Hyperspectral imaging system for the fast recording of the ocular fundus

Abstract

Vision loss affects physical, psychological, and emotional wellbeing and social life as well. High life expectancy and health policies are translated into an aging population worldwide, which has higher risk of eye’s disorders and diseases. Therefore, new systems able to contribute at non-invasive objective diagnosis of ocular diseases are demanded. In this context, optical imaging techniques have a primary role as they allow obtaining information from almost any part of the eye. In particular, many important eye and systemic diseases early manifest themselves in the retina and, since the pioneer study of Helmholtz, many resources have been spent to acquire good images of the ocular fundus. In common clinics, fundus photography is restricted to color imaging sensors with only three spectral bands, and, due to metamerism, many structures might remain hidden. Recently, hyperspectral imaging techniques have come to view as a promising and powerful tool for the spectral analysis of several retinal diseases, increasing the amount of information extractable from fundus photography. However, in the literature, examples are restricted to the visible range of the electromagnetic spectrum, have few bands and/or make use of modified commercial fundus cameras. Accordingly, the goal of this project is to build a novel hyperspectral fundus camera based on light-emitting diodes allowing the fast imaging of the retina both in the visible and in the near infrared region of the spectrum, which has never been explored, through a considerable number of spectral bands. This fundus camera has been designed, tested and developed with new custom-made illumination and detection strategies combined with novel cutting- edge technology at the Center for Sensors, Instruments and Systems Development (CD6) of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC, Terrassa). Finally, after a scrupulous clinical study carried out at the Instituto de Microcirugía Ocular (IMO, Barcelona) and at the University Vision Center of UPC (CUV-UPC, Terrassa), qualitative and quantitative results are presented for healthy and diseased eyes. The available spectroscopic information and the visualization of retinal structures and lesions, especially those affecting the choroidal vasculature and retinal pigment epithelium that are hardly visible in conventional color fundus images, underline the clinical potential of this system as a new tool for ophthalmic diagnosis. La pèrdua de visió afecta el benestar físic, psicològic i emocional, i també la vida social de les persones. La llarga esperança de vida i les polítiques de salut es tradueixen en un envelliment de la població a tot el món, la qual presenta un major risc de patir trastorns i malalties oculars. Per tant, es requereixen nous sistemes capaços de contribuir al diagnòstic objectiu no invasiu d'aquestes malalties. En aquest context, les tècniques d’imatge òptica tenen un paper primordial, ja que permeten obtenir informació de gairebé qualsevol part de l’ull. En particular, moltes malalties oculars i sistèmiques importants es manifesten primerencament a la retina i, des de l’estudi pioner de Helmholtz, s’han gastat molts recursos per adquirir bones imatges del fons ocular. Tradicionalment, a les clíniques oftalmològiques, la fotografia de fons d'ull es fa amb sensors d'imatge en color amb només tres bandes espectrals i, a causa del metamerisme, algunes estructures poden romandre amagades. Recentment, les tècniques d’imatge hiperspectral s’han mostrat com una eina prometedora per a l’anàlisi espectral de la retina, augmentant la quantitat d’informació que es pot extreure de la fotografia del fons d'ull. Tanmateix, a la literatura, els exemples es restringeixen al rang visible de l’espectre electromagnètic, tenen poques bandes i/o fan ús de càmeres de fons d'ull comercials modificades. En conseqüència, l’objectiu d’aquest projecte és construir una nova càmera de fons d'ull hiperspectral basada en díodes emissors de llum que permetin obtenir una imatge ràpida de la retina tant a la regió visible com a la de l’infraroig proper de l’espectre, que mai no s’ha explorat, a través d’un nombre considerable de bandes espectrals. Aquesta càmera de fons d'ull ha estat dissenyada i desenvolupada amb noves estratègies d’il·luminació i detecció fetes a mida i combinades amb nova tecnologia d’avantguarda al Centre de Desenvolupament de Sensors, Instrumentació i Sistemes (CD6) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC, Terrassa). Finalment, després de la realització d’un estudi clínic detallat portat a terme a l’Institut de Microcirurgia Ocular (IMO, Barcelona) i al Centre Universitari de la Visió de la UPC (CUV-UPC, Terrassa), en aquesta tesi es presenten resultats qualitatius i quantitatius tant per a ulls sans com amb malalties de retina. La informació espectroscòpica i la visualització d’estructures i lesions de la retina, especialment aquelles que afecten la vasculatura de coroides i a l’epiteli pigmentari de la retina que són difícilment visibles en les imatges convencionals del fons d'ull en color, posen de manifest el potencial clínic d’aquest sistema com a nova eina per al diagnòstic oftalmològic