Geodesic length measurement in medical images: Effect of the discretization by the camera chip and quantitative assessment of error reduction methods

After interventions such as bypass surgeries the vascular function is checked qualitatively and remotely by observing the blood dynamics inside the vessel via Fluorescence Angiography. This state-of-the-art method has to be improved by introducing a quantitatively measured blood flow. Previous approaches show that the measured blood flow cannot be easily calibrated against a gold standard reference. In order to systematically address the possible sources of error, we investigated the error in geodesic length measurement caused by spatial discretization on the camera chip. We used an in-silico vessel segmentation model based on mathematical functions as a ground truth for the length of vessel-like anatomical structures in the continuous space. Discretization errors for the chosen models were determined in a typical magnitude of 6%. Since this length error would propagate to an unacceptable error in blood flow measurement, counteractions need to be developed. Therefore, different methods for the centerline extraction and spatial interpolation have been tested and compared against their performance in reducing the discretization error in length measurement by re-continualization. In conclusion, the discretization error is reduced by the re-continualization of the centerline to an acceptable range. The discretization error is dependent on the complexity of the centerline and this dependency is also reduced. Thereby the centerline extraction by erosion in combination with the piecewise Bézier curve fitting performs best by reducing the error to 2.7% with an acceptable computational time

Enhancing sea ice segmentation in Sentinel-1 images with atrous convolutions

Due to the growing volume of remote sensing data and the low latency required for safe marine navigation, machine learning (ML) algorithms are being developed to accelerate sea ice chart generation, currently a manual interpretation task. However, the low signal-to-noise ratio of the freely available Sentinel-1 Synthetic Aperture Radar (SAR) imagery, the ambiguity of backscatter signals for ice types, and the scarcity of open-source high-resolution labelled data makes automating sea ice mapping challenging. We use Extreme Earth version 2, a high-resolution benchmark dataset generated for ML training and evaluation, to investigate the effectiveness of ML for automated sea ice mapping. Our customized pipeline combines ResNets and Atrous Spatial Pyramid Pooling for SAR image segmentation. We investigate the performance of our model for: i) binary classification of sea ice and open water in a segmentation framework; and ii) a multiclass segmentation of five sea ice types. For binary ice-water classification, models trained with our largest training set have weighted F1 scores all greater than 0.95 for January and July test scenes. Specifically, the median weighted F1 score was 0.98, indicating high performance for both months. By comparison, a competitive baseline U-Net has a weighted average F1 score of ranging from 0.92 to 0.94 (median 0.93) for July, and 0.97 to 0.98 (median 0.97) for January. Multiclass ice type classification is more challenging, and even though our models achieve 2% improvement in weighted F1 average compared to the baseline U-Net, test weighted F1 is generally between 0.6 and 0.80. Our approach can efficiently segment full SAR scenes in one run, is faster than the baseline U-Net, retains spatial resolution and dimension, and is more robust against noise compared to approaches that rely on patch classification

Impact of sea ice drift retrieval errors, discretization and grid type on calculations of ice deformation

We studied two issues to be considered in the calculation of parameters characterizing sea ice deformation: the effect of uncertainties in an automatically retrieved sea ice drift field, and the influence of the type of drift vector grid. Sea ice deformation changes the local ice mass balance and the interaction between atmosphere, ice, and ocean, and constitutes a hazard to marine traffic and operations. Due to numerical effects, the results of deformation retrievals may predict, e.g., openings and closings of the ice cover that do not exist in reality. We focus specifically on fields of ice drift obtained from synthetic aperture radar (SAR) imagery and analyze the Propagated Drift Retrieval Error (PDRE) and the Boundary Definition Error (BDE). From the theory of error propagation, the PDRE for the calculated deformation parameters can be estimated. To quantify the BDE, we devise five different grid types and compare theoretical expectation and numerical results for different deformation parameters assuming three scenarios: pure divergence, pure shear, and a mixture of both. Our findings for both sources of error help to set up optimal deformation retrieval schemes and are also useful for other applications working with vector fields and scalar parameters derived therefrom

