Automatisierte Bildanalyse des Nachstar

Forschungsprojekt P 14269Automatisierte Bildanalyse des NachstarsOliver FINDL, Axel PINZ, Rupert MENAPACE06.03.2000 Hintergrund: Der Nachstar ist die häufigste Spätkomplikation der modernen Kataraktchirurgie. Die Inzidenz des Nachstars liegt nach 5 Jahren bei circa 25%. Zur Behandlung des Nachstars wird mit dem Neodymium: YAG Laser eine Lücke in die hintere Kapsel geschnitten. Jedoch verursacht diese Laserbehandlung erneute Komplikationen, zusätzliche Kosten und ist häufig nicht verfügbar, vor allem in Entwicklungsländern. Deshalb werden weltweit zahlreiche klinische Studien durchgeführt, um den Einfluß von chirurgischer Technik, Modifikationen im Design und Material von Intraokularlinsen, und Pharmaka auf den Nachstar zu untersuchen. Um den Nachstar zu dokumentieren, muß die hintere Linsenkapsel mit Retrolillumoinationsbeleuchtung fotografiert werden. Da dies zu störenden Lichtreflexen führt und diese sich vor allem in der Mitte des Fotos befinden, kann das Areal, welches für die Sehfunktion am wichtigsten ist, nicht gut beurteilt werden. Derzeit gibt es keine objektive Methode des Quantifizierung der Nachstar-Intensität. Eine objektive Methode der Quantifizierung ist jedoch für die Beurteilbarkeit des Nachstars in prospektiven, randomisierten klinischen Studien unabdingbar. Ziel: Entwicklung eines reproduzierbaren Fotografie-systems und einer vollautomatisierten Analyse Software für die objektive Quantifizierung des Nachstars. Rationale: Die objektive und quantitative Messung des Einwachsen von Linsenepithelzellen auf die hintere Linsenkapsel würde eine genauere Beurteilung des Nachstars ermöglichen. Dadurch könnte auch die Empfindlichkeit für die Erkennung kleiner Unterschiede in prospektiven klinische Studien erhöht werden. Daher könnte die Zahl der notwendigen Patienten für klinischen Studien gesenkt werden, was wiederum aus technischer Sicht wünschenswert ist. Methode: Die Entwicklung eines Algorithmus, um störende Lichtreflexe aus den Fotos zu entfernen. Segmentation des Fotos in Nachstarzonen mittels der local cooccurrence matrix` Methode. Ein Lehrsatz von 300 Nachstar-Fotos wird von erfahrenen Klinikern bewertet und als Wahrheit` definiert. Um das Analysesystem zu optimieren, muß möglicherweise eine Kombination von Algorithmen verwendet werden. In einem zweiten Schritt werden die Algorithmen von den Klinikern verwendet und getestet. Als Testsatz werden Fotos von Langzeitstudien herangezogen. Mit diesem Testsatz wird das Analysesystem geprüft.

Nachstar (oder hintere Kapseltrübung) stellt die häufigste Langzeitkomplikation in der modernen Kataraktchirurgie mit Kunstlinsenimplantation dar. Er wird durch Linsenepithelzellen verursacht, die zwischen dem hinteren Blatt des Kapselsackes und der Rückfläche der Kunstlinse vorwachsen und bei Erreichen der zentralen Linsenzone zu deutlicher Sehverschlechterung führen. Der Nachstar kann durch Behandlung mittels Nd:YAG Laser beseitigt werden; diese Therapie verursacht jedoch erhebliche zusätzliche Kosten für das Gesundheitswesen und kann überdies zu weiteren Komplikationen führen. Es ist deshalb das Ziel vieler klinischer Studien, die Ursachen des Nachstars zu erforschen und seine Entstehung wirksam zu verhindern. Zur Auswertung solcher Studien wurde ein System zur objektiven, Untersucher-unabhängigen Beurteilung der Nachstarintensität erforderlich. Ziel dieses Kooperationsprojektes zwischen der Universitätsklinik für Augenheilkunde (Universität Wien) und dem Insitiut für Elektrische Messtechnik und Messsignal-verarbeitung (Technische Universität Graz) war die Entwicklung eines verlässlichen, zeitsparenden und leicht zu bedienenden Programms zur automatisierten Nachstarbewertung. Das Resultat unserer Forschungsarbeit ist der Prototyp der AQUA Software ("Automated Quantification of After-Cataract"). Diese System wird für prospektive, randomisierte Studien zum Thema Nachstarprävention verwendet. Das AQUA System basiert auf einem digitalen Aufnahmesystem zum Erstellen von digitalen Retroilluminationsbildern der hinteren Linsenkapsel und einer PC-basierten Software zur objektive Bewertung dieser Bilder. Das Programm errechnet die Entropie (Maß für die Unordnung) im auszuwertenden Bildareal und wandelt den ermittelten Wert in eine Zahl zwischen 0 und 10 um, die den Nachstargrad angibt ("AQUA Score"). Dieser objektive, automatisch ermittelte Wert korreliert sehr gut mit der subjektiven Beurteilung von digitalen Nachstarbildern durch erfahrene Untersucher, wie in einer unserer Studien gezeigt werden konnte. Die AQUA Software wurde bereits in mehreren klinischen Studien eingesetzt, die an der Augenklinik des AKH Wien durchgeführt wurden. Unter anderem konnten wir erstmals objektiv zeigen, dass Kunstlinsen mit scharfen hinteren Optikkanten zu signifikant weniger Nachstarbildung führen als Kunstlinsen mit runden Optikkanten. Unsere sich ständig erweiternde Bilddatenbank umfasst mittlerweile mehrere tausend Digitalbilder, die zum Teil noch ausgewertet werden und weitere wertvolle Hinweise auf wirksame Methoden zur Nachstarprävention geben werden. Zum jetzigen Zeitpunkt errechnet unser Bildanalysesystem einen globalen Wert für die Nachstardichte (basierend auf der Entropie). In einem nächsten Schritt soll eine weiterentwickelte Softwareversion entstehen, die digitale Nachstarbilder automatisch in Areale mit unterschiedlicher Textur segmentieren soll und auf diese Weise zu noch verlässlicheren Quantifizierungsergebnissen führen soll, bei gleichzeitig reduzierter Anfälligkeit gegenüber Bildartefakten. Dieser Algorithmus soll außerdem auch Bilder von anderen Kamerasystemen, d.h. von anderen Institutionen verwerten können und damit universell einsetzbar sein. Unser Ziel ist es, eine entsprechende Software Version am Ende eines kommenden, zweiten Kooperationsprojektes zwischen der Universität Wien und der Technischen Universität Graz veröffentlichen zu können.