Genetic Programming and Spatial Morphogenesis

This paper discusses the use of genetic programming (G.P.) for applications in the field of spatial composition. The G.P. was used to generate three-dimensional spatial forms from a set of geometrical structures. The approach uses genetic programming with a Genetic Library (G.Lib). G.P. provides a way to genetically breed a computer program to solve a problem. G. Lib enables genetic programming to define potentially useful subroutines dynamically during a run

Gait Data Augmentation using Physics-Based Biomechanical Simulation

This paper focuses on addressing the problem of data scarcity for gait analysis. Standard augmentation methods may produce gait sequences that are not consistent with the biomechanical constraints of human walking. To address this issue, we propose a novel framework for gait data augmentation by using OpenSIM, a physics-based simulator, to synthesize biomechanically plausible walking sequences. The proposed approach is validated by augmenting the WBDS and CASIA-B datasets and then training gait-based classifiers for 3D gender gait classification and 2D gait person identification respectively. Experimental results indicate that our augmentation approach can improve the performance of model-based gait classifiers and deliver state-of-the-art results for gait-based person identification with an accuracy of up to 96.11% on the CASIA-B dataset.Comment: 30 pages including references, 5 Figures submitted to ESW

One-shot learning of human activity with an MAP adapted GMM and simplex-HMM

This paper presents a novel activity class representation using a single sequence for training. The contribution of this representation lays on the ability to train an one-shot learning recognition system, useful in new scenarios where capturing and labeling sequences is expensive or impractical. The method uses a universal background model of local descriptors obtained from source databases available on-line and adapts it to a new sequence in the target scenario through a maximum a posteriori adaptation. Each activity sample is encoded in a sequence of normalized bag of features and modeled by a new hidden Markov model formulation, where the expectation-maximization algorithm for training is modified to deal with observations consisting in vectors in a unit simplex. Extensive experiments in recognition have been performed using one-shot learning over the public datasets Weizmann, KTH, and IXMAS. These experiments demonstrate the discriminative properties of the representation and the validity of application in recognition systems, achieving state-of-the-art results

Βελτιστοποίηση δοσιμετρίας σύγχρονων ακτινοθεραπευτικών τεχνικών για την ασφαλέστερη και αποτελεσματικότερη θεραπεία εγκεφαλικών όγκων

