The system for early detection of heterochromia disease in the neonat

  • WARNING

    Note: This content was originally written in Persian and translated into English using AI. Minor inaccuracies may exist.

    Click here to know more

    Technical Field of the Invention

    Medicine and Ophthalmology: This innovation is designed and implemented to improve the accuracy and performance of physicians and ophthalmologists, with clear applications in this field.
    Biomedical Engineering: This idea utilizes biomedical engineering sciences to enhance and support diagnostic and therapeutic methods, serving as a bridge between engineering and medicine for design optimization.
    Electrical and Computer Engineering: The device incorporates electronics and artificial intelligence from computer engineering in various system components.
    Mechanical Engineering: Mechanical engineering principles are applied in designing the body, casing, covers, and system molds.

    Technical Problem and Invention Objectives

    Vision is one of the most important special senses, not only because it plays a crucial role in connecting us with the external environment, but also because visual impairment can significantly reduce learning capabilities. While diseases like diabetes and cardiovascular conditions have the highest prevalence rates, eye diseases remain among the most significant health issues affecting many individuals.
    Many eye diseases, if left untreated (especially during childhood), can lead to blindness and cause irreversible problems, creating numerous limitations in patients’ personal and social lives. Therefore, early identification and diagnosis of diseases has always been crucial. This invention aims to achieve early detection of such conditions while emphasizing preventive strategies to identify diseases and their underlying risk factors.

    Understanding Heterochromia

    Heterochromia is a term describing differences in iris color within an individual. Central heterochromia occurs when different colors appear in the same eye, while complete heterochromia is when each eye has a different color. This condition results from variations in melanin concentration and distribution—the pigment responsible for skin, hair, and eye color.
    Eye color is determined by melanin storage in the iris, which controls pupil dilation to regulate light entry. Blue eyes have minimal melanin, while brown eyes are melanin-rich.
    The iris, the most visible part of the human eye, originates from the choroid layer and consists of blood vessels and connective tissue. Melanocytes produce melanin pigment, and other pigmented cells determine eye color. The iris contains smooth muscles that control light passage by adjusting pupil size—the opening in the iris center. This process regulates light reaching the retina.

    Anatomical Structure

    The iris comprises two distinct layers with different embryonic origins:

    • Anterior margin: Composed of stroma—a loose layer containing connective tissue with melanocytes and non-pigmented cells
    • Posterior surface: Covered by densely packed pigmented epithelial cells forming two tightly connected layers

    Eye color differences result from pigmentation levels in the deep stromal layer, primarily the anterior margin and stromal density, controlling light absorption and reflection from the iris.

    Types and Causes

    Heterochromia can indicate other underlying conditions. Early detection during infancy and childhood can be crucial. Associated conditions include:

    • Bloch-Sulzberger syndrome
    • Bourneville disease
    • Hirschsprung disease
    • Horner’s syndrome
    • Parry-Romberg syndrome
    • Sturge-Weber syndrome
    • von Recklinghausen disease
    • Waardenburg syndrome

    Acquired heterochromia develops later in life due to disease, injury, or medication, while congenital heterochromia is present from birth or has genetic origins.
    Central heterochromia features two different colors in one iris—typically an outer ring of one color and an inner ring of another, often called “cat eyes.” The outer color is considered the true eye color and occurs more frequently in irises with low melanin levels.
    Sectoral heterochromia (partial heterochromia) appears as an irregular spot in the iris rather than a ring around the pupil.

    Innovation Objectives

    This innovation develops a precise system using engineering sciences to:

    1. Enable early detection of eye diseases, focusing on heterochromia in infancy
    2. Identify underlying diseases and pathogenic factors associated with this condition
    3. Utilize AI algorithms to improve diagnosis and reduce human error
    4. Provide completely non-invasive diagnosis and identification
    5. Monitor all eye parameters and diseases related to size, color, and uniformity

    By achieving early detection with high accuracy during infancy, this system helps treat underlying conditions and prevents the progression and complications arising from undiagnosed heterochromia.

