A new algorithm for the relationship between vision and ametropia

Refraction simulators used for undergraduate training at Aston University did not realistically reflect variations in the relationship between vision and ametropia. This was because they used an algorithm, taken from the research literature, that strictly only applied to myopes or older hyperopes and did not factor in age and pupil diameter. The aim of this study was to generate new algorithms that overcame these limitations. Clinical data were collected from the healthy right eyes of 873 white subjects aged between 20 and 70 years. Vision and refractive error were recorded along with age and pupil diameter. Re-examination of 34 subjects enabled the calculation of coefficients of repeatability. The study population was slightly biased towards females and included many contact lens wearers. Sex and contact lens wear were, therefore, recorded in order to determine whether these might influence the findings. In addition, iris colour and cylinder axis orientation were recorded as these might also be influential. A novel Blur Sensitivity Ratio (BSR) was derived by dividing vision (expressed as minimum angle of resolution) by refractive error (expressed as a scalar vector, U). Alteration of the scalar vector, to account for additional vision reduction due to oblique cylinder axes, was not found to be useful. Decision tree analysis showed that sex, contact lens wear, iris colour and cylinder axis orientation did not influence the BSR. The following algorithms arose from two stepwise multiple linear regressions: BSR (myopes) = 1.13 + (0.24 x pupil diameter) + (0.14 x U) BSR (hyperopes) = (0.11 x pupil diameter) + (0.03 x age) - 0.22 These algorithms together accounted for 84% of the observed variance. They showed that pupil diameter influenced vision in both forms of ametropia. They also showed the age-related decline in the ability to accommodate in order to overcome reduced vision in hyperopia

Machine Learning Approaches for Automated Glaucoma Detection using Clinical Data and Optical Coherence Tomography Images

Glaucoma is a multi-factorial, progressive blinding optic-neuropathy. A variety of factors, including genetics, vasculature, anatomy, and immune factors, are involved. Worldwide more than 80 million people are affected by glaucoma, and around 300,000 in Australia, where 50% remain undiagnosed. Untreated glaucoma can lead to blindness. Early detection by Artificial intelligence (AI) is crucial to accelerate the diagnosis process and can prevent further vision loss. Many proposed AI systems have shown promising performance for automated glaucoma detection using two-dimensional (2D) data. However, only a few studies had optimistic outcomes for glaucoma detection and staging. Moreover, the automated AI system still faces challenges in diagnosing at the clinicians’ level due to the lack of interpretability of the ML algorithms and integration of multiple clinical data. AI technology would be welcomed by doctors and patients if the "black box" notion is overcome by developing an explainable, transparent AI system with similar pathological markers used by clinicians as the sign of early detection and progression of glaucomatous damage. Therefore, the thesis aimed to develop a comprehensive AI model to detect and stage glaucoma by incorporating a variety of clinical data and utilising advanced data analysis and machine learning (ML) techniques. The research first focuses on optimising glaucoma diagnostic features by combining structural, functional, demographic, risk factor, and optical coherence tomography (OCT) features. The significant features were evaluated using statistical analysis and trained in ML algorithms to observe the detection performance. Three crucial structural ONH OCT features: cross-sectional 2D radial B-scan, 3D vascular angiography and temporal-superior-nasal-inferior-temporal (TSNIT) B-scan, were analysed and trained in explainable deep learning (DL) models for automated glaucoma prediction. The explanation behind the decision making of DL models were successfully demonstrated using the feature visualisation. The structural features or distinguished affected regions of TSNIT OCT scans were precisely localised for glaucoma patients. This is consistent with the concept of explainable DL, which refers to the idea of making the decision-making processes of DL models transparent and interpretable to humans. However, artifacts and speckle noise often result in misinterpretation of the TSNIT OCT scans. This research also developed an automated DL model to remove the artifacts and noise from the OCT scans, facilitating error-free retinal layers segmentation, accurate tissue thickness estimation and image interpretation. Moreover, to monitor and grade glaucoma severity, the visual field (VF) test is commonly followed by clinicians for treatment and management. Therefore, this research uses the functional features extracted from VF images to train ML algorithms for staging glaucoma from early to advanced/severe stages. Finally, the selected significant features were used to design and develop a comprehensive AI model to detect and grade glaucoma stages based on the data quantity and availability. In the first stage, a DL model was trained with TSNIT OCT scans, and its output was combined with significant structural and functional features and trained in ML models. The best-performed ML model achieved an area under the curve (AUC): 0.98, an accuracy of 97.2%, a sensitivity of 97.9%, and a specificity of 96.4% for detecting glaucoma. The model achieved an overall accuracy of 90.7% and an F1 score of 84.0% for classifying normal, early, moderate, and advanced-stage glaucoma. In conclusion, this thesis developed and proposed a comprehensive, evidence-based AI model that will solve the screening problem for large populations and relieve experts from manually analysing a slew of patient data and associated misinterpretation problems. Moreover, this thesis demonstrated three structural OCT features that could be added as excellent diagnostic markers for precise glaucoma diagnosis