Οι σύγχρονες ακτινοθεραπευτικές τεχνικές, όπως ΙMRT (Intensive Modulated Radiation Therapy), VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy) , SRS/SRT (Stereotactic Radiosurgery/Stereotactic Radiation Therapy), απαιτούν μια αξιόπιστη διαδικασία επαλήθευσης της δόσης πριν από την ακτινοβόληση του ασθενούς. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στην κλινική πρακτική επί του παρόντος για την επαλήθευση πλάνων ακτινοθεραπείας περιλαμβάνουν δοσιμετρία 2D ή ημι-3D χρησιμοποιώντας, φιλμ ή σημειακούς ανιχνευτές, κυρίως θαλάμους ιονισμού και διόδους. Ωστόσο, αυτές οι μέθοδοι εμφανίζουν ορισμένες αδυναμίες όπως μη ισοδυναμία υλικών και ιστού, χαμηλή χωρική διακριτική ικανότητα, μεγάλο μέσο ενεργό όγκο συμψηφισμού δόσης και εξάρτηση απόκρισης στον ρυθμό δόσης και την κατεύθυνση της δέσμης. Οι σημερινές μέθοδοι QA (Quality Assurance) ελέγχων ποιότητας και επιβεβαίωσης πλάνων για SRS/SRT και VMAT περιλαμβάνουν συχνά μετρήσεις δόσης σε τυπικού γεωμετρικού σχήματος ομοιώματα εξοπλισμένα με ποικιλία ανιχνευτών για τον έλεγχο της ακριβούς εφαρμογής της σχεδιασμένης θεραπείας. Η μετρούμενη δόση στη συνέχεια ανακατασκευάζεται εντός της ανατομίας του ασθενούς, τεχνική που θα χαρακτηρίζονταν περισσότερο ως προσαρμοσμένη στο πλάνο (plan-specific) και λιγότερο βασισμένη στον ασθενή (patient-specific). Παρόλο που οι συγκεκριμένες τεχνικές QA έχουν αποδειχθεί αρκετά επιτυχημένες, έχουν αναφερθεί περιορισμοί, ως προς την προγνωστική τους ισχύ, για την ανίχνευση σφαλμάτων στην εφαρμογή της θεραπείας. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η περιγραφή μιας μεθόδου που θα καλύπτει τις παραπάνω προκλήσεις προς την κατεύθυνση περαιτέρω ελαχιστοποίησης των αβεβαιοτήτων και θα περιέχει επίσης στοιχεία για: α) την τριδιάστατη κατανομή δόσης στον ασθενή και τις πιθανές διαφορές του με την αντίστοιχη που υπολογίζει το σύστημα σχεδιασμού θεραπείας, και β) την ακριβή γεωμετρική θέση εναπόθεσης της δόσης λαμβάνοντας υπ΄όψιν τις ανατομικές λεπτομέρειες και εξωτερική μορφολογία του εκάστοτε ασθενούς. Το Α μέρος (Γενικό μέρος), περιλαμβάνει μια βιβλιογραφική ανασκόπηση και προσπαθεί να περιγράψει τις σημερινές προκλήσεις στον έλεγχο και την αξιολόγηση των σύγχρονων συστημάτων και μεθόδων ακτινοθεραπείας, τόσο από γεωμετρική, όσο και από δοσιμετρική σκοπιά, καθώς και τα ζητήματα που εγείρουν οι σχετικές αβεβαιότητες ως προς την ασφάλεια των ασθενών. Το Β μέρος (Ειδικό Μέρος), και πιο συγκεκριμένα το κεφάλαιο 5 επικεντρώνεται στην ανάπτυξη, το χαρακτηρισμό και τη δοσιμετρική αξιολόγηση ενός ομοιώματος ασθενούς, βασισμένου σε πραγματικές εικόνες CT και κατασκευασμένου με χρήση τριδιάστατης εκτύπωσης, για την εκτέλεση ελέγχων επιβεβαίωσης πλάνων, αλλά και ελέγχων QA κυρίως σε ενδοκρανιακές SRS εφαρμογές. Για το σχεδιασμό και την κατασκευή του ομοιώματος χρησιμοποιήθηκαν ανώνυμες εικόνες CT πλάνου θεραπείας, από ασθενή με πολλαπλές εγκεφαλικές μεταστάσεις. Το υλικό κατασκευής που επιλέχθηκε ήταν κατά το δυνατόν ισοδύναμο του οστού, ενώ το υπόλοιπο ομοίωμα γέμισε με νερό. Επίσης κατασκευάστηκε κατάλληλη υποδοχή για φιλμ δοσίμετρο, τοποθετημένο στην κεφαλουραία κατεύθυνση. Διερευνήθηκαν οι φυσικές και μορφολογικές ιδιότητες του ομοιώματος και του υλικού του. Η δοσιμετρική ισοδυναμία μεταξύ του πραγματικού ασθενούς και του ομοιώματος μελετήθηκε τόσο υπολογιστικά όσο και πειραματικά. Η υπολογιστική δοσιμετρική σύγκριση πραγματοποιήθηκε μεταξύ υπολογισμών δόσης του συστήματος σχεδιασμού θεραπείας (TPS - Treatment Planning System) στις αξονικές τους ασθενούς, και στους υπολογισμούς δόσης που πραγματοποιήθηκαν στις αξονικές του ομοιώματος, για πλάνο θεραπείας πολλαπλών μεταστάσεων, ενός ισόκεντρου. Για τη μορφολογική αξιολόγηση του ομοιώματος έγινε σύγκριση μεταξύ των αξονικών του εικόνων και των αντίστοιχων αξονικών του ασθενούς που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή του. Μετρήθηκαν ανατομικές αποστάσεις οι οποίες εμφάνισαν αποκλίσεις έως 0,5 mm, μικρότερες του ενός εικονοστοιχείου (0,74 mm). Υπολογίστηκαν επίσης οι δείκτες Jaccard και Dice Similarity οι οποίοι βρέθηκαν 0,9244 και 0,9607 αντίστοιχα, δείχνοντας υψηλή μορφολογική και ανατομική