Fully automated deep learning-based localization and segmentation of the locus coeruleus in aging and Parkinson's disease using neuromelanin-sensitive MRI

Purpose: Development and performance measurement of a fully automated pipeline that localizes and segments the locus coeruleus in so-called neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging data for the derivation of quantitative biomarkers of neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease. Methods: We propose a pipeline composed of several 3D-Unet-based convolutional neural networks for iterative multi-scale localization and multi-rater segmentation and non-deep learning-based components for automated biomarker extraction. We trained on the healthy aging cohort and did not carry out any adaption or fine-tuning prior to the application to Parkinson’s disease subjects. Results: The localization and segmentation pipeline demonstrated sufficient performance as measured by Euclidean distance (on average around 1.3mm on healthy aging subjects and 2.2mm in Parkinson’s disease subjects) and Dice similarity coefficient (overall around 71% on healthy aging subjects and 60% for subjects with Parkinson’s disease) as well as promising agreement with respect to contrast ratios in terms of intraclass correlation coefficient of ≥0.80 for healthy aging subjects compared to a manual segmentation procedure. Lower values (≥0.48) for Parkinson’s disease subjects indicate the need for further investigation and tests before the application to clinical samples. Conclusion: These promising results suggest the usability of the proposed algorithm for data of healthy aging subjects and pave the way for further investigations using this approach on different clinical datasets to validate its practical usability more conclusively

Measuring cognitive performance in space: validity of a 3-min PVT administered on a handheld computer

Objectives: Sleep disturbances due to irregular work schedules or circadian misalignment occur regularly during stays in space and are a major reason for medication. Reduced sleep quality and quantity may impair cognitive performance and are likely to result in human errors and accidents. Psychomotor performance degradation is a sensitive marker for sleep loss induced vigilance deficits. We implemented a Psychomotor Vigilance Task (PVT) of particularly short duration (3 min) on a portable handheld computer which can be administered in operational settings. The current study aimed at examining the validity of this test. Methods: In the DLR sleep laboratory 47 volunteers (21 female, mean age 27 ± 5 years) were examined during 12 consecutive days and nights each. Participants’ sleep was restricted to induce fatigue and different levels of performance impairment (38h awake, 4h sleep, and 4h sleep after moderate alcohol intake). Two nights of recovery were granted between sleep restriction conditions in a cross-over design. During wakefulness participants conducted a battery of performance tests in 3-hour intervals (in total 63 sessions) that reflect the operational demands in dynamic environments such as aviation/space (4 tasks) and road transport (lane change task). For reliability assessment, we calculated internal consistency (Cronbach’s α) and parallel test reliability with a 10-min PVT on a desktop computer (Pearson’s correlation). To assess validity, we correlated the 3-min PVT with the tasks of the test battery under the different sleep loss conditions. Results from the 9am test sessions are reported. Results: Internal consistency was very high with α = 0.98. Correlations with the 10-min PVT proved to be significant showing a good reliability under sleep restriction and extended wakefulness (r: 0.63 to 0.87). Three of the 4 tasks reflecting operational demands in aviation/space correlated significantly with the 3-min PVT (r: 0.45 and 0.7). The fourth task correlated poorly presumably reflecting additional different aspects of performance. The 3-min PVT correlated significantly with performance in the lane change task (r: 0.34 and 0.56). Conclusions: The 3-min PVT detected performance impairments after different degrees of sleep restriction reliably and with good validity. Impairments observed in the 3-min PVT paralleled those in the 10-min PVT and in performance tasks reflecting demands of operators in aviation/space and transport

Leitstungsmessung in der Luftfahrt: portabler 3-min PVT

Hintergrund: Verkürzte Schlafzeit und ungenügende Schlafqualität können zu Defiziten in der Leistung führen und werden gehäuft als Ursache von menschlichem Fehlverhalten und Unfällen identifiziert. Die psychomotorische Vigilanz ist ein sensitiver Marker zur Erkennung von müdigkeitsbedingten Leistungseinbußen. In der aktuellen Untersuchung wurde ein psychomotorischer Vigilanztest (PVT) von besonders kurzer Dauer (3 Minuten) entwickelt und auf einem portablen Handheld Computer implementiert, um eine praktikable Anwendbarkeit im realen Arbeitsumfeld von Operatoren in Luftfahrt und Verkehr zu gewährleisten. Die Studie diente dazu, die Reliabiliät und Validität dieses Tests zu prüfen. Methodik: Im Schlaflabor des DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin wurden 47 Versuchspersonen (21 Frauen, mittleres Alter 27 ± 5 Jahre) während 12 aufeinanderfolgender Tage und Nächte untersucht. Um Müdigkeit und unterschiedliche Abstufungen in der Leistung zu induzieren, wurde der Schlaf der Probanden verkürzt und auch die Qualität beeinflusst (1) 38h wach, 2) 4h Schlaf, und 3) 4h Schlaf nach moderatem Alkoholgenuss). Die Interventionen wurden mit zwei Erholungstagen Abstand in einem cross-over Design dargeboten. Während der Wachzeit führten die Versuchspersonen in 3-Stunden Intervallen eine Batterie von Leistungstests durch (insgesamt 63 Testsitzungen), die speziell auf die Bedingungen in dynamischen Arbeitsumgebungen abgestimmt war, so wie sie in der Luftfahrt (4 Leistungstests) und im Verkehr (Lane Change Task) zu finden sind. Zur Bestimmung der Reliabilität wurden die innere Konsistenz (Cronbach’s ) sowie die Reliabilität mit einer parallelen Testversion - einem 10-min PVT dargeboten auf einem Desktop Computer – bestimmt (Pearson Korrelation). Die Validität wurde durch Korrelation des 3-min PVTs mit den Tests der Leistungstestbatterie unter den verschiedenen Schlafentzugsbedingungen berechnet. Die dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf die Leistungsmessung um 9 Uhr am Morgen. Ergebnisse: Die innere Konsistenz war hoch mit = 0,98. Die Korrelation mit dem 10-min PVT zeigte eine gute Reliabilität unter Schlafentzug und bei verlängerter Wachheit (r: 0,63 bis 0,87). Drei der vier Tests aus dem Arbeitsumfeld der Luftfahrt (Piloten/Lotsen) korrelierten signifikant mit dem 3-min PVT (r: 0,45 und 0,7). Ein sehr komplexer Test korrelierte etwas schlechter, möglicherweise da er noch andere Leistungsaspekte reflektiert. Der 3-min PVT korrelierte signifikant mit der Leistung in der Lane Change Task (r: 0,34 und 0,56). Schlussfolgerung: Der 3-min PVT wies Einbußen in der Leistung hervorgerufen durch unterschiedliche Grade von Schlafentzug reliabel und valide nach. Die Beeinträchtigungen im 10-min PVT wurden durch den 3-min PVT nachgezeichnet. Zudem reflektierte der 3-min PVT die Einbußen gut, die sich in den angewandten Testverfahren aus Aufgabenfeldern von Operatoren in Luftfahrt und Verkehr zeigten