INCISURA PROTODIASTÓLICA DA ARTÉRIA UTERINA

Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba
INCISURA PROTODIASTÓLICA DA ARTÉRIA UTERINA:
DETECÇÃO E QUANTIFICAÇÃO AUTOMÁTICAS♦
M. G. F. Costa, C. F. F. Costa Filho, R. Begnini, A. C. S.Freitas.
Universidade do Amazonas – Laboratório de Processamento Digital de Imagens
Av. Gal. Rodrigo Otávio Jordão Ramos, 3000 Aleixo, CEP 69077-000, Manaus-AM-Brasil
[email protected]
RESUMO
Neste trabalho propõe-se um índice para quantificação da
incisura protodiastólica presente em exames de doppler da
artéria uterina de pacientes com obstrução do leito uterino
placentário. O objetivo é quantificar a gravidade da
síndrome obstrutiva materno-placentária. O método
desenvolvido é constituído por quatro etapas: préprocessamento da imagem, detecção da envoltória do sinal
de doppler da artéria uterina, detecção dos pontos
característicos e determinação do índice de incisura. No
pré-processamento realiza-se a detecção da linha de base do
sinal de doppler e a delimitação da área de interesse na
imagem de doppler da artéria uterina. A detecção da
envoltória é precedida de uma etapa de binarização da
imagem da área segmentada e da remoção de ruídos
através de um processo de rotulação. Os pontos
característicos detectados são o pico da sístole, o final da
diástole, o pico da diástole e a incisura. O índice de incisura
proposto é uma razão entre os valores determinados para a
incisura e para o pico da diástole, sendo um número menor
do que 1. O material utilizado nesse trabalho consta de 22
imagens de doppler da artéria uterina de pacientes com
suspeita de síndrome obstrutiva materno-placentária.
Palavras-chave: Incisura
Fluxometria, Ultra-som.
Protodiastólica,
Doppler
1. INTRODUÇÃO
A introdução do doppler para a detecção dos sinais de
velocidade do sangue nos vasos fetais abriu novas
possibilidades de avaliação direta da circulação uterina e
fetal. A análise da onda de velocidade do fluxo sangüíneo
(OVF) das artérias umbilicais tornou-se um método clínico
de monitorizar o bem-estar fetal nas gestações de alto risco.
Muitos trabalhos sobre a avaliação do doppler na circulação
fetal fornecem sólidas bases para um melhor entendimento
da fisiologia fetal e da fisiopatologia de várias patologias
gestacionais [1].
A maioria dos vasos periféricos apresenta um perfil de
velocidade onde a sístole (que representa a contratilidade
cardíaca) é de curta duração e a diástole é de longa duração
(representando a resistência ou complacência do leito
vascular). A determinação dos fluxos vasculares não é uma
tarefa das mais fáceis. Desta maneira, usualmente são
utilizados índices que relacionam as velocidades sistólica e
diastólica presentes no sinal de doppler. Os parâmetros
mais utilizados são: o índice de Resistência de Stuart (S/D),
o índice de Resistência de Pourcelot ((S-D)/S) e o índice de
Pulsatilidade ((S-D)/Vm), onde:
S = velocidade sistólica;
D = velocidade diastólica;
Vm = velocidade média entre a sístole e a diástole.
Um trabalho desenvolvido com 140 gestantes hipertensas,
submetidas ao ultra-som transvaginal, demonstrou que a
ocorrência de uma incisura (depressão acentuada) na parte
sistólica ou no início da diástole no sonograma da artéria
uterina é altamente preditiva de um resultado gestacional
adverso, como pré-eclâmpsia e doença hipertensiva
específica da gestação [2] [3]. No entanto, os índices acima
referidos não possuem valor preditivo da presença da
incisura e muito menos da profundidade da mesma. O
objetivo desse trabalho é enriquecer a avaliação da forma
do sinal do fluxo das artérias uterinas através da proposição
de um método automático para detecção e quantificação da
incisura protodiastólica. Essa quantificação da intensidade
da incisura será denominado doravante de índice de
incisura.
2. METODOLOGIA
Foram realizados 22 exames de doppler das artérias
uterinas de pacientes grávidas a partir da 26a semana de
gestação. Foi utilizado um equipamento ultra-som de última
geração, Toshiba Power Vision 8000. Treze desses
exames foram gravados em fita de vídeo e posteriormente,
de cada um deles, foi capturado uma imagem de doppler da
artéria uterina com resolução espacial de 290x228 pixels.
As outras 9 imagens foram capturadas diretamente do
equipamento de ultra-som, com resolução de 640x480
pixels. A resolução de profundidade dos dois conjuntos de
imagens é de 256 níveis de cinza.
