42 jaiio cais 2013

Procesamiento Digital y Análisis de Imágenes "Detección Temprana de Patologías

Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes"

Salvatelli A.1, Bizai G. 1 Martina M.1, Hadad A. 1,2, Drozdowicz B.1,2

1Grupo de Inteligencia Artificial, Facultad de Ingeniería, UNER.

2Facultad de Ciencia y Tecnología, UADER.

42 JAIIO – CAIS 2013

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Introducción

MOTIVACION

• Es posible proveer una herramienta que permita la realización de screenings poblacionales para evaluación de RETINOPATIA DIABETICA (RD): separar normales de sospechosos…

• Las imágenes digitales y los Sistemas de Soporte a la Toma de Decisiones surgen como una potencial herramienta que facilita el diagnóstico a oftalmólogos no expertos en esta patología.

Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes

3

Introducción

• Forma de Examen: Retinograma o fotografía de fondo de ojo.

• Existen numerosas Marcas y Modelos de Retinógrafos, que proveen una gama heterogénea de formatos de salida, a la vez que la captura de la imagen es muy dependiente del operador.


Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes 4

• Retinopatía Diabética (RD) puede ser detectada, examinando la retina y sus características: • comienza con cambios en los capilares de la retina. La primera

irregularidad que se detecta son los microaneurismas.

• Causantes de hemorragias cuando se rompen,

• Seguido por edema retinal y exudados duros, junto con una permeabilidad aumentada de las paredes capilares, en esta etapa, la patología es llamada retinopatía no proliferativa.

• continúa cuando los vasos se obstruyen causando microinfartos en la retina o exudados blandos. Cuando el número de exudados es mayor a 6, la retinopatía es llamada preproliferativa.

• La falta de oxígeno produce el desarrollo de neovascularización que puede rasgar la retina.

• cuando se localiza cerca a la mácula se puede perder el campo de visión, aquí es llamada proliferativa

Introducción

RETINOPATÍA DIABÉTICA

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Micro Aneurisma Derrames Exudados Hard Exudados Soft Neovascularizació

Retinopatía Diabética No Proliferante

1 Mínima Sólo Microaneurismas

2 Leve Microaneurismas, exudados

duros, manchas algodonosas,

hemorragias/microaneurismas

escasos

3 Moderada Lo anterior, con mayor cantidad

de hemorragias/microaneurismas

(moderados). IRMA mínimo o

rosarios venosos en sólo un

cuadrante

4 Severa Hemorragias o microaneurismas

severos en los 4 cuadrantes,

rosarios venosos en 2 o más

cuadrantes, IRMA severo en por

lo menos 1 cuadrante

5 Muy Severa 2 o más signos de retinopatía

severa

Retinopatía Diabética Proliferante

6 Moderada Neovascularización retiniana y/o

neovascularización papilar de menos

de 1/3 de área papilar.

7 de alto

riesgo

Neovascularización papilar mayor a

1/3 de área papilar y/o hemorragia

pre-retinal o vítrea, con

neovascularización retinal o papilar

8 Avanzada Proliferación fibrovascular,

desprendimiento de retina, hemorragia

vítrea que oculta el fondo.

•Tabla 1: escala de Early House (ETDRS) modificada.

IRMA: Anomalías Microvasculares Intrarretinianas;

ECIMAG 2012

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Objetivos

General: • Contribuir con el médico oftalmólogo en la detección

precoz de RD.

Particulares: • Identificar las partes constitutivas del fondo de ojo, de

interés diagnóstico para la RD • Determinar los signos de la RD y clasificarlos según

diferentes grados de severidad • Desarrollar herramientas informáticas de apoyo a la

detección y análisis temprano de esta patología.


Materiales

• BASE DE DATOS DE IMÁGENES • Base de Datos DRIVE: Digital Retinal Images for

Vessel Extraction, http://www.isi.uu.nl/Research/Databases/DRIVE/index.php#Staal2004

• Base de Datos STARE: STructured Analysis of the Retina, http://www.ces.clemson.edu/~ahoover/stare

• Base de Datos DIARETDB0 - Standard Diabetic Retinopathy Database Calibration level 0 http://www.it.lut.fi/project/imageret/diaretdb0/index.html#DESCRIPTION

• Base de Datos DIARETDB1 - Standard Diabetic Retinopathy Database Calibration level 1

• http://www.it.lut.fi/project/imageret/diaretdb1/index.html • Base de datos MESSIDOR- Methods to evaluate

segmentation and indexing techniques in the field of retinal ophthalmology http://messidor.crihan.fr/description-en.php

• (… Por qué no una base de datos Nacional donde se encuentren marcadas y descriptas las patologías, clasificándolas por nivel de severidad?...)

