Automatic computation of the arteriovenous ratio and assessment of its effectiveness as a prognostic indicator in hypertension

Abstract

[Resumen] La retina es la única parte del cuerpo humano en donde se pueden observar los vasos sanguíneos directamente de una forma no invasiva mediante un examen de fondo de ojo. De esta manera, la imagen de la retina mediante las técnicas de procesamiento de imágenes se convirtió en un campo de clave para el diagnóstico precoz de varias enfermedades sistémicas que provocan alteraciones visibles en dicha imagen. Así, alteraciones en el ancho de los vasos retinianos se asocian con patologías tales como diabetes o hipertensión. De hecho, el estrechamiento de las arterias constituye un indicio precoz de la hipertensión arterial sistémica, siendo una característica del grado I de la retinopatía hipertensiva de acuerdo con la clasificación de Keith-Wagener-Barker. En este sentido, se han realizado esfuerzos para desarrollar programas asistidos por ordenador para medir con precisión los cambios en el ancho de los vasos a través del índice arteriovenoso (IAV), es decir, la relación entre los calibres de las arterias y las venas. Sin embargo, aunque estos sistemas se han usado en muchos estudios con fines de investigación, su aplicabilidad en la práctica clínica diaria es todavía discutida. En este trabajo, se propone una nueva metodología para el cálculo del IAV con el fin de estratificar el riesgo cardiovascular de los hipertensos. Por un lado, se ha desarrollado un método completamente automático para estimar el IAV en una imagen de fondo de ojo de un paciente. Por otro lado, se propone un sistema para monitorizar el IAV del paciente a lo largo del tiempo. Para este fin, las mediciones del IAV en las diferentes imágenes adquiridas sobre el mismo ojo del paciente en diferentes fechas se estiman usando el mismo conjunto de vasos medidos en las mismas áreas. Por lo tanto, la mediciones obtenidos de esta manera son comparables y precisas, debido a que son independientes en el conjunto de vasos seleccionados para el cálculo. Las dos técnicas se han integrado en SIRIUS, un sistema web destinado a incluir diferentes servicios en el campo del análisis de la imagen retiniana. El sistema incluye también gestión de pacientes y revisiones, lo que facilita el análisis de las lesiones retinianas causadas por diferentes patologías y su evolución después de un determinado tratamiento. Además al ser una aplicación distribuída a través de la web, proporciona un entorno de colaboración entre diferentes médicos, investigadores y centros.

[Resumo] A retina é a única parte do corpo humano onde se poden observar os vasos sanguíneos directamente dunha maneira non invasiva mediante un examen do fondo do ollo. Desta maneira, a imaxe da retina mediante as técnicas de procesamento de imáxenes converteuse nun campo chave para o diagnóstico precoz de varias enfermidades sistémicas que provocan alteracións visibles en dita imaxe. Así, cambios no ancho dos vasos retinianos asócianse con patoloxías tales como a diabetes ou a hipertensión. De feito, o estreitamento das arterias constitúe un indicio prematuro da hipertensión arterial sistémica, sendo unha característica do grado I da retinopatía hipertensiva dacordo coa clasificación de Keith- Wagener-Barker. Neste sentido, fixerónse moitos esforzos para desenvolver programas asistidos por ordenador para medir con precisión os cambios no ancho dos vasos a través do índice arteriovenoso (IAV), é dicir, a relación entre os calibres das arterias e das veas. Nembargantes, aínda que estes sistemas foron usados en moitos estudios con fins investigadores, a sua aplicabilidade na práctica clínica diaria aínda é discutida. Neste traballo, proponse unha nova metodoloxía para o cálculo do IAV co fin de estratificar o risco cardiovascular dos hipertensos. Por un lado, desenvolveuse un método completamente automático para estimar o IAV nunha imaxe de fondo de ollo dun doente. Por outra banda, proponse un sistema para monitorizar o IAV dun doente a lo longo do tempo. Para isto, as medicións do IAV nas diferentes imaxes adquiridas sobre o mesmo ollo do doente en diferentes datas fanse usando o mesmo conxunto de vasos medidos nas mesmas áreas. Polo tanto, as medicións obtidas desta maneira son comparables e precisas, debido a que son independentes do conxunto de vasos seleccionados para o cálculo. As dúas técnicas foron integradas no SIRIUS, un sistema web destinado a incluir diferentes servicios no campo da análise da imaxe retiniana. O sistema inclúe tamén xestión de doentes e revisións, facilitando a análise e estudo das lesións retinianas causadas por diferentes patoloxías e a súa evolución despois dun determinado tratamento. Ademais ao ser unha aplicación distribuída a través da web, proporciona un entorno de colaboración entre diferentes médicos, investigadores e centros.

[Abstract] Retina is the only part in the human body where blood vessels can be directly observed in a non-invasive way through an eye fundus examination. In this manner, the retinal imaging assisted by image processing techniques became a key field for the early diagnosis of several systemic diseases which cause visible alterations in the fundus image. Thus, changes in the retinal vessel widths are associated with pathologies such as diabetes or hypertension. In fact, arteriolar narrowing constitutes an early sign of systemic hypertension, being a feature for the grade I of hypertension retinopathy according to Keith-Wagener-Barker classification. In this sense, some efforts have been made to develop computer-assisted programs to measure accurately abnormalities in the vessel widths through the arteriovenous ratio (AVR), that is, the relation between arteriolar and venular vessel widths. However, although these systems have been used in many studies for research purposes, their applicability to daily clinical practice is yet discussed. In this work, a new methodology for the AVR computation is proposed in order to stratify the cardiovascular risk of hypertension. On one hand, a fully automatic method to estimate the AVR in a sample patient's image is developed. On the other hand, an AVR monitoring system to compute the patient's AVR over time was implemented. To this end, the AVR measurements computed in the different patient's images acquired from the same eye at different dates, uses the same set of vessels measured at the same areas. Thus, the measurements achieved in this manner are comparable and precise due to they are independent on the set of vessels selected for the calculus. The two approaches have been integrated in SIRIUS, a web-based system aimed to include different services in the field of retinal image analysis. It includes patient and checkup management, making easier to analyze the retinal lesions caused by different pathologies and their evolution after a specific treatment. Moreover, being a application distributed via the web, it provides a collaborative environment among different physicians, researchers and medical centers.