Investigation of the Retinal Biomarkers of Alzheimer's Disease and Atherosclerosis Using Hyperspectral Images

Le fait que l'oeil puisse être visualisé de manière non invasive ouvre des possibilités de mesure de biomarqueurs pour le diagnostic de conditions à long terme. Selon de nombreuses études, plusieurs maladies cardiovasculaires et neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer (AD) et l'athérosclérose (ATH) se manifestent dans la rétine sous forme de modifications morphologiques pathologiques et / ou vasculaires. Des méthodes d'imagerie oculaire en deux dimensions et des techniques de tomographie par cohérence optique (OCT) en trois dimensions ont été développées pour fournir des descriptions des structures rétiniennes. Cependant, les images acquises par ces techniques permettent principalement de mesurer les caractéristiques spatiales et pas la variance relative de l'intensité des pixels sur différentes longueurs d'onde, de sorte que d'importantes caractéristiques liées aux tissus peuvent encore rester à découvrir. Dans cette étude, une caméra rétinienne métabolique hyperspectrale (MHRC) a été utilisée pour permettre l'acquisition d'une série d'images rétiniennes obtenues à des longueurs d'onde spécifiques couvrant le spectre du visible au proche infrarouge (NIR). Dans cette technique, le facteur de transmission, l'absorption et la diffusion de la lumière sont reflétés dans le spectre de la lumière émise par le tissu. Par conséquent, non seulement les caractéristiques spatiales communes mais également les « signatures spectrales » de biomolécules pourraient être révélées. Cela aide à trouver une plus grande variété de caractéristiques spatiales / spectrales pour une investigation plus précise des biomarqueurs rétiniens des maladies. En ce qui concerne les coûts et les limites associés aux diagnostics actuels de l'AD et de l'ATH, le but de cette thèse était d'analyser le contenu en informations d'images rétiniennes hyperspectrales riches en données dans le but de caractériser des informations discriminantes cachées liées aux tissus afin d'identifier des biomarqueurs possibles de ces deux maladies. À cette fin, une combinaison de caractéristiques vasculaires et de mesures de textures spatiales-spectrales ont été extraites de différentes régions anatomiques de la rétine. Dans le contexte de la maladie d'Alzheimer, des images rétiniennes de 20 cas présentant une altération cognitive et de 26 cas normaux cognitivement ont été acquises à l'aide de la caméra MHRC. Le statut amyloïde cérébral a été déterminé à partir de lectures binaires effectuées par un panel de 3 experts noteurs ayant participé à des études de TEP au 18F-Florbetaben. Des caractéristiques de l'image rétinienne ont été calculées, notamment la tortuosité et le diamètre des vaisseaux, ainsi que les mesures de textures spatiales-spectrales sur les artérioles, les veinules et le tissu environnant. Les veinules rétiniennes des sujets amyloïdes positifs (Aβ +) ont présenté une tortuosité moyenne plus élevée par rapport aux sujets amyloïdes négatifs (Aβ-). Le diamètre artériolaire des sujets Aβ + s'est avéré supérieur à celui des sujets Aβ- dans une zone adjacente à la tête du nerf optique. De plus, une différence significative entre les mesures de texture construites sur les artérioles rétiniennes et leurs régions adjacentes a été observée chez les sujets Aβ + par rapport aux Aβ-. Dans le contexte de l'ATH, 60 images rétiniennes de 30 ATH probables sur le plan clinique et 30 cas de contrôle ont été acquises. Les critères d'inclusion pour les sujets souffrant d'ATH comprenaient: l'infarctus du myocarde; angiographie coronaire montrant au moins une sténose coronaire (plus de 50%); et / ou une angioplastie coronaire; et /ou pontage coronaire. Les artérioles rétiniennes des sujets ATH ont montré un rétrécissement significatif par rapport aux sujets témoins. En outre, une différence significative entre les mesures de textures d'images prises sur les artérioles et les veinules rétiniennes et leurs régions adjacentes a été trouvée entre les sujets ATH et les sujets témoins. Nos études transversales ont montré que l'analyse hyperspectrale des images rétiniennes pouvait discerner avec une précision acceptable l'AD et l'ATH des sujets témoins correspondants.

Abstract

The fact that eye can be visualized non-invasively, opens up possibilities to measure biomarkers for diagnosis of long-term conditions. A significant body of literature has demonstrated that many of the neurodegenerative and cardiovascular diseases such as Alzheimer's disease (AD) and atherosclerosis (ATH) manifest themselves in retina as pathological and/or vasculature morphological changes. Methods for two-dimensional fundus imaging and techniques for three-dimensional optical coherence tomography (OCT) have been developed to provide descriptions of retinal structures. However, images acquired by these techniques mostly allow for measuring the spatial characteristics of the tissue and lack of the relative variances across differing wavelengths, thus important spectral features may remain uncovered. In this study, a Metabolic Hyperspectral Retinal Camera (MHRC) was used that permits the acquisition of a series of retinal images obtained at specific wavelengths covering the visible and near infrared (NIR) spectrum. In this technique, light transmittance, absorption, and scatter are reflected in the spectrum of light emitted from the tissue. Use of MHRC in this study was aimed to extract not only the common spatial features but also “spectral signatures” of biomolecules in retinal tissue. Regarding the costs and limitations of the current diagnostic methods for AD and ATH, the purpose of this thesis was to analyze the information content of data-rich hyperspectral retinal images to characterize tissue-related discriminatory information to identify possible biomarkers of Alzheimer's disease and atherosclerosis. To this end, a combination of vascular features and spatial/spectral texture measures were extracted from different anatomical regions of the retina. In the context of AD, retinal images from 20 cognitively impaired and 26 cognitively unimpaired cases were acquired using MHRC. The cerebral amyloid status was determined from binary reads by a panel of three expert raters on 18F-Florbetaben PET studies. Our approach did not aim to visualize directly Aβ deposits in the retina but rather to determine a likely amyloid status based on sets of retinal image features highly correlated with the cerebral amyloid status. Retinal image features were calculated including vessels' tortuosity and diameter. Spatial/spectral texture measures over arterioles, venules, and tissue around were also extracted. Retinal venules of amyloid positive subjects (Aβ+) showed a higher mean tortuosity compared to the amyloid negative (Aβ-) subjects. Arteriolar diameter of Aβ+ subjects was found to be higher than the Aβ- subjects in a zone adjacent to the optical nerve head. Furthermore, a significant difference between spatial/spectral texture measures built over retinal arterioles and surrounding tissues were observed in Aβ+ subjects when compared to the Aβ-. In the context of ATH, 60 retinal images from 30 clinically probable ATH and 30 control cases were acquired. Inclusion criteria for subjects suffering from ATH included: myocardial infarction; coronary angiography showing at least one coronary stenosis (more than 50%); and/or coronary angioplasty; and/or coronary bypass. Retinal arterioles of ATH subjects showed a significant narrowing when compared to control subjects. Moreover, a significant difference between image texture measures taken over retinal arterioles and retinal venules and their adjacent regions was observed between ATH subjects and control subjects. Our cross-sectional studies have shown that hyperspectral retinal image analysis could be used to discriminate AD and ATH from corresponding control subjects based on a non-invasive eye scan.