Determinação da grade costal em pacientes com pectus excavatum utilizando técnicas imagiológicas sem radiação

Abstract

Todas as áreas científicas que apoiam e suportam a medicina têm evoluído muito ao longo dos anos. Uma dessas áreas é a Engenharia sendo indispensável para o eficaz e eficiente funcionamento do que hoje conhecemos como Medicina Moderna. A imagem médica, área muito explorada e dependente da Engenharia, tem evoluído muito e atualmente é possível diagnosticar, tratar e melhorar procedimentos, diminuir o erro humano, investigar com melhores práticas e até modelar próteses devido à evolução desta área. Isto tem acontecido quer através do aperfeiçoamento dos equipamentos de aquisição de imagens médicas, como também das técnicas de processamento de imagem usadas. Hoje em dia, a Tomografia Computadorizada (modalidade da imagem médica) é usada como exame de pré-diagnóstico para a correção do pectus excavatum, uma deformidade que ocorre na parede do tórax. Contudo, a Tomografia Computadorizada não é benéfica para os pacientes devido ao seu princípio físico de aquisição se basear em radiação, o que poderá originar a longo prazo problemas de saúde graves. Como a correção do pectus excavatum é cada vez mais uma cirurgia estética, onde o seu principal objetivo é evitar problemas psicológicos e de stress social nas crianças e jovens adolescentes portadores desta deformidade, tem-se questionado a real necessidade do uso da Tomografia Computadorizada. Tendo em consideração a realidade descrita foi objetivo deste trabalho avaliar a possibilidade de reconstruir um plano axial do tórax, contendo a grade costal, a partir de imagens por ultrassons e recorrendo a técnicas de processamento imagem. O intuito desta reconstrução foi eliminar a Tomografia Computadorizada do procedimento de modelação/dobragem automática da prótese cirúrgica para a correção do pectus excavatum. As técnicas e algoritmos de processamento de imagem usados e implementados, para obter um plano axial a partir de várias imagens de ultrassons, basearam-se no realce das imagens através de filtragem, no registo para obter as transformações entre imagens, na segmentação das estruturas ósseas e na reconstrução do plano final a partir dos dados do registo e da segmentação. Os resultados preliminares obtidos, principalmente de imagens de um phantom, demonstraram que é possível fazer reconstruções contendo informações das estruturas presentes no plano adquirido, como também da curvatura do tórax. Imagens obtidas com o phantom submerso em água demonstraram melhores resultados, onde as estruturas estão bem definidas e as dimensões coincidem quando comparadas com a Tomografia Computadorizada. Dados in vivo, mostraram que é possível reconstruir planos contendo a informação anatómica, no entanto, ainda não foi possível obter a curvatura real do tórax. Porém, o algoritmo de segmentação das estruturas ósseas demonstrou ser capaz de realçar a superfície do osso. Futuramente prevê-se a contínua otimização dos algoritmos, otimização dos parâmetros de aquisição da imagem e utilização de equipamentos externos de apoio à aquisição de imagens.

All the scientific areas that support medicine have evolved enormously over the years. One such area is engineering, being indispensable for the effective and efficient functioning of what we know today as modern medicine. The medical imaging, a very explored and dependent area of the engineering, has greatly progressed and nowadays it is possible to diagnose, treat, improve procedures, reduce human error, investigate with best practices and model prosthesis due to developments in this area. This has occurred by improving the imaging equipment as well as the medical image processing techniques. Nowadays, the Computed Tomography (medical image modality) is used as pre-diagnosis examination for the correction of pectus excavatum, a deformity that occurs in the chest wall. However, Computed Tomography is not beneficial for patients because its physical principle of acquisition is based on radiation, which may lead to long-term serious health problems. As the correction of pectus excavatum is more a cosmetic surgery, where its main objective is to avoid psychological problems and social stress in children and young adolescents with this deformity, it has been questioned the real need for the use of Computed Tomography. Taking into account the described reality, the objective of this study was to evaluate the possibility to reconstruct an axial plane of the chest with the rib cage using ultrasound images and image processing techniques. The purpose of this reconstruction was to eliminate the Computed Tomography from the procedure of automatic modeling/bending the prosthesis for the surgical correction of pectus excavatum. The image processing techniques and algorithms used and implemented to obtain an axial plane, using several ultrasound images, were based in image enhancement using filtering techniques, in registration to obtain the transformations between images, the segmentation of bone structures and the reconstruction of the final plan from the data of registration and segmentation. The preliminary results, mostly from a phantom, showed that it is possible to make reconstructions containing the information of the structures present in the scanned plan, as well as the curvature of the chest. Acquired images with the phantom submerged in water exhibited better results, where the structures are well defined and the dimensions match when compared with Computed Tomography. In vivo data indicated that it is possible to reconstruct planes containing the anatomical information, however, still cannot get the actual curvature of the chest. The segmentation algorithm of bone structures has been shown to enhance the surface of the bone. Hereafter, it is anticipated the continuous optimization of algorithms, the optimization of image acquisition parameters and the use of external equipment to support the image acquisition.