Procedimiento y sistema para detectar queratocono subcilnico.
Objeto de la invencion
La presente invencion encuentra apiicacion en ei sector de ia oftaimoiogla, ia optica industrial y ia optometrla, y pertenece al sector del tratamiento de datos digitales para el modelado o simulation de una estructura biologica, concretamente, para ia cornea humana.
Un objeto de ia invencion consiste en proporcionar un procedimiento y un sistema capaz de reconstruir ia geometrla de ia cornea de una forma adecuada, a partir de ia cuai sea posibie detectar una patologla corneal denominada queratocono subcilnico.
As! mismo, es objeto de ia invencion proporcionar un modeio tridimensional unico, correspondiente a ia reconstruction de ia cornea de un paciente, donde dicho modeio es capaz de proporcionar una piuraiidad de parametros representativos de su morfologla con medidas indicativas para ei diagnostico cllnico oftalmologico de ia existencia del queratocono subcilnico.
Antecedentes de la invencion
Ei queratocono es una patologla corneal que describe ia condition de ia cornea caracterizada por un adeigazamiento progresivo, produciendose una protusion de ia cornea en forma de cono, asociada a procesos de cicatrization. Esta patologla comprende cambios en ia morfologla de ia cornea que inducen a una alteration refractiva originando un deficit visual, que en ios casos mas graves, provoca una perdida de vision casi total.
Ei queratocono se caracteriza cilnicamente por presentar evidentes signos de diagnostico como sombras de tijera, ei refiejo de ia gota de aceite de Charieux, ei aniiio de Fleischer, las estrlas de Vogt, etc., ios cuaies hoy en dla se detectan perfectamente por dispositivos de diagnostico oftalmologico. En estos casos ia exploration morfoiogica es reaiizada mediante ia topografla corneal, que no hace mas que confirmar ei diagnostico cllnico.
Sin embargo, existe un escenario previo a ia manifestation cilnica del queratocono, ei denominado queratocono subcilnico, que se caracteriza por no presentar manifestaciones cilnicas observables con ia lampara de hendidura o con ei oftaimoscopio directo, ni tampoco presenta una disminucion de ia vision corregida.
Ei diagnostico del queratocono subcilnico resuita esenciai por varios motivos, entre eiios, que ei pronostico de ia patologla depende, en gran medida, del momento en ei que se diagnostique y, que ia sustraccion del tejido mediante laser exclmer en corneas potenciaimente queratoconicas puede tener consecuencias dramaticas para ia integridad de ia cornea, y, en consecuencia para ia vision del paciente. Su diagnostico se reaiiza mediante un analisis de ia topografla corneai.
Actuaimente existen instrumentos o topografos corneaies para medir ia morfologla corneal. Estos topografos desarroiian tecnicas para ia obtencion de datos de ia cara anterior (aigunos tambien de ia cara posterior) mediante un muestreo (matriz de eievaciones, curvatura, etc.) en un conjunto finito y discreto de puntos que permiten generar un mapa topografico corneal. De esta forma, ei mapa obtenido permite una mejor compresion y evaluation de las caracterlsticas morfologicas de ia cornea.
En ia actuaiidad, ia tecnoiogla mas comun y precisa para ia medida de ia morfologla corneal 5
son los dispositivos basados en los Discos de Placido. Esta tecnologla esta basada en tecnicas de imagen y consiste en proyectar un patron de anillos concentricos de la misma anchura (Discos de Placido) sobre la superficie corneal, con el fin de capturar y digitalizar, mediante una camara, la imagen de los anillos de alto contraste reflejados sobre la primera superficie corneal (superficie de la cara anterior). Esta imagen se digitaliza a lo largo de un numero fijo de meridianos utilizando algoritmos estandar para la detection del borde. El numero de anillos proyectados y el numero de puntos por anillo varla de un topografo corneal a otro, lo que determina su resolution espacial. Estos algoritmos proporcionan un patron finito o conjunto concentrico definido por miles de puntos discretos, que corresponden a puntos espaciales normalizados en coordenadas polares o cartesianas.
La reconstruction de la superficie corneal a partir de estos datos normalizados puede ser susceptible de un error inherente al propio topografo debido a la realization de suposiciones o hipotesis (redondeo) para simplificar los algoritmos internos utilizados.
