Evaluación de la Detección Automatizada para el Tratamiento

Evaluación de la Detección Automatizada para el Tratamiento

EvaluacióndelaDetecciónAutomatizadaparaelTratamiento
RequeridoporlaRetinopatíaDiabética
MichaelLarsen,TheisGondolf,JsnnitGodt,MajaSkytteJensen,NielsVaeverHartvig,HenrikLund-Andersen,
andNicolaiLarsen
DepartamentodeOftalmología,HospitalGlostrup,UniversidaddeCopenhague,Glostrup,Dinamarca
ABSTRACTOPropósito:Evaluarelanálisisdelaimagenfotográficadelfondodeojocombinando
ladetecciónautomatizadadelesionesrojas,lesionesbrillantes,ylacalidaddeimagencomoun
mediodeidentificacióndeltratamientorequeridoporlaretinopatíadiabéticaenunapoblación
seleccionadadepacientesdiabéticos.Métodos:Estefueunestudioretrospectivosectorialde106
pacientesseleccionadosderetinopatíadiabéticaclínicacontratamientodefotocoagulaciónenel
periododeEnerode1996aMayode2002sobrelabasedemidriático60-grados35-mmdecolor
detransparenciadelafotografíadefondodeojo.Unafotografíacentradaenelfondodelafóvea
yotracentradaeneldiscoópticodecadaunodelosojosdelossujetosfueronseleccionadospara
ladigitalizaciónyelanálisisusandounalgoritmopreviamenteevaluadaporcomputadoradela
deteccióndelesionesrojasencombinaciónconunnuevoalgoritmoparaladeteccióndelesiones
brillantesycalidaddeimagen.Elalgoritmofuecalibradoenunconjuntoindependientede
fotografíasdelfondodelojo.Resultados:Ladetecciónautomatizadadelesionesrojasidentificó
que104de106pacientesnecesitabaneltratamientodefotocoagulación,mientrasladetecciónde
lesionesbrillantesidentificósolamentea91delos106pacientes.Dospacientesquenofueron
identificadosporningúnalgoritmodedeteccióndelesionesfuerondetectadosautomáticamente
portenerpobrecalidaddeimagenenambosojos.Enlamuestradelestudio,elriesgodepasarpor
altoladeteccióndepacientesquenecesiteneltratamientoderetinopatíafuede0.0%(estimado
CI950.0-3.4%).Conclusiones:Lacombinacióndeladeteccióndelesionesrojasylapobrecalidad
deimagenidentificaronatodoslospacientesquenecesitabantratamientoparalaretinopatía
diabéticaenlamuestradeestudio.Nohubocontribucióndeinformaciónadicionalporla
detecciónautomatizadadelesionesbrillantes.
PALABRASCLAVEretinopatíadiabética;fotografíadefondo;análisisdeimágenes;examinación
INTRODUCCIÓN
Laretinopatíadiabéticaesunacomplicacióndeladiabetesparalacuallaevaluaciónesracionaly
bajaencosto.Lagrancantidaddepacientes,lanecesidadporfrecuentereexaminación,el
frecuenteincumplimiento,ylaausenciadeoftalmólogosenalgunasregionesinclusoenpaíses
desarrolladosrespaldaelusodeladetecciónderetinopatíadiabéticaporlafotografíadefondode
ojoe,hipotéticamente,algúnniveldeautomatizaciónenlaevaluacióndelafotografíadefondo
deojo.
Previamenteyadescribimoslaefectividaddelanálisisdefondodeojocomputarizadoaldetectar
laretinopatíadiabéticaenunapoblaciónseleccionada,usandosolamenteladeteccióndelesiones
rojas,yexaminamosunaestrategiateóricaparaelusodelanálisisautomatizadodelaimagen
fotográficadelfondodeojoenprácticaclínica.Enelescenariohipotéticoexaminadoenel
presenteestudio,eltratamientocomputarizadodeimágenesfueusadoparapreseleccionarlas
fotografíasdigitalesenelgradodeinspección,siendoelobjetivoeldeidentificarpacientesque
presuntamentenotienenretinopatíadiabéticayparapasarporaltosusimágenesdefondodeojo
deunaclasificaciónvisual.Lacalidaddeimageninferiorincrementaelriesgoderesultadosfalsonegativosporloqueseusóunalgoritmoparaladeteccióndecalidaddeimagenpobreytambién
paraasignardichasimágenesaunaclasificaciónvisual.Asimismo,seprobólautilidaddeunnuevo
algoritmoparaladetecciónautomatizadadelesionesbrillantescomocomplementodela
deteccióndelesionesoscuras.
