Ημι-αυτοματοποιημένη ποσοτικοποίηση του περιβοθρικού τριχοειδικού δικτύου σε ασθενείς με σακχαρώδη διαβήτη

Abstract

Purpose: The perifoveal capillary network (PCN) constitutes an important, complex, retinal microstructure that covers the metabolic needs and plays a pivotal role in the maintenance of the central visual acuity. Therefore, the imaging and assessment of this structure is of great significance for monitoring the retinal function in various retinal vascular diseases. Hence, the purpose of the presented work was to develop and evaluate the performance of a novel semi-automated computerized method that detects and quantifies the PCN calculating metrics in fluorescein angiography (FA) images. Furthermore, the morphology of the PCN and the foveal avascular zone (FAZ) was assessed quantitatively applying this method on FA images of diabetic patients with variable severity of diabetic retinopathy (DR) and controls. Materials and methods: The work was developed and conducted in two parts. In the first part of the study, an algorithm that detects the perifoveal capillary bed as depicted in high resolution grayscale FA images and creates a one-pixel-wide skeleton of the PCN, was developed using MatLab software. Besides PCN detection, the capillary density and the branch point (BP) density in two circular areas centered on the center of the FAZ of 500μm and 750μm radius were calculated by the algorithm. Three consecutive FA images with distinguishable PCN from 40 subjects were used for analysis. Both manual and semi-automated detection of the PCN and branch points were performed and compared. Three different intensity thresholds were used for detection of the PCN to optimize the method defined as mean(I)+0.05*SD(I), mean(I) and mean(I)-0.05*SD(I), where I is the grayscale intensity of each image analyzed and SD the standard deviation. Limits of agreement (LoA), intraclass correlation coefficient (ICC) and Pearson’s correlation coefficient (r) were calculated to evaluate the proposed method. Thereafter, in the second part of the thesis, the algorithm using the intensity threshold with the highest repeatability and the greatest agreement with the manual method detected in the first part of the study was applied on high resolution FA images from non-diabetic subjects and diabetic patients with different stages of DR. The method provided semi-automated measurements of the PCN density and the BP density in two central circular areas of 500 and 750μm radius, as well as manual measurements of the FAZ including the surface, acircularity and perimeter of the FAZ, for all subjects. Results: In the first part of the study, using the mean(I)-0.05*SD(I) as threshold the average difference of PCN density between the semi-automated and manual method was calculated 0.219 deg-1 (0.335 deg-1) at the 500μm radius and 0.413 deg-1 (0.617 deg-1) at the 750μm radius. The LoA were found -0.546 to 0.986 and -0.905 to 1.748 deg-1 for each radius area, respectively. Regarding BP density, the average difference of BP density between the semi-automated and manual method was zero for both areas; LoA were -0.018 to 0.019 and -0.003 to 0.002 branch points/deg2, respectively. The other two intensity thresholds provided wider limits of agreement for both PCN and BP density. Furthermore, the semi-automated algorithm showed great repeatability for both PCN and BP density (ICC>0.91 for both metrics) in the 500μm radius area and fair repeatability (ICC>0.75 for both metrics) in the area of 750μm radius. The second step of the study included a group of 320 subjects; 78 non-diabetic controls, 71 diabetic patients without (DR) findings (no DR), 90 patients with non-proliferative DR (NPDR) and 81 patients with proliferative DR (PDR). Gradually lower values for PCN and BP density and inversely gradually higher values for all FAZ metrics were detected as DR evolves. Applying one-way ANOVA statistically significant differences were detected for all PCN and FAZ metrics among several groups except for PCN and BP density in the central circular zone of 500μm radius. The PCN density at 750μm did not differ significantly between controls and no DR subjects, and between NPDR and PDR patients. On the contrary, BP density was significantly different only between controls and PDR patients. Similarly with PCN density, FAZ area and perimeter was not found to differ significantly between controls and no DR subjects, and between NPDR and PDR patients. FAZ acircularity was significantly different between every compared group except for controls and no DR patients. Conclusion: The developed semi-automated algorithm seems to provide readings of PCN metrics in agreement with those of the manual capillary tracing in FA images. The parameters assessed in the second part of the thesis seem to reflect the PCN and FAZ abnormalities related to diabetes mellitus and vary accordingly across the different DR stages. Until today, literature and research have focused on optimization of algorithms on non-invasive imaging techniques of the PCN and thus, the analysis and quantification of PCN in FA images lacks progress and refinement, although FA still remains the gold standard imaging method for the diagnosis, classification and monitoring of several retinal vascular diseases including DR. Moreover, early detection of PCN ischemia even in subclinical DR cases could be beneficial for the maintenance of the retinal vasculature function.

