Automatic grading of ocular hyperaemia using image processing techniques

Programa Oficial de Doutoramento en Computación . 5009V01[Abstract] The human eye is affected by a number of high-prevalence pathologies, such as Dry Eye Syndrome or allergic conjunctivitis. One of the symptoms that these health problems have in common is the occurrence of hyperaemia in the bulbar conjunctiva, as a consequence of blood vessels getting clogged. The blood is trapped in the affected area and some visible signs, such an increase in the redness of the area, appear. This work proposes an automatic methodology for bulbar hyperaemia grading based on image processing and machine learning techniques. The methodology receives a video as input, chooses the best frame of the sequence, isolates the conjunctiva, computes several image features and, finally, transforms these features to the ranges that optometrists use to evaluate the parameter. Moreover, several tests have been conducted in order to analyse how the methodology reacts to unfavourable situations. The goal was to cover some common issues that assisted diagnosis methodologies have to face in real-world environments. The proposed methodology achieves a significant reduction of the time that the specialists have to invest in the evaluation. Thus, it has a direct repercussion on reaching a fast diagnosis. Moreover, it removes the inherent subjectivity of the manual process and ensures its repeatability. As a consequence, the experts can gain insight in the parameters that influence hyperaemia evaluation.[Resumen] El ojo humano se ve afectado por un gran número de patologías de alta prevalencia, tales corno el Síndrome del Ojo Seco o la conjuntivitis alérgica. Uno de los síntomas que estos problemas de salud comparten es la aparición de hiperemia en la conjuntiva bulbar, consecuencia del taponamiento de vasos sanguíneos. La sangre queda atrapada en el área afectada y aparecen signos visibles, como el aumento de rojez en la zona. Este trabajo propone una metodología automática para la evaluación de hiperemia bulbar basada en técnicas de procesado de imagen y aprendizaje máquina. La metodología recibe un vídeo, escoge la mejor imagen de la secuencia, aísla la conjuntiva, calcula varias características en la imagen y, por último, transforma estas características al rango de valores que los optometristas usan para evaluar la hiperemia. Además, se han realizado varias pruebas para analizar como reacciona la metodología a situaciones desfavorables. El objetivo era incluir problemas comunes que aparecen a la hora de aplicar una metodología de asistencia al diagnóstico en un entorno real. La metodología propuesta consigue una reducción significativa del tiempo que los especialistas invierten en la evaluación. Por lo tanto, tiene repercusiones directas en alcanzar un diagnóstico rápido. Además, elimina la subjetividad inherente al proceso manual y garantiza su repetitibilidad. Como consecuencia, los expertos pueden obtener información acerca de los parámetros involucrados en la evaluación de la hiperemia.[Resumo] O ollo humano vese afectado por un elevado número de patoloxías de alta prevalencia, tales como o Síndrome do Olio Seco ou a conxuntivite alérxica. Un dos síntomas que ditos problemas de saúde teñen en común é a aparición de hiperemia na conxuntiva bulbar, consecuencia da conxestíón dos vasos sanguíneos. O sangue queda atrapado na área afectada, e aparecen signos visibles, como o incremento do arrubiamento na zona. Este traballo propón unha metodoloxia automática para a avaliación da hiperemia bulbar baseada en técnicas de procesado de imaxe e aprendizaxe máquina. A metodoloxía recibe un video como entrada, escolle a mellor imaxe da secuencia, illa a conxuntiva, calcula varias características da imaxe e, por último, transforma estas características ós rangos que os optometristas usan para avaHar o parámetro. Ademáis, leváronse a cabo varias probas para analizar como reacciona a metodoloxía ante situacións pouco favorables. O obxectivo era abarcar algúns dos problemas máis comúns que atopan as metodoloxías de asistencia á diagnose en entornos reais. A metodoloxía proposta consegue milla redución significativa do tempo que os especialistas invirten na avaliación. Polo tanto, ten unha repercusión directa na obtención dunha diagnose rápida. Ademáis, elimina a subxectividade inerente ó proceso manual, e asegura a súa repetitibilidade. Como consecuencia, os expertos poden entender mellor os parámetros que influencian a avaliación da hiperemia

