Correction: Andreadis et al. The Advent of a New Era in Digital Healthcare: A Role for 3D Printing Technologies in Drug Manufacturing? Pharmaceutics 2022, 14, 609

In the original publication [...

Development of computer aided diagnosis methodologies for clusters of breast microcalcifications

277 σ.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύσσουμε μεθοδολογίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα αυτόματο σύστημα υποβοηθούμενης διάγνωσης (CADx) για συμπλέγματα μικροασβεστώσεων που εντοπίζονται σε μαστογραφικές εικόνες. Οι μικροασβεστώσεις είναι μικροσκοπικά άλατα ασβεστίου που είναι πιθανόν να εντοπιστούν σε ολόκληρη την περιοχή του μαστού και η εμφάνιση τους σχετίζεται με την ανάπτυξη καρκίνου του μαστού. Η υλοποίηση του συστήματος περιλαμβάνει μία σειρά αυτόνομων σταδίων όπως την προ-επεξεργασία της εικόνας, στοχεύοντας στη βελτίωση της ποιότητάς της και στον εντοπισμό σημαντικών ανατομικών δομών του μαστού, την κατάτμηση των μικροασβεστώσεων από την αρχική εικόνα, με σκοπό την απομόνωση των ευρημάτων ενδιαφέροντος, την εξαγωγή χαρακτηριστικών περιγραφής των ευρημάτων και τέλος την επιλογή εύρωστων χαρακτηριστικών και την εφαρμογή μεθόδου ταξινόμησης ώστε να επιτευχθεί με αυτόματο τρόπο διαχωρισμός μεταξύ καλόηθων και κακόηθων ευρημάτων. Παρουσιάζουμε λοιπόν ακολουθιακά τις μεθοδολογίες που ακολουθήσαμε για την ανάπτυξη κάθε διαφορετικού σταδίου του συστήματος υποβοηθούμενης διάγνωσης. Προσεγγίσαμε πολυπλεύρως την ανάλυση ενός συμπλέγματος μικροασβεστώσεων, εξάγοντας αρχικά χαρακτηριστικά που περιγράφουν τη μορφολογία και τη φωτεινότητα των ευρημάτων, την κατανομή τους μέσα στο σύμπλεγμα, το σχήμα του συμπλέγματος και την υφή του περιβάλλοντος ιστού. Επίσης, αξιολογήθηκαν και συγκρίθηκαν διαφορετικές μέθοδοι επιλογής χαρακτηριστικών και ποικίλα σχήματα ταξινόμησης, προκειμένου να καταλήξουμε στον πιο αποδοτικό συνδυασμό που οδηγεί σε βελτιστοποίηση των επιδόσεων διαχωρισμού. Ύστερα από την ανάπτυξη όλων των αυτόνομων σταδίων του συστήματος, προχωράμε στην αξιολόγησή του με σκοπό να διερευνήσουμε την αποτελεσματικότητά του και τη δυνατότητα εφαρμογής του σε συνθήκες κλινικής πρακτικής. Για την αξιολόγηση του συστήματος χρησιμοποιήθηκαν εικόνες από πραγματικές περιπτώσεις ασθενών, αξιοποιώντας ελεύθερα διαθέσιμες βάσεις δεδομένων. Συνολικά, χρησιμοποιήσαμε 22 μαστογραφίες από τη βάση MIAS και 1715 διαφορετικές μαστογραφίες από τη βάση DDSM, εξασφαλίζοντας κατ’ αυτόν τον τρόπο αντικειμενικά αποτελέσματα, μιας και πρόκειται για το μεγαλύτερο πλήθος περιπτώσεων που έχει χρησιμοποιηθεί για την υπολογιστική διάγνωση συμπλεγμάτων μικροασβεστώσεων. Μέσα από τα υπολογιστικά πειράματα με το συγκεκριμένο σύνολο δεδομένων, οδηγούμαστε σε συμπεράσματα που αφορούν τους παράγοντες που επηρεάζουν την ανάλυση μιας μαστογραφίας, ελέγχουμε την επίδοση του συστήματος σε μαστογραφίες διαφορετικών ιδιοτήτων, συγκρίνουμε διαφορετικές ομάδες χαρακτηριστικών και εντοπίζουμε τα καλύτερα υποσύνολα για τη διάγνωση των συμπλεγμάτων, ενώ συγκρίνουμε τις επιδόσεις του συστήματος με τις επιδόσεις ακτινολόγων που εξέτασαν το ίδιο σύνολο δεδομένων. Τα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά καθώς υπάρχουν υποσύνολα μαστογραφιών για τα οποία επιτυγχάνουμε υψηλές επιδόσεις διαχωρισμού (Az=0.91), ενώ υπερέχουμε στη σύγκριση έναντι των επιδόσεων των ακτινολόγων. Μάλιστα, αναλογιζόμενοι και το μεγάλο πλήθος χρησιμοποιούμενων μαστογραφιών, τα αποτελέσματα ταξινόμησης που επιτυγχάνουμε είναι και από τα υψηλότερα που αναφέρονται στη βιβλιογραφία. Αξιοποιώντας τα συγκεκριμένα αποτελέσματα, προχωράμε στη διερεύνηση δύο νέων σταδίων: το πρώτο αφορά την ενίσχυσης της αρχικής περιοχής ενδιαφέροντος στοχεύοντας στη βελτίωση της αντίθεσής της, ενώ το δεύτερο αφορά την εισαγωγή χαρακτηριστικών θέσης για την περαιτέρω περιγραφή του ευρήματος. Σχετικά με το πρώτο στάδιο, αναπτύσσονται και συγκρίνονται διαφορετικές μέθοδοι ενίσχυσης εικόνας σε υποσύνολα μαστογραφιών που περιέχουν περιπτώσεις