Machine learning methods for the characterization and classification of complex data

This thesis work presents novel methods for the analysis and classification of medical images and, more generally, complex data. First, an unsupervised machine learning method is proposed to order anterior chamber OCT (Optical Coherence Tomography) images according to a patient's risk of developing angle-closure glaucoma. In a second study, two outlier finding techniques are proposed to improve the results of above mentioned machine learning algorithm, we also show that they are applicable to a wide variety of data, including fraud detection in credit card transactions. In a third study, the topology of the vascular network of the retina, considering it a complex tree-like network is analyzed and we show that structural differences reveal the presence of glaucoma and diabetic retinopathy. In a fourth study we use a model of a laser with optical injection that presents extreme events in its intensity time-series to evaluate machine learning methods to forecast such extreme events.El presente trabajo de tesis desarrolla nuevos métodos para el análisis y clasificación de imágenes médicas y datos complejos en general. Primero, proponemos un método de aprendizaje automático sin supervisión que ordena imágenes OCT (tomografía de coherencia óptica) de la cámara anterior del ojo en función del grado de riesgo del paciente de padecer glaucoma de ángulo cerrado. Luego, desarrollamos dos métodos de detección automática de anomalías que utilizamos para mejorar los resultados del algoritmo anterior, pero que su aplicabilidad va mucho más allá, siendo útil, incluso, para la detección automática de fraudes en transacciones de tarjetas de crédito. Mostramos también, cómo al analizar la topología de la red vascular de la retina considerándola una red compleja, podemos detectar la presencia de glaucoma y de retinopatía diabética a través de diferencias estructurales. Estudiamos también un modelo de un láser con inyección óptica que presenta eventos extremos en la serie temporal de intensidad para evaluar diferentes métodos de aprendizaje automático para predecir dichos eventos extremos.Aquesta tesi desenvolupa nous mètodes per a l’anàlisi i la classificació d’imatges mèdiques i dades complexes. Hem proposat, primer, un mètode d’aprenentatge automàtic sense supervisió que ordena imatges OCT (tomografia de coherència òptica) de la cambra anterior de l’ull en funció del grau de risc del pacient de patir glaucoma d’angle tancat. Després, hem desenvolupat dos mètodes de detecció automàtica d’anomalies que hem utilitzat per millorar els resultats de l’algoritme anterior, però que la seva aplicabilitat va molt més enllà, sent útil, fins i tot, per a la detecció automàtica de fraus en transaccions de targetes de crèdit. Mostrem també, com en analitzar la topologia de la xarxa vascular de la retina considerant-la una xarxa complexa, podem detectar la presència de glaucoma i de retinopatia diabètica a través de diferències estructurals. Finalment, hem estudiat un làser amb injecció òptica, el qual presenta esdeveniments extrems en la sèrie temporal d’intensitat. Hem avaluat diferents mètodes per tal de predir-los.Postprint (published version

Outlier Mining Methods Based on Graph Structure Analysis

Outlier detection in high-dimensional datasets is a fundamental and challenging problem across disciplines that has also practical implications, as removing outliers from the training set improves the performance of machine learning algorithms. While many outlier mining algorithms have been proposed in the literature, they tend to be valid or efficient for specific types of datasets (time series, images, videos, etc.). Here we propose two methods that can be applied to generic datasets, as long as there is a meaningful measure of distance between pairs of elements of the dataset. Both methods start by defining a graph, where the nodes are the elements of the dataset, and the links have associated weights that are the distances between the nodes. Then, the first method assigns an outlier score based on the percolation (i.e., the fragmentation) of the graph. The second method uses the popular IsoMap non-linear dimensionality reduction algorithm, and assigns an outlier score by comparing the geodesic distances with the distances in the reduced space. We test these algorithms on real and synthetic datasets and show that they either outperform, or perform on par with other popular outlier detection methods. A main advantage of the percolation method is that is parameter free and therefore, it does not require any training; on the other hand, the IsoMap method has two integer number parameters, and when they are appropriately selected, the method performs similar to or better than all the other methods tested.Peer ReviewedPostprint (published version

