This paper investigates convolutional neural network (CNN)-based approaches for image classification and semantic segmentation, with a focus on addressing spatial detail loss and multi-scale feature integration issues prevalent in semantic segmentation. The introduced EDNET model tackles these challenges through the incorporation of spatial information branches and the design of efficient feature fusion mechanisms. It further enhances performance via the use of global pooling and boundary refinement modules. Evaluations on the PASCAL VOC 2012 dataset reveal an 11.67% increase in mean intersection-over-union (IoU) compared to standard fully convolutional networks, demonstrating substantial improvement over comparable techniques. These results confirm the efficacy and practicality of the EDNET framework.

Abstract Current tools lack the temporal or spatial resolution necessary to image many important aspects of the architecture and dynamics of the optic nerve head (ONH). We evaluated the potential of instant polarized light microscopy (IPOL) to overcome these limitations by leveraging the ability to capture collagen fiber orientation and density in a single image. Coronal sections through the ONH of fresh normal sheep eyes were imaged using IPOL while they were stretched using custom uniaxial or biaxial micro-stretch devices. IPOL allows identifying ONH collagen architectural details, such as fiber interweaving and crimp, and has high temporal resolution, limited only by the frame rate of the camera. Local collagen fiber orientations and deformations were quantified using color analysis and image tracking techniques. We quantified stretch-induced collagen uncrimping of lamina cribrosa (LC) and peripapillary sclera (PPS), and changes in LC pore size (area) and shape (convexity and aspect ratio). The simultaneous high spatial and temporal resolutions of IPOL revealed complex ONH biomechanics: i) stretch-induced local deformation of the PPS was nonlinear and nonaffine. ii) under load the crimped collagen fibers in the PPS and LC straightened, without torsion and with only small rotations. iii) stretch-induced LC pore deformation was anisotropic and heterogeneous among pores. Overall, with stretch the pores were became larger, more convex, and more circular. We have demonstrated that IPOL reveals details of collagen morphology and mechanics under dynamic loading previously out of reach. IPOL can detect stretch-induced collagen uncrimping and other elements of the tissue nonlinear mechanical behavior. IPOL showed changes in pore morphology and collagen architecture that will help improve understanding of how LC tissue responds to load. Highlights We demonstrate that instant polarized light microscopy allows visualization and quantification of changes in optic nerve head collagen morphology and architecture under dynamic loading We show crimped collagen fibers in the peripapillary sclera and lamina cribrosa straightening under load, without torsion and with only small rotations. We show that stretch-induced local deformation of the peripapillary sclera was nonlinear and nonaffine. We show that stretch-induced lamina cribrosa pore deformation was anisotropic and heterogeneous among pores. Our results show this novel imaging technique could help understand the role of collagen microstructure in eye physiology, aging, and in biomechanics-related diseases, such as glaucoma and myopia.

Abstract The acquisition of multiple brain activity signals, including electrophysiological signals, intracranial pressure (ICP), and intracranial temperature (ICT), is crucial for neuroscience research and the clinical treatment of brain disorders. Additionally, bioelectronic devices intended for in vivo operation require high standards of material safety. In this work, we report a multifunctional monolithic bioelectronic device based on oriented crystallization silk fibroin. The pre-stretched and fixed silk fibroin material exhibits remarkable in vivo stability enhancements. Using Micro Electromechanical System (MEMS) technology, units for the electrophysiological signal, ICP, and ICT collection are efficiently integrated into silk fibroin substrate. This integration is further complemented by an efficient backend connection to construct a system capable of multiple signal acquisitions. Through efficient connection, this multifunctional signal acquisition system can be used for simultaneous neural signal recording and miniaturized high-precision measurements of ICP (pressure coefficient of 48.5 Ω/kPa) and ICT (temperature coefficient of 0.39%). After implantation into the mouse cranium, the device is capable of efficiently synchronizing the acquisition of intracranial electrophysiological signals, intracranial pressure (ICP), and intracranial temperature (ICT) within two days. This class of bioelectronic devices based on silk fibroin effectively expands the efficient application of silk fibroin-based biomaterials.

