Identificazione del profilo vascolare in immagini fluoroangiografiche della retina tramite Active Contour Models

 INTRODUZIONE  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
L'occlusione di una delle branche della vena centrale della retina comporta 
l'interruzione del drenaggio del sangue che giunge alla retina dalle arterie. 
Normalmente il sangue passa dalla circolazione arteriosa alla rete capillare, e da 
questa alla circolazione venosa, che drena il sangue nella vena centrale della retina. 
Quando si verifica l'ostruzione di una delle vene che drenano il sangue, la pressione 
all'interno della rete capillare aumenta provocando emorragia e diffusione di liquido 
e materiale plasmatico nello spessore della retina. Solitamente l'occlusione si 
verifica nel punto in cui una vena s’incrocia con un’arteria. La sede dell'occlusione 
determina la sede di distribuzione e l'estensione delle emorragie. 
La complicanza decisamente più seria dell’occlusione venosa retinica è la 
neovascolarizzazione. Nei casi in cui c'è una grossa componente d’ischemia della 
retina conseguente ad un’imponente chiusura della rete capillare, si può verificare la 
crescita di nuovi vasi sanguigni come stimolo compensatorio per il ridotto apporto di 
sangue. I vasi neoformati possono crescere un po’ ovunque, retina, iride, angolo 
sclerocorneale. Nel caso in cui crescano sulla retina, predispongono ad emorragie 
nella cavità vitreale (emovitreo) e distacchi retinici trazionali. Nel caso si sviluppino 
sull'iride e/o sull'angolo iridocorneale, si può verificare un cronico aumento della 
INTRODUZIONE vi 
pressione intraoculare (glaucoma neovascolare) che porta col tempo ad una perdita 
totale della funzione visiva. 
L'angiografia retinica a fluorescenza, o fluoroangiografia, è un esame 
fondamentale per la diagnosi di numerose malattie della retina e, in parte, della 
coroide. Si riescono a studiare i tempi di circolazione del sangue nei diversi strati, le 
relative alterazioni, e si rendono visibili strutture dell'occhio (normali o patologiche) 
non osservabili con la sola visita oculistica. Lo studio della circolazione nei vasi 
permette di diagnosticare la presenza di complicanze analizzando i tempi di 
riempimento dei vasi stessi. La valutazione di patologie relative a ritardi di 
riempimento, presuppone un confronto di tali tempistiche con valori relativi a vasi 
sani. Deve quindi essere valutata la velocità di diffusione del tracciante lungo 
segmenti di pari dimensione appartenenti a vasi sani e patologici. 
Un limite notevole all’accuratezza di tale metodica ricade nella 
determinazione di segmenti vascolari di pari estensione. La tecnica ad oggi utilizzata 
nella determinazione di tali segmenti è presentata in fig.I: 
 
 
Figure I – Immagine fluoroangiografica. Confronto fra segmenti della stessa dimensione in vasi 
differenti 
INTRODUZIONE vii 
 
 
In tale figura sono considerati due vasi nei quali il flusso del tracciante è oggetto di 
studio. Come si può notare i segmenti AB e AC hanno la stessa dimensione lineare 
ma, in realtà, a causa della tortuosità dei vasi la distanza effettivamente percorsa dal 
tracciante tra i punti AB e AC è nettamente diversa. Tale diversità può ripercuotersi 
nella determinazione di un valore di velocità di riempimento errata e, al limite, ad 
una diagnosi sbagliata.  
L’obiettivo che ci si propone, in questa tesi è lo sviluppo di un sistema 
automatico che identifichi in maniera corretta il profilo del segmento del vaso scelto 
dall’utente, permettendo cosi’ una misura corretta della sua estensione lineare. 
Grazie a tale identificazione sarà quindi possibile confrontare flussi di tracciante fra 
segmenti di vasi differenti aventi stessa lunghezza, superando i problemi di non 
univocità presentati in precedenza e favorendo lo sviluppo di una successiva valida 
diagnosi. 
Al fine di raggiungere lo scopo proposto sono utilizzati gli active contour 
models. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 CAPITOLO 1 
LE IMMAGINI RETINICHE  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1.1 - Anatomia e fisiologia dell'occhio umano 
 