διαφορετικής πυκνότητας μαστού και βαθμού δυσκολίας. Τα αποτελέσματα της σύγκρισης φανερώνουν πως συγκεκριμένοι παράγοντες της μαστογραφίας καθορίζουν την ανάγκη εφαρμογής διαφορετικών αλγορίθμων προκειμένου να καταλήξουμε σε βελτιστοποίηση της διαγνωστικής διαδικασίας. Όσον αφορά το δεύτερο στάδιο, αναπτύσσουμε μεθοδολογίες για τον εντοπισμό κρίσιμων ανατομικών δομών του μαστού (περιφέρεια μαστού, θωρακικός μυς, θηλή) προκειμένου να εξάγουμε χαρακτηριστικά για την περιγραφή της σχετικής θέσης του ευρήματος μέσα στο μαστό. Τα χαρακτηριστικά αυτά αξιοποιούνται περαιτέρω για την ανάπτυξη ενός μαστογραφικού άτλαντα, που παρουσιάζει περιοχές του μαστού με αυξημένη συχνότητα εμφάνισης των ευρημάτων, ενώ παράλληλα εισάγουμε τη χρήση πιθανοτικών χαρτών όπου αναδεικνύονται περιοχές με αυξημένη πιθανότητα για κακοήθεια. Οι συγκεκριμένοι χάρτες αξιοποιούνται για τη δημιουργία ενός μοντέλου που θα παρέχει εκ των προτέρων εκτίμηση της επικινδυνότητας ενός συμπλέγματος μικροασβεστώσεων σε μια νέα μαστογραφία, εξάγοντας πληροφορίες από τη σχετική θέση του συμπλέγματος μέσα στο μαστό. Στο τελευταίο λοιπόν στάδιο, αξιοποιούμε τα συμπεράσματα που έχουμε εξάγει στα προηγούμενα κεφάλαια και συνδυάζουμε τις προτεινόμενες μεθοδολογίες προκειμένου να καταλήξουμε σε ένα σενάριο χρήσης του CADx συστήματος σε συνθήκες κλινικής πρακτικής, προσομοιώνοντας την αλληλεπίδραση μεταξύ ακτινολόγων και CADx συστήματος. Το προτεινόμενο σενάριο περιλαμβάνει αξιοποίηση του CADx συστήματος, όπου όμως οι υποδείξεις του ακτινολόγου καθορίζουν την επιλογή των καταλληλότερων μεθοδολογιών για την ανάλυση της περιοχής ενδιαφέροντος. Τα μοντέλα του μαστογραφικού άτλαντα και των πιθανοτικών χαρτών αξιοποιούνται προκειμένου να εξαχθεί ένα ποσοστό επικινδυνότητας που σχετίζεται αποκλειστικά με τη θέση του ευρήματος στη μαστογραφία. Παράλληλα, υπολογίζεται ένα ποσοστό επικινδυνότητας που προκύπτει από την περιγραφή του ευρήματος σύμφωνα με το πρότυπο BIRADS, ενώ συνεκτιμάται και η ηλικία της ασθενούς που μπορεί να προσδώσει επιπλέον διαγνωστική αξία. Το προτεινόμενο σενάριο αξιολογείται σε ένα σύνολο ελέγχου 481 περιπτώσεων όπου επιτυγχάνεται τιμή διαχωρισμού μεταξύ καλόηθων και κακόηθων περιπτώσεων Az=0.861. O συνδυασμός μάλιστα της διάγνωσης του ακτινολόγου και του CADx συστήματος οδηγεί σε υψηλά επίπεδα ευαισθησίας (97.2%) και ειδικότητας (41.1%), βελτιώνοντας τις επιδόσεις των ακτινολόγων που παρατηρήθηκαν χωρίς χρήση του CADx συστήματος (ευαισθησία 93.5%, ειδικότητα 16.6%).In the present PhD thesis, we develop methodologies which may be integrated in a computer aided diagnosis system (CADx) for clusters of microcalcifications detected in mammographic images. Microcalcifications are tiny deposits of calcium that can be located anywhere inside the breast and their presence is associated to the existence of breast cancer. The development of the system includes various independent steps such as image preprocessing, aiming to the enhancement of image quality and the detection of important mammographic structures, the segmentation of the microcalcifications from the original image, in order to isolate the findings from the background, the extraction of features describing the findings and finally the application of feature selection and classification methods for the discrimination between benign and malignant findings. Thus, we present the methods implemented for each different stage of the computer aided diagnosis system. We performed the analysis of a microcalcifications cluster by extracting features concerning the morphology and the brightness of the findings, their distribution inside the cluster, the morphology of the cluster and the texture of the surrounding tissue. We also evaluated and compared different feature selection methods and classification schemes, in order to find the most efficient combination which leads to optimization of the classification results. After developing all subunits of the system, we