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Title in Portuguese: Quantificação de angiogênese corneana in vivo através de processamento de imagens digitais
Title: In vivo quantification of corneal angiogenesis using digital image processing
Author: Jamacaru, Francisco Vagnaldo Fechine
Advisor(s): Moraes Filho, Manoel Odorico de
Keywords: Neovascularização da Córnea
Inflamação
Prednisona
Issue Date: 2006
Citation: JAMACARU, Francisco Fechine Vagnaldo. Quantificação de angiogênese corneana in vivo através de processamento de imagens digitais. 2006. 243 f. Tese (Doutorado em Cirurgia) - Universidade Federal do Ceará. Faculdade de Medicina, Fortaleza, 2006.
Abstract in Portuguese: Um programa de computador foi desenvolvido especificamente para a segmentação e quantificação de angiogênese corneana em imagens digitais capturadas in vivo. O propósito foi estabelecer um método automático para quantificar, de forma rápida, objetiva e acurada, a progressão temporal da resposta angiogênica. Desenvolveu-se ainda um modelo de angiogênese corneana inflamatória em coelhos, induzida por uma cauterização alcalina pontual, onde a resposta angiogênica foi avaliada, conforme cinco métodos manuais, nos dias 3, 6, 9, 12, 15, 18 e 21 após a cauterização, ocasiões em que também foram obtidas, de maneira padronizada, imagens digitais da córnea. O software é composto de cinco módulos, com funções específicas, que identificam e segmentam automaticamente os neovasos e quantificam a resposta angiogênica mediante a determinação de três parâmetros principais: área de neovascularização, comprimento vascular total e número de vasos sangüíneos. Assim, o sistema dispensa a rotulação prévia da neovascularização, propiciando, por conseguinte, o monitoramento espacial e temporal da resposta angiogênica in vivo. A avaliação da validade do método automático proposto envolveu a determinação do grau da correlação entre cada um dos quantificadores automáticos e os cinco parâmetros manuais. Compreendeu ainda a comparação do reconhecimento automático dos vasos sangüíneos realizado pelo software em 50 subimagens com o reconhecimento manual efetuado, consensualmente, por três examinadores (padrão-ouro), determinando-se então a sensibilidade, especificidade e o coeficiente de concordância kappa. Para avaliar a confiabilidade, três examinadores utilizaram o método automático para analisar 50 imagens em dois momentos. A concordância intra e interexaminadores foi medida pelo coeficiente de correlação intraclasse. Para ilustrar a utilidade do método automático, delineou-se um ensaio que avaliou o efeito dos fármacos prednisona, talidomida, ácido acetilsalicílico, etoricoxib e celecoxib no modelo de angiogênese corneana inflamatória. A análise dos gráficos dos quantificadores manuais e automáticos revelou que a evolução temporal da resposta angiogênica no modelo de angiogênese corneana inflamatória seguiu um padrão bifásico: crescimento exponencial até o dia 12 (fase de proliferação), seguido de crescimento linear até o dia 21 (fase de maturação). Constatou-se uma forte correlação linear positiva estatisticamente significante entre os quantificadores automáticos e manuais, denotando que o método automático mensurou a resposta angiogênica de forma análoga à realizada pelo método manual. A sensibilidade do método automático foi 85,32%, enquanto sua especificidade foi 96,37%. A concordância entre o reconhecimento manual e o reconhecimento automático dos vasos sangüíneos foi classificada pela estatística kappa como quase perfeita. A concordância interexaminadores foi avaliada em seis situações, sendo classificada como excelente em quatro delas e como boa nas outras duas. A concordância intra-examinador foi mensurada em nove situações, sendo classificada como boa em apenas uma e como excelente nas demais. Além disso, o sistema automático foi capaz de identificar diferenças na intensidade do efeito antiangiogênico dos diferentes fármacos avaliados, possibilitando graduar a atividade inibitória em plena (prednisona), parcial (talidomida, ácido acetilsalicílico e etoricoxib) e insuficiente (celecoxib), demonstrando, assim, o seu valor como método para análise quantitativa de angiogênese. Portanto, tais dados demonstram que o sistema automático proposto constitui um método de quantificação de angiogênese acurado e reprodutível.
Abstract: A software was developed specifically for segmentation and quantification of corneal angiogenesis in digital images acquired in vivo. The purpose was to establish an automatic method to quantify the corneal progression of the neovascular response in a rapid, objective and accurate manner. It was also developed a model of inflammatory corneal angiogenesis in rabbits induced by a punctual alkaline cauterization. Angiogenic response was evaluated at days 3, 6, 9, 12, 15, 18 and 21 after cauterization. At these occasions, digital images of cornea were also captured in a standardized fashion. The software is composed of five modules, each with specific functions, which automatically identify and segment the neovessels and quantify the neovascular response through the calculation of three main parameters: neovascularization area, total vascular length and blood vessels number. Thus, the system does not require previous enhancement of the neovascularization, so that it provides the temporal and spatial monitoring of the angiogenic response in vivo. To assess the validity of the automatic method, it was determined the correlation degree between each automatic parameters and the five manual variables. It was also evaluated by comparing automatic recognition of blood vessels performed by the software on 50 subimages with the manual recognition performed by three raters by consensus (gold-standard) and then calculating the sensitivity, specificity and kappa coefficient. To assess reliability, three raters used the automatic method for analysing 50 images at two moments. The intra and inter-raters agreement was assessed by calculating intraclass correlation coefficient. To illustrate the utility of the automatic method, it was designed an assay that evaluated the effect of prednisone, thalidomide, acetylsalicylic acid, etoricoxib and celecoxib in the model of inflammatory corneal angiogenesis. The analysis of the graphics of the manual and automatic parameters showed that the temporal progression of the neovascular response in this model followed a biphasic pattern: exponential growth until day 12 (proliferation phase), followed by linear growth until day 21 (maturation phase). It was found a statistically significant positive linear correlation between automatic and manual variables, denoting that both methods measured the angiogenic response in an analogous fashion. The sensitivity of the automatic method was 85.32% and the specificity was 96.37%. The agreement between manual and automatic recognition of blood vessels was classified as almost perfect, according to kappa statistics. The inter-raters agreement was measured in six situations and it was classified as good in two of them and as excellent in the others. Among the nine situations analysed, the intra-rater agreement was classified as good in only one of them and as excellent in the others. Furthermore, the automatic system was able to detect differences in the intensity of the antiangiogenic effect of tested drugs, allowing the inhibitory activity to be graduated as full (prednisone), partial (thalidomide, acetylsalicylic acid and etoricoxib) and insufficient (celecoxib), demonstrating, thus, its value as method for quantitative analysis of angiogenesis. Therefore, such results demonstrate that the proposed automatic system constitutes an accurate and reproducible method of angiogenesis quantification.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/7700
metadata.dc.type: Tese
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