Este trabalho apresenta as metodologias que foram empregadas no desenvolvimento de um equipamento de retinografia digital. O sistema proposto foi inteiramente desenvolvido, e manufaturado no Brasil, tornando-se o primeiro retinógrafo digital com tecnologia nacional. O equipamento descrito nesta dissertação é capaz de realizar tanto retinografias, que são imagens capturadas para observação do fundo de olho, quanto angiografias, que são exames nos quais, por meio da administração de contrastes, é possível destacar estruturas específicas da retina. Estes procedimentos permitem o diagnóstico de diversas patologias relacionadas não só à retina, mas também a diversas outras estruturas do olho humano, como por exemplo, a coróide. Esta dissertação demonstra alguns dos desafios e métodos empregados no desenvolvimento do equipamento proposto, além de uma visão geral de cada um dos sistemas que o compõem. São descritos os sistemas mecânico, óptico, eletrônico e de software, sendo cada um deles detalhados quanto às principais funções que desempenham no equipamento. Também são descritas as ferramentas de desenvolvimento utilizadas durante as etapas de análise e projeto. Ainda, são apresentados os testes de desempenho do equipamento, bem como um comparativo entre o sistema proposto e alguns dos equipamentos que atualmente são considerados referência entre médicos e operadores. / This work presents the methodology applied to the development of a digital fundus camera. The proposed system was entirely developed and manufactured in Brazil, becoming the first digital fundus camera with national technology. The described equipment can perform fundus images, which are images captured from eye fundus observation, and also angiograms, which are exams performed through the admission of dyes, where particular retinal structures are enhanced. Those procedures allow the diagnosis of several pathologies not only related to the eye fundus, but also many different structures of the human eye, like the choroid. This dissertation shows some of the challenges and methods that were applied to the development of the proposed system, in addition to an overview of each of the systems that composes the equipment. The mechanical, optical, electronic and software systems are described, being each one of them detailed regarding its main features performed in the equipment. Development tools used during the design are also described. Still, the functional and performance tests and results are described, and also a comparative evaluation between the proposed system and some of the equipments currently defined as reference among physicians and users.

Este trabalho apresenta as metodologias que foram empregadas no desenvolvimento de um equipamento de retinografia digital. O sistema proposto foi inteiramente desenvolvido, e manufaturado no Brasil, tornando-se o primeiro retinógrafo digital com tecnologia nacional. O equipamento descrito nesta dissertação é capaz de realizar tanto retinografias, que são imagens capturadas para observação do fundo de olho, quanto angiografias, que são exames nos quais, por meio da administração de contrastes, é possível destacar estruturas específicas da retina. Estes procedimentos permitem o diagnóstico de diversas patologias relacionadas não só à retina, mas também a diversas outras estruturas do olho humano, como por exemplo, a coróide. Esta dissertação demonstra alguns dos desafios e métodos empregados no desenvolvimento do equipamento proposto, além de uma visão geral de cada um dos sistemas que o compõem. São descritos os sistemas mecânico, óptico, eletrônico e de software, sendo cada um deles detalhados quanto às principais funções que desempenham no equipamento. Também são descritas as ferramentas de desenvolvimento utilizadas durante as etapas de análise e projeto. Ainda, são apresentados os testes de desempenho do equipamento, bem como um comparativo entre o sistema proposto e alguns dos equipamentos que atualmente são considerados referência entre médicos e operadores. / This work presents the methodology applied to the development of a digital fundus camera. The proposed system was entirely developed and manufactured in Brazil, becoming the first digital fundus camera with national technology. The described equipment can perform fundus images, which are images captured from eye fundus observation, and also angiograms, which are exams performed through the admission of dyes, where particular retinal structures are enhanced. Those procedures allow the diagnosis of several pathologies not only related to the eye fundus, but also many different structures of the human eye, like the choroid. This dissertation shows some of the challenges and methods that were applied to the development of the proposed system, in addition to an overview of each of the systems that composes the equipment. The mechanical, optical, electronic and software systems are described, being each one of them detailed regarding its main features performed in the equipment. Development tools used during the design are also described. Still, the functional and performance tests and results are described, and also a comparative evaluation between the proposed system and some of the equipments currently defined as reference among physicians and users.

