Analýza dynamiky optického disku u predčasne narodených detí na základe retinálnych obrazov

Dominik Frydecký

Master's thesis

Optical Disc Dynamic’s Analysis on Premature Born Infants based on Retinal Images

Anotácia:

Retinopatie nedonošených (ROP) je závažné onemocnění, které postihuje zrakovou soustavu předčasně narozených dětí, kde sledování stability optického disku (OD) hraje klíčovou roli během screeningu. Včasná diagnostika pomocí retinálních snímků je zásadní pro zachování zraku. Automatizace detekce a analýzy variability OD má obrovský potenciál pro zvýšení efektivity screeningu a objektivity vyšetření. Pro realizaci diplomové práce byla pořízena datová báze retinálních snímků z datových souborů Clarity RetCam 3 a Phoenix ICON, které obsahují snímky předčasně narozených dětí s onemocněním ROP. Vybrané snímky byly manuálně segmentovány, s cílem tvorby zlatých standardů. Testovány byly dvě metody automatické segmentace: U-net (hluboká konvoluční neuronová síť) a metoda aktivních kontur. Výkon obou metod byl hodnocen pomocí evaluačních metrik (citlivost, přenosnost, DICE a další) a fúzi snímků. Na základě kvantitativní evaluace se jako optimální segmentační metoda ukázala metoda aktivních kontur, která dosáhla lepších výsledků v přesnosti (99,81 %) a stabilitě segmentace OD. Tato metoda byla následně použita k analýze variability optického disku. Hodnocení variability OD bylo realizováno na základě geometrických (oblast, ekvivalentní průměr, obvod ...) a intenzitních (střední hodnota, medián, rozptyl ...) parametrů snímků v rámci sledování pacientů v čase. Výsledky ukázaly, že některé parametry vykazovaly nejmenší procentuální změny v průběhu sledování a tím i nejvyšší stabilitu. Šlo hlavně o geometrické parametry ekvivalentní průměr (20 %) a obvod (21 %). To naznačuje, že geometrické parametry jsou spolehlivější a lze je použít jako stabilní reference při screeningu ROP. Diplomová práce potvrdila, že aktivní kontury představují robustní přístup k segmentaci OD u předčasně narozených dětech. Za stabilní reference pro detekci patologických změn ROP lze považovat parametry ekvivalentní průměr a obvod. Tyto výsledky přispívají k rozvoji objektivního hodnocení v klinické praxi a podporují využití automatizovaných metod v pediatrické oftalmologii.

Abstract:

Retinopathy of prematurity (ROP) is a serious disease that affects the visual system of premature infants, where monitoring the stability of the optic disc (OD) plays a key role during screening. Early diagnosis using retinal images is essential for preserving vision. Automation of detection and analysis of OD variability has enormous potential for increasing screening efficiency and objectivity of the examination. For the implementation of the diploma thesis, a database of retinal images was created from the Clarity RetCam 3 and Phoenix ICON data sets, which contain images of premature infants with ROP. The selected images were manually segmented, with the aim of creating gold standards. Two automatic segmentation methods were tested: U-net (deep convolutional neural network) and the active contour method. The performance of both methods was assessed using evaluation metrics (sensitivity, transferability, DICE and others) and image fusion. Based on quantitative evaluation, the optimal segmentation method was the active contour method, which achieved better results in accuracy (99.81%) and stability of OD segmentation. This method was subsequently used to analyse the variability of the optic disc. The assessment of OD variability was performed based on geometric (area, equivalent diameter, circumference ...) and intensity (mean value, median, variance ...) parameters of the images within the follow-up of patients over time. The results showed that some parameters showed the smallest percentage changes during the follow-up and thus the highest stability. These were mainly the geometric parameters equivalent diameter (20%) and circumference (21%). This indicates that geometric parameters are more reliable and can be used as stable references in ROP screening. The diploma thesis confirmed that active contours represent a robust approach to OD segmentation in premature infants. The parameters equivalent diameter and circumference can be considered stable references for the detection of pathological changes in ROP. These results contribute to the development of objective assessment in clinical practice and support the use of automated methods in pediatric ophthalmology.

Kľúčové slová

Optický disk, Aktivní kontury, U-net síť, oční pozadí, předzpracování obrazu, následné zpracování obrazu, variabilita optického disku

Keywords

Optical disc, Active contours, U-net network, fundus, image preprocessing, image post-processing, optical disc variability

Jazyk práce: Slovak

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 30. 4. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 6. 6. 2025
• Vedúci: Jan Kubíček
• Oponent: Tereza Čerbáková

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Master programme:
Biomedicínské inženýrství