proceed on its evaluation in order to investigate its efficacy and its potential to be adopted in daily clinical practice. For the evaluation of the system we used images from real-life cases provided by public databases. A subset of 22 cases from the MIAS database and 1715 cases from the DDSM database was used, achieving consequently objective results, as it is the greatest subset of images used in studies concerning the automated diagnosis of clusters of microcalcifications. Through our measurements, we extract valuable conclusions concerning the factors that influence the analysis of mammograms, we investigate the performance using subsets of cases of different properties, we compare different feature extraction methodologies in order to locate the best subsets of features for the discrimination of clusters and finally we compare the classification results of the system with the corresponding results obtained by the radiologists that analyzed the same dataset. The results are encouraging, since there are subsets of cases where we achieve high classification results (Az=0.91), while we outperformed the results achieved by the radiologists. Additionally, the classification results of the present study are comparable or even superior to those reported in the literature. Based on the previous results and conclusions, we investigate two new stages: the first concerns the enhancement of the initial region of interest aiming at the improvement of its contrast, while the second stage concerns the introduction of location features for the diagnosis of the finding. As far as the first stage is concerned, we implemented and compared different image enhancement techniques on subsets of mammograms of varying breast density and subtlety. The results of the comparison reveal that specific properties of the mammogram determine the need of different algorithms in order to optimize the diagnostic process. Concerning the second stage, we develop methodologies for the identification of important breast landmarks (breast periphery, pectoral muscle and nipple) in order to extract features that describe the relative location of the cluster inside the breast. These features are used to develop a mammographic atlas which presents regions of the breast with high occurrence of clusters of microcalcifications. We also introduce the use of probabilistic maps which reveal areas of the breast with increased probability for malignancy. The specific maps are used for the development of a classification model able to provide a priori risk estimation for a cluster of microcalcifications, based absolutely on information extracted from the relative location of the cluster inside the breast. At the last chapter, we use the conclusions that we extracted previously and we combine the proposed methodologies, in order to form a scenario for the use of the CADx system in the daily clinical practice, by simulating the interaction between the radiologists and the CADx system. The proposed scenario includes the use of the CADx system where the suggestions of the radiologist determine the selection of the most appropriate methodologies to analyze the region of interest. The mammographic atlas and the probabilistic maps are used to extract a risk estimation related absolutely to the location of the cluster. Additionally, an extra risk estimation is calculated which is based on the description of the finding following terms described in the BIRADS standard, while the age of the patient is also used to add extra diagnostic information. The proposed scenario is evaluated using a subset of 481 cases and the Az value achieved is 0.861. If the diagnoses of both the radiologists and the CADx system are combined, we achieve high levels of sensitivity (97.2%) and specificity (41.1%), improving consequently the performance of the radiologist without using the CADx system (sensitivity 93.5%, specificity 16.6%).Ιωάννης Ι. Ανδρεάδη

