Design and evaluation of echocardiograms codification and transmission for Teleradiology systems

Las enfermedades cardiovasculares son la mayor causa de muerte en el mundo. Aunque la mayoría de muertes por cardiopatías se puede evitar, si las medidas preventivas no son las adecuadas el paciente puede fallecer. Es por esto, que el seguimiento y diagnóstico de pacientes con cardiopatías es muy importante. Numerosos son las pruebas médicas para el diagnostico y seguimiento de enfermedades cardiovasculares, siendo los ecocardiogramas una de las técnicas más ampliamente utilizada. Un ecocardiograma consiste en la adquisición de imágenes del corazón mediante ultrasonidos. Presenta varias ventajas con respecto otras pruebas de imagen: no es invasiva, no produce radiación ionizante y es barata. Por otra parte, los sistemas de telemedicina han crecido rápidamente ya que ofrecen beneficios de acceso a los servicios médicos, una reducción del coste y una mejora de la calidad de los servicios. La telemedicina proporciona servicios médicos a distancia. Estos servicios son de especial ayuda en casos de emergencia médica y para áreas aisladas donde los hospitales y centros de salud están alejados. Los sistemas de tele-cardiología pueden ser clasificados de acuerdo al tipo de pruebas. En esta Tesis nos hemos centrado en los sistemas de tele-ecocardiografia, ya que los ecocardiogramas son ampliamente usados y presentan el mayor reto al ser la prueba médica con mayor flujo de datos. Los mayores retos en los sistemas de tele-ecocardiografia son la compresión y la transmisión garantizando que el mismo diagnóstico es posible tanto en el ecocardiograma original como en el reproducido tras la compresión y transmisión. Los ecocardiogramas deben ser comprimidos tanto para su almacenamiento como para su transmisión ya que estos presentan un enorme flujo de datos que desbordaría el espacio de almacenamiento y no se podría transmitir eficientemente por las redes actuales. Sin embargo, la compresión produce pérdidas que pueden llevar a un diagnostico erróneo de los ecocardiogramas comprimidos. En el caso de que las pruebas ecocardiograficas quieran ser guardadas, una compresión clínica puede ser aplicada previa al almacenamiento. Esta compresión clínica consiste en guardar las partes del ecocardiograma que son importantes para el diagnóstico, es decir, ciertas imágenes y pequeños vídeos del corazón en movimiento que contienen de 1 a 3 ciclos cardiacos. Esta compresión clínica no puede ser aplicada en el caso de transmisión en tiempo real, ya que es el cardiólogo especialista quien debe realizar la compresión clínica y éste se encuentra en recepción, visualizando el echocardiograma transmitido. En cuanto a la transmisión, las redes sin cables presentan un mayor reto que las redes cableadas. Las redes sin cables tienen un ancho de banda limitado, son propensas a errores y son variantes en tiempo lo que puede resultar problemático cuando el ecocardiograma quiere ser transmitido en tiempo real. Además, las redes sin cables han experimentado un gran desarrollo gracias a que permiten un mejor acceso y movilidad, por lo que pueden ofrecer un mayor servicio que las redes cableadas. Dos tipos de sistemas se pueden distinguir acorde a los retos que presenta cada uno de ellos: los sistemas de almacenamiento y reenvió y los sistemas de tiempo real. Los sistemas de almacenamiento y reenvió consisten en la adquisición, almacenamiento y el posterior envió del ecocardiograma sin requerimientos temporales. Una compresión clínica puede ser llevada a cabo previa al almacenamiento. Además de la compresión clínica, una compresión con pérdidas es recomendada para reducir el espacio de almacenamiento y el tiempo de envío, pero sin perder l ainformación diagnóstica de la prueba. En cuanto a la transmisión, al no haber requerimientos temporales, la transmisión no presenta ninguna dificultad. Cualquier protocolo de transmisión fiable puede ser usado para no perder calidad en la imagen debido a la transmisión. Por lo tanto, para estos sistemas sólo nos hemos centrado en la codificación de los ecocardiogramas. Los sistemas de tiempo real consisten en la transmisión del ecocardiograma al mismo tiempo que éste es adquirido. Dado que el envío de video clínico es una de las aplicaciones con mayor demanda de ancho de banda, la compresión para la transmisión es requerida, pero manteniendo la calidad diagnóstica de la imagen. La transmisión en canales sin cables puede ser afectada por errores que distorsionan la calidad del ecocardiograma reconstruido en recepción. Por lo tanto, métodos de control de errores son requeridos para minimizar los errores de transmisión y el retardo introducido. Sin embargo, aunque el ecocardiograma sea visualizado con errores debido a la transmisión, esto no implica que el diagnóstico no sea posible. Dados los retos previamente descritos, las siguientes soluciones para la evaluación clínica, compresión y transmisión han sido propuestas: - Para garantizar que el ecocardiograma es visualizado sin perder información diagnóstica 2 tests han sido diseñados. El primer test