Machine learning algorithms for spatial data. Case studies: Environmental pollution, natural hazards, renewable resources

This paper presents general problems and approaches for the spatial data analysis using machine learning algorithms. Machine learning is a very powerful approach to adaptive data analysis, modelling and visualisation. The key feature of the machine learning algorithms is that they learn from empirical data and can be used in cases when the modelled environmental phenomena are hidden, nonlinear, noisy and highly variable in space and in time. Most of the machines learning algorithms are universal and adaptive modelling tools developed to solve basic problems of learning from data: classification/pattern recognition, regression/mapping and probability density modelling. In the present report some of the widely used machine learning algorithms, namely artificial neural networks (ANN) of different architectures and Support Vector Machines (SVM), are adapted to the problems of the analysis and modelling of geo-spatial data. Machine learning algorithms have an important advantage over traditional models of spatial statistics when problems are considered in a high dimensional geo-feature spaces, when the dimension of space exceeds 5. Such features are usually generated, for example, from digital elevation models, remote sensing images, etc. An important extension of models concerns considering of real space constrains like geomorphology, networks, and other natural structures. Recent developments in semi-supervised learning can improve modelling of environmental phenomena taking into account on geo-manifolds. An important part of the study deals with the analysis of relevant variables and models' inputs. This problem is approached by using different feature selection/feature extraction nonlinear tools. To demonstrate the application of machine learning algorithms several interesting case studies are considered: digital soil mapping using SVM, automatic mapping of soil and water system pollution using ANN; natural hazards risk analysis (avalanches, landslides), assessments of renewable resources (wind fields) with SVM and ANN models, etc. The dimensionality of spaces considered varies from 2 to more than 30. Figures 1, 2, 3 demonstrate some results of the studies and their outputs. Finally, the results of environmental mapping are discussed and compared with traditional models of geostatistics.

Characterization of tumor antigen specific CD8+ T cells and semi-invariant Vα24/Vβ11 NKT cells in tumor invaded liver