Σκοπός: Το περιβοθρικό τριχοειδικό δίκτυο (ΠΤΔ) αποτελεί μια σημαντική, περίπλοκη μικροδομή του αμφιβληστροειδούς που καλύπτει τις μεταβολικές ανάγκες και παίζει καθοριστικό ρόλο στη διατήρηση της κεντρικής οπτικής οξύτητας. Επομένως, η απεικόνιση και αξιολόγηση αυτής της δομής έχει μεγάλη σημασία για την παρακολούθηση της λειτουργίας του αμφιβληστροειδούς σε διάφορες αγγειακές παθήσεις του αμφιβληστροειδούς. Ως εκ τούτου, σκοπός της διατριβής αυτής είναι, αρχικά, να αναπτύξει μία νέα ημι-αυτοματοποιημένη υπολογιστική μέθοδο, η οποία ανιχνεύει και ποσοτικοποιεί το ΠΤΔ υπολογίζοντας μετρικές του δικτύου σε εικόνες φλουοροαγγειογραφίας, καθώς και να αξιολογήσει την απόδοση της μεθόδου. Σε δεύτερο στάδιο, σκοπός είναι η ποσοτική αξιολόγηση της μορφολογίας του ΠΤΔ και της ανάγγειας ζώνης του κεντρικού βοθρίου (FAZ) με την εφαρμογή της παραπάνω μεθόδου σε εικόνες φλουοροαγγειογραφίας από διαβητικούς ασθενείς με ποικίλης βαρύτητας διαβητική αμφιβληστροειδοπάθεια και μάρτυρες. Υλικό και μέθοδος: Η διατριβή πραγματοποιήθηκε και παρουσιάζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος της μελέτης, αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος που ανιχνεύει το ΠΤΔ όπως αυτό απεικονίζεται σε εικόνες φλουοροαγγειογραφίας υψηλής ανάλυσης σε κλίμακα του γκρι και δημιουργεί έναν σκελετό του ΠΤΔ με εύρος ένα pixel χρησιμοποιώντας το λογισμικό MatLab. Εκτός από την ανίχνευση του ΠΤΔ, ο αλγόριθμος υπολογίζει ακόμη την πυκνότητα των τριχοειδών και την πυκνότητα των σημείων διακλάδωσης σε δύο κυκλικές περιοχές με κέντρο το κεντροειδές της FAZ ακτίνας 500μm και 750μm. Για την ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαδοχικές εικόνες φλουοροαγγειογραφίας με εύκολα διακριτό το ΠΤΔ προερχόμενες από 56 άτομα. Εφαρμόστηκαν και συγκρίθηκαν τόσο η χειροκίνητη, όσο και η ημι-αυτοματοποιημένη ανίχνευση του ΠΤΔ και των σημείων διακλάδωσης. Χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικοί ουδοί έντασης για την ανίχνευση του ΠΤΔ για τη βελτιστοποίηση της μεθόδου, οι οποίοι ορίστηκαν ως μέση τιμή(I)+0,05*SD(I), μέση τιμή(I) και μέση τιμή(I)-0,05*SD(I), όπου I είναι η ένταση κλίμακας του γκρι για κάθε εικόνα που αναλύεται και SD η τυπική απόκλιση. Για την αξιολόγηση της μεθόδου υπολογίστηκαν τα όρια συμφωνίας (LoA), ο συντελεστής συσχέτισης intraclass correlation