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Classificação do glaucoma usando deep learning e imagens de fundo de olho obtidas com smartphone

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Abstract(s)

Nos últimos anos, os algoritmos de deep learning mostraram um potencial sem precedentes para auxiliar no diagnóstico da doença ocular glaucoma, considerada uma das principais causas de cegueira irreversível no mundo. Esses algoritmos são comumente usados em estudos para identificar essa doença a partir de imagens digitais do fundo de olho, amplamente empregadas na maioria das clínicas oftalmológicas e adquiridas por meio do exame tradicional de fundoscopia. Além dos algoritmos de deep learning, o desenvolvimento tecnológico permitiu a criação de dispositivos portÔteis com capacidade de aplicar o exame fundoscópico por meio de smartphones, tornando o teste ainda mais acessível. Diante dessa situação, este trabalho coletou um novo conjunto de dados chamado Brasil Glaucoma (BrG), contendo 2.000 imagens da retina obtidas com o oftalmoscópio panoptic Wech Allyn, um dispositivo considerado simples e portÔtil, com conexão de um adaptador para smartphone. Em seguida, treinou-se um algoritmo desenvolvido por meio de um ensemble de redes neurais convolucionais, de modo que a sua precisão na classificação das imagens BrG em glaucomatosas e normais foi estimada. Assim, além de um teste em imagens globais, ou seja, apresentando toda a Ôrea fotografada, também foram realizados testes em três tipos de regiões de interesse: a região do disco óptico, obtida por meio de segmentação manual; a região específica do disco óptico; e o disco óptico e Ôreas adjacentes. Estes dois últimos procedimentos foram aplicados de forma automatizada com auxílio de uma rede neural U-Net. Considerando a classificação do glaucoma, o ensemble alcançou, no seu melhor desempenho, 95,4% de acurÔcia, 98,5% de sensibilidade e 98,2% de especificidade usando a região do disco óptico e adjacências como entrada. Deste modo, apesar de limitações como a falta de biomarcadores robustos e computÔveis para o diagnóstico do glaucoma, concluiu-se que o algoritmo de deep learning desenvolvido possui capacidade substancial para a classificação desta neuropatia óptica a partir do reconhecimento de padrões em imagens fundoscópicas de baixa resolução adquiridas através de um smartphone. Portanto, essas tecnologias de aquisição de fotografias da retina combinadas com algoritmos de inteligência artificial podem ter um grande impacto em pesquisas sobre o glaucoma e no diagnóstico automatizado, contribuindo para a viabilidade de futuros programas de triagem populacional para essa doença ocular.
In recent years, deep learning algorithms have shown unprecedented potential to help diagnose glaucoma eye disease, considered one of the main causes of irreversible blindness in the world. These algorithms are commonly used in studies to identify this disease from digital images of the fundus, widely used in most ophthalmological clinics and acquired through the traditional fundoscopy examination. In addition to deep learning algorithms, technological development has allowed the creation of portable devices that can apply the fundoscopic examination using a smartphone, making the test even more accessible. Given this situation, this work established a new dataset called Brazil Glaucoma (BrG), containing retinal images 2.000 obtained with the Welch Allyn panoptic ophthalmoscope, a device considered simple and portable with a smartphone adapter connection. Then, an ensemble of convolutional neural networks was developed and its accuracy in classifying BrG images into glaucomatous and normal was estimated. Thus, besides a test on global images, that is, showing the entire photographed area, tests were also performed on three types of regions of interest: the optical disc region, obtained through manual segmentation; the specific optical disc region; and the optical disc and adjacent areas. The last two procedures were applied in an automated way with the aid of a U-Net neural network. Considering glaucoma classification, the it ensemble achieved its best performance, 95.4% accuracy, 98.5% sensitivity, and 98.2% specificity using the optic disc region and adjacencies as input. Thus, despite limitations such as the lack of robust and computable biomarkers for the diagnosis of glaucoma, it was concluded that the developed deep learning algorithm has substantial capacity for the classification of this optic neuropathy from the recognition of patterns in low-resolution images acquired through a smartphone. Therefore, these fundoscopic image acquisition technologies combined with artificial intelligence algorithms can have a great impact on glaucoma research and automated diagnosis, contributing to the feasibility of future population screening programs for this eye disease.

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