論文の概要: MC-QDSNN: Quantized Deep evolutionary SNN with Multi-Dendritic Compartment Neurons for Stress Detection using Physiological Signals

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2410.04992v3
• Date: Fri, 25 Oct 2024 09:25:00 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-11-02 00:48:04.712436
• Title: MC-QDSNN: Quantized Deep evolutionary SNN with Multi-Dendritic Compartment Neurons for Stress Detection using Physiological Signals
• Title（参考訳）: MC-QDSNN:生理学的信号を用いたストレス検出のための多次元比較ニューロンを用いた量子化深部進化SNN
• Authors: Ajay B S, Phani Pavan K, Madhav Rao,
• Abstract要約: 本研究では,時系列データの効率的な処理の代替手段として,MCLeaky(Multi-Compartment Leaky)ニューロンを提案する。 提案したMCLeakyニューロンに基づくスパイキングニューラルネットワークモデルとその量子化モデルは、最先端(SOTA)スパイキングLSTMに対してベンチマークされた。 その結果、MCLeaky活性化ニューロンを持つネットワークは、98.8%の精度でストレスを検出することができた。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.474723404975345
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Long short-term memory (LSTM) has emerged as a definitive network for analyzing and inferring time series data. LSTM has the capability to extract spectral features and a mixture of temporal features. Due to this benefit, a similar feature extraction method is explored for the spiking counterparts targeting time-series data. Though LSTMs perform well in their spiking form, they tend to be compute and power intensive. Addressing this issue, this work proposes Multi-Compartment Leaky (MCLeaky) neuron as a viable alternative for efficient processing of time series data. The MCLeaky neuron, derived from the Leaky Integrate and Fire (LIF) neuron model, contains multiple memristive synapses interlinked to form a memory component, which emulates the human brain's Hippocampus region. The proposed MCLeaky neuron based Spiking Neural Network model and its quantized variant were benchmarked against state-of-the-art (SOTA) Spiking LSTMs to perform human stress detection, by comparing compute requirements, latency and real-world performances on unseen data with models derived through Neural Architecture Search (NAS). Results show that networks with MCLeaky activation neuron managed a superior accuracy of 98.8% to detect stress based on Electrodermal Activity (EDA) signals, better than any other investigated models, while using 20% less parameters on average. MCLeaky neuron was also tested for various signals including EDA Wrist and Chest, Temperature, ECG, and combinations of them. Quantized MCLeaky model was also derived and validated to forecast their performance on hardware architectures, which resulted in 91.84% accuracy. The neurons were evaluated for multiple modalities of data towards stress detection, which resulted in energy savings of 25.12x to 39.20x and EDP gains of 52.37x to 81.9x over ANNs, while offering a best accuracy of 98.8% when compared with the rest of the SOTA implementations.
• Abstract（参考訳）: 長期記憶(LSTM)は時系列データを解析・推論するための決定的なネットワークとして登場した。 LSTMは、スペクトル特徴と時間的特徴の混合を抽出する能力を持つ。 この利点により、時系列データを対象としたスパイキング手法として、同様の特徴抽出法が検討されている。 LSTMはそのスパイク形式では良好に機能するが、計算と電力集約性が高い傾向にある。 本研究は,時系列データの効率的な処理の代替手段として,MCLeaky(Multi-Compartment Leaky)ニューロンを提案する。 Leaky Integrate and Fire(LIF)ニューロンモデルに由来するMCLeakyニューロンは、結合された複数の分裂シナプスを含み、記憶成分を形成し、ヒト脳の海馬領域をエミュレートする。 提案したMCLeakyニューロンをベースとしたスパイキングニューラルネットワークモデルとその量子化モデルは、人間のストレス検出を行うための最先端(SOTA)スパイキングLSTMに対してベンチマークされた。 その結果、MCLeaky活性化ニューロンを持つネットワークは、平均で20%少ないパラメータを使用しながら、電気活動(EDA)信号に基づいてストレスを検出するのに98.8%の精度を達成した。 MCLeakyニューロンは、EDA WristやChest、温度、心電図、それらの組み合わせなどの様々な信号に対しても試験された。 量子MCLeakyモデルも導出され、ハードウェアアーキテクチャの性能を予測するために検証され、その結果91.84%の精度が得られた。 ニューロンはストレス検出のための複数のデータに対して評価され、その結果エネルギーは25.12xから39.20x、EDPは52.37xから81.9xとなり、他のSOTA実装と比較して98.8%の精度が得られた。

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