Автоматизация морфологического описания границы диска зрительного нерва на цифровых изображениях глазного дна

Цель: разработка метода автоматизации описания диска зрительного нерва, что позволяет дифференцировать диск зрительного нерва с четкими границами, характерными для нормальной картины глазного дна, и диск зрительного нерва с размытыми границами, характерными для различных видов офтальмопатологии. Методы. В основе предложенного метода лежит алгоритм накопления отсчетов яркости по диагонали, который показывает, что изображения диска зрительного нерва с размытыми границами характеризуются более линейным нарастанием (спадом) яркости в области фронтов по сравнению с результатом накопления для диска зрительного нерва с нормальными границами. Для выявления данного признака может быть использована первая производная. Для уменьшения влияния кровеносных сосудов на результаты обработки накопление отсчетов яркости по диагонали проводится в красном цветовом канале, так как в красной цветовой компоненте минимизируется влияние кровеносных сосудов на границы диска зрительного нерва. Результаты. Применение данного метода для изображений диска зрительного нерва с размытыми границами показывает, что результат накопления характеризуется более медленным изменением яркости. По результатам анализа 20 изображений глазного дна получено, что в среднем значение первой производной результата накопления отсчетов яркости по диагонали для изображений диска зрительного нерва с размытыми границами в 2 раза меньше, чем для изображений диска зрительного нерва с четкими границами. Заключение. Предложенный метод позволяет автоматизировать процесс морфологического описания границы диска зрительного нерва по изображениям глазного дна и частично решить задачу дифференциальной диагностики. Так как исчезновение четкости границ диска зрительного нерва и появление их размытости является основным диагностическим критерием при различных видах патологии, данный метод может быть использован при создании медицинских экспертных систем и программного обеспечения по обработке изображений глазного дна.

1. Кацнельсон Л.А., Лысенко В.С., Балишанская Т.И. Клинический атлас патологии глазного дна. М., 1997. 152 с. [Katsnelson L.A., Lysenko V.S., Balishanskaya T.I. Clinical Atlas of Eye Fundus Pathology. Moscow, 1997. 152 p. (In Russ.)]

2. Хафизов Р.Г., Хафизов Д.Г., Танаева Е.Г. Алгоритм оценки параметров и про слеживания сосудов на изображениях глазного дна. Информационно-управляющие системы. 2017; 1:102–105. [Khafizov R.G., Khafizov D.G., Tanaeva E.G. Algorithm of parameters estimate and of fundus images vessels tracking. Informatsionno upravliaiushchie sistemy. 2017;1:102–105 (In Russ.)]. DOI:10.15217/ issn1684-8853.2017.1.102

3. Косарев С.Н., Бражалович Е.Е. Исследование глазного дна в диагностической практике врача-офтальмолога: учебное пособие для врачей. Пенза, 2011. 63 с. [Kosarev S.N., Brazhalovich E.E. Ocular fundus Investigation in the diagnostic practice of an ophthalmologist (manual for physicians). Penza, 2011. 63 p. (In Russ.)]

4. Лебедев О.И., Калижникова Е.А., Яровский А.Е. Топ-лист ведения пациентов с глаукомой: офтальмоскопия. Национальный журнал Глаукома. 2014;1:35–44. [Lebedev O.I., Kalizhnikova E.A., Yarovskiy A.E. Top-list of management of patients with glaucoma: ophthalmoscopy. Natsional’nyi zhurnal glaucoma. 2014;1:35–44 (In Russ.)]

5. Theleophthalmology. (Eds) K. Yogesan, S. Kumar, L. Goldschmidt, J. Cuadros. Springer, 2006. 306 p.

6. Родин А.С., Акопян В.С., Семенова Н.С., Крылов А.С. Автоматизированный дистанционный скрининг заболеваний глазного дна. Офтальмология. 2013;10(1):4–7. [Rodin A.S., Akopyan V.S., Semenova N.S., Krylov A.S. Automated screening for retinopathy. Ophthalmology. 2013;10(1):4–7 (In Russ.)]. DOI: 10.18008/1816-5095-2013-1-4-7

7. Куроедов А.В. Офтальмоскопическая характеристика изменений диска зрительного нерва и слоя нервных волокон при глаукоме (пособие для врачей). Москва: Столичный бизнес; 2011, 48 с. [Kuroedov A.V. Ophthalmoscopic characteristics of the changes in the optic nerve and retinal nerve fiber layer in patients with glaucoma (manual for physicians). Moscow: Capital Business; 2011; 48 p. (In Russ.)]

8. Lowell J., Hunter A., Steel D., Basu A., Ryder R., Fletcher E., Kennedy L. Optic nerve head segmentation. IEEE Trans Medical Imaging. 2004;23(2):256–264. DOI: 10.1109/TMI.2003.823261

9. Li H.Q., Chutatape O. Automated feature extraction in color retinal images by a model based approach. IEEE Trans Biomed Eng. 2004;51(2):246–254. DOI: 10.1109/TBME.2003.820400

10. Rangayyan M., Zhu X., Ayres F.J., Ells A.L. Detection of the Optic Nerve Head in Fundus Images of the Retina with Gabor Filters and Phase Portrait Analysis Rangaraj. Journal of Digital Imaging, 2010;23(4):438–453.

11. Sinthanayothin C., Boyce J.F., Cook H.L., Williamson, T.H. Automated localisation of the optic disc, fovea, and retinal blood vessels from digital colour fundus images. Br J Ophthalmol. 1999;83:902–910.

12. Yu H., Barriga E.S., Agurto C., Echegaray S., Pattichis M.S., Bauman W., Soliz P. Fast localization and segmentation of optic disk in retinal images using directional matched filtering and level sets. IEEE Trans Inf Technol Biomed. 2012;16(4):644– 657. DOI: 10.1109/TITB.2012.2198668

13. Aquino M.E. Gegundez-Arias. D. Marin. Detecting the optic disc boundary in digital fundus images using morphological edge detection and feature extraction techniques. IEEE Trans Med Imag. 2010;29(11):1860–1869. DOI: 10.1109/ TMI.2010.2053042

14. Hoover A., Goldbaum M. Locating the optic nerve in a retinal image using the fuzzy convergence of the blood vessels. IEEE Trans Med Imag. 2003;22(8):951–958. DOI: 10.1109/TMI.2003.815900

15. Фурман Я.А., Кравецкий А.В., Передреев А.К., Роженцов А.А., Хафизов Р.Г., Егошина И.Л., Леухин А.Н. Введение в контурный анализ: приложение к обработке изображений и сигналов. М.: Физматлит, 2003. 592 с. [Furman Ya.A., Kravetskii A.V., Peredreev A.K., Rozhentsov A.A., Khafizov R.G., Egoshina I.L., Leukhin A.N. Introduction to the contour analysis: application to image and signal processing. Moscow: Fizmatlit, 2003. 592 p. (In Russ.)]