Open-Source Telemedicine Platform for Wireless Medical Video Communication

An m-health system for real-time wireless communication of medical video based on open-source software is presented. The objective is to deliver a low-cost telemedicine platform which will allow for reliable remote diagnosis m-health applications such as emergency incidents, mass population screening, and medical education purposes. The performance of the proposed system is demonstrated using five atherosclerotic plaque ultrasound videos. The videos are encoded at the clinically acquired resolution, in addition to lower, QCIF, and CIF resolutions, at different bitrates, and four different encoding structures. Commercially available wireless local area network (WLAN) and 3.5G high-speed packet access (HSPA) wireless channels are used to validate the developed platform. Objective video quality assessment is based on PSNR ratings, following calibration using the variable frame delay (VFD) algorithm that removes temporal mismatch between original and received videos. Clinical evaluation is based on atherosclerotic plaque ultrasound video assessment protocol. Experimental results show that adequate diagnostic quality wireless medical video communications are realized using the designed telemedicine platform. HSPA cellular networks provide for ultrasound video transmission at the acquired resolution, while VFD algorithm utilization bridges objective and subjective ratings

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

Mathematical modelling of end-to-end packet delay in multi-hop wireless networks and their applications to qos provisioning

This thesis addresses the mathematical modelling of end-to-end packet delay for Quality of Service (QoS) provisioning in multi-hop wireless networks. The multi-hop wireless technology increases capacity and coverage in a cost-effective way and it has been standardised in the Fourth-Generation (4G) standards. The effective capacity model approximates end-to-end delay performances, including Complementary Cumulative Density Function (CCDF) of delay, average delay and jitter. This model is first tested using Internet traffic trace from a real gigabit Ethernet gateway. The effective capacity model is developed based on single-hop and continuous-time communication systems but a multi-hop wireless system is better described to be multi-hop and time-slotted. The thesis extends the effective capacity model by taking multi-hop and time-slotted concepts into account, resulting in two new mathematical models: the multi-hop effective capacity model for multi-hop networks and the mixed continuous/discrete-time effective capacity model for time-slotted networks. Two scenarios are considered to validate these two effective capacity-based models based on ideal wireless communications (the physical-layer instantaneous transmission rate is the Shannon channel capacity): 1) packets traverse multiple wireless network devices and 2) packets are transmitted to or received from a wireless network device every Transmission Time Interval (TTI). The results from these two scenarios consistently show that the new mathematical models developed in the thesis characterise end-to-end delay performances accurately. Accurate and efficient estimators for end-to-end packet delay play a key role in QoS provisioning in modern communication systems. The estimators from the new effective capacity-based models are directly tested in two systems, faithfully created using realistic simulation techniques: 1) the IEEE 802.16-2004 networks and 2) wireless tele-ultrasonography medical systems. The results show that the estimation and simulation results are in good agreement in terms of end-to-end delay performances