7 Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes

http://www.isi.uu.nl/Research/Databases/DRIVE/index.php

http://www.isi.uu.nl/Research/Databases/DRIVE/index.php

http://www.ces.clemson.edu/~ahoover/stare

http://www.it.lut.fi/project/imageret/diaretdb0/index.html



http://messidor.crihan.fr/description-en.php



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Metodología


Establecimiento de

Requerimientos

Modelo de

Roles Modelo de

Interacciones

Modelo de

Agente Modelo de

Servicios Modelo de

Relaciones

Análisis

Diseño

Propiedades del SI: modular, flexible y adaptativo Arquitectura con comportamiento distribuido más apropiado para este tipo de desarrollo: SMA . Metodología Gaia *

* Sistema Multiagente para apoyo a la detección y análisis de patologías diabéticas en imágenes retinográficas.

Bartolomé Drozdowicz, José Luis Caropresi, Adrián Salvatelli, Gustavo Bizai. SIS2007

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Metodología


Fase d

e D

iseñ

o:

Mo

delo

de A

GEN

TES

Agente de

Preprocesamiento y

Estandarización de

Imágenes (PEI)

Realiza los roles de Uniformidad de iluminación,

Estandarización de Contraste.

Agente de Registración y

Fusión de imágenes

(RFI)

Realiza los roles de alineación, construcción y fusión en una

sola imagen de fondo ocular, mediante el uso de varias

imágenes de la misma serie, así como también de visitas

anteriores del paciente.

Agente Analizador de

Disco Óptico (DAO)

Realiza los roles de: Detección de Ubicación, Detección de

Forma, Detección de Tamaño, Modelo de Bordes y

Reflectancia de la Luz.


Fóvea y Mácula (AFM)

Implementa los roles Identificador de Posición, Forma y

Tamaño, Diferencia Contraste resto Retina, Presencia de

Cuerpos Extraños, Detector de Edemas Maculares, Detector

de Exudados “hard” y “soft”.


Ramas Arteriales (ARA)

Realiza los roles Identificador de Microaneurismas, Detector

de IRMA, Detector de micro y MacroDerrames e

Identificador de Neovascularización

Agente Estimador de

Normalidad (DN)

Analizador de Informes, Calculador de Normalidad,

Generador de Informe Final Normal.

Agente Estimador de

Severidad (DES)

Analizador de Informes, Calculador de Severidad,

Generador de Informe Final Patológico.

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Metodología


BD Imágenes

BD Hist. Clín. Datos Pac.

Bloque de Datos

Agente PEI

Agente DAO

Agente AFM

Agente ARA

Bloque Preprocesamiento y análisis de imágenes de RD

Agente DN

Agente DES

Bloque de Análisis de Normalidad y Severidad

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Problemas:

• iluminación no uniforme

• diferencias de color

• cambios de contrastes locales por diferencia en la reflexión.

• Ruido

Solución:

• preprocesado y estandarización

Operador - dependiente • midriasis vs. pupila natural • alineación ojo-eje óptico de la

cámara • dirección y forma del sistema

de iluminación (flash)

Geometría del globo ocular • Superficie cóncava • Múltiples reflexiones


Metodología

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RUIDO - Compromiso existente entre reducir el ruido y no afectar las pequeñas características contenidas en la imagen analizada.

FILTROS ENSAYADOS: •Filtro morfológico (apertura y cerradura) con un elemento estructurante de Von Newman de un tamaño pequeño (Leyva et al.) • Filtrado de mediana (Oien and Osnes , Sinthanayothin et al.) • Filtro de Wiener, ventana 5x5.

Modelos de Ruido en imágenes de fondo: Gaussiano, Impulsivo y Uniforme


Metodología

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Metodología


Agente de Preprocesamiento y Estandarización de Imágenes (PEI) Cumple los roles de Uniformidad de Iluminación y Estandarización de Contraste, preservando Color.

Disminución Ruido Gaussiano por filtrado de Wiener, ventana 3x3 (14.8%)

•Filtro morfológico (apertura y cerradura) con un elemento estructurante de Von Newman de un tamaño pequeño (Leyva et al.) • Filtrado de mediana (Oien and Osnes , Sinthanayothin et al.)