Quantitative Analysis of Conjunctival Vasculature

The purpose of this project was to investigate the utility of an automated means of quantifying the conjunctival bed. To simplify the task of any image processing system, it is important that the original image capture stage is optimised, this is an aspect that is often overlooked on the assumption that sophisticated computational techniques can be used to enhance the image. Hence, the concept of exposure density was used to achieve optimal images of bulbar conjunctival vessels using a digital camera (Kodak DCS 100 camera). A database of filters predicted a 6.5 times increase in vessel contrast when recording on the green channel of the charge coupled device (CCD) camera with a Wratten 99 (green) filter over the illumination optics, compared to recording without a filter. With knowledge of the optical transfer characteristics of the imaging system a vascular model was derived. The tubular model, corrected for optical distortions, was fitted to densitometric profiles across conjunctival vessels repetitively imaged under different optical configurations. Although vessel contrast did not increase by the predicted amount, a -30% increase in the amplitude was observed in comparison to images recorded on the green CCD alone. Hence, this became the method of choice when imaging vessels of the conjunctiva. Often automated methods of image segmentation are used without quantification of what is actually being measured, however, this is complicated when no accepted gold standard of measurement exists. Manual methods of determining widths using electronic callipers from projected digitally created photographs were used as the gold standard as they demonstrated a good intra session repeatability and range of measurement when 101 sample vessel widths were measured (95% confidence interval from +10.12 to -9.29pm, ranging from 14.4 to 140.0pm). To best agree with the automated measure of width, the algorithm was run at sigma (a) = 3, to give a 95% confidence interval of inter method repeatability of +9.41 to -8.48|im. However, it was acknowledged that this algorithm overestimates small vessel widths, and underestimates larger widths. The use of an automated approach of vessel recognition results in a vast amount of data concerning vessel axis and vessel edge locations. Five indices were derived to describe the vascular bed including mean vessel width, width variance, tortuosity, tortuosity variance and density, for vessels as a whole and for sub-groups of vessels classified on the basis of size. These indices were a novel way of describing the conjunctival vascular complex. The inter session repeatabilities of these indices were investigated on 31 normal patients and were acceptable in all cases. Also the diurnal variation in these indices on this population showed negligible changes. The angiopathic consequence of diabetes are well known in a variety of organs. However, these have never been adequately quantified in conjunctival vasculature. Seventeen Type I (TI) diabetics, 36 Type II (Til) diabetics, and 60 normals were analysed. Although several indices showed a difference between normals and diabetics for all vessels and sub-categories of vessels, by far the most remarkable was the dramatic change in density at a capillary level (vessels less that 25pm in diameter). A -57.12% (95% confidence interval from -71.96 to -36.76%, PcO.0001) reduction in capillary density was found in TI diabetics compared to normals and a reduction of - 17.5% (95% confidence interval from -41.02 to 16.64%) in Til diabetics compared to normals, however this was not statistically significant (P=0.273). A similar phenomenon was found in venular density (vessel 25 to less than 40|im in diameter). Hence, diabetes principally exerts its affect on the microvasculature of the conjunctival bed. In addition a statistically significant association between mean arterial pressure and vascular density was found, even though our sample did not contain anyone diagnosed with hypertension. A -13.82% (95% confidence interval from -23.71 to -2.65%, P=0.017) reduction in capillary density per lOmmHg rise in mean arterial pressure was established. Hence raised mean arterial pressure exerts an effect on smaller vessels of the conjunctiva

The evaluation of bulbar redness grading scales

The use of grading scales is common in clinical practice and research settings. A number of grading scales are available to the practitioner, however, despite their frequent use, they are only poorly understood and may be criticised for a number of things such as the variability of the assessments or the inequality of scale steps within or between scales. Hence, the global aim of this thesis was to study the McMonnies/Chapman-Davies (MC-D), Institute for Eye Research (IER), Efron, and validated bulbar redness (VBR) grading scales in order to (1) get a better understanding and (2) attempt a cross-calibration of the scales. After verifying the accuracy and precision of the objective and subjective techniques to be used (chapter 3), a series of experiments was conducted. The specific aims of this thesis were as follows: • Chapter 4: To use physical attributes of redness to determine the accuracy of the four bulbar redness grading scales. • Chapter 5: To use psychophysical scaling to estimate the perceived redness of the four bulbar redness grading scales. • Chapter 6: To investigate the effect of using reference anchors when scaling the grading scale images, and to convert grades between scales. • Chapter 7: To grade bulbar redness using cross-calibrated versions of the MC-D, IER, Efron, and VBR grading scales. Methods: • Chapter 4: Two image processing metrics, fractal dimension (D) and % pixel coverage (% PC), as well as photometric chromaticity (u’) were selected as physical measures to describe and compare redness in the four bulbar redness grading scales. Pearson correlation coefficients were calculated between each set of image metrics and the reference image grades to determine the accuracy of the scales. • Chapter 5: Ten naïve observers were asked to arrange printed copies of modified versions of the reference images (showing vascular detail only) across a distance of 1.5m for which only start and end point were indicated by 0 and 100, respectively (non-anchored scaling). After completion of scaling, the position of each image was hypothesised to reflect its perceived bulbar redness. The averaged perceived redness (across observers) for each image was used for comparison to the physical attributes of redness as determined in chapter 4. • Chapter 6: The experimental setup from chapter 5 was modified by providing the reference images of the VBR scale as additional, unlabelled anchors for psychophysical scaling (anchored scaling). Averaged perceived redness from anchored scaling was compared to non-anchored scaling, and perceived redness from anchored scaling was used to cross-calibrate grades between scales. • Chapter 7: The modified reference images of each grading scale were positioned within the 0 to 100 range according to their averaged perceived redness from anchored scaling, one scale at a time. The same 10 observers who had participated in the scaling experiments were asked to represent perceived bulbar redness of 16 sample images by placing them, one at a time, relative to the reference images of each scale. Perceived redness was taken as the measured position of the placed image from 0 and was averaged across observers. Results: • Chapter 4: Correlations were high between reference image grades and all sets of objective metrics (all Pearson’s r’s≥0.88, p≤0.05); each physical attribute pointed to a different scale as being most accurate. Independent of the physical attribute used, there were wide discrepancies between scale grades, with sometimes little overlap of equivalent levels when comparing the scales. • Chapter 5: The perceived redness of the reference images within each scale was ordered as expected, but not all consecutive within-scale levels were rated as having different redness. Perceived redness of the reference images varied between scales, with different ranges of severity being covered by the images. The perceived redness was strongly associated with the physical attributes of the reference images. • Chapter 6: There were differences in perceived redness range and when comparing reference levels between scales. Anchored scaling resulted in an apparent shift to lower perceived redness for all but one reference image compared to non-anchored scaling, with the rank order of the 20 images for both procedures remaining fairly constant (Spearman’s ρ=0.99). • Chapter 7: Overall, perceived redness depended on the sample image and the reference scale used (RM ANOVA; p=0.0008); 6 of the 16 images had a perceived redness that was significantly different between at least two of the scales. Between-scale correlation coefficients of concordance (CCC) ranged from 0.93 (IER vs. Efron) to 0.98 (VBR vs. Efron). Between-scale coefficients of repeatability (COR) ranged from 5 units (IER vs. VBR) to 8 units (IER vs. Efron) for the 0 to 100 range. Conclusions: • Chapter 4: Despite the generally strong linear associations between the physical characteristics of reference images in each scale, the scales themselves are not inherently accurate and are too different to allow for cross-calibration based on physical redness attributes. • Chapter 5: Subjective estimates of redness are based on a combination of chromaticity and vessel-based components. Psychophysical scaling of perceived redness lends itself to being used to cross calibrate the four clinical scales. • Chapter 6: The re-scaling of the reference images with anchored scaling suggests that redness was assessed based on within-scale characteristics and not using absolute redness scores, a mechanism that may be referred to as clinical scale constancy. The perceived redness data allow practitioners to modify the grades of the scale they commonly use so that comparisons of grading estimates between calibrated scales may be made. • Chapter 7: The use of the newly calibrated reference grades showed close agreement between grading estimates of all scales. The between-scale variability was similar to the variability typically observed when a single scale is repeatedly used. Perceived redness appears to be dependent upon the dynamic range of the reference images of the scale. In conclusion, this research showed that there are physical and perceptual differences between the reference images of all scales. A cross-calibration of the scales based on the perceived redness of the reference images provides practitioners with an opportunity to compare grades across scales, which is of particular value in research settings or if the same patient is seen by multiple practitioners who are familiar with using different scales