A Feasibility Study to Develop an Integrated Diabetic Retinopathy Screening Programme in the Western Province of Sri Lanka

Background: Diabetic retinopathy (DR) is a common microvascular complication of diabetes mellitus which can lead to sight loss, if not detected and treated in time. Objectives: This study aimed to assess the feasibility of integrating DR screening (DRS) services into free public sector health care in Sri Lanka. The objectives were to identify barriers to access DRS, to determine the most appropriate DRS modality and to assess acceptability of a health educational intervention (HEI). Methods: The study was conducted using mixed methods. The barriers were assessed through systematic literature search and qualitative studies. A systematic literature review and meta-analysis was conducted to assess the diagnostic accuracy of DRS using digital retinal imaging. Based on the results of the formative stages, a local context specific DRS modality was defined and validated at a tertiary level medical clinic by trained physician graders. Finally, a HEI was adapted and acceptability was assessed using participatory approach. Results: The formative studies revealed that lack of knowledge and awareness on DR, lack of skilled human resources and DRS imaging infrastructure as the main barriers. In the meta-analysis, highest sensitivity was observed in mydriatic more than two field strategy (92%, 95% CI 90-94%). In the validation study, sensitivity of the defined referable DR was 88.7% for grader 1 and 92.5% for grader 2, using mydriatic imaging. The specificity was 94.9% for grader 1 and 96.4% for grader 2. The overall acceptability of the HEI material was satisfactory. Conclusions: Knowing the barriers to access DRS is a pre-requisite in development of a DRS program. Non-mydriatic 2-field strategy is a more pragmatic approach in implementing DRS programs in low income non-ophthalmic settings, with dilatation of pupils of those who have ungradable images. The process of adapting HEI was not simply translation into local language, instead a tailored approach for the local context