Acesso banda larga sem fios em ambientes heterogéneos de próxima geração

Doutoramento em Engenharia InformáticaO acesso ubíquo à Internet é um dos principais desafios para os operadores de telecomunicações na próxima década. O número de utilizadores da Internet está a crescer exponencialmente e o paradigma de acesso "always connected, anytime, anywhere" é um requisito fundamental para as redes móveis de próxima geração. A tecnologia WiMAX, juntamente com o LTE, foi recentemente reconhecida pelo ITU como uma das tecnologias de acesso compatíveis com os requisitos do 4G. Ainda assim, esta tecnologia de acesso não está completamente preparada para ambientes de próxima geração, principalmente devido à falta de mecanismos de cross-layer para integração de QoS e mobilidade. Adicionalmente, para além das tecnologias WiMAX e LTE, as tecnologias de acesso rádio UMTS/HSPA e Wi-Fi continuarão a ter um impacto significativo nas comunicações móveis durante os próximos anos. Deste modo, é fundamental garantir a coexistência das várias tecnologias de acesso rádio em termos de QoS e mobilidade, permitindo assim a entrega de serviços multimédia de tempo real em redes móveis. Para garantir a entrega de serviços multimédia a utilizadores WiMAX, esta Tese propõe um gestor cross-layer WiMAX integrado com uma arquitectura de QoS fim-a-fim. A arquitectura apresentada permite o controlo de QoS e a comunicação bidireccional entre o sistema WiMAX e as entidades das camadas superiores. Para além disso, o gestor de cross-layer proposto é estendido com eventos e comandos genéricos e independentes da tecnologia para optimizar os procedimentos de mobilidade em ambientes WiMAX. Foram realizados testes para avaliar o desempenho dos procedimentos de QoS e mobilidade da arquitectura WiMAX definida, demonstrando que esta é perfeitamente capaz de entregar serviços de tempo real sem introduzir custos excessivos na rede. No seguimento das extensões de QoS e mobilidade apresentadas para a tecnologia WiMAX, o âmbito desta Tese foi alargado para ambientes de acesso sem-fios heterogéneos. Neste sentido, é proposta uma arquitectura de mobilidade transparente com suporte de QoS para redes de acesso multitecnologia. A arquitectura apresentada integra uma versão estendida do IEEE 802.21 com suporte de QoS, bem como um gestor de mobilidade avançado integrado com os protocolos de gestão de mobilidade do nível IP. Finalmente, para completar o trabalho desenvolvido no âmbito desta Tese, é proposta uma extensão aos procedimentos de decisão de mobilidade em ambientes heterogéneos para incorporar a informação de contexto da rede e do terminal. Para validar e avaliar as optimizações propostas, foram desenvolvidos testes de desempenho num demonstrador inter-tecnologia, composta pelas redes de acesso WiMAX, Wi-Fi e UMTS/HSPA.Ubiquitous Internet access is one of the main challenges for the telecommunications industry in the next decade. The number of users accessing the Internet is growing exponentially and the network access paradigm of “always connected, anytime, anywhere” is a central requirement for the so-called Next Generation Mobile Networks (NGMN). WiMAX, together with LTE, was recently recognized by ITU as one of the compliant access technologies for 4G. Nevertheless, WiMAX is not yet fully prepared for next generation environments, mainly due to the lack of QoS and mobility crosslayer procedures to support real-time multimedia services delivery. Furthermore, besides the 4G compliant WiMAX and LTE radio access technologies, UMTS/HSPA and Wi-Fi will also have a significant impact in the mobile communications during the next years. Therefore, it is fundamental to ensure the coexistence of multiple radio access technologies in what QoS and mobility procedures are concerned, thereby allowing the delivery of real-time services in mobile networks. In order to provide the WiMAX mobile users with the demanded multimedia services, it is proposed in this Thesis a WiMAX cross-layer manager integrated in an end-to-end all-IP QoS enabled architecture. The presented framework enables the QoS control and bidirectional communication between WiMAX and the upper layer network entities. Furthermore, the proposed cross-layer framework is extended with media independent events and commands to optimize the mobility procedures in WiMAX environments. Tests were made to evaluate the QoS and mobility performance of the defined architecture, demonstrating that it is perfectly capable of handling and supporting real time services without introducing an excessive cost in the network. Following the QoS and mobility extensions provided for WiMAX, the scope of this Thesis is broaden and a seamless mobility architecture with QoS support in heterogeneous wireless access environments is proposed. The presented architecture integrates an extended version of the IEEE 802.21 framework with QoS support, as well as an advanced mobility manager integrated with the IP level mobility management protocols. Finally, to complete the work within the framework of this Thesis, it is proposed an extension to the handover decisionmaking processes in heterogeneous access environments through the integration of context information from both the network entities and the enduser. Performance tests were developed in a real testbed to validate the proposed optimizations in an inter-technology handover scenario involving WiMAX, Wi-Fi and UMTS/HSPA

New Waves of IoT Technologies Research – Transcending Intelligence and Senses at the Edge to Create Multi Experience Environments

The next wave of Internet of Things (IoT) and Industrial Internet of Things (IIoT) brings new technological developments that incorporate radical advances in Artificial Intelligence (AI), edge computing processing, new sensing capabilities, more security protection and autonomous functions accelerating progress towards the ability for IoT systems to self-develop, self-maintain and self-optimise. The emergence of hyper autonomous IoT applications with enhanced sensing, distributed intelligence, edge processing and connectivity, combined with human augmentation, has the potential to power the transformation and optimisation of industrial sectors and to change the innovation landscape. This chapter is reviewing the most recent advances in the next wave of the IoT by looking not only at the technology enabling the IoT but also at the platforms and smart data aspects that will bring intelligence, sustainability, dependability, autonomy, and will support human-centric solutions.acceptedVersio