Non-invassive assessment of the tear film and the ocular surface: Effect of contact lenses

El diagnóstico y tratamiento del síndrome del ojo seco es un reto debido al carácter multifactorial de la enfermedad y la falta de un test clínico “gold standard”. Además, la falta de correlación entre los signos y síntomas de la enfermedad del ojo seco, la falta de correlación entre métricas, su baja repetibilidad, su carácter invasivo y su relativa objetividad dificulta el estudio de la película lagrimal y el diagnóstico de la enfermedad del ojo seco. En el Capítulo 1 del presente trabajo se describen las características principales de la película lagrimal y la enfermedad del ojo seco, y se realiza una revisión bibliográfica sobre técnicas no invasivas de análisis de la película lagrimal y la superficie ocular. Las técnicas de imagen no invasivas tienen un alto potencial a explotar en el estudio de la película lagrimal y del síndrome del ojo seco. El análisis no invasivo de la superficie ocular permite a los clínicos evaluarla bajo condiciones más naturales, evitando el lagrimeo reflejo y la desestabilización de la película lagrimal. Generalmente, estas técnicas son más precisas, repetibles y objetivas que las invasivas. Por lo tanto, técnicas no invasivas deberían ser consideradas para evaluar la película lagrimal y la superficie ocular frente a técnicas invasivas para conseguir una mayor capacidad diagnóstica y manejo de los pacientes con sequedad ocular. Aunque existen muchas técnicas de imagen de análisis de la película lagrimal, este es todavía un campo de estudio que necesita más investigación y que tiene un alto potencial para ser explorado. Por lo tanto, es necesario el desarrollo de nuevos métodos no invasivos y objetivos para evaluar la película lagrimal, siendo necesarios más estudios para mejorar la correlación de estas métricas con hallazgos clínicos en pacientes con sequedad ocular. El Capítulo 2 está enfocado en la justificación y objetivos de la presente tesis doctoral. Debido a la incidencia y morbilidad a la alza del síndrome del ojo seco, es de vital importancia mejorar el diagnóstico temprano de esta patología para proporcionar un mejor tratamiento de la enfermedad. El diagnóstico de la enfermedad del ojo seco es todavía un reto y son necesarias pruebas clínicas objetivas con buena sensibilidad y especificidad, repetibilidad, que sean fáciles de realizar y adecuadas para la práctica clínica. Por lo tanto, nuevas métricas objetivas son todavía requeridas para proporcionar nuevos hallazgos en el análisis de la película lagrimal. Así, el Tear Film and Ocular Surface Society Dry Eye Workshop II Diagnostic Methodology Report reconoció la necesidad de desarrollar nuevas métricas no invasivas, objetivas y tan automáticas como sea posible para evaluar la película lagrimal y la superficie ocular. La presente tesis doctoral tiene como objetivo 1) Estudiar los factores de riesgo de la enfermedad del ojo seco, la repetibilidad de algunas métricas actuales de análisis de la superficie ocular, y la eficacia de la aplicación de bolsas térmicas; 2) Desarrollar y validar nuevas métricas para evaluar la superficie ocular y la película lagrimal de una manera no invasiva y tan objetiva como sea posible; y 3) evaluar el efecto de diferentes lentes de contacto, lágrima artificial, parpadeos y el uso del ordenador en la superficie ocular y en las métricas desarrolladas en la presente tesis doctoral. El Capítulo 3 describe la metodología general de los estudios realizados en la presente tesis doctoral. La superficie ocular y la película lagrimal fueron analizadas mediante diferentes dispositivos: El Keratograph 5M, el osmolarímetro TearLab, el aberrómetro IRX3, el Medmont E 300, el Cobra fundus camera y el Light Disturbance Analyzer. Además, los síntomas oculares fueron evaluados mediante los cuestionarios Ocular Surface Disease Index y el 5-item Dry Ey Questionnaire. Diferentes métricas no invasivas basadas en el procesamiento de imágenes fueron desarrolladas mediante Matlab© R2018a. Finalmente, estas nuevas métricas fueron aplicadas a sujetos adaptados con lentes de contacto. En el Capítulo 4 se estudiaron los factores de riesgos sistémicos, ambientales y del estilo de vida de la enfermedad del ojo seco, debido a la influencia del carácter etiológico multifactorial de la enfermedad en su diagnóstico. Este es un estudio transversal en 120 participantes caucásicos con edades comprendidas entre 18 y 89 años (47.0 ± 22.8 años). Diferentes variables fueron obtenidas en una única sesión clínica: historia médica, información sobre las condiciones ambientales y el estilo de vida, el cuestionario Ocular Surface Disease Index, el cuestionario 5-item Dry Eye Questionnaire, el tiempo de ruptura lagrimal no invasivo, la osmolaridad y la tinción de la superficie ocular. El diagnóstico de la enferemedad del ojo seco se llevó a cabo de acuerdo con el criterio descrito por el Tear Film and Ocular Surface Society Dry Eye Workshop II Diagnostic Methodology Report. Un modelo de regresión logística multivariado fue construido incluyendo las variables con un p-valor inferior a 0.15 en el análisis univariado. Se obtuvo una prevalencia de 57.7 % para la enfermedad del ojo seco. No se encontraron diferencias en la edad entre aquellos sujetos sanos y con el síndrome del ojo seco (p = 0.243). Sin embargo, el grupo con la enfermedad del ojo