1/23 Ant Colony Optimization for Hyperbox Clustering and its Application to HPV Virus Classification...

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1/23 Ant Colony Optimization for Hyperbox Clustering and its Application to HPV Virus Classification ハハハハハハハハ ハハハハハハハハハハハハハハハ ハハハハハハハ ・・ HPV ハハハハハハハハハハ 知知知知知知知知知知 知知知知知 Guilherme Novaes RAMOS 04M35692

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Ant Colony Optimization for Hyperbox Clustering and its Application to HPV Virus Classificationハイパーボックス・クラスタリングのためのアント・コロニ最適化とHPVウィルス判別への応用

知能システム科学専攻 廣田研究室Guilherme Novaes RAMOS

04M35692

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Pattern recognition Text Speech Image Customer profile Chemical compounds Microarrays …

Motivation

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Human PapillomaVirus

HPV virus

HPV symptom

Cervical HPVs Oral HPVs

Research is not very advanced

Proper treatment

Local risk profile

Cancer

Early diagnosis

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Proposal Hyperbox

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Background:Ant Colony Optimization

Dorigo [IEEE, 97]

Characteristics Versatile Robust Population based

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3

Background:Hyperboxes Simpson [91]

Defines a region in an n-dimensional space

Described by 2 vectors

Simplest classifierIf x H1 Then x Class 1

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Background:Existing applications ACO

Cemetery approach Partition matrix

Hyperbox Min-max fuzzy neural networks

Pattern classification Clustering

Classifiers

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Hyperbox clustering with Ant Colony Optimization

Ants scatter hyperboxes in the feature space

Objective: maximize hyperbox density

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HACOInitialization

Start

Build solution

Local optimization

Update pheromone

Criteria?

Stop

Load data

Define C

Initialize pheromone

Y

N

1/6

Define Clusters

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HACO

ExploitationExploration

Probability

Assign hyperbox

2/6

Initialization

Start

Build solution

Local optimization

Update pheromone

Criteria?

Stop

Y

N

Define Clusters

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HACO Hyperbox density

Generate neighbor

Change solution

N

Y

Probability

Density?

3/6

Initialization

Start

Build solution

Local optimization

Update pheromone

Criteria?

Stop

Y

N

Define Clusters

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HACO

ij : pheromone value : trail persistance best : hyperbox density

of best solution

4/6

Initialization

Start

Build solution

Local optimization

Update pheromone

Criteria?

Stop

Y

N

Define Clusters

bestijij tt )1()(

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HACO Fitness (density) Number of

iterations Comparison with

previous solutions …

5/6

0.85

0.86

0.87

0.88

0.89

0.9

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

1 61 121181241301361 421481541601661721781841901961

HACO

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1 62 123184 245306367428489550611672733794 855916977

ACO

Initialization

Start

Build solution

Local optimization

Update pheromone

Criteria?

Stop

Y

N

Define Clusters

Density

Iteration

Fitness

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HACO Overlapping Nearest neighbor

6/6

Initialization

Start

Build solution

Local optimization

Update pheromone

Criteria?

Stop

Y

N

Define Clusters

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Specifications Pentium M 1.6GHz, 512 MB of RAM C++ Suse Linux

Data sets 3 computer generated HPV

Experiments

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Experiments - Dataset 1

1/6

FCMACOHACO

150 samples, 2 dimensions

NN

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Experiments - Dataset 2

2/6

FCMACOHACO

302 samples, 2 dimensions

NN

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Experiments - Dataset 3

3/6

FCMACOHACO

600 samples, 2 dimensions

NN

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Experiments - Results

4/6

NN FCM ACOTime

Fitness Accuracy Time Fitness Accuracy Time Fitness Accuracy

DS1 0.02

889.5 100% 0.04 913.6 74% 6.1 477.5 70.7%

DS2 0.05

19164.6

100% 0.1 24457.4

48.7% 16.2 11089.2

56%

DS3 0.10

594.1 100% 0.2 1743.7 100% 33 4754.6 72.2%

HACO

D = 1 D = 2 D = 3Time

Fitness Accuracy Time Fitness Accuracy Time Fitness Accuracy

DS1 3.5 889.5 100% 1 889.5 100% 1 489.89 65.3%

DS2 33.8

19164.6

100% 9.9 19164.6

100% 6.1 19164.6

100%

DS3 33.8

594.1 100% 10 594.1 100% 5.1 594.1 100%

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Experiments - HPV Data Department of stomatology Dentistry School

Characteristics 199 samples 42 attributes

5/6

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Experiments - Results

6/6

NN FCM ACOTime

Fitness Accuracy Time Fitness Accuracy Time Fitness Accuracy

HPV 0.30

49534.3

68.4% 0.70 21880.3

50.8% 42.0 12452.4

52.6%

HACO

D = 1 D = 2 D = 3Time

Fitness Accuracy Time Fitness Accuracy Time Fitness Accuracy

HPV 5.80

25555.1

71.4% 2 31918.1

68.1% 1 31522.1

67.6%

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Conclusions Pattern recognition

Probable HPV risk profile

Advantages Higher accuracy Competitive runtime

ACO  (HPV) 29.1% - 36.3% more accurate 82.6% - 97.6% faster

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Perspectives

Test with larger data sets Automatic parameter setting Hyperbox shape optimization Compare/Apply other tools

GA SOM …

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Thank you for your attention

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HPV statistics

Over 100 viruses

500,000 new cases of cancer diagnosed each year

200,000 deaths each year

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Parameters

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Hyperbox Number

: search space ratio n : attributes Dk : k-th dimension length xk : k-th attribute of samples

n

k k

k

D

xrangeroundC

1

)(

1/6