Caracterização dos Nervos da Córnea para o Diagnóstico de

Caracterização dos Nervos da Córnea para o Diagnóstico de Diabetes
José Silvestre Silva1,2, António Miguel Morgado1,3
Departamento de Física, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade de Coimbra
2
Centro de Instrumentação, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade de Coimbra
3
IBILI - Instituto Biomédico de Investigação em Luz e Imagem, Faculdade de Medicina,
Universidade de Coimbra
1
[email protected]
Resumo
A causa mais comum de incapacidade nos
diabéticos é a neuropatia diabética. O diagnóstico
precoce e quantificação precisa são importantes. . As
alterações precoces, observáveis no plexus nervoso
sub-basal da córnea dos diabéticos, podem constituir
a base de um método simples e não-invasivo para a
detecção da neuropatia diabética.
Neste trabalho pretende-se desenvolver uma
ferramenta automática, capaz de identificar
eficientemente os nervos da córnea e extrair a sua
forma, para determinar a sua densidade, tortuosidade
e outros parâmetros morfométricos. O método
proposto efectua a normalização da luminosidade e
contraste das imagens, para depois identificar os
segmentos dos nervos e reconstruí-los.
1. Introdução
A prevalência da Diabetes Mellitus está a aumentar
dramaticamente. Este aumento resultará no incremento
da prevalência das complicações crónicas da Diabetes.
A causa mais comum de incapacidade nos diabéticos é
a neuropatia diabética. As principais complicações de
longo prazo da neuropatia diabética são as infecções
dos pés que não cicatrizam podendo levar à sua
amputação.
O diagnóstico precoce e a quantificação precisa da
neuropatia diabética são importantes para definir os
doentes em risco, diminuir a morbilidade dos pacientes
e avaliar o desempenho de terapias.
A córnea, a região externa transparente do olho, é
um dos tecidos com maior densidade de nervos do
corpo humano com uma concentração de nervos 20 a
40 vezes superior à existente na polpa dentária. Já se
demonstrou que é possível observar, logo numa fase
inicial da doença, uma diminuição significativa da
enervação do plexus sub-basal em indivíduos
diabéticos [1], através de imagens obtidas in vivo por
[email protected]
microscopia confocal da córnea [2] [3], uma técnica de
imagiologia não invasiva.Assim, a observação e a
quantificação de parâmetros morfométricos do plexus
sub-basal pode ser o método ideal para avaliar a
patologia das fibras nervosas em diabéticos e constituir
a base de um método de diagnóstico da neuropatia
diabética [3] [4].
Actualmente, a análise dos nervos da córnea é
baseada num trabalho monótono de identificação
manual e desenho dos nervos. Esta extracção de
informação clínica é subjectiva e sujeita a erros. O
objectivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma
ferramenta automática, capaz de identificar eficientemente os nervos da córnea e extrair a sua forma, para
determinar quantitativamente a sua densidade,
tortuosidade e outros parâmetros morfométricos.
2. Método
Os nervos aparecem como estruturas lineares
brilhantes sob um fundo escuro. O reconhecimento de
nervos da córnea é similar ao reconhecimento de
estruturas vasculares em imagens da retina [5].
Numa primeira fase, este método efectua uma
uniformização do contraste da imagem, seguido pela
identificação dos segmentos de recta, que correspondem a nervos da córnea.
2.1. Pré-processamento
Normalmente, as imagens dos nervos da córnea
possuem um contraste não uniforme, resultante de
níveis de cinzentos mais intensos no centro da imagem.
Para uniformizar o contraste, de forma que seja
possível aplicar o algoritmo em toda a imagem, esta é
equalizada localmente, intensificando o contraste e
equalizando cada píxel a partir do histograma local de
numa região de [8 × 8] pixeis.
2.2. Identificação dos nervos
Para a obtenção de uma imagem binária
correspondente aos nervos da córnea, é aplicado um
“threshold” de 2/3 do valor máximo da imagem obtida
no pré-processamento.