Summary: Detailed knowledge on tumor antigen expression and specific immune cells is required for a rational design of immunotherapy for patients with tumor invaded liver. In this study, we confirmed that Cancer/Testis (CT) tumor-associated antigens are frequently expressed in hepatocellular carcinoma (HCC) and searched for the presence of CD8+ T cells specific for these antigens. In 2/10 HLA-A2+ patients with HCC, we found that MAGE-A10 and/or SSX-2 specific CD8+ T cells naturally responded to the disease, since they were enriched in tumor lesions but not in non-tumoral liver. Isolated T cells specifically and strongly killed tumor cells in vitro, suggesting that these CTL were selected in vivo for high avidity antigen recognition, providing the rational for specific immunotherapy of HCC, based on immunization with CT antigens such as MAGE-Al 0 and SSX-2. Type 1 NKT cells express an invariant TCR α chain (Vα24.1α18, paired with Vβ11 in human) and share a specific reactivity to αGalactosylceramide (αGC) presented by CD1d. These cells can display paradoxical immuno-regulatory properties including strong anti-tumor effects upon αGC administration in murine models. To understand why NKT cells were not sufficiently protective against tumor development in patients with tumor invaded liver, we characterized the diversity of Vα24/Vβ11 NKT cells in healthy donors (HD) and cancer patients: NKT cells from HD and patients were generally diverse in terms of TCR β chain (Vβ11) variability and NKT cells from HD showed a variable recognition of αGC loaded CD 1 d multimers. Vα24/ Vβ11 NKT cells can be divided in 3 populations, the CD4, DN (CD4-/CD8-) and CD8 NKT cell subsets that show distinct ability of cytokine production. In addition, our functional analysis revealed that DN and CD8 subsets displayed a higher cytolytic potential and a weaker IFNγ release than the CD4 NKT cell subset. NKT cell subsets were variably represented in the blood of HD and cancer patients. However, HD with high NKT cell frequencies displayed an enrichment of the DN and CD8 subsets, and few of them were suggestive of an oligoclonal expansion in vivo. Comparable NKT cell frequencies were found between blood, non-tumoral liver and tumor of patients. In contrast, we identified a gradual enrichment of CD4 NKT cells from blood to the liver and to the tumor, together with a decrease of DN and CD8 NKT cell subsets. Most patient derived NKT cells were unresponsive upon αGalactosylceramide stimulation ex vivo; NKT cells from few patients displayed a weak responsiveness with different cytokine polarization. The NKT cell repertoire was thus different in tumor tissue, suggesting that CD4 NKT cells infiltrating tumors may be detrimental for protection against tumors and instead may favour the tumor growth/recurrence as recently reported in mice. Résumé en français scientifique : Afin de développer le traitement des patients porteurs d'une tumeur dans le foie par immunothérapie, de nouvelles connaissances sont requises concernant l'expression d'antigènes par les tumeurs et les cellules immunitaires spécifiques de ces antigènes. Nous avons vérifié que des antigènes associés aux tumeurs, tels que les antigènes « Cancer-Testis » (CT), sont fréquemment exprimés par le carcinome hepatocéllulaire (CHC). La recherche de lymphocytes T CD8+ spécifiques (CTL) de ces antigènes a révélé que des CTL spécifiques de MAGE-A10 et/ou SSX-2 ont répondu naturellement à la tumeur chez 2/10 patients étudiés. Ces cellules étaient présentes dans les lésions tumorales mais pas dans le foie adjacent. De plus, ces CTL ont démontré une activité cytolytique forte et spécifique contre les cellules tumorales in vitro, ce qui suggère que ces CTL ont été sélectionnés pour une haute avidité de reconnaissance de l'antigène in vivo. Ces données fournissent une base pour l'immunothérapie spécifique du CHC, en proposant de cibler les antigènes CT tels que MAGE-A10 ou SSX-2. Les cellules NKT de type 1 ont une chaîne α de TCR qui est invariante (chez l'homme, Vα24Jα18, apparié avec Vβ11) et reconnaissent spécifiquement l'αGalactosylceramide (αGC) présenté par CD1d. Ces cellules ont des propriétés immuno¬régulatrices qui peuvent être parfois contradictoires et leur activation par l'αGC induit une forte protection anti-tumorale chez la souris: Afin de comprendre pourquoi ces cellules ne sont pas assez protectrices contre le développement des tumeurs dans le foie chez l'homme, nous avons étudié la diversité des cellules NKT Vα24/Vβ11 d'individus sains (IS) et de patients cancéreux. Les cellules NKT peuvent être sous-divisées en 3 populations : Les CD4, DN (CD4- /CD8-) ou CDS, qui ont la capacité de produire des cytokines différentes. Nos analyses fonctionnelles ont aussi révélé que les sous-populations DN et CD8 ont un potentiel cytolytique plus élevé et une production d'IFNγ plus faible que la sous-population CD4. Ces sous-populations sont représentées de manière variable dans le sang des IS ou des patients. Cependant, les IS avec un taux élevé de cellules NKT ont un enrichissement des sous- populations DN ou CDS, et certains suggèrent qu'il s'agit d'une expansion oligo-clonale in vivo. Les patients avaient des fréquences comparables de cellules NKT entre le sang, le foie et la tumeur. Par contre, la sous-population CD4 était progressivement enrichie du sang vers le foie et la tumeur, tandis que les sous-populations DN ou CD8 était perdues. La plupart des cellules NKT des patients ne réagissaient pas lors de stimulation avec l'αGC ex vivo et les cellules NKT de quelques patients répondaient faiblement et avec des polarisations de cytokines différentes. Ces données suggèrent que les cellules NKT CD4, prédominantes dans les tumeurs, sont inefficaces pour la lutte anti-tumorale et pourraient même favoriser la croissance ou la récurrence tumorale. Donc, une mobilisation spécifique des cellules NKT CD4 négatives par immunothérapie pourrait favoriser l'immunité contre des tumeurs chez l'homme. Résumé en français pour un large public Au sein des globules blancs, les lymphocytes T expriment un récepteur (le TCR), qui est propre à chacun d'entre eux et leur permet d'accrocher de manière très spécifique une molécule appelée antigène. Ce TCR est employé par les lymphocytes pour inspecter les antigènes associés avec des molécules présentatrices à la surface des autres cellules. Les lymphocytes T CD8 reconnaissent un fragment de protéine (ou peptide), qui est présenté par une des molécules du Complexe Majeur d'Histocompatibilité de classe I et tuent la cellule qui présente ce peptide. Ils sont ainsi bien adaptés pour éliminer les cellules qui présentent un peptide issu d'un virus quand la cellule est infectée. D'autres cellules T CD8 reconnaissent des peptides comme les antigènes CT, qui sont produits anormalement par les cellules cancéreuses. Nous avons confirmé que les antigènes CT sont fréquemment exprimés par le cancer du foie. Nous avons également identifié des cellules T CD8 spécifiques d'antigènes CT dans la tumeur, mais pas dans le foie normal de 2 patients sur 10. Cela signifie que ces lymphocytes peuvent être naturellement activés contre la tumeur et sont capables de la trouver. De plus les lymphocytes issus d'un patient ont démontré une forte sensibilité pour reconnaître l'antigène et tuent spécifiquement les cellules tumorales. Les antigènes CT représentent donc des cibles intéressantes qui pourront être intégrés dans des vaccins thérapeutiques du cancer du foie. De cette manière, les cellules T CD8 du patient lui-même pourront être induites à détruire de manière spécifique les cellules cancéreuses. Un nouveau type de lymphocytes T a été récemment découvert: les lymphocytes NKT. Quand ils reconnaissent un glycolipide présenté par la molécule CD1d, ils sont capables, de manière encore incomprise, d'initier, d'augmenter, ou à l'inverse d'inhiber la défense immunitaire. Ces cellules NKT ont démontré qu'elles jouent un rôle important dans la défense contre les tumeurs et particulièrement dans le foie des souris. Nous avons étudié les cellules NKT de patients atteints d'une tumeur dans le foie, afin de comprendre pourquoi elles ne sont pas assez protectrice chez l'homme. Les lymphocytes NKT peuvent être sous-divisés en 3 populations: Les CD4, les DN (CD4-/CD8-) et les CD8. Ces 3 classes de NKT peuvent produire différents signaux chimiques appelés cytokines. Contrairement aux cellules NKT DN ou CDS, seules les cellules NKT CD4 sont capables de produire des cytokines qui sont défavorables pour la défense anti-tumorale. Par ailleurs nous avons trouvé que les cellules NKT CD4 tuent moins bien les cellules cancéreuses que les cellules NKT DN ou CD8. L'analyse des cellules NKT, fraîchement extraites du sang, du foie et de la tumeur de patients a révélé que les cellules NKT CD4 sont progressivement enrichies du sang vers le foie et la tumeur. La large prédominance des NKT CD4 à l'intérieur des tumeurs suggère que, chez l'homme, ces cellules sont inappropriées pour la lutte anti-tumorale. Par ailleurs, la plupart des cellules NKT de patients n'étaient pas capables de produire des cytokines après stimulation avec un antigène. Cela explique également pourquoi ces cellules ne protègent pas contre les tumeurs dans le foie.