Exploring the use of modified in vitro digestion assays for the evaluation of ritonavir loaded solid lipid-based formulations

Solid lipid-based formulations (sLBFs) have the potential to increase the oral bioavailability of drugs with poor solubility in water, while counteracting some of the disadvantages of liquid LBFs. The most common experimental set-up to study the performance of LBFs in vitro is the lipolysis assay, during which the LBFs are digested by lipases in an environment mimicking the human small intestine. However, this assay has failed in many cases to correctly predict the performance of LBFs in vivo, highlighting the need for new and improved in vitro assays to evaluate LBFs at the preclinical stage. In this study, the suitability of three different in vitro digestion assays for the evaluation of sLBFs was assessed; the classic one-step intestinal digestion assay, a two-step gastrointestinal digestion assay and a bicompartmental assay permitting the simultaneous monitoring of digestion and permeation of the active pharmaceutical ingredient (API) across an artificial membrane (Lecithin in Dodecane - LiDo). Three sLBFs (M1-M3) with varied composition and ritonavir as model drug were prepared and examined. When comparing the ability of these formulations to keep the drug solubilized in the aqueous phase, all three assays show that M1 performs better, while M3 presents poor performance. However, the classic in vitro intestinal digestion assay fails to provide a clear ranking of the three formulations, something that is more evident when using the two modified and more physiologically relevant assays. Also, the two modified assays provide additional information about the performance of the formulations including the performance in the gastric environment and intestinal flux of the drug. These modified in vitro digestion assays are valuable tools for the development and evaluation of sLBFs to make better informed decisions of which formulations to pursue for in vivo studies

Correction: Andreadis et al. The Advent of a New Era in Digital Healthcare: A Role for 3D Printing Technologies in Drug Manufacturing? <i>Pharmaceutics</i> <b>2022</b>, <i>14</i>, 609

In the original publication [...

Detecting Complexity Abnormalities in Dyslexia Measuring Approximate Entropy of Electroencephalographic Signals

Dyslexia constitutes a specific reading disability, a condition characterized by severe difficulty in the mastery of reading despite normal intelligence or adequate education. Electroencephalogram (EEG) signal may be able to play an important role in the diagnosis of dyslexia. The Approximate Entropy (ApEn) is a recently formulated statistical parameter used to quantify the regularity of a time series data of physiological signals. In this paper, we initially estimated the ApEn values in signals recorded from controls subjects and dyslectic children. These values were firstly used for the statistical analysis of the two groups and secondly as feature input in a classification scheme. We also used the cross-ApEn methodology to get a measure of the asynchrony of the signals recorded from different electrodes. This preliminary study provides promising results towards correct identification of dyslexic cases, analyzing the corresponding EEG signals

On a numerical approximation of the boundary structure and of the area of the Mandelbrot set

Based on the boundary scanning method, a partition of the boundary of the Mandelbrot set is defined. The various classes of points of the boundary according to their divergence from the interior and the exterior of the Mandelbrot set are discussed. Then, numerical invariants of its structure under increase in the lattice resolution and the number of maximum iteration counts used to plot it are provided. Furthermore using Pick's theorem, an alternative numerical approximation of the area of the Mandelbrot set based on the number of points of the boundary and of the interior of the plottedMandelbrot set is provided. An analytic support of the numerical results obtained in approximating the area of the Mandelbrot set is also provided

Analyzing On-Farm Spatiotemporal Distribution of <i>Halyomorpha halys</i> (Stål) (Hemiptera: Pentatomidae) Populations from a Precision Agriculture Perspective

