Bianca Kochner
Dr. sc. hum.
Entwicklung und Realisierung eines rechnergestützten Verfahrens zum bildgestützten
Patienten-Monitoring bezüglich der diabetischen Retinopathie
Geboren am 20.02.1971 in Speyer
Reifeprüfung am 23.05.1990 in Speyer
Studiengang der Fachrichtung Medizinische Informatik vom SS 91 bis SS 96
Vordiplom am 22.03.1993 an der Universität Heidelberg
Diplom am 07.05.1996 an der Universität Heidelberg
Promotionsfach: Medizinische Biometrie und Informatik
Doktorvater: Prof. Dr. rer. biol. hum. Haux
In dieser Arbeit werden Bildverarbeitungsmethoden für die automatische Analyse von Fun-
dusphotographien vorgestellt. Sie entstand im Rahmen des von der Europäischen Union ge-
förderten Projektes OPHTEL - Telematik in der Ophthalmologie. Ziel des Projektes war die
Entwicklung und Realisierung von teleophthalmologischen Diensten, wobei die diabetische
Retinopathie und das Glaukom als häufigste Erblindungsursachen in der westlichen Welt im
Mittelpunkt des Interesses standen.
Die Ziele der Bildverarbeitungstechniken sind die Ermittlung der Bildqualität, das Auffinden
und die Quantifizierung pathologischer Veränderungen des Augenhintergrundes bei diabeti-
scher Retinopathie und die Überlagerung von zeitversetzt aufgenommenen Fundusbildern. Die
Ergebnisse der Bildverarbeitung werden zusammen mit anderen Informationen (Patien-
tenbasisdaten, metabolische Parameter) für ein bildgestütztes Patienten-Monitoring verwen-
det. Außerdem kann die Bildqualitätsanalyse das Telescreening für die diabetische Retinopa-
thie unterstützen. Die genannten Methoden sollen zu einer Verbesserung der Früherkennung
und des Managements der diabetischen Retinopathie beitragen.
Zur Visualisierung des Augenhintergrundes stehen verschiedene bildgebende Verfahren zur
Verfügung. Das Screening und Monitoring auf diabetische Retinopathie wird vorwiegend
durch niedergelassene Ophthalmologen durchgeführt, die neben der Fundusinspektion mittels
einer Ophthalmoskopie oder Spaltlampe hauptsächlich die Fundusphotographie einsetzen.
Dabei handelt es sich um ein zweidimensionales Farbbild der Retina, das mit Hilfe einer Fun-
duskamera durch die Pupille des zu Untersuchenden aufgenommen wird. Dieses Verfahren
produziert ein realistisches Bild der Retina. Man muß jedoch einige Punkte berücksichtigen:
Die dargestellte Information ist durch die Projektion des dreidimensionalen Augenhinter-
grundes auf ein zweidimensionales Bild eingeschränkt und innerhalb der Fundusaufnahmen
kommt es zu geometrischen Verzerrungen und Farbunterschieden.
Zum bildgestützten Patienten-Monitoring wurde eine mehrstufige, modellbasierte Segmenta-
tionsstrategie entwickelt. Um nicht beurteilbare Aufnahmen von vornherein auszusortieren,
wird zunächst die Bildqualität ermittelt. Dann werden die primär nicht pathologischen
Strukturen des Augenhintergrundes, d.h. der Sehnervenkopf, die Gefäße und die Fovea,
extrahiert. Diese Objekte sind wichtige Marker im Bild und werden zur Quantifikation von
Läsionen verwendet. Weiterhin beschreiben sie die Retinatopologie und können, wie die
Gefäßkonturen, selbst Ort pathologischer Veränderungen sein. Nachdem diese Objekte im Bild
ausgeblendet sind, wird nach Retinaläsionen (Exsudate, Hämorrhagien) gesucht. Diese kann
man durch Messung unterschiedlicher Parameter quantifizieren. Außerdem wird eine Technik
zur Überlagerung von zwei Fundusbildern anhand der extrahierten Gefäßpunkte zur Verfügung
gestellt. Die Methoden zur Beurteilung der Bildqualität werden auch für das Telescreening
eingesetzt.