seco tenía más mujeres (p = 0.008). La regresión logística univariada identificó los siguientes parámetros como potenciales factores de riesgo para la enfermedad del ojo seco: Sexo femenino, horas de sueño al día, menopausia, ansiedad, enfermedades sistémicas reumatológicas, ansiolíticos, tomar medicación diariamente, cirugía ocular, dieta de pobre calidad, ingerir una cantidad mayor de ultraprocesados en la dieta, no beber café y horas de exposición al aire acondicionado por día. La regresión logística multivariada reveló que las horas de sueño al día, la menopausia y el uso de ansiolíticos estaban independientemente asociados con la enfermedad del ojo seco (p ≤ 0.026). Para concluir, la enfermedad del ojo seco está asociada con factores de riesgos sistémicos, ambientales y del estilo de vida. Estos hallazgos son útiles para identificar potenciales factores de riesgo modificables, en conjunto con los tratamientos convenciones para la enfermedad del ojo seco. Debido a la relevancia del tiempo de ruptura lagrimal no invasivo en el diagnóstico de la enfermedad del ojo seco, el Capítulo 5 tiene como objetivo evaluar la repetibilidad intraexaminador del tiempo de ruptura lagrimal no invasivo utilizando el Oculus Keratograph 5M, el cual es una de las herramientas más utilizadas para la evaluación objetiva de la película lagrimal. 80 sujetos sanos con edades comprendidas entre 30 y 89 años participaron en el presente estudio. Las medidas fueron clasificadas de acuerdo con la edad, el sexo y la presencia o no de síndrome del ojo seco. La repetibilidad de las medidas fue evaluada a través de la desviación estándar entre las medidas en cada sujeto, el coeficiente de repetibilidad y el coeficiente de variación. Además, el método de regresión Passing-Bablok fue aplicado. Los coeficientes de repetibilidad mostraron una baja repetibilidad en las medidas de todos los grupos, con valores entre 3.57 y 7.14; 9.90 y 19.79; y 51.90 y 65.49, para cada coeficiente, respectivamente. No se encontraron diferencias estadísticamente significativas en el tiempo de ruptura lagrimal no invasivo entre los sujetos sanos y con la enfermedad del ojo seco (p = 0.188). Los grupos con más riesgo de desarrollar sequedad ocular tenían una mejor repetibilidad. La regresión Passing-Bablok también confirmó una falta de acuerdo entre el valor máximo y mínimo del tiempo de ruptura lagrimal no invasivo. Para concluir, el tiempo de ruptura lagrimal no invasivo tiene una baja repetibilidad intraexaminador incluso considerando el sexo, la edad o el diagnóstico del ojo seco. Sin embargo, no solo esta baja repetibilidad es debida al dispositivo, sino que también es debida a la variabilidad intrínseca de la película lagrimal. Debido al hecho de que el enrojecimiento ocular es un importante signo a tener en cuenta en algunas enfermedades inflamatorias y a la relación entre el enrojecimiento ocular y la enfermedad del ojo seco, el Capítulo 6 tiene como objetivo evaluar la repetibilidad intraexaminador de las medidas de enrojecimiento de la superficie ocular obtenidas mediante el Oculus Keratograph 5M. Setenta y ocho ojos derechos de 78 voluntarios sanos con edades comprendidas entre 18 y 79 años participaron en el presente estudio. El enrojecimiento de la conjuntiva bulbar fue medido tres veces consecutivas en el mismo ojo. El enrojecimiento fue clasificado automáticamente por el dispositivo dependiendo de la zona evaluada: temporal bulbar, nasal bulbar, temporal limbal, nasal limbal y total. La repetibilidad fue evaluada para cada métrica a través del cálculo de la desviación estándar entre las medidas en cada sujeto, el coeficiente de repetibilidad y el coeficiente de variación. Además, el método de regresión Passing-Bablok fue aplicado. Un p-valor inferior a 0.05 fue definido como estadísticamente significativo. Los coeficientes de repetibilidad revelaron una repetibilidad aceptable en todas las métricas. El método de regresión Passing-Bablok también confirmó el buen grado de acuerdo entre la medida máxima y mínima de enrojecimiento bulbar para cada métrica. La repetibilidad más alta fue conseguida en el enrojecimiento bulbar total con una pendiente de 1; por lo tanto, solo errores sistemáticos causados por el intercepto podrían alterar los resultados. En el resto de las métricas, la repetibilidad fue peor cuando el enrojecimiento ocular era mayor pero, incluso en estos casos, la repetibilidad fue aceptable. El análisis de Friedman mostró diferencias estadísticamente significativas entre la tercera medida y las primeras dos, siendo la tercera ligeramente más elevada. Sin embargo, estas diferencias no pueden considerarse clínicamente significativas. Finalmente, las medidas bulbares obtuvieron valores clínicamente más elevados que las limbales; el enrojecimiento bulbar total fue clínicamente más elevado que los valores limbales; y los valores nasales fueron clínicamente mayores que los temporales. Como conclusión se obtuvo que el Keratograph 5M es un dispositivo útil y repetible para evaluar el enrojecimiento ocular. Todas las medidas proporcionaron valores objetivos con una repetibilidad aceptable, lo cual podría ayudar a los clínicos en el diagnóstico y tratamiento de diferentes patologías relacionadas con la inflamación de la superficie ocular, como el síndrome del ojo seco o la uveítis. Debido a que el Keratograph 5M es una de las herramientas más