CEP: Foz do Iguaçu PR Brasil.

Desenvolvimento de um software capaz de realizar a

mensurac¸˜ao do grau de angulac¸˜ao dos movimentos de

abduc¸˜ao e aduc¸˜ao atrav´es do processamento de imagem: SMA

Jeverson Siqueira1, Wallace Caldeira1, Miguel D. Matrakas1, Jorge Aikes Junior1

1_{Ciˆencia da Computac˜ao – Faculdades Anglo Americano de Foz do Iguac¸u (FAA)}

CEP: 85868-03 – Foz do Iguac¸u – PR – Brasil

siqueira.jeverson@gmail.com, wallace.cdr@live.com mdmatrakas@yahoo.com.br,jorgeaikes@gmail.com

Abstract. This work aims to develop a software able to perform the measure-ment of the degree of angulation of the movemeasure-ments of abduction and adduction through image processing. This process will be done from photographs of people on the squared (apparatus used by health professionals for postural evaluation). For processing the images to OpenCV (API interface used to offer as the libra-ries used in computer vision) is used.

Resumo. Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um software ca-paz de realizar a mensurac¸˜ao do grau de angulac¸˜ao dos movimentos de abduc¸˜ao e aduc¸˜ao atrav´es do processamento de imagem. Esse processo ser´a realizado a partir de fotografias de pessoas diante do simetr´ografo (aparelho utilizado por profissionais da sa´ude para a avaliac¸˜ao postural). Para o processamento das imagens ser´a utilizado a OpenCV (API que oferece como interface as bibliote-cas utilizadas em vis˜ao computacional).

1. Introduc¸˜ao

A preocupac¸˜ao com a necessidade de precis˜ao em m´etodos de diagn´osticos de sa´ude ´e uma constante para todas as pessoas. Alguns diagn´osticos cl´ınicos tendem a ser impre-cisos quando realizados manualmente devido as diferentes t´ecnicas utilizadas pelos pro-fissionais de sa´ude durante a an´alise de uma patologia (estudo das doenc¸as em geral sob aspectos determinados) [Caetano 2003].

Na fisioterapia, o profissional que diagnostica, previne e trata os dist´urbios do corpo humano gerados por m´a-formac¸˜ao gen´etica, acidentes, traumas, doenc¸as adquiridas ou v´ıcios de postura precisa ser preciso na avaliac¸˜ao do resultado. Para uma avaliac¸˜ao correta de diagn´ostico ´e necess´ario n˜ao somente profissionais, mas tamb´em equipamentos eficientes capazes de auxiliar de forma precisa essa avaliac¸˜ao. O diagn´ostico de evoluc¸˜ao de membros superiores ´e um exemplo dessa afirmac¸˜ao. A avaliac¸˜ao de evoluc¸˜ao sobre movimentos realizados com o ombro, como aduc¸˜ao e abduc¸˜ao s˜ao caracter´ısticos de falhas em diagn´osticos de evoluc¸˜ao.

O ombro ´e a articulac¸˜ao mais vers´atil do corpo, permite uma rica movimentac¸˜ao dos brac¸os e antebrac¸os devido a uma associac¸˜ao ´unica de mobilidade e estabilidade [Dutton 2010]. A func¸˜ao prim´aria do ombro ´e posicionar a m˜ao no espac¸o, permitindo a interac¸˜ao com o ambiente e executar as func¸˜oes motoras. A incapacidade de posicionar

a m˜ao resulta em reduc¸˜ao profunda de capacidades de toda a extremidade superior. O grau de mobilidade ´e resultante de articulac¸˜oes saud´aveis, de unidades musculotend´ıneas intactas. O grau de estabilidade depende das estruturas capsuloligamentares (m´usculos de integridade das estruturas articuladas e ´osseas) intactas.

2. Problem´atica

O Curso de Fisioterapia da Faculdade Anglo Americano realiza dentre outros, tratamentos em pessoas com dificuldades em movimentar as articulac¸˜oes dos ombros, o que mant´em os movimentos limitados comparado com a movimentac¸˜ao considerada normal. Alguns dos poss´ıveis motivos que limitam os movimentos de abduc¸˜ao e aduc¸˜ao s˜ao doenc¸as como: Bursite, Tendinite, les˜oes, fraturas, entre outras [Serra et al. 2001].

