Resumo do Trabalho de Fim de Curso

Resumo do Trabalho de Fim de Curso
O projecto de fim de curso foi realizado no âmbito da conclusão da licenciatura em
Engenharia Biomédica. A discussão do projecto foi feita em 6 de Outubro de 2006, tendo o
aluno obtido a nota final de 20 valores. A licenciatura em Engenharia Biomédica apresenta um
carácter multidisciplinar envolvendo várias áreas científicas, como a Medicina, Matemática,
Física, Química, Electrónica, Programação, Bioinformática, e outras.
Em concreto, este projecto incidiu sobre o estudo da lesão aterosclerótica ao nível da
bifurcação carotídea. As áreas de trabalho envolvidas consistiram fundamentalmente em
processamento de imagem médica (ultrasons), filtragem, segmentação de objectos,
reconstrução tridimensional e análise ou diagnóstico computorizado da doença. Neste sentido,
o trabalho foi desenvolvido em grande parte no departamento de Engenharia Electrotécnica e
de Computadores, em colaboração com a Faculdade de Medicina e o Instituto Cardiovascular
de Lisboa, onde se realizaram os exames médicos tendo em vista a aquisição de dados
clínicos a serem estudados no projecto. O aluno foi orientado pelo Professor João Sanches, do
Instituto de Sistemas e Robótica, e pelo Professor e Cardiologista Luís Mendes Pedro.
A aterosclerose é uma doença da parede arterial que se caracteriza pelo espessamento e
perda de elasticidade da parede e ainda pela formação de placas de ateroma, que consistem
na acumulação sub-endotelial de lípidos, de material da matriz extracelular, de células e de
produtos de necrose e morte celular. A formação destas placas causa obstrução do lúmen
arterial e quando se desenvolve nas artérias que irrigam o cérebro (carótidas), pode originar
acidente vascular cerebral (AVC), que constitui a principal causa de morte e incapacidade física
nos países ocidentais.
Na presença de uma placa de ateroma que determine uma obstrução superior a 80% e que
nunca tenha causado sintomas, o risco de vir a causar AVC é relativamente baixo, de cerca de
3% por ano. Assim, o tratamento destas lesões assintomáticas por intervenção cirúrgica (que
consiste na remoção da placa de ateroma - endarterectomia) é relativamente pouco “costeffective”, na medida em que é necessário operar um grande número de doentes para prevenir
um AVC. Neste sentido, têm sido desenvolvidas técnicas com o objectivo de identificar as
lesões associadas a maior risco, as quais seriam objecto de tratamento.
Uma destas técnicas, usada para procurar identificar as lesões de maior risco é a
ultrasonografia (ecografia) 2D de alta definição que permite o estudo da lesão aterosclerótica
através de vários parâmetros, como o grau de estenose e a eco-estrutura da placa, isto é, a
informação de intensidade dos pixels que a constituem. No entanto, a técnica 2D tem sido
considerada pouco rigorosa na medida em que depende do observador e do equipamento.
Com o objectivo de limitar esta variabilidade, alguns estudos recentes (de 2003, 2004)
propõe métodos de análise computorizada 3D das placas de ateroma, que permitem uma
avaliação mais objectiva e estandardizada das lesões da bifurcação carotídea, no entanto
estes são ainda escassos e incidem fundamentalmente na reconstrução 3D da lesão e estudo
de alterações no volume e ecogenicidade da superfície da placa.
Estes estudos, assim como o que foi desenvolvido neste projecto, recorre a uma técnica
relativamente recente, a ecografia 3D. Esta utiliza uma sequência de imagens correspondendo
a diferentes posições e orientações da sonda ultra-sónica. Com base na informação de posição
é possível calcular a posição espacial de cada pixel da imagem de forma a construir um
volume, contendo a região de interesse (ROI), que descreve a anatomia da carótida e das
placas de ateroma. A manipulação da sonda pode ser mecânica, através de dispositivos
motorizados que a deslocam ou de mãos livres, em que a sonda é manipulada livremente pelo
médico. Em ambos os casos (no varrimento mecânico por vezes é dispensável) existe uma
localizador espacial acoplado à sonda que permite registar, em cada momento, a sua posição e
orientação. Este equipamento é extremamente dispendioso e não se encontra geralmente
disponível em hospitais ou clínicas médicas, sendo que desta forma optou-se por adquirir
livremente a sequência de imagens ecográficas. De seguida, fez-se uma estimativa do impacto
produzido pela aquisição manual no erro de posição das imagens adquiridas, concluindo-se
que este é pouco significativo, face à distância e duração de varrimento da sonda.
Em resumo, neste projecto pretendeu-se: em primeiro lugar, reconstruir tridimensionalmente
a carótida e a lesão aterosclerótica; numa segunda fase, caracterizar a placa de ateroma,
também em 3D, recorrendo a parâmetros de avaliação habitualmente usados na avaliação 2D
do risco das placas; e por fim, identificar no interior da placa, as regiões que apresentam maior
vulnerabilidade, que constituem potenciais focos de risco de doença, e cujas alterações em
extensão e morfologia podem ser seguidas ao longo do tempo, por um médico especialista. O
trabalho desenvolveu-se nas seguintes fases:
1. Aquisição das imagens ultrasónicas 2D: sequência de cortes transversais da carótida,
adquiridos com uma sonda manipulada livremente pelo médico cardiologista.
2. Estudo do efeito produzido pelas variações de velocidade e orientação da sonda
ultrasónica na posição ocupada por cada imagem.
3. Pré-processamento das imagens, para remoção do ruído speckle, que afecta
significativamente a qualidade das imagens de ecografia.