utilizadas para la evaluación objetiva de la superficie ocular, conocer su utilidad en el seguimiento de algunos tratamientos es relevante. Por lo tanto, el Capítulo 7 tiene como objetivo evaluar la asociación entre la aplicación de las bolsas térmicas MGDRx EyeBags y los signos y síntomas de la superficie ocular en sujetos jóvenes y mayores. Treinta voluntarios jóvenes con edades comprendidas entre 18 y 31 años (23.95 ± 3.94 años) y treinta sujetos mayores con edades comprendidas entre 61 y 90 años (77.97 ± 8.11 años) participaron en este estudio. Distintos parámetros de la superficie ocular fueron evaluados mediante el Oculus Keratograph 5M, siguiendo las recomendaciones del Tear Film and Ocular Surface Dry Eye Workshop II Diagnostic Methodology Report. Solo los sujetos que tenían una puntuación positiva en uno de los cuestionarios y el tiempo de ruptura lagrimal no invasivo inferior a 10 segundos fueron incluidos en el estudio. Después de la aplicación de las bolsas térmicas en ambos ojos, diariamente y durante dos semanas, el protocolo fue realizado de nuevo. Los sujetos fueron instruidos a realizar un masaje palpebral inmediatamente después de la aplicación de las bolsas térmicas. El grado de cumplimiento del tratamiento y el grado de mejora fueron también evaluados. El grupo joven mostró una mejora del tiempo de ruptura lagrimal no invasivo, la capa lipídica, el porcentaje de pérdida de las glándulas de meibomio en el párpado superior y en los síntomas de sequedad ocular durante las dos semanas de tratamiento. Mejoras en la calidad del meibum, la obstrucción de las glándulas, la puntuación de telangiectasias, y en los síntomas de ojo seco fueron encontradas en el grupo de mayor edad. El ANOVA mixto reveló mejor tiempo de ruptura lagrimal no invasivo y capa lipídica en los sujetos jóvenes. A pesar de que el cumplimiento del tratamiento fue mayor en los sujetos mayores que en los jóvenes (p = 0.002), no se encontraron diferencias estadísticamente significativas en la mejora subjetiva entre grupos (p = 0.097). Para concluir, los síntomas de sequedad ocular mejoraron después de la aplicación de las bolsas térmicas, mientras que el tiempo de ruptura lagrimal no invasivo y la capa lipídica mejoraron solo en el grupo de sujetos jóvenes. El Tear Film and Ocular Surface Dry Eye Workshop II Diagnostic Methodology Report reconoció la necesidad de desarrollar nuevas métrica no invasivas y tan objetivas como sea posible para evaluar la película lagrimal y la superficie ocular. Por ello, el Capítulo 8 está enfocado en el desarrollo de nuevas métricas para evaluar la película lagrimal y la superficie ocular de una forma no invasiva y objetiva. En la primera parte de este capítulo (Capítulo 8.1) se desarrolla un método para evaluar la visibilidad de las glándulas de meibomio a partir del análisis de los valores de intensidad de gris de los píxeles de las meibografías obtenidas a través de meibografía infrarroja de no contacto. El Capítulo 8.1.1 tiene como objetivo desarrollar este nuevo método semiautomático para analizar la visibilidad de las glándulas de meibomio cuantitativamente. 112 voluntarios sanos con edades comprendidas entre 18 y 90 años (48.3 ± 27.5 años) participaron en el presente estudio. Las meibografías fueron obtenidas del párpado superior de los sujetos mediante el Oculus Keratograph 5M y se clasificaron en 3 grupos: Grupo 1 = Sujetos con buena visibilidad subjetiva de las glándulas y una pérdida de las glándulas 1/3 del área total de las glándulas de meibomio. Las nuevas métricas basadas en la visibilidad de las glándulas de meibomio fueron calculadas y posteriormente comparadas entre grupos. Correlaciones de Rho Spearman fueron utilizadas para evaluar las correlaciones entre cada métrica y el porcentaje de pérdida de las glándulas de meibomio con la muestra completa y después de excluir el grupo 2. Un p-valor inferior a 0.05 fue definido como estadísticamente significativo. Cincuenta y seis sujetos fueron clasificados en el grupo 1 (24.5 ± 9.6 años), 19 en el grupo 2 (69.2 ± 21.3 años) y 37 en el grupo 3 (73.6 ± 13.7 años). No se encontraron diferencias estadísticamente significativas entre el grupo 1 y el 2 en el porcentaje de pérdida de glándulas de meibomio. Todas las métricas, excepto la entropía, mostraron una visibilidad mayor de las glándulas de meibomio en el grupo 1 que en los otros dos grupos. Se encontraron correlaciones moderadas estadísticamente significativas para todas las métricas, con excepción de la entropía. Las correlaciones fueron más fuertes después de excluir el grupo 2 del análisis. Como conclusión se obtuvo que el método propuesto es útil para evaluar la visibilidad de las glándulas de meibomio de una forma objetiva y repetible, lo cual podría ayudar a los clínicos a mejorar el diagnóstico de la disfunción de las glándulas de meibomio y el seguimiento de sus tratamientos. En el Capítulo 8.1.2, se analiza la capacidad diagnóstica de estas nuevas métricas relacionadas con la visibilidad de las glándulas para detectar la disfunción de las glándulas de meibomio, así como sus correlaciones con otros signos clínicos y síntomas de la enfermedad el ojo seco y la disfunción de las glándulas de meibomio. 