coefficient (ICC) και ο συντελεστής συσχέτισης Pearson (r). Στη συνέχεια, στο δεύτερο μέρος της διατριβής, χρησιμοποιήθηκε για τον αλγόριθμο ο ουδός έντασης με την υψηλότερη επαναληψιμότητα και τη μεγαλύτερη συμφωνία με τη χειροκίνητη μέθοδο, όπως προέκυψε από το πρώτο μέρος της μελέτης, και ο αλγόριθμος εφαρμόστηκε σε εικόνες φλουοροαγγειογραφίας υψηλής ανάλυσης από μη διαβητικoύς μάρτυρες και διαβητικούς ασθενείς με διαφορετικά στάδια διαβητικής αμφιβληστροειδοπάθειας. Η μέθοδος παρείχε ημι-αυτοματοποιημένες μετρήσεις της πυκνότητας του ΠΤΔ και της πυκνότητας των σημείων διακλάδωσης σε δύο κεντρικές κυκλικές περιοχές ακτίνας 500 και 750 μm, καθώς και χειροκίνητες μετρήσεις της FAZ συμπεριλαμβανομένης της επιφάνειας, της ακυκλικότητας και της περιμέτρου της FAZ, για όλα τα άτομα. Αποτελέσματα: Στο πρώτο μέρος της μελέτης, χρησιμοποιώντας τη μέση τιμή(I)-0,05*SD(I) ως ουδό, η μέση διαφορά της πυκνότητας του ΠΤΔ μεταξύ της ημι-αυτοματοποιημένης και της χειροκίνητης μεθόδου υπολογίστηκε 0,219 μοίρες-1 (0,335 μοίρες-1) στην ακτίνα των 500μm και 0,413 μοίρες-1 (0,617 μοίρες-1) στην ακτίνα των 750μm. Τα LoA υπολογίστηκαν -0,546 έως 0,986 μοίρες-1 και -0,905 έως 1,748 μοίρες-1 για την κάθε παραπάνω περιοχή, αντίστοιχα. Όσον αφορά την πυκνότητα των σημείων διακλάδωσης, η μέση διαφορά της πυκνότητάς τους μεταξύ της ημι-αυτοματοποιημένης και της χειροκίνητης μεθόδου ήταν μηδενική και στις δύο περιοχές και τα LoA ήταν -0,018 έως 0,019 σημεία διακλάδωσης /μοίρες2 και -0,003 έως 0,002 σημεία διακλάδωσης /μοίρες2, αντίστοιχα στις δύο περιοχές. Οι άλλοι δύο ουδοί έντασης παρείχαν ευρύτερα όρια συμφωνίας για την πυκνότητα τόσο του ΠΤΔ, όσο και των σημείων διακλάδωσης. Επιπλέον, ο ημι-αυτοματοποιημένος αλγόριθμος κατέδειξε μεγάλη επαναληψιμότητα για την πυκνότητα του ΠΤΔ και των σημείων διακλάδωσης (ICC>0,91 και για τις δύο μετρικές) στην περιοχή ακτίνας 500μm και μέτρια επαναληψιμότητα (ICC>0,75 και για τις δύο μετρικές) στην περιοχή ακτίνας 750μm. Στο δεύτερο μέρος της μελέτης συμπεριλήφθηκαν συνολικά 320 άτομα: 78 μη διαβητικοί μάρτυρες, 71 διαβητικοί ασθενείς χωρίς ευρήματα διαβητικής αμφιβληστροειδοπάθειας, 90 ασθενείς με μη παραγωγική διαβητική αμφιβληστροειδοπάθεια (NPDR) και 81 ασθενείς με παραγωγική διαβητική αμφιβληστροειδοπάθεια (PDR). Διαπιστώθηκαν προοδευτικά χαμηλότερες