerung in der MRK zu ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur flexiblen reaktiven Bewegungssteuerung eines Roboterarms vorgestellt. Dabei wird die Exterozeption durch ereignisbasiertes Stereosehen erreicht und die Pfadplanung ist in einer neuronalen Repräsentation des Konfigurationsraums implementiert. Die Multiview-3D-Rekonstruktion wird durch eine qualitative Analyse in Simulation evaluiert und auf ein Stereo-System ereignisbasierter Kameras übertragen. Zur Evaluierung der reaktiven kollisionsfreien Online-Planung wird ein Demonstrator mit einem industriellen Roboter genutzt. Dieser wird auch für eine vergleichende Studie zu sample-basierten Planern verwendet. Ergänzt wird dies durch einen Benchmark von parallelen Hardwarelösungen wozu als Testszenario Bahnplanung in der Robotik gewählt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen neuronalen Lösungen einen effektiven Weg zur Realisierung einer Robotersteuerung für dynamische Szenarien darstellen. Diese Arbeit schafft eine Grundlage für neuronale Lösungen bei adaptiven Fertigungsprozesse, auch in Zusammenarbeit mit dem Menschen, ohne Einbußen bei Geschwindigkeit und Sicherheit. Damit ebnet sie den Weg für die Integration von dem Gehirn nachempfundener Hardware und Algorithmen in die Industrierobotik und MRK

Social4Rec: Distilling User Preference from Social Graph for Video Recommendation in Tencent

Despite recommender systems play a key role in network content platforms, mining the user's interests is still a significant challenge. Existing works predict the user interest by utilizing user behaviors, i.e., clicks, views, etc., but current solutions are ineffective when users perform unsettled activities. The latter ones involve new users, which have few activities of any kind, and sparse users who have low-frequency behaviors. We uniformly describe both these user-types as "cold users", which are very common but often neglected in network content platforms. To address this issue, we enhance the representation of the user interest by combining his social interest, e.g., friendship, following bloggers, interest groups, etc., with the activity behaviors. Thus, in this work, we present a novel algorithm entitled SocialNet, which adopts a two-stage method to progressively extract the coarse-grained and fine-grained social interest. Our technique then concatenates SocialNet's output with the original user representation to get the final user representation that combines behavior interests and social interests. Offline experiments on Tencent video's recommender system demonstrate the superiority over the baseline behavior-based model. The online experiment also shows a significant performance improvement in clicks and view time in the real-world recommendation system. The source code is available at https://github.com/Social4Rec/SocialNet

A Survey of the Impact of Self-Supervised Pretraining for Diagnostic Tasks with Radiological Images

Self-supervised pretraining has been observed to be effective at improving feature representations for transfer learning, leveraging large amounts of unlabelled data. This review summarizes recent research into its usage in X-ray, computed tomography, magnetic resonance, and ultrasound imaging, concentrating on studies that compare self-supervised pretraining to fully supervised learning for diagnostic tasks such as classification and segmentation. The most pertinent finding is that self-supervised pretraining generally improves downstream task performance compared to full supervision, most prominently when unlabelled examples greatly outnumber labelled examples. Based on the aggregate evidence, recommendations are provided for practitioners considering using self-supervised learning. Motivated by limitations identified in current research, directions and practices for future study are suggested, such as integrating clinical knowledge with theoretically justified self-supervised learning methods, evaluating on public datasets, growing the modest body of evidence for ultrasound, and characterizing the impact of self-supervised pretraining on generalization.Comment: 32 pages, 6 figures, a literature survey submitted to BMC Medical Imagin

Idiosyncratic biases in the perception of medical images

Funding This work was supported in part by the National Institutes of Health (grant number: R01 CA236793-01). Publication made possible in part by support from the Berkeley Research Impact Initiative (BRII) sponsored by the UC Berkeley Library. Acknowledgments Raw data from Experiment 1 and 2 were obtained from Manassi et al. (2021) and Ren et al. (2022). Parts of these datasets have been previously presented at conferences including VSS and ECVP.Peer reviewedPublisher PD

Conflict resolution in mobile networks: a self-coordination framework based on non-dominated solutions and machine learning for data analytics [Application notes]