ομοιότητα. Επίσης, για διαφορετικές περιοχές ενδιαφέροντος συγκρίθηκαν οι HUs, ως προς τη φυσική πυκνότητα, όπου οι διαφορές δεν ξεπέρασαν το 3%. Οι υπολογισμοί της δόσης και στις δύο σειρές αξονικών ήταν ίδιες, όπως δείχνουν και οι δείκτες GI (99,6% για κριτήρια επιτυχίας 2% DD και 2 mm DTA). Παράλληλα υπήρξε ταύτιση και των υπολογισμένων DVHs (Dose Volume Histograms). Για την περαιτέρω πειραματική αξιολόγηση το πλάνο θεραπείας εφαρμόστηκε στο ομοίωμα, όπως ακριβώς θα εφαρμόζονταν στον ασθενή και οι μετρήσεις φιλμ συγκρίθηκαν απευθείας με την κατανομή δόσης που προήλθε από τους υπολογισμούς του TPS στις αξονικές του ασθενούς. Οι μετρήσεις του φιλμ δεν κανονικοποιήθηκαν και συγκρίθηκαν άμεσα σε απόλυτες τιμές. Οι αντίστοιχοι χάρτες γάμμα που προέκυψαν χρησιμοποιώντας κριτήρια επιτυχίας 3% / 2mm και 2% / 2mm και επίπεδο ορίου αποκοπής δόσης 1 Gy έδειξαν GI ποσοστά 97% ή υψηλότερα. Τα συνολικά αποτελέσματα αυτής της εργασίας υποδηλώνουν ότι το ομοίωμα μπορεί να θεωρηθεί ως δοσιμετρικά και ανατομικά ισοδύναμο με τον ασθενή τουλάχιστον στην περιοχή του εγκεφάλου. Στη συνέχεια, στο κεφάλαιο 6 περιγράφεται η εφαρμογή της ίδιας διαδικασίας με σκοπό την end-to-end αξιολόγηση ενός συστήματος Elekta Unity σε ενδοκραανιακή θεραπεία. Η μελέτη εστιάζει στην προσπάθεια ανάπτυξης και εφαρμογής μιας μεθοδολογίας με σκοπό τη συνολική δοσιμετρική αξιολόγηση του συστήματος Unity, περιλαμβάνοντας στη διαδικασία όλες τις προκλήσεις που σχετίζονται με τους ελέγχους ποιότητας αντίστοιχων υβριδικών συστημάτων. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν ομοιώματα ανθρωπόμορφου σχήματος που αποτελούνται από υλικά ισοδύναμα των οστών και του μαλακού ιστού, εμφανίζοντας ρεαλιστική αντίθεση μεταξύ των εικόνων CT και των εικόνων MR. Για το σχεδιασμό και την κατασκευή των ομοιωμάτων χρησιμοποιήθηκαν ανώνυμες εικόνες CT πλάνου θεραπείας. Τα δύο ομοιώματα κατασκευάστηκαν από υλικό ισοδύναμου του οστού και στη συνέχεια το ένα γέμισε με νερό, ενώ το δεύτερο με δοσιμετρική γέλη πολυμερισμού. Λόγω της συμβατότητας και της ικανοποιητικής αντίθεσης ταυτόχρονα σε MR και CT, τα ομοιώματα θεωρήθηκαν κατάλληλα για την εφαρμογή μιας κλινικά ρεαλιστικής θεραπείας, που θα περιελάμβανε και την εικονική μετατόπιση της τράπεζας θεραπείας, αλλά και την εφαρμογή προσαρμοσμένου πλάνου. Η σύγκριση μεταξύ υπολογισμών και πειραματικών δεδομένων δεν βασίστηκε αποκλειστικά σε υπολογισμούς Gamma Index, αλλά αξιοποιώντας τις πληροφορίες δόσης στις τρεις διαστάσεις, ελέγχθηκε η συμφωνία των μετρήσεων με τους υπολογισμούς του TPS και στη συνέχεια επαληθεύτηκε περαιτέρω συγκρίνοντας τα DVHs, πειραματικά και υπολογιστικά καθώς και τους δείκτες ποιότητας του πλάνου θεραπείας. Μετά την τοποθέτηση του ομοιώματος με το νερό στην τράπεζα θεραπείας και την ολοκλήρωση της MR σάρωσης εφαρμόστηκε τεχνική εικονικής μετατόπισης με νέο ισόκεντρο στις (x, y, z) = (−0,1 mm, −33,8 mm, 32,6 mm) στο dicom σύστημα συντεταγμένων. Για το ομοίωμα με γέλη η εικονική μετατόπιση υπολογίστηκε (x, y, z) = (−0,1 mm, −36,5 mm, 32,6 mm). Στη συνέχεια εφαρμόστηκε και στα δύο ομοιώματα διαδοχικά το ίδιο πλάνο θεραπείας για το οποίο επιλέχθηκε μέθοδος ATP (Adapt To Position) χρησιμοποιώντας λειτουργία βελτιστοποίησης. Ο τελικός όγκος-στόχος (PTV) ήταν 27,506 cm3 σε σχήμα C, έτσι ώστε να περιβάλλει εν μέρει το στέλεχος του εγκεφάλου (όγκος περιγράμματος 11,805 cm3) το οποίο θεωρήθηκε ως το ευαίσθητο παρακείμενο όργανο (OAR). Η δοσιμετρία φιλμ επέδειξε εξαιρετική συμφωνία μεταξύ πειραματικών μετρήσεων και υπολογισμών TPS και για τα προσαρμοσμένα αλλά και για τα αρχικά πλάνα. Για την ακρίβεια οι χάρτες GI, με κριτήρια επιτυχίας 3% / 3 mm και 3% / 2 mm υπολογίστηκαν σε 97,8% και 95,1% αντίστοιχα, ενώ ανεξαρτήτως κριτηρίων ήταν πάντα άνω του 90%. Αντίστοιχη σύγκριση πραγματοποιήθηκε μεταξύ υπολογισμών TPS και πειραματικών δεδομένων δόσης που προέκυψαν από το ομοίωμα της γέλης. Ενδεικτικά οι χάρτες GI, με κριτήρια επιτυχίας 3% / 3 mm και 3% / 2 mm υπολογίστηκαν σε 99,5% και 97,1% αντίστοιχα, ενώ ανεξαρτήτως κριτηρίων ήταν πάντα άνω του 93%. Οι πληροφορίες τριδιάστατης δοσιμετρίας που προέκυψαν από τη γέλη αξιοποιήθηκαν περαιτέρω ώστε να