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Planeamento pré-operatório para cirurgia conservadora da anca
Sofia Ruivo Marecos
Dissertação para obtenção de Grau de Mestre em
Tecnologias Biomédicas
Orientadores:
Professor Jorge Manuel Mateus Martins
Doutor Paulo Amaral Rego
Júri:
Presidente: Maria Margarida Fonseca Rodrigues Diogo
Orientador: Jorge Manuel Mateus Martins
Vogal: Pedro Daniel Dinis Teodoro
Dezembro 2016
ii
iii
Agradecimentos
A presente dissertação foi desenvolvida no âmbito do Mestrado em Tecnologias Biomédicas
lecionado conjuntamente pelo Instituto Superior Técnico e pela Faculdade de Medicina da
Universidade de Lisboa. Instituições às quais agradeço, na figura dos seus docentes, por todo o apoio
dado, em especial ao Professor Jorge Manuel Martins.
Por outro lado, foi no seio do laboratório de engenharia mecânica que este projeto começou a ganhar
forma, não podendo deixar de reconhecer todo o apoio prestado pelo professor Pedro Teodoro, que
tornou este projecto possível, sem a sua ajuda este caminho tinha sido impossível de concluir, tendo
sido a sua disponibilidade e maneira de ser, uma grande inspiração.
Deixo aqui o meu muito obrigada aos meus chefes do hospital da luz, Ana Filipa Graça e Rúben
Teixeira, que acreditaram neste projecto e se disponibilizaram em ajudar, de forma a que fosse
possível realizar este mestrado e trabalhar ao mesmo tempo.
Para finalizar, quero também agradecer a todos aqueles que têm estado ao meu lado ao longo desta
viagem. Aos meus colegas do MTBiom, sem dúvida que a partilha de experiências das nossas vastas
áreas foi muito enriquecedora! Aos meus amigos e colegas de trabalho que me encorajaram a não
desistir quando tudo parecia impossível de finalizar e ao meu namorado e amigo que foi das pessoas
mais importantes para que conseguisse finalizar este projecto.
Por fim, um muito obrigada aos meus pais que financiaram este ciclo de estudos e me ajudaram em
tudo como sempre.
iv
v
Abstract
The objective is the development of a tool, based in Statistical Shape Models (SSM), which allows a
planning before surgery of individuals with this type of pathology.
The used methodology was grounded on a mathematical basis where SSM was developed, which
started by collecting a population of healthy samples. So any pathological femur can be approximated
by a composition of the average femur with the main ways of decomposition in singular values of the
covariance matrix. Thus, the main resulting differences between the compound femur and the
pathological femur are due to pathology.
After a SSM validation as statistical femur model, it is shown that its use, in the determination of the
pathology in a pathological femur, was effective, by using the first 5 decomposition eigenvectors in
singular values of covariance matrix.
Nowadays the evaluation of FAC is only performed through image, being MR the main method.
Through this tool the surgeon can determine more accurately and in a plane that he is used to work,
the location of pathology.
So the objective is to decrease the variables associated to the method each surgeon uses to perform
this technique, having as main focus the individual decision about the region to be intervened and his
performing level.
Palavras Chave: Ressonância Magnética, Conflito Femoro-Acetabular,Tomografia Computorizada,
SSM(Statistical Shape Models).
vi
Resumo
O objetivo é o desenvolvimento de uma ferramenta, baseada em modelos estatísticos de forma (SSM
– Statistical Shape Models), que permite um planeamento pré - cirúrgico, de indivíduos com este tipo
de patologia.
A metodologia utilizada, tem como fundamento uma base matemática onde se desenvolveu o SSM,
processo iniciado pela recolha de uma população de amostras saudáveis. Qualquer fémur patológico
pode assim ser aproximado por uma composição do fémur médio com os modos principais da
decomposição em valores singulares da matriz de covariância. Assim, as principais diferenças
resultantes entre o fémur composto e o fémur patológico são devidas à patologia.
