Routine tests for both planning and evaluating image quality in tele-echocardiography

Both in real-time and "store & forward" tele-echocardiography (T-E), a coding process has to be applied to the echocardiography videoclips in order to limit the bandwidth needed and adapt it to the bandwidths furnished by network providers. The compression process degrades the videoclips, affecting thus the quality of the videoclips and potentially compromising the diagnostic accuracy of the T-E. In this work the authors investigated on the use of automatic tools for the video quality assessment by means of objective methods with particular care to the role of the system administrator. As the use of tests on video quality assessment (based on subjective methods) is hampered by the high number of needed resources (persons, laboratories and time). The use of valid objective methods is thus desirable. The study reviewed different tools with this specific aim. One of the more suitable tool was found to be represented by a software package designed by the Institute of Telecommunication Sciences and the National Telecommunication and Information Administration, the NTIA/ITS VQM tool. This tool gives back objective-quantitative data as outcomes, however embeds models emulating the subjective perception. This study reviewed and analyzed in depth the functionalities of the tool to improve the image quality in TE over the network. The tool was also found suitable for a more general process of T-E assessment, from a health technology assessment (HTA) perspective

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

User-centred design and evaluation of a tele-operated echocardiography robot

We present the collected findings of a user-centred approach for developing a tele-operated robot for remote echocardiography examinations. During the three-year development of the robot, we involved users in all development stages of the robot, to increase the usability of the system for the doctors. For requirement compilation, we conducted a literature review, observed two traditional examinations, arranged focus groups with doctors and patients, and conducted two online surveys. During the development of the robot, we regularly involved doctors in usability tests to receive feedback from them on the user interface for the robot and on the robot’s hardware. For evaluation of the robot, we conducted two eye tracking studies. In the first study, doctors executed a traditional echocardiography examination. In the second study, the doctors conducted a remote examination with our robot. The results of the studies show that all doctors were able to successfully complete a correct ultrasonography examination with the tele-operated robot. In comparison to a traditional examination, the doctors on average only need a short amount of additional time to successfully examine a patient when using our remote echocardiography robot. The results also show that the doctors fixate considerably more often, but with shorter fixation times, on the USG screen in the traditional examination compared to the remote examination. We found further that some of the user-centred design methods we applied had to be adjusted to the clinical context and the hectic schedule of the doctors. Overall, our experience and results suggest that the usage of user-centred design methodology is well suited for developing medical robots and leads to a usable product that meets the end users’ needs

Telesonography In Emergency Medicine : A Systematic Review

Funding: No specific funding was received for this work; however LE’s salary was paid from funding for the SatCare trial into remotely supported prehospital ultrasound, provided by the European Space Agency in collaboration with ViaSat (contract SC16005). The specific roles of this author are articulated in the ‘author contributions’ section. These funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.Peer reviewedPublisher PD

Telemedicine

Telemedicine is a rapidly evolving field as new technologies are implemented for example for the development of wireless sensors, quality data transmission. Using the Internet applications such as counseling, clinical consultation support and home care monitoring and management are more and more realized, which improves access to high level medical care in underserved areas. The 23 chapters of this book present manifold examples of telemedicine treating both theoretical and practical foundations and application scenarios

Applying an integrated approach to the design, implementation and evaluation of a telemedicine system.

One characteristic of telemedicine evaluations is that they are usually decoupled from other aspects of design and implementation, and therefore not considered until late in the project cycle.  In addition to this, evaluations are often performed by outside bodies without an interest in the outcome, a practice intended to strengthen the independence and objectivity of the findings.  In this paper, we describe an alternative approach in which the design, implementation and evaluation of a telemedicine system were considered to be complementary stages of the project occurring in parallel and where members of the project team were involved in all three.  We demonstrate the advantages of this approach through the ECHONET project - a trial of an experimental system implemented in the context of Intensive Care across two hospitals in Tasmania, Australia.This paper describes benefits associated with this integrated approach. Innovative aspects of the approach include the number of pre-implementation activities such as stakeholder interviews, design workshops and a baseline study, which enabled the project to adapt to the complex needs of its health context.The integration of the design, implementation and evaluation activities enabled the project to adapt to changing needs as the project evolved, and ensured that it was evaluated against appropriate criteria