define recomendaciones para la compresión de los ecocardiogramas. Consiste en dos fases para un ahorro en el tiempo de realización, pero sin perder por ello exactitud en el proceso de evaluación. Gracias a este test el ecocardiograma puede ser comprimido al máximo sin perder calidad diagnóstica y utilizando así más eficientemente los recursos. El segundo test define recomendaciones para la visualización del ecocardiograma. Este test define rangos de tiempo en los que el ecocardiograma puede ser visualizado con inferior calidad a la establecida en el primer test. Gracias a este test se puede saber si el ecocardiograma es visualizado sin pérdida de calidad diagnóstica cuando se introducen errores en la visualización, sin la necesidad de realizar una evaluación para cada video transmitido o diferentes condiciones de canal. Además, esta metodología puede ser aplicada para la evaluación de otras técnicas de diagnóstico por imagen. - Para la compresión de ecocardiogramas dos métodos de compresión han sido diseñados, uno para el almacenamiento y otro para la transmisión. Diferentes propuestas son diseñadas, ya que los ecocardiogramas para los dos propósitos tienen características diferentes. Para ambos propósitos un método de compresión en la que las facilidades que incorporan los dispositivos de segmentar la imagen y en la que las características de visualización de los ecocardiogramas han sido tenidas en cuenta ha sido diseñado. Para la compresión del ecocardiograma con el propósito de almacenarlo un formato de almacenamiento fácilmente integrable con DICOM basado en regiones y en el que el tipo de datos y la importancia clínica de cada región es tenido en cuenta ha sido diseñado. DICOM es el formato para el almacenamiento y transmisión de imágenes más ampliamente utilizado actualmente. El formato de compresión propuesto supone un ahorra de hasta el 75 % del espacio de almacenamiento con respecto a la compresión con JPEG 2000, actualmente soportado por DICOM, sin perder calidad diagnostica de la imagen. Los ratios de compresión para el formato propuesto dependen de la distribución de la imagen, pero para una base de datos de 105 ecocardiogramas correspondientes a 4 ecógrafos los ratios obtenidos están comprendidos entre 19 y 41. Para la compresión del ecocardiograma con el propósito de la transmisión en tiempo real un método de compresión basado en regiones en el que el tipo de dato y el modo de visualización han sido tenidos en cuenta se ha diseñado. Dos modos de visualización son distinguidos para la compresión de la región con mayor importancia clínica (ultrasonido), los modos de barrido y los modos 2-D. La evaluación clínica diseñada para las recomendaciones de compresión fue llevada a cabo por 3 cardiologos, 9 ecocardiogramas correspondientes a diferentes pacientes y 3 diferentes ecógrafos. Los ratios de transmisión recomendados fueron de 200 kbps para los modos 2-D y de 40 kbps para los modos de barrido. Si se comparan estos resultados con previas soluciones en la literatura un ahorro mínimo de entre 5 % y el 78 % es obtenido dependiendo del modo. - Para la transmisión en tiempo real de ecocardiogramas un protocolo extremo a extremo basada en el método de compresión por regiones ha sido diseñado. Este protocolo llamado ETP de las siglas en inglés Echocardiogram Transmssion Protocol está diseñado para la compresión y transmisión de las regiones por separado, pudiendo así ofrecer diferentes ratios de compresión y protección de errores para las diferentes regiones de acuerdo a su importancia diagnostica. Por lo tanto, con ETP el ratio de transmisión mínimo recomendado para el método de compresión propuesto puede ser utilizado, usando así eficientemente el ancho de banda y siendo menos sensible a los errores introducidos por la red. ETP puede ser usado en cualquier red, sin embargo, en el caso de que la red introduzca errores se ha diseñado un método de corrección de errores llamado SECM, de las siglas en inglés State Error Control Method. SECM se adapta a las condiciones de canal usando más protección cuando las condiciones empeoran y usando así el ancho de banda eficientemente. Además, la evaluación clínica diseñada para las recomendaciones de visualización ha sido llevada a cabo con la base de datos de la evaluación previa. De esta forma se puede saber si el ecocardiograma es visualizado sin pérdida diagnostica aunque se produzcan errores de transmisión. En esta tesis, por lo tanto, se ha ofrecido una solución para la transmisión en tiempo real y el almacenamiento de ecocardiogramas preservando la información diagnóstica y usando eficientemente los recursos (disco de almacenamiento y ratio de transmisión). Especial soporte se da para la transmisión en redes sin cables, dando soluciones a las limitaciones que estas introducen. Además, las soluciones propuestas han sido probadas y comparadas con otras técnicas con una red de acceso móvil WiMAX, demostrando que el ancho de banda es eficientemente utilizado y que el ecocardiograma es correctamente visualizado de acuerdo con las recomendaciones de visualización dadas por la evaluación clínica