Segundos os profissionais da ´area de fisioterapia (mais precisamente no setor or-top´edico) uma das dificuldades que ocorrem durante o tratamento ´e obter os graus da abduc¸˜ao corretamente. Isto ocorre porque o paciente ´e analisado por mais de um fisio-terapeuta, sendo que estes podem mensurar valores diferentes para a movimentac¸˜ao do mesmo membro de um paciente, nas mesmas condic¸˜oes. Os motivos para ocorrer tal dificuldade de an´alise podem ser justificados a partir da t´ecnica que cada fisioterapeuta utiliza para obter a medic¸˜ao no paciente. Ainda que sejam utilizadas as mesmas t´ecnicas, ´e poss´ıvel a variac¸˜ao da mensurac¸˜ao devido a erros manuais ou ainda da subjetividade envolvida no processo de mensurac¸˜ao conforme informado por profissionais da cl´ınica escola de fisioterapia.

3. Objetivo

Desenvolver um prot´otipo de apoio aos profissionais de fisioterapia capaz de realizar pro-cessamento de imagens sobre fotografias de pessoas diante do simetr´ogafo e obter o grau de abduc¸˜ao dos membros superiores, podendo assim comparar os dados do sistema com resultados obtidos a partir de medidas feitas com equipamentos de utilizac¸˜ao manual vi-sando obter um grau de precis˜ao equivalente diminuindo a subjetividade da avaliac¸˜ao executada manualmente.

Para que o software seja capaz de realizar o processamento de imagem ser´a ne-cess´ario um banco de imagem dos pacientes junto ao simetr´ografo. A partir das foto-grafias ser˜ao realizadas medic¸˜oes e c´alculos com processamento de imagem para obter o grau formado durante o movimento de abduc¸˜ao. Ser´a necess´ario a utilizac¸˜ao de filtros para o processamento das imagens. Os filtros ser˜ao aplicados atrav´es de uma biblioteca chamada OpenCV.

4. Fisioterapia Ortop´edica

Na ´area de fisioterapia ortop´edica as estruturas do corpo que o fisioterapeuta examina e trata na maioria, em tecidos conjuntivos, como as c´apsulas articulares, os ligamentos, a musculatura, as estruturas nervosas e as f´ascias (conjunto membranoso muito extenso, no qual tudo est´a ligado e tem sua continuidade). Praticamente todos os tipos de movimento do ser humano que se op˜oem `a atrac¸˜ao de sua massa em direc¸˜ao ao solo necessitam mobi-lizar forc¸as. As forc¸as nas articulac¸˜oes possuem efeitos diferentes no caso de m´a posic¸˜ao. Muitas s´ındromes que causam dor em ortopedia s˜ao devido `a solicitac¸˜ao anormal das es-truturas. O fisioterapeuta que tem como profiss˜ao o campo da ortopedia precisa de grandes

conhecimentos sobre anatomia, func¸˜ao, biomecˆanica, estrutura e nutric¸˜ao das diversas es-truturas do corpo. Com o objetivo de poder identificar os mecanismos de compensac¸˜ao das modificac¸˜oes dos movimentos e das solicitac¸˜oes, decidindo se as estrat´egias s˜ao ´uteis ou n˜ao para o tratamento [D¨olken 2008].

4.1. Complexo do Ombro

O ombro est´a integrado juntamente com as articulac¸˜oes que formam a cintura escapular. A func¸˜ao da cintura escapular ´e levar `a colocac¸˜ao da m˜ao no espac¸o, permitindo a execuc¸˜ao de todas as tarefas para uma atividade normal. O ombro ´e dotado de uma associac¸˜ao ´unica de mobilidade e estabilidade. O complexo do ombro funciona como uma unidade que envolve uma complexa relac¸˜ao de diversas estruturas [Dutton 2010]. Seus componentes consistem em:

• Trˆes ossos (´umero, clav´ıcula e esc´apula);

• Trˆes articulac¸˜oes (esternoclavicular (EC), acromioclavicular (AC) e glenoumeral (GU));

• Uma ”pseudoarticulac¸˜ao”(a articulac¸˜ao entre a esc´apula e o t´orax); • Uma ´area fisiol´ogica (o espac¸o supraumeral ou subacromial).

5. Movimento fisiol´ogico

Os movimentos fisiol´ogicos s˜ao resultados de uma contrac¸˜ao muscular ativa, que mo-vimenta uma extremidade por meio de flex˜ao, extens˜ao, abduc¸˜ao, aduc¸˜ao e rotac¸˜ao [Prentice 2012].

5.1. Aduc¸˜ao

A aduc¸˜ao implica no retorno do membro superior em direc¸˜ao ao plano mediano. No plano frontal o membro encontra o lado do t´orax que mant´em o movimento limitado. Entretanto a aduc¸˜ao pode ser continuada em direc¸˜ao ao plano mediano anteriormente ao t´orax, se for realizada uma flex˜ao simultˆanea. O mesmo acontece com a aduc¸˜ao posterior ao tronco, quando ent˜ao uma extens˜ao parcial ´e necess´aria. Os principais adutores do brac¸o s˜ao os m´usculos peitoral maior e grande dorsal, auxiliados de maneira eficaz pelo redondo maior. Tem sido assinalada a ac¸˜ao adutora da porc¸˜ao longa do tr´ıceps e do coracobraquial, mas esses dois m´usculos parecem agir como fixadores, impedindo o movimento da cabec¸a do ´umero inferior, que a ac¸˜ao adutora do peitoral e grande dorsal tendem a produzir. A gravidade desempenha um papel importante na aduc¸˜ao realizada com o corpo na posic¸˜ao ereta [Rosa Filho 2002].

