Retinal image registration through 3D eye modelling and pose estimation
Authors: Hernandez Matas Carlos 
Published: September 2021

Η μελέτη των λεπτών αιμοφόρων αγγείων μπορεί να βοηθήσει την ακριβή διάγνωση και την παρακολούθηση νόσων που σχετίζονται με αγγειοπάθεια, όπως η υπέρταση και ο διαβήτης. Η ευκολία απεικόνισης τέτοιων αγγείων στον αμφιβληστροειδή χιτώνα μέσω βυθοσκόπισης καθιστά την ανάλυση των δομικών χαρακτηριστικών του ιδιαίτερα σημαντική. Η ανάλυση αυτή είναι επίσης σημαντική για τη διάγνωση ασθενειών που επηρεάζουν την όραση, όπως το οίδημα της ωχράς κηλίδας, η ηλικιακή εκφύλιση της ωχράς κηλίδας και το γλαύκωμα. Η ανάλυση των δομικών χαρακτηριστικών του αμφιβληστροειδή μπορεί να διευκολυνθεί σημαντικά από την ακριβή αντιστοίχιση (registration) των εικόνων του. Η αντιστοίχιση εφαρμόζεται σε ένα ζεύγος εικόνων του αμφιβληστροειδή, την εικόνα αναφοράς και την εικόνα ελέγχου. Στόχος είναι ο γεωμετρικός μετασχηματισμός της εικόνας ελέγχου έτσι ώστε τα σημεία της να απεικονίζονται στις ίδιες 2Δ συντεταγμένες με την εικόνα αναφοράς. Η επίτευξη αυτού του στόχου συναντά δυσκολίες για δύο κυρίως λόγους. Ο πρώτος σχετίζεται με τις προοπτικές παραμορφώσεις που προκύπτουν από το καμπύλο σχήμα του αμφιβληστροειδή χιτώνα σε συνδυασμό με την αλλαγή της θέσης και του προσανατολισμού της κάμερας ως προς τον οφθαλμό (σχετική πόζα) κατά την πρόσληψη των εικόνων αναφοράς και δοκιμής. Ο δεύτερος σχετίζεται με πιθανές μεταβολές στη δομή του αμφιβληστροειδή μεταξύ χρονικά απομακρυσμένων προσλήψεων των εικόνων αναφοράς και ελέγχου, εξαιτίας κάποιας αμφιβληστροειδοπάθειας. Επιπρόσθετα, η φύση της εφαρμογής απαιτεί η αντιστοίχιση να γίνεται με μεγάλη ακρίβεια. Οι μέθοδοι αντιστοίχισης μπορούν να επωφεληθούν από τη γνώση του είδους των εικόνων προς αντιστοίχιση. Σε αυτή την εργασία, προτείνεται ένα μεθοδολογικό πλαίσιο αντιστοίχισης εικόνων που ταυτόχρονα εκτιμά τη σχετική πόζα μεταξύ των δύο όψεων του αμφιβληστροειδούς καθώς και την πόζα και το σχήμα του οφθαλμού. Η ποσοτική αποτίμηση του προτεινόμενης μεθοδολογίας αποδεικνύει πειραματικά πως αυτή υπερτερεί σε ακρίβεια αντιστοίχισης έναντι των σύγχρονων μεθόδων.Στο πλαίσιο αυτής της εργασίας αναπτύχθηκαν επίσης υπολογιστικά εργαλεία για τη σύνθεση ρεαλιστικών 3Δ μοντέλων του οφθαλμού που χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνθεση εικόνων του αμφιβληστροειδούς χιτώνα από διαφορετικές όψεις, με τελικό στόχο τον έλεγχο και την αξιολόγηση της προτεινόμενης προσέγγισης. Επιπρόσθετα, συντάχθηκε και έγινε δημόσια διαθέσιμο το FIRE, ένα σύνολο δεδομένων που αποτελείται από ζεύγη πραγματικών εικόνων του αμφιβληστροειδούς. Το FIRE αποτελείται από τρείς τύπους ζευγών εικόνων, καθένας από τους οποίους παρουσιάζει διαφορετικού είδους δυσκολίες και προκλήσεις ως προς την αντιστοίχισή τους. Προκειμένου να γίνει εφικτή η πειραματική, ποσοτική αποτίμηση της ακρίβειας μιας μεθόδου αντιστοίχισης, κάθε ζεύγος εικόνων του FIRE επίσης μειώθηκε με πραγματικές αντιστοιχίες σημείων. Στην εργασία αυτή διερευνήθηκε επίσης η καταλληλότητα του προτεινόμενου πλαισίου αντιστοίχισης για να υποστηρίξει εφαρμογές όπως οι διαχρονικές συγκριτικές μελέτες εικόνων αμφιβληστροειδούς, η δημιουργία μωσαϊκών από εικόνες και η δημιουργία εικόνων υψηλής χωρικής ανάλυσης μέσω υπερδειγματοληψίας. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η καταλληλότητα του πλαισίου αυτού για την εκτίμηση των παραμέτρων του σχήματος του οφθαλμού. Τα σχετικά πειράματα δείχνουν ενθαρρυντικά αποτελέσματα καθώς και την ύπαρξη σημαντικών περιθωρίων για περαιτέρω βελτίωση.