Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения локализации макулы при ретинопатии недоношенных (варианты)

Группа изобретений относится к области медицины, а именно к офтальмологии, и может быть использована для определения локализации макулы при ретинопатии недоношенных (РН).

Долгое время «золотым стандартом» диагностики ретинопатии недоношенных (РН) являлась непрямая биомикроскопия. Данное исследование трудновыполнимо, занимает длительное время и вызывает стресс у новорожденных. В диагностике РН также применяются методы прямой и непрямой офтальмоскопии. Однако из-за недостаточной фиксации, узкого угла обзора и невозможности сохранения какой-либо объективной информации об исследовании, данные методы нельзя рассматривать как соответствующие современным позициям доказательной медицины.

На данный момент широко используется телемедицинская ретинальная камера (RetCam). Это компьютеризированная широкоугольная система, позволяющая получать изображение сетчатки с использованием различных линз, в том числе 130-градусных. Все получаемые изображения могут мгновенно сохраняться на информационном носителе (Salcone Е.М. et al. Review of the use of digital imaging in retinopathy of prematurity screening. Seminars in ophthalmology. Taylor & Francis, 2010. T. 25. №5-6. C. 214-217). При оценке эффективности широкопольного отображения сетчатки при скрининге РН, RetCam показала 100% чувствительность и 97,9%-99,5% специфичность (Dai S. et al. Efficacy of widefield digital retinal imaging for retinopathy of prematurity screening // Clinical & experimental ophthalmology. - 2011. - T. 39. - №. 1. - C. 23-29; Silva R.A. et al. Stanford University network for diagnosis of retinopathy of prematurity (SUNDROP): 36-month experience with telemedicine screening // Ophthalmic Surgery, Lasers and Imaging Retina. - 2011. - Т. 42. - №. 1. - С. 12-19). Исследования показали, что телемедицинская диагностика позволяет обнаруживать РН на 1-2 недели раньше, чем непрямая офтальмоскопия. Ранее выявление заболевания приводит к более раннему лечению тяжелой РН и улучшению отдаленных результатов (Quinn G.Е., Fielder A.R. (ed.). Retinopathy of prematurity. - Saunders, 2013).

На сегодняшний день уже существуют программы, разработанные для осуществления компьютерного анализа изображений, получаемых с помощью ретинальных камер. Это ряд программ: «ROPtool» (США), «RISA» (Великобритания), «VesselMap» (Германия), в основе работы которых лежит определение индекса извилистости сосудов сетчатки, диаметра артерий и вен и их интегральной кривизны, индекса площади сосудов (Chiang M.F. et al. Image analysis for retinopathy of prematurity diagnosis // Journal of American Association for Pediatric Ophthalmology and Strabismus. - 2009. - T. 13. - №. 5. - C. 438-445; Cabrera M.T. et al. Combining ROPtool measurements of vascular tortuosity and width to quantify plus disease in retinopathy of prematurity // Journal of American Association for Pediatric Ophthalmology and Strabismus. - 2011. - T. 15. - №. 1. - C. 40-44; Rabinowitz M.P. et al. Progression to severe retinopathy predicted by retinal vessel diameter between 31 and 34 weeks of postconception age // Archives of Ophthalmology. - 2007. - T. 125. - №. 11. - C. 1495-1500). Однако применение этих программ ограничено только случаями «плюс-болезни» РН, так как при ней ярко выряжены явления извитости и дилатации сосудов. Данных по применению программ в диагностике остальных стадий РН не представлено.

К российским разработкам в данной области относится программа «ROP-MORFOMETRY», созданная в Калужском филиале ФГБУ «МНТК «Микрохирургия глаза». Данная программа позволяет рассчитать площади аваскулярной и васкуляризированной сетчатки, диаметр сосудов, их извитость, угол между магистральными сосудами височной аркады. Однако посторонние трехмерной модели сетчатки требует использования общей анестезии, чтобы глазодвигательные мышцы были расслаблены и глазное яблоко стремилось к сферической форме (Терещенко А.В. Современная система диагностики, лечения и организации высокотехнологичной офтальмологической помощи детям с активными стадиями ретинопатии недоношенных. Диссертация д.м.н., 2014, М.

Данный метод является прототипом предложенной нами разработки: определяются сосудистая и бессосудистая часть сетчатки. Однако в данном методе не уделено внимание диску зрительного нерва и макуле - основным ориентиром являются сосуды, которые подвержены изменениям в течении патологического процесса, что искажает информацию о тяжести заболевания.