    Significant efforts and progress have been made in retinal image processing to develop automated systems for diagnosing various diseases. These systems not only enable processing large volumes of retinal images with minimal time and cost, but also eliminate fatigue and other human limitations that diagnosticians may experience.
    Recent work has focused on automatic analysis and diagnosis of conditions such as diabetic retinopathy, age-related macular degeneration, and premature retinopathy. Research continues to develop new algorithms capable of processing images with varying quality and illumination while minimizing errors. Additionally, image processing techniques and quantitative measurement of retinal blood vessel topography are being used to study the relationship between retinal microvessels and cardiac diseases.
    The ability to transmit images remotely has increased the use of image processing techniques in clinical decision-making for retinal images from rural medical centers—now known as Tele-Ophthalmology. Taking images at regular intervals and recording them enables studying pattern changes and disease progression stages on the retina.

    Advanced Imaging Technologies

    The new 3D-OCT retinal imaging technique provides high-quality, high-precision data and images from different retinal layers. This has reduced algorithm errors in automatic diagnosis and extraction of retinal disease patterns, leading to novel algorithms for automatic image analysis.
    Research groups have utilized multi-scale curvelet transform in image processing to extract diabetic retinopathy patterns (exudates, hemorrhages, microaneurysms) along with optic disc location and retinal blood vessels from digital color retinal images. Work on OCT images and AMD disease detection is ongoing.

    Major Retinal Diseases

    Two major retinal diseases are glaucoma and diabetic retinopathy:

    • Glaucoma is the second leading cause of blindness worldwide, characterized by optic nerve cupping and visual field loss
    • Diabetic retinopathy can lead to blindness but can be prevented through early detection and annual examinations

    Retinal Imaging Methods

    Common retinal imaging methods include:

    • Ophthalmoscope (introduced by Hermann von Helmholtz in 1851)
    • Fluorescent angiography (introduced by Novotny and Alvis in 1961)
    • OCT (introduced by Huang in 1991)
    • Newer methods such as ultrasound and laser blood flow measurement

    OCT imaging can capture structural information, blood flow, elastic parameters, polarization changes, and molecular content. Using wavelength measurement principles through light interference, it creates 2D or 3D high-resolution images of anatomical cross-sections.

    OCT Image Processing Approaches

    The primary focus in OCT image processing is segmentation in 2D or 3D. Despite OCT technology evolving since 1991, data segmentation has only emerged in the past decade as one of the most challenging and necessary steps in analysis. No universal segmentation method suitable for all applications has been developed.
    Processing approaches can be categorized into five types:

    1. A-scan applicable methods: First introduced by Hee, prevalent until 2005, but had limitations including long processing times and low layer detection accuracy
    2. B-scan applicable methods: Reduced 2D noise through preprocessing but required complex, time-consuming noise reduction techniques like anisotropic diffusion
    3. Active contour methods: First proposed by Cabrera Fernández and optimized by Yazdanpanah, showing better noise resistance than intensity-based methods
    4. AI-based analysis methods: Using support vector machines or fuzzy c-means clustering techniques, with processing times around 45 seconds and 2-pixel error rates
    5. 3D graph-based methods: The most suitable approach, achieving processing times of 45 seconds for 3D volumes (480×512×128 voxels) with high accuracy (2.8 micrometer error)

    Current Limitations and Innovation Need

    Most existing systems are designed for retinal examination, while others focus on the cornea or lens. These systems generally:

    • Lack adequate precision
    • Contain human error potential
    • Are not specialized for iris examination

    This has driven the development of our specialized system that:

    • Enables early detection capabilities
    • Is specifically designed for iris studies
    • Reduces human error through advanced algorithms
    • Provides high-precision measurements for iris-related conditions

    The innovation addresses the critical need for a dedicated iris examination system with early detection capabilities, filling a gap in current ophthalmic diagnostic technology.