Após uma validação do modelo SSM, como modelo estatístico do fémur, verifica-se que a sua
utilização, na determinação da patologia num fémur patológico, sendo esta eficaz, recorrendo aos
primeiros 5 vetores próprios da decomposição em valores singulares da matriz de covariância.
Hoje em dia, a avaliação do CFA é realizado apenas através dos meios de imagem, sendo a RM o
método principal. Através desta ferramenta o cirurgião consegue determinar com maior precisão e
num plano a que está habituado a trabalhar, a localização da patologia.
Cirurgiões com menos experiência poderão encontrar nesta ferramenta, uma linha de orientação
inicial.
Deste modo, o objetivo é diminuir as variáveis que estão associadas ao método que cada cirurgião
utiliza na realização desta técnica, tendo como principal foco a decisão individual da região a ser
intervencionada e o seu grau de atuação.
Keywords: Magnetic Resonance, Femoral Acetabular Conflict, Computerized Tomography, SSM
(Statistical Shape Models).
vii
Conteúdos
Agradecimentos ....................................................................................................................................... iii
Abstract.....................................................................................................................................................v
Resumo ................................................................................................................................................... vi
Lista de Figuras ..................................................................................................................................... xix
Lista de Tabelas ...................................................................................................................................... xi
Lista de Acrónimos .................................................................................................................................. xi
1. Introdução ............................................................................................................................................ 1
1.1 Enquadramento Teórico .................................................................................................................... 1
1.2 Conflito Femoro-Acetabular .............................................................................................................. 1
1.3 Anatomia Anca .................................................................................................................................. 2
1.4 Classificação ..................................................................................................................................... 3
1.5 Epidemiologia .................................................................................................................................... 6
1.6 Estrutura da Dissertação ................................................................................................................... 6
1.7Contributos ......................................................................................................................................... 7
2 Patologia em Estudo ............................................................................................................................ 9
2.1 Diagnóstico Clínico ............................................................................................................................ 9
2.2 Diagnóstico por Imagem.................................................................................................................... 9
2.2.1 Radiografia Convencional .............................................................................................................. 9
2.2.2 Ressonância Magnética ............................................................................................................... 11
2.3 Terapêutica ...................................................................................................................................... 15
2.4 Artroscopia da Anca ........................................................................................................................ 15
2.5 Contra-indicações para a Artroscopia ............................................................................................. 18
2.6 Posicionamento do Paciente ........................................................................................................... 19
3. Modelo Estatístico do Fémur (SSM) ................................................................................................. 21
3.1 Casos Clínicos ................................................................................................................................. 21
3.2 Característica da Amostra ............................................................................................................... 21
3.3 Protocolo realizado na RM Coxo-Femoral ...................................................................................... 23
3.4 Segmentação do fémur em exames de TC e RM ........................................................................... 23
3.5 Tratamento base dados em exames de exames de TC ................................................................. 25
4. Resultados ......................................................................................................................................... 27
4.1 Validação do modelo estatístico do fémur ...................................................................................... 27
4.2 Modelo estatístico do fémur vs fémur patológico ............................................................................ 30
4.3 Validação do modelo SSM com caso real....................................................................................... 32
4.4 Validação final com caso real .......................................................................................................... 33
5. Conclusões finais .............................................................................................................................. 37
5.1 Trabalhos futuros ............................................................................................................................. 38