προκύψουν και πειραματικά DVHs, τα οποία επίσης συγκρίθηκαν με τα υπολογισμένα από το TPS. Αυτά εμφάνισαν εξαιρετική συμφωνία στο PTV, αλλά μικρές αποκλίσεις στο OAR οι οποίες αποδώθηκαν στην αύξηση της αβεβαιότητας στις περιοχές χαμηλών δόσεων οι οποίες εμφανίζονται σε αυτή την περιοχή. Τα συνολικά αποτελέσματα δείχνουν ότι οι υπολογισμοί TPS τόσο για τα προσαρμοσμένα όσο και για τα αρχικά πλάνα, επικυρώθηκαν εντός των πειραματικων αβεβαιοτήτων.Modern radiotherapy techniques, such as IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy), VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy), SRS /SRT (Stereotactic RadioSurgery/Stereotactic Radiation Therapy), require a reliable pre-treatment verification process prior to irradiation of the patient. The methods that are currently used in clinical practice for the verification of radiotherapy plans include 2D or semi-3D dose measurements using film or point detectors, mainly ion chambers and diodes. However, these methods show some significant weaknesses such as non-tissue equivalency, low spatial resolution, volume averaging effects, the dependence of dose-response rate as well as directional dependence. Current QA (Quality Assurance) methods of plan verification methods for SRS/SRT and VMAT often include dose measurements in standard-shaped phantoms, that are usually equipped with a variety of detectors to check the exact treatment plan. The measured dose is then reconstructed within the patient's anatomy, a technique that would be characterized more as plan-specific rather than patient-specific. Although these QA techniques have proven to be quite successful, limitations have been reported, in terms of their predictive power, for detecting dose delivery errors. The purpose of this work is to describe a method that will provide information to meet these modern challenges, towards further minimizing uncertainties and will as well contain basic information for: (a) the 3D dose distribution to the patient and its possible differences from the dose pattern calculated by the treatment planning system; and b) the exact pattern and geometric position where the dose will be delivered taking into account the bony anatomical details and external morphology of each patient. Part A, includes a bibliographic review and tries to describe the current challenges in the QA processes of modern radiotherapy modalities and methods, both from a geometric and dosimetric point of view, as well as regarding the issues raised by the uncertainties involved in the process about patient safety. Part B, and more specifically chapter 5, focuses on the development, characterization and dosimetric evaluation of a patient-specific phantom, based on real CT images and constructed using 3D printing technology, intended for pre-treatment plan verification, but also for QA processes in SRS applications. Anonymous CT treatment images from a patient with multiple brain metastases were used to design and construct the phantom. The material selected was a bone equivalent material, while the remaining parts of the phantom were filled with water. A suitable insert for a film dosimeter was also constructed and placed in the coronal direction. The physical and morphological properties of the phantom and its material were investigated. Dosimetric equivalence between the actual patient and the phantom was studied both for calculated and experimental data. The calculated dose comparison was performed between the treatment planning system (TPS) dose calculations on the axial patients' CTs, and the dose calculations performed on the phantom CTs. The morphological evaluation of the phantom, performed through a comparison between the CT images of the phantom and the corresponding CTs of the patient that were used for its construction. Anatomical distances were measured that showed deviations of up to 0,5 mm, less than pixel size (0,74 mm). The Jaccard and Dice Similarity indices were also calculated, and found to be 0,9244 and 0,9607, respectively, showing high morphological and anatomical similarity. Also, for different ROIs the HUs were compared, and