SISTEMA DE MODELAGEM 3D DE COLUNA VERTEBRAL BASEADO EM IMAGENS DE RAIOS-X

Pedro Sampaio VieiraOrientador: Marcelo Gattass

SUMÁRIO

Introdução

Sistema de modelagem 3D

Experimentos computacionais

Conclusão

Trabalhos futuros

INTRODUÇÃOSISTEMAS DE AVALIAÇÃO POSTURAL

Software para Avaliação Postural - SAPO

INTRODUÇÃOSISTEMAS DE AVALIAÇÃO POSTURAL

Software para Avaliação Postural - SAPO

INTRODUÇÃOSISTEMAS DE AVALIAÇÃO POSTURAL

Reconstrução através de Tomografia Computadorizada (TC) e Ressonância Magnética (RM)

INTRODUÇÃO

Motivação Contruir um sistema baseado em imagens de raios-x

Baixo custo em relação a TC e RM Exposição a radiação Dificuldade psicológico ou técnica

Problema Modelar em 3D a coluna vertebral do paciente

Objetivo Tornar a avaliação postural mais precisa Permitir uma tomada de decisão mais qualificada Monitoramento do tratamento

SISTEMA DE MODELAGEM 3D

Aquisição das radiografias

Pré-processamento das imagens de raios-x

Marcação dos pontos chaves de cada vértebra

Cálculo da coordenada 3D dos pontos chaves (estereoradiografia)

Recuperação da posição e rotação de cada vértebra

AQUISIÇÃO DAS RADIOGRAFIAS

O sistema utiliza duas imagens de raios-x (AP e perfil)

Ântero-posterior (AP) Perfil

AQUISIÇÃO DAS RADIOGRAFIAS

Local

AQUISIÇÃO DAS RADIOGRAFIASCONSTRUÇÃO DA BASE

Suporte que armazena o filme é fixo

Movimentação do paciente entre as imagens em AP e perfil

Construção da base para atenuar o problema da transição entre a captura das radiografias

AQUISIÇÃO DAS RADIOGRAFIASCONSTRUÇÃO DA BASE

Base

AQUISIÇÃO DAS RADIOGRAFIAS

Configuração da estrutura Marcador de escala

AQUISIÇÃO DAS RADIOGRAFIAS

Medidas referentes aos objetos em cena

Base

Emissor de raios-x

AQUISIÇÃO DAS RADIOGRAFIASPROTOCOLO

Protocolo para retirada das radiografias

alinhar, pelo centro, emissor, suporte e base;

fixar no suporte os marcadores que definem o enquadramento da coluna vertebral do paciente;

fixar no suporte o marcador de escala;

posicionar o paciente em cima da base e retirar a radiografia em AP. Depois, rotacionar a base em 90º no sentido horário e retirar a radiografia em perfil;

realizar as medidas referentes aos objetos em cena.

RECUPERAÇÃO DOS PONTOS 3DFATOR DE ESCALA

Relação entre as medidas na imagem e no mundo (cena real)

