Progettazione, realizzazione e valutazione clinica di uno strumento ad ottica adattiva per l'analisi automatica della retina

Questa tesi tratta l'analisi automatica di immagini a colori del fondo dell'occhio. In particolare, essa si focalizza sul progetto di una fundus camera ad ottica adattiva per l’aquisizione di fundus retinici e sull’implementazione di software per l’analisi e la valutazione quantitativa delle retinopatie, prevalentemente ipertensiva e diabetica come naturale ricaduta dei metodi sviluppati. Sia l'ipertensione che il diabete colpiscono, anche se con modalità e decorso temporale differente, il microcircolo sanguigno. La retinopatia è una delle conseguenze di tale danno circolatorio. La retina ed i vasi retinici sono assai sensibili a cambiamenti nella microcircolazione: è stato dimostrato che i singoli segni della retinopatia hanno un alto valore prognostico per infarto, sclerosi carotidea e danno coronarico. Inoltre, la retinopatia è una malattia sociale, con una ricaduta economica (diretta ed indiretta) elevata: la perdita o la diminuzione della capacità visiva porta infatti ad una ridotta capacità lavorativa e all’impossibilità di condurre una vita indipendente. Nonostante anche altri organi siano sensibili ad alterazioni del microcircolo sanguigno, la retina ha il grande vantaggio di essere facilmente disponibile ad un controllo non invasivo. Tale caratteristica suggerisce un modo efficiente ed efficace per seguire il decorso di malattie sistemiche associate alla retinopatia. Inoltre, con riguardo alla prevenzione della perdita della vista, il riconoscimento della retinopatia al suo insorgere è il punto più critico per evitare che degeneri in cecità. Ciò è particolarmente importante nella retinopatia diabetica in cui, allo stato attuale della farmacologia, i danni alla retina non recedono con il trattamento farmacologico o col controllo del diabete. Sfortunatamente, le fasi iniziali della retinopatia sono quasi asintomatiche. Un programma di screening potrebbe evitare alla maggior parte della popolazione a rischio lo sviluppo di retinopatie che minaccino la vista. Allo stesso tempo, nel mondo occidentale non ci sono abbastanza risorse, sia in termine di tempo che soprattutto in termine di disponibiltà di oftalmologi esperti, per organizzare uno screening di tal genere. E’ dunque forte il bisogno di uno strumento che valuti automaticamente la retina, per diagnosticare la presenza e la severità dell'eventuale retinopatia. Le attuali fundus camera sono in grado di compensare l'aberrazione di fuori fuoco introdotta dall'occhio tramite sistemi mobili di ottiche interne, ma non possono correggere l'astigmatismo oppure le aberrazioni di ordine superiore. Nei primi capitoli della presente tesi si descriverà la realizzazione del prototipo di un sistema di acquisizione che consenta di compensare anche quel tipo di aberrazioni, permettendo così in linea teorica di ottenere immagini di elevata qualità del fondo retinico, anche in pazienti soggetti ad aberrazioni elevate. Le immagini digitalizzate ad alta risoluzione del fondo retinico saranno poi elaborate da algoritmi d’analisi, descritti nella seconda parte della tesi, dedicati alla diagnosi automatica di alcune patologie dell'occhio. Il concetto di base dello strumento d’acquisizione sviluppato nei nostri laboratori è quello di inserire lungo il cammino ottico di una fundus camera un'ottica adattiva DM (Deformable Mirror). Il principale problema delle fundus camera convenzionali è che l'informazione per adattare la forma del DM per compensare le aberrazioni presenti è fornita da un complesso e costoso analizzatore di fronte d’onda. La soluzione proposta consiste nel proiettare un pattern noto sul fondo della retina e di acquisirne l’immagine con un sensore dedicato. Analizzando in tempo reale quest’immagine con opportuni algoritmi, sarà possibile ottenere le indicazioni su come l'ottica adattiva debba essere opportunamente deformata per ridurre l'aberrazione introdotta dall’occhio e permettere di acquisire immagini ad alta definizione e senza distorsioni anche in pazienti affetti da aberrazioni non compensabili con le fundus camera ora disponibili. Nonostante test di simulazione su banco ottico abbiano fornito risultati preliminari incoraggianti, la realizzazione di una fundus camera adatta all’utilizzo clinico/diagnostico ha incontrato limitazioni di carattere tecnico relative alla prototipazione dello strumento in ambienti non controllati. L’incidenza dei riflessi spuri, introdotti nel sistema ottico dall’ambiente circostante, sul rapporto segnale-rumore del segnale acquisito sarà materia di ricerca del prossimo futuro. Le immagini del fondo oculare, ricavate da dataset da noi collezionati e da altri già utilizzati per indagini scientifiche da altri gruppi di ricerca, saranno analizzate con algoritmi sviluppati ad-hoc, in grado di ricavare importanti parametri clinici per la diagnosi delle retinopatie, con particolare attenzione a quelle ipertensiva e diabetica. Nell’ambito di questa tesi saranno prese in esame le features dell’apparato vascolare: l’identificazione del reticolo dei vasi (arterie e vene), consentirà la misurazione i suoi principali descrittori geometrici (lunghezza, direzione, calibro, presenza di biforcazioni, etc.); da questi saranno calcolati specifici indici di rilievo diagnostico, che forniranno ai clinici informazioni sul grado complessivo di retinopatia del paziente, la cui significatività è molto importante per la diagnosi delle patologie retiniche. Gli algoritmi presentati in questa tesi rendono possibile pensare ad uno strumento utilizzato sia in ampi programmi di screening delle retinopatia ipertensiva e diabetica, sia per il controllo nel tempo del progredire della malattia. La loro utilià è triplice. In primo luogo, potrebbero essere uno strumento diagnostico di aiuto alla pratica clinica. In secondo luogo, i dettagli quantitativi sulle struttura vascolare della retina potrebbero essere utili nella ricerca medica e per meglio caratterizzare gli sviluppi della retinopatia. Infine, nell’ambito della ricerca farmaceutica, si renderebbe disponibile l'utilizzo di una misura quantitativa e riproducibile dell'evoluzione della retinopatia durante un trattamento farmacologico. Il software riguardante l’identificazione delle strutture vascolari retiniche è al momento oggetto di valutazione clinica presso il Department of Ophthalmology and Visual Sciences, University of Wisconsin, USA, il cui Fundus Photograph Reading Center ha espressamente dichiarato la sua volontà nell’acquisire il programma come standard per la determinazione di features diagnostiche, quali gli indici CRAE, CRAE e AVR, come indicatiori del “generalized arteriolar narrowing”. Sempre per quanto riguarda i metodi di identificazione della struttura vascolare della retina, la corrente collaborazione con il Department of Twin Research & Genetic Epidemiology, del King’s College London Division of Genetics and Molecular Medicine, St Thomas' Hospital, UK, si è recentemente concretizzata nell’accordo che prevede che un numero superiore a 3500 immagini di fundus retinico (più 10 nuove immagini a settimana) vengano analizzate per scopi clinici con il software da noi sviluppato. I risultati conseguiti nelle sperimentazioni effettuate e le collaborazioni internazionali in atto con gruppi clinici e di ricerca di rilievo ci rendono abbastanza confidenti riguardo la qualità delle metodologie sviluppate e i potenziali successi del suo impiego, con l’auspicio che futuri miglioramenti possano ampliarne l’utilizzabilità.