Estudiosrecienteshandemostradounresultadoaproximadode95%sensibilidady70%
especificidadenladetecciónautomatizadaderetinopatíadiabéticaenunapoblaciónseleccionada
yconcordancia(Cohen´sKappa)concalificadoresexpertosenunnivelcomparableconla
concordanciaentrecalificadores.Estosestudiosfueronrealizadosenpoblacionesseleccionadas
conunapequeñaproporcióndepacientesconnecesidaddefotocoagulaciónuotrostratamientos
paralariesgosaretinopatíadiabética,yelanálisisautomatizadofueexclusivamenteapuntadoala
deteccióndelesionesrojas.Ladetecciónfallidadealgunaretinopatíaocurriósolamenteenojos
conunaretinopatíadeconsecuencianooftalmológicaenpacientessinnecesidaddereferencia
oftalmológica.Idealmente,unsistemaautomatizadodepreseleccióndefondodeojonunca
deberíapasarporaltoapacientesquenecesitanfotocoagulaciónoalgúnotrotratamiento.
Enelpresenteestudio,evaluamoselrendimientodelanálisisautomatizadodelaimagendefondo
deojoenpacientesqueensutotaltuvieronretinopatíadiabéticaenungradoquerequería
tratamientodefotocoagulación.Además,paraautomatizarladeteccióndelesionesrojascomoun
parámetrodepreselección,examinamosladetecciónautomatizadadelesionesbrillantes
(exudadosdurosy/omanchasblancas)comounobjetivoadyuvanteparaladetección
automatizadadelaretinopatíadiabética,eincluimoslacuantificaciónautomatizadadelacalidad
deimagen.
MATERIALESYMÉTODOS
Estefueunestudioretrospectivosectorialcentradodedigitalizarlastransparenciasfotográficas
de35-mmdefondodeojodeunaconsultaexternaderetinopatíadiabéticaenelCentrode
DiabetesSteno,Dinamarca.Lospacientesaptosfueronaquellosqueacudieronalserviciode
examenfotográficodefondodeojodelCentrodeDiabetesStenoentreEnerode1996yMayode
2002(ambosincluidos)diagnosticadosconunnivelderetinopatíadiabéticaquerequería
tratamientodefotocoagulaciónporedemamacularclínicamentesignificativooretinopatía
diabéticaproliferativa.Eledemamacularclínicamentesignificativofudefinidocomo(1)espesor
retinianode500µmdesdeelcentrodelamaculao(2)exudadosduros≤500µmdesdeelcentro
delamacula,sihayengrosamientoenlaretinaadyacente,o(3)enáreaoáreasdeespesor
retinianodeporlomenosundiscodeáreadetamaño,almenospartedelcualestádentrodeun
discodediámetrodelcentrodelamacula.Laretinopatíadiabéticaproliferativafuedefinidacomo
(1)vasosnuevoseneldiscoóptico≥1/3áreadeldiscoconosinhemorragiavítreao(2)
hemorragiavítreaohemorragiapreretinalconcualquiervasonuevoeneldiscoo(3)hemorragia
vítreamásvasosnuevosenotrolugar>½áreadediscoo(4)vasosnuevosenotrolugar≥1área
dedisco.Lospacientesquepreviamenterecibierontratamientodefotocoagulaciónenelmismo
ojofueronexcluidosdelestudio.Lasfotografíasdefondodeojofuerongrabadasdespuésdela
dilatacióndelapupilausandounaCanonCF-60UV(CanonEuropa,NV,Amstelveen,PaísesBajos)
elretinógrafoconfiguradoa60gradosángulodecampodevisiónenpelículasdetransparenciade
colorde35-mm(KodakEktachoromeElite100,EastmanKodakCorp.,Rochester,NY).Unaseriede
fotografíasestereoscópicasfuerondocumentadasparacadaojocentradasenlafóvea,y
fotografíasnoestereoscópicasfuerondocumentadasdelentornoparaobtenerenpartecinco
fotografíasdecampodelpoloposteriordelojo.Proyeccionesdefotografíasdefondodeojo
fueronrevisadasporcalificadoresentrenadosenprimerlugar.Pacientesconunoodosojosen
EstudiodeTratamientoTempranoDeRetinopatíaDiabética(ETDRS)nivel35omayorfueron
revisadosenelCentrodeDiabetesSteno,Dinamarca(7)porunoftalmólogoespecialistaque
remitióestospacientesparamásinvestigacionesaotrolugar.