Программное обеспечение, создаваемое ранее для работы с цифровыми изображениями, не подразумевало идентификацию макулы на снимке, хотя это имеет важное значение в определении зоны патологических изменений. Одна из первых разработок в области компьютерного поиска локализации образований сетчатки использует изменения яркости, контрастности и цвета изображения в области макулы: в основе лежит шаблон, на котором макула идентифицируется как образование, которое визуализируется с той же интенсивностью, что и сосуды, но другой формы. Система сравнивает участок сетчатки с шаблоном, на котором локализация макулы определена. Если корреляция между шаблоном и анализируемым участком сетчатки высока, компьютер определяет данную область с повышенной интенсивностью как макулу (Sinthanayothin С. et al. Automated localisation of the optic disc, fovea, and retinal blood vessels from digital colour fundus images // British Journal of Ophthalmology. 1999. T. 83. №8. C. 902-910). Однако у некоторых новорожденных на снимках, полученных с помощью RetCam, макула визуализируется плохо, поэтому требуется математический расчет ее локализации.

У взрослых для компьютерного определения макулы используется метод, основанный на том, что главные сосудистые аркады располагаются вдоль окружности с центром в центре макулы и проходящей через оптический диск (Крылов А.С. и др. Компьютерный анализ изображений глазного дна. Труды VIII Российско-Баварской конференции по биомедицинской инженерии. 2012. СПб. С. 129-133). Другой метод подразумевает построение параболы, проходящей через диск зрительного нерва и аркады височных артерий (Фиг. 1). Далее проводится прямая из вершины параболы, на которой откладывается отрезок длиной 2 диаметра диска зрительного нерва. Один конец отрезка располагается на окружности диска зрительного нерва, а другой является центром макулы (Фиг. 2 - Схема определения области фовеолы) (Li Н., Chutatape О. Automated feature extraction in color retinal images by a model based approach IEEE Transactions on biomedical engineering. 2004. T. 51. №2. C. 246-254).

Однако известные методы не подходят для определения макулы у недоношенных детей, так как у них височная область имеет вытянутое строение.

Нами решалась задача разработки метода определения локализации макулы при ретинопатии недоношенных.

Достигаемым техническим является точное определение локализации макулы при ретинопатии недоношенных, что обеспечивается использованием различных алгоритмов поиска макулы, обусловленных различными вариантами строения диска зрительного нерва и его визуализации.

Нами разработаны новые методики поиска макулы при ретинопатии недоношенных в случае нормального строения диска зрительного нерва и с аномалиями строения, а также при наличии задней агрессивной ретинопатии.

Алгоритм №1. Случай определения локализации макулы при ретинопатии недоношенных с помощью компьютерной морфометрии при визуализации диска зрительного нерва, имеющего нормальное строение.

После визуализации диска зрительного нерва и аркад височных артерий осуществляют построение эллипса, окружность которого проходит через центр физиологической экскавации диска зрительного нерва и аркады височных артерий; определяют центр эллипса; строят прямые, проходящие через верхний и нижний полюса диска зрительного нерва, параллельные длинной оси эллипса; проводят измерение окружности диска зрительного нерва; латерально от темпорального полюса диска зрительного нерва откладывают два его размера окружности; строят окружность, проходящую через центр эллипса и располагающуюся касательно к построенным прямым и второму отложенному размеру окружности диска зрительного нерва, где данная окружность является очерчивающей границы макулы.

Алгоритм №2. Случай определения локализации макулы при ретинопатии недоношенных с помощью компьютерной морфометрии при визуализации диска зрительного нерва, имеющего аномалии строения.

После визуализации диска зрительного нерва, имеющего аномалии строения, и аркад височных артерий осуществляют построение эллипса, окружность которого проходит через центр физиологической экскавации диска зрительного нерва и аркады височных артерий; определяют центр эллипса; строят прямые, проходящие через верхний и нижний полюса диска зрительного нерва, параллельные длинной оси эллипса; проводят измерение окружности диска зрительного нерва; латерально от темпорального полюса диска зрительного нерва откладывают несколько размеров его окружности в пределах эллипса; определяют центральную из отложенных таким образом окружностей и делят ее на 4 равных квадранта; при этом темпоральные квадранты являются ориентиром для диагностического поиска патологических изменений макулы.

Алгоритм №3. Случай определения локализации макулы при ретинопатии недоношенных с помощью компьютерной морфометрии при наличии задней агрессивной ретинопатии.