A retinografia e angiografia digital são técnicas de observação e captura de imagens do fundo do olho que permitem o diagnóstico de diversas patologias. O aperfeiçoamento dos retinógrafos digitais, viabilizado pelos avanços tecnológicos observados nas últimas décadas, tornou possíveis modificações sistêmicas inovadoras como a apresentada e discutida neste trabalho. O principal objetivo é avaliar comparativamente a resolução espacial de imagens captadas com uma configuração que utiliza apenas um sensor monocromático e um conjunto de LEDs cromáticos, com imagens geradas por um sensor com filtro cromático integrado. A proposta é suportada por resultados teóricos que indicam um desempenho superior do uso de sensores monocromáticos em retinografia. Para validação da nova metodologia o sistema descrito foi montado e várias fotos da retina foram capturadas. Todo o processo de imageamento do fundo do olho é descrito, incluindo rotinas de software que precisaram ser criadas em decorrência das inovações. A partir das imagens capturadas foram aplicadas técnicas de avaliação global de maneira que as previsões teóricas puderam ser verificadas. Por fim são apresentadas conclusões sobre o desempenho global do sistema e adicionados tópicos como sugestões para continuidade futura do trabalho. / The digital retinography and angiography are techniques to observe and capture images of the eye fundus that allows the diagnosis of several diseases. The improvements of digital fundus camera made possible by technological advances seen in recent decades have made possible innovative systemic changes, as the presented and discussed in this work. The main objective is to comparatively evaluate the spatial resolution of images captured with a configuration that uses only a monochrome sensor and a set of chromatic LEDs, with images generated by a sensor with integrated color filter. The proposal is supported by theoretical results that indicate a superior performance when using a monochrome sensor to get fundus images. To validate the new methodology, the system described was assembled and several retina pictures were taken. The whole process of imaging the eye fundus is described, including software procedures that had to be created as a consequence of the innovations. From the images captured, overall evaluation techniques have been applied, so that theoretical forecasts could be verified. Finally, conclusions are presented on the overall performance of the system and suggestions for topics for future work were added.

Retinógrafo é um complexo sistema óptico que, simultaneamente, ilumina e captura imagens da retina. Basicamente, esse equipamento é composto por três módulos: iluminação, lente objetiva e detecção. Em razão de seu sofisticado desenho óptico, é possível conciliar baixa refletividade da retina e obtenção de imagens de alta qualidade. Entretanto, em virtude do alto número de componentes não-coaxiais do módulo de iluminação, seu alinhamento óptico se torna complexo. Neste trabalho, é apresentado um sistema óptico totalmente coaxial para um retinógrafo nãomidriático. A óptica de iluminação tradicional é substituída por um anel de Surface Mounted Device (SMD) Light Emitting Diodes (LEDs) que, analogamente ao equipamento tradicional, forma um anel de luz no plano da pupila do olho, iluminando homogeneamente a retina e evitando reflexos gerados na córnea. Com essa substituição, os três módulos do equipamento se tornam coaxiais, facilitando o alinhamento final. Devido à inovação da arquitetura do retinógrafo, um novo método de eliminação de reflexos também foi introduzido, possibilitando ao equipamento fornecer imagens nítidas e de alta qualidade, suficientes para exames de triagem. Além da iluminação, os módulos da objetiva e de detecção foram substituídos por componentes comerciais, visando a simplificação do projeto de retinógrafo. Dessa forma, pretende-se reduzir o custo de comercialização do produto, de modo que clínicas no Brasil e em países em desenvolvimento possam ser equipadas e capazes de realizar diagnósticos de doenças do olho que causam perda parcial ou total da visão. / Fundus camera is a complex optical system that simultaneously illuminates and images the retina. It is basically divided into three modules: objective lens, illumination and detection. Because of its sophisticate optical design, it is possible to achieve high-quality images under low reflected light by the fundus. However, due to its high number of off-axis components, mainly in the illumination system, the optical alignment of the equipment can be complex. To simplify the architecture of the equipment, we report a completely coaxial optical system, with no off-axis components. The traditional illumination system is replaced by a ring of light emitting diodes of surface mounted device type. As in the previous design, the eye pupil is illuminated with a ring of light, producing a uniform pattern on the retina and avoiding reflection on the cornea. Due to this new design and the lack of optical components in the illumination system, a new method of avoiding reflection on the surfaces of the objective lens is presented. Besides, the objective lens and the detection system were composed of commercial components, also simplifying the equipment project and lowering its cost. The final goal of this work is to provide non-mydriatic high quality fundus images for screening with a low-cost equipment, enabling developing countries to increase the number of people examined.