112 voluntarios sanos (48.3 ± 27.5 años) participaron en el presente estudio. Distintos parámetros de la superficie ocular fueron evaluados mediante el Oculus Keratograph 5M. Los sujetos fueron clasificados de acuerdo con la presencia o ausencia de disfunción de las glándulas de meibomio. Las nuevas métricas basadas en la visibilidad de las glándulas de meibomio fueron calculadas y posteriormente comparadas entre grupos. La capacidad diagnóstica de distintos parámetros de la superficie ocular y de las métricas basadas en la visibilidad de las glándulas fue estudiada a través de curvas de la característica operativa del receptor. Un modelo de regresión logística fue utilizado para obtener una curva combinada de las métricas con la capacidad diagnostica más elevada. Diferencias estadísticamente significativas fueron encontradas entre los grupos para todos los parámetros de la superficie ocular evaluados y las nuevas métricas basadas en la visibilidad de las glándulas de meibomio, excepto para el primer tiempo de ruptura lagrimal no invasivo y la expresibilidad de las glándulas. Las nuevas métricas relacionadas con la visibilidad de las glándulas mostraron una sensibilidad y especificidad superior que las métricas actuales cuando su capacidad diagnostica se evalúo sin ninguna combinación. La capacidad diagnóstica aumentó cuando las nuevas métricas desarrolladas se incorporaron a la regresión logística conjuntamente con el porcentaje de pérdida de glándulas de meibomio, la altura del menisco lagrimal, los síntomas de sequedad ocular y la puntuación de anormalidad en el margen palpebral (p < 0.001). La combinación de la mediana de la intensidad de los pixeles de los valores de gris de la meibografía con las métricas que se acaban de mencionar consiguió el área bajo la curva más elevada (0.99), y una excelente sensibilidad (1.00) y especificidad (0.93). Para concluir, las nuevas métricas basadas en la visibilidad de las glándulas de meibomio tienen más poder diagnóstico para la disfunción de las glándulas de meibomio que las métricas actuales y pueden servir como una herramienta complementaria para apoyar en el diagnostico de la disfunción de las glándulas de meibomio. En el Capítulo 8.2, se desarrolla un método para evaluar la propagación y la dinámica de la película lagrimal a través del seguimiento de las partículas en suspensión en la película lagrimal después del parpadeo. Se evaluaron distintos parámetros de la superficie ocular y se grabó un video de la propagación de las partículas en suspensión en la película lagrimal después de un parpadeo espontáneo en 81 voluntarios sanos (43.7 ± 27.0 años) utilizando el Oculus Keratograph 5M. El software desarrollado automáticamente descomponía el video en “frames” para posteriormente seguir la posición de las partículas manualmente durante 1.75 segundos después del parpadeo. Las siguientes métricas relacionadas con la dinámica de la película lagrimal fueron automáticamente calculadas: media, mediana, máxima y mínima velocidad de las partículas, la velocidad en diferentes intervalos de tiempo después del parpadeo y el tiempo transcurrido hasta que la velocidad de las partículas decrece hasta < 1.20 mm/segundo. La repetibilidad de cada métrica basada en la dinámica de la película lagrimal, y sus correlaciones con signos y síntomas de sequedad ocular fueron analizadas. Se realizó también una regresión logística binomial para evaluar la predictibilidad de las nuevas métricas para diferentes parámetros oculares. La repetibilidad tendió a ser inferior justo después del parpadeo (variabilidad de 12.24 %), mientras que las métricas a partir de 0.5 segundos tenían una repetibilidad aceptables (variabilidad por debajo del 10 %). Las nuevas métricas basadas en la dinámica de la película lagrimal estaban positivamente correlacionadas con el tiempo de ruptura lagrimal no invasivo y negativamente con la pérdida de glándulas de meibomio. La regresión logística binomial reveló que las métricas basadas en la dinámica de la película lagrimal pueden predecir el tiempo de ruptura lagrimal no invasivo. Sin embargo, no se encontró una asociación estadísticamente significativa con la pérdida de glándulas de meibomio. Esto significa que una mayor velocidad de propagación de las partículas en suspensión en la película lagrimal después del parpadeo está relacionada con un tiempo de ruptura lagrimal más largo. La métrica llamada “tiempo transcurrido hasta que la velocidad de las partículas decrece hasta < 1.20 mm/segundo” puede ser considerada la mejor métrica para evaluar la calidad de la película lagrimal, debido a que estaba más fuertemente correlacionada con el tiempo de ruptura lagrimal no invasivo (r = 0.42, p = 0.004), estaba más fuertemente asociada en la regresión logística binomial con el tiempo de ruptura lagrimal y mostró una buena repetibilidad (variabilidad = 5.49 %). Como conclusión se obtuvo que las nuevas métricas desarrolladas basadas en la dinámica de la película lagrimal son parámetros emergentes que pueden servir para evaluar la homeostasis de la película lagrimal e indirectamente evaluar la calidad de la película lagrimal en condiciones naturales con una repetibilidad aceptable. En el Capítulo 8.3, se desarrolla un método para evaluar el espesor de la capa lipídica a través del análisis de los valores de intensidad de gris de los píxeles del disco de Plácido reflejado en la película lagrimal. Distintos parámetros de la superficie ocular fueron evaluados utilizando el Oculus Keratograph 5M en 94 voluntarios sanos (43.8 ± 26.8 años). La c