Duranteelperiododeinclusión,elserviciodeexámenesfuelainstalacióndecuidadodelojo
primariaparaunapoblacióndeaproximadamente5000pacientesexternosquienesacudieronal
CentrodeDiabetesStenoparacuidadosporcausadeladiabetes.Lospacientessesometieronala
fotografíadefondodeojobajounprotocoloclínicopredefinidoestablecidoen1987almenos
unavezalaño.Almomentoqueelestudiofuerealizadoen2004,lospacientesquerecibieronsu
primertratamientodefotocoagulaciónfueronaproximadamentedistribuidosequitativamente
entreedemamaculardiabéticoyretinopatíadiabéticaproliferativa,alrededorde5%presentando
ambascondicionesosobreelumbraldeltratamientoalmismotiempo.Elcriteriodeexclusión
incluyófotografíasquenofuerontomadasenlavisitaenlacuallareferenciaestababasada,que
ocurriósilospacienteseranremitidossolamentedespuésdehabersidollamadosnuevamente
paraqueselesrealiceunabiomicroscopíadefondodeojoporquelosresultadosfotográficos
fueroninconclusos;ausenciadefotografíasdocumentadasparapacientesqueyahabíanconcluido
susexámenesenelCentrodeDiabetesSteno,ausenciadeexpedientesdepacientesquehabían
dejadodeatenderalCentrodeDiabetesSteno,yconreferenciabasadaenotraenfermedad
ocularquelariesgosaretinopatíadiabética.Deuntotalde466derivaciones,lareferenciade123
pacientesquefuebasadoenasistenciaclínicaquenoinvolucrolafotografíadefondodeojo,
comolaexaminaciónbiomicroscópicarealizadaenelCentrodeDiabetesSteno,y11pacientes
queteníanotraenfermedadocularquelaretinopatíadiabética.Delos332pacientescon
referenciaparatratamientodefotocoagulaciónenbasealafotografíadefondodeojo,las
fotografíasdefondodeojode226pacientesfuerontransferidasaotroscentrosdesaludo
archivosremotosoelpacientefalleció.Paralosrestantes106pacientesincluidosenelestudio,un
totalde1545transparenciasdefotografíasdefondodeojofueronencontradasenlosarchivos
fotográficos.Losgradosderetinopatíaenelojoconelnivelderetinopatíamásseverovariaban
entreETDRSnivel35yETDRSnivel71.Dosterciosdelospacientesfueronmencionadoscon
diabetestipo1yunterciotuvodiabetestipo2.
ANÁLISISDELAIMAGENDIGITAL
Dostransparenciasdeambosojosdecadapacientefueronseleccionadasparasudigitalizaciónpor
unoftalmólogo.ParaemularelprotocoloEURODIABdedoscampos,laprimerafotografía
centradaenlafóveadelconjuntoestereoscópico(enordensecuencialfotográfico)ylaprimera
fotografíanasaldecadaojofueronseleccionadas,exceptoqueotrocampoperiféricofuerausado
sinotendríaindicacióndetratamientofueencontradoenelcamponasalyhabíanlesiones
presentesenotrocampo,queocurrióennueveojosenochopacientes.Lastransparenciasfueron
digitalizadasusandounescánerNikonCoolscanLS-2000(NikonCorp.,Tokio,Japón)conuna
resoluciónde1350dpiy12bitsporcanaldecolor.