Die neu entwickelten und implementierten Techniken basieren auf einer Filterung des Bildes
mit kontinuierlich orientierten und skalierten gaussförmigen Kanten- und Linienfiltern. Die
Filterergebnisse ermöglichen eine detaillierte Beschreibung der Bildinhalte anhand von Kanten
und Linien unterschiedlicher Richtung und Breite und sind so flexibel, daß sie für
unterschiedlichste Aufgaben verwendet werden können. Solch eine Filterung wird aufgrund
des Rechenaufwands nur durch den Einsatz von steuerbaren Filtern ermöglicht. Die einzelnen
Segmentationsschritte bauen so aufeinander auf, daß Ergebnisse eines Schrittes im nächsten
Schritt genutzt werden können. Vorhandenes Modellwissen über die Lage, das Aussehen oder
die Zusammenhänge der einzelnen Strukturen wird so weit wie möglich in der Segmenta-
tionsstrategie verwendet. Diese Konzepte erhöhen die Effizienz, die Robustheit und die
Exaktheit der Algorithmen.
Die Segmentationsverfahren wurden so entwickelt, daß sie auf Fundusphotographien unter-
schiedlicher Blickfelder und Qualität angewendet werden können. Ein Teil der Parameter wird
je nach Bildtyp automatisch auf vordefinierte Werte gesetzt, andere Parameter kann der
Benutzer einstellen. Da die Qualität der Bildverarbeitungsergebnisse mit der Bildqualität
ansteigt, sollten Dias und Digitalbilder von hoher Auflösung als Bildmaterial verwendet
werden. Die entwickelten Methoden liefern dann im Hinblick auf die automatische Analyse von
Fundusphotographien vielversprechende Ergebnisse. Die bei der Evaluation der automatischen
Bildqualitätsanalyse ermittelten Sensitivitäts- und Spezifitätswerte stimmen weitgehend mit der
ebenfalls gemessenen Intra-Observer-Variabilität des Fundusphotogra-phie-Experten überein.
Dieses Verfahren kann in der klinischen Routine eingesetzt werden.
Durch die Limitationen der Fundusphotographien hinsichtlich der Bildqualität und der
dargestellten Information kann nur ein Teil der retinalen Strukturen extrahiert werden. Um
weitere Läsionen automatisch zu erkennen, müssen im wesentlichen dreidimensionale, hoch-
aufgelöste Bilder verwendet werden. In der Zukunft sollte näher untersucht werden, inwieweit
die Gefäße und der Sehnervenkopf selbst von pathologischen Veränderungen betroffen sind.
Verfahren zur Ermittlung der Bildqualität, zur rechnergestützten Automatisierung der Extrak-
tion und Quantifikation von wichtigen Läsionen der diabetischen Retinopathie und zur Über-
lagerung von zeitversetzt aufgenommenen Fundusaufnahmen wurden realisiert. Diese können
erstens in ein wissensbasiertes Monitor-System integriert werden, das entweder stand-alone
oder gekoppelt an ein Arztpraxissystem arbeitet. Dadurch wird der Ophthalmologe bei der
zeitaufwendigen Extraktion und Dokumentation von Retinaläsionen entlastet und der Bild-
vergleich teilweise oder vollständig automatisiert. Die entwickelten Techniken zur Bildquali-
tätsanalyse können zusätzlich in den Telescreening-Dienst integriert werden. In Diabetes-
zentren aufgenommene Fundusbilder werden, bevor sie zur Befundung an Experten der diabe-
tischen Retinopathie verschickt werden, hinsichtlich ihrer Bildqualität untersucht. Dadurch ist
es möglich, nicht befundbare Aufnahmen auszusortieren. Die beiden Dienste optimieren die
Betreuung von Diabetes-Patienten, indem sie eine frühzeitige Erkennung der diabetischen
Retinopathie und eine bessere Überwachung des Krankheitsverlaufes ermöglichen.
