Original title:
Analýza obrazových sekvencí sítnice z experimentálního oftalmoskopu
Translated title:
Analysis of Image Retinal Sequences from Experimental Ophthalmoscope
Authors:
Labounková, Ivana ; Matula, Pavel (referee) ; Heitmar, Rebekka (referee) ; Kolář, Radim (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2025
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Abstract:
[eng][cze]
Předpokládá se, že nejen oftalmologické, ale i některé systémové nemoci ovlivňující kardiovaskulární systém (např. diabetes mellitus), mění hemodynamiku cévního řečiště sítnice. Cévní řečiště sítnice včetně projevů metabolických procesů je snadno pozorovatelné neinvazivními metodami, např. optickými soustavami optimalizovanými pro pozorování objemových změn krve. Tento rychle se vyvíjející obor funkčního zobrazování sítnice se snaží identifikovat a definovat biomarkery různých nemocí získané na základě neinvazivního měření. Cílem této doktorské práce je rozšířit a obohatit pole funkčního zobrazování retiny a uplatnit metody v biomedicínských aplikacích. První část této práce popisuje dosavadní vývoj oboru funkčního zobrazování retiny včetně kapitol (i) anatomie a fyziologie sítnice; (ii) původ pulzací v cévním řečišti sítnice včetně samovolných žilních pulzací v oblasti optického disku (SVP, z aj. spontaneous venous pulsation); (iii) metody a principy funkčního zobrazování sítnice; (iv) metody zpracování obrazu ve funkčním zobrazování sítnice; (v) metody vícerozměrné statistiky aplikovatelné v oboru; (vi) nedostatky v oboru funkčního zobrazení sítnice a prostor pro vylepšení. Druhá část této doktorské práce představuje originální výzkum, který byl recenzován a představen na mezinárodních konferencích, a publikován v časopisech IEEE Transactions on Medical Imaging, a Communications Biology. Zde doktorská práce představuje inovativní implementaci, datasetem řízenou analýzu hlavních komponent a analýzu nezávislých komponent ve funkčním zobrazení retiny, aplikovanou na video-oftalmoskopická data. Obě metody detekovaly přítomnost SVP ve vyšší míře než předchozí studie. Metody navíc identifikovaly další pulzující složky sítnice - pulzace intenzity poháru optického disku (OCP, z aj. optic cup pulsation) zřejmě arteriálního původu, a složku vykazující pulzaci o nízké frekvenci vzniklou vlivem dýchání. Žádná s těchto dvou složek nebyly zaznamenány v předchozích studiích. Dále bylo zjištěno, že morfologie jednotlivých pulzů SVP a OCP jsou korelovány s tepovou frekvencí a věkem. Tyto korelace byly zjištěny v datasetech sekvenčních snímků sítnice získaných na oční klinice v Erlangenu (Německo) a na University of Minnesota, Minneapolis (USA). Pro akvizici obou datasetů byl použit unikátní video-oftalmoskop (Tornow, 2015). Poslední část této práce popisuje návrh a realizaci prvního simultánního měření sekvenčních snímků sítnice, neinvazivního měření biosignálů (tj. elektrokardiogram, elektrookulogram, prstová pletysmografie), a invazivního měření intralebního tlaku. Pojízdný stůl s ramenem, nesoucí video-oftalmoskop s polohováním ovládaným joystickem, byl navrhnut a sestrojen pro potřeby pacientů umístěných na jednotkách neurologické intenzivní péče. Byl získán první dataset simultánního měření funkčního zobrazování sítnice a intralebního tlaku. Tento mezník představuje počátek pro následné studie zabývající se odhadem intralebního tlaku bezkontaktně na základě sekvenčních snímků sítnice. Závěrem, tato práce rozšířila dosavadní vývoj funkčního zobrazení sítnice o automatickou analýzu a identifikaci jevů samovolných žilních pulzací v optickém disku, pulzací optického disku a projevu dýchání v sítnici. Tato práce dále identifikuje tepovou frekvenci jako důležitý faktor pro další klinické studie zabývající se hemodynamikou v sítnici. A nakonec, tyto teze představily první simultánní měření sekvenčních snímků sítnice a intralebního tlaku.
Partly verified hypothesis is that ophthalmological and all systemic diseases affecting cardiovascular system imprints pathophysiological features into retinal hemodynamics. Retinal hemodynamics are easy to non-invasively access through the eye lens via optical imaging sensitive to blood volume or flow. Today, functional retina imaging (fRI) is an emerging field trying to identify candidates for non-invasive biomarkers of various diseases. The overall objective of this doctoral thesis was to push the state-of-the-art in fRI methods and employ the methods in pioneering biomedical applications. The first part of the thesis summarizes the fRI state-of-the-art including (i) retina anatomy and physiology; (ii) etiology of retinal pulsatile phenomena such as spontaneous venous pulsation (SVP); (iii) fRI principles and methods; (iv) image analysis in fRI; (v) multivariate statistics promising for fRI; and (vi) pitfalls. The second part contains original research that has been peer-reviewed, presented at international conferences, and published as original research articles (in the IEEE Transactions on Medical Imaging and the Communications Biology). Here, the thesis presents a novel implementation of automated and data-driven principal (PCA) and independent (ICA) component analyses in fRI utilized via video-ophthalmoscopy. Both, PCA and ICA, detected SVP with higher detection rate than previous literature. Moreover, PCA and ICA identified optic cup pulsation (OCP) pattern, hypothesized to be of arterial origin, and components potentially related to respiratory induced effects. Neither OCP nor respiratory induced effects were widely reported before. Further, SVP and OCP morphology was identified to be correlated to heart rate and ageing. The correlations were identified on pilot dataset acquired in Erlangen, Germany and confirmed on retest dataset acquired in Minneapolis, USA. The video-ophthalmoscope (VO) device has been synchronized with a hub enabling simultaneous acquisition of non-invasive and invasive biosignals, such as electrocardiogram, electrooculogram, finger plethysmography, respiratory plethysmography, and intracranial pressure (ICP). Mobile bedside cart with joystick-driven and motorized VO positioning system has been designed and assembled. Preliminary simultaneous fRI-ICP dataset has been acquired and research project investigating in vivo predictive fRI power to ICP has been initiated. In conclusion, implementation of PCA and ICA improved state-of-the-art of SVP, OCP and respiratory pattern imaging. The thesis also demonstrates that heart rate and age are important biological factors which needs to be considered in study designs investigating retinal hemodynamics. Finally, the thesis initiated a pioneering research project which has a potential to develop non-invasive and non-contact ICP measurement technology.
Keywords:
Analýza hlavních komponent; analýza nezávislých komponent; pulsace poháru optického disku; pulsační složky sítnice; spontánní žilní pulsace; sítnice; video-oftalmoskop; zobrazování sítnice; independent component analysis; optic cup pulsation; Principal component analysis; retina; retina imaging; retinal pulsatile pattern; spontaneous venous pulsation; video-ophthalmoscope
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: https://hdl.handle.net/11012/250880
guest ::