Elanálisisdigitaldelaimagenfuerealizadousandounsistemadesoftwarepropio(Retinalyze
DAnmarkA/S,Hellerup,Dinamarca).Hemosdescritopreviamenteelsistemaautomatizadode
deteccióndelesionesrojas.Brevemente,elsistemaautomatizadodedeteccióndelesionesfue
basadoenunanálisismatemáticoavanzadodelaintensidaddelniveldegrisesdelaimagen
digital.Lacircunferenciadelaslesionespotencialesfueestablecidadecadanúmerodelos
PUNTOSposicionadosenlosextremosdelaimagen.Losvasossanguíneosyeldiscoópticofueron
automáticamentedetectados,ylesionescandidatassuperpuestasfueronexcluidas.Unamedida
devisibilidadfuecuantificadaautomáticamenteparalaslesionescandidatas,expresandola
densimetríadeinclinacióndelbordedelalesiónyelcontrastedelalesiónrelativoalos
alrededoresdelfondodeojo.Laslesionescandidatasexcediendounparámetrodelímitede
visibilidadprovistoporelusuariofueronclasificadascomodetectadasautomáticamentey
registradasporelsistema.Así,ellímitedevisibilidadcontrolóelbalanceentresensibilidady
especificidaddeladetecciónautomatizadadelesionesrojas.Ladetecciónautomatizadade
lesionesbrillantesimplementadaenelsistemaRetinalyze,procediódeunamanerasimilarala
deteccióndelesionesrojas.Lacalidaddelaimagendigitalfuecuantificadaautomáticamente
comounamedidadecontrasteydetalle.Lapérdidadecontrasteydetallecaracterizaunacalidad
deimagenpobresinimportarsiescausadaporelusodeunacámarainapropiadaoporla
opacidaddeunerrorrefractivoocular.Unsimplelímitedevisibilidadprovistoporelusuario
controloelnivelenelcualunaimagenfueautomáticamenteconsideradacomocalidad
inaceptable.Finalmente,comounamedidadeescaladeimágenes,elalgoritmoprecisóun
aproximadodeldiámetrodeldiscoópticocomounparámetroinicial.Laescaladeparámetrosfue
determinadamanualmentecomoeltamañoprincipaldeldiscoópticode25fotografíasdefondo
deojomaculardepacientessinlesionesdediscoóptico.
CALIBRACIÓNDEALGORITMO
Previoalanálisisautomatizado,loslímitesajustablesprovistosporelusuariofueronestablecidos.
Paraladeteccióndelesionesrojas,ellímitefueestablecidoa1.4unidadesarbitrarias,parala
deteccióndelesionesbrillantesfueestablecidoa2.4unidadesarbitrarias,yparalacalidadde
imagenfueestablecidoa0.58unidadesarbitrarias.Estofuerealizadodespuésdeunavaloración
paraoptimizareldesempeñoenunacalibraciónestablecidadefotografíasdigitalesdefondode
ojode120pacientesdiabéticosexaminadosenelCentrodeDiabetesSteno.Estasfotografíasde
calibraciónfuerontodasdeojosquenorequeríantratamientodefotocoagulaciónyniveles
representadosETDRS35a61.Todoslosparámetrosfueronbloqueadosparacambiosposteriores
unavezquelacalibraciónhayasidocompletada;nipacientesdeestudiooimágenesexaminadas
enelanálisisautomatizadofueronusados´paralacalibraciónoelanálisisprevioparalafijación
delalgoritmo.
ANÁLISISESTADÍSTICO
Lasensibilidaddeladetecciónautomatizadadelafotocoagulaciónrequeridaporlaretinopatía
diabéticafueevaluadaenclasificacionesporpaciente.Cadapacientefueclasificadocomopositivo
verdaderosiunaomáslesionesrojasobrillanteserandetectadasautomáticamenteencualquier
áreadeambosojosdelpacienteycomonegativofalsosinosedetectabanautomáticamente
lesionesrojasnibrillantesytampocoimágenesdecalidaddeficiente.Elfundamentoparala
clasificaciónporpacientefuequetodoslospacientes,nosolamentelosojos,sonremitidosdeun
serviciodeexámenesderetinopatíaaclínicasdondeexaminacionesoftalmológicascompletasson
realizadas.