Evaluation of the GlideScope for tracheal intubation in patients with cervical spine immobilisation by a semi-rigid collar

RAPPORT DE SYNTHÈSE : Chez les patients présentant une pathologie de la colonne cervicale, l'instrumentation des voies aériennes peut s'avérer délicate. En effet, l'impossibilité d'effectuer une extension de la nuque afin d'aligner correctement l'axe oro-pharyngo-trachéal, ainsi que l'ouverture de bouche limitée par la présence d'une minerve cervicale, rendent la laryngoscopie standard extrêmement difficile. Le but de cette étude est de démontrer que l'intubation oro-trachéale avec une minerve cervicale semi-rigide est possible à l'aide d'un vidéolaryngoscope récemment développé, le GlideScope®. Celui-ci est formé d'une lame courbe présentant une angulation accentuée à 60° à partir de son milieu, avec une petite caméra haute résolution et une source lumineuse enchâssées dans la partie inférieure au point d'inflexion. Différents travaux ont montré les avantages du GlideScope® par rapport à la lame de Macintosh standard "pour l'instrumentation des voies aériennes de routine ou en situation difficile. Après acceptation par la Commission d'Ethique, 50 patients, adultes consentants et programmés pour une intervention chirurgicale élective nécessitant une anesthésie générale ont été inclus dans cette étude. Malgré la présence d'une minerve cervicale semi-rigide Philadelphia® Patriot correctement positionnée et la tête fixée à la table d'opération, tous les patients ont pu être intubés a l'aide du GlideScope®. Aucune complication n'a été documentée pendant la procédure ou en post-opératoire. De plus, nous avons démontré que dans cette situation la visualisation des structures laryngées est significativement améliorée grâce au GlideScope®, par rapport à la lame de Macintosh utilisée lors de toute intubation standard. En conclusion, l'intubation oro-trachéale chez les patients ayant une minerve cervicale et la tête fixée est possible à l'aide du GlideScope®. La meilleure façon de sécuriser les voies aériennes chez les patients présentant une instabilité de la colonne cervicale est un sujet fortement débattu. L'utilisation du GlideScope® pourrait s'avérer une alternative intéressante, en particulier dans les situations d'urgence.