Electronically--implemented coupled logistic maps

The logistic map is a paradigmatic dynamical system originally conceived to model the discrete-time demographic growth of a population, which shockingly, shows that discrete chaos can emerge from trivial low-dimensional non-linear dynamics. In this work, we design and characterize a simple, low-cost, easy-to-handle, electronic implementation of the logistic map. In particular, our implementation allows for straightforward circuit-modifications to behave as different one-dimensional discrete-time systems. Also, we design a coupling block in order to address the behavior of two coupled maps, although, our design is unrestricted to the discrete-time system implementation and it can be generalized to handle coupling between many dynamical systems, as in a complex system. Our findings show that the isolated and coupled maps' behavior has a remarkable agreement between the experiments and the simulations, even when fine-tuning the parameters with a resolution of $\sim 10^{-3}$. We support these conclusions by comparing the Lyapunov exponents, periodicity of the orbits, and phase portraits of the numerical and experimental data for a wide range of coupling strengths and map's parameters.Comment: 8 pages, 10 figure

Organization and clasification of trajectories in the time-delayed Mackey-Glass system

Using a novel electronic implementation of a well-known time-delayed system, the Mackey-Glass (MG) system, we investigate the organization of the trajectories in the phase space, and classify the coexisting solutions, both, in observations and in model simulations. The numerical simultations are performed using a discrete-time equation that approximates the exact solutions of the MG model and in particular, models the delay line in the electronic circuit. In wide parameter regions, different periodic or aperiodic solutions, but with similar waveforms exhibiting the alternation of peaks of different amplitudes, coexist. A symbolic algorithm is proposed to classify those solutions. The system's phase-space was explored by varying the parameter values of two families of initial functions.Comment: 7 pages, 7 figures. Title and abstract changed, and minor correction

Network-based features for retinal fundus vessel structure analysis

Retinal fundus imaging is a non-invasive method that allows visualizing the structure of the blood vessels in the retina whose features may indicate the presence of diseases such as diabetic retinopathy (DR) and glaucoma. Here we present a novel method to analyze and quantify changes in the retinal blood vessel structure in patients diagnosed with glaucoma or with DR. First, we use an automatic unsupervised segmentation algorithm to extract a tree-like graph from the retina blood vessel structure. The nodes of the graph represent branching (bifurcation) points and endpoints, while the links represent vessel segments that connect the nodes. Then, we quantify structural differences between the graphs extracted from the groups of healthy and non-healthy patients. We also use fractal analysis to characterize the extracted graphs. Applying these techniques to three retina fundus image databases we find significant differences between the healthy and non-healthy groups (p-values lower than 0.005 or 0.001 depending on the method and on the database). The results are sensitive to the segmentation method (manual or automatic) and to the resolution of the images.Peer ReviewedPostprint (published version

Machine learning methods for the characterization and classification of complex data

This thesis work presents novel methods for the analysis and classification of medical images and, more generally, complex data. First, an unsupervised machine learning method is proposed to order anterior chamber OCT (Optical Coherence Tomography) images according to a patient's risk of developing angle-closure glaucoma. In a second study, two outlier finding techniques are proposed to improve the results of above mentioned machine learning algorithm, we also show that they are applicable to a wide variety of data, including fraud detection in credit card transactions. In a third study, the topology of the vascular network of the retina, considering it a complex tree-like network is analyzed and we show that structural differences reveal the presence of glaucoma and diabetic retinopathy. In a fourth study we use a model of a laser with optical injection that presents extreme events in its intensity time-series to evaluate machine learning methods to forecast such extreme events.El presente trabajo de tesis desarrolla nuevos métodos para el análisis y clasificación de imágenes médicas y datos complejos en general. Primero, proponemos un método de aprendizaje automático sin supervisión que ordena imágenes OCT (tomografía de coherencia óptica) de la cámara anterior del ojo en función del grado de riesgo del paciente de padecer glaucoma de ángulo cerrado. Luego, desarrollamos dos métodos de detección automática de anomalías que utilizamos para mejorar los resultados del algoritmo anterior, pero que su aplicabilidad va mucho más allá, siendo útil, incluso, para la detección automática de fraudes en transacciones de tarjetas de crédito. Mostramos también, cómo al analizar la topología de la red vascular de la retina considerándola una red compleja, podemos detectar la presencia de glaucoma y de retinopatía diabética a través de diferencias estructurales. Estudiamos también un modelo de un láser con inyección óptica que presenta eventos extremos en la serie temporal de intensidad para evaluar diferentes métodos de aprendizaje automático para predecir dichos eventos extremos.Aquesta tesi desenvolupa nous mètodes per a l’anàlisi i la classificació d’imatges mèdiques i dades complexes. Hem proposat, primer, un mètode d’aprenentatge automàtic sense supervisió que ordena imatges OCT (tomografia de coherència òptica) de la cambra anterior de l’ull en funció del grau de risc del pacient de patir glaucoma d’angle tancat. Després, hem desenvolupat dos mètodes de detecció automàtica d’anomalies que hem utilitzat per millorar els resultats de l’algoritme anterior, però que la seva aplicabilitat va molt més enllà, sent útil, fins i tot, per a la detecció automàtica de fraus en transaccions de targetes de crèdit. Mostrem també, com en analitzar la topologia de la xarxa vascular de la retina considerant-la una xarxa complexa, podem detectar la presència de glaucoma i de retinopatia diabètica a través de diferències estructurals. Finalment, hem estudiat un làser amb injecció òptica, el qual presenta esdeveniments extrems en la sèrie temporal d’intensitat. Hem avaluat diferents mètodes per tal de predir-los

