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 daincisura protodiastólica presente em exames de doppler daartéria uterina de pacientes com obstrução do leito uterinoplacentário. O objetivo é quantificar a gravidade dasíndrome obstrutiva materno-placentária. O métododesenvolvido é constituído por quatro etapas: pré-processamento da imagem, detecção da envoltória do sinalde doppler da artéria uterina, detecção dos pontoscaracterísticos e determinação do índice de incisura. Nopré-processamento realiza-se a detecção da linha de base dosinal de doppler e a delimitação da área de interesse naimagem de doppler da artéria uterina. A detecção daenvoltória é precedida de uma etapa de binarização daimagem da área segmentada e da remoção de ruídosatravés de um processo de rotulação. Os pontoscaracterísticos detectados são o pico da sístole, o final dadiástole, o pico da diástole e a incisura. O índice de incisuraproposto é uma razão entre os valores determinados para aincisura e para o pico da diástole, sendo um número menordo que 1. O material utilizado nesse trabalho consta de 22imagens de doppler da artéria uterina de pacientes comsuspeita de síndrome obstrutiva materno-placentária.

Palavras-chave: Incisura Protodiastólica, DopplerFluxometria, Ultra-som.

1. INTRODUÇÃO

A introdução do doppler para a detecção dos sinais develocidade do sangue nos vasos fetais abriu novaspossibilidades de avaliação direta da circulação uterina efetal. A análise da onda de velocidade do fluxo sangüíneo(OVF) das artérias umbilicais tornou-se um método clínicode monitorizar o bem-estar fetal nas gestações de alto risco.Muitos trabalhos sobre a avaliação do doppler na circulaçãofetal fornecem sólidas bases para um melhor entendimentoda fisiologia fetal e da fisiopatologia de várias patologiasgestacionais [1].A maioria dos vasos periféricos apresenta um perfil develocidade onde a sístole (que representa a contratilidadecardíaca) é de curta duração e a diástole é de longa duração(representando a resistência ou complacência do leitovascular). A determinação dos fluxos vasculares não é umatarefa das mais fáceis. Desta maneira, usualmente sãoutilizados índices que relacionam as velocidades sistólica ediastólica presentes no sinal de doppler. Os parâmetrosmais utilizados são: o índice de Resistência de Stuart (S/D),

o índice de Resistência de Pourcelot ((S-D)/S) e o índice dePulsatilidade ((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 aocorrência de uma incisura (depressão acentuada) na partesistólica ou no início da diástole no sonograma da artériauterina é altamente preditiva de um resultado gestacionaladverso, como pré-eclâmpsia e doença hipertensivaespecífica da gestação [2] [3]. No entanto, os índices acimareferidos não possuem valor preditivo da presença daincisura e muito menos da profundidade da mesma. Oobjetivo desse trabalho é enriquecer a avaliação da formado sinal do fluxo das artérias uterinas através da proposiçãode um método automático para detecção e quantificação daincisura protodiastólica. Essa quantificação da intensidadeda incisura será denominado doravante de índice deincisura.

2. METODOLOGIA

Foram realizados 22 exames de doppler das artériasuterinas de pacientes grávidas a partir da 26a semana degestação. Foi utilizado um equipamento ultra-som de últimageração, Toshiba Power Vision 8000. Treze dessesexames foram gravados em fita de vídeo e posteriormente,de cada um deles, foi capturado uma imagem de doppler daartéria uterina com resolução espacial de 290x228 pixels.As outras 9 imagens foram capturadas diretamente doequipamento de ultra-som, com resolução de 640x480pixels. A resolução de profundidade dos dois conjuntos deimagens é de 256 níveis de cinza. O processamento computacional foi efetuado em ummicrocomputador Pentium II 266 MHz, 64MB RAM emonitor de 17’’. Para o desenvolvimento do aplicativo dedetecção da incisura utilizou-se o Toolbox deprocessamento digital de imagens do Matlab.O método implementado neste trabalho obedece aoesquema clássico de um método de reconhecimento depadrões: segmentação de estruturas, extração decaracterísticas e classificação [4]. As etapas utilizadaspodem ser classificadas em quatro grupos:

• pré-processamento do sinal de doppler;

• detecção da envoltória do sinal de doppler;

• detecção dos pontos característicos: pico sistólico, finalde diástole, pico diastólico e incisura.