τιμές πυκνότητας του ΠΤΔ και των σημείων διακλάδωσης, και αντιστρόφως προοδευτικά υψηλότερες τιμές για όλες τις μετρικές της FAZ, καθώς επιδεινώνεται το στάδιο της διαβητικής αμφιβληστροειδοπάθειας. Με την εφαρμογή one-way ANOVA, εντοπίστηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές για όλες τις μετρικές του ΠΤΔ και της FAZ μεταξύ των διαφόρων ομάδων εκτός από την πυκνότητα του ΠΤΔ και των σημείων διακλάδωσης στην κεντρική κυκλική ζώνη ακτίνας 500μm. Η πυκνότητα του ΠΤΔ στα 750μm δεν διέφερε σημαντικά μεταξύ των μαρτύρων και των ασθενών χωρίς διαβητική αμφιβληστροειδοπάθεια, όπως και μεταξύ των ασθενών με NPDR και PDR. Αντίθετα, η πυκνότητα των σημείων διακλάδωσης ήταν σημαντικά διαφορετική μόνο μεταξύ των μαρτύρων και των ασθενών με PDR. Ομοίως με την πυκνότητα του ΠΤΔ, το εμβαδό και η περίμετρος της FAZ δεν διέφεραν σημαντικά μεταξύ των μαρτύρων και των ασθενών χωρίς διαβητική αμφιβληστροειδοπάθεια, και μεταξύ των ασθενών με NPDR και PDR. Η ακυκλικότητα της FAZ βρέθηκε σημαντικά διαφορετική μεταξύ κάθε συγκρινόμενης ομάδας εκτός μεταξύ των μαρτύρων και των ασθενών χωρίς διαβητική αμφιβληστροειδοπάθεια. Συμπέρασμα: Ο ημι-αυτοματοποιημένος αλγόριθμος που αναπτύχθηκε φαίνεται να επιτρέπει τον υπολογισμό μετρικών του ΠΤΔ σε συμφωνία με τη χειροκίνητη ανίχνευση σε εικόνες φλουοροαγγειογραφίας. Οι παράμετροι που αξιολογήθηκαν στο δεύτερο μέρος της μελέτης διαπιστώθηκε να αντικατοπτρίζουν τις ανωμαλίες του ΠΤΔ και της FAZ που σχετίζονται με τον σακχαρώδη διαβήτη και ποικίλλουν ανάλογα στα διάφορα στάδια της διαβητικής αμφιβληστροειδοπάθειας. Μέχρι σήμερα, η βιβλιογραφία και η έρευνα έχουν επικεντρωθεί στη βελτιστοποίηση αλγορίθμων σε μη επεμβατικές τεχνικές απεικόνισης του ΠΤΔ και συνεπώς, η ανάλυση και ποσοτικοποίηση του ΠΤΔ σε εικόνες φλουοροαγγειογραφίας έχει σημείωσει ελάχιστη πρόοδο στην αυτοματοποίηση της ανάλυσης της εικόνας, παρότι η φλουοροαγγειογραφία παραμένει η gold standard μέθοδος για τη διάγνωση, ταξινόμηση και παρακολούθηση πολλών αγγειακών παθήσεων του αμφιβληστροειδούς, συμπεριλαμβανομένης της διαβητικής αμφιβληστροειδοπάθειας. Επιπλέον, η έγκαιρη ανίχνευση της ισχαιμίας του ΠΤΔ, ακόμη και σε υποκλινικές περιπτώσεις διαβητικής αμφιβληστροειδοπάθειας θα μπορούσε να είναι ευεργετική για τη διατήρηση της λειτουργίας των αγγείων του αμφιβληστροειδούς.