L'occhio ci garantisce la visione trasformando la luce che lo colpisce in 
informazioni che, sotto forma d’impulsi elettrici, arrivano al cervello. La visione, da 
sola, rappresenta circa il 70% delle percezioni che l'uomo riceve dal mondo esterno. 
Quando fissiamo un oggetto, la luce che da esso proviene entra nei nostri occhi, 
attraversa una serie di lenti naturali, che sono in sequenza la cornea, il cristallino ed 
il corpo vitreo che corrispondono alle lenti dell'obiettivo di una macchina 
fotografica, e va ad "impressionare" la retina (la pellicola). La retina eccitata dalla 
luce che la colpisce trasmette informazioni al cervello inviando impulsi elettrici 
attraverso un cavo biologico: il nervo ottico. Il cervello studia e sfrutta le 
informazioni visive, avvalendosi di esse per decidere il comportamento e le reazioni 
dell'intero organismo.  
 
 
CAPITOLO 1 – LE IMMAGINI RETINICHE 2 
 
Cornea: devia la luce facendola convergere sulla 
retina. 
Pupilla: controlla variando il suo diametro la 
quantità di luce che entra nell'occhio.
Cristallino: devia la luce facendola convergere 
sulla retina, grazie ala sua elasticità consente di 
mettere a fuoco gli oggetti posti più vicino.
Corpo vitreo: sostanza trasparente che è 
attraversata dalla luce diretta alla retina. 
Retina: trasforma gli impulsi luminosi in impulsi 
elettrici. 
Nervo ottico: trasmette gli impulsi elettrici dalla 
retina alla corteccia cerebrale. 
Figura 1.1 – Anatomia dell’occhio umano e riassunto delle principali funzioni di ciascuna 
componente dell'apparato visivo (www.vedo.net). 
 
 
Cornea  
È la prima lente naturale che la luce incontra, misura circa 0.5 mm di spessore, è 
trasparente e di forma sferica. Esistono difetti di curvatura della sua superficie che 
sono responsabili dell'astigmatismo. Poiché la cornea non è vascolarizzata respira 
per lo più l'ossigeno atmosferico, tale funzione è resa meno agevole dalle lenti a 
contatto che sono poste proprio sulla superficie corneale. La cornea è l'organo con la 
maggiore densità di fibre nervose per unità di superficie del nostro corpo, per questo 
motivo anche il più piccolo trauma determina dolore violento.  
 
Pupilla e iride 
La pupilla è letteralmente un foro al centro dell'iride, è cioè un diaframma naturale 
di diametro variabile, simile a quello contenuto in una qualsiasi macchina 
fotografica, il cui compito è quello di modulare la quantità di luce che va a colpire la 
retina. Al buio si dilata, in condizioni d’elevata luminosità si restringe. L'iride è 
responsabile del colore degli occhi, che dipende dalla pigmentazione naturale più o 
meno intensa cui corrispondono rispettivamente gli occhi scuri o chiari che abbiamo 
geneticamente ereditato. 
 
CAPITOLO 1 – LE IMMAGINI RETINICHE 3 
Cristallino 
È la seconda lente naturale che la luce incontra, dopo la cornea, prima di 
raggiungere la retina. È una lente elastica, può cioè variare il suo spessore ed il suo 
potere convergente consentendo la visione da vicino. Con il passare degli anni, il 
cristallino perde elasticità irrigidendosi, diventando allora indispensabili gli occhiali 
correttivi per la visione da vicino: il paziente in questa condizione si definisce 
presbite e la patologia di cui é affetto prende il nome di presbiopia. A causa di una 
degenerazione spesso legata all'età, caratterizzata da meccanismi non ancora del 
tutto noti, il cristallino in alcuni casi perde la sua normale trasparenza: parliamo in 
questo caso di cataratta.  
 