Por otro lado, la mayorla de los metodos empleados por los topografos corneales existentes en el mercado para la reconstruccion a partir de datos espaciales normalizados utilizan desarrollos basados en los polinomios de Zernike, un estandar en la optometrla y la oftalmologla. Sin embargo, los procedimientos basados en los polinomios de Zernike adolecen de una serie de problemas que han sido discutidos ampliamente en la literatura. Por un lado, no permiten una reconstruccion fidedigna en los casos de topografla compleja, que es la de mayor interes cllnico, y por otro, se anade el problema de una correcta estimation del numero de polinomios de Zernike a usar en la reconstruccion ya que se requiere un numero (orden) relativamente bajo de los mismos para las corneas sanas, y un orden relativamente alto para los casos patologicos. Ademas, las tecnicas objetivas de estimacion del numero de polinomios para la reconstruccion son computacionalmente costosas.
Se conocen otros metodos alternativos a los polinomios de Zernike, entre ellos la reconstruccion usando la transformada discreta o continua de Fourier, la reconstruccion no lineal usando funciones racionales; o la reconstruccion zonal. Sin embargo, ninguna se ha aceptado como estandar, y cada una de ellas adolece de problemas, como la complejidad computacional, inherente a la reconstruccion zonal o por funciones racionales, o la dificultad en el manejo del error residual y resultados controvertidos en el caso de Fourier.
El resultado de esta reconstruccion es una topografla corneal que se presenta como mapas de colores y que permite un analisis cualitativo de los datos.
La introduction de parametros topograficos o similares, simples o compuestos (combination de simples) basados en los datos aportados por la topografla corneal constituyen un intento de introducir objetividad o herramientas mas fiables para detectar el queratocono subcllnico. Sin embargo, los parametros conocidos hasta hoy en la tecnica heredan los errores y la complejidad de los algoritmos o metodos de reconstruccion de la superficie corneal, tal como los polinomios de Zernike.
Por lo tanto, es de gran interes para la comunidad oftalmologica contar con una pluralidad de parametros que permitan la caracterizacion morfologica de la superficie corneal para la deteccion del queratocono subcllnico, basados en una fuente primaria de information y carentes de errores de procesado y/o reconstruccion.
Por ello serla deseable disponer en el estado de la tecnica de un procedimiento y un sistema capaz de reconstruir de forma apropiada (con un ajuste fino y sensible) la geometrla de la superficie de la cornea, especialmente cuando esta presenta irregularidades en su morfologla (cara anterior/cara posterior) como consecuencia de la presencia del queratocono subcllnico. Asimismo, es deseable que este procedimiento y sistema sean capaces de aportar unos
parametros objetivos que permitan la caracterizacion del queratocono subcllnico.
Descripcion de la invencion
De esta forma, el procedimiento y el sistema que la presente invencion propone, se presenta como una mejora frente a lo conocido en el estado del arte, puesto que consigue alcanzar satisfactoriamente los objetivos anteriormente senalados como idoneos para la tecnica.
En terminos de la presente invencion, por detection de queratocono subcllnico se entiende indistintamente deteccion de queratocono fustre o sospecha de queratocono.
En un primer aspecto, la invencion consiste en un procedimiento para detectar queratocono corneal subcllnico en un ojo de un paciente, que comprende las etapas de:
- obtener, a partir de una topografla corneal, un primer conjunto de datos espaciales normalizados asociados a la superficie anterior de la cornea, - obtener, a partir de una topografla corneal, un segundo conjunto de datos espaciales normalizados asociados a la superficie posterior de la cornea, - obtener, a partir de una topografla corneal, al menos un valor de distancia representativo de la separation entre la superficie anterior y la superficie posterior de la cornea, - generar, unos medios de procesamiento, una primera superficie a partir de los datos del primer conjunto de datos espaciales, - generar, los medios de procesamiento, una segunda superficie a partir de los datos del segundo conjunto de datos espaciales, - generar, los medios de procesamiento, un modelo tridimensional representativo de la morfologla corneal, disponiendo la segunda superficie sobre la primera superficie con una separacion entre ambas de al menos el valor de distancia obtenido, de forma que el centro geometrico de la segunda superficie coincida con el centro geometrico de la primera superficie, pasando por dicho centro el eje axial comun a ambas superficies y, donde ambas superficies estan unidas por una superficie perimetral para formar un modelo cerrado, y, en el que dicho modelo proporciona al menos un primer parametro (p1) con information de una primera medida de desviacion correspondiente a la distancia existente entre el punto de mayor altura de la segunda superficie respecto del eje axial, y donde dicha primera medida de desviacion es indicativa de queratocono subcllnico.
El procedimiento de la invencion permite realizar una reconstruction completa de la cornea de un paciente, generando un modelo tridimensional representativo de su morfologla. El modelo es un modelo solido o cerrado, donde la primera y la segunda superficie estan unidas mediante la superficie perimetral. Con el modelo tridimensional, la invencion permite proporcionar al menos una medida indicativa de un posible queratocono subcllnico, a partir de la informacion suministrada por la segunda superficie, correspondiente a la superficie posterior de la cornea. Asl, el modelo proporciona al menos un primer parametro (p1) con informacion para detectar la presencia de un posible queratocono subcllnico.