Medidas na horizontal e vertical

hori wmundowimagem

vert hmundohimagem

RECUPERAÇÃO DOS PONTOS 3DMÉTODO 1

X

Y

Z

uAP

vAP

uperfil

vperfil

PAP XAPYAPZAP

Coordenadas dos pontos projetados em AP

Pperfil XperfilYperfilZperfil

Coordenadas dos pontos projetados

em perfilH

H

RECUPERAÇÃO DOS PONTOS 3DMÉTODO 1

O ponto final P é uma composição dos pontos PAP e Pperfil

Troca de sinal no cálculo de Pz

Px XapPy Yap YperfilPz Zperfil

Px hori uap wap2

Py vert vap H

Pz hori uperfil wperfil

2

RECUPERAÇÃO DOS PONTOS 3DMÉTODO 2

X

Y

Z

uAP

vAP

uperfil

vperfilPAP

Coordenadas dos pontos projetados em AP

Pperfil

Coordenadas dos pontos projetados

em perfilH

H

Eperfil

EAP

RECUPERAÇÃO DOS PONTOS 3DMÉTODO 2

Encontrar a interseção das projeções dos pontos nas duas radiografias

Os pontos em cada imagem usam o mesmo fator de escala usado no método 1

Baixa probabilidade das retas coincidirem

RECUPERAÇÃO DOS PONTOS 3DMÉTODO 2

uperfil

vperfil

uAP

vAPPAP

Pperfil

Pperfil

PAP

ΠAP

Πperfil

RECUPERAÇÃO DOS PONTOS 3DMÉTODO 2

Reta de interseção entre os dois planos

Ponto de interseção entre a linha Eperfil

com ΠAP

Ponto de interseção entre a linha EAP

com Πperfil

y final

uperfil

vperfil

uAP

vAP

Eperfil

EAP

MÉTODO 2INTERSEÇÃO COM PLANOS

Equação geral do plano ax + by + cz + d = 0

MÉTODO 2INTERSEÇÃO COM PLANOS

Interseção ( ) com Πperfil

• Plano perfil (Πperfil)

• Interseção

t (normal EAP d)

normal dd

PAP EAP

Interseção ( ) com ΠAP

• Plano AP (ΠAP)

• Interseção

t (normal Eperfil d)

normal d

d

Pperfil Eperfil

Q P t d

Qx Qxp1 Qx

p2 Qz Qzp1 Qz

p2Qy (Qy

p1 Qyp2)

2

Qp1 Qp2

Vet1 Pperfil EperfilVet2 Pperfil

Eperfil

n

perfil Vet1 Vet2d a(Px

perfil ) b(Pyperfil ) c(Pz

perfil )

Vet1 PAP EAPVet2 PAP

EAP

n

ap Vet1 Vet2d a(Px

AP ) b(PyAP ) c(Pz

AP )

POSIÇÃO DO MODELO 3D DAS VÉRTEBRAS(CENTRÓIDE DO BLOCO)

Posiciona o modelo 3D da vértebra no ponto referente ao centro do bloco.

Para o exame do paciente será identificado um ponto em cada vértebra

Coordenada do modelo 3D

ROTAÇÃO DO MODELO 3D DAS VÉRTEBRAS

Para recuperar as 3 rotações do modelo 3D da vértebra utilizou-se como referência as duas arestas destacadas abaixo

blocoexemplo

X

Y

Z

P1

P2

P3

ROTAÇÃO DO MODELO 3D DAS VÉRTEBRAS(EIXO X)

V1 Px3,Py

3,Pz2 P3

V2 Px3,Py

2,Pz2 P3

α = ângulo entre V1 e V2

Se (Py3 – Py

2 < 0) então:

α é negativo

Senão:

α é positivo

X

Y

Z

P2

P3

V1

V2α

ROTAÇÃO DO MODELO 3D DAS VÉRTEBRAS(EIXO Y)

V1 Px2,Py

1,Pz1 P1

V2 Px2,Py

1,Pz2 P1

β = ângulo entre V1 e V2

Se (Pz1 – Pz

2 < 0) então:

β é negativo

Senão:

β é positivo

X

Y

Z

P2

P1

βV1

V2

ROTAÇÃO DO MODELO 3D DAS VÉRTEBRAS(EIXO Z)

X

Y

Z

P2

γ

P1 V1

V2

V1 Px2,Py

1,Pz1 P1

V2 Px2,Py

2,Pz1 P1

γ = ângulo entre V1 e V2

Se (Py1 – Py

2 > 0) então:

γ é negativo

Senão:

γ é positivo

MARCAÇÃO DOS PONTOS CHAVES

Características da vértebra identificadas nas radiografias

Pontos que fornecem informações de posicionamento e rotação

Semelhança com o bloco

MARCAÇÃO DOS PONTOS CHAVES

Função de cada ponto: Posiciona o modelo 3D no ponto 4 Rotação em x, pontos 4 e 5 Rotação em y, pontos 3 e 4 Rotação em z, pontos 1 e 2

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAIS

Linguagem de programação C/C++

Bibliotecas utilizadas Ogre3D – representação do ambiente 3D OpenCV – processamento de imagens e estrutura de dados GTK+ – interface gráfica

Radiografias adquiridas com colaboração da clínica RAD MED, especializada em diagnóstico por imagem

