Artificial intelligence for MRI diagnosis of joints: a scoping review of the current state-of-the-art of deep learning-based approaches

Deep learning-based MRI diagnosis of internal joint derangement is an emerging field of artificial intelligence, which offers many exciting possibilities for musculoskeletal radiology. A variety of investigational deep learning algorithms have been developed to detect anterior cruciate ligament tears, meniscus tears, and rotator cuff disorders. Additional deep learning-based MRI algorithms have been investigated to detect Achilles tendon tears, recurrence prediction of musculoskeletal neoplasms, and complex segmentation of nerves, bones, and muscles. Proof-of-concept studies suggest that deep learning algorithms may achieve similar diagnostic performances when compared to human readers in meta-analyses; however, musculoskeletal radiologists outperformed most deep learning algorithms in studies including a direct comparison. Earlier investigations and developments of deep learning algorithms focused on the binary classification of the presence or absence of an abnormality, whereas more advanced deep learning algorithms start to include features for characterization and severity grading. While many studies have focused on comparing deep learning algorithms against human readers, there is a paucity of data on the performance differences of radiologists interpreting musculoskeletal MRI studies without and with artificial intelligence support. Similarly, studies demonstrating the generalizability and clinical applicability of deep learning algorithms using realistic clinical settings with workflow-integrated deep learning algorithms are sparse. Contingent upon future studies showing the clinical utility of deep learning algorithms, artificial intelligence may eventually translate into clinical practice to assist detection and characterization of various conditions on musculoskeletal MRI exams