the differences in the physical density did not exceed 3%. The dose calculations in both CT series were nearly identical, as shown by the GI passing rates (99.6% passing criteria of 2% DD and 2 mm DTA). Moreover, DVHs (Dose Volume Histograms) extracted by the two CT series did not reveal any differences. In order to perform a further experimental evaluation, the treatment plan was applied to the phantom, just as it would be applied to the patient, and the film measurements were directly compared to the dose distribution derived from the TPS calculations on the patient's CTs. The film measurements were not normalized and were directly compared to absolute dose values. The corresponding Gamma Index Maps were obtained (using 3% / 2mm and 2% / 2mm passing criteria and 1 Gy dose cut-off threshold) and showed GI passing rates of 97% or higher. The overall results of this work suggest that the phantom can be considered as dosimetrically and anatomically equivalent to the patient at least in the brain area. Chapter 6 describes the application of the same procedure for an end-to-end evaluation of an Elekta Unity system. The study focuses on the effort to develop and implement a methodology for the overall dose delivery evaluation of the Unity system, including in the process all the challenges related to the quality controls of similar hybrid systems. Specifically, anthropomorphic phantoms that consist of materials equivalent to bone and soft tissue are used, showing clinically realistic and sufficient contrast in both CT and MR imaging modalities. Anonymous patient-CT treatment images were used to design and construct the phantoms. The two phantoms consisted of bone equivalent material. Then one was filled with water, while the second with a dose polymer gel, as tissue-equivalent materials. Due to the compatibility and satisfactory contrast in MR and CT at the same time, the phantoms considered suitable for the implementation of a clinically realistic treatment, which included virtual couch shifts, as well as an adaptive treatment planning at the set-up position simulating an actual clinical case. The comparison between calculations and experimental data was not based solely on Gamma Index rates, but by utilizing the dose information in the three dimensions, the agreement between experimental data and TPS calculations was checked and then further verified by comparing DVHs, experimental and calculated as well as the plan quality indices. After placing the water-phantom on the treatment table and completing the MR scan, a virtual couch shift was applied with a new isocenter at (x, y, z) = (−0.1 mm, −33.8 mm, 32.6 mm) in the dicom coordinate system. For the gel-phantom the virtual shift was calculated (x, y, z) = (−0.1 mm, −36.5 mm, 32.6 mm). The treatment plan was then applied using the ATP (Adapt To Position) strategy selected using the segment weight optimization mode. The Planning Target Volume (PTV) was 27,506 cm3 in C shape, partly surrounding the brainstem (contour volume 11,805 cm3) which was regarded as the organ-at-risk (OAR). Film dosimetry showed excellent agreement between experimental data and TPS calculations for both original and adaptive plans. The GI maps, with passing criteria of 3% / 3 mm and 3% / 2 mm were calculated at 97.8% and 95.1% respectively, and always above 90% regardless of the passing criteria set each time. A corresponding comparison between TPS calculations and experimental dose data obtained from the gel-phantom was performed. Indicatively, GI maps, with passing criteria of 3% / 3 mm and 3% / 2 mm were calculated at 99.5% and 97.1% respectively, and always above 93%. The 3D dosimetry information obtained from the polymer gel was further utilized to produce experimental DVHs, which were also compared with those calculated by the TPS, and showed excellent agreement for PTV, but small deviations for OAR which were attributed to increased uncertainty, in this low-dose area. Overall results suggest that TPS calculations, for both the adapted and original plans, were validated within the experimental uncertainties involved