Evaluation of microwave landing system approaches in a wide-body transport simulator

The objective of this study was to determine the suitability of flying complex curved approaches using the microwave landing system (MLS) with a wide-body transport aircraft. Fifty pilots in crews of two participated in the evaluation using a fixed-base simulator that emulated an MD-11 aircraft. Five approaches, consisting of one straight-in approach and four curved approaches, were flown by the pilots using a flight director. The test variables include the following: (1) manual and autothrottles; (2) wind direction; and (3) type of navigation display. The navigation display was either a map or a horizontal situation indicator (HSI). A complex wind that changed direction and speed with altitude, and included moderate turbulence, was used. Visibility conditions were Cat 1 or better. Subjective test data included pilot responses to questionnaires and pilot comments. Objective performance data included tracking accuracy, position error at decision height, and control activity. Results of the evaluation indicate that flying curved MLS approaches with a wide-body transport aircraft is operationally acceptable, depending upon the length of the final straight segment and the complexity of the approach

Evaluating the Performance of Ultra-Low-Field MRI for In-vivo 3D Current Density Imaging of the Human Head

Magnetic fields associated with currents flowing in tissue can be measured non-invasively by means of zero-field-encoded ultra-low-field magnetic resonance imaging (ULF MRI) enabling current density imaging (CDI) and possibly conductivity mapping of human head tissues. Since currents applied to a human are limited by safety regulations and only a small fraction of the current passes through the relatively high-resistive skull, a sufficient signal-to-noise ratio (SNR) may be difficult to obtain when using this method. In this work, we study the relationship between the image SNR and the SNR of the field reconstructions from zero-field-encoded data. We evaluate these results for two existing ULF MRI scanners, one ultra-sensitive single-channel system and one whole-head multi-channel system, by simulating sequences necessary for current-density reconstruction. We also derive realistic current-density and magnetic-field estimates from finite-element-method simulations based on a three-compartment head model. We found that existing ULF-MRI systems reach sufficient SNR to detect intra-cranial current distributions with statistical uncertainty below 10%. However, they also reveal that image artifacts influence the reconstruction quality. Further, our simulations indicate that current-density reconstruction in the scalp requires a resolution less than 5 mm and demonstrate that the necessary sensitivity coverage can be accomplished by multi-channel devices.Comment: 18 pages, 8 figures. This project has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 68686