Bioreplicated Light-Harvesting Layers for Photovoltaics

Die hierarchischen Mikro-/Nanostrukturen, welche die Blütenblattoberflächen einer Vielzahl von Blütenpflanzen zieren, weisen oftmals hervorragende Lichtsammlungs- sowie Selbstreinigungseigenschaften auf. Diese Qualitäten können mit Hilfe von direkten Replikationsverfahren technisch nutzbar gemacht werden, beispielsweise für die photovoltaische Stromerzeugung. Replikationsverfahren zielen darauf ab die multi-skalige Oberflächenstruktur von Blütenblättern in ein transparentes Polymer zu übertragen und auf der Vorderseite von Solarmodulen aufzubringen. Im Laufe der letzten Jahren haben sich hauptsächlich Polymerabgüsse und die sog. Soft-Imprint Nanolithographie als gängige Verfahren zur direkten Kopie von (sowohl künstlich hergestellten, als auch) natürlichen Mikro-, Nano-, und multi-skaligen Strukturen in adäquate technische Materialien, wie z.B. Polymere zur Ausnutzung ihrer hochoptimierten optischen und/oder Benetzungseigenschaften für optoelektronische Bauteile, etabliert. Eine großflächige Anwendung dieser Verfahren wurde jedoch bislang aufgrund der naturgegebenen Maximalgröße von Blütenblättern nicht etabliert. Des Weiteren kann auf Basis eines einzigen Polymerstempel nur eine limitierte Anzahl an Replikaten mit hoher Strukturqualität mittels Soft-Imprint hergestellt werden. Ein Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Überwindung dieser Hürden durch Weiterentwicklung der Replikationstechniken für pflanzliche Oberflächenstrukturen. Eine solche, in der Fläche hochskalierte Bioreplikationsmethode mit gleichzeitig erheblich gesteigertem Durchsatz wird in dieser Arbeit am Beispiel der hierarchischen Oberflächenstruktur von Rosenblütenblättern als natürliche Strukturvorlage aufgezeigt. Das vorgestellte Verfahren basiert auf der Entwicklung metallischer Prägewerkzeuge, welche in einem statischen Heißprägeprozess eingesetzt werden. Diese Entwicklung ermöglicht die Herstellung von Replikaten pflanzlicher Oberflächenstrukturen mit hoher Strukturqualität, in nie dagewesener Stückzahl, und erstmals auch in einer für eine Integration in kommerzielle Solarmodule relevanten Größe. Die hochskalierten, temperaturstabilen und mechanisch robusten Prägewerkzeuge werden dabei per galvanischer Nickelabscheidung hergestellt. Die primäre Strukturvorlage für diesen Prozess wird dabei durch vorsichtige Aneinanderreihung mehrerer natürlicher Rosenblütenblätter zu einer möglichst lücken- und nahtlos strukturierten Einheit erzeugt. Der Heißprägeprozess zur Herstellung hochskalierter Polymerreplikate der Rosenblütenblattstruktur wird anhand von drei verschiedenen, transparenten Folienmaterialien diskutiert. Sowohl für Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), und Fluorethylen-Propylen (FEP) wird mit Hilfe des entwickelten Replikationsverfahrens eine hervorragende Strukturtreue über mehrere Längenskalen hinweg, vom sub-Mikrometer Bereich bis hin zu makroskopischen Merkmalen, mit gleichzeitig nahezu durchgängiger Strukturierung bei einer gesamten Strukturfläche von bis zu 12.5 cm×10.0 cm pro Replikat erzielt. Als vorderseitige Beschichtung für Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) Solarzellen erweisen sich heißgeprägten Rosenreplikate als effektive Antireflex- und Light-Trapping-Maßnahme für einen breiten Spektralbereich und besonders für Lichteinfallswinkel >50°. Mit heißgeprägten Rosenreplikaten aus PMMA lässt sich sogar bei senkrechtem Lichteinfall eine gegenüber einer optimierten Magnesiumfluorid (MgF2) Antireflexbeschichtung verbesserte Antireflexwirkung feststellen. Optoelektronische Messungen bestätigen, dass sich diese Reflexionsverminderung auch entsprechend auf die Nennleistung der Solarzellen auswirkt, mit einer um im Mittel um 5.7%±0.6% gesteigerten Umwandlungseffizienz (verglichen mit den jeweiligen Solarzellen vor Aufbringung der Antireflexschichten) im Falle von PMMA Rosenreplikaten und 4.5%±1.6% für MgF2 Dünnschicht-Antireflexbeschichtungen. Weiter wird gezeigt, dass heißgeprägte Rosenreplikate auch mit wasserabweisenden Eigenschaften (mit einem statischer Kontaktwinkel von 134.4°±4.3°) erzeugt werden können, sogar ohne dabei auf zusätzliche Schritte zur Oberflächenmodifikation zurückgreifen zu müssen. Dazu wird als Ausgangsmaterial für den Heißprägeprozess ein Polymermaterial mit geringer freier Oberflächenenergie benötigt, was beispielsweise bei FEP gegeben ist. Wassertropfen, die auf geneigte FEP Rosenreplikate fallen, perlen von diesen sofort und restlos ab, was auf eine potentielle Eignung von FEP Rosenreplikaten zur Produktion selbstreinigender Solarmodule hindeutet. Der Leistungszuwachs, der durch die Anwendung der hochskalierten PMMA Rosenreplikate bewirkt wird, wird des Weiteren auch unter realistischen Betriebsbedingungen über neun Monaten Betrieb unter Außenbedingungen in Karlsruhe (Deutschland) untersucht, und zwar für 10 cm×10 cm CIGS und siliziumbasierte Solarmodule unter verschiedenen Modulneigungswinkeln und Modulorientierungen. Besonders hohe Steigerungen der täglichen Energieausbeute verglichen mit einem Referenzmodul ohne strukturierte Polymerfolie von bis zu deutlich über 10% werden dabei vor allem unter Aufstellbedingungen gemessen, die mit viel direkter Sonneneinstrahlung unter schrägem Lichteinfall einhergehen. Mit Hilfe beschleunigter Alterungs- und Abnutzungstests, welche standardisierten Testprotokollen aus der PV Industrie nachempfunden sind, wird außerdem auf die potentielle Langzeiteignung solch strukturierter Folien auf Solarmoduloberflächen hingewiesen. Außerdem werden die optischen Eigenschaften typischer Blütenblattstrukturen auf Solarzellen mit Hilfe einer speziell entwickelten 3D Mikrostruktur-Modellierungs- und Simulationsroutine, basierend auf Monte-Carlo-Raytracing und der Transfer-Matrix-Methode, hinsichtlich des Einflusses ungeordneter Strukturbausteine auf die Lichteinkopplungseigenschaften im Detail diskutiert. Durch Variation der Stärke der strukturellen Unordnung sowohl in der Höhe, der Anordnung, als auch der Neigung der Strukturbausteine der betrachteten, Blütenblattepidermis-inspirierten Mikrostrukturen lässt sich zeigen, dass ihre winkelabhängigen Reflexionseigenschaften nur schwach von Unordnung abhängen und in erster Linie vom mittleren Aspektverhältnis und der mittleren Packungsdichte der Strukturbausteine bestimmt werden. Schließlich werden die Polarisationseigenschaften von an Solarmodulen reflektiertem Licht hinsichtlich der möglichen schädlichen Auswirkungen auf polarotaktische Insektenarten diskutiert. Die vorderseitige Glasabdeckung herkömmlicher Solarmodule reflektiert aufgrund ihrer glatten Oberfläche linear polarisiertes Licht, wobei der Polarisationsgrad vom Einfallswinkel/ Betrachtungswinkel abhängt (vollständige lineare Polarisation bei Betrachtung unter dem Brewster-Winkel). Unbeabsichtigt wird dadurch der Insektenfauna geschadet, da polarotaktische Insekten Solarmodule als solche nicht erkennen und diese fälschlicherweise oft als Gewässer identifizieren, was dann beispielsweise eine Eierablage an einem ungeeigneten Ort und damit den Verlust der Nachkommen zur Folge haben kann. Experimente im Freifeld zeigen jedoch erstmals, dass keinerlei derartige schädliche Anziehungswirkung auf polarotaktische Eintagsfliegen (Ephemeroptera: Ephemera danica) und Bremsen (Diptera: Tabanidae) im Falle von PMMA Rosenreplikaten auf Solarmodulen zu befürchten ist. Basierend auf bildgebender Polarimetrie und Monte-Carlo-Raytracing-Simulationen werden diese Resultate auf die optischen Eigenschaften mikrostrukturierter Oberflächen zurückgeführt