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAIS

Tipos de radiografias

Convencional Computadorizado Digital Direta

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAISVALIDAÇÃO DA TÉCNICA

Estrutura de blocos de madeira

Possibilidade de trabalhar com medidas conhecidas dos blocos

Avaliação da precisão dos métodos propostos

Representação da forma da coluna

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAISVALIDAÇÃO DA TÉCNICA

Estrutura construída para o experimento

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAISVALIDAÇÃO DA TÉCNICA

Configuração do ambiente

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAISVALIDAÇÃO DA TÉCNICA

Radiografias da estrutura

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAISRESULTADOS - BLOCOS

Geral Vértices do mesmo bloco Vértices entre blocos

Método 1 2,023 1,131 5,082

Método 2 0,512 0,251 1,405

Resultado do método 2

Precisão dos métodos (em cm)

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAISRESULTADOS - BLOCOS

Posicionamento do modelo 3D Spline – forma da coluna

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAISPACIENTE

Configuração do ambiente

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAISPACIENTE

Radiografias do paciente

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAISRESULTADOS - PACIENTE

Coluna vertebral 3D

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAISRESULTADOS - PACIENTE

Avaliação qualitativa

RESULTADOSAVALIAÇÃO CLÍNICA

Informações do paciente: Dores de cabeça Incômodo nos olhos Dores na coluna, em específico na região lombar

Análise feita pelos profissionais da área médica

Detalhes e clareza na leitura do exame

Desenho do quadro clínico e elaboração do tratamento

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAISAVALIAÇÃO CLÍNICA

Fator causador das dores lombares:

Compressão do lado esquerdo - pontada

Tração do lado direito -queimação

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAISAVALIAÇÃO CLÍNICA

Fator causador das dores de cabeça e incômodo nos olhos:

cervical retificada

O normal é apresentar uma curvatura natural

Consequências da compressão são: cansaço no pescoço, cefaléia (dores de cabeça), dores na base do crânio e no fundo dos olhos.

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAISAVALIAÇÃO CLÍNICA

Ângulo de Cobb na região torácica (2D)

Tratamento:

Uso de colete ortopédico no início

Reeducação postural (como RPG, por exemplo) direcionada às regiões críticas

EXPERIMENTOS COMPUTACIONAISDISCUSSÃO DOS RESULTADOS

O método 2 obteve os melhores resultados

Diferença de precisão quando comparado à distâncias maiores

No geral, o método apresentou boa precisão, ficando numa faixa aproximada de 4 mm da TC

Resultado próximo de trabalhos que utilizam imagens de raios-x com modelos estatísticos

CONCLUSÃOVANTAGENS DO SISTEMA 3D

Identificação mais clara e detalhada da estrutura da coluna vertebral

Identificação da trajetória articular de pequenos movimemtos que não são fornecidos por exame de raios-x

Identificação de pontos de maior compressão e tensão dos discos intervertebrais, possibilitando realizar intervenções preventivas.

Acompanhamento do tratamento Verificação dos seguimentos vertebrais ao longo do tempo Comparação das splines

TRABALHOS FUTUROS

Investigar a perda de precisão em distâncias maiores

Adição de outro equipamento de raios-x no processo de captura da imagens

Utilização da tecnologia de Radiografia Digital Direta

Tentativa de obter o modelo 3D de cada vértebra, mantendo sua forma geométrica

Adaptação do sistema para exames de outras partes do corpo humano

REFERÊNCIAS

POMERO V., MITTON D., LAPORTE S., GUISE J. A., SKALLI W. Fast accuratestereoradiographic 3d-reconstruction of the spine using a combinedgeometric and statistic model. Clinical Biomechanics, 19(3):240–247,Março 2004.

NOVOSAD J., CHERIET F., PETIT Y., LABELLE H. Three-Dimensional (3D)Reconstruction of the Spine From a Single X-Ray Image and Prior VertebraModels. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 51(9):1628-1639,Setembro 2004.

AGRADECIMENTOS

Aos pesquisadores do Instituto Superior de Ensino do CENSA, Felipe Sampaio Jorge e Jefferson da Silva

À clínica RAD MED, que nos forneceu o espaço e acesso ao equipamento de raios-x