Modelagem Computacional das Doenças Intersticiais Pulmonares Leandro Alves Neves Annie France...

Modelagem Computacional das Doenças Intersticiais Pulmonares

Leandro Alves Neves Annie France Frère Slaets

Augusto V. Nascimento Márcio A. Marques Marcelo Z. Nascimento

Escola de Engenharia de São Carlos - USP

Universidade Estadual Paulista–Sorocaba/Iperó

UMC Universidade de Mogi das Cruzes

Modelar estruturas anatômicas:

O Tórax e o Pulmão

Simular essas estruturas anatômicas expostas aos raios X com diversas técnicas.

Algoritmo Computacional

Objetivos

Padrões das Doenças intersticiais Pulmonares

Estudar a influência tanto das diversas estruturas anatômicas, quanto dos parâmetros radiológicos, sobre o desempenho dos

sistemas de auxílio ao diagnóstico de patologias pulmonares (SAD).

Justificativas

A radiografia do tórax um dos primeiros procedimentos adotados pelos médicos para o diagnóstico de enfermidades pulmonares;O grupo das Doenças Intersticiais Pulmonares (DIPs) é composto por aproximadamente 180 patologias;

apresentam características clínicas, radiológicas e funcionais semelhantes dificuldades para chegar a um diagnóstico preciso e confiável;

potencializadas pela presença da caixa torácica nas imagens radiológicas, que muitas vezes oculta a visualização das estruturas pulmonares;

Representação dos padrões retículo-nodular e o nodular porque a maioria dos pacientes com uma DIP apresenta um desses na radiografia de tórax.

Metodologia

Modelo Anatômico Adotado (Estruturas Torácicas)

Disposição do esterno, vértebras torácicas, arcos costais, escápulas, clavículas e diafragma. (SOBOTTA (1993)).

Metodologia

Determinação das Estruturas Torácicas

Desenvolvemos um algoritmo baseado em pontos de controle, dispostos de tal maneira, que interpolados através de uma função B-Splines, fornecem formas geométricas próximas às das estruturas reais.

,0

tNptP ki

m

ii

onde, p0, p1,..., pn são pontos de controle; m - número de pontos do

polígono de controle; k – grau da B-spline que se quer usar.

As funções base Nik são definidas pela forma recursiva de COX (1971)

e de BOOR (1972).

Metodologia

Determinação das Estruturas Torácicas

Metodologia

Modelo Anatômico Adotado (Estruturas Pulmonares)

Distribuição da árvore brônquica segundo WOLF-HEIDEGGER (1996).

Diâmetros calculamos através das equações propostas por KITAOKA et al. (1999:

determinam as dimensões e direções dos ramos quantificando a distribuição de fluído dos ramos pais para os ramos filhos.

Metodologia

Modelo Anatômico (Estruturas Pulmonares)

Ramificações

)1(/1

02 rddn

rdd n/101

n fluxo em questão;Onde

r valor de divisão de fluxo valor aleatório entre 0 e 0,5.

d0 diâmetro do ramo pai;

d1 e d2 diâmetros dos ramos filhos;

Utilizamos n igual a 3 para vias aéreas (NELSON & MANCHESTER (1988)).

Ângulos

o ângulo de bifurcação é o valor necessário para obter a maior distância entre o término do ramo e a borda do pulmão.

Metodologia

Comprimentos proporcionais aos diâmetros e as regiões disponíveis para o crescimento;

Bronquíolos terminais

Bronquíolos respiratórios

ramos com diâmetros menores ou iguais a 0,7 mm e maiores que 0,45 mm. HORSFIELD et al. (1971);

ramos com diâmetros menores ou iguais a 0,45 mm e maiores que 0,2 mm. HORSFIELD et al. (1971);

Limiares valores que determinam até quais diâmetros os ramos são representados.

Metodologia

representamos as estruturas por elementos geométricos;

os elementos geométricos são construídos pela sobreposição de camadas.

Metodologia

Metodologia

Padrões Intersticiais

Retículo-Nodular Produzido pela substituição da arquitetura pulmonar normal por pequenos espaços com formas geométricas hexagonais;

Nodular caracterizado na radiografia pela presença de densidades arredondadas de diferentes tamanhos, com aparência de superposição.

Processo inflamatório representado pelo espessamento dos bronquíolos respiratórios obtido multiplicando o valor do diâmetro de cada bronquíolo respiratório por um coeficiente de aumento, que definimos como 2,5.

Configurações Gerais

Metodologia

Configurações para o Padrão Retículo-Nodular

hexágonos denominados retículos esferas denominados nódulos sobrepostos aos bronquíolos envolvidos no processo inflamatório;

as paredes dos retículos são representadas por cilindros com diâmetros obtidos randomicamente, respeitando um intervalo de 0,5 a 1,5 mm;

os comprimentos dos retículos correspondem às regiões ocupados pelos bronquíolos respiratórios incluídos no processo inflamatório;

Nódulos variam de 0,9 a 2,9 mm de diâmetros representadas nos vértices.

Metodologia

Configurações para o Padrão Nodular

O posicionamento, coordenadas (x,y), de cada estrutura é definido randomicamente, respeitando a geometria pulmonar.

250 nódulos variam de 0,5 a 3,5 mm de diâmetros sobrepostos as estruturas;

Resultados

Modelo Torácico 1 - Modelagem de uma caixa torácica com 22 cm de diâmetro e 26,5 cm de altura.

Resultados

Modelo Torácico 2 - Modelagem de uma caixa torácica com 19,5 cm de diâmetro e 28,5 cm de altura. (a) sem a pele; (b) com a pele.

(a) (b)

Resultados

Simulações contemplando a traquéia; brônquios principais, lobares e segmentares; bronquíolos terminais e respiratórios. (a) obtido com as dimensões do Modelo Torácico

1; (b) obtido com as dimensões do Modelo Torácico 2.

(a) (b)

Parâmetros das Imagens Radiográficas Simuladas

Utilizamos espectros apresentados por BOONE & SEIBERT (1997).

Coeficientes de atenuação de massa calculados a partir de uma composição genérica apresentada pela norma da International Commission on Radiation Units (ICRU-44 (1999)).

Densidade sem a presença do ar, 1.05 estabelecida pela mesma norma.

As intensidades dos raios X que atravessam os pulmões são calculadas através da equação apresentada por WOLBARST (1993).

Resultados

Simulação Radiográfica com 45 kVp e 5 mAs do Modelo Torácico 1 (a) e Modelo Torácico 2 (b).

(a) (b)

Resultados

(a) (b)

Simulação radiográfica do padrão retículo-nodular, com 45 kVp e 5 mAs. (a) Modelo Pulmonar 1; (b) região do lobo inferior esquerdo em tamanho real.

Resultados

Simulação radiográfica do padrão nodular, com 45 kVp e 5 mAs. (a) Modelo Pulmonar 1; (b) região do lobo superior direito em tamanho real.

(a) (b)

Discussões e Conclusões

Número de divisões dos ramos;

Comparações Quantitativas

Número e diâmetros de bronquíolos terminais;

São compatíveis com os dados encontrados nos modelos reais.

Comparações QualitativasEspecialista considerou:

nos modelos pulmonares as vias aéreas estão organizadas adequadamente e que os padrões retículo-nodular e nodular foram bem representados;

diferenças na disposição das escápulas, no tamanho do esterno e na atenuação proporcionada pelos arcos costais e pele;

conclusão é que os modelos torácicos e pulmonares são bem representativos, atendendo os objetivos propostos.

laneves@sel.eesc.sc.usp.br

http://www.sel.eesc.sc.usp.br/aladim/index.htm

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