Another Way of Counting Nᴺ

An original combinatorial proof of a combinatorial identity is presented

Magnetic resonance imaging in the evaluation of cervical foraminal stenosis: comparison of 3D T2 SPACE with sagittal oblique 2D T2 TSE

OBJECTIVE The oblique orientation of the cervical neural foramina challenges the implementation of a short MRI protocol with concurrent excellent visualization of the spine. While sagittal oblique T2-weighted sequences permit good evaluation of the cervical neuroforamina, all segments may not be equally well depicted on a single sequence and conspicuity of foraminal stenosis may be limited. 3D T2-weighted sequences can be reformatted in arbitrary planes, including the sagittal oblique. We set out to compare 3D T2w SPACE sequences with sagittal oblique reformations and sagittal oblique 2D T2w TSE sequences for the evaluation of cervical foraminal visibility and stenosis. MATERIALS AND METHODS Sixty consecutive patients who underwent MRI of the cervical spine with sagittal oblique 2D T2w TSE and 3D T2w SPACE sequences were included. Image homogeneity of the sequences was evaluated. Imaging sets were assessed for structure visibility and foraminal stenosis by two independent readers. Results of the sequences were compared by Wilcoxon matched-pairs tests. Interreader agreement was evaluated by weighted κ. RESULTS Visibility of most structures was rated good to excellent on both sequences (mean visibility scores ≥ 4.5 of 5), though neuroforaminal contents were better seen on sagittal oblique T2w TSE (mean scores 4.1-4.6 vs. 3.1-4.1 on 3D T2w SPACE, p < 0.01). Stenosis grades were comparable between sequences (mean 1.1-2.6 of 4), with slightly higher values for 3D T2w SPACE at some levels (difference ≤ 0.3 points). CONCLUSION 3D T2w SPACE is comparable with sagittal oblique 2D T2w TSE in the evaluation of cervical neural foramina

Automated Execution of Financial Contracts on Blockchains

The paper investigates financial contract management on distributed ledgers and provides a working solution implemented on the Ethereum blockchain. The system is based on a domain-specific language for financial contracts that is capable of expressing complex multi-party derivatives and is conducive to automated execution. The authors propose an architecture for separating contractual terms from contract execution: a contract evaluator encapsulates the syntax and semantics of financial contracts without actively performing contractual actions; such actions are handled by user-definable contract managers that administer strategies for the execution of contracts. Hosting contracts and contract managers on a distributed ledger, side-by-side with digital assets, facilitates automated settlement of commitments without the need for an intermediary. The paper discusses how the proposed technology may change the way financial institutions, regulators, and individuals interact in a financial system based on distributed ledgers

