Electromagnetic models for ultrasound image processing

Speckle noise appears when coherent illumination is employed, as for example Laser, Synthetic Aperture Radar (SAR), Sonar, Magnetic Resonance, X-ray and Ultrasound imagery. Backscattered echoes from the randomly distributed scatterers in the microscopic structure of the medium are the origin of speckle phenomenon, which characterizes coherent imaging with a granular appearance. It can be shown that speckle noise is of multiplicative nature, strongly correlated and more importantly, with non-Gaussian statistics. These characteristics differ greatly from the traditional assumption of white additive Gaussian noise, often taken in image segmentation, filtering, and in general, image processing; which leads to reduction of the methods effectiveness for final image information extraction; therefore, this kind of noise severely impairs human and machine ability to image interpretation. Statistical modeling is of particular relevance when dealing with speckled data in order to obtain efficient image processing algorithms; but, additionally, clinical ultrasound imaging systems employ nonlinear signal processing to reduce the dynamic range of the input echo signal to match the smaller dynamic range of the display device and to emphasize objects with weak backscatter. This reduction in dynamic range is normally achieved through a logarithmic amplifier i.e. logarithmic compression, which selectively compresses large input signals. This kind of nonlinear compression totally changes the statistics of the input envelope signal; and, a closed form expression for the density function of the logarithmic transformed data is usually hard to derive. This thesis is concerned with the statistical distributions of the Log-compressed amplitude signal in coherent imagery, and its main objective is to develop a general statistical model for log-compressed ultrasound B-scan images. The developed model is adapted, making the pertinent physical analogies, from the multiplicative model in Synthetic Aperture Radar (SAR) context. It is shown that the proposed model can successfully describe log-compressed data generated from different models proposed in the specialized ultrasound image processing literature. Also, the model is successfully applied to model in-vivo echo-cardiographic (ultrasound) B-scan images. Necessary theorems are established to account for a rigorous mathematical proof of the validity and generality of the model. Additionally, a physical interpretation of the parameters is given, and the connections between the generalized central limit theorems, the multiplicative model and the compound representations approaches for the different models proposed up-to-date, are established. It is shown that the log-amplifier parameters are included as model parameters and all the model parameters are estimated using moments and maximum likelihood methods. Finally, three applications are developed: speckle noise identification and filtering; segmentation of in vivo echo-cardiographic (ultrasound) B-scan images and a novel approach for heart ejection fraction evaluationEl ruido Speckle aparece cuando se utilizan sistemas de iluminación coherente, como por ejemplo Láser, Radar de Apertura Sintética (SAR), Sonar, Resonancia Magnética, rayos X y ultrasonidos. Los ecos dispersados por los centros dispersores distribuidos al azar en la estructura microscópica del medio son el origen de este fenómeno, que caracteriza las imágenes coherentes con un aspecto granular. Se puede demostrar que el ruido Speckle es de carácter multiplicativo, fuertemente correlacionados y lo más importante, con estadística no Gaussiana. Estas características son muy diferentes de la suposición tradicional de ruido aditivo gaussiano blanco, a menudo asumida en la segmentación de imágenes, filtrado, y en general, en el procesamiento de imágenes; lo cual se traduce en la reducción de la eficacia de los métodos para la extracción de información de la imagen final. La modelización estadística es de particular relevancia cuando se trata con datos Speckle, a fin de obtener algoritmos de procesamiento de imágenes eficientes. Además, el procesamiento no lineal de señales empleado en sistemas clínicos de imágenes por ultrasonido para reducir el rango dinámico de la señal de eco de entrada de manera que coincida con el rango dinámico más pequeño del dispositivo de visualización y resaltar así los objetos con dispersión más débil, modifica radicalmente la estadística de los datos. Esta reducción en el rango dinámico se logra normalmente a través de un amplificador logarítmico es decir, la compresión logarítmica, que comprime selectivamente las señales de entrada y una forma analítica para la expresión de la función de densidad de los datos transformados logarítmicamente es por lo general difícil de derivar. Esta tesis se centra en las distribuciones estadísticas de la amplitud de la señal comprimida logarítmicamente en las imágenes coherentes, y su principal objetivo es el desarrollo de un modelo estadístico general para las imágenes por ultrasonido comprimidas logarítmicamente en modo-B. El modelo desarrollado se adaptó, realizando las analogías físicas relevantes, del modelo multiplicativo en radares de apertura sintética (SAR). El Modelo propuesto puede describir correctamente los datos comprimidos logarítmicamente a partir datos generados con los diferentes modelos propuestos en la literatura especializada en procesamiento de imágenes por ultrasonido. Además, el modelo se aplica con éxito para modelar ecocardiografías en vivo. Se enuncian y demuestran los teoremas necesarios para dar cuenta de una demostración matemática rigurosa de la validez y generalidad del modelo. Además, se da una interpretación física de los parámetros y se establecen las conexiones entre el teorema central del límite generalizado, el modelo multiplicativo y la composición de distribuciones para los diferentes modelos propuestos hasta a la fecha. Se demuestra además que los parámetros del amplificador logarítmico se incluyen dentro de los parámetros del modelo y se estiman usando los métodos estándar de momentos y máxima verosimilitud. Por último, tres aplicaciones se desarrollan: filtrado de ruido Speckle, segmentación de ecocardiografías y un nuevo enfoque para la evaluación de la fracción de eyección cardiaca.Postprint (published version

