ES2531189B2 - Procedimiento de cuantificación de la opacidad ocular de una lente intraocular - Google Patents

Abstract

Procedimiento de cuantificación de la opacidad ocular de una lente intraocular.#El grado de opacificación de la cápsula posterior se determina, en la mayoría de los casos, de forma subjetiva mediante la valoración de un especialista que observa el estado de la cápsula situada detrás del cristalino y la visión descrita por el mismo paciente. En esta invención se presenta un procedimiento para detectar las células que se pueden generar entre la cápsula posterior (envoltura del cristalino) y una lente intraocular, pudiendo, de esta forma, cuantificar la opacificación producida. Este procedimiento de cuantificación del grado de opacidad en la lente intraocular incorpora varias etapas que dotan de un elevado grado de automatismo al procedimiento: se detecta automáticamente el área de interés, se detectan zonas que pueden falsear el análisis para no incluirlas en la cuantificación, se detectan las células consecuencia de la opacidad en la lente y, finalmente, se cuantifica la superficie de la lente que presenta un problema de opacidad.

Description

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DESCRIPCION

PROCEDIMIENTO DE CUANTIFICACION DE LA OPACIDAD OCULAR DE UNA

LENTE INTRAOCULAR

CAMPO DE LA INVENCION

La presente invencion se refiere a un procedimiento de cuantificacion del grado de opacidad ocular de una lente intraocular. El procedimiento propuesto para la cuantificacion esta formado por varias etapas que se aplican a una imagen de la zona ocular donde pueda existir opacidad.

ESTADO DE LA TECNICA ANTERIOR

La invencion aborda un problema importante en el ambito de la oftalmologfa ya que la determinacion del grado de opacidad de una lente intraocular en la capsula posterior puede conllevar la necesidad de una cirugfa para intercambiar la lente por otra nueva. Si la lente se intercambia con un grado de opacidad bajo, puede estar sometiendose al paciente a una cirugfa innecesaria. En cambio, si el grado de opacidad es alto y no se sustituye la lente, el paciente vera reducida su vision como consecuencia de esta opacidad. Por tanto, la cuantificacion de forma objetiva del grado de opacidad en una lente intraocular, es un aspecto sumamente importante relacionado con la calidad de vision de un paciente con una lente intraocular.

El problema de la cuantificacion de la opacidad de la capsula posterior se ha abordado en distintos trabajos aplicando diferentes tecnicas computacionales. Entre dichos trabajos o estudios, se encuentran soluciones como la que se plantea en [M. R. Tetz, G. U. Auffarth, M. Sperker, M. Blum and H. E.Volcker. Photographic image analysis system of posterior capsule opacification. Journal of cataract and refractive surgery, Vol 23, Edition 10, 1997, pp 1515-1520], una solucion comercial que calcula el grado de opacificacion teniendo en cuenta los distintos grados de opacidad existentes. Otro sistema similar al anterior y que se utiliza para obtener el grado de opacificacion es el que se presenta en [L. Bender, D. J. Spalton, B. Uyanonvara, J. Boyce, C. Heatley, R. Jose and J. Khan, “POCOman: New system for quantifying posterior capsule opacification”. Journal of Cataract and Refractive Surgery, Vol 30, Edition 10, 2004, pp 2058 - 2063]. En ambos sistemas es necesario una interaccion con el especialista para que este dirija la deteccion de las zonas de opacificacion, pudiendose perder objetividad en la cuantificacion. El procedimiento que se propone en esta invencion es totalmente automatico proporcionando una cuantificacion

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totalmente objetiva, con independencia del especialista.

Hay otros proyectos relacionados como [Huiqi Li; Joo Hwee Lim; Jiang Liu; Wong, D. W K; Yongfeng Foo; Ying Sun; Tien Yin Wong, "Automatic detection of posterior subcapsular cataract opacity for cataract screening," Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2010 Annual International Conference of the IEEE , vol., no., pp.5359,5362, Aug. 31 2010-Sept. 4 2010], donde el sistema es automatico pero detecta opacidad en el cristalino (origen de las cataratas) utilizando caracterfsticas como iluminacion, localizacion o tamano de la catarata. La diferencia fundamental con la opacidad procedente de una lente intraocular es que en esta ultima crecen celulas y estas son las que se deben detectar, no areas como en el caso de las cataratas.