  • دستگاه تشخيص زودهنگام بيماري چشمي هتروكروميا در نوزادان


    خلاصه اختراع

    بينايي از مهمترين حس‌هاي ويژه است، نه تنها به اين علت كه در ارتباط با محيط خارج از بدن نقش مهمي دارد بسياري از بيماري‌هاي چشمي اگر بهموقع (به خصوص در كودكي) درمان نشوند، سبب نابينايي مي‌شوند و مشكلات جبران‌ ناپذيري را براي افراد بيمار به همراه خواهند داشت كه محدوديت‌هاي بسياري را در زندگي فردي و اجتماعي مبتلايان به وجود خواهد آورد. با اين اوصاف همواره شناسايي و تشخيص زودهنگام بيماري ها بسيار مورد توجه بوده است و يكي از اهداف اين اختراع شناسايي زوهنگام بيماري هتروكروميا در دوان نوزادي است و سياست پيشگيرانه اين ايده بسيار مهم است كه اين ويژگي در راستاي پيشي بيني و شناسايي بيماريها و عوامل زمينه ساز بيماري مزبور گام برمي‌دارد. در اين ايده روش جديدي جهت ارائه و بررسي و تشخيص تغييرات رنگي در عنبيه هاي چشم و ميزان تطابق، يكريختي و يكنواختي رنگي بندي در تمامي قسمت هاي عنبيه است و به صورت تخصصي تر براي سنجش و تشخيص بيماري هتروكرومياي چشمي آن هم در دروان نوزادي و به صورت زودهنگام براي جلوگيري از پيشرفت و ممانعات از فعاليت و پيشرفت بيماري هاي زمينه اي و وابسته آن است. اصول اصلي آن بر پايه پردازش تصاوير و ويدئوهاي اخذ شده از چشم است و با توجه به خروجي ناشي از الگوريتم هاي هوش مصنوعي درصد تشابه عنبيه هاي چشم از لحاظ كليه پارامترهاي رنگ شناسي از لحاظ نوع رنگ، شدن، تطابق، يكنواختي و … را مورد بررسي قرار مي دهد و به عبارت ديگر اين دستگاه منظور پيش بيني و يا تشخيص بيماري هتروكروميا و بيماري هاي وابسته آن در نوزادان طراحي شده است.


    زمينه فني اختراع مربوط

    پزشکی و چشم پزشکی: این ایده در راستای بهبود صحت و عملکرد پزشکان و چشم پزشکان طراحی و پیاده سازی شده است و کاربرد آن در این حوزه مشهود است.
    مهندسی پزشکی: با توجه به استفاده از علوم مهندسی در راستای بهبود و کمک به روش های تشخیصی و درمانی می توان گفت که این ایده از علم مهندسی پزشکی در راستای طراحی و بهینه سازی و ارتباط بین مهندسی و پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است.
    مهندسی برق و کامپیوتر: در طراحی برخی از قسمت های دستگاه از علم الکترونیک و هوش مصنوعی در حوزه مهندسی کامپیوتر استفاده شده است.
    مهندسی مکانیک: در طراحی بدنه، روپوش، روکش و قالب های سیستم از علم مکانیک بهره گیری شده است.

