CyclopsStrokeQuantifier - Software para a detecção de AVC
isquêmico e determinação da extensão da área de hipoperfusão
cerebral através de TC dinâmico
Aldo von Wangenheim Rafael Charnovscki {awangenh,charnovs}@inf.ufsc.br
The Cyclops Project Departamento de Informática UFSC
Florianopolis, SC
Luiz Felipe de Souza Nobre Daniel Preissler Loureiro Chaves
nobre@matrix.com.br Clínica DMI
Diagnóstico Médico por Imagem São José, SC
Ronie C.F. Cardoso roniecardoso@hotmail.com Laboratório de Telemedicina Hospital Universitário - UFSC
Florianópolis, SC
1.
Descrição do Problema
A expressão genérica “acidente vascular cerebral” (AVC) refere-se ao súbito comprometimento da função cerebral provocado por uma variedade de alterações histopatológicas envolvendo um (focal) ou vários (global) vasos sangüineos intra ou extra cranianos.
Ainda que não tenhamos dados precisos para o Brasil sabemos que a mortalidade entre as pessoas acometidas é de 0,5 a 1 entre cada mil indivíduos, sendo que o AVC é a terceira principal causa de morte relacionada com patologias clínicas e a segunda causa mais freqüente de morbidade neurológica nos países desenvolvidos. Nos Estados Unidos o AVC é responsável pela morte de 150.000 e invalidez de outras 200.000 pessoas anualmente. Estima-se que existam cerca de 2.000.000 de pessoas portadoras de seqüelas de AVC em todo território americano e são gastos em torno de 30 bilhões de dólares por ano em decorrência desta enfermidade (Matchar et al. 1994). Apesar dos números assustadores e da divulgação dos novos conhecimentos no nosso meio, os médicos em geral têm pouco interesse e consequentemente pouco conhecimento da enfermidade, não estando capacitados, na maioria das vezes, a prestar atendimento ideal ao seu paciente (Toole, 1990).
Cerca de 80% de todos os AVCs são causados por fluxo sanguíneo insuficiente (AVC isquêmico) (Benett & Plum et al. 1996), e destes, 75% ocorrem devido a obstruções por trombos ou êmbolos (Fieschi et al. 1989). Quando o fluxo sanguíneo, em uma determinada região cerebral, cai abaixo de 20ml/100g/min, falha a atividade elétrica cerebral e surgem sintomas. Com maiores reduções, em torno de 10ml/100g/min, ocorre uma área central de isquemia com consequente morte dos neurônios. Ao redor desta área há uma região onde existe redução do fluxo, porém a perfusão é mantida pela circulação colateral. Esses neurônios que não funcionam, mas estão vivos, formam a zona de penumbra. A zona de penumbra é uma região metabolicamente inativa que pode ser recuperada com a intervenção médica, no entanto se a terapia se não for iniciada em rapidamente o infarto cerebral, que ocorreu precocemente na parte central, progressivamente estende-se às margens em um período de tempo que é desconhecido na espécie humana.
A tomografia axial computadorizada (TC) é um importante exame e o primeiro a ser solicitado, pois permite diferenciar um infarto de uma hemorragia e afastar outras enfermidades que entram no diagnóstico diferencial do AVC (Hoggard, 2001). Uma vez identificado o AVC isquêmico, a terapia pode ser feita com a utilização de agentes neuroprotetores ou com a utilização de substâncias trombolíticas na tentativa de restabelecer o fluxo na região obstruída. Este tipo de terapia tem a finalidade de restaurar o fluxo sangüíneo o mais breve possível para limitar as perdas neuronais na área de penumbra.
Atualmente, alguns dos fatores limitantes para adoção da terapia com trombolíticos são: 1) a grande dificuldade que radiologistas encontram em identificar AVC isquêmico com 6
horas de evolução usando apenas a TC (Wardlaw et al. 1999);
2) a possibilidade de visualização de sinais de isquemia pelo radiologista dentro desta janela de tempo já é por si só um fator independente de mal prognóstico (Wardlaw et al. 1998); 3) dificuldade de identificação e mensuração da zona de penumbra, que seria a região
potencialmente recuperável com a terapia.
Existem atualmente numerosos estudos para desenvolvimento de métodos de detecção precoce de AVC isquêmico (Hoggard et al. 2001). Os métodos que utilizam a ressonância magnética possuem a maior sensibilidade, porém, devido à limitações como o tempo de realização
do exame e custos para implantação, inviabilizam sua realização em larga escala, privilegiando apenas os grandes centros hospitalares.
A especificação de uma metodologia para realização de exames tomográficos, em conjunto com o desenvolvimento de uma ferramenta computacional que possa auxiliar os médicos na detecção precoce de AVC isquêmico e, principalmente, na identificação e mensuração de zonas de penumbra, trará benefícios na terapia, já que muitos trabalhos apontam melhores resultados quando a terapia trombolítica é iniciada em até 3 horas após o início dos sintomas (Hacke et al. 1995; NINDS 1995).