Existen otros trabajos que dotan de mayor automatismo a la evaluacion de la opacidad en la capsula posterior. En [N. Werghi, R. Sammouda and F. AlKirbi, “An unsupervised learning approach based on a hopfield-like network for assessing posterior capsule opacification”. Pattern Analysis and Applications, Vol 13, 2010, pp 383-396] se muestra un metodo basado en aprendizaje no supervisado mediante la red neuronal de Hopfield para dividir el espacio a analizar en regiones segun el color que presente cada uno de los pfxeles pertenecientes a la misma. El grado de opacidad se determina a partir del numero de regiones encontradas, siendo este numero de regiones directamente proporcional al grado de opacificacion, asf se divide la imagen en grupos de pfxeles dependiendo de la rugosidad que se genera en la superficie de la lente intraocular. La extraccion del numero de regiones involucra una etapa de pre-procesamiento de la imagen donde se calcula una parte circular en el centro de la lente intraocular, la cual sera la zona a analizar. Se implementa un algoritmo para clasificar los pfxeles dependiendo de su color y formar agrupaciones, a partir de los cuales se calcula el numero de regiones mencionado. El metodo que utiliza para agrupar los pfxeles es una tecnica de clustering estandar K- means, que trabaja con regiones o conjuntos de pixeles.

En [M. Pourshahabi, H. Pourreza, O. Findl, R. Daneshvar and W. Buehl, “CPCO: Contourlet Based PCO Quantification System”. IEEE International Conference of Soft Computing and Pattern Recognition, Malacca, 2009, pp 409-413] se expone la resolucion del problema de cuantificacion de la opacidad de la capsula posterior utilizando la transformada de Contourket. Para determinar la region de interes, esto es, el area perteneciente a la capsula posterior, se aplica una transformacion del espacio de color a la imagen, del sistema RGB al sistema YCbCr. La imagen resultante se convierte en una

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imagen binaria aplicando el metodo de Otsu y teniendo en cuenta la componente Cr. De esta forma, se obtiene el area de la capsula posterior donde se encuentra la lente. La transformada de Contourlet se utiliza para hallar los contornos y la extraccion de caracterfsticas. La imagen se divide en 64 regiones iguales donde se obtiene el vector de caracterfsticas para cada una de ellas. Este vector de caracterfsticas se utiliza para clasificar la imagen en uno de los cuatro grados de opacificacion de la capsula posterior que se determinan. Cada uno de estos vectores se compara con una base de datos entrenada previamente calculando la distancia Euclfdea. Para establecer el grado final de opacificacion en toda el area se asigna un coeficiente a cada una de las 64 regiones indicadas anteriormente, realizando una media ponderada.

Resulta conveniente a la luz de lo anteriormente expuesto, buscar un procedimiento que facilite a los especialistas una cuantificacion objetiva del grado de opacidad ocular que pueden presentar las lentes intraoculares. Un alto nivel de automatismo se hace imprescindible para conseguir la minima interaccion con el especialista y, de esta forma, lograr reducir la subjetividad.

EXPLICACION DE LA INVENCION

La presente invencion permite superar inconvenientes en los aspectos que se enumeran a continuacion:

• Subjetividad en los criterios de valoracion de la opacidad.

• Exactitud en el area de la lente que sufre opacidad al trabajar con elementos mfnimos (v.g. celulas) en lugar de regiones de mayor tamano.

• Incorporacion en el tratamiento de elementos externos a la causa de la opacidad que pueden condicionar el resultado final (v.g. brillos).

• Problemas en la precision de los metodos de cuantificacion al utilizar un unico metodo que puede ser muy apropiado para un tipo de imagenes pero poco apropiado para otro tipo.

Las ventajas que incorpora el procedimiento de cuantificacion de la opacidad de la capsula posterior que aquf se presenta son varias. En primer lugar se trata de un procedimiento integral que permite analizar cualquier tipo de imagen ya que es el propio procedimiento el que selecciona de manera automatica la region de interes y los pfxeles que van a ser analizados, ademas de incorporar tratamiento de elementos externos que pueden condicionar el resultado final. Por otro lado, se analiza directamente el origen de la opacidad en la lente intraocular, es decir, las celulas que crecen en la lente, mejorando

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de este modo la precision. Finalmente, se ofrece, siempre de forma automatica y sin interaccion con el especialista, superando el problema de la subjetividad, una cuantificacion del grado de opacidad distribuida por sectores, para que sea el especialista el que evalue si es necesario un tratamiento.

El procedimiento propuesto comprende tres etapas principales, que a partir de la imagen original a analizar obtiene el porcentaje de superficie ocupada distribuido por sectores.

