Effectiveness of Machine Learning Classifiers for Cataract Screening

Cataract is the leading cause of blindness and vision loss globally. The implementation of artificial intelligence (AI) in the healthcare industry has been on the rise in the past few decades and machine learning (ML) classifiers have shown to be able to diagnose patients with cataracts. A systematic review and meta-analysis were conducted to assess the diagnostic accuracy of these ML classifiers for cataracts currently published in the literature. Retrieved from nine articles, the pooled sensitivity was 94.8% and the specificity was 96.0% for adult cataracts. Additionally, an economic analysis was conducted to explore the cost-effectiveness of implementing ML to diagnostic eye camps in rural Nepal compared to traditional diagnostic eye camps. There was a total of 22,805 patients included in the decision tree, and the ML-based eye camp was able to identify 31 additional cases of cataracts, and 2546 additional cases of non-cataract

Associations of Environmental Risk Factors with Age-Related Cataract and Glaucoma

Cataract and Glaucoma are two leading causes of visual impairment and blindness, showing an increasing prevalence with age. However, in spite of this significance, the etiology of age-related cataract (ARC) or glaucoma is still unclear. Previous studies implied that although genes play a role in the development of ARC and glaucoma, knowledge regarding the influence of environmental factors is also emerging. Much evidence suggests that oxidative stress increases the risk of ARC and glaucoma, while heavy metal exposure, a well-known source of increased oxidative stress, may be linked to the risk of disease. However, for glaucoma, previous epidemiological studies on heavy metals were mainly conducted in Asian populations and were cross-sectional, raising concerns related to causal inferences and problems of reverse causality. Furthermore, lead exposure measurements were based on blood or hair lead levels, reflecting relatively recent doses, which limits inferences regarding chronic effects of cumulative exposure. For cataract, studies on the association of environmental pollutants other than heavy metals with ARC were very limited. We thus examined the following three aims: 1) the association between bone lead levels measured via K x-ray fluorescence and incident primary open-angle glaucoma (POAG); 2) effect modification by dietary patterns and dietary vitamin intake in the association between bone lead levels and incident POAG; and 3) a two-stage environment-wide association study (EWAS) to discover potential environmental risk factors for cataract surgery. Aims 1 and 2 were conducted using data from the Normative Aging Study, a prospective cohort study established by the United States Department of Veterans Affairs. Aim 3 utilized data from the National Health and Nutrition Examination Survey (NHANES), a national population-based public dataset established by the United States Centers for Disease Control and Prevention. We found that bone lead may be an important risk factor of POAG. A 10-fold increase in patella lead level was associated with more than 5-fold higher risk of POAG during 15 years of follow-up. Further analysis on effect modification by dietary pattern suggests that people who had high adherence to prudent dietary pattern, which contains plentiful legumes, vegetables, seafood, onions, tomatoes, fruits and poultry, were less susceptible to the toxicity of patella lead on the risk of POAG. For cataract, we found that urinary heavy metals (cadmium, cobalt and tungsten), and serum PCBs 44 and 49, were positively associated with cataract surgery by using the conventional EWAS approach. We further identified urinary mono-(3-carboxypropyl) phthalate and two VOCs (urinary N-acetyl-S-(3-hydroxypropyl-1-methyl)-L-cysteine and urinary N-acetyl-S- (3-hydroxypropyl)-L-cysteine) as potential risk factors for cataract via weighted EWAS approach accounting for biological half-lives of pollutants. This dissertation revealed the effects of multiple unrecognized environmental risk factors for glaucoma and cataract. Our research can help better understand the role of environmental risk factors in the pathogenesis of ARC and POAG, providing new ideas for interventions regarding these two important ocular diseases, and ultimately decrease the global burden of visual impairment and blindness effectively.PHDEpidemiological ScienceUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/147654/1/weiyew_1.pd

Surgical Data Science - from Concepts toward Clinical Translation

Recent developments in data science in general and machine learning in particular have transformed the way experts envision the future of surgery. Surgical Data Science (SDS) is a new research field that aims to improve the quality of interventional healthcare through the capture, organization, analysis and modeling of data. While an increasing number of data-driven approaches and clinical applications have been studied in the fields of radiological and clinical data science, translational success stories are still lacking in surgery. In this publication, we shed light on the underlying reasons and provide a roadmap for future advances in the field. Based on an international workshop involving leading researchers in the field of SDS, we review current practice, key achievements and initiatives as well as available standards and tools for a number of topics relevant to the field, namely (1) infrastructure for data acquisition, storage and access in the presence of regulatory constraints, (2) data annotation and sharing and (3) data analytics. We further complement this technical perspective with (4) a review of currently available SDS products and the translational progress from academia and (5) a roadmap for faster clinical translation and exploitation of the full potential of SDS, based on an international multi-round Delphi process

Generation of Artificial Image and Video Data for Medical Deep Learning Applications