Study of various metrics evaluating color quality of light sources

CIE (Commission Internationale del Eclairage) color rendering index (CRI) is the only internationally recognized and widely used metric to assess color rendering abilities of light sources. Despite its simplicity, CIE CRI has many shortcomings. These include outdated color space and outdated chromatic adaptation formula. CIE established technical committees several times to tackle the problems with CIE CRI. However, every committee was closed in five to ten years as they could not find a solution that every member would agree upon. One such committee formed by CIE in 2006 is CIE TC 1-69 (Color Rendition by White Light Sources). The aim of CIE TC 1-69 is to recommend new assessment procedures for assessing the color rendition properties of white-light source used for illumination. A wide variety of approaches have been proposed. Till now nine metrics have been submitted to CIE TC 1-69. Some of the proposed metrics address specific aspect of color rendition while other metrics try to intregate more than one aspects of color rendition. CIE is in the process of developing and recommending a new final metric. This work provides walk-through of various metrics to evaluate color quality of light sources. Altogether fourteen different metrics are discussed. This work also discusses how the new metrics will solve the limitations of CIE CRI

Ovarian Cancer Data Analysis using Deep Learning: A Systematic Review from the Perspectives of Key Features of Data Analysis and AI Assurance

Background and objectives: By extracting this information, Machine or Deep Learning (ML/DL)-based autonomous data analysis tools can assist clinicians and cancer researchers in discovering patterns and relationships from complex data sets. Many DL-based analyses on ovarian cancer (OC) data have recently been published. These analyses are highly diverse in various aspects of cancer (e.g., subdomain(s) and cancer type they address) and data analysis features. However, a comprehensive understanding of these analyses in terms of these features and AI assurance (AIA) is currently lacking. This systematic review aims to fill this gap by examining the existing literature and identifying important aspects of OC data analysis using DL, explicitly focusing on the key features and AI assurance perspectives. Methods: The PRISMA framework was used to conduct comprehensive searches in three journal databases. Only studies published between 2015 and 2023 in peer-reviewed journals were included in the analysis. Results: In the review, a total of 96 DL-driven analyses were examined. The findings reveal several important insights regarding DL-driven ovarian cancer data analysis: - Most studies 71% (68 out of 96) focused on detection and diagnosis, while no study addressed the prediction and prevention of OC. - The analyses were predominantly based on samples from a non-diverse population (75% (72/96 studies)), limited to a geographic location or country. - Only a small proportion of studies (only 33% (32/96)) performed integrated analyses, most of which used homogeneous data (clinical or omics). - Notably, a mere 8.3% (8/96) of the studies validated their models using external and diverse data sets, highlighting the need for enhanced model validation, and - The inclusion of AIA in cancer data analysis is in a very early stage; only 2.1% (2/96) explicitly addressed AIA through explainability

Evaluation of the visual pathway with ERG, mfERG and mfVEP in inherited eye disorders

This thesis will describe the clinical phenotypes, with emphasis on electrophysiology, in patients with different hereditary eye diseases and to further evaluate and modify the mfVEP technique for clinical use. Bothnia Dystrophy is a tapetoretinal disorder with a mutation in the RLBP1 gene. Early in the disease the fundus may have a normal appearance. The full-field ERG demonstrates an absence of the rod response but normal amplitudes for the cones. However, after prolonged dark adaptation the rods recover completely. MfERG can be used for objective documentation of the disturbed macular function. Patients with retinitis pigmentosa may not always follow the typical natural course of the disorder with progressive loss of the central visual fields, which may in some patients remain unaffected for several decades. MfERG and mfVEP may be of clinical use in evaluating remaining visual function in these patients. Patients with dominant optic atrophy and a known mutation in the OPA-1 gene have a very variable clinical phenotype. MfVEP and ocular blood flow measurements are two new methods for improved identification and characterization of this disorder. A patient with a known mutation for Leber`s hereditary optic neuropathy (LHON) was followed during the acute stage of the disease with mfVEP, demonstrating a correlation to the progression of the disease. The mfVEP may be of clinical value as an objective method for monitoring the course of this disease. MfVEP demonstrates the cortical response corresponding to the central visual field. An improvement for the clinical value of the method was the use of an IR-camera for both stimulation and for controlling the fixation. By introducing a two channel system it was possible to describe the uncrossed/crossed visual pathways and analyze inter-ocular differences