Elanálisisestadísticofuerealizadoencomputadora(S-plus6.0;CorporaciónInsightful,Seattle,
WA,EEUU).EsteestudiofueenteramenteretrospectivoysiguelosprincipiosdelaDeclaraciónde
Helsinki.Esteestudionoinvolucroapacientesomuestrasbiológicasynorequiriórevisión
institucionalbajolaleydelReinodeDinamarca.
RESULTADOS
Elanálisisautomatizadodelasfotografíasdefondodeojodeambosojosdelos106pacientesde
estudioconnecesidaddefotocoagulaciónparalaretinopatíadiabéticaidentificóanomalíaenel
fondodeojoporladeteccióndealmenosunalesiónrojaenunojoen104pacientes(positivo
verdadero;Tabla1)yfallóalidentificaradospacientessiendoirregularporestemétodo(negativo
falso;Tabla1).
Elanálisisautomatizadoidentificóanomalíadelfondodeojoporladeteccióndealmenosuna
lesiónbrillanteenunojode91delos106pacientesenlapoblacióndeestudio(Tabla1).Fallóal
detectaranomalíaspordeteccióndelesiónbrillanteen15pacientesconretinopatíadiabética
(Tabla1).Todoslospacientesidentificadosporelalgoritmodedeteccióndelesionesbrillantes
fuerontambiénidentificadosporelalgoritmodedeteccióndelesionesrojas.
Lacalidaddeimagenpobrefueidentificadaautomáticamenteenalmenosunáreafotográficade
almenosunojoen12pacientes(Tabla1).Estoincluyolosdospacientesenloscualesnose
detectóanomalíaporelalgoritmodedeteccióndelesionesrojasobrillantes.
Consecuentemente,lacombinacióndeladetecciónautomatizadadelesionesrojasyladetección
automatizadadecalidaddeimagenpobreidentificóatodoslos106pacientesdiabéticoscon
necesidaddetratamientodefotocoagulacióndefondodeojo(sensibilidad100%,exactoCI9596.6100.0%).
Elimpactodelaelecciónpreestablecidalímitesdevisibilidadenlesionesrojasybrillantesestá
ilustradoenlaFigura1,lacualmuestraqinclusiveunsustancialdescensodeloslímitesparala
deteccióndelesiónnohubierapodidosersustituidoporladeteccióndecalidaddeimagenpobre.
Bajarellímiteparaladeteccióndelesionesbrillantestampocohubieracontribuidocon
información,quedentrodelcontextodelestudio,pudierahabersidoagregadaaldesempeñode
ladeteccióndelesionesrojas.
TABLA1Resultadosdefondodeojofotográficoporanálisisdeimagenautomatizadaencasosremitidos
paratratamientoporretinopatíadiabéticadeunaclínicadedetecciónderetinopatíadiabética
Anormalidades de
morfología de fondo de ojo
o calidad de imagen
Número de pacientes
Si
No
Total
Parámetro
Lesiones rojas
104 (98%)
Lesiones brillantes
Calidad de imagen pobre
Cualquieranormalidad
91 (86%)
12 (11%)
106 (100%)
2 (2%)
15 (14%)
94 (89%)
0 (0%)
106
106
106
106
Lavisibilidadextrema(sobre150unidadesarbitrarias)delaslesionescategorizadasporel
algoritmodedetecciónautomatizadadelesionescomolesionesrojasnofueatribuiblea
verdaderaslesionesrojasperosiaartefactoscomopuntosdepolvoyrayasdelapelícula(Fig.1).
Lesionesrojaspositivasfalsasnofueronencontradassinquelesionesrojasybrillantes
automáticamentedetectablesesténpresentesenlamismaimagen.Cuandolavisibilidadextrema
delesionesbrillantesestabapresente,fueinvariablementeatribuibleaverdaderoexudado.
DISCUSIÓN
Enlapoblacióndepacientesdeestudioconretinopatíadiabéticaynecesidaddefotocoagulación,
elanálisisautomatizadodelafotografíadefondodeojollegóaunaescaladedetecciónde100%
basadoenlacombinacióndeladeteccióndelesionesrojasylacalidaddeimagenpobre.Esto
apoyaqueenunahipotéticaaplicacióndeunexamenprevio,elanálisisautomatizadodeimagen
podríaserexitosoalseleccionarpacientesquenecesitenfotocoagulaciónparaevaluaciónvisual
sinresultadosnegativosfalsosconbaseenestasdosmodalidadessolas.Ladeteccióndelesiones
brillantesdefondodeojonopodrásersustituidaporningunadelasdosmodalidadesyno
contribuyóindependientementedemejorarlasensibilidaddelanálisisautomatizado.Esteestudio
es,segúnnuestrosconocimientos,elprimeroenevaluarladeteccióndelesionesbrillantesen
relaciónaladeteccióndelesionesrojaseunexamenderetinopatíadiabética.