Single molecule DNA biophysics with atomic force microscopy

Anselmetti D, Fritz J, Smith B, Fernandez-Busquets X. Single molecule DNA biophysics with atomic force microscopy. Single molecules. 2000;1(1):53-58.Structural and functional properties of double stranded deoxyribonucleic acid (dsDNA) are investigated by atomic force microscopy (AFM) on a single molecule level. Here, we characterize different linear and circular DNA systems in terms of their geometry and topology, and visualize enzyme binding of restriction endonuclease Hae III to DNA. Manipulation of single DNA molecules is demonstrated by dissecting individual DNA strands. Furthermore, the elastic response of single DNA molecules to an externally applied force is investigated by AFM force spectroscopy experiments. This gives information about structural properties of the DNA double helix. Specifically, transition from B-form to S-form DNA and a melting transition from double stranded to single stranded DNA is observed. This allows monitoring of specific interaction and binding of small intercalator molecules such as ethidium bromide (EtBr) to DNA by means of a mechanical, non-fluorescent detection scheme

Herbivores shape woody plant communities in theKruger National Park: lessons from three long-termexclosures

The role of grazers in determining vegetation community compositions and structuring plant communities is well recognised in grassy systems. The role of browsers in affecting savanna woody plant communities is less clear. We used three long-term exclosures in the Kruger National Park to determine the effect of browsers on species compositions and population structures of woody communities. Species assemblages, plant traits relating to browsing and soil nutrients were compared inside and outside of the exclosures. Our results showed that browsers directly impact plant species distributions, densities and population structures by actively selecting for species with traits which make them desirable to browsers. Species with high leaf nitrogen, low total phenolic content and low acid detergent lignin appeared to be favoured by herbivores and therefore tend to be rare outside of the exclosures. This study also suggested that browsers have important indirect effects on savanna functioning, as the reduction of woody cover can result in less litter of lower quality, which in turn can result in lower soil fertility. However, the magnitude of browser effects appeared to depend on inherent soil fertility and climate. CONSERVATION IMPLICATIONS: Browsers were shown to have significant impacts on plant communities. They have noticeable effects on local species diversity and population structure, as well as soil nutrients. These impacts are shown to be related to the underlying geology and climate. The effects of browsers on woody communities were shown to be greater in low rainfall, fertile areas compared to high rainfall, infertile soils

Bone marrow edema of the medioplantar talar head is associated with severe ligamentous injury in ankle sprain

PURPOSE To investigate the predictive value of talar head edema (THE) in acute ankle sprain for the presence of concomitant ligament injuries. METHODS This retrospective study was approved by the ethics committee and informed consent was obtained. One hundred patients (mean age: 37 years ± 14 [standard deviation], range 13-77 years) with MRI of the ankle after acute trauma were included. The cohort in this matched-pair study consisted of 50 patients with THE (group 1) and 50 patients without THE (group 2). Two readers independently evaluated presence and size of bone marrow edema of the talus head and injuries of the lateral, medial, talonavicular, and spring ligament complex. Statistics included intraclass correlation coefficient (ICC) and Kappa statistics as well as parametric and non-parametric tests. RESULTS On average, patients with THE demonstrated significantly more ligament injuries in comparison to patients without THE (3.7 vs. 1.3, p ≤ 0.01). Also, in patients with THE, the number of injured ligaments was significantly higher at the lateral (p = 0.03), medial (p ≤ 0.01), and talonavicular (p ≤ 0.01) compartment in comparison to patients without THE. The most frequently injured ligaments in patients with THE were the anterior talofibular ligament (60%) and the anterior tibiotalar ligament (42%). There was no significant correlation between edema size and the number of injured ligaments or compartments (p = 0.5). CONCLUSION THE is associated with more extensive ligamentous ankle injury, in particular to the medial and lateral collateral ligament complex, and therefore indicative of severe ankle trauma