При наличии задней агрессивной ретинопатии, при которой невозможна полная визуализация границ диска зрительного нерва (ДЗН), осуществляют достраивание окружности ДЗН после частичной визуализации его границ; выполняют построение эллипса, окружность которого проходит через центр физиологической экскавации диска зрительного нерва и аркады височных артерий; определяют центр эллипса; строят прямые, проходящие через верхний и нижний полюса диска зрительного нерва, параллельные длинной оси эллипса; проводят измерение окружности диска зрительного нерва; латерально от темпорального полюса диска зрительного нерва откладывают два его размера окружности; строят окружность, проходящую через центр эллипса и располагающуюся касательно к построенным прямым и второму отложенному размеру окружности диска зрительного нерва, где данная окружность является очерчивающей границы макулы.

Группу разработанных изобретений осуществляют следующим образом:

В случае наличия нормального строения диска зрительного нерва используется следующий алгоритм поиска макулы у недоношенных (Фиг. 3, где 1 - эллипс, 2 - диск зрительного нерва, 3 - аркады височных артерий, 4 - прямые, проходящие через верхний и нижний полюса диска зрительного нерва и параллельные длинной оси эллипса, 5 - отложенные диски зрительного нерва, 6 - макула, 7 - центр эллипса):

1) построение эллипса, окружность которого проходит через центр физиологической экскавации диска зрительного нерва и аркады височных артерий;

2) определение центра эллипса;

3) построение прямых, проходящих через верхний и нижний полюса диска зрительного нерва (прямые параллельны длинной оси эллипса);

4) измерение окружности диска зрительного нерва;

5) отложение латерально от темпорального полюса диска зрительного нерва двух его размеров;

6) построение окружности, проходящей через центр эллипса и располагающейся касательно относительно прямых и второго отложенного размера диска зрительного нерва.

Таким образом, получена окружность, очерчивающая границы макулы.

В случае наличия аномалий строения диска зрительного нерва (Фиг. 4), например, таких как синдром косого вхождения диска зрительного нерва, при котором длинная ось диска ориентирована косо, описанный выше алгоритм не позволит точно определить локализацию макулы, так как он не учитывает направление разворота диска по отношению к макуле. Для этого случая нами разработан другой алгоритм поиска макулы у недоношенных.

Первые этапы сходны с первым алгоритмом (построение большого эллипса, отложение прямых, проходящих через верхний и нижний полюса диска зрительного нерва). Различие состоит в том, что размеры диска зрительного нерва откладываются еще несколько раз в пределах большого эллипса. Темпоральная граница среднего из отложенных сегментов, включая диск зрительного нерва, будет являться ориентиром для диагностического поиска патологических изменений (Фиг. 5, где 1 - эллипс, 2 - диск зрительного нерва, 3 - аркады височных артерий, 4 - прямые, проходящие через верхний и нижний полюса диска зрительного нерва и параллельные длинной оси эллипса, 5 - отложенные диски зрительного нерва, 8 - диагностически значимая область)

Для определения локализации макулы при задней агрессивной ретинопатии недоношенных применим алгоритм поиска макулы при нормальном строении диска зрительного нерва. Однако из-за неполной визуализации его контуров, чаще по назальной границе, необходимо добавление этапа эмпирического достроения окружности диска зрительного нерва (Фиг. 6, где 1 - эллипс, 2 - визуализируемая часть окружности диска зрительного нерва, 3 - аркады височных артерий, 4 - прямые, проходящие через верхний и нижний полюса диска зрительного нерва и параллельные длинной оси эллипса, 5 - отложенные диски зрительного нерва, 6 - макула, 7 - центр эллипса, 9 - эмпирически достроенная часть окружности диска зрительного нерва).

Данный алгоритм позволяет точно определить макулу, что приводит к созданию ориентира, который является начальным этапом для локализации патологических изменений сетчатки: образование демаркационной линии, формирование гребня с экстраретинальной фиброваскулярной пролиферацией, отслойка сетчатки чаще располагаются ближе к оси (Фиг. 7, 6 - макула, 10 - ось, проходящая через центр диска зрительного нерва и центр макулы, 11 - отслойка сетчатки, 12 - демаркационная линия, 13 - формирующийся гребень, 14 - гребень с экстраретинальной фиброваскулярной, пучки новообразованных сосудов пролиферацией,), проходящей через макулу и диск зрительного нерва. Также эта ось пролегает через участки, наиболее подверженные отслойке сетчатки. При этом, при отклонении от оси, как в назальную, так и в темпоральную зону (на 30-45° и более), чаще будут наблюдаться более легкие проявления ретинопатии недоношенных, такие как демаркационная линия, разделяющая сосудистую и бессосудистую части сетчатки.