La primera etapa consiste en el calculo del contorno de la lente intraocular para, de esta forma, seleccionar el area de la imagen en la que se va a trabajar. La restriccion de la region de interes a aquella que queda englobada por el contorno de la lente intraocular viene impuesta porque el crecimiento de las celulas que van a dificultar la vision se va a restringir al area ocupada por la lente. Con el objetivo de minimizar la interaccion con el usuario, se detecta de forma automatica el contorno de la lente, utilizando para ello la transformada de Hough para circunferencias. Para disminuir el coste computacional de esta transformada, se utiliza la transformada rapida de Hough para circunferencias.

Una vez acotada el area de trabajo se procede a la segunda etapa con la deteccion de artefactos indeseados procedentes de la captura de la imagen. La mayorfa de artefactos son diffciles de eliminar y, si se eliminan, se corre el riesgo de introducir informacion no presente en la imagen original que puede alterar la cuantificacion final. Por tanto, con esta etapa, se pretende localizar las zonas con artefactos en la imagen para no considerar en las etapas siguientes los pfxeles que formen parte de estas zonas no deseables. En esta etapa se utilizan tres tecnicas combinadas para la deteccion de los pfxeles que no van a ser analizados. Las tres tecnicas utilizadas son la aplicacion del metodo de Otsu a la imagen en escala de grises, la aplicacion del metodo de Otsu a la imagen transformada al modelo de color HSV y una umbralizacion de las componentes S y V en el modelo HSV.

La tercera etapa, dedicada a la deteccion y cuantificacion de capsulorrexis o capsulorresis, consiste en detectar el contorno de las celulas de la lente causantes de la opacificacion. Para esta operacion se utilizan diferentes tecnicas para la deteccion de bordes que buscan aquellos puntos donde se produce una variacion de la intensidad. En el procedimiento propuesto se aplican tanto tecnicas de gradiente (por ejemplo el operador de Sobel y el operador de Prewitt) como operadores de segundo orden o laplacianos (por ejemplo, operador Canny, operador LoG-Laplacian of Gaussian). Una

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vez obtenidos los contornos de las celulas se procede a su relleno para poder cuantificar el area ocupada por las celulas. Para realizar este relleno se aplican diferentes operadores morfologicos combinados con la transformada de Hough.

Finalmente, para proporcionar al especialista una cuantificacion de la opacidad que pueda interpretar, se divide el area analizada en regiones concentricas y se calcula el porcentaje de ocupacion de la superficie.

Resumiendo, la presente invencion se refiere por tanto a un procedimiento para cuantificar el grado de opacidad de una lente intraocular a partir de una imagen de la capsula posterior, analizando la superficie ocupada por celulas que hayan crecido sobre una lente intraocular.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

FIGURA 1: Diagrama de flujo del procedimiento de la invencion. Representa las etapas del procedimiento para mostrar los resultados de la cuantificacion de la opacificacion de la capsula posterior ante una entrada de datos.

FIGURA 2: Diagrama de flujo de la etapa correspondiente al calculo del contorno de la lente intraocular.

FIGURA 3: Diagrama de flujo de la etapa correspondiente a la deteccion de artefactos indeseados.

FIGURA 4: Diagrama de flujo de la etapa de deteccion y cuantificacion, capsulorrexis que calcula los pfxeles de la imagen que pertenecen a la zona afectada de la capsula posterior donde se encuentra la lente intraocular.

EXPOSICION DETALLADA DE MODOS DE REALIZACION

La invencion hace referencia a un procedimiento que obtiene el porcentaje de opacificacion de la capsula posterior a partir de la combinacion de diferentes tecnicas de procesamiento de imagenes sobre una muestra. Esta muestra se referencia como una imagen proporcionada por una camara digital de aumento donde debe aparecer el fondo de ojo con la lente intraocular situada en la capsula posterior del ojo.

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Como se ha dicho anteriormente, el procedimiento propuesto esta formado por tres etapas principales, recibe la imagen a analizar y genera el porcentaje de superficie ocupada distribuido por sectores.