6. Referencias Bibliográficas ................................................................................................................. 39
viii
ix
Lista de Figuras Figura 1-Anatomia da articulação coxo-femoral...................................................................................... 3 Figura 2-Anatomia da articulação coxo-femoral...................................................................................... 3 Figura 3-Conflito femoro-acetabular CAM ............................................................................................... 4 Figura 4-Conflito femoro-acetabular PNICER ......................................................................................... 4 Figura 5-Esquema conflito femoro-acetabular ....................................................................................... 5 Figura 6-Testes clínicos realizados para diagnosticar patologia ............................................................ 9 Figura 7-Radiografia antero-posterior da bacia..................................................................................... 10 Figura 8-Radiografia antero-posterior da anca ..................................................................................... 10 Figura 9-Radiografia antero-posterior da anca patológica .................................................................... 10 Figura 10-Radiografia cross-table view da anca ................................................................................... 11 Figura 11-Relaxação longitudinal e transversal em Ressonância Magnética ...................................... 12 Figura 12-Sequência Axial DP FS, anca com alterações quísticas .................................................... 123 Figura 13-Medição ângulo alfa, anca não patológica ........................................................................... 13 Figura 14-Medição ângulo alfa, anca patológica .................................................................................. 13 Figura 15-Conflito femoro- acetabular em imagem RM ........................................................................ 14 Figura 16-Artroscopia da anca .............................................................................................................. 16 Figura 17-Artroscopia do compartimento central .................................................................................. 17 Figura 18-Instrumentação no compartimento periférico ....................................................................... 18 Figura 19-Sistema de posicionamento para artroscopia ....................................................................... 19 Figura 20-Imagens obtidas pela Tomografia Computorizada ............................................................... 24 Figura 21-Modelo SSM com 2 valores próprios .................................................................................... 27 Figura 22-Modelo SSM com 3 valores próprios .................................................................................... 28 Figura 23-Modelo SSM com 4 valores próprios .................................................................................... 28 Figura 24-Modelo SSM com 5 valores próprios .................................................................................... 29 Figura 25-Modelo SSM com 2 valores próprios .................................................................................... 30 Figura 26-Modelo SSM com 3 valores próprios .................................................................................... 31 Figura 27-Modelo SSM com 4 valores próprios .................................................................................... 31 Figura 28-Modelo SSM com 5 valores próprios .................................................................................... 32 Figura 29-Modelo fémur ........................................................................................................................ 33 Figura 30 Contorno médio fémur não patológico .................................................................................. 34 Figura 31 Modelo SSM vs modelo patológico fémur ........................................................................... 34 Figura 32Validação após cirurgia. ......................................................................................................... 35
x
xi
Lista de tabelas
Tabela 1- Base de dados amostra modelo SSM .................................................................................. 22 Tabela 2- Dados do Caso clínico real .................................................................................................. 22
Lista de Acrónimos
CFA – Conflito Femoro-acetabular
RM – Ressonância Magnética
B0 – Campo magnético estável
B1 - Campo magnético variável
T1 – Relaxação longitudinal
T2/T2* - Relaxação transversal
TC – Tomografia Computorizada
SSM – Modelo estatístico do fémur
PCA – Análise de componentes principais
xii
1
1. Introdução
1.1 Enquadramento Teórico
O conflito femoro-acetabular (CFA) é definido como um conjunto de sinais e sintomas
resultantes de um contacto anormal, entre a cabeça e colo femoral com o acetábulo,
provocando, dependendo do padrão morfológico, alterações do tipo degenerativo. E
caracterizado por um contacto patológico durante o movimento da articulação da anca, entre as
proeminências ósseas do acetábulo e do fémur, limitando assim a capacidade fisiológica de
movimentação da anca, tipicamente a flexão e rotação interna.
Este conflito pode ser, tanto no complexo “labrum” acetabular, como na cartilagem articular,
quando a anca é submetida a movimentos de flexão, abdução e rotação interna. [1]
Hoje em dia, a degeneração precoce da articulação da anca é uma patologia de ganhou um
aumento significativo na população idosa e em alguns grupos de indivíduos mais jovens. Em
1979, Demarais e Lequesne descreveram a dor na anca como estando associada a
deformidades estruturais do colo do fémur, em atletas de hóquei, futebol, artes marciais e ténis.
Em 2003, Granz et al. descreveu o CFA como o mecanismo mecânico responsável pela
osteoartrose da anca, em casos de deformidades subtis do acetábulo e/ou do fémur proximal.