5.2. Abduc¸˜ao

A abduc¸˜ao consiste em elevar o membro superior lateral a um plano horizontal e ele pode chegar a uma posic¸˜ao vertical junto `a cabec¸a. Os m´usculos delt´oide e supraspinhal s˜ao os principais abdutores do brac¸o. O delt´oide ´e um m´usculo que consiste em trˆes partes e sua parte m´edia (porc¸˜ao acromial) ´e a parte abdutora por excelˆencia. As porc¸˜oes escapular e clavicular s˜ao importantes na abduc¸˜ao, impedindo o deslocamento da cabec¸a do ´umero posterior durante a ac¸˜ao abdutora da porc¸˜ao acromial. O supraespinhal, frequentemente, n˜ao consegue abduzir al´em de 45o _{quando o delt´oide est´a paralisado. Isto indica que}

o supraespinhal s´o ´e importante no in´ıcio da abduc¸˜ao. No entanto, deve se levar em conta que o supraespinhal, como parte do manguito rotador desempenha na abduc¸˜ao uma ac¸˜ao sin´ergica fundamental, a de reter a cabec¸a do ´umero contra a cavidade glen´oide da esc´apula durante a ac¸˜ao do delt´oide [Rosa Filho 2002].

6. Processamento de imagem

O processamento de imagem pode ser definido como uma func¸˜ao bidimensional, tendo um uma f (x, y), onde (x, y) s˜ao as coordenadas espacias, e a amplitude de f em qual-quer par de coordenada (x, y) [Gonzales and Woods 2010]. O processamento de imagens digital e a exibic¸˜ao de imagens digitais envolve procedimentos que s˜ao expressados de forma algor´ıtmica. A grande maioria das func¸˜oes de processamento de imagens pode ser implementada via software [Gonzales and Woods 2010]. A grande maioria desse softwa-res ajudam `a melhorar a imagem digital, facilitando o redimensionamento sem grandes perdas de qualidade, suavizac¸˜ao da imagem, entre outros benef´ıcios.

6.1. Processamento de imagem sobre o ombro

Para conseguir apresentar a evoluc¸˜ao durante ou depois do tratamento o software ir´a rea-lizar um processamento de imagem na regi˜ao do ombro e obter o ˆangulo durante o movi-mento de abduc¸˜ao e aduc¸˜ao.

6.2. Filtros

A seguir s˜ao descritos alguns filtros que ser˜ao necess´arios para o processamento de ima-gens. Basicamente esses filtros s˜ao utilizados para detecc¸˜ao de bordas, e assim auxilia na descoberta da angulac¸˜ao do ombro.

6.3. Laplaciano

O laplaciano ´e um operador de segunda ordem, com ele tem se uma grande vantagem para realc¸ar detalhes finos [Gonzales and Woods 2009]. Sendo representada por:

L(x, y) = α

2_I

αx2 +

α2_I

αy2 (1)

A processamento do filtro Laplaciano ´e muito sens´ıvel a ru´ıdos, e geralmente deve ser processado por um passa baixa como o filtro Gaussiano antes de aplicada na imagem. Portanto como estas duas operac¸˜oes s˜ao lineares e associativas, podem ser aplicadas no kernel do filtro e depois na imagem, reduzindo bem o tempo de processamento, pois o tamanho de ambos ´e muito menor do que o da imagem [Junior ]. Na Figura 1 ´e mostrada a m´ascara utilizada pelo laplaciano.

6.4. Sobel

O filtro Sobel ´e um filtro n˜ao-linear para realc¸ar bordas e representa uma aproximac¸˜ao `a func¸˜ao de Sobel. E um filtro que apresenta uma grande imunidade ao ru´ıdo´ [Gonzales and Woods 2010]. O valor absoluto de Sobel ´e calculado por:

G =qG2

x+ G2y (2)

A m´ascara utilizada pelo Sobel e mostrada na Figura 2.

Figura 2. M ´ascara do filtro de Sobel.