Réseaux de capteurs ubiquitous dans l'environnement NGN

Ubiquités Sensor Network (USN) is a conceptual network built over existing physical networks. It makes use of sensed data and provides knowledge services to anyone, anywhere and at anytime, and where the information is generated by using context awareness. Smart wearable devices and USNs are emerging rapidly providing many reliable services facilitating people life. Those very useful small end terminals and devices require a global communication substrate to provide a comprehensive global end user service. In 2010, the ITU-T provided the requirements to support USN applications and services in the Next Génération Network (NGN) environment to exploit the advantages of the core network. One of the main promising markets for the USN application and services is the e-Health. It provides continuous patients’ monitoring and enables a great improvement in medical services. On the other hand, Vehicular Ad-Hoc NETwork (VANET) is an emerging technology, which provides intelligent communication between mobile vehicles. Integrating VANET with USN has a great potential to improve road safety and traffic efficiency. Most VANET applications are applied in real time and they are sensitive to delay, especially those related to safety and health. In this work, we propose to use IP Multimedia Subsystem (IMS) as a service controller sub-layer in the USN environment providing a global substrate for a comprehensive end-to-end service. Moreover, we propose to integrate VANETs with USN for more rich applications and facilities, which will ease the life of humans. We started studying the challenges on the road to achieve this goalUbiquitous Sensor Network (USN) est un réseau conceptuel construit sur des réseaux physiques existantes. Il se sert des données détectées et fournit des services de connaissances à quiconque, n'importe où et à tout moment, et où l'information est générée en utilisant la sensibilité au contexte. Dispositifs et USN portables intelligents émergent rapidement en offrant de nombreux services fiables facilitant la vie des gens. Ces petits terminaux et terminaux très utiles besoin d'un substrat de communication globale pour fournir un service complet de l'utilisateur final global. En 2010, ITU -T a fourni les exigences pour supporter des applications et services USN dans le Next Generation Network (NGN) de l'environnement d'exploiter les avantages du réseau de base. L'un des principaux marchés prometteurs pour l'application et les services USN est la e- santé. Il fournit le suivi des patients en continu et permet une grande amélioration dans les services médicaux. D'autre part, des Véhicules Ad-hoc NETwork (VANET) est une technologie émergente qui permet une communication intelligente entre les véhicules mobiles. Intégrer VANET avec USN a un grand potentiel pour améliorer la sécurité routière et la fluidité du trafic. La plupart des applications VANET sont appliqués en temps réel et ils sont sensibles à retarder, en particulier ceux liés à la sécurité et à la santé. Dans ce travail, nous proposons d'utiliser l'IP Multimédia Subsystem (IMS) comme une sous- couche de contrôle de service dans l'environnement USN fournir un substrat mondiale pour un service complet de bout en bout. De plus, nous vous proposons d'intégrer VANETs avec USN pour des applications et des installations riches plus, ce qui facilitera la vie des humains. Nous avons commencé à étudier les défis sur la route pour atteindre cet objecti

An empirical study of the technological, organisational and environmental factors influencing South African medical enterprises' propensity to adopt electronic health technologies

Information and communication technologies can be used to deliver healthcare services and improve the healthcare system. Any electronic healthcare system whose usage results in the efficient and enhanced quality of healthcare is an eHealth system and can be beneficial for medical enterprises. Despite the advantages that eHealth systems offer, medical enterprises are often reluctant to abandon their paper-based systems and embrace eHealth solutions. Through a review of existing eHealth literature, this study identified generic technologies used within South African medical enterprises. Fourteen (14) technologies, that represent a basket of eHealth systems for supporting the business management, professional clinical informatics, patient information storage and consumer health informatics functional areas, were identified. The study then aimed to determine the state of adoption of these technologies as well as the factors influencing adoption. The technological, organisational and environmental (TOE) factors that contributed to the current state of adoption were identified through a review of existing TOE literature. A model that explores the effects of these pre-determined TOE factors on the propensity to adopt eHealth was developed and tested. A cross-sectional, quantitative study was carried out and survey data was collected from a sample of 130 medical enterprises in South Africa. Data was collected using a structured questionnaire. Correlation analysis was used to test the model’s hypotheses and hierarchical regression was used to test the overall TOE model. By using the TOE framework, the study has provided a theoretical contribution and addressed a gap in the literature into the barriers and determinants of the adoption of information and communication technologies (ICTs) in healthcare. The results of the study show that South African medical enterprises use systems that range from simple electronic fund transfer systems to more complex electronic record and clinical decision support systems. Of the 14 technologies that were identified, business information systems such as medical aid claims submission systems and electronic record systems for patient and fee related information were the most adopted while a steady, but continued increase in the adoption of clinical health information systems was observed. Specifically, the study reveals that electronic fund transfer systems are the most adopted systems while ePrescription systems are the least used. Furthermore, the study shows that in addition to the enterprises’ operating period, perceived benefits, IT infrastructure, senior clinician involvement, resource commitment and external pressure are correlated with the propensity to adopt while system complexity is a barrier to technology adoption

Intelligent Circuits and Systems

ICICS-2020 is the third conference initiated by the School of Electronics and Electrical Engineering at Lovely Professional University that explored recent innovations of researchers working for the development of smart and green technologies in the fields of Energy, Electronics, Communications, Computers, and Control. ICICS provides innovators to identify new opportunities for the social and economic benefits of society.　 This conference bridges the gap between academics and R&D institutions, social visionaries, and experts from all strata of society to present their ongoing research activities and foster research relations between them. It provides opportunities for the exchange of new ideas, applications, and experiences in the field of smart technologies and finding global partners for future collaboration. The ICICS-2020 was conducted in two broad categories, Intelligent Circuits & Intelligent Systems and Emerging Technologies in Electrical Engineering