Improving access to ultrasound imaging in northern, remote communities

Access to healthcare services—including access to medical imaging—is an important determinant of health outcomes. This thesis aims to improve understanding of and address gaps in access to ultrasound imaging for patients in northern, remote communities, and advance a novel ultrasound technology with the ultimate goal of improving patient care and health outcomes. This thesis first brings greater understanding of patients’ perceptions of access and factors which shape access to ultrasound imaging in northern, remote communities in Saskatchewan, Canada. A qualitative study was performed using interpretive description as a methodological approach and a multi-dimensional conceptualization of access to care as a theoretical framework. The study identified barriers which patients in northern, remote communities face in accessing ultrasound imaging, and demonstrated that geographic remoteness from imaging facilities was a central barrier. To determine whether disparities in access to ultrasound imaging resulted in disparities in utilization of ultrasound services, two population-based studies assessed the association between sociodemographic and geographic factors and obstetrical and non-obstetrical ultrasound utilization in Saskatchewan. In the first study investigating obstetrical ultrasound utilization, multivariate logistic regression analysis demonstrated that women living in rural areas, remote areas, and low income neighbourhoods, as well as status First Nations women, were less likely to have a second trimester ultrasound, an important aspect of prenatal care. In a second study investigating non-obstetrical ultrasound utilization across the entire provincial population, multivariate Poisson regression analysis similarly demonstrated lower rates of non-obstetrical ultrasound utilization among individuals living in rural and remote areas, individuals residing in low income neighbourhoods, and status First Nations persons. To address the barriers which patients in northern, remote communities face in accessing ultrasound imaging and to minimize disparities in ultrasound imaging utilization as identified in previous studies in this thesis, telerobotic ultrasound technology was investigated as a solution to improve access to ultrasound imaging. Using this technology, radiologists and sonographers could remotely manipulate an ultrasound probe via a robotic arm, thereby remotely performing an ultrasound exam while patients remained in their home community. A clinical trial comparing conventional and telerobotic ultrasound approaches was undertaken, validating this technology for obstetrical ultrasound imaging. To determine the feasibility of using telerobotic technology to establish an ultrasound service delivery model to remotely provide diagnostic ultrasound exams in underserved communities, pilot telerobotic ultrasound clinics were developed in three northern, remote communities. Telerobotic ultrasound exams were sufficient for diagnosis in the majority of cases, minimizing travel or reducing wait times for these patients. This technology was subsequently evaluated during a COVID-19 outbreak in northern Saskatchewan, demonstrating the potential of this technology to provide critical ultrasound services to an underserved northern population and minimize health inequities during the COVID-19 pandemic. An economic evaluation was performed to compare a service delivery model using telerobotic ultrasound technology to alternative service delivery models. Telerobotic ultrasound combined with an itinerant sonographer service was found to be the lowest cost option from both a publicly funded healthcare payer perspective and a societal perspective for many northern, remote communities. This thesis provides key insights for health system leaders seeking improved understanding and novel solutions to improve access to ultrasound imaging in northern, remote communities. Findings suggest that telerobotic ultrasound is a viable solution to improve access to ultrasound imaging and reduce costs associated with ultrasound service delivery. Evidence in this thesis may be used to help improve ultrasound services and health equity for patients in underserved northern, remote communities. Continued respectful collaboration with northern, remote, Indigenous peoples and communities will be a critical aspect to ensure that ultrasound services meet community needs

Robotic Ultrasound Imaging: State-of-the-Art and Future Perspectives

Ultrasound (US) is one of the most widely used modalities for clinical intervention and diagnosis due to the merits of providing non-invasive, radiation-free, and real-time images. However, free-hand US examinations are highly operator-dependent. Robotic US System (RUSS) aims at overcoming this shortcoming by offering reproducibility, while also aiming at improving dexterity, and intelligent anatomy and disease-aware imaging. In addition to enhancing diagnostic outcomes, RUSS also holds the potential to provide medical interventions for populations suffering from the shortage of experienced sonographers. In this paper, we categorize RUSS as teleoperated or autonomous. Regarding teleoperated RUSS, we summarize their technical developments, and clinical evaluations, respectively. This survey then focuses on the review of recent work on autonomous robotic US imaging. We demonstrate that machine learning and artificial intelligence present the key techniques, which enable intelligent patient and process-specific, motion and deformation-aware robotic image acquisition. We also show that the research on artificial intelligence for autonomous RUSS has directed the research community toward understanding and modeling expert sonographers' semantic reasoning and action. Here, we call this process, the recovery of the "language of sonography". This side result of research on autonomous robotic US acquisitions could be considered as valuable and essential as the progress made in the robotic US examination itself. This article will provide both engineers and clinicians with a comprehensive understanding of RUSS by surveying underlying techniques.Comment: Accepted by Medical Image Analysi