• determinação do índice de incisura.

Pré-processamento - Na Figura 1 mostra-se a imagemoriginal do exame de doppler da artéria uterina, com 256níveis de cinza. O pré-processamento é constituído de duasfases: obtenção da linha de base e delimitação da área deinteresse.Para a detecção da linha de base ilustrada na Figura 1,utilizou-se o fato dos pixels dessa linha terem umaintensidade constante e maior do que a dos demais pixels daimagem. Faz-se uma varredura de todas as linhas,somando-se, para cada uma, os valores dos níveis de cinzade todas as colunas. Aquela que apresentar o maior valor desoma será a linha de base. Nessa linha, através deconsiderações simples determinou-se o início e final damesma, conforme mostrado na Figura 1.

Fig. 1. Imagem original do exame de doppler.

Em seguida a obtenção da linha de base, com o objetivo deisolar o sinal a ser analisado, fez-se uma segmentação daárea de interesse. Essa segmentação visou diminuir o tempodos processamentos posteriores. No processo desegmentação, a partir da linha de base, varrem-sesucessivamente as linhas horizontais mais altas,monitorando-se em cada linha a intensidade média dospixels. O processamento é finalizado no instante em que aintensidade do nível de cinza em toda a extensão de umalinha seja próxima da intensidade do fundo da imagem. Afim de determinar a intensidade do fundo da imagemlevantou-se um histograma da mesma, conforme mostradona Figura 2. Esse histograma é bimodal, sendo que o pico àesquerda corresponde a intensidade de fundo da imagem.Na Figura 3 mostra-se o resultado da segmentação da áreade interesse contendo o sinal de doppler a ser processado.

Detecção da Envoltória - Após a segmentação da área deinteresse procedeu-se a determinação da envoltória do sinalde doppler. A detecção da envoltória pode ser dividida emtrês fases: binarização da imagem segmentada, remoção deruídos e detecção da envoltória.

Como pode ser visto na Figura 4, existe ruído,proveniente do processo de binarização. A filtragem desseruído foi realizada através de um processo de rotulação. Amaior área obtida através do processo de rotulaçãocorresponde ao sinal doppler a ser analisado. As demaisáreas são eliminadas no processo de filtragem. O resultadoda filtragem da imagem da Figura 4 é mostrado na Figura 5.A detecção da envoltória é realizada varrendo-se a imagemfiltrada de cima para baixo e da esquerda para a direita,

nesta ordem. As coordenadas da envoltória em cada colunasão identificadas no instante em que houver uma mudançade 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 aimagem mostrada na Figura 5, com alguns pontosindicados, que serão explicados adiante.Nos tópicos seguintes far-se-á referência às coordenadas x ey, cujos eixos são mostrados na Figura 6. A origem dosistema de coordenadas corresponde ao canto inferioresquerdo da imagem.

Detecção dos Pontos Característicos - Para a detecção daincisura o algoritmo detecta pontos característicos do sinalde doppler, quais sejam:

