Dalla ricerca alla clinica: nuovi strumenti per l'indagine dell'occhio e della visione

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

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

3. 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.

4. 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 economicodelle retinopatie dovute a diabete ed ipertensione

5. 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

6. Topografia della retina Disco Ottico Fovea Arcatevascolari

7. Dove vogliamo arrivare

8. 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

9. Nuovo obiettivo 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 Diagnosi fatta da un oculista sulla base dei parametri forniti

10. 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

11. Stima della tortuosità dei vasi

12. 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

13. Stima della tortuosità 1.05 9.15 3.87 10.13 6.86 12.78

14. Restringimento arteriolare generalizzato (AVR)

15. 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

16. 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

17. Tracciamento dei vasi • Parametri disponibili: • lunghezza • diametro • variazione del diametro • biforcazioni • incroci (Giani et al., IEEE EMBC 2006Ruggeri et al., ARVO 2005)

18. 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)

19. 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)

20. Risultati automatic manual Correlation coefficient: 0.97

21. Analisi vascolare nella ROP

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

23. Una applicazione clinica: ROPnet