©2018 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.Self-organizing network (SON) is a well-known term used to describe an autonomous cellular network. SON functionalities aim at improving network operational tasks through the capability to configure, optimize and heal itself. However, as the deployment of independent SON functions increases, the number of dependencies between them also grows. This work proposes a tool for efficient conflict resolution based on network performance predictions. Unlike other state-of-theart solutions, the proposed self-coordination framework guarantees the right selection of network operation even if conflicting SON functions are running in parallel. This self-coordination is based on the history of network measurements, which helps to optimize conflicting objectives with low computational complexity. To do this, machine learning (ML) is used to build a predictive model, and then we solve the SON conflict by optimizing more than one objective function simultaneously. Without loss of generality, we present an analysis of how the proposed scheme provides a solution to deal with the potential conflicts between two of the most important SON functions in the context of mobility, namely mobility load balancing (MLB) and mobility robustness optimization (MRO), which require the updating of the same set of handover parameters. The proposed scheme allows fast performance evaluations when the optimization is running. This is done by shifting the complexity to the creation of a prediction model that uses historical data and that allows to anticipate the network performance. The simulation results demonstrate the ability of the proposed scheme to find a compromise among conflicting actions, and show it is possible to improve the overall system throughput.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Medical Image Registration Using Deep Neural Networks

Registration is a fundamental problem in medical image analysis wherein images are transformed spatially to align corresponding anatomical structures in each image. Recently, the development of learning-based methods, which exploit deep neural networks and can outperform classical iterative methods, has received considerable interest from the research community. This interest is due in part to the substantially reduced computational requirements that learning-based methods have during inference, which makes them particularly well-suited to real-time registration applications. Despite these successes, learning-based methods can perform poorly when applied to images from different modalities where intensity characteristics can vary greatly, such as in magnetic resonance and ultrasound imaging. Moreover, registration performance is often demonstrated on well-curated datasets, closely matching the distribution of the training data. This makes it difficult to determine whether demonstrated performance accurately represents the generalization and robustness required for clinical use. This thesis presents learning-based methods which address the aforementioned difficulties by utilizing intuitive point-set-based representations, user interaction and meta-learning-based training strategies. Primarily, this is demonstrated with a focus on the non-rigid registration of 3D magnetic resonance imaging to sparse 2D transrectal ultrasound images to assist in the delivery of targeted prostate biopsies. While conventional systematic prostate biopsy methods can require many samples to be taken to confidently produce a diagnosis, tumor-targeted approaches have shown improved patient, diagnostic, and disease management outcomes with fewer samples. However, the available intraoperative transrectal ultrasound imaging alone is insufficient for accurate targeted guidance. As such, this exemplar application is used to illustrate the effectiveness of sparse, interactively-acquired ultrasound imaging for real-time, interventional registration. The presented methods are found to improve registration accuracy, relative to state-of-the-art, with substantially lower computation time and require a fraction of the data at inference. As a result, these methods are particularly attractive given their potential for real-time registration in interventional applications

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

ARTICULATORY INFORMATION FOR ROBUST SPEECH RECOGNITION

Current Automatic Speech Recognition (ASR) systems fail to perform nearly as good as human speech recognition performance due to their lack of robustness against speech variability and noise contamination. The goal of this dissertation is to investigate these critical robustness issues, put forth different ways to address them and finally present an ASR architecture based upon these robustness criteria. Acoustic variations adversely affect the performance of current phone-based ASR systems, in which speech is modeled as `beads-on-a-string', where the beads are the individual phone units. While phone units are distinctive in cognitive domain, they are varying in the physical domain and their variation occurs due to a combination of factors including speech style, speaking rate etc.; a phenomenon commonly known as `coarticulation'. Traditional ASR systems address such coarticulatory variations by using contextualized phone-units such as triphones. Articulatory phonology accounts for coarticulatory variations by modeling speech as a constellation of constricting actions known as articulatory gestures. In such a framework, speech variations such as coarticulation and lenition are accounted for by gestural overlap in time and gestural reduction in space. To realize a gesture-based ASR system, articulatory gestures have to be inferred from the acoustic signal. At the initial stage of this research an initial study was performed using synthetically generated speech to obtain a proof-of-concept that articulatory gestures can indeed be recognized from the speech signal. It was observed that having vocal tract constriction trajectories (TVs) as intermediate representation facilitated the gesture recognition task from the speech signal. Presently no natural speech database contains articulatory gesture annotation; hence an automated iterative time-warping architecture is proposed that can annotate any natural speech database with articulatory gestures and TVs. Two natural speech databases: X-ray microbeam and Aurora-2 were annotated, where the former was used to train a TV-estimator and the latter was used to train a Dynamic Bayesian Network (DBN) based ASR architecture. The DBN architecture used two sets of observation: (a) acoustic features in the form of mel-frequency cepstral coefficients (MFCCs) and (b) TVs (estimated from the acoustic speech signal). In this setup the articulatory gestures were modeled as hidden random variables, hence eliminating the necessity for explicit gesture recognition. Word recognition results using the DBN architecture indicate that articulatory representations not only can help to account for coarticulatory variations but can also significantly improve the noise robustness of ASR system