Ophthalmic engineering:the development of novel instrumentation to further research in the field

The principle theme of this thesis is the advancement and expansion of ophthalmic research via the collaboration between professional Engineers and professional Optometrists. The aim has been to develop new and novel approaches and solutions to contemporary problems in the field. The work is sub divided into three areas of investigation; 1) High technology systems, 2) Modification of current systems to increase functionality, and 3) Development of smaller more portable and cost effective systems. High Technology Systems: A novel high speed Optical Coherence Tomography (OCT) system with integrated simultaneous high speed photography was developed achieving better operational speed than is currently available commercially. The mechanical design of the system featured a novel 8 axis alignment system. A full set of capture, analysis, and post processing software was developed providing custom analysis systems for ophthalmic OCT imaging, expanding the current capabilities of the technology. A large clinical trial was undertaken to test the dynamics of contact lens edge interaction with the cornea in-vivo. The interaction between lens edge design, lens base curvature, post insertion times and edge positions was investigated. A novel method for correction of optical distortion when assessing lens indentation was also demonstrated. Modification of Current Systems: A commercial autorefractor, the WAM-5500, was modified with the addition of extra hardware and a custom software and firmware solution to produce a system that was capable of measuring dynamic accommodative response to various stimuli in real time. A novel software package to control the data capture process was developed allowing real time monitoring of data by the practitioner, adding considerable functionality of the instrument further to the standard system. The device was used to assess the accommodative response differences between subjects who had worn UV blocking contact lens for 5 years, verses a control group that had not worn UV blocking lenses. While the standard static measurement of accommodation showed no differences between the two groups, it was determined that the UV blocking group did show better accommodative rise and fall times (faster), thus demonstrating the benefits of the modification of this commercially available instrumentation. Portable and Cost effective Systems: A new instrument was developed to expand the capability of the now defunct Keeler Tearscope. A device was developed that provided a similar capability in allowing observation of the reflected mires from the tear film surface, but with the added advantage of being able to record the observations. The device was tested comparatively with the tearscope and other tear film break-up techniques, demonstrating its potential. In Conclusion: This work has successfully demonstrated the advantages of interdisciplinary research between engineering and ophthalmic research has provided new and novel instrumented solutions as well as having added to the sum of scientific understanding in the ophthalmic field