O processamento computacional foi efetuado em um
microcomputador Pentium II 266 MHz, 64MB RAM e
monitor de 17’’. Para o desenvolvimento do aplicativo de
detecção da incisura utilizou-se o Toolbox de
processamento digital de imagens do Matlab.
O método implementado neste trabalho obedece ao
esquema clássico de um método de reconhecimento de
padrões: segmentação de estruturas, extração de
características e classificação [4]. As etapas utilizadas
podem ser classificadas em quatro grupos:
• pré-processamento do sinal de doppler;
• detecção da envoltória do sinal de doppler;
• detecção dos pontos característicos: pico sistólico, final
de diástole, pico diastólico e incisura.
♦ Este trabalho contou com o apoio financeiro do CNPq e da Fundação de Apoio Institucional Rio Solimões – UNISOL.
950-7132-57-5 (c) 2001, Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo 00227
•
determinação do índice de incisura.
Pré-processamento Na Figura 1 mostra-se a imagem
original do exame de doppler da artéria uterina, com 256
níveis de cinza. O pré-processamento é constituído de duas
fases: obtenção da linha de base e delimitação da área de
interesse.
Para a detecção da linha de base ilustrada na Figura 1,
utilizou-se o fato dos pixels dessa linha terem uma
intensidade constante e maior do que a dos demais pixels da
imagem. Faz-se uma varredura de todas as linhas,
somando-se, para cada uma, os valores dos níveis de cinza
de todas as colunas. Aquela que apresentar o maior valor de
soma será a linha de base. Nessa linha, através de
considerações simples determinou-se o início e final da
mesma, conforme mostrado na Figura 1.
nesta ordem. As coordenadas da envoltória em cada coluna
são identificadas no instante em que houver uma mudança
de nível de cinza de preto (0) para branco (1).
Fig. 2. Histograma da imagem da Figura 1.
Fig. 3. Área segmentada contendo o sinal de doppler.
Fig. 1. Imagem original do exame de doppler.
Em seguida a obtenção da linha de base, com o objetivo de
isolar o sinal a ser analisado, fez-se uma segmentação da
área de interesse. Essa segmentação visou diminuir o tempo
dos processamentos posteriores. No processo de
segmentação, a partir da linha de base, varrem-se
sucessivamente as linhas horizontais mais altas,
monitorando-se em cada linha a intensidade média dos
pixels. O processamento é finalizado no instante em que a
intensidade do nível de cinza em toda a extensão de uma
linha seja próxima da intensidade do fundo da imagem. A
fim de determinar a intensidade do fundo da imagem
levantou-se um histograma da mesma, conforme mostrado
na Figura 2. Esse histograma é bimodal, sendo que o pico à
esquerda corresponde a intensidade de fundo da imagem.
Na Figura 3 mostra-se o resultado da segmentação da área
de interesse contendo o sinal de doppler a ser processado.
Detecção da Envoltória - Após a segmentação da área de
interesse procedeu-se a determinação da envoltória do sinal
de doppler. A detecção da envoltória pode ser dividida em
três fases: binarização da imagem segmentada, remoção de
ruídos e detecção da envoltória.
Como pode ser visto na Figura 4, existe ruído,
proveniente do processo de binarização. A filtragem desse
ruído foi realizada através de um processo de rotulação. A
maior área obtida através do processo de rotulação
corresponde ao sinal doppler a ser analisado. As demais
áreas são eliminadas no processo de filtragem. O resultado
da filtragem da imagem da Figura 4 é mostrado na Figura 5.
A detecção da envoltória é realizada varrendo-se a imagem
filtrada de cima para baixo e da esquerda para a direita,
Fig. 4. Imagem binarizada.
Fig. 5. Imagem resultante da filtragem da imagem da Figura 4.
Na Figura 6 mostramos a envoltória detectada para a
imagem mostrada na Figura 5, com alguns pontos
indicados, que serão explicados adiante.
Nos tópicos seguintes far-se-á referência às coordenadas x e
y, cujos eixos são mostrados na Figura 6. A origem do
sistema de coordenadas corresponde ao canto inferior
esquerdo da imagem.
Detecção dos Pontos Característicos - Para a detecção da
incisura o algoritmo detecta pontos característicos do sinal
de doppler, quais sejam:
linha de referência
Y
X
Linha de Base
segmentada. O diagnóstico da presença da incisura poderia
ser feito quando a presença da mesma é observada em mais
do que 70% dos ciclos de sístole-diástole, conforme
orientação do especialista. Quando isso não acontece,
argumenta-se que as depressões detectadas podem ser
resultado de uma obstrução temporária no leito uterino
placentário.
Para a detecção do pico de diástole entre dois picos de
sístole utilizou-se os pontos de incisura e de final da
diástole, determinados anteriormente. O pico da diástole
corresponde ao ponto com maior coordenada y situado
entre esses dois pontos. Na Figura 7 indica-se o pico de
diástole no intervalo entre os picos de sístole S1 e S2.
