Advancing retinal OCT image analysis as a biomarker for Parkinson’s disease

Abstract

The number of people worldwide affected by Parkinson’s disease (PD) is increasing every year. This is a worrying trend, which requires new biomarkers to better diagnose and monitor the disease. Research to date has demonstrated that, in addition to brain neurodegeneration, there is a dysfunction of the retina in PD patients. Promisingly, several studies have shown that retinal changes in PD can be detected using optical coherence tomography (OCT) imaging. However, there is no conclusive agreement on the potential of OCT as a reliable biomarker for PD. As a key limitation, most research has focused on a small set of features and standard OCT image analysis. Applying more advanced methods could help identify the specific aspects of the retina affected in PD and potentially uncover new biomarkers. Given this context, the present body of work has two main objectives: 1) to improve and advance existing OCT image analysis techniques and 2) to apply the developed methods to be able to study the retina of PD patients in more detail. First, novel methods were developed for OCT image alignment, quality control, and feature extraction. The developed methods were integrated into an open-source toolbox called RETIMAT, which forms the backbone of this work and is freely available to the community. Subsequently, data from healthy controls was utilized to evaluate the impact of age and sex on retinal morphology and create a normative dataset. The potential of OCT features for the diagnosis, severity assessment, and monitoring of PD was then evaluated, employing both conventional and novel features. Data for this purpose was obtained from two of the largest longitudinal cohorts to date. Our findings reveal that the explored OCT features contain information related to cognitive and motor impairment. Furthermore, the evidence suggests a differential evolution of the retina of PD patients over time. However, accurate diagnosis, severity assessment, and monitoring at an individual level using OCT features does not appear feasible. In can thus be concluded that OCT may be a better tool for understanding general aspects of PD than for guiding clinical decisions on individual patients.

Munduan, Parkinson gaixotasuna duten pertsonen kopurua handitzen ari da urtero. Joera horren aurrean, premiazkoa da biomarkatzaile berriak garatzea gaixotasuna zehaztasunez diagnostikatzeko eta monitorizatzeko. Gaur egun, jakina da garuneko neuroendekapenaz gain gaixoek erretinaren disfuntzioa garatzen dutela. Izan ere, hainbat ikerketa lanek erakutsi dute gaixotasunak erretinan sorrarazten dituen aldaketak koherentzia optikoko tomografia (OCT, ingelesez) irudien bidez detektatu daitezkeela. Hala ere, OCT irudiak biomarkatzaile fidagarri gisa erabil daitezkeela frogatzear dago oraindik. Hobekuntza puntu gisa, ikerketa gehienek erretinaren ezaugarrien multzo txiki bat baino ez dute ikertu eta OCT irudi analisirako teknika estandarrak erabili dituzte gehienetan. Hemen, ezaugarri eta metodo aurreratuagoak erabiltzeak gaixotasunak eragindako erretina aldaketa konkretuak identifikatzen eta biomarkatzaile berriak garatzen lagun lezake. Aurrekoa kontuan hartuta, lan honek bi helburu nagusi ditu: 1) OCT irudi analisirako teknikak hobetu eta aurreratu, eta 2) garatutako metodoak aplikatu Parkinson gaixotasuna dutenen erretina xehetasun gehiagoz aztertzeko. Lehenik, metodo berriak garatu dira OCT irudiak lerrokatzeko, irudi kalitate ona bermatzeko eta erretina ezaugarri berriak kalkulatzeko. Sortutako metodoak RETIMAT izeneko softwarean integratu dira. Software horrek ikerketa lan honen oinarria osatzen du, eta era librean dago eskuragarri komunitate zientifikoarentzat. Ondoren, gizaki osasuntsuen datuak erabili dira adinak eta sexuak erretinan duten eragina aztertzeko eta datu base normatibo bat sortzeko. Azkenik, OCT ezaugarri konbentzional eta berriak balioztatu dira gaixotasunaren hiru aplikazio esparruetan: diagnostikoa, larritasunaren ebaluazioa eta monitorizazioa. Azken kasuan, gaur arte jarraipen luzeena duten bi datu base longitudinalak erabili egin dira. Emaitzen arabera OCT ezaugarriek Parkinson gaixotasunak eragindako kalte kognitibo eta motorrarekin loturiko informazioa dute. Gainera, gaixoen erretinak aldaketa diferentzialak izaten ditu denborak aurrera egin ahala. Hala ere, norbanako bakoitza zehaztasunez diagnostikatzea eta ebaluatzea OCT ezaugarriak erabiliz ez dirudi bideragarria. Horrela, gaixo indibidualen erabaki klinikoak gidatu baino gehiago, OCTk gaixotasunaren alderdi orokorrak ulertzeko tresna hobea izan daitekeela ondorioztatu daiteke.

El número de personas en todo el mundo afectadas por la enfermedad de Parkinson (EP) aumenta cada año. Ante esta tendencia, es vital desarrollar nuevos biomarcadores para diagnosticar y monitorizar mejor la enfermedad. Gracias a investigaciones previas se sabe que, además de la neurodegeneración cerebral, existe una disfunción de la retina en los pacientes con EP. Prometedoramente, varios estudios han mostrado que los cambios retinianos en la EP pueden detectarse utilizando imágenes de tomografía de coherencia óptica (OCT, por sus siglas en inglés). Sin embargo, no existe un consenso en cuanto al potencial de la OCT como un biomarcador robusto. Como limitación clave, gran parte de las investigaciones se han centrado en un conjunto pequeño de características y en el análisis estándar de imágenes de OCT. Así, aplicar métodos más avanzados podría ayudar a identificar los aspectos específicos de la retina afectados en la EP y potencialmente descubrir nuevos biomarcadores. Dado este contexto, el presente trabajo tiene dos objetivos principales: 1) extender las técnicas existentes de análisis de imágenes de OCT y 2) aplicar los métodos desarrollados para estudiar la retina de los pacientes con EP con mayor detalle. En primer lugar, se han desarrollado nuevos métodos para la alineación de imágenes de OCT, el control de calidad y la extracción de características. Los métodos desarrollados se han integrado en un software de código abierto llamado RETIMAT, que constituye la columna vertebral de este trabajo y está disponible de forma libre para la comunidad. Posteriormente, se han utilizado datos de controles sanos para evaluar el impacto de la edad y el sexo en la morfología retiniana y establecer valores normativos. Finalmente, se ha evaluado el potencial de las características de OCT para el diagnóstico, la evaluación de la severidad y el monitoreo de la enfermedad, empleando tanto características convencionales como novedosas. Para este propósito se han empleado dos de las cohortes longitudinales de pacientes más grandes hasta la fecha. Los hallazgos revelan que las características de OCT exploradas contienen información relacionada con el deterioro cognitivo y motor. Además, la evidencia sugiere una evolución diferencial de la retina de los pacientes a lo largo del tiempo. Sin embargo, el diagnóstico, la evaluación de la gravedad y el monitoreo preciso a nivel individual utilizando las características de OCT no parecen ser factibles. Por lo tanto, se puede concluir que la OCT puede ser una mejor herramienta para comprender aspectos generales de la enfermedad que para guiar decisiones clínicas sobre pacientes individuales.