Cognitive modelling and control of human error processes in human-computer interaction with safety critical IT systems in telehealth.

The field of telehealth has developed rapidly in recent years. It provides medical support particularly to those who are living in remote areas and in emergency cases. Although developments in both technology and practice have been rapid, there are still many gaps in our knowledge with regard to the effective application of telehealth. This study investigated human colour perception in telehealth, specifically the colour red as one of the key symptoms when diagnosing different pathologies. The quality of medical images is safety critical when transmitting the symptoms of pathologies in telehealth, as distorted or degraded colours may result in errors. The study focused on the use of digital images in teleconsultation, particularly on images showing cellulitis (bacterial skin infection) and conjunctivitis (red eye) as case studies, as both of these pathologies involve the colour red in their diagnosis. The study proposed and tested the use of an image quality scale, which represented the level of image resolution; a red colour scale, which represented the intensity of redness in an image; and a confidence scale, which represented the levels of confidence that telehealth users had when judging the colour red. The research involved a series of experiments using hypothetico-deductive and formal hypothesis testing with two groups of participants, medical doctors and non-medical participants. The experiments were conducted in collaboration with the local National Health Service (NHS) Accident and Emergency (A&E) department at Aberdeen Royal Infirmary (ARI). Medical experts in ophthalmology and dermatology were also involved in selecting and verifying the relevant images. The study found that doctors and non-doctors were consistent in the majority of the experiments. The accuracy of the participants was demonstrably higher when using a colour scale with pictures, more so for the non-doctor group than the doctor group. It also found that the level of accuracy for both doctors and nondoctors was higher when using red colour scale of three divisions than when using a scale of five divisions. This result was supported by previous studies, which used telehealth for diagnosing extreme cases. The study also found that when the image quality was poor the participants had higher error rates and less consistency in their answers. The study found poor correlation between accuracy, confidence and time for both participant groups. The study found that most participants in both doctor and non-doctor groups had high confidence most of the time, whether the accuracy was high or low. It was also found that medical background or clinical experience had no effect on the accuracy level across the experiment sets. In some cases, doctors with no or little experience had higher accuracy than those with greater experience. This result may have significant implications for the feasibility of involving non-doctors in the management of telehealth systems, especially in tasks not requiring medical skills, such as colour classification. This has the potential to provide a considerable saving in resources and costs for healthcare providers. An auto-evaluation system was introduced, and proposed for further study, in order to improve the current telehealth diagnostic protocol and to avoid or prevent errors by making red colour classification more objective and accurate

Optical Diagnostics in Human Diseases

Optical technologies provide unique opportunities for the diagnosis of various pathological disorders. The range of biophotonics applications in clinical practice is considerably wide given that the optical properties of biological tissues are subject to significant changes during disease progression. Due to the small size of studied objects (from μm to mm) and despite some minimum restrictions (low-intensity light is used), these technologies have great diagnostic potential both as an additional tool and in cases of separate use, for example, to assess conditions affecting microcirculatory bed and tissue viability. This Special Issue presents topical articles by researchers engaged in the development of new methods and devices for optical non-invasive diagnostics in various fields of medicine. Several studies in this Special Issue demonstrate new information relevant to surgical procedures, especially in oncology and gynecology. Two articles are dedicated to the topical problem of breast cancer early detection, including during surgery. One of the articles is devoted to urology, namely to the problem of chronic or recurrent episodic urethral pain. Several works describe the studies in otolaryngology and dentistry. One of the studies is devoted to diagnosing liver diseases. A number of articles contribute to the studying of the alterations caused by diabetes mellitus and cardiovascular diseases. The results of all the presented articles reflect novel innovative research and emerging ideas in optical non-invasive diagnostics aimed at their wider translation into clinical practice

Alternative methods for regulatory toxicology – a state-of-the-art review

This state-of-the art review is based on the final report of a project carried out by the European Commission’s Joint Research Centre (JRC) for the European Chemicals Agency (ECHA). The aim of the project was to review the state of the science of non-standard methods that are available for assessing the toxicological and ecotoxicological properties of chemicals. Non-standard methods refer to alternatives to animal experiments, such as in vitro tests and computational models, as well as animal methods that are not covered by current regulatory guidelines. This report therefore reviews the current scientific status of non-standard methods for a range of human health and ecotoxicological endpoints, and provides a commentary on the mechanistic basis and regulatory applicability of these methods. For completeness, and to provide context, currently accepted (standard) methods are also summarised. In particular, the following human health endpoints are covered: a) skin irritation and corrosion; b) serious eye damage and eye irritation; c) skin sensitisation; d) acute systemic toxicity; e) repeat dose toxicity; f) genotoxicity and mutagenicity; g) carcinogenicity; h) reproductive toxicity (including effects on development and fertility); i) endocrine disruption relevant to human health; and j) toxicokinetics. In relation to ecotoxicological endpoints, the report focuses on non-standard methods for acute and chronic fish toxicity. While specific reference is made to the information needs of REACH, the Biocidal Products Regulation and the Classification, Labelling and Packaging Regulation, this review is also expected to be informative in relation to the possible use of alternative and non-standard methods in other sectors, such as cosmetics and plant protection products.JRC.I.5-Systems Toxicolog