2.
Objetivos do Trabalho
O trabalho aqui apresentado é a primeira etapa de projeto para o desenvolvimento de um software de suporte à decisão na terapia do AVC isquêmico e de elaboração de um protocolo radiológico para possível indicação ou contra indicação de início de terapia trombolítica, individualizando-se assim o tratamento. Os objetivos deste trabalho foram os seguintes:
1) Calcular e representar graficamente o fluxo sangüíneo no cérebro com base em TC dinâmica (cálculo da variação local relativa de densidade radiológica). Para isto foi realizado o desenvolvimento de um software para auxiliar ao radiologista e aos médicos generalistas a identificarem precocemente o AVC isquêmico para proceder com o tratamento adequado. Para tal tarefa utilizaremos como base um software previamente desenvolvido (Mammalyzer), responsável pela análise de carcinomas de mamas em ressonâncias magnéticas.
2) Utilizar a análise computacional para identificação e detecção precoce de AVC isquêmico. Isto será possível pois os efeitos isquêmicos na perfusão cerebral levam a um aumento da acentuação e retardo da eliminação do contraste iodado, devido a uma vasodilatação reflexa. Além disso, integrar o software proposto com um Atlas Cerebral Digital (Wagner, 2001), já implementado, permitindo que façamos a correlação entre a área atingida pelo AVC com o déficit das funções neurológicas atribuidas a esta área.
3) Identificar a presença de regiões com baixo fluxo sanguíneo (zona de penumbra) que seriam potencialmente recuperáveis através de terapia;
4) Identificar o tamanho da região de penumbra com o software e comparar com a área resultante da evolução do AVC em futura tomografia (sete dias após a primeira TC);
5) Validação do protótipo de software desenvolvido, comparando-se seus resultados com sinais identificados por um médico radiologista geral, um médico neuroradiologista e por um médico neurologista.
3.
Material e Métodos
Para o desenvolvimento do primeiro protótipo do software, aqui apresentado, foi utilizado um grupo de 4 pacientes, dos quais: 1 probando não apresentando sintomas e 3 pacientes com suspeita de AVC isquêmico agudo. Foram excluídos pacientes com déficits neurológicos prévios não isquêmicos (incluindo demência ou doenças extrapiramidais), AVCs prévios que poderiam atrapalhar a interpretação clínica e radiológica dos dados e pacientes com AVC de fossa posterior ou em território de artéria cerebral anterior.
Os pacientes foram submetidos previamente a uma TC com cortes axiais de 1 cm de espessura para a exclusão da possibilidade de AVC hemorrágico. Os pacientes foram então submetidos a uma TC dinâmica conforme protocolo descrito adiante: Todas as imagens foram obtidas através de um Tomografo Helicoidal General Eletric, na clínica DMI, a qual é instituição parceira neste projeto. A área do cérebro escolhida para realização da TC dinâmica foi a região da artéria cerebral média, tendo em vista a sua importância no fornecimento do fluxo sanguíneo. Para realização dos estudos foi utilizado um tempo de aquisição de 40 segundos, a uma velocidade de rotação de 360º por segundo. Foram administrados 50 ml de contraste iodado (iopromide 370 mg/ml, Schering, Berlin) na fossa antecubital, e a velocidade de administração do contraste foi de 10 ml/s, uma vez que velocidades maiores requerem bombas de infusão de contraste especiais para angiografia e qualidade das imagens não é comprometida segundo estudo realizado por Klotz, E et al. em 1999.
As imagens de tomografia dinâmica foram adquiridas com 5 mm de espessura de corte e imediatamente após a administração do contraste (o primeiro corte é considerado corte nativo). A corrente utilizada foi de 200 mA e voltagem de 80 kVp, obtendo-se assim, melhor intensidade de contraste e melhor análise do fluxo sanguíneo cerebral, com menor exposição dos pacientes à radiação - 291 mGy com 80 kVp (Wintermark et al, 2000) contra 806 mGy com 120 kVp que era a exposição padrão em trabalhos anteriores(Cenic et al, 1999; Reichenbach et al, 1999). Resultados obtidos na análise dos dados pelo software foram comparados à anamnese dos pacientes e também aos resultados de quantificação de fluxo obtidos com o probando.
Para o cálculo e visualização de possíveis áreas de penumbra, foi implementada uma ferramenta de software gráfica DICOM compatível, que carrega o volume de TC dinâmico a partir de um banco de imagens DICOM (PACS) e permite a visualização de todos os cortes e a realização das operações de cálculo de curvas de variação de sinal no tempo e de mapas de perfusão.
