Dalla ricerca alla clinica:
nuovi strumenti per l'indagine
dell'occhio e della visione
Alfredo Ruggeri,
Enrico Grisan
BioImLab
Department of Information Engineering
University of Padova
Padova, ITALY
http://bioimlab.dei.unipd.it
BioImLab @ DEI UniPd
Past members: M. Foracchia, A. Giani, M. De Luca.
Perché analizzare la retina
Perchè la retina?
1.
La retina è un target organ di molte
malattie sistemiche,in particolare di quelle
che colpiscono la struttura vascolare, e.g.
ipertensione e diabete.
2.
La retina è rapidamente e facilmente
accessibile alla visione.
Epidemiologia
•
•
•
50 milioni di ipertesi negli USA
15 milioni di diabetici negli USA
6% della popolazione è diabetico in Italia
Negli USA il diabete è la settima causa di morte
e la prima di cecità in età lavorativa (25-65 anni)
Impatto sociale ed economico
delle retinopatie dovute a diabete ed ipertensione
Perché analizzare automaticamente la retina
1. Una
diagnosi precoce consente di
mantenere la capacità visiva.
2. Non
ci sono abbastanza oculisti per
uno screening della popolazione a
rischio.
3. Non
ci sono strumenti per la misura
quantitativa e ripetibile del danno alla
retina
Topografia della retina
Disco Ottico
Fovea
Arcate
vascolari
Dove vogliamo arrivare
Dove vogliamo arrivare
• Un prototipo di sistema per la diagnosi e valutazione automatica
della retinopatia ipertensiva è stato sviluppato nel 2002 per Nidek
Technologies (Italy).
1. Le prestazioni erano soddisfacenti, ma non sufficienti per un uso
clinico “in the wild”
2. Il confronto del sistema automatico con una valutazione manuale è
difficile.
3. La validazione clinica richiesta per una strumentazione diagnostica
sarebbe stata difficile, con consumo di tempo e di persone …
nuovo
obiettivo
Nuovo obiettivo
Diagnosi fatta da un oculista sulla base dei parametri forniti
1] Normalizzazione dell’immagine
2a] Identificazione dei vasi
2b] Identificazione del disco ottico
2c] Stima quantitativa di parametri
clinici
3a] Identificazione di lesioni non
vascolari
3b] Stima quantitativa di parametri
clinici
Sviluppo di strumenti
• Negli anni sono stati sviluppati molti algoritmi per l’analisi delle
immagini della retina
• Da “strumenti per l’analisi dell’immagine” a …
“strumenti per fornire parametri clinici”.
• Esempi:
• Tortuosità dei vasi
- Moorfields Eye Hospital, UK
• Restringimento arteriolare generalizzato (AVR)
- Fundus Photograph Reading Center, Wisconsin, USA
• Dimensione dei vasi e loro tortuosità nella ROP
- Children's Hospital of Philadelphia, Scheie Eye Institute, USA
Stima della tortuosità
dei vasi
Perchè la tortuosità
In molte retinopatie, la tortuosità dei vasi è tra la prime
alterazioni ad apparire
Sono state proposte molte e diverse
tecniche per la sua misura e valutazione,
ma non sempre si accordano con la
valutazione clinica
È necessaria una nuova tecnica che
permetta la definizione matematica (il
calcolo) della tortuosità e che rispecchi la
percezione clinica
Stima della tortuosità
1.05
9.15
3.87
10.13
6.86
12.78
Restringimento arteriolare
generalizzato (AVR)
Perchè i diametri dei vasi
• In un soggetto sano, il rapporto fra il diametro
delle arterie e delle vene ha un valore di 2/3
• Con l’aumento del danno alle pareti delle arterie
e con l’aumento della pressione, le arteriole
reagiscono restringendosi
• Si può valutare tale stato attraverso il calcolo del
Restringimento Arteriolare Generalizzato espresso
dall’ AVR (Arteriolar-to-Venular diameter Ratio).
• Il calcolo richiede una procedura lunga (20+ min)
and e misure manuali dei diametri di molte arteri e
vene
• È Stata proposta una procedura semi-automatica
(Wong 04, Li 05).
• Noi proponiamo un sistema completamente
automatico
Calcolo dell’AVR: cosa c’è da fare
0. Acquisizione dell’immagione
1. Pre elaborazione
2. Tracciamento dei vasi
3. Identificazione della ROI
4. Biforcazioni e incroci
5. Classificazione arterie/vene
6. Calcolo dell’AVR
Tracciamento dei vasi
Parametri disponibili:
• lunghezza
• diametro
• variazione del
diametro
• biforcazioni
• incroci
(Giani et al., IEEE EMBC 2006
Ruggeri et al., ARVO 2005)
Identificazione della ROI
AVR è calcolato considerando i
diametri dei vasi un una specifica
regione
In questa regione i vasi vengono
analizzati per identificare i loro
rapporti relativi ed il loro tipo (arteria
o vena)
Calcolo dell’AVR
• Dai diametri stiatei delle arteriole e venule nella ROI, si riassumono I
dati in due valori
CRAE (Central Retinal Artery Equivalent)
CRVE (Central Retinal Vein Equivalent)
• Ed infine si ottiene AVR  CRAE
CRVE
(Tramontan et al., IEEE EMBC,2008)
automatic
Risultati
manual
Correlation coefficient:
0.97
Analisi vascolare nella ROP
Stima della tortuosità nella ROP
18.6
(Image courtesy of Prof. J. Grunwald,
Scheie Eye Institute, Philadelphia, USA)
Una applicazione clinica: ROPnet