SfM-3DULC: Desarrollo y validación de un procedimiento fotogramétrico para el escaneo, medición, clasificación tisular y seguimiento clínico de úlceras cutáneas

Abstract

[ES] La Fotogrametría es una ciencia y tecnología que tiene utilidad médica creciente. Una aplicación médica destacable de la Fotogrametría es la medición de las úlceras de la piel. Las úlceras de la piel constituyen un problema médico y social importante: por su elevado coste económico, afectación de la salud y calidad de vida, frecuente cronicidad y complicaciones. La medición de la úlcera es necesaria y útil para el seguimiento clínico. La disminución de variables de tamaño de la úlcera indica su progresión hacia la cicatrización. Los procedimientos tradicionales de medición unidimensional y bidimensional, como la regla graduada y la planimetría con acetato, se siguen utilizando por su sencillez y comodidad de uso. Sin embargo, son invasivos y tienen inconvenientes técnicos, como inexactitud e imprecisión. Otros procedimientos de medición tridimensional (3D), como la inyección de líquido y los moldes de pasta, pueden tener, además, efectos adversos, como dolor, irritación o reacción alérgica. Algunos procedimientos sin contacto que utilizan técnicas de escaneo con luz estructurada o láser: 1/ necesitan dispositivos de escaneo específicos; 2/ no se ha demostrado su utilidad en la práctica clínica; 3/ tienen un coste elevado. Por otra parte, no hay un procedimiento de referencia (patrón oro) para la medición del volumen de las úlceras cutáneas. Una optimización de las técnicas utilizadas para la valoración objetiva de la evolución de las úlceras de la piel ayudaría a comparar la eficacia de los distintos tratamientos y seleccionar los más adecuados, así como predecir el tiempo de curación. Por todo lo anterior, se justifica el desarrollo de un procedimiento de medición de úlceras basado en una técnica fotogramétrica sin contacto, como la estereofotogrametría. El objetivo general de esta tesis es desarrollar un procedimiento fotogramétrico para el escaneo, medición, clasificación tisular y seguimiento clínico de úlceras cutáneas; y validar dicho procedimiento en un estudio clínico con pacientes, evaluando su fiabilidad y exactitud. El procedimiento SfM-3DULC está basado en las técnicas estereofotogramétricas SfM (Structure from Motion) y MVS (Multi View Stereo) y utiliza como software de escaneo Agisoft PhotoScan y como software de medición del modelo 3D el programa 3DULC, creado por los autores. Este procedimiento escanea y reconstruye un modelo digital 3D de la úlcera utilizando una cámara digital, con la que se adquieren una serie de fotografías desde varias localizaciones y orientaciones. Para la validación del procedimiento SfM-3DULC, se realizó un estudio piloto en el que se evaluó su fiabilidad y exactitud. También se propuso una nueva variante del procedimiento ImageJ, en la que se utiliza una ortofotografía (Ortho-ImageJ), para medir el área proyectada. Por último, se compararon las mediciones realizadas por un grupo de dermatólogos y otro grupo de no expertos. Todas las variables medidas por dermatólogos usando SfM-3DULC mostraron excelentes puntuaciones de fiabilidad intra-evaluador (ICC > 0.99) e inter-evaluador (ICC > 0.98). En conclusión, el software 3DULC desarrollado, en su versión 1.0: 1/ Interviene en la fase de medición de la úlcera cutánea, tras su escaneo. 2/ Es autónomo respecto al procedimiento de escaneo, y podría utilizarse junto a cualquier otra técnica que obtenga una nube de puntos de la úlcera cutánea. 3/ Detecta el contorno de la úlcera de forma asistida basándose en su respuesta espectral. 4/ Clasifica las zonas de la úlcera cutánea según su tipo de tejido utilizando un árbol de decisión. 5/ Mide las siguientes variables morfométricas de la úlcera cutánea: coeficiente de circularidad, coeficiente de lisura, longitud máxima, perímetro, profundidad máxima, área proyectada, área de la superficie excavada, área de la superficie de referencia y volumen. 6/ Presenta los resultados con un informe HTML que facilita la interpretación por personal sanitario.