    مشكل فني و بيان اهداف اختراع

    بينايي از مهمترين حس‌هاي ويژه است، نه تنها به اين علت كه در ارتباط با محيط خارج از بدن نقش مهمي دارد، بلكه بيشتر از اين رو كه اختلال ديد سبب كاهش يادگيري نيز مي شود. هرچند بیماری‌هایی مانند دیابت و بیماری‌های قلبی و عروقی از جمله بیماری‌های هستند كه بیشترین آمار مبتلایان را دارند، اما بیماری‌های چشمی نیز از مهم‌ترین بیماری‌هایی هستند كه بسیاری از افراد با آن درگیر هستند.
    بسیاری از بیماری‌های چشمی اگر بهموقع (به خصوص در کودکی) درمان نشوند، سبب نابینایی می‌شوند و مشكلات جبران‌ ناپذیری را برای افراد بیمار به همراه خواهند داشت كه محدودیت‌های بسیاری را در زندگی فردی و اجتماعی مبتلایان به وجود خواهد آورد. با این اوصاف همواره شناسایی و تشخیص زودهنگام بیماری ها بسیار مورد توجه بوده است و این اختراع یکی از اهداف آن شناسایی زوهنگام بیماری مزبور است و از طرف دیگر سیاست پیشگیرانه این ایده بسیار مهم است که این ویژگی در راستای پیشی بینی و شناسایی بیماری ها و عوامل زمینه ساز بیماری مزبور گام برمی‌دارد.
    هتروکرومیا اصطلاحی برای توصیف تفاوت در رنگ قرنیه چشم یک فرد است. کسی که دارای هتروکرومی مرکزی است، دارای رنگ های مختلف در یک چشم است. هتروکرومیای کامل زمانی رخ می دهد که دو چشم رنگ های متفاوت دارند. هتروکرومیای چشم به علت تغییرات در غلظت و توزیع ملانین است، رنگدانه ای که سبب رنگ پوست، مو و چشم می شود.رنگ چشم نتیجه ذخیره ی ملانین در عنبیه است، عنبیه مسئول گسترش و محدود کردن مردمک برای کنترل مقدار نور ورودی است. چشم های آبی دارای مقدار کمی ملانین هستند در حالی که چشم های قهوه ای غنی از ملانین اند.
    عنبیه قابل رویت‌ترین بخش چشم انسان است که خود از امتداد لایه مشیمیه منشا می‌گیرد. این قسمت از رگ‌های خونی و بافت همبندی تشکیل شده است. همچنین سلول‌های ملانوسیت که رنگدانه ملانین را تولید می‌کنند و سایر سلول‌های رنگدانه‌ای نیز در عنبیه حضور داشته و رنگ چشم را مشخص می‌نمایند.
    عنبیه حاوی عضلات صاف بوده که میزان عبور نور از این لایه را کنترل می‌نمایند. در واقع تغییر سایز مردمک، حفره‌ای در میان عنبیه، به‌وسیله این ماهیچه‌ها صورت می‌گیرد. این فرآیند، نور رسیده به شبکیه چشم را کنترل می‌نماید. با وجود مشخص بودن تغییرات قطر مردمک، ظاهر عنبیه و به خصوص رنگ آن، قابل توجه‌ترین ویژگی آن خواهد بود.
    از نظر آناتومیک عنبیه از دو لایه متفاوت با منشا متفاوت جنینی به وجود آمده است. حاشیه قدامی از استروما، لایه‌ای شل و حاوی بافت پیوندی، تشکیل شده است. سلول‌های این لایه شامل ملانوسیت‌ها و سلول‌های غیر رنگدانه‌ای می‌باشد. ملانوسیت‌ها حاوی رنگدانه‌ی ملانین به رنگ مشکی‌اند و نقش اصلی را در ظاهر عنبیه ایفا می‌کنند. ساختار استروما بطور معمول در تمام عنبیه‌ها یکسان می‌باشد. در سویی دیگر اپی‌تلیوم پوشاننده سطح خلفی، لایه‌ای از سلول‌های متراکم با رنگدانه را تشکیل می‌دهد. این بخش نیز خود از دو لایه کاملا فشرده به یکدیگر تشکیل شده است.
    تفاوت در رنگ چشم، ناشی از میزان رنگدانه‌های لایه عمقی استروما، به‌طور عمده حاشیه قدامی و تراکم استروما بوده و این عوامل سبب کنترل میزان نور جذب شده و بازتاب یافته از عنبیه چشم خواهند شد، مانند تمامی اشیا، رنگی که توانایی دیدن آن را داریم ناشی از بازتاب نور از اجرام دیگر است. استروما در افرادی با چشمان قهوه‌ای به‌طور متراکمی رنگدانه ملانین داشته که سبب جذب اکثر فوتون‌های رسیده به آن می‌گردد. در بسیاری از جوامع بشری، قهوه تنها رنگ چشم است. در سوی دیگر چشم‌های آبی تراکم بسیار کمتری از ملانین دارند. در نتیجه طول موج‌های بلند مانند قرمز و زرد جذب شده و رنگ‌هایی با طول موج کوتاه مانند آبی بازتاب می‌گردند.
    اصولا بیماری هتروکرومیا می تواند ناشی از بیماری های دیگری باشد و این مهم در صورت شناسایی در دوران کودکی و نوزادی می تواند مرتفع گرددو می توان برای معرفی عوامل زمینه ای و یا تشدید کننده بیماری هتروکرومیا به برخی از موارد موثر یا بیماری ها و سندرم های مرتبط زیر اشاره کرد:

