Development of a new ultrasound device for determining maturity based on bone age assessment

Abstract

1 Summary 1.1 Abstract 1.1.1 Aim The aim of this project was to develop and test an acceptable portable system to assess maturity, without the use of radiation, for use at international borders to detect underage victims of human trafficking. This study covers testing of the developed ultrasound device on young women, assessing the accuracy of the maturity categorisation given by the device, as well as assessing the usability and functionality of the device. 1.1.2 Materials and methods The ultrasound device was used to measure the left ulna and radius epiphyseal plates in 148 young female participants, aged between 9-23 years (41% minors <18 years (n= 61), 59% adults ≥18 years (n=87)). The device consists of two ultrasound array transducers which travel along the forearm collecting reflection and transmission measurements from multiple pathways through the growth plates. The measurements were taken, and then assessed using a variety of machine learning methods, to categorise the individuals into minors or adults. Statistical analysis of each machine learning method was carried out and the most effective method was tested further for accuracy. 1.1.3 Results Classical signal processing analysis of the ultrasound waves showed a difference between underage and adult epiphyseal plates. Using machine learning methods, correct age categorisation of the participants (minors <18 years, adults ≥18 years) was achieved with an F1 score of approximately 87%. 1.1.4 Conclusion The novel use of ultrasound combined with machine learning techniques demonstrated in this study, provides a solid foundation for further progress in bone age assessment, including its use as a safe and quick screening tool to counter human trafficking.

1.2 Zusammenfassung auf Deutsch: 1.2.1 Ziel Das Ziel unseres Projektes beinhaltet die Entwicklung und klinische Evaluation eines mobilen Systems, welches ohne Strahlenbelastung minderjährige Personen identifiziert. Endzweck ist die Prävention und Intervention bei Menschenhandel zum Zwecke sexueller Ausbeutung. Diese Studie stellt die Prüfung des entwickelten Ultraschallgerätes an junge Frauen dar, es werden Genauigkeit der Minder/Voll-jährigkeits Klassifikation und die Handhabung des Gerätes überprüft. 1.2.2 Methoden Die Wachstumsfugen der Elle und Speiche von 148 jungen Frauen im Alter von 9 bis 23 Jahren (41% unter 18 (n=61), 59% über 18 Jahre (n=87)) wurden mit dem Ultraschallgerät gemessen. Das Gerät ermittelt sowohl Reflektions- als auch Transmissionsdaten in zahlreichen Bereichen über dem Unterarm, während die zwei Ultraschallelemente mechanisch entlang des Armes bewegt werden. Diese Messdaten werden durch Maschinelle Lernmethoden auf eine Weise analysiert, dass die Probandinnen in Minderjährig und Volljährig unterschieden werden können. Statistische Analysen der Ergebnisse jeder Maschinellen Lernmethode wurden durchgeführt und die Effektivste Methode weiter auf Genauigkeit untersucht. 1.2.3 Wesentliche Ergebnisse Klassische Signalverarbeitungsmethoden zeigten eine Differenz zwischen den Messungen der minderjährigen und der erwachsenen Epiphysen. Mithilfe Maschineller Lernmethoden konnte dadurch mit einer Genauigkeit (F1-Score) von ca. 87% die korrekte Altersklasse ermittelt werden (Minderjährig <18 Jahre, volljährig ≥18 Jahre). 1.2.4 Schlussfolgerung Die Nutzung von Ultraschall kombiniert mit maschinellen Lernmethoden zur Feststellung des Knochenalters stellt eine sichere und schnelle Screening-Methode dar. Diese Studie erweist sich als gute Grundlage für weitere Forschung in diesem Bereich, welcher auch im Kampf gegen Menschenhandel eine wichtige Rolle spielt.