The brown marmorated stink bug, Halyomorpha halys Stål (Hemiptera: Pentatomidae), is native to Japan, China, Taiwan, and Korea. Its dispersion from Asia to the United States of America and Europe caused serious damage to fruit, vegetables, and high-value crops. In Greece, damages are reported in kiwi orchards in the regions of Pieria and Imathia, which are the main production areas of kiwifruit. Greek kiwifruit production is expected to increase twofold within the next years. The aim of this research is to study the terrain and canopy properties that may have an impact on the development of H. halys populations. Thus, five kiwi orchards in total were selected in the regions of Pieria and Imathia. Τen traps were installed from early June to late October within each selected kiwi orchard–two types of traps at every side of the orchards and the center. The installed traps were examined weekly and the number of the captured H. halys was recorded. During the same days, sentinel satellite images were analyzed to calculate the vegetation index, NDVI (Normalised Difference Vegetation Index), and NDWI (Normalised Difference Water Index). The results showed population variability within the kiwi orchards since the population of H. halys was higher in areas with high NDVI and NDWI values. Additionally, our research revealed that H. halys prefers to develop populations at higher altitudes at both regional and field scales. The results of this research can be used to reduce damages by H. halys in kiwi orchards using different rates of pesticides depending on the prediction of the population size. There are multiple benefits of the proposed practice, such as a reduction in the production cost of kiwifruits, an increase in farmers’ profit, and environmental protection

Reactive Oxygen Species Initiate Defence Responses of Potato Photosystem II to Sap-Sucking Insect Feeding

SIMPLE SUMMARY: Potato is one of the most universally cultivated horticultural crops and is vulnerable to a range of herbivorous insects. One of them is the brown marmorated stink bug, an invasive polyphagous sap-sucking agricultural insect pest that penetrates the phloem to sieve elements and removes sap via a specialized mouthpart, the stylet. By using the chlorophyll fluorescence imaging methodology, we examined potato photosystem II (PSII) photochemistry responses in the area of feeding on the whole leaf area. Highly increased reactive oxygen species (ROS) generation was observed as rapidly as 3 min after feeding to initiate defence responses and can be considered the primary plant defence response mechanism against herbivores. Our experimental results confirmed that chlorophyll fluorescence imaging methodology can detect spatial heterogeneity of PSII efficiency at the whole leaf surface and is a promising tool for investigating plant response mechanisms of sap-sucking insect herbivores. We suggest that PSII responses to insect feeding underlie ROS-dependent signalling. We conclude that the potato PSII response mechanism to sap-sucking insect herbivores is described by the induction of the defence response to reduce herbivory damage, instead of induction of tolerance, through a compensatory photosynthetic response mechanism that is observed after chewing insect feeding. ABSTRACT: Potato, Solanum tuberosum L., one of the most commonly cultivated horticultural crops throughout the world, is susceptible to a variety of herbivory insects. In the present study, we evaluated the consequence of feeding by the sap-sucking insect Halyomorpha halys on potato leaf photosynthetic efficiency. By using chlorophyll fluorescence imaging methodology, we examined photosystem II (PSII) photochemistry in terms of feeding and at the whole leaf area. The role of reactive oxygen species (ROS) in potato’s defence response mechanism immediately after feeding was also assessed. Even 3 min after feeding, increased ROS generation was observed to diffuse through the leaf central vein, probably to act as a long-distance signalling molecule. The proportion of absorbed energy being used in photochemistry (Φ(PSII)) at the whole leaf level, after 20 min of feeding, was reduced by 8% compared to before feeding due to the decreased number of open PSII reaction centres (qp). After 90 min of feeding, Φ(PSII) decreased by 46% at the whole leaf level. Meanwhile, at the feeding zones, which were located mainly in the proximity of the leaf midrib, Φ(PSII) was lower than 85%, with a concurrent increase in singlet-excited oxygen ((1)O(2)) generation, which is considered to be harmful. However, the photoprotective mechanism (Φ(NPQ)), which was highly induced 90 min after feeding, was efficient to compensate for the decrease in the quantum yield of PSII photochemistry (Φ(PSII)). Therefore, the quantum yield of non-regulated energy loss in PSII (Φ(NO)), which represents (1)O(2) generation, remained unaffected at the whole leaf level. We suggest that the potato PSII response to sap-sucking insect feeding underlies the ROS-dependent signalling that occurs immediately and initiates a photoprotective PSII defence response to reduce herbivory damage. A controlled ROS burst can be considered the primary plant defence response mechanism to herbivores