Corpo vitreo 
Si tratta di una sostanza gelatinosa, trasparente che occupa la cavità oculare 
compresa tra il cristallino e la retina. E' trasparente e aderisce perfettamente alla 
retina, al suo interno possono formarsi, con il passare degli anni, piccole opacità 
puntiformi o filiformi che prendono il nome di corpi mobili vitreali e sono spesso 
responsabili della visione di "mosche volanti" spesso riferite dai pazienti. 
 
Retina  
La retina è una sottile membrana formata da cellule nervose, adagiata sul fondo 
dell'occhio, il cui ruolo è di trasformare gli impulsi luminosi che riceve in impulsi 
elettrici, che attraverso il nervo ottico sono trasmessi al cervello. La porzione 
centrale della retina prende il nome di macula ed è caratterizzata da una densità 
cellulare decisamente più elevata, e dalla presenza di 2 tipi di cellule (i coni e i 
bastoncelli). La macula consente la visione distinta, la lettura e la percezione netta 
dei colori ma per funzionare correttamente richiede una discreta quantità di luce. La 
restante porzione periferica di retina, inadatta a garantire la visione da vicino, 
permette al paziente di orientarsi e di muoversi discretamente nello spazio, 
garantendogli la percezione periferica del campo visivo e la visione in scarse 
condizioni di luminosità. Per questa ragione i piloti di linea sono allenati ad usare 
questa parte di retina per pilotare aerei la notte. 
 
 
CAPITOLO 1 – LE IMMAGINI RETINICHE 4 
I vasi retinici  
La vascolarizzazione delle retina origina da un ramo dell’arteria oftalmica, l’arteria 
centrale della retina, che penetra nel nervo ottico, ne percorre l’asse ed entra nel 
bulbo al centro della papilla ottica. Da qui, l’arteria centrale della retina si divide in 
più rami che si distribuiscono sulla superficie retinica ed in profondità con una fitta 
rete che vascolarizza i 2/3 interni della retina stessa. Il terzo esterno è nutrito dalla 
coriocapillare della coroide. La macula non ha rami dell’arteria centrale, ma viene 
nutrita esclusivamente dalla coriocapillare per diffusione. Dalla rete capillare 
originano i vasi venosi: questi confluiscono nella vena centrale retinica che fuoriesce 
dal bulbo oculare attraverso la papilla, di qui alle vene obitarie ed al seno cavernoso. 
 
Nervo ottico 
Il bulbo oculare è "tappezzato" al suo interno da una membrana sensibile alla luce: 
la retina. La retina è costituita da singole cellule ciascuna delle quali è connessa ad 
una fibra nervosa filiforme che trasmette impulsi elettrici all'encefalo. L'insieme di 
tali fibre fascicolate in un unico "cavo biologico" forma il nervo ottico. Una sua 
qualsiasi interruzione (traumi accidentali, tumori, emorragie ecc..) porta alla perdita 
completa della capacità di vedere attraverso un occhio, come se tagliassimo il filo 
che collega una telecamera ad un video.  
 
1.2 - Le retinopatie  
 
Le principali patologie degenerative della retina sono: 
 
- Retinopatia ipertensiva 
- Retinopatia arteriosclerotica 
- Occlusioni venose 
- Retinopatia diabetica 
- Degenerazione maculare senile 
- Distacchi di retina 
 
In queste affezioni, risulta assai importante la precocità della diagnosi e la 
tempestività dei procedimenti terapeutici che possono evitare in alcuni casi 
CAPITOLO 1 – LE IMMAGINI RETINICHE 5 
l’evoluzione della patologia e in altri la comparsa di gravi complicanze che possono 
condurre a severe conseguenze.  
 
