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Tesis:

Digital image processing methods to noninvasively detect low white blood cell levels from capillaroscopy videos

  • Autor: PABLO TRINIDAD, Alberto

  • Título: Digital image processing methods to noninvasively detect low white blood cell levels from capillaroscopy videos

  • Fecha: 2021

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION

  • Departamentos: INGENIERIA ELECTRONICA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/68658/

  • Director/a 1º: LEDESMA CARBAYO, María Jesús
  • Director/a 2º: CASTRO GONZÁLEZ, Carlos

  • Resumen: Neutropenia -- the lack of neutrophils, the most common type of white blood cell -- is one of the most serious side effects of cancer chemotherapy. Its main negative outcome is an elevated risk of a life-threatening infection known as febrile neutropenia. When febrile neutropenia occurs, cancer patients who are receiving chemotherapy must be referred to a hospital emergency room for prompt evaluation. Every year, up to 20% of cancer patients on chemotherapy need to be hospitalized due to febrile neutropenia. Febrile neutropenia thus remains one of the main causes of sepsis, hospitalization, and mortality in cancer patients treated with chemotherapy. The current standard of care for detecting neutropenia involves the extraction and analysis of blood samples with laboratory equipment. These methods require trained personnel and patient visits to their healthcare centers, which inherently limits how frequently these tests can be performed and prevents the timely detection of severe neutropenia before febrile neutropenia and its negative outcomes ensue. This PHD thesis proposes a non-invasive method that employs a portable optical prototype to perform point-of-care neutropenia screening without the need of a blood sample. The proposed method records one-minute videos of blood flow in nailfold capillaries and detects optical absorption gaps (OAGs) in the microcirculation as indicative of neutrophils squeezing through the capillaries. Using videos from chemotherapy patients undergoing an autologous stem cell transplant (ASCT), we demonstrate that the analysis of OAGs can be used to accurately differentiate baseline patients (>1,500 neutrophils per μL) from those undergoing severe neutropenia (<500 neutrophils per μL). These results suggest that the integration of optical imaging, consumer electronics, and data analysis can make non-invasive neutropenia screening accessible to patients at the point of care. ----------RESUMEN---------- Neutropenia -- la falta de neutrófilos, el tipo más común de glóbulos blancos -- es uno de los efectos secundarios más graves de la quimioterapia contra el cáncer. Su principal resultado negativo es un riesgo elevado de una infección potencialmente mortal conocida como neutropenia febril. Cuando ocurre una neutropenia febril, los pacientes con cáncer que están recibiendo quimioterapia deben ser remitidos a la sala de emergencias de un hospital para una evaluación inmediata. Cada año, hasta el 20% de los pacientes con cáncer que reciben quimioterapia necesitan ser hospitalizados debido a una neutropenia febril. Por tanto, la neutropenia febril sigue siendo una de las principales causas de sepsis, hospitalización y mortalidad en pacientes oncológicos tratados con quimioterapia. El actual estándar de atención para detectar neutropenia implica la extracción y análisis de muestras de sangre con equipo de laboratorio. Estos métodos requieren personal capacitado y visitas de pacientes a sus centros de atención médica, lo que limita inherentemente la frecuencia con la que se pueden realizar estas pruebas y evita la detección oportuna de neutropenia grave antes de que se produzca neutropenia febril y sus resultados negativos. Esta tesis propone un método no invasivo que emplea un prototipo óptico portátil para realizar el cribado de neutropenia en el punto de atención sin la necesidad de una muestra de sangre. El método propuesto registra videos de un minuto del flujo sanguíneo en los capilares de los pliegues ungueales y detecta los espacios de absorción óptica en la microcirculación como indicativos de la presión de los neutrófilos a través de los capilares. Utilizando videos de pacientes de quimioterapia que se someten a un autotrasplante de células madre, demostramos que el análisis de espacios de absorción óptica se puede utilizar para diferenciar con precisión a los pacientes iniciales (> 1.500 neutrófilos por μL) de los que experimentan neutropenia grave (<500 neutrófilos por μL). Estos resultados sugieren que la integración de imágenes ópticas, electrónica de consumo y análisis de datos puede hacer que la detección de neutropenia no invasiva sea accesible para los pacientes en el punto de atención.