Ectasie sclérale semi-annulaire pré-équatoriale chez un patient glaucomateux onchocerquien [Semi-annular pre-equatorial scleral ectasia in a patient with glaucoma and onchocerciasis].

We present the case of a glaucomatous young patient with onchocerciasis who developed a bilateral pre-equatorial scleral staphyloma with an important scleral thinness. The pathogenesis of anterior staphyloma is discussed: mechanical stress from very high ocular pressure, ocular onchocerciasis, scleral ischemia. A better understanding of scleral mechanical resistance could explain scleral thinness without any clinical scleritis.

Evaluation of the GlideScope (R) for tracheal intubation in patients with cervical spine immobilisation by a semi-rigid collar

Application of cervical collars may reduce cervical spine movements but render tracheal intubation with a standard laryngoscope difficult if not impossible. We hypothesised that despite the presence of a Philadelphia Patriot (R) cervical collar and with the patient's head taped to the trolley, tracheal intubation would be possible in 50 adult patients using the GlideScope (R) and its dedicated stylet. Laryngoscopy was attempted using a Macintosh laryngoscope with a size 4 blade, and the modified Cormack-Lehane grade was scored. Subsequently, laryngoscopy with the GlideScope was graded and followed by tracheal intubation. All patients' tracheas were successfully intubated with the GlideScope. The median (IQR) intubation time was 50 s (43-61 s). The modified Cormack-Lehane grade was 3 or 4 at direct laryngoscopy. It was significantly reduced with the GlideScope (p < 0.0001), reaching grade 2a in most patients. Tracheal intubation in patients wearing a semi-rigid collar and having their head taped to the trolley is possible with the help of the GlideScope.

Percutaneous extraction of retained biliary T-tubes: a new technique.

Retained T-tubes are rare complications after biliary surgery. The authors present three cases of retained T-tubes in patients with transplanted liver that could not be removed by a standard manual traction. The authors describe a new simple percutaneous method that allows removal of these T-tubes without complication.

Segmentation automatique de la matière grise et de la matière blanche par un algorithme génétique : une étude de validation

Résumé Objectif: l'observation des variations de volume de la matière grise (MG), de la matière blanche (MB), et du liquide céphalo-rachidien (LCR) est particulièrement utile dans l'étude de nombreux processus physiopathologiques, la mesure quantitative 'in vivo' de ces volumes présente un intérêt considérable tant en recherche qu'en pratique clinique. Cette étude présente et valide une méthode de segmentation automatique du cerveau avec mesure des volumes de MG et MB sur des images de résonance magnétique. Matériel et Méthode: nous utilisons un algorithme génétique automatique pour segmenter le cerveau en MG, MB et LCR à partir d'images tri-dimensionnelles de résonance magnétique en pondération Ti. Une étude morphométrique a été conduite sur 136 sujets hommes et femmes de 15 à 74 ans. L'algorithme a ensuite été validé par 5 approches différentes: I. Comparaison de mesures de volume sur un cerveau de cadavre par méthode automatique et par mesure de déplacement d'eau selon la méthode d'Archimède. 2. Comparaison de mesures surfaces sur des images bidimensionnelles segmentées soit par un traçage manuel soit par la méthode automatique. 3. Evaluation de la fiabilité de la segmentation par acquisitions et segmentations itératives du même cerveau. 4. Les volumes de MG, MB et LCR ont été utilisés pour une étude du vieillissement normal de la population. 5. Comparaison avec les données existantes de la littérature. Résultats: nous avons pu observer une variation de la mesure de 4.17% supplémentaire entre le volume d'un cerveau de cadavre mesuré par la méthode d'Archimède, en majeure partie due à la persistance de tissus après dissection_ La comparaison des méthodes de comptage manuel de surface avec la méthode automatique n'a pas montré de variation significative. L'épreuve du repositionnement du même sujet à diverses reprises montre une très bonne fiabilité avec une déviation standard de 0.46% pour la MG, 1.02% pour la MB et 3.59% pour le LCR, soit 0.19% pour le volume intracrânien total (VICT). L'étude morphométrique corrobore les résultats des études anatomiques et radiologiques existantes. Conclusion: la segmentation du cerveau par un algorithme génétique permet une mesure 100% automatique, fiable et rapide des volumes cérébraux in vivo chez l'individu normal.