4. Segmentação e extracção dos contornos que definem a parede da carótida e a placa
de ateroma. Este processo faz uso de um algoritmo de contornos activos, descrito na
literatura, e que foi implementado no programa por forma a permitir a segmentação de
uma sequência de imagens, de forma semi-automática, permitindo ao médico controlar
e corrigir as decisões automáticas de segmentação.
5. Regularização e re-amostragem dos contornos usando minimização do erro quadrático
da função estimada às observações (pontos que definem o contorno).
6. Alinhamento da sequência de contornos extraídos, para corrigir eventuais erros
decorrentes da manipulação manual da sonda ultrasónica.
7. Regularização vertical dos contornos e construção de malha de elementos finitos 3D,
representativa da carótida e da placa de ateroma.
8. Desenvolvimento de modelos realistas das mesmas estruturas, construídos num
ambiente de realidade virtual (linguagem VRML).
9. Reconstrução de volume da placa aterosclerótica e caracterização da ecoestrutura
segundo parâmetros estatísticos.
10. Construção de interface gráfico, que possibilita a identificação de regiões mais
vulneráveis na lesão aterosclerótica, segundo parâmetros que o médico considera mais
relevantes.
Todas estas fases foram desenvolvidas a partir da concepção de algoritmos implementados
em Matlab por forma a produzir uma ferramenta interactiva, com um interface gráfico intuitivo e
de fácil manipulação, que permita fazer uma análise 3D da lesão aterosclerótica. Pretende-se
que o programa de diagnóstico possa ser executado em qualquer tipo de instalação médica
que possua um equipamento ecográfico tradicional e um computador pessoal. Geralmente, o
diagnóstico para um doente aplicando o método proposto, incluindo aquisição das imagens,
reconstrução da carótida e caracterização da lesão aterosclerótica demora aproximadamente
uma hora.
A necessidade de precisão e rigor dos processos de reconstrução/segmentação
aconselham a utilização de métodos semi-manuais pois o seu resultado condiciona a decisão
de intervenção cirúrgica. Deve-se portanto realçar o carácter multidisciplinar da orientação do
projecto que incluiu um médico cardiologista com experiência na análise de imagens
ecográficas, designadamente no diagnóstico da lesão aterosclerótica ao nível da bifurcação
carotídea. Este teve a capacidade necessária para validar os resultados obtidos e dar
orientações relevantes durante a fase de elaboração dos programas de segmentação e
caracterização da placa.
Foram estudados dois casos clínicos: um indivíduo saudável e um doente assintomático. Os
resultados apresentados no TFC incluem a representação de modelos realistas da carótida e
da
lesão
aterosclerótica
(referindo-se
esta,
obviamente,
ao
doente
assintomático).
Adicionalmente, foi implementado com sucesso o programa de caracterização da placa de
ateroma para este último caso, tendo sido estudados e apresentados os resultados referentes
à análise global da lesão, em termos de estenose máxima e média, volume ocupado e GSM
global (ver relatório para maior detalhe na explicação). Foi igualmente introduzido um método
de identificação das regiões mais vulneráveis dentro da placa, a partir da análise feita por
vários parâmetros estatísticos. As imagens referentes a esta análise são apresentadas no
relatório, sendo explicado o significado inerente a cada parâmetro estudado.
Relativamente ao trabalho que se seguiu à conclusão do TFC: neste momento, foi já
produzido um artigo que foi submetido à ”Iberian Conference on Pattern Recognition and Image
Analysis” (IbPRIA) 2007, a decorrer em Girona, Espanha, entre 6 e 8 de Junho de 2007. Este
artigo foca essencialmente o método de reconstrução tridimensional usado para a criação de
modelos realistas da carótida e da placa de ateroma. Estes modelos são depois usados para o
diagnóstico da lesão aterosclerótica, que é também discutido no artigo, em menor detalhe.
Está também praticamente concluído e aceite um artigo a ser publicado na revista
”Angiografia e Cirurgia Vascular” da Sociedade Portuguesa de Angiografia e Cirurgia Vascular,
que sairá em Março de 2007. Este artigo, dirigido essencialmente à comunidade médica,
constitui uma revisão do estado da arte em métodos de caracterização da carótida e da lesão
aterosclerótica, quer segundo métodos tradicionais, quer recorrendo à ecografia tridimensional.
O artigo termina com a descrição da abordagem que estudei e desenvolvi, apresentando
alguns resultados experimentais.
Por fim, foi elaborado recentemente o documento que constitui a dissertação para obtenção
do grau de Mestre em Engenharia Biomédica. Este foi escrito sob a forma de artigo estendido,
onde são discutidos em detalhe todos os aspectos anteriormente abordados durante o TFC.
Uma versão ligeiramente mais reduzida deste documento (por questões de limitação de espaço
e formatação) foi agora submetida para publicação em revista na ”IEEE Transactions on
Medical Imaging”.
As
principais
contribuições
deste
documento,
que
representam
inovações
ou
desenvolvimentos face a algumas técnicas e assuntos debatidos durante o TFC, são:
1. Aplicação de algoritmos de denoising na sequência de imagens ecográficas 2D,
designadamente uma combinação de filtros de mediana e gaussiano, e a introdução de
um novo método, usando o critério MAP, com TV edge preserving prior.
2. Optimização do algoritmo de alinhamento dos contornos que definem a carótida.
3. Aplicação de um método de normalização das imagens, a fim de tornar reprodutível a
caracterização da eco-estrutura das placas.
4. Apresentação de novos resultados, provenientes da recolha de novos dados clínicos.
Adicionalmente, estes foram comparados com os resultados obtidos por técnicas
tradicionais de caracterização em 2D.
José Seabra, licenciado em Engenharia Biomédica