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
marly.costa@ieee.org
♦ Este trabalho contou com o apoio financeiro do CNPq e da Fundação de Apoio Institucional Rio Solimões – UNISOL.
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: pré-processamento 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 Protodiastólica, Doppler
Fluxometria, Ultra-som.
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.Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba
•
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.
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,
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. 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:
X Y
Linha de Base
linha de referência
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
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.
Linha de Base
X Y
linha de referência
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 ultra-sonografista.
Na Tabela I são mostrados os valores de índice médio das incisuras obtidos a partir do método proposto.
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
sístole-diástole.
Fig. 10. Imagem com resolução espacial de 640x480 pixels mostrando a envoltória e a incisura detectada em 75% dos ciclos de sístole-diástole.
Tabela I.
Valores médios do índice de incisura
Imagem Percentual de
Intervalos Índice Médio
1 100% 0,887 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
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. Espera-se que a evolução do quadro clínico da paciente Espera-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.