Semantic Segmentation of Ambiguous Images

Medizinische Bilder können schwer zu interpretieren sein. Nicht nur weil das Erkennen von Strukturen und möglichen Veränderungen Erfahrung und jahrelanges Training bedarf, sondern auch weil die dargestellten Messungen oft im Kern mehrdeutig sind. Fundamental ist dies eine Konsequenz dessen, dass medizinische Bild-Modalitäten, wie bespielsweise MRT oder CT, nur indirekte Messungen der zu Grunde liegenden molekularen Identitäten bereithalten. Die semantische Bedeutung eines Bildes kann deshalb im Allgemeinen nur gegeben einem größeren Bild-Kontext erfasst werden, welcher es oft allerdings nur unzureichend erlaubt eine eindeutige Interpretation in Form einer einzelnen Hypothese vorzunehmen. Ähnliche Szenarien existieren in natürlichen Bildern, in welchen die Kontextinformation, die es braucht um Mehrdeutigkeiten aufzulösen, limitiert sein kann, beispielsweise aufgrund von Verdeckungen oder Rauschen in der Aufnahme. Zusätzlich können überlappende oder vage Klassen-Definitionen zu schlecht gestellten oder diversen Lösungsräumen führen. Die Präsenz solcher Mehrdeutigkeiten kann auch das Training und die Leistung von maschinellen Lernverfahren beeinträchtigen. Darüber hinaus sind aktuelle Modelle ueberwiegend unfähig komplex strukturierte und diverse Vorhersagen bereitzustellen und stattdessen dazu gezwungen sich auf sub-optimale, einzelne Lösungen oder ununterscheidbare Mixturen zu beschränken. Dies kann besonders problematisch sein wenn Klassifikationsverfahren zu pixel-weisen Vorhersagen wie in der semantischen Segmentierung skaliert werden. Die semantische Segmentierung befasst sich damit jedem Pixel in einem Bild eine Klassen-Kategorie zuzuweisen. Diese Art des detailierten Bild-Verständnisses spielt auch eine wichtige Rolle in der Diagnose und der Behandlung von Krankheiten wie Krebs: Tumore werden häufig in MRT oder CT Bildern entdeckt und deren präzise Lokalisierung und Segmentierung ist von grosser Bedeutung in deren Bewertung, der Vorbereitung möglicher Biopsien oder der Planung von Fokal-Therapien. Diese klinischen Bildverarbeitungen, aber auch die optische Wahrnehmung unserer Umgebung im Rahmen von täglichen Aufgaben wie dem Autofahren, werden momentan von Menschen durchgeführt. Als Teil des zunehmenden Einbindens von maschinellen Lernverfahren in unsere Entscheidungsfindungsprozesse, ist es wichtig diese Aufgaben adequat zu modellieren. Dies schliesst Unsicherheitsabschätzungen der Modellvorhersagen mit ein, mitunter solche Unsicherheiten die den Bild-Mehrdeutigkeiten zugeschrieben werden können. Die vorliegende Thesis schlägt mehrere Art und Weisen vor mit denen mit einer mehrdeutigen Bild-Evidenz umgegangen werden kann. Zunächst untersuchen wir den momentanen klinischen Standard der im Falle von Prostata Läsionen darin besteht, die MRT-sichtbaren Läsionen subjektiv auf ihre Aggressivität hin zu bewerten, was mit einer hohen Variabilität zwischen Bewertern einhergeht. Unseren Studien zufolge können bereits einfache machinelle Lernverfahren und sogar simple quantitative MRT-basierte Parameter besser abschneiden als ein individueller, subjektiver Experte, was ein vielversprechendes Potential der Quantifizerung des Prozesses nahelegt. Desweiteren stellen wir die derzeit erfolgreichste Segmentierungsarchitektur auf einem stark mehrdeutigen Datensatz zur Probe der während klinischer Routine erhoben und annotiert wurde. Unsere Experimente zeigen, dass die standard Segmentierungsverlustfuntion in Szenarien mit starkem Annotationsrauschen sub-optimal sein kann. Als eine Alternative erproben wir die Möglichkeit ein Modell der Verlustunktion zu lernen mit dem Ziel die Koexistenz von plausiblen Lösungen während des Trainings zuzulassen. Wir beobachten gesteigerte Performanz unter Verwendung dieser Trainingsmethode für ansonsten unveränderte neuronale Netzarchitekturen und finden weiter gesteigerte relative Verbesserungen im Limit weniger Daten. Mangel an Daten und Annotationen, hohe Maße an Bild- und Annotationsrauschen sowie mehrdeutige Bild-Evidenz finden sich besonders häufig in Datensätzen medizinischer Bilder wieder. Dieser Teil der Thesis exponiert daher einige der Schwächen die standard Techniken des maschinellen Lernens im Lichte dieser