Fig. 6. Envoltória da imagem filtrada da Figura 5 com os pontos de
pico de sístole, final de diástole, pico de diástole e incisura.
•
•
•
o ponto de pico da sístole;
o ponto de final da diástole; e
o ponto de pico da diástole.
Para a detecção do pico da sístole adota-se o seguinte
procedimento. Com o menor e o maior dos valores de
coordenada y da envoltória (Figura 6), obtém-se uma
coordenada média y, sobre a qual é traçado uma linha
horizontal de referência, mostrada na Figura 6. Para isolar
regiões da envoltória contendo os picos de sístole, inicia-se
uma varredura em cima da envoltória no sentido da
esquerda para a direita. A primeira região é delimitada
como se situando entre as primeiras ocorrências dos dois
pontos seguintes: ponto correspondente ao cruzamento da
subida da envoltória com a linha de referência e ponto
correspondente ao cruzamento da descida da envoltória
com a linha de referência. Na Figura 6 estes pontos são
marcados como P1 e P2. Dentro dessa região efetua-se então
uma busca para se determinar o ponto com maior
coordenada y. Esse ponto corresponde ao pico de sístole da
região situada entre P1 e P2. Os outros picos de sístole são
determinados de forma semelhante.
O final da diástole é determinado utilizando-se o pico de
sístole como referência. A partir de cada pico de sístole
realiza-se uma busca caminhando-se sobre a região da
envoltória situada à esquerda do mesmo. Nessa busca
compara-se a coordenada y1 de uma coluna mais a direita,
com a coordenada y2 de uma coluna vizinha mais a
esquerda. Enquanto y2 < y1 a busca continuava. Quando y2>
y1 a busca é encerrada, sendo a coordenada do final da
diástole dada por (x1, y1). Um ponto de final de diástole é
mostrado na Figura 6.
O intervalo de procura da incisura é limitado a esquerda por
um pico de sístole e a direita por uma linha vertical de
referência passando pelo ponto médio entre esse pico de
sístole e o pico de sístole subseqüente. Essa linha de
referência é mostrada na Figura 7. O argumento utilizado
para a detecção da incisura é que a mesma corresponde ao
ponto com menor coordenada y situado entre o pico
sistólico à esquerda e a linha de referência. Se o ponto de
mínimo nesse intervalo ocorrer sobre a linha de referência,
não existe incisura. Na Figura 7 mostra-se um ponto de
incisura situado no intervalo entre os picos S1 e S2. Em um
mesmo exame sonográfico, a incisura pode não ocorrer em
todos os ciclos de sístole-diástole presentes na imagem
Y
linha de referência
X
Linha de Base
Fig. 7. Imagem mostrando a linha de referência utilizada para detecção da
incisura e do pico diastólico
Determinação do Índice de Incisura - O índice para a
medida da incisura, depressão que ocorre após o pico da
sístole, em pacientes com comprometimento no leito
uterino placentário, foi proposto como sendo a razão entre a
coordenada y da incisura e a coordenada y do pico
diastólico, ambas medidas a partir da linha de base. Para
uma dada imagem, o índice médio das incisuras foi
calculado como uma média dos índices observados em cada
um dos intervalos contidos entre duas sístoles.
2. RESULTADOS
Nas Figuras 8 e 9 são mostradas as imagens com a
envoltória sobreposta ao sinal de doppler, com a presença
da incisura detectada em todos os ciclos de sístole-diástole.
A imagem da Figura 8 pertence ao grupo de imagens com
resolução espacial de 640x480 pixels, enquanto que a
imagem da Figura 9 pertence ao grupo de imagens com
resolução espacial de 290x228 pixels.
Na Figura 10 mostra-se uma imagem com a envoltória
sobreposta ao sinal de doppler, com a incisura detectada em
apenas 75% dos ciclos de sístole-diástole. Essa imagem
pertence ao grupo de imagens com resolução espacial de
640x480 pixels.
Por ocasião da realização dos exames, o ultra-sonografista
identificou a presença da incisura nos exames das 22
pacientes investigadas. Posteriormente, ao reavaliar as 22
imagens capturadas, o ultra-sonografista identificou a
presença da incisura em 9 imagens, distribuídas da seguinte
forma: do conjunto de 13 imagens com resolução menor,
em 2 delas foi identificada a presença de incisura (15%); do
conjunto de 9 imagens com resolução maior, em 7 delas foi
identificada a presença da incisura (78%). O conjunto das
22 imagens capturadas foi submetido ao programa. A
identificação das imagens com incisura, pelo método
proposto, coincidiu com a avaliação feita pelo ultrasonografista.
Na Tabela I são mostrados os valores de índice médio das
incisuras obtidos a partir do método proposto.
Tabela I.