Métodos de valoración de la fracción de eyección del ventrículo izquierdo

The ejection fraction is the most widely used index of ventricular function. Its value is pivotal for the clinical decision-making process, including diagnostic, prognostic and therapeutic implications. It is for this reason that the ejection fraction must be an exact, precise measure with minimal uncertainty. In this work we will review the different techniques available for EF calculation, showing their advantages and disadvantages that should be known by the clinician for its proper use.La fracción de eyección (FE) es el índice de función ventricular más ampliamente usado en el ámbito clínico ya que de su valor derivan decisiones con implicaciones diagnósticas, pronósticas y terapéuticas. Es por esta razón que la FE debe ser una medida exacta, precisa y con mínima incertidumbre. En este trabajo revisamos las diferentes técnicas disponibles para su cálculo, con sus ventajas y desventajas que deben ser conocidas por el clínico para su adecuada utilización

Electromagnetic models for ultrasound image processing

Speckle noise appears when coherent illumination is employed, as for example Laser, Synthetic Aperture Radar (SAR), Sonar, Magnetic Resonance, X-ray and Ultrasound imagery. Backscattered echoes from the randomly distributed scatterers in the microscopic structure of the medium are the origin of speckle phenomenon, which characterizes coherent imaging with a granular appearance. It can be shown that speckle noise is of multiplicative nature, strongly correlated and more importantly, with non-Gaussian statistics. These characteristics differ greatly from the traditional assumption of white additive Gaussian noise, often taken in image segmentation, filtering, and in general, image processing; which leads to reduction of the methods effectiveness for final image information extraction; therefore, this kind of noise severely impairs human and machine ability to image interpretation. Statistical modeling is of particular relevance when dealing with speckled data in order to obtain efficient image processing algorithms; but, additionally, clinical ultrasound imaging systems employ nonlinear signal processing to reduce the dynamic range of the input echo signal to match the smaller dynamic range of the display device and to emphasize objects with weak backscatter. This reduction in dynamic range is normally achieved through a logarithmic amplifier i.e. logarithmic compression, which selectively compresses large input signals. This kind of nonlinear compression totally changes the statistics of the input envelope signal; and, a closed form expression for the density function of the logarithmic transformed data is usually hard to derive. This thesis is concerned with the statistical distributions of the Log-compressed amplitude signal in coherent imagery, and its main objective is to develop a general statistical model for log-compressed ultrasound B-scan images. The developed model is adapted, making the pertinent physical analogies, from the multiplicative model in Synthetic Aperture Radar (SAR) context. It is shown that the proposed model can successfully describe log-compressed data generated from different models proposed in the specialized ultrasound image processing literature. Also, the model is successfully applied to model in-vivo echo-cardiographic (ultrasound) B-scan images. Necessary theorems are established to account for a rigorous mathematical proof of the validity and generality of the model. Additionally, a physical interpretation of the parameters is given, and the connections between the generalized central limit theorems, the multiplicative model and the compound representations approaches for the different