[CA] La Fotogrametria és una ciència i tecnologia que té utilitat mèdica creixent. Una aplicació mèdica destacable de la Fotogrametria és el mesurament de les úlceres de la pell. Les úlceres de la pell constitueixen un problema mèdic i social important: pel seu elevat cost econòmic, afectació de la salut i qualitat de vida, freqüent cronicitat i complicacions. El mesurament de l'úlcera és necessària i útil per al seguiment clínic. La disminució de variables de mida de l'úlcera indica la seva progressió cap a la cicatrització. Els procediments tradicionals de mesurament unidimensional i bidimensional, com el regle graduat i la planimetria amb acetat, es continuen utilitzant per la seva senzillesa i comoditat d'ús. No obstant això, són invasius i tenen inconvenients tècnics, com inexactitud i imprecisió. Altres procediments de mesurament tridimensional (3D), com la injecció de líquid i els motles de pasta, poden tenir, a més, efectes adversos, com dolor, irritació o reaccions al·lèrgiques. Alguns procediments sense contacte que utilitzen tècniques d'escaneig amb llum estructurada o làser: 1 / necessiten dispositius d'escaneig específics; 2 / no s'ha demostrat la seva utilitat en la pràctica clínica; 3 / tenen un cost elevat. D'altra banda, no hi ha un procediment de referència (patró or) per al mesurament del volum de les úlceres cutànies. Una optimització de les tècniques utilitzades per a la valoració objectiva de l'evolució de les úlceres de la pell ajudaria a comparar l'eficàcia dels diferents tractaments i seleccionar els més adequats, així com predir el temps de curació. Per tot l'anterior, es justifica el desenvolupament d'un procediment de mesurament de úlceres basat en una tècnica fotogramètrica sense contacte, com la estereofotogrametría. L'objectiu general d'aquesta tesi és desenvolupar un procediment fotogramètric per a l'escaneig, mesurament, classificació tissular i seguiment clínic d'úlceres cutànies; i validar aquest procediment en un estudi clínic amb pacients, avaluant la seva fiabilitat i exactitud. El procediment SFM-3DULC està basat en les tècniques estereofotogramétricas SFM (Structure from Motion) i MVS (Multi View Stereo) i utilitza com a programari d'escaneig Agisoft PhotoScan i com a programari de mesurament de el model 3D el programa 3DULC, creat pels autors. Aquest procediment escaneja i reconstrueix un model digital 3D de l'úlcera utilitzant una càmera digital, amb la qual s'adquireixen una sèrie de fotografies des de diverses localitzacions i orientacions. Per a la validació de l'procediment SFM-3DULC, es va realitzar un estudi pilot en el qual es va avaluar la seva fiabilitat i exactitud. També es va proposar una nova variant del procediment ImageJ, en què s'utilitza una ortofotografia (Ortho-ImageJ), per mesurar l'àrea projectada. Finalment, es van comparar les mesures realitzades per un grup de dermatòlegs i un altre grup de no experts. Totes les variables mesures per dermatòlegs usant SFM-3DULC van mostrar excel·lents puntuacions de fiabilitat intra-avaluador (ICC> 0.99) i inter-avaluador (ICC> 0.98). En conclusió, el programari 3DULC desenvolupat, en la seva versió 1.0: 1 / Intervé en la fase de mesurament de l'úlcera cutània, després de la seva exploració. 2 / És autònom respecte a l'procediment d'escaneig, i podria utilitzar-costat de qualsevol altra tècnica que obtingui un núvol de punts de l'úlcera cutània. 3 / Detecta el contorn de l'úlcera de forma assistida basant-se en la seva resposta espectral. 4 / Classifica les zones de l'úlcera cutània segons el seu tipus de teixit utilitzant un arbre de decisió. 5 / Mesura les variables morfomètriques de l'úlcera cutània: coeficient de circularitat, coeficient de llisor, longitud màxima, perímetre, profunditat màxima, àrea projectada, àrea de la superfície excavada, àrea de la superfície de referència i volum. 6 / Presenta els resultats amb un informe HTML que facilita la interpretació per personal sanitari.

[EN] Photogrammetry is a science and technology of increasing medical utility. A notable medical application of photogrammetry is the measurement of skin ulcers. Skin ulcers are a major medical and social problem: due to their high economic cost, impact on health and quality of life, frequent chronicity and complications. Ulcer measurement is necessary and useful for the clinical follow-up. Decreasing ulcer size variables indicate progression towards healing. Traditional one- and two-dimensional measurement procedures, such as the graduated ruler and acetate planimetry, are still used because of their simplicity and ease of use. However, they are invasive and have technical drawbacks, such as inaccuracy and imprecision. Other three-dimensional (3D) measurement procedures, such as liquid injection and paste moulds, may also have adverse effects, such as pain, irritation or allergic reaction. Some non-contact procedures that use structured light or laser scanning techniques: 1/ require specific scanning devices; 2/ have not been demonstrated to be useful in clinical practice; 3/ are expensive. Moreover, there is no reference procedure (gold standard) for the measurement of skin ulcer volume. Optimisation of the techniques used for the objective assessment of the evolution of skin ulcers would help to compare the efficacy of different treatments and to select the most appropriate ones, as well as to predict healing time. Therefore, the development of an ulcer measurement procedure based on a non-contact photogrammetric technique, such as stereophotogrammetry, is justified. The main objective of this thesis is to develop a photogrammetric procedure for the scanning, measurement, tissue classification and clinical follow-up of skin ulcers; and to validate this procedure in a clinical study with patients, evaluating its reliability and accuracy. The SfM-3DULC procedure is based on the stereophotogrammetric techniques SfM (Structure from Motion) and MVS (Multi View Stereo) and uses Agisoft PhotoScan as scanning software and 3DULC as 3D model measurement software. This procedure scans and reconstructs a 3D digital model of the ulcer using a digital camera, which acquires photographs from various locations and orientations. In order to validate the SfM-3DULC procedure, a pilot study was conducted to assess its reliability and accuracy. A new variant of the ImageJ procedure was also proposed, in which an orthophotography (Ortho-ImageJ) is used to measure the projected area. Finally, measurements made by a group of dermatologists and a group of non-experts were compared. All the variables measured by dermatologists using SfM-3DULC showed excellent scores of intra-rater reliability (ICC > 0.99) and inter-rater reliability (ICC > 0.98). In conclusion, the 3DULC software developed, in its version 1.0: 1/ Is used to measure the skin ulcer, after its scan. 2/ Is autonomous with respect to the scanning procedure, and could be used with any other technique that obtains a point cloud of the skin ulcer. 3/ Outlines the edge of the ulcer semi-automatically, based on its spectral response. 4/ Classifies skin ulcer areas according to their tissue type, using a decision tree. 5/ Measures the following morphometric variables of the skin ulcer: circularity coefficient, evenness coefficient, maximum length, perimeter, maximum depth, projected area, surface area, reference surface area and volume. 6/ Presents the results with an HTML report that facilitates its interpretation by healthcare personnel.