Abstract Intracranial pressure (ICP) has been proposed to play an important role in the sensitivity to intraocular pressure (IOP) and susceptibility to glaucoma. However, the in vivo effects of simultaneous, controlled, acute variations in ICP and IOP have not been directly measured. We quantified the deformations of the anterior lamina cribrosa (ALC) and scleral canal at Bruch’s membrane opening (BMO) under acute elevation of IOP and/or ICP. Four eyes of three monkeys were imaged in vivo with OCT under four pressure conditions: IOP and ICP either at baseline or elevated. The BMO and ALC were reconstructed from manual delineations. From these, we determined canal area at the BMO (BMO area), BMO aspect ratio and planarity, and ALC median depth relative to the BMO plane. To better account for the pressure effects on the imaging, we also measured ALC visibility as a percent of the BMO area. Further, ALC depths were analyzed only in regions where the ALC was visible in all pressure conditions. Bootstrap sampling was used to obtain mean estimates and confidence intervals, which were then used to test for significant effects of IOP and ICP, independently and in interaction. Response to pressure manipulation was highly individualized between eyes, with significant changes detected in a majority of the parameters. Significant interactions between ICP and IOP occurred in all measures, except ALC visibility. On average, ICP elevation expanded BMO area by 0.17mm 2 at baseline IOP, and contracted BMO area by 0.02 mm 2 at high IOP. ICP elevation decreased ALC depth by 10μm at baseline IOP, but increased depth by 7 μm at high IOP. ALC visibility decreased as ICP increased, both at baseline (−10%) and high IOP (−17%). IOP elevation expanded BMO area by 0.04 mm 2 at baseline ICP, and contracted BMO area by 0.09 mm 2 at high ICP. On average, IOP elevation caused the ALC to displace 3.3 μm anteriorly at baseline ICP, and 22 μm posteriorly at high ICP. ALC visibility improved as IOP increased, both at baseline (5%) and high ICP (8%). In summary, changing IOP or ICP significantly deformed both the scleral canal and the lamina of the monkey ONH, regardless of the other pressure level. There were significant interactions between the effects of IOP and those of ICP on LC depth, BMO area, aspect ratio and planarity. On most eyes, elevating both pressures by the same amount did not cancel out the effects. Altogether our results show that ICP affects sensitivity to IOP, and thus that it can potentially also affect susceptibility to glaucoma. Research Highlights - In vivo ONH deformations caused by acute, controlled, simultaneous changes in IOP and/or ICP can be directly visualized and measured in the monkey eye using OCT. - Acute changes of either IOP or ICP significantly deformed both the scleral canal and the lamina cribrosa, regardless of the other pressure level. - Pressures interacted, meaning that the effects of one pressure depended significantly on the level of the other pressure. - Elevating both pressures did not cancel out the effects of one of them being elevated. - Our results show that ICP affects sensitivity to IOP, and thus that it can potentially also affect susceptibility to glaucoma.

To evaluate changes in monkey optic nerve head (ONH) morphology under acutely controlled intraocular pressure (IOP) and intracranial pressure (ICP).Seven ONHs from six monkeys were imaged via optical coherence tomography while IOP and ICP were maintained at one of 16 conditions. These conditions were defined by 4 levels for each pressure: low, baseline, high and very high. Images were processed to determine scleral canal area, aspect ratio, and planarity and anterior lamina cribrosa (ALC) shape index and curvature. Linear mixed effect models were utilized to investigate the effects of IOP, ICP and their interactions on ONH morphological features. The IOP-ICP interaction model was compared with one based on translaminar pressure difference (TLPD).We observed complex, eye-specific, non-linear patterns of ONH morphological changes with changes in IOP and ICP. For all ONH morphological features, linear mixed effects models demonstrated significant interactions between IOP and ICP that were unaccounted for by TLPD. Interactions indicate that the effects of IOP and ICP depend on the other pressure. The IOP-ICP interaction model was a higher quality predictor of ONH features than a TLPD model.In vivo modulation of IOP and ICP causes nonlinear and non-monotonic changes in monkey ONH morphology that depend on both pressures and is not accounted for by a simplistic TLPD. These results support and extend prior findings.A better understanding of ICP's influence on the effects of IOP can help inform the highly variable presentations of glaucoma and effective treatment strategies.