    • سندرم Bloch-Sulzberger
    • بیماری Bourneville
    • بیماری Hirschsprung
    • سندرم Horner’s
    • سندرم Parry-Romberg
    • سندرم Sturge-Weber
    • بیماری von Recklinghausen
    • سندرم Waardenburg

    مبتلایان به بیماری هتروکرومیا که بعدها در زندگی به دلیل بیماری، آسیب و یا دارو به وجود می آید، به عنوان هتروکرومیای اکتسابی شناخته می شوند و مبتلایان به بیماری هتروکرومیا به صورت مادرزادی و یا ژنتیکی موارد انتسابی نامیده می شوند.
    شکل 1: چشم متلا به بیماری هتروکرومیای پیشرفته
    در افرادی که دارای هتروکرومی ناحیه ای هستند، همچنین به عنوان هتروکرومیای جزئی شناخته می شوند، یک بخش از عنبیه از رنگ های دیگر متفاوت است. هتروکرومیای ناحیه ای اغلب شبیه یک نقطه نامنظم در عنبیه چشم است و به صورت حلقه اطراف مردمک نیست.
    با این اوصاف در این ایده سعی شده است که به صورت دقیق و با بهره گیری از علوم مهندسی یک سیستم طراحی شود تا بیماری مزبور را در دوران نوزادی به صورت زودهنگام و با دقت بالا شناسایی شود و در نتیجه آن بیماریهای زمینه ای آن نیز درمان شده و از افزایش وخامت این عارضه و تبعات ناشی از عدم شناسایی آن نیز جلوگیری شود.
    پس می توان از اهداف این اختراع موارد زیر را نام برد:
    1- شناسایی زودهنگام بیماری های چشمی با تکیه بر بیماری هتروکرومیا در دوران نوزادی
    2- شناسایی بیماری های زمینه ای و عوامل بیماری زا و متناسب این عارضه
    3- استفاده از الگوریتم های هوش مصنوعی در راستای بهبود تشخیص و کاهش خطای انسانی
    4- تشخیص و شناسایی به صورت کاملا غیر تهاجمی
    5- پایش کلیه پارامترهای چشم و بیماری های مرتبط با حوزه اندازه، رنگ و تجانس