Para o cálculo da variação de sinal e elaboração dos mapas de perfusão foi calculada inicialmente, para cada região da imagem correspondente a parênquima cerebral, a curva de
variação percentual de sinal em relação àquele ponto na imagem nativa (corte 1). As a'reas de parênquima são automaticamente selecionadas pelo software em função de sua denidade radiológica e de suas vizinhanças. Essas curvas de absorção de agente de contraste são armazenadas para a geração dos mapas de perfusão corte a corte e podem ser visualizadas pelo usuário do sistema simplesmente através da movimentação do mouse sobre qualquer um dos cortes.
Os mapas de perfusão para cada corte são calculados através da comparação das variações relativas de absorção de agente de contraste previamente calculadas para cada ponto daquele corte com a variação média de absorção de contraste de um volume de referência (VOR) determinado manualmente pelo usuário. O usuário determina manulamente através do mouse uma região em qualquer corte, representando uma área cerebral daquele paciente que deseja utilizar como parâmetro de referência (VOR) para o cérebro como um todo. O sistema então calcula uma curva de variação relativa média de absorção de agente de contraste passando pelo VOR em todos os cortes. Esta curva, denominada curva de referência, será utilizada como parâmetro para o cálculo dos mapas de perfusão em cada corte. Para isto, calcula-se o desvio percentual (positivo ou negativo) entre a curva de referência e as curvas de variação percentual de sinal de cada ponto de cada corte. Isto permite que se construa um mapa de comparação entre uma dinâmica de agente de contraste tomada como referência para aquele paciente e todos os pontos do parênquima. Este método permite também que a) se tomo por referênci auma área sadia do próprio paciente, levando-se em conta assim as características hemodinâmicas particulares do mesmo, como idade, estado de saúde geral, etc e que b) se calcule diversos mapas de perfusão baseados em diferentes áreas de referência, podendo-se comparar, por exemplo, a absorção de agente de contratse com a absorção típica de uma área de substância branca ou com uma área do cortex ou mesmo com uma área apresentando patologia.
Resultados
Os resultados obtidos até agora são promissores, sendo que para os 4 pacientes submetidos ao primeiro teste do sistema, os dados obtidos foram consistentes entre si e com a anamnese dos mesmos. No probando o software não indicou nenhuma área suspeita e nos pacientes com suspeita de AVC agudo foram encontradas tano áreas com hipoperfusão variada com áreas sem perfusão, em regiões cerebrais consistentes com os sintomas apresentados na anamnese. A primeira versão-protótipo foi implementada e testada e estamos agora iniciando a elaboração de um estudo em larga escala que nos permita validar a tecnologia desenvolvida.
A interface gráfica de usuário (GUI) do software pode ser vista na figura 1, onde se pode observar um paciente com suspeita de AVC isquêmico com a) corte tomográfico n.15, b) curva de variação de sinal para o volume de referência (verde) comparada a outro volume escolhido pelo usuário (amarelo), c) mapa de perfusão sobreposto ao corte n.16 mostrando áreas de perfusão acima da média do VOR em direção ao violeta e abaixo em direção ao vermelho e d) limites do volume de referência VOR (verde).
Figura 1: Interface de usuário do sitema. Observe-se no mapa de perfusão © as áreas em direção ao violeta mostrando áreas de maior perfusão que o VOR em verde - (d) e áreas em amarelo, laranja e vermelho mostrando áreas com menor perfusão.
Discussão
O tratamento de AVC isquêmico tem sido de difícil aplicação devido à falta de técnicas adequadas que possam identificá-lo precocemente. A acurácia no tratamento depende muito da identificação da zona de penumbra, mas até o momento não há um protocolo adequado para localização e mensuração da mesma. Hoje em dia pacientes com áreas do cérebro potencialmente recuperáveis (zonas de penumbra) não são tratados e muitos destes acabam desenvolvendo uma lesão cerebral permanente, causando sérios efeitos sociais como incapacitação para o trabalho, dependência da família, gastos com medicamentos etc.
Além de prover uma ferramenta de diagnóstico de suma importância, este trabalho visa futuramente adicionar importantes e substanciais informações na rotina clínica sobre a manipulação de pacientes vítimas de AVC isquêmico agudo, além de discriminar, através do fluxo sangüíneo cerebral, regiões isquêmicas reversíveis daquelas irreversíveis (Klotz & König, 1999) individualizando-se a indicação ou não para terapia imediata. Outrossim, queremos tornar possível com esta técnica que qualquer clínica que tenha um tomógrafo de terceira geração (não há necessidade de ser helicoidal)(Mayer et al, 2000) realize o exame com segurança e em tempo hábil para iniciar a terapia. Em resumo, com este trabalho queremos ajudar na avaliação da importância clínica de um distúrbio vascular extra ou intra craniano, no planejamento da real necessidade de procedimentos de revascularização e na avaliação do prognóstico de um paciente vítima de um AVC, além de permitir uma detecção precoce de AVC isquêmico e fornecer importantes informações sobre a extensão de distúrbios de perfusão.
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