models proposed up-to-date, are established. It is shown that the log-amplifier parameters are included as model parameters and all the model parameters are estimated using moments and maximum likelihood methods. Finally, three applications are developed: speckle noise identification and filtering; segmentation of in vivo echo-cardiographic (ultrasound) B-scan images and a novel approach for heart ejection fraction evaluationEl ruido Speckle aparece cuando se utilizan sistemas de iluminación coherente, como por ejemplo Láser, Radar de Apertura Sintética (SAR), Sonar, Resonancia Magnética, rayos X y ultrasonidos. Los ecos dispersados por los centros dispersores distribuidos al azar en la estructura microscópica del medio son el origen de este fenómeno, que caracteriza las imágenes coherentes con un aspecto granular. Se puede demostrar que el ruido Speckle es de carácter multiplicativo, fuertemente correlacionados y lo más importante, con estadística no Gaussiana. Estas características son muy diferentes de la suposición tradicional de ruido aditivo gaussiano blanco, a menudo asumida en la segmentación de imágenes, filtrado, y en general, en el procesamiento de imágenes; lo cual se traduce en la reducción de la eficacia de los métodos para la extracción de información de la imagen final. La modelización estadística es de particular relevancia cuando se trata con datos Speckle, a fin de obtener algoritmos de procesamiento de imágenes eficientes. Además, el procesamiento no lineal de señales empleado en sistemas clínicos de imágenes por ultrasonido para reducir el rango dinámico de la señal de eco de entrada de manera que coincida con el rango dinámico más pequeño del dispositivo de visualización y resaltar así los objetos con dispersión más débil, modifica radicalmente la estadística de los datos. Esta reducción en el rango dinámico se logra normalmente a través de un amplificador logarítmico es decir, la compresión logarítmica, que comprime selectivamente las señales de entrada y una forma analítica para la expresión de la función de densidad de los datos transformados logarítmicamente es por lo general difícil de derivar. Esta tesis se centra en las distribuciones estadísticas de la amplitud de la señal comprimida logarítmicamente en las imágenes coherentes, y su principal objetivo es el desarrollo de un modelo estadístico general para las imágenes por ultrasonido comprimidas logarítmicamente en modo-B. El modelo desarrollado se adaptó, realizando las analogías físicas relevantes, del modelo multiplicativo en radares de apertura sintética (SAR). El Modelo propuesto puede describir correctamente los datos comprimidos logarítmicamente a partir datos generados con los diferentes modelos propuestos en la literatura especializada en procesamiento de imágenes por ultrasonido. Además, el modelo se aplica con éxito para modelar ecocardiografías en vivo. Se enuncian y demuestran los teoremas necesarios para dar cuenta de una demostración matemática rigurosa de la validez y generalidad del modelo. Además, se da una interpretación física de los parámetros y se establecen las conexiones entre el teorema central del límite generalizado, el modelo multiplicativo y la composición de distribuciones para los diferentes modelos propuestos hasta a la fecha. Se demuestra además que los parámetros del amplificador logarítmico se incluyen dentro de los parámetros del modelo y se estiman usando los métodos estándar de momentos y máxima verosimilitud. Por último, tres aplicaciones se desarrollan: filtrado de ruido Speckle, segmentación de ecocardiografías y un nuevo enfoque para la evaluación de la fracción de eyección cardiaca

Evolution over Time of Ventilatory Management and Outcome of Patients with Neurologic Disease∗