No obstante, al generar un modelo tridimensional, la invencion es capaz de proporcionar medidas indicativas de queratocono subcllnico tambien, a partir de la informacion suministrada por la primera superficie, asl como por la distancia entre ambas superficies.
De esta forma, la invencion provee una pluralidad de parametros representativos de la morfologla corneal, que son susceptibles de proporcionar medidas indicativas de la posible existencia de un queratocono subcllnico.
La invention proporciona parametros que proceden directamente de los datos espaciales normalizados obtenidos de un topografo corneal, concretamente, a partir de la proyeccion de Discos de Placido sobre la superficie corneal. De esta forma, la invencion proporciona information para la detection del queratocono subcllnico carente de errores de procesado y/o reconstruction, lo cual permite realizar una reconstruction fidedigna de la morfologla corneal y una deteccion del queratocono subcllnico mas fiable y eficaz.
Segun una realization preferente, el procedimiento comprende proporcionar un segundo parametro (p2) con informacion de una segunda medida de desviacion correspondiente a la distancia existente entre el punto de mayor altura de la primera superficie y el eje axial.
Segun otra realizacion preferente, el procedimiento comprende proporcionar un tercer
parametro (p3) con informacion de una tercera medida de desviacion correspondiente a la distancia existente entre el punto de maxima curvatura (o mlnimo espesor) de la segunda superficie y el eje axial.
Segun otra realizacion preferente, el procedimiento comprende proporcionar un cuarto
parametro (p4) con informacion de una cuarta medida de desviacion correspondiente a la distancia existente entre el punto de maxima curvatura (o mlnimo espesor) de la primera superficie y el eje axial.
Segun otra realizacion preferente, el procedimiento comprende proporcionar un quinto
parametro (p5) con informacion del area de la primera superficie.
Segun otra realizacion preferente, el procedimiento comprende proporcionar un sexto
parametro (p6) con informacion del area de la segunda superficie.
En un segundo aspecto, la invencion consiste en un sistema para detectar queratocono subcllnico que comprende:
- un topografo corneal configurado para:
proporcionar un primer conjunto de datos espaciales normalizados asociados a la superficie anterior de la cornea, proporcionar un segundo conjunto de datos espaciales normalizados asociados a la superficie posterior de la cornea, proporcionar, al menos, un valor de distancia representativo de la separation entre la superficie anterior y la superficie posterior de la cornea, - unos medios de procesamiento configurados para:
generar una primera superficie a partir de los datos del primer conjunto de datos espaciales, generar una segunda superficie a partir de los datos del segundo conjunto de datos espaciales, generar un modelo tridimensional representativo de la morfologla corneal, disponiendo la segunda superficie sobre la primera superficie con una separacion entre ambas de al menos el valor de distancia obtenido y de forma que el centro geometrico de la segunda superficie coincida con el centro geometrico de la primera superficie, pasando por dicho centro el eje axial comun a ambas superficies y, donde ambas superficies estan unidas por una superficie perimetral para formar un modelo cerrado, y, en el que dicho modelo proporciona al menos un primer parametro (p1) con informacion de una primera medida de desviacion correspondiente a la distancia
existente entre el punto de mayor altura de la segunda superficie respecto del eje axial, detectar, un posible queratocono subcllnico a partir de la medida proporcionada.
De forma preferente, los medios de procesamiento estan adicionalmente configurados para proporcionar un segundo parametro (p2) con information de una segunda medida de desviacion correspondiente a la distancia existente entre el punto de mayor altura de la primera superficie y el eje axial.
De forma igualmente preferente, los medios de procesamiento estan configurados para proporcionar un tercer parametro (p3) con informacion de una tercera medida de desviacion correspondiente a la distancia existente entre el punto de maxima curvatura (o mlnimo espesor) de la segunda superficie y el eje axial.
Preferentemente, los medios de procesamiento estan configurados para proporcionar un cuarto parametro (p4) con informacion de una cuarta medida de desviacion correspondiente a la distancia existente entre el punto de maxima curvatura (o mlnimo espesor) de la primera superficie y el eje axial.
Preferentemente, los medios de procesamiento estan configurados para proporcionar un quinto parametro (p5) con informacion del area de la primera superficie.
Segun otra realization preferente, los medios de procesamiento estan configurados para proporcionar un sexto parametro (p6) con informacion del area de la segunda superficie.