    شرح وضعيت دانش پيشين و سابقه پيشرفت هايي كه در ارتباط با اختراع ادعايي وجود دارد

    تلاش ها و پیشرفت های مهمی در عرصه پردازش تصاویر شبکیه به منظور ارائه سیستم هایی اتوماتیک جهت تشخیص بیماری‌های مختلف روی آن انجام شده است. چنین سیستم هایی علاوه بر اینکه امکان پردازش تصاویر شبکیه را در حجم زیاد و با حداقل زمان و هزینه فراهم می کنند، از خستگی و ضعف های دیگری که شخص تشخیص دهنده می تواند دچار شود مبرا می باشند.
    اخیرا کارهای مختلفی در جهت تحلیل و تشخیص اتوماتیک بیماریهایی از قبیل رتینوپاتی دیابتی، تخریب ماکولای وابسته به سن، رتینوپاتی زودرس انجام شده است و کار بر روی این تصاویر در جهت معرفی الگوریتمهای جدید با قابلیت اعمال بر روی تصاویر با کیفیت و روشنایی مختلف و رسیدن به حداقل خطا همچنان ادامه دارد. همچنین امروزه با استفاده از تکنیکهای پردازش تصویر و اندازه گیری کمی توپوگرافی رگهای خونی شبکیه، ارتباط بین رگهای ریز ایجاد شده بر روی سطح شبکیه و بیماریهای قلبی مورد مطالعه قرار می گیرد. امکان انتقال تصاویر و ارتباط با نقاط دور نیز باعث افزایش استفاده از تکنیکهای پردازش تصویر در تصمیم گیری های بالینی بر روی تصاویر شبکیه افراد مراجعه کننده به مراکز درمانی روستایی شده است که امروزه تحت عنوان Tele-Ophthalmology از آن یاد می شود. اخذ تصاویر در فواصل زمانی معین از بیمار و ثبت این تصاویر نیز امکان مطالعه بر روند تغییرات الگوها و مراحل مختلف چگونگی پیشرفت بیماری بر روی شبکیه را فراهم می سازد.
    همچنین تکنیک جدید تصویر برداری از روی شبکیه D-OCT و فراهم شدن امکان اخذ اطلاعات و تصاویر با دقت و کیفیت بالا از لایه های مختلف شبکیه باعث شده است تا با کار بر روی این تصاویر، خطای الگوریتم های ارائه شده جهت تشخیص و استخراج اتوماتیک الگوهای مرتبط با بیماریهای شبکیه را کمتر نمود، و روش ها و الگوریتم های نوینی در جهت آنالیز اتوماتیک این تصاویر معرفی کرد.
    در این گروه با توجه به عملکرد مطلوب تبدیل چند مقیاسی کرولت در حوزه پردازش تصویر سعی شده است الگو های مربوط به بیماری رتینوپاتی دیابتی (اگزودیت ها، هموریژها، میکروآنوریزم ها) و همچنین مکان و محدوده دیسک نوری و رگهای خونی شبکیه با استفاده از این تبدیل و دیگر روشهای معمول پردازش تصویر از روی تصاویر دیجیتالی رنگی شبکیه استخراج شود. همچنین کار بر روی تصاویرOCT و تشخیص بیماریARMD در حال انجام می باشد.
    دو مورد از مهمترین بیماریهای مرتبط با شبکیه شامل بیماری آب سیاه و مشکلات شبکیه ناشی از مرض قند می باشد. بیماری آب سیاه دومین علت اصلی نابینایی در جهان به شمار می رود . نشانه این بیماری، گودالی شدن عصب بینایی و از دست رفتن میدان دید می باشد. دهانه عصب بینایی، بخشی است که عصب بینایی را به شبکیه متصل می نماید و ساختار دو بعدی آن دیسک بینایی نام دارد و تاثیرات بیماری آب سیاه در این محدوده از شبکیه ظاهر می گردد.
    مشکلات شبکیه ناشی از مرض قند نیز از بیماریهای منجر به نابینایی بوده ولی با تشخیص زود هنگام و معاینات سالیانه می توان از عواقب آن جلوگیری نمود. دلیل اصلی از دست رفتن بینایی در این بیماری، ورم لکه ای دیابتی می باشد که در اثر فرو ریختن سد بین خون و شبکیه بدلیل نشتی مویرگی رخ می دهد.
    بررسی دقیق شبکیه برای تشخیص بیماریهای این اندام، نیازمند نوعی تصویرگیری دقیق از لایه های تشکیل دهنده آن می باشد. روشهای متداول تصویر برداری از شبکیه به شرح زیرند:

    • افتالمسکوپ که در سال ۱۸۵۱ توسطHermann von Helmholtz معرفی شد.
    • آنژیوگرافی فلورسنتی که در سال ۱۹۶۱ توسطNovotny وAlvis معرفی شد.
    • OCTکه در سال ۱۹۹۱ توسطHuang معرفی شد.
    • روشهای جدید تر مانند اولترسوند و اندازه گیری فلوی خون توسط لیزر.
      شکل ۴ رنج کاری تصویرگیریOCT را با تکنیک های استاندارد دیگر مقایسه می نماید. این روش تصویرنگاری در ثبت تصاویری مانند اطلاعات ساختاری، جریان خون،پارامتر های کشسانی، تغییرات پلاریزاسیون و محتویات مولکولی توانایی های مناسبی دارد و با استفاده از اصول اندازه گیری طول موج از طریق بررسی تداخل اشعه های نور می تواند تصاویر دو یا سه بعدی با رزولوشن بالا از مقطع اناتومیکی مورد نظر را بسازد.