A retinografia e angiografia digital são técnicas de observação e captura de imagens do fundo do olho que permitem o diagnóstico de diversas patologias. O aperfeiçoamento dos retinógrafos digitais, viabilizado pelos avanços tecnológicos observados nas últimas décadas, tornou possíveis modificações sistêmicas inovadoras como a apresentada e discutida neste trabalho. O principal objetivo é avaliar comparativamente a resolução espacial de imagens captadas com uma configuração que utiliza apenas um sensor monocromático e um conjunto de LEDs cromáticos, com imagens geradas por um sensor com filtro cromático integrado. A proposta é suportada por resultados teóricos que indicam um desempenho superior do uso de sensores monocromáticos em retinografia. Para validação da nova metodologia o sistema descrito foi montado e várias fotos da retina foram capturadas. Todo o processo de imageamento do fundo do olho é descrito, incluindo rotinas de software que precisaram ser criadas em decorrência das inovações. A partir das imagens capturadas foram aplicadas técnicas de avaliação global de maneira que as previsões teóricas puderam ser verificadas. Por fim são apresentadas conclusões sobre o desempenho global do sistema e adicionados tópicos como sugestões para continuidade futura do trabalho. / The digital retinography and angiography are techniques to observe and capture images of the eye fundus that allows the diagnosis of several diseases. The improvements of digital fundus camera made possible by technological advances seen in recent decades have made possible innovative systemic changes, as the presented and discussed in this work. The main objective is to comparatively evaluate the spatial resolution of images captured with a configuration that uses only a monochrome sensor and a set of chromatic LEDs, with images generated by a sensor with integrated color filter. The proposal is supported by theoretical results that indicate a superior performance when using a monochrome sensor to get fundus images. To validate the new methodology, the system described was assembled and several retina pictures were taken. The whole process of imaging the eye fundus is described, including software procedures that had to be created as a consequence of the innovations. From the images captured, overall evaluation techniques have been applied, so that theoretical forecasts could be verified. Finally, conclusions are presented on the overall performance of the system and suggestions for topics for future work were added.

Retinógrafo é um complexo sistema óptico que, simultaneamente, ilumina e captura imagens da retina. Basicamente, esse equipamento é composto por três módulos: iluminação, lente objetiva e detecção. Em razão de seu sofisticado desenho óptico, é possível conciliar baixa refletividade da retina e obtenção de imagens de alta qualidade. Entretanto, em virtude do alto número de componentes não-coaxiais do módulo de iluminação, seu alinhamento óptico se torna complexo. Neste trabalho, é apresentado um sistema óptico totalmente coaxial para um retinógrafo nãomidriático. A óptica de iluminação tradicional é substituída por um anel de Surface Mounted Device (SMD) Light Emitting Diodes (LEDs) que, analogamente ao equipamento tradicional, forma um anel de luz no plano da pupila do olho, iluminando homogeneamente a retina e evitando reflexos gerados na córnea. Com essa substituição, os três módulos do equipamento se tornam coaxiais, facilitando o alinhamento final. Devido à inovação da arquitetura do retinógrafo, um novo método de eliminação de reflexos também foi introduzido, possibilitando ao equipamento fornecer imagens nítidas e de alta qualidade, suficientes para exames de triagem. Além da iluminação, os módulos da objetiva e de detecção foram substituídos por componentes comerciais, visando a simplificação do projeto de retinógrafo. Dessa forma, pretende-se reduzir o custo de comercialização do produto, de modo que clínicas no Brasil e em países em desenvolvimento possam ser equipadas e capazes de realizar diagnósticos de doenças do olho que causam perda parcial ou total da visão. / Fundus camera is a complex optical system that simultaneously illuminates and images the retina. It is basically divided into three modules: objective lens, illumination and detection. Because of its sophisticate optical design, it is possible to achieve high-quality images under low reflected light by the fundus. However, due to its high number of off-axis components, mainly in the illumination system, the optical alignment of the equipment can be complex. To simplify the architecture of the equipment, we report a completely coaxial optical system, with no off-axis components. The traditional illumination system is replaced by a ring of light emitting diodes of surface mounted device type. As in the previous design, the eye pupil is illuminated with a ring of light, producing a uniform pattern on the retina and avoiding reflection on the cornea. Due to this new design and the lack of optical components in the illumination system, a new method of avoiding reflection on the surfaces of the objective lens is presented. Besides, the objective lens and the detection system were composed of commercial components, also simplifying the equipment project and lowering its cost. The final goal of this work is to provide non-mydriatic high quality fundus images for screening with a low-cost equipment, enabling developing countries to increase the number of people examined.

