Dalla ricerca alla clinica: nuovi strumenti per l'indagine

dell'occhio e della visione

Alfredo Ruggeri, Enrico Grisan

Department of Information EngineeringUniversity of PadovaPadova, ITALY

http://bioimlab.dei.unipd.it

BioImLab

BioImLab @ DEI UniPd

Past members: M. Foracchia, A. Giani, M. De Luca.

Perché analizzare 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.

Perchè la retina?

Epidemiologia

• 50 milioni di ipertesi negli USA50 milioni di ipertesi negli USA• 15 milioni di diabetici negli USA15 milioni di diabetici negli USA• 6% della popolazione è diabetico in Italia6% della popolazione è diabetico in Italia

Impatto sociale ed economicodelle retinopatie dovute a diabete ed ipertensione

Negli USA il diabete è la settima causa di morteNegli USA il diabete è la settima causa di morte

e la e la primaprima di cecità in età lavorativa di cecità in età lavorativa (25-65 anni) (25-65 anni)

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

Arcatevascolari

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

1] Normalizzazione dell’immagine

2a] Identificazione dei vasi2b] Identificazione del disco ottico2c] Stima quantitativa di parametri

clinici

3a] Identificazione di lesioni non vascolari

3b] Stima quantitativa di parametri clinici

Diagnosi fatta da un oculista sulla base dei parametri forniti

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

Sono state proposte molte e diverse tecniche per la sua misura e valutazione, ma non sempre si accordano con la valutazione clinica

In molte retinopatie, la tortuosità dei vasi è tra la prime alterazioni ad apparire

È necessaria una nuova tecnica che permetta la definizione matematica (il calcolo) della tortuosità e che rispecchi la percezione clinica

1.051.05

3.873.87

6.866.86

9.159.15

12.7812.78

10.1310.13

Stima della tortuosità

Restringimento arteriolare

generalizzato (AVR)

Perchè i diametri dei vasi

• 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

• 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

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

Calcolo dell’AVR: cosa c’è da fare

Tracciamento dei vasi

Parametri disponibili:• lunghezza• diametro

• variazione del diametro

• biforcazioni• incroci

(Giani et al., IEEE EMBC 2006Ruggeri 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 ottieneCRVE

CRAEAVR

(Tramontan et al., IEEE EMBC,2008)

Risultati

manual

0.97Correlation coefficient:

Analisi vascolare nella ROP

18.618.6

Stima della tortuosità nella ROP

(Image courtesy of Prof. J. Grunwald, Scheie Eye Institute, Philadelphia, USA)

Una applicazione clinica: ROPnet