Alfredo Ruggeri, Enrico Grisan Dalla ricerca alla clinica: nuovi strumenti per l'indagine dell'occhio e della visione Alfredo Ruggeri, Enrico Grisan Department of Information Engineering University of Padova Padova, ITALY http://bioimlab.dei.unipd.it BioImLab

BioImLab @ DEI UniPd Past members: M. Foracchia, A. Giani, M. De Luca.

Perché analizzare la retina Perchè la retina? La retina è un target organ di molte malattie sistemiche,in particolare di quelle che colpiscono la struttura vascolare, e.g. ipertensione e diabete. 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 Una diagnosi precoce consente di mantenere la capacità visiva. Non ci sono abbastanza oculisti per uno screening della popolazione a rischio. 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). Le prestazioni erano soddisfacenti, ma non sufficienti per un uso clinico “in the wild” Il confronto del sistema automatico con una valutazione manuale è difficile. La validazione clinica richiesta per una strumentazione diagnostica sarebbe stata difficile, con consumo di tempo e di persone … nuovo obiettivo

Diagnosi fatta da un oculista sulla base dei parametri forniti 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 Pre elaborazione Tracciamento dei vasi Identificazione della ROI Biforcazioni e incroci Classificazione arterie/vene Calcolo dell’AVR

(Giani et al., IEEE EMBC 2006 Ruggeri et al., ARVO 2005) 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)

(Tramontan et al., IEEE EMBC,2008) 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 (Tramontan et al., IEEE EMBC,2008)

Risultati manual automatic 0.97 Correlation coefficient:

Analisi vascolare nella ROP

Stima della tortuosità nella ROP (Image courtesy of Prof. J. Grunwald, Scheie Eye Institute, Philadelphia, USA) 18.6

Una applicazione clinica: ROPnet