De seguida é usada a Transformada de Hough, para
identificar os segmentos de recta. Por fim, estes
segmentos são comparados entre si: Quando dois ou
mais segmentos se encontram no mesmo alinhamento e
são adjacentes, o que significa que fazem parte da
mesma recta, são substituídos por um único segmento.
Esta metodologia, ainda em desenvolvimento,
permite identificar automaticamente os nervos quando
estes correspondem a estruturas rectas. Nas situações
em que possam descrever uma curvatura, ou uma
mudança repentina de direcção, é necessário
processamento
adicional
para
identificar
a
continuidade dos segmentos.
2.3. Caracterização dos nervos
O índice de tortuosidade (que quantifica se um
nervo é uma estrutura curva / sinuosa) é um dos
parâmetros extraídos das imagens do plexus sub-basal
(nervos da córnea), usado na discriminação entre
indivíduos saudáveis e diabéticos.
Para cada nervo, identificado pelo segmento
calculado anteriormente, são determinados vários
parâmetros: espessura no ponto médio do segmento; a
orientação do segmento; a tortuosidade; o
comprimento do segmento; a densidade dos nervos.
O índice de tortuosidade é calculado a partir
segunda derivada do nervo da córnea, no ponto médio
do segmento respectivo.
3. Discussão
Para caracterizar os nervos da córnea, foram
analisadas várias imagens adquiridas por microscopia
confocal, de indivíduos saudáveis e de indivíduos com
diabetes.
Apesar de este trabalho ainda estar a decorrer, os
resultados preliminares permitem observar que o valor
do índice de tortuosidade é claramente distinto entre os
dois grupos de indivíduos, possuindo um valor médio
bastante superior para os indivíduos com diabetes,
quando comparado com indivíduos saudáveis.
De forma a identificar um maior número de nervos
da córnea, encontra-se em estudo uma modificação do
actual algoritmo, que consiste em localizar toda a
estrutura de nervos, seguido da identificação dos nós
que ligam os vários nervos, de modo que seja possível
segmentar todos os nervos, independentemente da sua
curvatura.
a)
b)
Figura 1 – Imagens obtidas por microscópio confocal; a)
imagem original; b) identificação parcial dos nervos da
córnea.
4. Conclusão
A análise dos nervos da córnea é um método rápido,
não invasivo, que pode permite avaliar o grau de
neuropatia em indivíduos com diabetes.
Os resultados preliminares obtidos a partir de
imagens adquiridas por microscopia confocal,
demonstram que existem diferenças significativas na
densidade e tortuosidade dos nervos da córnea entre
indivíduos saudáveis e diabéticos.
4. Referências
[1] M. Popper, M. J. Quadrado, A. M. Morgado, J. N. Murta,
J. A. V. Best, and L. J. Müller, "Subbasal Nerves and
Highly Reflective Cells in Corneas of Diabetic Patients:
In vivo Evaluation by Confocal Microscopy," Invest.
Ophthalmol. Vis. Sci., vol. 2005, pp. 879-880, 2005.
[2] C. N. Grupcheva, T. Wong, A. F. Riley, and C. N. J.
McGhee, "Assessing the sub-basal nerve plexus of the
living healthy human cornea by in vivo confocal
microscopy," Lens and Cornea, vol. 30, pp. 187-190,
2002.
[3] O. Stachs, A. Zhivov, R. Kraak, J. Stave, and R. Guthoff,
"In vivo three-dimensional confocal laser scanning
microscopy of the epithelial nerve structure in the human
cornea," Graefe's Archive for Clinical and Experimental
Ophthalmology, vol. 245, pp. 569-575, 2007.
[4] M. Mocan, I. Durukan, M. Irkec, and M. Orhan,
"Morphologic alterations of both the stromal and
subbasal nerves in the corneas of patients with diabetes,"
Cornea, vol. 25, pp. 769-773, 2006.
[5] L. J. Muller, C. F. Marfurt, F. Kruse, and T. M. T. Tervo,
"Corneal nerves: structure, contents and function,"
Experimental Eye Research vol. 76, pp. 521-542, 2003.