Descripcion de los dibujos
Para complementar la descripcion que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterlsticas del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realizacion practica del mismo, se acompana como parte integrante de dicha descripcion, unos dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1. Muestra una representation esquematica de la generation del modelo tridimensional a partir de los datos espaciales normalizados proporcionados por el topografo corneal, segun una realizacion preferente de la invention.
La figura 2. Muestra una vista en perspectiva del modelo generado en la que se aprecia la primera superficie, la segunda superficie y la superficie perimetral que lo conforman.
La figura 3. Muestra una vista en detalle de un corte del modelo por el plano sagital definido por el eje axial y el punto de mayor altura de la segunda superficie en la que se aprecia la primera medida de desviacion tomada a partir del punto de mayor altura de la segunda superficie respecto al eje axial.
La figura 4. Muestra una vista en detalle de un corte del modelo por el plano sagital definido por el eje axial y el punto de mayor altura de la primera superficie en la que se aprecia la segunda medida de desviacion tomada a partir del punto de mayor altura de la primera superficie respecto al eje axial.
La figura 5. Muestra una vista en detalle de un corte del modelo por el plano sagital en la que se aprecia la tercera y la cuarta medida de desviacion, tomadas, respectivamente, a partir del punto de maxima curvatura de la segunda y primera superficie.
La figura 6.- Muestra la curva ROC de la sensibilidad frente a 1-especificidad para un sistema
clasificador binario de discrimination de las corneas queratoconicas subcilnicas a partir de los parametros descritos.
Realization preferente de la invention
La Figura 1 muestra la generation del modelo 7 tridimensional de forma esquematica. La generation comienza con la obtencion del primer 1 y del segundo 2 conjunto de datos espaciales normalizados, a partir de alturas normalizadas en forma de un conjunto finito y discreto de puntos espaciales o nube de puntos. Las alturas normalizadas y los datos espaciales normalizados se obtienen a partir de un equipo de instrumentation oftalmologica, tal como un topografo corneal o similar. El primer conjunto 1 de datos espaciales normalizados contiene information de la superficie anterior de la cornea del paciente, mientras que el segundo conjunto 2 contiene information de la superficie posterior.
El primer 1 y el segundo conjunto 2 de datos proporcionados por el equipo oftalmologico pueden estar en formato de coordenadas cartesianas, polares o cillndricas. En caso de que esten en coordenadas polares o cillndricas, se procedera a transformarlas a coordenadas cartesianas (x, y, z). Los conjuntos 1, 2 de datos espaciales normalizados se introducen posteriormente en unos medios de procesamiento para la reconstruccion geometrica de superficies, con el fin de generar una superficie para cada conjunto de datos. Asl, los medios de procesamiento generan una primera superficie 3 a partir de los datos del primer conjunto 1, y una segunda superficie 4 a partir de los datos del segundo conjunto 2. A continuation, los medios de procesamiento, disponen la segunda superficie 4 sobre la primera superficie 3, de forma que sus centros geometricos 6, 5 sean coincidentes. Seguidamente, los medios de procesamiento generan un modelo 7 tridimensional, el cual estara formado por la primera superficie 3, la segunda superficie 4 y una superficie perimetral 9 que une ambas superficies 3, 4. La Figura 2 muestra una vista en perspectiva del modelo 7 en la que se aprecian las superficies anteriormente mencionadas.
El modelo 7 es un solido tridimensional representativo de la morfologla corneal, ya que sus superficies han sido generadas a partir de los datos espaciales normalizados proporcionados por el equipo oftalmologico. De esta forma, el modelo 7 generado proporciona una pluralidad de parametros susceptibles de aportar information indicativa de un posible queratocono subcllnico.
El modelo 7 comprende al menos un primer parametro (p1) con information indicativa de la posible presencia de queratocono subcllnico. La Figura 3 muestra la obtencion de la information asociada a dicho primer parametro (p1) , el cual se corresponde con la desviacion del apex de la superficie posterior de la cornea del paciente. Dicha desviacion del apex de la superficie posterior se obtiene a partir de una primera medida de desviacion 16 que corresponde a la distancia existente entre el punto de mayor altura 14 de la segunda superficie 4 respecto del eje axial 12. El eje axial 12 es el eje Z comun a ambas superficies 5 y 6.
De forma similar a la Figura 3, la Figura 4 muestra la obtencion de la information asociada a un segundo parametro (p2) susceptible de aportar information indicativa del posible queratocono subcllnico. Dicho segundo parametro (p2) se corresponde con la desviacion del apex de la superficie anterior de la cornea del paciente. La desviacion del apex de la superficie anterior se obtiene a partir de una segunda medida de desviacion 15 que corresponde a la distancia existente entre el punto de mayor altura 13 de la primera superficie 3 respecto del eje axial 12.
