Diagnostically resilient encoding, wireless transmission, and quality assessment of medical video

Abstract

Το προτεινόμενο ενοποιημένο μοντέλο για την αποτελεσματική ασύρματη μετάδοση και αξιολόγηση ιατρικού βίντεο: (i) παρέχει διαγνωστικά σχετική κωδικοποίηση ιατρικού βίντεο βασισμένη σε κλινικά κριτήρια, (ii) επιτρέπει την διαγνωστικά ανθεκτική κωδικοποίηση για αξιόπιστη επικοινωνία σε ασύρματα κανάλια υψηλού θορύβου, και (iii) εισάγει αντικειμενικά και υποκειμενικά κριτήρια για την κλινική αξιολόγηση της ποιότητας του ιατρικού βίντεο. Το παρών σύστημα στοχεύει την παροχή ιατρικής φροντίδας από απόσταση, καθώς και την αξιοποίηση στην αντιμετώπιση επειγόντων περιστατικών. Η προσέγγιση βασίζεται σε ένα χωρικά μεταβλητό καθεστώς κωδικοποίησης, όπου οι παράμετροι συμπίεσης μεταβάλλονται ανάλογα με την κλινική σημασία των διαγνωστικών περιοχών του ιατρικού βίντεο. Οι διαγνωστικές περιοχές αναγνωρίζονται χρησιμοποιώντας αλγόριθμους κατάτμησης. Στη συνέχεια κωδικοποιούνται χρησιμοποιώντας το πρότυπο κωδικοποίησης H.264/AVC, και μια παραλλαγή της τεχνικής flexible macroblock ordering (FMO) που επιτρέπει την μεταβλητή ποιότητα κωδικοποίησης, καθώς και redundant slices (RS) για ανθεκτικότητα στα λάθη μετάδοσης. Η αξιολόγηση του συστήματος βασίστηκε σε μια αντιπροσωπευτική συλλογή δέκα υπερηχογραφικών βίντεο. Εκτεταμένες πειραματικές προσομοιώσεις διερεύνησαν τρεις διαφορετικές μεθόδους FMO κωδικοποίησης, διαφορετικά επίπεδα κβαντοποίησης και μεγέθη βίντεο, καθώς και σενάρια εκτεταμένης απώλειας πακέτων. Η αξιολόγηση βασίστηκε σε ένα νέο κλινικό σύστημα αξιολόγησης που προβλέπει ανεξάρτητες αξιολογήσεις των διαφόρων τμημάτων του βίντεο (υποκειμενική). Επίσης χρησιμοποιήθηκαν αντικειμενικές μετρικές αξιολόγησης και ερευνήθηκε η αντιστοιχία τους με την μέση τιμή αξιολόγησης δύο ιατρικών εμπειρογνωμόνων. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η προτεινόμενη μέθοδος ενισχύει σημαντικά την διαγνωστική ανθεκτικότητα του μεταδιδόμενου ιατρικού βίντεο σε θορυβώδη περιβάλλοντα, ενώ την ίδια στιγμή επιτυγχάνει σημαντικές μειώσεις στις απαιτήσεις εύρους ζώνης, επιτρέποντας τη μετάδοση ιατρικού βίντεο μέσω ασυρμάτων δικτύων 3ης γενιάς (και των επομένων).

A new framework for effective communication and evaluation of wireless medical video over error-prone channels is proposed. The resulting unified framework: (i) provides a diagnostically relevant medical video encoding based on clinical criteria, (ii) enables diagnostically resilient encoding for reliable communications in noisy wireless channels, and (iii) introduces objective and subjective criteria for clinical video quality assessment (VQA). The envisioned utilization scenarios target remote diagnosis and care and emergency situations. The approach is based on a spatially varying encoding scheme, where video slice quantization parameters are varied as a function of diagnostic significance. Video slices are automatically set based on a segmentation algorithm. They are then encoded using a modified version of H.264/AVC flexible macroblock ordering (FMO) technique that allows variable quality slice encoding and redundant slices (RS) for resilience over error prone communication channels. Evaluation of the proposed scheme is performed on a representative collection of ten ultrasound videos. Extensive simulations incorporating three FMO encoding methods, different quantization levels and display resolutions, and different packet loss scenarios are investigated. VQA is based on a new clinical rating system that provides for independent evaluations of the different parts of the video (subjective). Objective VQA metrics are also employed and their correlation to the mean opinion scores computed using two medical experts is derived. Experimental results show that the proposed method achieves enhanced performance in noisy environments, while achieving significant bandwidth demands reductions, providing for transmission over 3G (and beyond) wireless networks. The proposed unified framework can be modified for application to other medical video modalities.