La primera etapa utilizada tiene como objetivo el calculo del contorno de la lente intraocular 1 automaticamente. Para ello, a partir de la imagen original 100 se obtiene otra imagen con la transformacion en escala de grises 4 de la original. A continuacion se realiza una umbralizacion mediante Otsu 5 y se aplica el detector de bordes de Sobel 6, con el que se obtiene una imagen binaria. A esta imagen binaria se le aplica la transformada de Hough 7 para circunferencias. Para disminuir el coste computacional de esta transformada, se utiliza la transformada rapida de Hough para circunferencias. A la transformada de Hough se le indica la minima distancia entre circunferencias para que se consideren diferentes, los radios entre los que queremos que se realice la busqueda, entre otros. Se utiliza un sistema de votacion y de todas las circunferencias que se obtienen mediante esta transformada, se obtiene aquella que mas votos ha obtenido. Con este calculo se crea una mascara que permite obviar calculos en areas que no pertenecen a la zona a analizar, la zona donde se encuentra la lente intraocular, obteniendo una imagen con el contorno de la lente intraocular definido 101.

Despues de acotar el area de trabajo, se procede a la segunda etapa con la deteccion de artefactos indeseados 2 procedentes de la captura de la imagen (por ejemplo, brillos como consecuencia del uso del flash). Debido a la forma de obtener las muestras, es posible encontrar areas de la imagen con determinados brillos que se consideran un artefacto indeseado y que obstaculiza el calculo final. Para detectar los pfxeles referentes a dichas zonas se lleva a cabo una etapa para deteccion de artefactos indeseados 2 y para ello se combinan tres tecnicas: dos transformaciones y una umbralizacion. En primer lugar se realizan dos transformaciones a la imagen original 100: transformacion en escala de grises 8 y transformacion al modelo de color HSV 9. Con la transformacion en escala de grises 8 se aplica una umbralizacion segun el metodo de Otsu 10 para obtener un umbral que determina cuando los pfxeles se consideran pertenecientes a areas de artefactos indeseados y cuando no. Con la transformacion al modelo de color HSV 9 se aplica una umbralizacion segun el metodo de Otsu con la componente H 11 por una parte, y se realiza una umbralizacion mediante la combinacion 12 de las componentes S y V. Tras la obtencion de estos tres resultados parciales correspondientes a imagenes binarias, se aplica una ponderacion 13 sobre cada una, en funcion de la precision de

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cada tecnica, para obtener como resultado otra imagen binaria con artefactos detectados 102, donde se refleja el conjunto de pfxeles que pertenecen al area de flash.

La tercera etapa que se realiza es la deteccion y cuantificacion de capsulorrexis 3. En este paso se aplica de nuevo una umbralizacion segun el metodo de Otsu 14, pero teniendo en cuenta el calculo anterior de los pfxeles que pertenecen a areas donde aparecen artefactos indeseados. De esta forma, el nuevo umbral calculado se utiliza para la aplicacion de diferentes metodos de deteccion de bordes. Entre los metodos utilizados para este fin se encuentran el metodo de Canny 15, el calculo de la Laplaciana sobre la Gaussiana 16, el metodo de Sobel 17, el metodo de Prewitt 18 y la aplicacion del filtro Gaussiano isotropico 19. Una vez se han detectado dichos bordes y se han obtenido las imagenes binarias correspondientes como resultados parciales, se realiza una ponderacion 20 dependiendo de la precision de cada gradiente, y cada pixel sera considerado borde si supera un determinado porcentaje en la ponderacion. Asf, se obtendra como resultado una imagen binaria donde se resaltan los contornos de las celulas que provocan opacificacion. Despues, tras obtener la imagen binaria con los bordes detectados, se aplican operadores morfologicos 21 para definir las celulas. Primero se aplica la operacion de cierre y, posteriormente, la operacion de dilatacion para rellenar celulas pequenas (pequenos agujeros y bahfas). Por otra parte, se aplica de nuevo la transformada de Hough 22 teniendo en cuenta los pfxeles que no pertenecen a artefactos indeseados. En este caso, la transformada de Hough calcula aquellas circunferencias que superan un determinado porcentaje de probabilidad de ser circunferencia. Se determina un rango de radios pequenos para la deteccion de las circunferencias en relacion al tamano de la imagen. El objetivo de aplicar esta transformada es la combinacion 23 del resultado obtenido por dicha transformada con el resultado obtenido al aplicar los operadores morfologicos, y asf aquellos pfxeles, marcados en la dilatacion como zona afectada, que no queden dentro de ninguna circunferencia seran descartados como parte de la zona afectada.