Lospacientesquenonecesitantratamientoparalaretinopatíausualmentepredominanla
poblacióndeevaluaciónderetinopatíadiabética.Porlotanto,laincorporacióndeladetecciónde
lesionesbrillantesporelmétodousadoenesteestudioesprobablequebajelaespecificidadsin
mejorarlasensibilidaddeladetecciónderetinopatía.
Enelpresenteestudio,nofueronvistaslesionesbrillantesaisladas.Dehecho,exudadoduro,el
tipodelesiónbrillantemásvisibleenlaretina,raramenteocurresinlesionesrojasenla
retinopatíadiabética.Aisladasmanchasblancasdesenfocadas(llamadasfocosdecotton-wool)sin
lesionesrojassonocasionalmentevistasenpacientescondiabetes,peroestacondiciónno
requieretratamientodefotocoagulación.
Elpresenteestudiofuerealizadousandounsistemaqueexaminalesionesbrillantesindividuales
sinconsiderarsudimensión,orientación,localización,patrón,cromaticidad,orelacióntopográfica
conlaslesionesrojas.Consecuentemente,elpotencialcompletodeladeteccióndelesiones
brillantesenlaretinopatíadiabéticanohasidoexplorado.Lomismoesciertoparaladetecciónde
lesionesrojas,quefuediseñadasóloparadetectarlesionesdiabéticasnoneovasculares.
Nuestrosresultadosfueronalcanzadosusandounsistemadeanálisisdeimagenespecifico,pero
aplicamosprincipioscomunesdelanálisisdeimágenesporlotantocreanquenuestrosresultados
tienevalorgeneralcomounapruebaempíricadelpotencialdedesempeñodelanálisisfotográfico
automatizadodefondodeojoenlaretinopatíadiabética.
Ladeteccióncomputarizadadelaretinopatíadiabéticaparecetenerelpotencialdenoomitir
ningúnpacientequenecesitatratamientodefotocoagulacióndeserseleccionadoparaevaluación
visualy/oderivaciónparaunexamenmédico.
Mientraslosresultadosdelpresenteestudiosonprometedores,suvalordepruebaeslimitadopor
eltamañodemuestra.Finalmente,unexamenprevioautomatizadoparalaretinopatíadiabética
combinadoconevaluaciónvisualdesolamentepacientesquepresentabananomalíasdefondode
ojodeberíarealizarseenunacomparaciónprospectivaconestándaresaceptados,seaesta
examinaciónfundoscópicarealizadaporunoftalmólogooevaluaciónvisualdefotografíasde
fondodeojo.
FIGURA1Representacióngráficadelosresultadosdeladetecciónautomatizadadelesión,incluyendolos
límitesparadeteccióndelesionesrojasybrillantes(1.4paralesionesrojasalolargodelejexy2.4para
lesionesbrillantesalolargodelejey).Untotaldecuatroimágenesporpacientede106pacientesfueron
analizadas.Coordinadasdelosrombosrellenosrepresentanlalesiónrojaconlamásaltavisibilidadyla
lesiónbrillanteconlamásaltavisibilidadporpaciente.Rombosdelineadosrepresentancasosdonde
calidadpobredeimagenfuedetectadaenalmenosunadelasfotografíasexaminadas(dosporojo).
Lamásaltavisibilidaddelesiónbrillante
Lamásaltavisibilidaddelesiónroja
RECONOCIMIENTOS
EsteestudiofueapoyadoporelVærnomSynet,Copenhague,Dinamarca,yporelPremioala
CarreradeInvestigacióndelaDiabetesDirigidaalosPacientesdelaFundacióndeInvestigaciónde
laDiabetesJuvenilalDr.Larsen(otrogano.8-2002-130).
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