Intraoperative, Quantitative, and Non-Contact Blood Volume Flow Measurement via Indocyanine Green Fluorescence Angiography

In vielen Fällen unterziehen sich Patienten einer Revaskularisationsoperation wenn sie an einer zerebrovaskulären Erkrankung leiden, die eine Hypoperfusion des Gehirns verursacht. Dieser chirurgische Eingriff wird häufig als offene Operation durchgeführt und hat das Ziel, die Gefäßfunktion, insbesondere den Blutfluss, wiederherzustellen. Hierzu wird eine Anastomose (Verbindung von Arterien) angelegt, um den Fluss zu einem hypoperfundierten Gehirnareal zu erhöhen. In ungefähr 10% der Eingriffe treten nach der Operation Komplikationen auf, die zum Teil auf eine unzureichende Durchflusssteigerung zurückgeführt werden. Daher sollte der Blutfluss intraoperativ überprüft werden, um die Qualität des Eingriffs im Operationssaal zu beurteilen und schnell eingreifen zu können. Damit könnte ein negativer Ausgang für den Patienten verhindert werden. Der derzeitige Stand der Technik in der intraoperativen und quantitativen Blutflussmessung ist die Nutzung der Ultraschall-Transitzeit-Durchflusssonde. Sie gibt einen quantitativen Flusswert an, muss jedoch das Gefäß umschließen. Dies ist einerseits umständlich für den Chirurgen und andererseits birgt es das Risiko von Kontaminationen, Gefäßquetschungen und der Gefäßruptur. Eine alternative Methode ist die Indocyaningrün (ICG) Fluoreszenzangiographie (FA), welche eine kamerabasierte Methode ist. Sie ist der Stand der Technik in der hochauflösenden anatomischen Visualisierung des Situs und kann zusätzlich dem Chirurgen eine qualitative funktionelle Darstellung der Gefäße im Sichtfeld liefern. Der Stand der Wissenschaft zur Quantifizierung des Blutflusses mittels ICG-FA konnten bisher keine verlässlichen Fluss- werte liefern. Die vorliegende Arbeit analysiert und verbessert die Eignung von ICG FA zu Bereitstellung von verlässlichen und quantitativen Blutflusswerten, indem 1. geklärt wird, wie akkurat die Messung durchgeführt werden kann. 2. Methoden zur Verbesserung der Genauigkeit entwickelt werden. 3. die Existenz eines systematischen Fehlers abgeleitet wird. 4. eine Methode zur Kompensation des systematischen Fehlers entwickelt wird. 5. ein Algorithmus zur Verarbeitung der eingehenden Videodaten für eine Ausgabe eines Durchflusswertes bereitgestellt wird. 6. die Validierung der vorgeschlagenen Methoden und des Arbeitsablaufs in einer ex vivo und in vivo Studie durchgeführt wird. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Messung basiert auf dem systemic mean transit time theorem für Systeme mit einem Eingang und einem Ausgang. Um den Fluss zu berechnen müssen die Transitzeit eines ICG-Bolus für eine zu bestimmenden Strecke und die Querschnittsfläche des Gefäßes ermittelt werden. Es wurden Methoden entwickelt, um den Blutvolumenstrom zu messen und um Fehlerquellen bei dieser Messung der einzelnen Parameter zu identifizieren, quantifizieren und reduzieren. Die statistischen Fehler bei der Messung der Transitstrecke und der Transitzeit des ICG- Bolus sowie der Querschnittsfläche des Gefäßes werden in der Forschung oft vernachlässigt. In dieser Arbeit wurden die Fehler mit Hilfe von in silico Modellen quantifiziert. Es zeigte sich, dass der Fehler zu groß für eine zuverlässige Blutflussmessung ist und daher Methoden zu seiner Reduzierung benötigt