La Figura 5 muestra la obtencion de la information asociada a un tercer parametro (p3) que se corresponde con la desviacion del punto de maxima curvatura 19 de la segunda superficie 4, y la obtencion de un cuarto parametro (p4) correspondiente con la desviacion del punto de
maxima curvatura 18 de la primera superficie 3. En ambos casos, los puntos de maxima curvatura 19, 18 corresponden a los puntos de mmimo espesor de la cornea. La desviacion del punto de maxima curvatura 19 de la segunda superficie 4 se obtiene a partir de una tercera medida de desviacion 21 correspondiente a la distancia existente entre el punto de maxima curvatura 19 de la segunda superficie 4 y el eje axial 12. Igualmente, la desviacion del punto de maxima curvatura 18 de la primera superficie 3 se obtiene a partir de una cuarta medida de desviacion 20 correspondiente a la distancia existente entre el punto de maxima curvatura 18 de la primera superficie 3 y el eje axial 12.
Por ultimo, el quinto (p5) y el sexto parametro (p6) contienen information del area de la primera 3 y segunda superficie 4 respectivamente.
La figura 6 muestra la curva ROC de la sensibilidad frente a 1-especificidad de un sistema clasificador binario de discrimination de las corneas queratoconicas subclmicas a partir de los parametros descritos. La figura muestra un ejemplo en el que se ha utilizado un analisis ROC para verificar los parametros descritos para la clasificacion de las corneas sanas de las que presenten la patologia del queratocono subclmico, calculandose el punto de corte optimo, la sensibilidad y la especificidad. El punto de corte optimo indica cuantitativamente la medida proporcionada por cada parametro a partir de la cual se considera la deteccion de queratocono subclmico.
En el ejemplo de la figura mostrada, se realizo en primer lugar un analisis de la normalidad de los datos espaciales normalizados 1, 2 para analizar las diferencias entre corneas sanas y corneas con queratocono subclmico.
Los datos de partida fueron obtenidos para radios de cornea de 4mm, no obstante, podrian haberse obtenido para radios de 6mm si el topografo corneal permitiera obtener datos de calidad para radios mayores de 4mm.
Como se observa, el parametro 1 (p1) es el mas significativo, presenta un area bajo la curva de 0.881, un valor p<0.000, una desviacion estandar de 0.044, y un intervalo de confianza al 95% (95% CI) de 0.796 a 0.967. El punto de corte de p1 (Pp1) fue 0, 0655mm, con una sensibilidad y especificidad asociadas de valor 90, 32% y 34, 83% respectivamente.
El parametro 2 (p2) presenta un area bajo la curva de 0.823, una p<0.000, una desviacion estandar de 0.054, y un 95%CI de 0.716 a 0.929. El punto de corte obtenido para p2 (Pp2) fue 0.0010mm, con una sensibilidad y especificidad asociadas de un 64, 52% y 100, 00% respectivamente.
El parametro 3 (p3) presenta un area bajo la curva de 0.758, una p<0.000, una desviacion estandar de 0.053, y un 95%CI de 0.654 a 0.862. El punto de corte obtenido para p3 (Pp3) fue 0.6215mm, con una sensibilidad y especificidad asociadas de un 90, 32% y 20, 22%
respectivamente.
El parametro 4 (p4) presenta un area bajo la curva de 0.746, una p<0.000, una desviacion estandar de 0.054, y un 95%CI de 0.640 a 0.853. El punto de corte para p4 (Pp4) fue 0.6795mm, con una sensibilidad y especificidad asociadas de un 90, 32% y 21, 35%
respectivamente.
El parametro 5 (p5) presenta un area bajo la curva de 0.674, una p<0.004, una desviacion
estandar de 0.059, y un 95%CI de 0.557 a 0.790. El punto de corte para p5 (Pp5) fue
42.9460mm2, con una sensibilidad y especificidad asociadas de un 90, 32% y 15, 73% respectivamente.
Finalmente, el parametro 6 (p6) cuenta con un area: 0.638, una p<0.023, una desviacion estandar de 0.061 y un 95%CI de 0, 519 a 0, 757. El punto de corte para p6 (Pp6) fue 44.9985mm2, con una sensibilidad y especificidad asociadas de un 90, 32% y 19, 10% 5 respectivamente.
Por ultimo, a la vista de esta description y figuras, el experto en la materia podra entender que la invention ha sido descrita segun algunas realizaciones preferentes de la misma, pero que multiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes, sin salir del 10 objeto de la invencion tal y como ha sido reivindicada.