Ориентиром для определения патологических изменений может быть не только ось, проходящая через центры диска зрительного нерва и макулу, но и длинная ось (Фиг. 8, 1 - эллипс, 10 - ось, проходящая через центр диска зрительного нерва и центр макулы, 11 - отслойка сетчатки, 12 - демаркационная линия, 13 - формирующийся гребень, 14 - гребень с экстраретинальной фиброваскулярной, пучки новообразованных сосудов пролиферацией) эллипса, окружность которого проходит через центр диска зрительного и аркады височных артерий. Патологические изменения локализуются темпорально относительно эллипса и его оси. При отклонении в 30-45° от оси чаще наблюдается демаркационная линия, а ближе к оси 15-30° - фиброваскулярный вал. Отслойка сетчатки чаще формируется максимально близко к оси (0-15°).

Клинический пример №1

Пациент Ш., гестационный возраст 28 недель, постконцептуальный возраст 39 недель, масса тела при рождении 1630 г.

Фиг. 9:

1 этап: построение эллипса, окружность которого проходит через центр физиологической экскавации диска зрительного нерва и аркады височных артерий - фиг. 9а.

2 этап: определение центра эллипса - фиг. 9б.

3 этап: построение прямых, проходящих через верхний и нижний полюса диска зрительного нерва (прямые параллельны длинной оси эллипса) - фиг. 9в.

4 этап: измерение окружности диска зрительного нерва - фиг. 9г.

5 этап: отложение латерально от темпорального полюса диска зрительного нерва двух его размеров - фиг. 9д.

6 этап: построение окружности, проходящей через центр эллипса и располагающейся касательно относительно прямых и второго отложенного размера диска зрительного нерва - фиг. 9е.

Окружность, очерчивающая границы макулы - фиг. 9ж.

Клинический пример №2

Пациент К., гестационный возраст 30 недель, постконцептуальный возраст 34 недели, масса тела при рождении 1530 г. Аномалия строения диска зрительного нерва.

Фиг. 10:

Этап 1: построение эллипса - фиг. 10а

Этап 2: измерение окружности диска зрительного нерва - фиг.10б

Этап 3: построение прямых, проходящих через верхний и нижний полюса диска зрительного нерва (прямые параллельны длинной оси большого эллипса) - фиг. 10в

Этап 4: отложение окружностей равных окружности диска зрительного нерва латерального от его темпорального полюса несколько раз в пределах эллипса - фиг. 10г

Этап 5: определение центрального эллипса - фиг. 10д

Этап 6: разделение центрального эллипса на 4 равных квадранта - фиг. 10е

Темпоральная граница центрального эллипса - ориентир для диагностического поиска патологических изменений - фиг. 10ж.

Клинический пример №3

Пациент В., гестационный возраст 27 недель, масса тела при рождении 845 г. Постконцептуальный возраст 33 недели. На диагностику поступил с диагнозом «задняя агрессивная ретинопатия недоношенных, стадия ранних клинических появлений».

Фиг. 11:

задняя агрессивная ретинопатия недоношенных - фиг. 11а

1 этап: определение видимых границ диска зрительного нерва - фиг. 11б

2 этап: эмпирическое достроение окружности диска зрительного нерва - фиг. 11в

3 этап: построение эллипса, окружность которого проходит через центр физиологической экскавации диска зрительного нерва и аркады височных артерий - фиг. 11г

4 этап: определение центра эллипса - фиг. 11д

5 этап: построение прямых, проходящих через верхний и нижний полюса диска зрительного нерва (прямые параллельны длинной оси большого эллипса) - фиг. 11е

6 этап: отложение латерально от темпорального полюса диска зрительного нерва двух его размеров - фиг. 11ж

7 этап: построение окружности, проходящей через центр эллипса и располагающейся касательно относительно прямых и второго отложенного размера диска зрительного нерва - фиг. 11з

Окружность, очерчивающая границы макулы - фиг. 11и.

Достоверность разработанных нами алгоритмов подтверждена морфоструктурными исследованиями - оптической когерентной томографией и флуоресцентной ангиографией под наркозом.