La ultima etapa es calcular el porcentaje del area afectada 25. Para ello, teniendo en cuenta el contorno de la lente intraocular calculado al principio, que determina la localizacion de la misma, se realiza una division en circunferencias concentricas de esa area 24. Para cada una de las areas calculadas, se realiza una cuantificacion de los pfxeles detectados como parte de la opacificacion y se establece una relacion entre estos y el total de todos los pfxeles que forman el area para obtener el porcentaje de opacidad final 103.

Claims (6)

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   REIVINDICACIONES

   1. Procedimiento de cuantificacion de la opacidad ocular de una lente intraocular, comprendiendo el procedimiento:

   - recibir una imagen a analizar (100);

   - generar un porcentaje de superficie ocupada (25) distribuido por sectores;

   - analizar la superficie ocupada por celulas que hayan crecido sobre la lente intraocular, caracterizado por que comprende:

   - un calculo del contorno de la lente intraocular (1) que comprende una transformada de Hough para circunferencias;

   - una deteccion de artefactos indeseados (2) procedentes de una captura de imagen;

   - una deteccion y cuantificacion de capsulorresis (3);

   - generar un grado de opacidad (103) de la lente intraocular.
2. 2. Procedimiento de cuantificacion de la opacidad ocular de una lente intraocular segun la reivindicacion 1, donde el calculo del contorno de la lente intraocular (1) comprende:

   - una transformacion en escala de grises (4) de la imagen a analizar (100) para obtener una imagen en escala de grises;

   - una umbralizacion mediante Otsu (5) de la imagen en escala de grises para obtener una imagen umbralizada;

   - una deteccion de bordes de Sobel (6) de la imagen umbralizada para obtener una imagen binaria;

   - una transformada rapida de Hough (7) para circunferencias de la imagen binaria.
3. 3. Procedimiento de cuantificacion de la opacidad ocular de una lente intraocular segun la reivindicacion 1, donde la deteccion de artefactos indeseados (2) comprende:

   - una transformacion en escala de grises (8) de la imagen a analizar (100) para obtener una imagen en escala de grises;

   - una umbralizacion con metodo de Otsu (10) de la imagen en escala de grises para obtener un umbral que determina cuando se consideran pfxeles pertenecientes a areas de artefactos indeseados y cuando no;

   - una transformacion a un modelo de color HSV (9) de la imagen a analizar (100) para obtener componentes H, S y V;

   - una umbralizacion con metodo de Otsu (11) de la componente H;

   - una umbralizacion mediante combinacion (12) de las componentes S y V;

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   - una ponderacion (13) de las tres umbralizaciones (10, 11, 12) para generar una imagen binaria con artefactos detectados (102).
4. 4. Procedimiento de cuantificacion de la opacidad ocular de una lente intraocular segun la reivindicacion 3, donde la deteccion y cuantificacion de capsulorresis (3) se lleva a cabo mediante tecnicas de deteccion de bordes de celulas que buscan puntos de variacion de intensidad y tecnicas de relleno para poder cuantificar el area ocupada por las celulas.
5. 5. Procedimiento de cuantificacion de la opacidad ocular de una lente intraocular segun la reivindicacion 4, donde la deteccion y cuantificacion de capsulorresis (3) comprende:

   - una umbralizacion con el metodo de Otsu (14) a partir de la imagen a analizar (100) y de la imagen binaria con artefactos detectados (102);

   - una deteccion de bordes a partir del umbral generado en la umbralizacion con el metodo de Otsu (14), comprendiendo la deteccion de bordes:

   un metodo de Canny (15);

   un calculo de la Laplaciana sobre la Gaussiana (16); un metodo de Sobel (17); un metodo de Prewitt (18);

   una aplicacion de un filtro Gaussiano isotropico (19);

   - una ponderacion (20) de las detecciones de borde (15-19) para obtener una imagen binaria con los bordes detectados;

   - una aplicacion de operadores morfologicos (21) a la imagen binaria con los bordes detectados para definir celulas;

   - una transformada de Hough (22) a partir del umbral generado en la umbralizacion con el metodo de Otsu (14), teniendo en cuenta pfxeles que no pertenecen a artefactos indeseados;

   - una combinacion (23) de un resultado obtenido por la transformada de Hough (22) con un resultado obtenido de la aplicacion de operadores morfologicos (21) para generar un calculo final de porcentaje de area afectada (25).
6. 6. Procedimiento de cuantificacion de la opacidad ocular de una lente intraocular segun la reivindicacion 5, donde la aplicacion de operadores morfologicos (21) comprende: una operacion de cierre seguida de una operacion de dilatacion para rellenar celulas pequenas.