Retinopatia ipertensiva  
Si tratta di una complicanza della ipertensione arteriosa, che può presentarsi, 
talvolta, in forma acuta e drammatica nel corso di importanti crisi ipertensive. 
E’ caratterizzata da un quadro oftalmoscopico tipico, con restringimenti localizzati 
dei vasi arteriosi, fino a veri e propri infarti retinici, e da edema della papilla ottica.  
 
Retinopatia arteriosclerotica  
E’ una forma tipica dell’età ed è caratterizzata da alterazioni che tipicamente 
coinvolgono prima i vasi arteriosi, le pareti dei quali subiscono un progressivo 
ispessimento ed un incremento del riflesso all’esame oftalmoscopico. Il progressivo 
ispessimento finisce con il comprimere i vasi venosi nei punti in cui arterie e vene si 
incrociano; si possono così verificare fenomeni di occlusione venosa, noti come 
trombosi venose, che possono interessare interamente o in modo selettivo, rami 
venosi della vena centrale della retina.  
 
Occlusioni Venose  
Sono determinate da tre fattori: alterazioni della parete vascolare, disturbi 
emodinamici, patologia ematica. Le cause più frequenti sono l'arteriosclerosi retinica 
e la retinopatia diabetica. Si possono dividere in due forme:  
- Occlusioni della vena centrale della retina. 
- Occlusioni di branca della vena centrale della retina (Fig. 1.2). 
Possono presentarsi in forma essudativa ed in forma ischemica. In questo caso 
possono dar luogo alla formazione di neovasi che debbono venire trattati mediante 
fotocoagulazione laser allo scopo di prevenire un glaucoma neovascolare.  
 
CAPITOLO 1 – LE IMMAGINI RETINICHE 6 
 
Figura 1.2 - occlusione di branca della vena centrale della retina. 
 
 
Retinopatia diabetica  
Caratterizzata da 2 forme:  
"Back-Ground" con presenza di microaneurismi e microemorragiole e presenza o 
meno di edema maculare. 
"Proliferante" con presenza di neovasi ed aree ischemiche in grado di complicarsi 
con emorragie vitreali, distacchi di retina, rubeosi iridea, glaucoma neovascolare 
(Fig. 1.3). 
 
 
Figura 1.3 - retinopatia diabetica proliferante. 
 
 
Degenerazione Maculare Senile  
Con la retinopatia diabetica ed il glaucoma è in Italia una delle maggiori cause di 
grave diminuzione visiva. L'affezione di solito inizia con la comparsa di piccoli 
CAPITOLO 1 – LE IMMAGINI RETINICHE 7 
depositi bianco-giallastri situati al polo posteriore (drusen) che possono poi dare 
origine o a lesioni atrofiche o a neovasi. 
 
Distacchi di Retina  
Possono essere: Regmatogeni (secondari ad una rottura della retina), Trazionali 
(dovuti ad un’eccessiva trazione sulla retina da parte del corpo vitreo), Essudativi 
(perlopiù’ dovuti a sottostanti neoformazioni coroideali). 
La sintomatologia è caratterizzata dalla sensazione di tenda o di ombra scura in una 
parte del campo visivo corrispondente, per estensione, all’ampiezza della retina 
distaccata; può’ essere preceduta dalla visione di mosche volanti (miodesopsie) o di 
lampi (fotopsie) che devono mettere in allarme ed indurre il paziente a sottoporsi ad 
un’accurata visita oculistica che preveda la dilatazione della pupilla per l’esame 
oftalmoscopico.  
La terapia, chirurgica, è determinata dalla gravita’ ed estensione del distacco e può’ 
avvalersi oggi di tecniche molteplici. 
 
