Correção de Movimentos em Imagens Obtidas por - NPDI

Correção de Movimentos em Imagens Obtidas por Microscopia Confocal
ANDRÉ RICARDO MASSENSINI1,JOHN SUCKLING2, MICHAEL JOHN BRAMMER2, MARCUS VINÍCIUS GOMEZ1,
MARCO AURÉLIO ROMANO-SILVA1
1
UFMG-ICB, Laboratório de Neurofarmacologia, Avenida Antônio Carlos, 6657, Belo Horizonte, MG, Brasil
2
Kings College London, Institute of Psychiatry, Brain Image Analysis Unit, Denmark Hill, London, UK.
[email protected]
Resumo: A microscopia confocal tem sido usada para examinar o papel dos canais iônicos na liberação de
neurotransmissores. Certamente, o movimento da célula, ou do campo, durante a aquisição das imagens pode
ser uma importante fonte de artefatos. Se o contorno celular se move em apenas um pixel dentro do campo de
visão, as comparações entre os níveis de fluorescência naquela posição podem mudar dramaticamente. O
principal objetivo deste estudo é examinar o potencial para a aplicação de técnicas de análise de imagem,
desenvolvidas em neuroimagem e imagens sísmicas, para o campo da microscopia confocal com a finalidade
de minimizar os artefatos gerados devido ao movimento das células.
1. Introdução
O crescimento explosivo das técnicas de imagem em medicina tem levado a um promissor período de
desenvolvimento em imagens, particularmente no campo da segmentação e da avaliação estatística de
mudanças nas propriedades da imagem. Em neuroimagem funcional o pequeno nível de mudanças
observado nos sinais e a presença de artefatos resultantes do movimento dos pacientes têm levado a
um intensivo período de desenvolvimento de novas idéias na aquisição de imagens. Assim, há um
grande número de trabalhos em algoritmos para correção de movimentos, além da identificação e
medida segura das pequenas mudanças observadas nos sinais captados pelos aparelhos.
A microscopia confocal tem sido usada para examinar o papel dos canais iônicos, especialmente o
de sódio, na liberação de neurotransmissores. Para isto uma variedade de corantes fluorescentes é
usada para examinar os níveis intracelulares dos íons sódio e cálcio (Na+, Ca2+). Muitos dos fenômenos
de interesse que são medidos usando-se tais corantes ocorrem próximos a periferia da célula e/ou na
membrana plasmática. O movimento da célula, ou do campo, durante a aquisição das imagens pode ser
uma importante fonte de artefatos. Se o contorno celular se move em apenas um pixel dentro do
campo de visão, as comparações entre os níveis de fluorescência naquela posição podem mudar
dramaticamente. A similaridade entre este problema e outro encontrado em neuroimagem funcional é
bem aparente, onde imagens do cérebro são adquiridas em sucessivos intervalos de tempo. As
mudanças na intensidade da imagem em específicos pixels são relacionadas às alterações locais na
ativação neural. Novamente, o movimento das imagens em pequenas proporções pode ser facilmente
interpretado como alterações funcionais [1]. Várias estratégias têm sido desenvolvidas para a
minimização de artefatos gerados devido aos movimentos [2,3,4]. O principal objetivo deste trabalho
tem sido adaptar e aplicar tais técnicas às imagens obtidas por microscopia confocal em um simples
plano focal (2D) ou múltiplos planos focais (3D). Foi usada uma adaptação da técnica descrita
anteriormente na qual as imagens são divididas em 2 ou 3 grades dimensionais e o registro é feito
independentemente nos objetos em cada dimensão. Isto permite computar e compensar os movimentos
de múltiplos objetos (células individuais) com o campo de visão.
2. Metodologia
Imagens foram adquiridas em um sistema de microscopia confocal MRC 1024-UV, equipado com um
laser de argônio UV e um laser visível argônio/criptônio. O sistema é capaz de adquirir imagens de
amostras triplamente marcadas e imagens de transmissão DIC “True Color”. As células foram
Anais do II Workshop em Tratamento de Imagens, NPDI/DCC/UFMG, 2001
incubadas na presença dos corantes indo-1 ou SBFI, específicos pra os íons Ca2+ e Na+
respectivamente.