Validation and reproducibility of a semi-quantitative Food Frequency Questionnaire for use in elderly Swiss women.

OBJECTIVE: The principal aim of this study was to develop a Swiss Food Frequency Questionnaire (FFQ) for the elderly population for use in a study to investigate the influence of nutritional factors on bone health. The secondary aim was to assess its validity and both short-term and long-term reproducibility. DESIGN: A 4-day weighed record (4 d WR) was applied to 51 randomly selected women of a mean age of 80.3 years. Subsequently, a detailed FFQ was developed, cross-validated against a further 44 4-d WR, and the short- (1 month, n = 15) and long-term (12 months, n = 14) reproducibility examined. SETTING: French speaking part of Switzerland. SUBJECTS: The subjects were randomly selected women recruited from the Swiss Evaluation of the Methods of Measurement of Osteoporotic Fracture cohort study. RESULTS: Mean energy intakes by 4-d WR and FFQ showed no significant difference [1564.9 kcal (SD 351.1); 1641.3 kcal (SD 523.2) respectively]. Mean crude nutrient intakes were also similar (with nonsignifcant P-values examining the differences in intake) and ranged from 0.13 (potassium) to 0.48 (magnesium). Similar results were found in the reproducibility studies. CONCLUSION: These findings provide evidence that this FFQ adequately estimates nutrient intakes and can be used to rank individuals within distributions of intake in specific populations.

Evaluation of the GlideScope (R) for tracheal intubation in patients with cervical spine immobilization by a semi-rigid collar

Background: In patients with cervical spine injury, a cervical collar may prevent cervical spine movements but renders tracheal intubation with a standard laryngoscope difficult if not impossible. We hypothesized that despite the presence of a semi-rigid cervical collar and with the patient's head taped to the trolley, we would be able to intubate all patients with the GlideScopeR and its dedicated stylet. Methods: 50 adult patients (ASA 1 or 2, BMI ≤35 kg/m2) scheduled for elective surgical procedures requiring tracheal intubation were included. After standardized induction of general anesthesia and neuromuscular blockade, the neck was immobilized with an appropriately sized semi-rigid Philadelphia Patriot® cervical collar, the head was taped to the trolley. Laryngoscopy was attempted using a Macintosh laryngoscope blade 4 and the modified Cormack Lehane grade was noted. Subsequently, laryngoscopy with the GlideScopeR was graded and followed by oro-tracheal intubation. Results: All patients were successfully intubated with the GlideScopeR and its dedicated stylet. The median intubation time was 50 sec [43; 61]. The modified Cormack Lehane grade was 3 or 4 at direct laryngoscopy. It was significantly reduced with the GlideScopeR (p <0.0001), reaching 2a in most of patients. Maximal mouth opening was significantly reduced with the cervical collar applied, 4.5 cm [4.5; 5.0] vs. 2.0 cm [1.8; 2.0] (p <0.0001). Conclusions: The GlideScope® allows oro-tracheal intubation in patients having their cervical spine immobilized by a semi-rigid collar and their head taped to the trolley. It furthermore decreases significantly the modified Cormack Lehane grade.