Valores médios do índice de incisura
1
Percentual de
Intervalos
100%
2
100%
0,884
3
100%
0,842
4
100%
0,934
5
100%
0,892
6
100%
0,791
7
100%
0,861
8
80%
0,885
9
75%
0,903
Imagem
Fig. 8. Imagem com resolução espacial de 640x480 pixels
mostrando a envoltória e a incisura detectada em 100% dos ciclos
de sístole-diástole.
Fig. 9. Imagem com resolução espacial de 290x228 pixels mostrando
a envoltória e a incisura detectada em 100% dos ciclos de sístolediástole.
Fig. 10. Imagem com resolução espacial de 640x480 pixels mostrando a
envoltória e a incisura detectada em 75% dos ciclos de sístole-diástole.
Índice Médio
0,887
3. DISCUSSÃO E CONCLUSÕES
4.
Em relação a diferença que houve entre o número de
diagnósticos positivos de incisura nos exames (100%) e o
número de diagnósticos positivos de incisura nas imagens
capturadas, (41%), registra-se que essa diferença é bem
maior para o conjunto das 13 imagens de menor resolução
(290x228 pixels), do que no grupo de imagens com
resolução de 640x480 pixels. Conclui-se, então que a
resolução espacial das imagens gravadas afeta de forma
fundamental a percepção da incisura pelo ultra-sonografista
e também a detecção da incisura pelo método ora proposto
neste artigo.
Através da comparação das imagens das Figuras 9 e 10,
observa-se que o grupo de imagens com menor resolução
têm uma intensidade do nível de cinza de fundo bem menor
do que o grupo de imagens com maior resolução. O método
proposto, no entanto, não é sensível a essa variação, na
medida em que, para o processo de binarização (Figura 4),
utiliza-se um nível de limiar adaptativo, extraído do
histograma bimodal (Figura 2).
A concordância exata entre o diagnóstico da presença da
incisura pelo ultra-sonografista nas imagens capturadas e o
diagnóstico realizado pelo método proposto é um estímulo
para a continuidade desse trabalho.
Em relação ao índice de incisura, observa-se que, quanto
mais próximo de 1 for este índice, menos profunda será a
incisura em relação ao pico diastólico. De acordo com esta
observação, a incisura é mais pronunciada na imagem 6 da
Tabela I e menos pronunciada na imagem 4 dessa mesma
Tabela. Conforme salientado, pretende-se que este índice
possa ser utilizado para a avaliação da obstrução no leito
uterino placentário. Assim sendo, como continuidade do
atual trabalho, pretende-se correlacionar o valor do índice
médio de incisura com a gravidade dessa obstrução,
permitindo ao ultra-sonografista um diagnóstico mais
preciso do risco da gravidez. Além desse diagnóstico,
pretende-se utilizar o referido índice para o
acompanhamento de pacientes com obstrução no leito
uterino placentário submetidas a tratamento clínico. Esperase que a evolução do quadro clínico da paciente seja
refletida nos valores detectados para o índice médio da
incisura.
REFERÊNCIAS
[1] MAUD FILHO, FRANCISCO, “Manual e Coletânea de Tabelas em
Ultra-Sonografia”, Editora e Gráfica Scala, Ribeirão Preto, SP,
Brasil, 1997.
[2] DUCY, J., SCHULMAN, H., FARMAKIDES, G.I., “A classification
of hipertensive in pregnancy based on doppler velocimetry”,
American Journal of Obstetrics and Ginecology, Vol. 157, pp. 680,
1987.
[3] FLEISCHER, A., , J., SCHULMAN, H., FARMAKIDES, G.I.,
“Uterine arteries doppler velocimetry in pregnant woman with
hipertension”, American Journal of Obstetrics and Ginecology, Vol.
154, pp. 806, 1986.
[4]
GONZALEZ, R. C. e WINTZ, P., “Digital Image Processing”,
Second Edition, Addison Wesley Publishing Company, California,
U.S.A, 1987.
AUTOMATIC QUANTIFICATION OF THE NOCH
OBSERVED IN US DOPPLER OF PATIENTS WITH
PLACENTAL BED OBSTRUCTION
ABSTRACT
This paper presents a measure for quantification of the noch observed in US Doppler of patients with
placental bed obstruction. The method has four phases: image pre-processing, doppler signal contour
detection, characteristic points detection and noch measure determination. In the pre-processing phase we
detect the base line of the doppler signal and segment a region of interest. In the doppler signal contour
detection we first do the binarization of the image in the segmented region, followed by a noise removal
process using rotulation. The characteristics points detected are the systole peak, the diastole final, the
diastole peak and the noch. The noch measure is a ratio between the values determined for the noch and for
the diastole peak, being a number less than one. The material used is constituted by 22 images of US doppler
of patients with the maternal placental obstructive syndrome.
Key-words: Noch, Doppler Velocimetry, Ultra-Sound