Assumindo-se que a imagem não sofre transformação elástica, os movimentos bidimensionais são
caracterizados por 3 parâmetros (translação nos eixos x e y, além da rotação da imagem) e movimentos
tridimensionais por 6 parâmetros (translações ao longo dos eixos x, y e z, além das rotações em cada
um destes eixos). A correção do movimento rígido de cabeça se baseia em encontrar um conjunto de
parâmetros de movimentos que possam minimizar o valor do desvio, refletindo a variação entre a
imagem de referência e a imagem na qual o movimento está sendo corrigido. Por exemplo, a soma das
diferenças absolutas na intensidade da imagem para cada pixel pode ser computada entre duas imagens
(referência e imagem a ser corrigida no tempo t). Um algoritmo multidimensional de procura pode
então ser usado para encontrar o conjunto de parâmetros de movimento que minimize este valor. Uma
vez que este conjunto de movimentos que minimiza as diferenças entre as imagens tenha sido
computado, a imagem no tempo t pode ser movida em correspondência com a imagem de referência
aplicando-se este conjunto de parâmetros com um algoritmo de interpolação ajustável [5].
3. Resultados
Em células marcadas com INDO-1-AM, um corante específico para os íons Ca2+, e perfundidas com
toxinas que se ligam aos canais de sódio, observamos que pequenos movimentos causados pela
perfusão durante a aquisição das imagens podem gerar grandes diferenças quando analisamos as
regiões onde houve aumento na concentração intracelular
de íons Ca2+ ([Ca2+]i).
A Figura ao lado mostra um dos experimentos com
as células SN-56 em que foi aplicado o programa
desenvolvido para correção dos movimentos nas imagens.
Neste caso especificamente tem-se uma variação
bidimensional, ou seja, os movimentos de translação nos
eixos X e Y, além dos movimentos de rotação. O gráfico
corresponde aos movimentos de uma seqüência de
imagens tomadas ao longo do tempo. Como se pode
observar, as variações são maiores nos eixos X e Y, e as
rotações quase não estão presentes. As células SN-56
Imagem (n )
foram perfundidas em presença da veratridina e as
A
B
imagens tomadas a longo do tempo. Quando se fez a
correlação entre o pixel indicado pela seta (x=130 e
y=120) e os demais pixels antes da correção dos
movimentos (A), nota-se que existe pouca correlação
entre os pixels que estão presentes nos neuritos, região
onde o pixel de referência foi tomado. Mas quando
analisamos o mesmo pixel após a correção dos
movimentos (B), percebe-se uma correlação significativa (p<0,001) entre os pixels que estão presentes
nos neuritos das células e em alguns pontos até mesmo sobre alguns corpos celulares. Esta correlação
indica os pontos onde a [Ca2+]i possui o mesmo padrão de elevação.
3
Eixo X
Eixo Y
Rotação
Movimento (graus)
2
1
0
-1
-2
0
50
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100
o
150
200
4. Referencias
[1] Barnes, J., Howard, R.J., Senior, C., Brammer, M., Bullmore, E.T., Simmons, A., Woodruff, P.,
David, A.S. (2000). Cortical activity during rotational and linear transformations.
Neuropsychologia;38(8):1148-1156.
[2] Bullmore, E., Horwitz, B., Honey, G., Brammer, M., Williams, S., Sharma, T. (2000). How good
is good enough in path analysis of fMRI data? Neuroimage 11(4):289-301.
[3] Calvert, G.A., Campbell, R., Brammer, M.J. (2000). Evidence from functional magnetic resonance
imaging of crossmodal binding in the human heteromodal cortex. Curr. Biol. 10(11):649-657
[4] Hill, D.L., Smith, A.D., Simmons, A., Maurer, C.R. Jr, Cox, T.C., Elwes, R., Brammer, M.,
Hawkes, D.J., Polkey, C.E. (2000). Sources of error in comparing functional magnetic resonance
imaging and invasive electrophysiological recordings J. Neurosurg. 93(2):214-223.
[5] Bullmore, E.T., Brammer, M.J., Rabe-Hesketh, S., Curtis, V.A., Morris, R.G., Williams, S.C.,
Sharma, T., Mcguire, P.K. (1999). Methods for diagnosis and treatment of stimulus-correlated
motion in generic brain activation studies using fMRI. Hum Brain Mapp. 7,38-48.
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