A análise da retina permite o diagnostico de muitas patologias relacionadas ao olho humano. A qualidade da imagem e um fator importante já que o médico normalmente examina os pequenos vasos da retina e a sua coloração. O equipamento normalmente utilizado para a visualização da retina e o retinógrafo digital, que utiliza sensor colorido com filtro de Bayer e luz (flash) branca. No entanto, esse filtro causa perda na resolução espacial, uma vez que e necessário um processo de interpolação matemática para a formação da imagem. Com o objetivo de melhorar a qualidade da imagem da retina, um retinógrafo com câmera CCD monocromática de alta resolução foi desenvolvido. Nele, as imagens coloridas são geradas pela combinação dos canais monocromáticos R (vermelho), G (verde) e B (azul), adquiridos com o chaveamento da iluminação do olho com LED vermelho, verde e azul, respectivamente. Entretanto, o pequeno período entre os flashes pode causar desalinhamento entre os canais devido a pequenos movimentos do olho. Assim, este trabalho apresenta uma técnica de registro de imagens, baseado em correlação de fase no domínio da frequência, para realizar precisamente o alinhamento dos canais RGB no processo de geração de imagens coloridas da retina. A validação do método foi realizada com um olho mecânico (phantom) para a geração de 50 imagens desalinhadas que foram corrigidas pelo método proposto e comparadas com as imagens alinhadas obtidas como referência (ground-truth). Os resultados mostraram que retinógrafo com câmera monocromática e o método de registro proposto nesse trabalho podem produzir imagens coloridas da retina com alta resolução espacial, sem a perda de qualidade intrínseca às câmeras CCD coloridas que utilizam o filtro de Bayer. / The analysis of retina allows the diagnostics of several pathologies related to the human eye. Image quality is an important factor since the physician often examines the small vessels of the retina and its color. The device usually used to observe the retina is the fundus camera, which uses color sensor with Bayer filter and white light. However, this filter causes loss of spatial resolution, since it is necessary a mathematical interpolation process to create the final image. Aiming at improving the retina image quality, a fundus camera with monochromatic CCD camera was developed. In this device, color images are generated by combining the monochromatic channels R (red), G (green) and B (blue), which were acquired by switching the eye illumination with red, green and blue light, respectively. However, the short period between the flashes may cause misalignment among the channels because of the small movements of the eye. Thus, this work presents an image registration technique based on phase correlation in the frequency domain, for accurately aligning the RGB channels on the process of generating retina color images. Validation of the method was performed by using a mechanical eye (phantom) for generating 50 misaligned images, which were aligned by the proposed method and compared to the aligned images obtained as references (ground-truth). Results showed that the fundus camera with monochromatic camera and the method proposed in this work can produce high spatial resolution images without the loss of quality intrinsic to color CCD cameras that uses Bayer filter.

A análise da retina permite o diagnostico de muitas patologias relacionadas ao olho humano. A qualidade da imagem e um fator importante já que o médico normalmente examina os pequenos vasos da retina e a sua coloração. O equipamento normalmente utilizado para a visualização da retina e o retinógrafo digital, que utiliza sensor colorido com filtro de Bayer e luz (flash) branca. No entanto, esse filtro causa perda na resolução espacial, uma vez que e necessário um processo de interpolação matemática para a formação da imagem. Com o objetivo de melhorar a qualidade da imagem da retina, um retinógrafo com câmera CCD monocromática de alta resolução foi desenvolvido. Nele, as imagens coloridas são geradas pela combinação dos canais monocromáticos R (vermelho), G (verde) e B (azul), adquiridos com o chaveamento da iluminação do olho com LED vermelho, verde e azul, respectivamente. Entretanto, o pequeno período entre os flashes pode causar desalinhamento entre os canais devido a pequenos movimentos do olho. Assim, este trabalho apresenta uma técnica de registro de imagens, baseado em correlação de fase no domínio da frequência, para realizar precisamente o alinhamento dos canais RGB no processo de geração de imagens coloridas da retina. A validação do método foi realizada com um olho mecânico (phantom) para a geração de 50 imagens desalinhadas que foram corrigidas pelo método proposto e comparadas com as imagens alinhadas obtidas como referência (ground-truth). Os resultados mostraram que retinógrafo com câmera monocromática e o método de registro proposto nesse trabalho podem produzir imagens coloridas da retina com alta resolução espacial, sem a perda de qualidade intrínseca às câmeras CCD coloridas que utilizam o filtro de Bayer. / The analysis of retina allows the diagnostics of several pathologies related to the human eye. Image quality is an important factor since the physician often examines the small vessels of the retina and its color. The device usually used to observe the retina is the fundus camera, which uses color sensor with Bayer filter and white light. However, this filter causes loss of spatial resolution, since it is necessary a mathematical interpolation process to create the final image. Aiming at improving the retina image quality, a fundus camera with monochromatic CCD camera was developed. In this device, color images are generated by combining the monochromatic channels R (red), G (green) and B (blue), which were acquired by switching the eye illumination with red, green and blue light, respectively. However, the short period between the flashes may cause misalignment among the channels because of the small movements of the eye. Thus, this work presents an image registration technique based on phase correlation in the frequency domain, for accurately aligning the RGB channels on the process of generating retina color images. Validation of the method was performed by using a mechanical eye (phantom) for generating 50 misaligned images, which were aligned by the proposed method and compared to the aligned images obtained as references (ground-truth). Results showed that the fundus camera with monochromatic camera and the method proposed in this work can produce high spatial resolution images without the loss of quality intrinsic to color CCD cameras that uses Bayer filter.