42 jaiio cais 2013
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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
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.
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
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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
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
5
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.
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
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
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Metodología
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
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
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
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.
Agente Analizador de
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”.
Agente Analizador de
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
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
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
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
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
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
Metodología
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Metodología
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
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
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
Agente de Preprocesamiento y Estandarización de Imágenes
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Metodología
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
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
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
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Metodología
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
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
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
Agente (RFI)
Registración por Transformación Afín
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Metodología
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
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)
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Metodología
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
Agente Analizador de Normalidad y Severidad
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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
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
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.
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Resultados
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(b)
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
• 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)
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
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Conclusiones
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(a)
(b)
Detección Temprana de Patologías Diabéticas Oculares en Retinografías Utilizando un Sistema Multiagentes
• 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 asalvatelli@bioingenieria.edu.ar
gbizai@bioingenieria.edu.ar F.I.U.N.E.R.
Ruta 11 Km. 10 Oro Verde – Entre Rios Tel. 0343 – 4975100 – int. 125 Grupo de Inteligencia Artificial
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