OBJECTIVES: To describe the changes in ventilator management over time in patients with neurologic disease at ICU admission and to estimate factors associated with 28-day hospital mortality. DESIGN: Secondary analysis of three prospective, observational, multicenter studies. SETTING: Cohort studies conducted in 2004, 2010, and 2016. PATIENTS: Adult patients who received mechanical ventilation for more than 12 hours. INTERVENTIONS: None. MEASUREMENTS AND MAIN RESULTS: Among the 20,929 patients enrolled, we included 4,152 (20%) mechanically ventilated patients due to different neurologic diseases. Hemorrhagic stroke and brain trauma were the most common pathologies associated with the need for mechanical ventilation. Although volume-cycled ventilation remained the preferred ventilation mode, there was a significant (p < 0.001) increment in the use of pressure support ventilation. The proportion of patients receiving a protective lung ventilation strategy was increased over time: 47% in 2004, 63% in 2010, and 65% in 2016 (p < 0.001), as well as the duration of protective ventilation strategies: 406 days per 1,000 mechanical ventilation days in 2004, 523 days per 1,000 mechanical ventilation days in 2010, and 585 days per 1,000 mechanical ventilation days in 2016 (p < 0.001). There were no differences in the length of stay in the ICU, mortality in the ICU, and mortality in hospital from 2004 to 2016. Independent risk factors for 28-day mortality were age greater than 75 years, Simplified Acute Physiology Score II greater than 50, the occurrence of organ dysfunction within first 48 hours after brain injury, and specific neurologic diseases such as hemorrhagic stroke, ischemic stroke, and brain trauma. CONCLUSIONS: More lung-protective ventilatory strategies have been implemented over years in neurologic patients with no effect on pulmonary complications or on survival. We found several prognostic factors on mortality such as advanced age, the severity of the disease, organ dysfunctions, and the etiology of neurologic disease

Evaluation of a quality improvement intervention to reduce anastomotic leak following right colectomy (EAGLE): pragmatic, batched stepped-wedge, cluster-randomized trial in 64 countries

Background Anastomotic leak affects 8 per cent of patients after right colectomy with a 10-fold increased risk of postoperative death. The EAGLE study aimed to develop and test whether an international, standardized quality improvement intervention could reduce anastomotic leaks. Methods The internationally intended protocol, iteratively co-developed by a multistage Delphi process, comprised an online educational module introducing risk stratification, an intraoperative checklist, and harmonized surgical techniques. Clusters (hospital teams) were randomized to one of three arms with varied sequences of intervention/data collection by a derived stepped-wedge batch design (at least 18 hospital teams per batch). Patients were blinded to the study allocation. Low- and middle-income country enrolment was encouraged. The primary outcome (assessed by intention to treat) was anastomotic leak rate, and subgroup analyses by module completion (at least 80 per cent of surgeons, high engagement; less than 50 per cent, low engagement) were preplanned. Results A total 355 hospital teams registered, with 332 from 64 countries (39.2 per cent low and middle income) included in the final analysis. The online modules were completed by half of the surgeons (2143 of 4411). The primary analysis included 3039 of the 3268 patients recruited (206 patients had no anastomosis and 23 were lost to follow-up), with anastomotic leaks arising before and after the intervention in 10.1 and 9.6 per cent respectively (adjusted OR 0.87, 95 per cent c.i. 0.59 to 1.30; P = 0.498). The proportion of surgeons completing the educational modules was an influence: the leak rate decreased from 12.2 per cent (61 of 500) before intervention to 5.1 per cent (24 of 473) after intervention in high-engagement centres (adjusted OR 0.36, 0.20 to 0.64; P < 0.001), but this was not observed in low-engagement hospitals (8.3 per cent (59 of 714) and 13.8 per cent (61 of 443) respectively; adjusted OR 2.09, 1.31 to 3.31). Conclusion Completion of globally available digital training by engaged teams can alter anastomotic leak rates. Registration number: NCT04270721 (http://www.clinicaltrials.gov)