Besonderheiten aufweisen können. Derzeitige Segmentierungsmodelle, wie die zuvor Herangezogenen, sind dahingehend eingeschränkt, dass sie nur eine einzige Vorhersage abgeben können. Dies kontrastiert die Beobachtung dass eine Gruppe von Annotierern, gegeben mehrdeutiger Bilddaten, typischer Weise eine Menge an diverser aber plausibler Annotationen produziert. Um die vorgenannte Modell-Einschränkung zu beheben und die angemessen probabilistische Behandlung der Aufgabe zu ermöglichen, entwickeln wir zwei Modelle, die eine Verteilung über plausible Annotationen vorhersagen statt nur einer einzigen, deterministischen Annotation. Das erste der beiden Modelle kombiniert ein `encoder-decoder\u27 Modell mit dem Verfahren der `variational inference\u27 und verwendet einen globalen `latent vector\u27, der den Raum der möglichen Annotationen für ein gegebenes Bild kodiert. Wir zeigen, dass dieses Modell deutlich besser als die Referenzmethoden abschneidet und gut kalibrierte Unsicherheiten aufweist. Das zweite Modell verbessert diesen Ansatz indem es eine flexiblere und hierarchische Formulierung verwendet, die es erlaubt die Variabilität der Segmentierungen auf verschiedenden Skalen zu erfassen. Dies erhöht die Granularität der Segmentierungsdetails die das Modell produzieren kann und erlaubt es unabhängig variierende Bildregionen und Skalen zu modellieren. Beide dieser neuartigen generativen Segmentierungs-Modelle ermöglichen es, falls angebracht, diverse und kohärente Bild Segmentierungen zu erstellen, was im Kontrast zu früheren Arbeiten steht, welche entweder deterministisch sind, die Modellunsicherheiten auf der Pixelebene modellieren oder darunter leiden eine unangemessen geringe Diversität abzubilden. Im Ergebnis befasst sich die vorliegende Thesis mit der Anwendung von maschinellem Lernen für die Interpretation medizinischer Bilder: Wir zeigen die Möglichkeit auf den klinischen Standard mit Hilfe einer quantitativen Verwendung von Bildparametern, die momentan nur subjektiv in Diagnosen einfliessen, zu verbessern, wir zeigen den möglichen Nutzen eines neuen Trainingsverfahrens um die scheinbare Verletzlichkeit der standard Segmentierungsverlustfunktion gegenüber starkem Annotationsrauschen abzumildern und wir schlagen zwei neue probabilistische Segmentierungsmodelle vor, die die Verteilung über angemessene Annotationen akkurat erlernen können. Diese Beiträge können als Schritte hin zu einer quantitativeren, verstärkt Prinzipien-gestützten und unsicherheitsbewussten Analyse von medizinischen Bildern gesehen werden -ein wichtiges Ziel mit Blick auf die fortschreitende Integration von lernbasierten Systemen in klinischen Arbeitsabläufen

Celebration of Learning 2014: Full Program

Full program of the 2014 Celebration of Learning at Augustana College

Applications of Artificial Intelligence in Medicine Practice

This book focuses on a variety of interdisciplinary perspectives concerning the theory and application of artificial intelligence (AI) in medicine, medically oriented human biology, and healthcare. The list of topics includes the application of AI in biomedicine and clinical medicine, machine learning-based decision support, robotic surgery, data analytics and mining, laboratory information systems, and usage of AI in medical education. Special attention is given to the practical aspect of a study. Hence, the inclusion of a clinical assessment of the usefulness and potential impact of the submitted work is strongly highlighted

Visual Impairment and Blindness

Blindness and vision impairment affect at least 2.2 billion people worldwide with most individuals having a preventable vision impairment. The majority of people with vision impairment are older than 50 years, however, vision loss can affect people of all ages. Reduced eyesight can have major and long-lasting effects on all aspects of life, including daily personal activities, interacting with the community, school and work opportunities, and the ability to access public services. This book provides an overview of the effects of blindness and visual impairment in the context of the most common causes of blindness in older adults as well as children, including retinal disorders, cataracts, glaucoma, and macular or corneal degeneration