Detection and quantitative observation of fetal eye movement patterns

Abstract

Die klinische Diagnose von Schwangeren verfolgt das Ziel, frühzeitig eventuell vorhandene Pathologien des Fötus zu erkennen. Eine zuverlässige Diagnose, ob eine normale oder pathologische Entwicklung vorliegt, ist erst dann möglich, wenn der aktuelle Status mit einem Normalkollektiv verglichen werden kann. Die Studie der Augenbewegungen und deren Entwicklung ist aus zweierlei Gründen von Interesse.<br />Einerseits besteht die Möglichkeit, dass daraus neue Erkenntnisse über die Natur und die Entwicklung der visuellen Wahrnehmung gewonnen werden können. Andererseits wird angenommen, dass durch die Beobachtung von Bewegungsmustern der fötalen Augenbewegungen die physiologische Entwicklung des Fötus beurteilt werden kann. Trotz erster Arbeiten, die auf rein subjektiven Beurteilungen von Ultraschallaufnahmen beruhen, aber die diagnostische Bedeutung von fötalen Augenbewegungen unterstreichen, existiert bis heute keine quantitative Studie über Bewegungsmuster der fötalen Augenbewegungen. Daher steht auch kein quantitatives Referenzmodell zur Verfügung.<br />Die automatisierte Erkennung von fötalen Augenbewegungen und die quantitative Studie von Bewegungsmustern während der fötalen Entwicklung ist Inhalt der vorliegenden Diplomarbeit. Das implementierte Framework zur Detektion von fötalen Augenbewegungen in fötalen MRI Serien umfasst folgende Schritte: Das Tracking der Augenpositionen in einer Zeitserie von Bildern wird mit Random Forests realisiert. DAISY Deskriptoren beschreiben hierbei die lokalen Bildeigenschaften. Der Augapfel wird mit kombinierten morphologischen Operatoren segmentiert und die Pupille mit einem Ansatz detektiert, der auf der Radontransformation basiert. Aus dieser Zeitserie werden Bewegungsmuster der fötalen Augenbewegungen extrahiert.<br />In der anschließenden statistischen Analyse werden die Winkelpositionen relativ zur Kopfachse und die daraus abgeleiteten Gradienten der Augenbewegungen untersucht. Spectral Clustering dient zur explorativen Suche nach Bewegungsmustern. Bei dieser Suche wird keinerlei Vorwissen integriert. Zusätzlich werden mithilfe linearer Regression Merkmale, die auf Vorwissen oder Annahmen beruhen, mit den Schwangerschaftswochen in Beziehung gesetzt und somit deren Verlauf über die Zeit beschrieben.<br />Mithilfe der Korrelationsanalyse werden spezifische Bewegungsmuster detektiert und näher untersucht, die bisher nur postnatal beobachtet werden konnte.<br />Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern einen ersten Ansatz für die quantitative Erforschung von fötalen Augenbewegungen, und korrelieren unter anderem mit rezenten Erkenntnissen der fötalen Hirnforschung, die eine Asymmetrie in der Gehirnentwicklung beschreiben.<br />

The clinical diagnosis of pregnant women aims to detect any early pathologies regarding the unborn child. A reliable diagnosis as to whether normal or pathological development is present is only possible if the current status can be compared with characteristics of the healthy population. Eye movements and their development are interesting for two reasons. Firstly, they might reveal insight into the nature and emergence of visual perception. Secondly, it is hypothesized that based on fetal eye movement patterns, the physiological state of development of the fetus can be estimated. Although early work that relies on subjective evaluation of eye movement patterns in ultrasound series stress their diagnostic importance, to date no quantitative analysis of fetal eye movement patterns has been published and thus a quantitative reference model is still not available.<br />The automated detection of fetal eye movement and the quantitative analysis of movement patterns is the subject of this thesis. A framework for the detection of fetal eye movements in fetal MRI series is implemented consisting of the following processing steps: Firstly, the tracking of eye positions in a time series of images is performed with random forests. DAISY descriptors describe the local image properties.<br />Secondly, the eyeball is segmented with combined morphological operators. The subsequent detection of the pupil is implemented with an approach based on the Radon transform. Finally, movement patterns are extracted from these time series of detected fetal eye movements.<br />The subsequent statistical analysis examines the original angular positions relative to the head axis and the gradients derived from the eye movements. Spectral clustering is used for an exploratory search for movement patterns. In this search, no prior knowledge is integrated.<br />Linear regression relates measures, which are calculated from the original angular positions or from the gradients, with the gestational age and thus describes the progression over time. In addition to exploratory analysis, the development of specific eye movement characteristics is measured. Correlation analysis is used to study eye movement patterns at a level of detail such as until now could only be observed postnatally.<br />The results of this thesis provide a first approach to the quantitative study of fetal eye movements. The results correlate with recent findings in fetal brain research, which show that there is hemispheric asymmetry in fetal brain development.