werden. Um den Fehler bei der Längenmessung deutlich zu reduzieren, wurde eine Methode vorgestellt, welche die diskrete Mittellinie wieder in eine kontinuierliche überführt. Dabei wird der Fehler in der Längenmessung signifikant reduziert und der Fehler von der räumlichen Orientierung der Struktur entkoppelt. In ähnlicher Weise wurde eine Methode vorgestellt, welche die gemessenen diskreten Indikatorverdünnungskurven (IDCs) ebenso in kontinuierliche überführt, um den Fehler in der Laufzeitmessung des ICG-Bolus zu reduzieren. Der propagierte statistische Fehler der Blutflussmessung wurde auf einen akzeptablen und praktikablen Wert von 20 % bis 30 % reduziert. Die Präsenz eines systematischen Fehlers bei der optischen Messung des Blutflusses wurde identifiziert und aus der Definition des Volumenflusses theoretisch abgeleitet. Folgend wird eine Methode zur Kompensation des Fehlers vorgestellt. Im ersten Schritt wird eine Fluid-Strömungssimulation genutzt, um die räumlich-zeitliche Konzentration des ICG in einem Blutgefäß zu berechnen. Anschließend wird die Konzentration an ein neu entwickeltes Fluoreszenz-Monte-Carlo-Multizylinder (FMCMC) Modell übergeben, das die Ausbreitung von Photonen in einem Gefäß simuliert. Dabei wird der Ort der Fluoreszenzereignisse der emittierten Photonen ermittelt und der systematische Fehler bestimmt. Dies ermöglicht die Kompensation des systematischen Fehlers. Es zeigte sich, dass dieser Fehler unabhängig von dem Volumenfluss ist, solange die Strömung laminar ist, aber abhängig vom Durchmesser des Gefäßes und dem Zeitpunkt der Messung. Die Abhängigkeit vom Durchmesser ist reduziert bei Messungen zu einem früheren Zeitpunkt. Daher ist es vorteilhaft, die erste Ankunft des ICG-Bolus zur Bestimmung der Transitzeit zu verwenden, um den Einfluss des Durchmessers auf den Fehler zu verringern und somit die Messung robuster durchzuführen. Um die Genauigkeit der Messung in einem Experiment zu beweisen, wurde ein ex vivo Experiment unter Verwendung von Schweineblut und Kaninchen Aorten konzipiert und durchgeführt. Es zeigte sich, dass der durch den vorgeschlagenen Algorithmus ermittelte Fluss mit der Referenzmessung (einem industriellem Durchflussmesser) übereinstimmt. Die statistische Streuung der gemessenen Flussdaten durch den Algorithmus stimmte mit der zuvor ermittelten statistischen Fehlerspanne überein, was den in silico Ansatz validiert. Es wurde eine retrospektive in vivo Studie an Menschen durchgeführt, die sich einer extrakraniellen-zu-intrakraniellen (EC-IC) Bypass Operation unterzogen hatten. Die Analyse der FA-Daten ergab eine gute Übereinstimmung mit der klinischen Referenzmethode, jedoch mit dem großen Vorteil, dass kein Kontakt zum Gewebe erforderlich war. Zusätzlich wurde gezeigt, dass simultan Flusswerte für mehrere Gefäße im Sichtfeld der Kamera gemessen werden können. Die vorgestellten Ergebnisse sind ein Proof of Concept für die Eignung der vorgestellten intraoperativen, quantitativen und optischen Messung des Blutvolumenstroms mittels ICG FA. Diese Arbeit ebnet den Weg für den klinischen Einsatz dieser Methode in Ergänzung zum aktuellen klinischen Stand der Technik. Sie könnte zukünftig dem Chirurgen eine neuartige Messung des Blutvolumenstroms zur Verfügung stellen und dabei potentiell das Risiko einer Komplikation reduzieren und damit das Wohl der Patienten verbessern