42 JAIIO CAIS Procesamiento Digital. Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes"

Transcripción

1 42 JAIIO CAIS 2013 Procesamiento Digital "Detección y Análisis Temprana de Imágenes 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 1 Grupo de Inteligencia Artificial, Facultad de Ingeniería, UNER. 2 Facultad de Ciencia y Tecnología, UADER.

2 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. 2

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. 3

4 Introducción 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 4

5 RETINOPATÍA DIABÉTICA Micro Aneurisma Derrames Exudados Soft Exudados Hard 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. IRMA: Anomalías Microvasculares Intrarretinianas; Tabla 1: escala de Early House (ETDRS) modificada. ECIMAG

6 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. 6

7 Materiales BASE DE DATOS DE IMÁGENES Base de Datos DRIVE: Digital Retinal Images for Vessel Extraction, #Staal2004 Base de Datos STARE: STructured Analysis of the Retina, Base de Datos DIARETDB0 - Standard Diabetic Retinopathy Database Calibration level 0 DESCRIPTION Base de Datos DIARETDB1 - Standard Diabetic Retinopathy Database Calibration level 1 Base de datos MESSIDOR- Methods to evaluate segmentation and indexing techniques in the field of retinal ophthalmology ( Por qué no una base de datos Nacional donde se encuentren marcadas y descriptas las patologías, clasificándolas por nivel de severidad?...) 7

8 Propiedades del SI: modular, flexible y adaptativo Arquitectura con comportamiento distribuido más apropiado para este tipo de desarrollo: SMA. Metodología Gaia * Establecimiento de Requerimientos Modelo de Roles Modelo de Interacciones Análisis Modelo de Agente Modelo de Servicios Modelo de Relaciones Diseño * 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 8

9 Fase de Diseño: Modelo de AGENTES Metodología Agente de Preprocesamiento y Estandarización de Imágenes (PEI) Agente de Registración y Fusión de imágenes (RFI) Agente Analizador de Disco Óptico (DAO) Agente Analizador de Fóvea y Mácula (AFM) Agente Analizador de Ramas Arteriales (ARA) Agente Estimador de Normalidad (DN) Agente Estimador de Severidad (DES) Realiza los roles de Uniformidad de iluminación, Estandarización de Contraste. 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. Realiza los roles de: Detección de Ubicación, Detección de Forma, Detección de Tamaño, Modelo de Bordes y Reflectancia de la Luz. 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. Realiza los roles Identificador de Microaneurismas, Detector de IRMA, Detector de micro y MacroDerrames e Identificador de Neovascularización Analizador de Informes, Calculador de Normalidad, Generador de Informe Final Normal. Analizador de Informes, Calculador de Severidad, Generador de Informe Final Patológico. 9

10 Bloque de Datos BD Imágenes BD Hist. Clín. Datos Pac. Agente PEI Agente DN Agente DAO Agente AFM Agente DES Agente ARA Bloque Preprocesamiento y análisis de imágenes de RD Bloque de Análisis de Normalidad y Severidad 10

11 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 Problemas: iluminación no uniforme diferencias de color cambios de contrastes locales por diferencia en la reflexión. Ruido Solución: preprocesado y estandarización 11

12 RUIDO - Compromiso existente entre reducir el ruido y no afectar las pequeñas características contenidas en la imagen analizada. Modelos de Ruido en imágenes de fondo: Gaussiano, Impulsivo y Uniforme 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. 12

13 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.) 13

14 Agente de Preprocesamiento y Estandarización de Imágenes 14

15 Agente PEI 15

16 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. 16

17 Agente Analizador de Ramas Arteriales Agente Analizador de Disco Óptico Imagen de Referencia e Imagen Sensada Procesamiento de datos Agente de Preprocesamiento y Estandarización de Imágenes Agente de Registración y Fusión de Imágenes (RFI) Agente Analizador de Fóvea y Mácula Extracción Características Correspondencia Características Transformación Imagen Imagen Registrada Agente de Registración y Fusión de Imágenes Salida a Agentes de Análisis de Patologías, Normalidad y Severidad Diagrama de flujo que resume los pasos del algoritmo de registración basado en la extracción de características, e interacciones con los Agentes del SMA 17

18 Agente (RFI) Registración por Transformación Afín 18

19 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) 19

20 Agente Analizador de Normalidad y Severidad 20

21 (a) (a) (b) (b) (c) (d) Base DRIVE, Capacidad sum Base DIARETDB1, Capacidad sum Imágenes Normales (e) -.- Imágenes Anormales 21

22 Agente Analizador de Normalidad y Severidad Necesidad de enmascarar fondo oscuro circular, disco óptico y árbol vascular. Observación: valores de singularidades similares entre estructuras anatómicas y signos de la patología. 22

23 Resultados (a) (b) (b) (c) (d) (e) 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. 23

24 Implementación (a) (a) (b) 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 (b) (c) (d) (e) 24

25 Conclusiones (a) (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. (b) (c) Es necesario someter al SMA a mayor número de imágenes de retinógrafos locales. (d) Es necesario integrar el SMA al Retinógrafo, para la carga automática de las imágenes. (e) El presente PID ha generado numerosas Tesis de Grado, posgrado y trabajos de pasantías de estudiantes extranjeros: valor como formador de RRHH. 25

26 .. Muchas Gracias..! Agradecemos la inestimable colaboración del Dr. Rodrigo Torres, en la clasificación de las imágenes originales. Contacto F.I.U.N.E.R. Ruta 11 Km. 10 Oro Verde Entre Rios Tel int. 125 Grupo de Inteligencia Artificial 26

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