Machine learning methods for the characterization and classification of complex data

This thesis work presents novel methods for the analysis and classification of medical images and, more generally, complex data. First, an unsupervised machine learning method is proposed to order anterior chamber OCT (Optical Coherence Tomography) images according to a patient's risk of developing angle-closure glaucoma. In a second study, two outlier finding techniques are proposed to improve the results of above mentioned machine learning algorithm, we also show that they are applicable to a wide variety of data, including fraud detection in credit card transactions. In a third study, the topology of the vascular network of the retina, considering it a complex tree-like network is analyzed and we show that structural differences reveal the presence of glaucoma and diabetic retinopathy. In a fourth study we use a model of a laser with optical injection that presents extreme events in its intensity time-series to evaluate machine learning methods to forecast such extreme events.El presente trabajo de tesis desarrolla nuevos métodos para el análisis y clasificación de imágenes médicas y datos complejos en general. Primero, proponemos un método de aprendizaje automático sin supervisión que ordena imágenes OCT (tomografía de coherencia óptica) de la cámara anterior del ojo en función del grado de riesgo del paciente de padecer glaucoma de ángulo cerrado. Luego, desarrollamos dos métodos de detección automática de anomalías que utilizamos para mejorar los resultados del algoritmo anterior, pero que su aplicabilidad va mucho más allá, siendo útil, incluso, para la detección automática de fraudes en transacciones de tarjetas de crédito. Mostramos también, cómo al analizar la topología de la red vascular de la retina considerándola una red compleja, podemos detectar la presencia de glaucoma y de retinopatía diabética a través de diferencias estructurales. Estudiamos también un modelo de un láser con inyección óptica que presenta eventos extremos en la serie temporal de intensidad para evaluar diferentes métodos de aprendizaje automático para predecir dichos eventos extremos.Aquesta tesi desenvolupa nous mètodes per a l’anàlisi i la classificació d’imatges mèdiques i dades complexes. Hem proposat, primer, un mètode d’aprenentatge automàtic sense supervisió que ordena imatges OCT (tomografia de coherència òptica) de la cambra anterior de l’ull en funció del grau de risc del pacient de patir glaucoma d’angle tancat. Després, hem desenvolupat dos mètodes de detecció automàtica d’anomalies que hem utilitzat per millorar els resultats de l’algoritme anterior, però que la seva aplicabilitat va molt més enllà, sent útil, fins i tot, per a la detecció automàtica de fraus en transaccions de targetes de crèdit. Mostrem també, com en analitzar la topologia de la xarxa vascular de la retina considerant-la una xarxa complexa, podem detectar la presència de glaucoma i de retinopatia diabètica a través de diferències estructurals. Finalment, hem estudiat un làser amb injecció òptica, el qual presenta esdeveniments extrems en la sèrie temporal d’intensitat. Hem avaluat diferents mètodes per tal de predir-los