X

Y

Linha de Base

linha de referência

Fig. 6. Envoltória da imagem filtrada da Figura 5 com os pontos depico 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 seguinteprocedimento. Com o menor e o maior dos valores decoordenada y da envoltória (Figura 6), obtém-se umacoordenada média y, sobre a qual é traçado uma linhahorizontal de referência, mostrada na Figura 6. Para isolarregiões da envoltória contendo os picos de sístole, inicia-seuma varredura em cima da envoltória no sentido daesquerda para a direita. A primeira região é delimitadacomo se situando entre as primeiras ocorrências dos doispontos seguintes: ponto correspondente ao cruzamento dasubida da envoltória com a linha de referência e pontocorrespondente ao cruzamento da descida da envoltóriacom a linha de referência. Na Figura 6 estes pontos sãomarcados como P1 e P2. Dentro dessa região efetua-se entãouma busca para se determinar o ponto com maiorcoordenada y. Esse ponto corresponde ao pico de sístole daregião situada entre P1 e P2. Os outros picos de sístole sãodeterminados de forma semelhante.O final da diástole é determinado utilizando-se o pico desístole como referência. A partir de cada pico de sístolerealiza-se uma busca caminhando-se sobre a região daenvoltória situada à esquerda do mesmo. Nessa buscacompara-se a coordenada y1 de uma coluna mais a direita,com a coordenada y2 de uma coluna vizinha mais aesquerda. Enquanto y2 < y1 a busca continuava. Quando y2>y1 a busca é encerrada, sendo a coordenada do final dadiástole dada por (x1, y1). Um ponto de final de diástole émostrado na Figura 6.O intervalo de procura da incisura é limitado a esquerda porum pico de sístole e a direita por uma linha vertical dereferência passando pelo ponto médio entre esse pico desístole e o pico de sístole subseqüente. Essa linha dereferência é mostrada na Figura 7. O argumento utilizadopara a detecção da incisura é que a mesma corresponde aoponto com menor coordenada y situado entre o picosistólico à esquerda e a linha de referência. Se o ponto demínimo nesse intervalo ocorrer sobre a linha de referência,não existe incisura. Na Figura 7 mostra-se um ponto deincisura situado no intervalo entre os picos S1 e S2. Em ummesmo exame sonográfico, a incisura pode não ocorrer emtodos os ciclos de sístole-diástole presentes na imagem

segmentada. O diagnóstico da presença da incisura poderiaser feito quando a presença da mesma é observada em maisdo que 70% dos ciclos de sístole-diástole, conformeorientação do especialista. Quando isso não acontece,argumenta-se que as depressões detectadas podem serresultado de uma obstrução temporária no leito uterinoplacentário.Para a detecção do pico de diástole entre dois picos desístole utilizou-se os pontos de incisura e de final dadiástole, determinados anteriormente. O pico da diástolecorresponde ao ponto com maior coordenada y situadoentre esses dois pontos. Na Figura 7 indica-se o pico dediástole no intervalo entre os picos de sístole S1 e S2.

Linha de BaseX

Ylinha de referência

Fig. 7. Imagem mostrando a linha de referência utilizada para detecção daincisura e do pico diastólico

Determinação do Índice de Incisura - O índice para amedida da incisura, depressão que ocorre após o pico dasístole, em pacientes com comprometimento no leitouterino placentário, foi proposto como sendo a razão entre acoordenada y da incisura e a coordenada y do picodiastólico, ambas medidas a partir da linha de base. Parauma dada imagem, o índice médio das incisuras foicalculado como uma média dos índices observados em cadaum dos intervalos contidos entre duas sístoles.

2. RESULTADOS

Nas Figuras 8 e 9 são mostradas as imagens com aenvoltória sobreposta ao sinal de doppler, com a presençada incisura detectada em todos os ciclos de sístole-diástole.A imagem da Figura 8 pertence ao grupo de imagens comresolução espacial de 640x480 pixels, enquanto que aimagem da Figura 9 pertence ao grupo de imagens comresolução espacial de 290x228 pixels.Na Figura 10 mostra-se uma imagem com a envoltóriasobreposta ao sinal de doppler, com a incisura detectada emapenas 75% dos ciclos de sístole-diástole. Essa imagempertence ao grupo de imagens com resolução espacial de640x480 pixels.Por ocasião da realização dos exames, o ultra-sonografistaidentificou a presença da incisura nos exames das 22pacientes investigadas. Posteriormente, ao reavaliar as 22imagens capturadas, o ultra-sonografista identificou apresença da incisura em 9 imagens, distribuídas da seguinteforma: do conjunto de 13 imagens com resolução menor,em 2 delas foi identificada a presença de incisura (15%); doconjunto de 9 imagens com resolução maior, em 7 delas foiidentificada a presença da incisura (78%). O conjunto das22 imagens capturadas foi submetido ao programa. Aidentificação 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 dasincisuras obtidos a partir do método proposto.