Asynchronous Bioplausible Neuron for Spiking Neural Networks for Event-Based Vision

Spiking Neural Networks (SNNs) offer a biologically inspired approach to computer vision that can lead to more efficient processing of visual data with reduced energy consumption. However, maintaining homeostasis within these networks is challenging, as it requires continuous adjustment of neural responses to preserve equilibrium and optimal processing efficiency amidst diverse and often unpredictable input signals. In response to these challenges, we propose the Asynchronous Bioplausible Neuron (ABN), a dynamic spike firing mechanism to auto-adjust the variations in the input signal. Comprehensive evaluation across various datasets demonstrates ABN's enhanced performance in image classification and segmentation, maintenance of neural equilibrium, and energy efficiency.Comment: 10 page

Συστηματική ανασκόπηση της υγειονομικής περίθαλψης των αστέγων στις Ηνωμένες Πολιτείες

Οι Ηνωμένες Πολιτείες μαστίζονται από τεράστιο αριθμό αστέγων με κύριο πρόβλημα την έλλειψη στέγης και την παροχή υγειονομικής περίθαλψης. Συνέπειες της κακής υγιεινής των αστέγων αποτελούν σε ένα πρώτο στάδιο η ακραία φτώχεια, το σκληρό περιβάλλον διαβίωσης καθώς και το τραύμα. Η πρώτη εμφάνιση του φαινομένου της αστεγίας και οι γενιές που ακολούθησαν αποτυπώνονται στην συγκεκριμένη εργασία. Επιπλέον προσπαθεί να εξετάσει πως με την πάροδο του χρόνου οι Ηνωμένες Πολιτείες εφάρμοσαν στρατηγικές και προγράμματα για την αντιμετώπιση και βελτίωση του φαινομένου της αστεγίας, αν και κατά πόσο η ιατρική από την πλευρά της πρόσφερε σε αυτό το εγχείρημα μέσω της παροχής βοήθειας εκεί που υπήρχε η ανάγκη, στο δρόμο. Η παροχή φροντίδας και η σύνδεση αυτών των ατόμων με ολοκληρωμένη πρωτοβάθμια φροντίδα μέσω καταφυγίων και ξενώνων αποτελεί κορμό για την μελέτη του φαινομένου που ερευνούμε. Οι άστεγοι είναι κομμάτι της κοινωνίας και όχι οι κάτοικοι μιας αόρατης πόλης που εκεί βρίσκουν καταφύγιο.The United States is plagued by a huge number of homeless people with the main problem being lack of housing and healthcare. Consequences of poor hygiene of homeless people are in a first stage extreme poverty, harsh living environment as well as trauma. The first appearance of the phenomenon of homelessness and the generations that followed are reflected in this paper. Furthermore, it attempts to examine how over time the United States has implemented strategies and programs to address and improve the phenomenon of homelessness, and whether and to what extent medicine on its part has contributed to this endeavor by providing assistance where the need was there, on the street. The provision of care and linking these individuals to integrated primary care through shelters and hostels is the backbone for the study of the phenomenon we are investigating. The homeless are part of society, not the inhabitants of an invisible city where they find shelter