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Metodología


Agente de Preprocesamiento y Estandarización de Imágenes

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Metodología


Agente PEI

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Agente Analizador de Disco Óptico (ADO) • Filtro de suavizado Savitzky-Golay, suaviza una función unidimensional

por aproximación polinómica de la misma.

• Utilización de tamaño de ventana recursiva de manera de aproximarse a la iluminación de fondo.

• Determinación de posición de disco por umbralado del pico máximo de la función.

Metodología


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Metodología


Procesamiento de datos

Extracción Características

Correspondencia Características

Transformación Imagen

Imagen Registrada

Agente de Preprocesamiento y Estandarización de Imágenes

Agente Analizador de Ramas Arteriales

Agente de Registración y Fusión de Imágenes

Salida a Agentes de Análisis de Patologías, Normalidad y Severidad

Agente Analizador de Disco Óptico

Agente Analizador de Fóvea y Mácula

Imagen de Referencia e

Imagen Sensada

Diagrama de flujo que resume los pasos del algoritmo de registración basado en la extracción de características, e interacciones con los Agentes del SMA

Agente de Registración y Fusión de Imágenes (RFI)

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Metodología


Agente (RFI)

Registración por Transformación Afín

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Metodología


Agente Analizador de Normalidad y Severidad

• análisis de textura: la inclusión de los signos tanto locales como globales cambian la textura propia del fondo retinal.

• análisis multifractal: tiene la ventaja de poder brindar tres datos: el espectro multifractal, y dos imágenes asociadas llamados alfa imagen y f-alfa imagen. • la pendiente determinada entre los valores máximos y mínimos de los espectros multifractales discriminan entre imágenes con y sin signos patológicos: Pendiente Espectral (PE)

20

Metodología



21

Metodología

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(a)

(b)

Base DRIVE, Capacidad “sum” Base DIARETDB1, Capacidad “sum”

__ Imágenes Normales

-.- Imágenes Anormales


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Metodología



Necesidad de

enmascarar fondo

oscuro circular, disco

óptico y árbol

vascular.

Observación: valores

de singularidades

similares entre

estructuras

anatómicas y signos

de la patología.

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Resultados

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(b)


• Agente analizador del Disco Óptico ha obtenido un 94.5 % de efectividad en su localización y una sensibilidad y especificidad de 91,7 % y 93,3% respectivamente. • Agente de Fóvea y Mácula, se ha detectado correctamente su posición con un 92% de ocurrencia (base: 1200 im. MESSIDOR BD) • Agente analizador de Ramas Arteriales: sensibilidad del 82,03%, una especificidad del 95,35 % y una precisión del 93,89% (base: STARE BD) • Agente de Normalidad y Severidad: la PE Multifractal ha discriminado la imágenes con Edema Macular Diabético con una sensibilidad del 70,3% y especificidad del 93,8%. Esto indica que discrimina mejor los casos “normales”, y con menor eficiencia los patológicos.

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Implementación

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

• Se conjugó el diseño del sistema multiagentes, con las características de comunicación interagentes, en el marco del software de desarrollo de agentes inteligentes JADE (Java Agent DEvelopment Framework) .

• Como entorno de desarrollo integrado para la realización de las clases en Java se utilizó el IDE NetBeans 7.0.1.

(a)

(b)


25

Conclusiones

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(a)

(b)


• El uso de metodologías multiagente permitió desagregar las tareas del sistema y organizar el trabajo de desarrollo dentro del grupo.

• Se han alcanzado muy buenos valores de precisión,

sensibilidad y especificidad.

• Es necesario someter al SMA a mayor número de imágenes de retinógrafos locales.

• Es necesario integrar el SMA al Retinógrafo, para la carga

automática de las imágenes.

• El presente PID ha generado numerosas Tesis de Grado, posgrado y trabajos de pasantías de estudiantes extranjeros: valor como formador de RRHH.

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.. Muchas Gracias ..!

Agradecemos la inestimable colaboración del Dr. Rodrigo Torres, en la clasificación de las imágenes originales.

Contacto [email protected]

[email protected] F.I.U.N.E.R.

Ruta 11 Km. 10 Oro Verde – Entre Rios Tel. 0343 – 4975100 – int. 125 Grupo de Inteligencia Artificial


mailto:[email protected]



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