1.3 – Introduzione alle immagini retiniche 
 
1.3.1 - Le tecniche e la strumentazione 
 
Gli esami fondamentali per una corretta valutazione delle patologie della retina sono 
la fluorangiografia e l’angiografia al verde di indocianina. A questi si aggiunge la 
retinografia o fotografia a colori del fundus. Quest’ultima è utile dal punto di vista 
clinico e per lo screening, in quanto fornisce una documentazione permanente della 
retinopatia; risulta pertanto essenziale quando si debbano fare confronti nel tempo 
delle condizioni del fondo oculare e discutere degli effetti del trattamento. 
L'angiografia retinica a fluorescenza, o fluorangiografia, è un esame 
fondamentale per la diagnosi di numerose malattie della retina e, in parte, della 
coroide: si riescono a studiare i tempi di circolazione del sangue nei diversi strati, le 
relative alterazioni, e si rendono visibili strutture dell’occhio (normali o patologiche) 
non osservabili con la sola visita oculistica. Essa consiste nell'iniezione in una vena 
del braccio o della mano di un colorante fluorescente, la fluoresceina, e 
nell'esecuzione contemporanea di fotografie del fondo dell'occhio. Perché le 
fotografie siano possibili si rende necessaria la dilatazione della pupilla con colliri. 
CAPITOLO 1 – LE IMMAGINI RETINICHE 8 
Poiché’ la fluoresceina è un colorante giallo-arancio, anche la pelle apparirà’ 
lievemente colorata dopo la sua somministrazione, e le urine assumeranno un colore 
più intenso per qualche ora. 
L'angiografia coroideale al verde d'indocianina (ICG) trova il suo utilizzo 
nella diagnosi delle patologie coroideali (ovvero della parte più ricca di arterie e 
vene, che fa da supporto alla retina) e nel caso in cui esistano problemi che rendano 
insufficienti i dati della fluorangiografia: per esempio emorragie, distacchi 
dell'epitelio pigmentato, presenza di neovascolarizzazioni coroideali mal definite, 
tumori, ecc. Come nel caso della fluorangiografia, l'esame prevede l'iniezione 
endovenosa di una sostanza che diviene fluorescente grazie ai raggi infrarossi: il 
verde d'indocianina. La ripresa del fondo dell'occhio si effettua tramite una 
telecamera specifica. La pupilla deve essere dilatata come nell'angiografia a 
fluorescenza. Il verde d'indocianina è un debole colorante, e non colora quindi la 
pelle. La terapia è solo parziale, poiché non è possibile intervenire sulla causa della 
malattia, cioè sull'invecchiamento. Inoltre la retina non si rigenera, né è sostituibile 
con trapianti, e pertanto le zone alterate rimangono tali. Proprio per questi motivi 
occorre intervenire rapidamente, entro pochi giorni o settimane, per cercare di 
arrestare l’evoluzione negativa ed impedire l’aumento delle distorsioni delle 
immagini e delle macchie. Nonostante si stia tentando di prevenire le conseguenze 
della malattia con vitamine e sali minerali da assumere per lunghi periodi, una volta 
comparsi i disturbi l'unica cura possibile è la fotocoagulazione laser. 
Lo scopo è di "cauterizzare", bruciare e quindi far cicatrizzare i vasi anomali, 
responsabili delle distorsioni e delle macchie. Per questo motivo il laser non è utile 
nella forma secca della degenerazione maculare, in cui non vi è la presenza di 
capillari anomali. Inoltre il raggio laser distrugge insieme ai vasi anomali anche le 
cellule della retina, lasciando una cicatrice permanente e quindi una macchia scura. 
Questo è il motivo per cui bisogna scegliere il momento migliore per intervenire, 
prima che la malattia abbia danneggiato completamente il centro della retina.  
Il trattamento laser viene effettuato in ambulatorio, applicando una lente a contatto e 
assolutamente non è doloroso. In diversi casi è necessario eseguire ulteriori sedute a 
causa della ricrescita dei vasi arteriosi e capillari (le cosiddette recidive), che hanno 
quasi sempre la tendenza ad invadere la macula.