Fig. 8. Imagem com resolução espacial de 640x480 pixelsmostrando a envoltória e a incisura detectada em 100% dos ciclos

de sístole-diástole.

Fig. 9. Imagem com resolução espacial de 290x228 pixels mostrandoa envoltória e a incisura detectada em 100% dos ciclos de sístole-

diástole.

Fig. 10. Imagem com resolução espacial de 640x480 pixels mostrando aenvoltória e a incisura detectada em 75% dos ciclos de sístole-diástole.

Tabela I. Valores médios do índice de incisura

ImagemPercentual de

IntervalosÍndice 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 CONCLUSÕES4.

Em relação a diferença que houve entre o número dediagnósticos positivos de incisura nos exames (100%) e onúmero de diagnósticos positivos de incisura nas imagenscapturadas, (41%), registra-se que essa diferença é bemmaior para o conjunto das 13 imagens de menor resolução(290x228 pixels), do que no grupo de imagens comresolução de 640x480 pixels. Conclui-se, então que aresolução espacial das imagens gravadas afeta de formafundamental a percepção da incisura pelo ultra-sonografistae também a detecção da incisura pelo método ora propostoneste artigo.Através da comparação das imagens das Figuras 9 e 10,observa-se que o grupo de imagens com menor resoluçãotêm uma intensidade do nível de cinza de fundo bem menordo que o grupo de imagens com maior resolução. O métodoproposto, no entanto, não é sensível a essa variação, namedida em que, para o processo de binarização (Figura 4),utiliza-se um nível de limiar adaptativo, extraído dohistograma bimodal (Figura 2).A concordância exata entre o diagnóstico da presença daincisura pelo ultra-sonografista nas imagens capturadas e odiagnóstico realizado pelo método proposto é um estímulopara a continuidade desse trabalho.Em relação ao índice de incisura, observa-se que, quantomais próximo de 1 for este índice, menos profunda será aincisura em relação ao pico diastólico. De acordo com estaobservação, a incisura é mais pronunciada na imagem 6 daTabela I e menos pronunciada na imagem 4 dessa mesmaTabela. Conforme salientado, pretende-se que este índicepossa ser utilizado para a avaliação da obstrução no leitouterino placentário. Assim sendo, como continuidade doatual trabalho, pretende-se correlacionar o valor do índicemédio de incisura com a gravidade dessa obstrução,

permitindo ao ultra-sonografista um diagnóstico maispreciso do risco da gravidez. Além desse diagnóstico,pretende-se utilizar o referido índice para oacompanhamento de pacientes com obstrução no leitouterino placentário submetidas a tratamento clínico. Espera-se que a evolução do quadro clínico da paciente sejarefletida nos valores detectados para o índice médio daincisura.

REFERÊNCIAS

[1] MAUD FILHO, FRANCISCO, “Manual e Coletânea de Tabelas emUltra-Sonografia”, Editora e Gráfica Scala, Ribeirão Preto, SP,Brasil, 1997.

[2] DUCY, J., SCHULMAN, H., FARMAKIDES, G.I., “A classificationof 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 withhipertension”, 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 NOCHOBSERVED 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 withplacental bed obstruction. The method has four phases: image pre-processing, doppler signal contourdetection, characteristic points detection and noch measure determination. In the pre-processing phase wedetect the base line of the doppler signal and segment a region of interest. In the doppler signal contourdetection we first do the binarization of the image in the segmented region, followed by a noise removalprocess using rotulation. The characteristics points detected are the systole peak, the diastole final, thediastole peak and the noch. The noch measure is a ratio between the values determined for the noch and forthe diastole peak, being a number less than one. The material used is constituted by 22 images of US dopplerof patients with the maternal placental obstructive syndrome.

Key-words: Noch, Doppler Velocimetry, Ultra-Sound