6.5. Canny

O filtro de Canny ´e uma convoluc¸˜ao que usa uma derivada. Ele suaviza o ru´ıdo e localiza as bordas em uma determinada imagem combinando um operador diferencial com um filtro Gaussiano [Gonzales and Woods 2010]. Na Figura 3 ´e mostrada a m´ascara utilizada pelo filtro de Canny, pode se observar que tem familiaridade com a o filtro de Sobel.

Figura 3. M ´ascara do filtro de Canny.

Abaixo ´e mostrado o c´alculo realizado pelo filtro de Canny:

G = qG2

x+ G2y (3)

θ = arctan(Gx Gy

) (4)

Esses filtros ser˜ao necess´arios para refinar as imagens e extrair somente informac¸˜oes necess´aria para o sistema.

Figura 4. Fluxo do processamento de imagem.

6.6. Fluxo do processamento de imagem

O SMA ter´a um fluxo b´asico a ser seguido para a realizac¸˜ao do processamento de imagem. Esse fluxo ´e mostrado na Figura 4.

• Aquisic¸˜ao da imagem: Basicamente est´a fase ´e captura das imagens dos paci-entes junto ao simetr´ografo, seguindo um protocolo1 _{de como ser´a aquisic¸˜ao da}

imagem. Este protocolo ir´a garantir a integridade da imagem para que o sistema seja capaz de realizar o processamento de imagem.

• Convers˜ao de cor para tons de cinza: Uma vez tendo aquisic¸˜ao da imagem ser´a necess´ario fazer uma convers˜ao da imagem que estar´a colorida para tons cinza. Uma imagem em tons de cinza ´e importante para que os filtros de detecc¸˜ao de bordas sejam mais precisos nos detalhamentos da estrutura do corpo humano. • Filtros para detecc¸˜ao de borda: Esses filtros ser˜ao necess´ario para detalhamento

das bordas formadas nos movimentos de abduc¸˜ao e aduc¸˜ao descritos na Sess˜ao 5. Os filtros que o SMA utilizar´a s˜ao Canny, Laplaciano e Sobel, descritos na Sess˜ao 6.2.

• C´alculos para encontrar `a angulac¸˜ao: Depois de todo processamento de ima-gem, feito somente faltara os c´alculos para detecc¸˜ao do angulo formado.

1_{Este protocolo visa como se deve tirar a foto, exemplo: tipo de cˆamera, distˆancia que deve tirar a foto}

6.7. Conclus˜ao

A aquisic¸˜ao de medidas angulares se utilizando de equipamentos manuais pode apresentar inconsistˆencias de precis˜ao, devido a pr´opria natureza subjetiva do equipamento, que est´a fortemente atrelada a maneira de manipulac¸˜ao do profissional. O SMA pretende evitar a imprecis˜ao dessas mensurac¸˜oes atrav´es de um processo autom´atico determin´ıstico. Para buscar comprovar a maior precis˜ao oferecida pela utilizac¸˜ao do SMA, as mensurac¸˜oes manuais realizadas pelos profissionais de fisioterapia ser˜ao comparadas com aquelas rea-lizadas pelo sistema. Caso seja realmente constatada a diferenc¸a de precis˜ao, a utilizac¸˜ao do SMA poder´a servir de ferramenta para o aux´ılio aos conflitos de discrepˆancias das mensurac¸˜oes angulares entre os profissionais de fisioterapia, melhorando assim a pre-cis˜ao entre tratamentos e permitindo tamb´em uma reavaliac¸˜ao entre profissionais durante o tratamento sem preju´ızo a avaliac¸˜ao cont´ınua do paciente.

Referˆencias

Caetano, J. R. (2003). 1Estudo comparativo entre duas t´ecnicas de avaliac¸˜ao da amplitude de movimento. pages 1–7.

D¨olken, M. (2008). Fisioterapia em Ortopedia. Santos, S˜ao Paulo.

Dutton, M. (2010). Fisioterapia Ortop´edica: Exame, Avaliac¸˜ao e Intervenc¸˜ao. artmed, Porto Alegre, 2 edition.

Gonzales, R. C. and Woods, R. E. (2009). Processamento Digital de Imagens. Pearson, S˜ao Paulo, 3 edition.

Gonzales, R. C. and Woods, R. E. (2010). Processamento digital de imagens. Blucher. Junior, L. L. d. O. Filtros Compostos e Adaptativos: o filtro de Gaussiano, Laplaciano e

de Gabor (Harmˆonico-Gaussiano).

Prentice, W. E. (2012). Fisioterapia na Pr´atica Esportiva. McGraw-Hill, 14 edition. Rosa Filho, B. J. (2002). Movimentos de abduc¸˜ao e aduc¸˜ao.

Serra, G., Diaz, P., and Carril, C. (2001). Fisioterapia em Traumatologia Ortopedia e Reumatologia. Revinter, Rio de Janeiro, 1 edition.