Neuronale Netze haben in den letzten Jahren erstaunliche Ergebnisse bei der Erkennung von Ereignissen im Bereich der medizinischen Bild- und Videoanalyse erzielt. Dabei stellte sich jedoch immer wieder heraus, dass ein genereller Mangel an Daten besteht. Dieser Mangel bezieht sich nicht nur auf die Anzahl an verfügbaren Datensätzen, sondern auch auf die Anzahl an individuellen Stichproben, das heißt an unabhängigen Bildern und Videos, in bestehenden Datensätzen. Das führt wiederum zu einer schlechteren Erkennungsgenauigkeit von Ereignissen durch das neuronale Netz. Gerade im medizinischen Bereich ist es nicht einfach möglich die Datensätze zu erweitern oder neue Datensätze zu erfassen. Die Gründe hierfür sind vielfältig. Einerseits können rechtliche Belange die Datenveröffentlichung verhindern. Andererseits kann es sein, dass eine Krankheit nur sehr selten Auftritt und sich so keine Gelegenheit bietet die Daten zu erfassen. Ein zusätzliches Problem ist, dass es sich bei den Daten meist um eine sehr spezifische Domäne handelt, wodurch die Daten meist nur von Experten annotiert werden können. Die Annotation ist aber zeitaufwendig und somit teuer. Existierende Datenaugmentierungsmethoden können oft nur sinnvoll auf Bilddaten angewendet werden und erzeugen z.B. bei Videos nicht ausreichend zeitlich unabhängige Daten. Deswegen ist es notwendig, dass neue Methoden entwickelt werden, mit denen im Nachhinein auch Videodatensätze erweitert oder auch synthetische Daten generiert werden können. Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei neu entwickelte Methoden vorgestellt und beispielhaft auf drei medizinische Beispiele aus dem Bereich der Chirurgie angewendet. Die erste Methode ist die sogenannte Workflow-Augmentierungsmethode, mit deren Hilfe semantischen Information, z.B. Ereignissen eines chirurgischen Arbeitsablaufs, in einem Video augmentiert werden können. Die Methode ermöglicht zusätzlich auch eine Balancierung zum Beispiel von chirurgischen Phasen oder chirurgischen Instrumenten, die im Videodatensatz vorkommen. Bei der Anwendung der Methode auf die zwei verschiedenen Datensätzen, von Kataraktoperationen und laparoskopischen Cholezystektomieoperationen, konnte die Leistungsfähigkeit der Methode gezeigt werden. Dabei wurde Genauigkeit der Instrumentenerkennung bei der Kataraktoperation durch ein Neuronales Netz während Kataraktoperation um 2,8% auf 93,5% im Vergleich zu etablierten Methoden gesteigert. Bei der chirurgischen Phasenerkennung im Fall bei der Cholezystektomie konnte sogar eine Steigerung der Genauigkeit um 8,7% auf 96,96% im Verglich zu einer früheren Studie erreicht werden. Beide Studien zeigen eindrucksvoll das Potential der Workflow-Augmentierungsmethode. Die zweite vorgestellte Methode basiert auf einem erzeugenden gegnerischen Netzwerk (engl. generative adversarial network (GAN)). Dieser Ansatz ist sehr vielversprechend, wenn nur sehr wenige Daten oder Datensätze vorhanden sind. Dabei werden mit Hilfe eines neuronalen Netzes neue fotorealistische Bilder generiert. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein sogenanntes zyklisches erzeugendes gegnerisches Netzwerk (engl. cycle generative adversarial network (CycleGAN)) verwendet. CycleGANs führen meiste eine Bild zu Bild Transformation durch. Zusätzlich ist es möglich weitere Bedingungen an die Transformation zu knüpfen. Das CycleGAN wurde im dritten Beispiel dazu verwendet, ein Passbild von einem Patienten nach einem Kranio-Maxillofazialen chirurgischen Korrektur, mit Hilfe eines präoperativen Porträtfotos und der operativen 3D Planungsmaske, zu schätzen. Dabei konnten realistisch, lebendig aussehende Bilder generiert werden, ohne dass für das Training des GANs medizinische Daten verwendeten wurden. Stattdessen wurden für das Training synthetisch erzeugte Daten verwendet. Abschließend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit entwickelten Methoden in der Lage sind, den Mangel an Stichproben und Datensätzen teilweise zu überwinden und dadurch eine bessere Erkennungsleistung von neuronalen Netzen erreicht werden konnte. Die entwickelten Methoden können in Zukunft dazu verwendet werden, bessere medizinische Unterstützungssysteme basierende auf künstlicher Intelligenz zu entwerfen, die den Arzt in der klinischen Routine weiter unterstützen, z.B. bei der Diagnose, der Therapie oder bei bildgesteuerten Eingriffen, was zu einer Verringerung der klinischen Arbeitsbelastung und damit zu einer Verbesserung der Patientensicherheit führt

Autoencoding sensory substitution

Tens of millions of people live blind, and their number is ever increasing. Visual-to-auditory sensory substitution (SS) encompasses a family of cheap, generic solutions to assist the visually impaired by conveying visual information through sound. The required SS training is lengthy: months of effort is necessary to reach a practical level of adaptation. There are two reasons for the tedious training process: the elongated substituting audio signal, and the disregard for the compressive characteristics of the human hearing system. To overcome these obstacles, we developed a novel class of SS methods, by training deep recurrent autoencoders for image-to-sound conversion. We successfully trained deep learning models on different datasets to execute visual-to-auditory stimulus conversion. By constraining the visual space, we demonstrated the viability of shortened substituting audio signals, while proposing mechanisms, such as the integration of computational hearing models, to optimally convey visual features in the substituting stimulus as perceptually discernible auditory components. We tested our approach in two separate cases. In the first experiment, the author went blindfolded for 5 days, while performing SS training on hand posture discrimination. The second experiment assessed the accuracy of reaching movements towards objects on a table. In both test cases, above-chance-level accuracy was attained after a few hours of training. Our novel SS architecture broadens the horizon of rehabilitation methods engineered for the visually impaired. Further improvements on the proposed model shall yield hastened rehabilitation of the blind and a wider adaptation of SS devices as a consequence

Handbook of Vascular Biometrics

This open access handbook provides the first comprehensive overview of biometrics exploiting the shape of human blood vessels for biometric recognition, i.e. vascular biometrics, including finger vein recognition, hand/palm vein recognition, retina recognition, and sclera recognition. After an introductory chapter summarizing the state of the art in and availability of commercial systems and open datasets/open source software, individual chapters focus on specific aspects of one of the biometric modalities, including questions of usability, security, and privacy. The book features contributions from both academia and major industrial manufacturers