Desenvolvendo, em seguida uma técnica cirúrgica com realização de luxação da anca sem
risco de necrose avascular, permitindo o acesso ao local de lesão. [2]
Hoje em dia e em doentes mais jovens, a artroscopia da anca apresenta-se como uma forma
de tratamento bastante promissora, visto ter-se vindo a desenvolver em larga escala nos
últimos anos. Em 1931, Burman afirmou ser possível inserir uma agulha entre a cabeça do
fémur e o acetábulo, tendo sido desde então uma técnica cada vez mais desenvolvida, ao
ponto que hoje ser a mais utilizada especialmente em indivíduos jovens. [3
1.2 Conflito Femoro-Acetabular
O conflito femoro-acetabular (CFA) é uma das principais causas da osteoartrite precoce da
anca, especialmente em pacientes jovens e ativos. É caracterizada por um contacto patológico
durante o movimento da articulação da anca, entre as proeminências ósseas do acetábulo e do
fémur. [4]
Vários autores têm citado a relação entre a coxartrose e o desvio da cabeça femoral,
denominando essa relação como deformidade em “pistol-grip”. Nessas circunstâncias, a
redução do espaço que normalmente existe nesta articulação, pode causar impacto
principalmente em movimentos como a flexão e, particularmente, em rotação interna da anca.
[2]
2
Dependendo dos achados clínicos e imagiológicos identificados, pode distinguir-se dois tipos
de impactos, do tipo Pincer e do tipo Cam, sendo este último o avaliado por esta tese. A
maioria dos pacientes (86%), têm uma combinação de ambas as formas de impacto. [4]
1.3 Anatomia Anca
A articulação da anca é composta pela cabeça do fémur e pela cavidade do acetábulo, sendo
classificada como sinovial esferóide e permitindo movimentos amplos em todos os eixos de
rotação, adução, abdução, flexão e extensão.
A cabeça do fémur é composta por uma cartilagem articular que cobre completamente a
superfície articular com a exceção da fóvea, onde o ligamento redondo está conectado.
Revestindo parcialmente o acetábulo, pode encontrar-se uma cartilagem em forma de
semicírculo que recobre apenas a face semilunar do mesmo. Nessa face verifica-se a
existência de uma depressão que não está coberta por essa mesma cartilagem, sendo
preenchida por tecido gorduroso envolto pela membrana sinovial.
Os ligamentos que unem esta articulação são:
Ligamento iliofemoral: é um feixe fibroso muito resistente que se origina da espinha ilíaca
antero-superior e caminha em direção a linha intertrocantérica.
Ligamento pubofemural: origina-se da crista obturatória e do ramo superior do pubis.
Ligamento isquiofemural: é uma fita triangular de tecido fibroso denso que se inicia no ísquio
distal e caminha em direção a cápsula articular.
Ligamento redondo da cabeça do fêmur: é um ligamento intra-articular que fixa a fóvea da
cabeça do fêmur à incisura do acetábulo. [4]
3
Figura 1 - Anatomia da articulação coxo-femoral.[4]
1.4 Classificação
Existem dois tipos de CFA, dependendo estes da localização da alteração morfológica
existente, podendo ser do tipo CAM (fémur) ou do tipo PINCER (acetábulo). Quando estes
ocorrem em simultâneo pode dizer-se que estamos na presença de um CFA misto. [5]
Figura 2 - Anatomia da articulação coxo-femoral. [4]
4
O tipo CAM caracteriza-se pelo conflito causado por uma região não esférica da cabeça-colo
do fémur, estando esta região normalmente localizada no quadrante antero-superior. Para que
a anca realize o movimento de flexão, sem impacto, a cabeça do fémur deve ser perfeitamente
esférica e deve haver um espaço adequado na junção cabeça-colo femoral. Se, por sua vez, a
cabeça femoral for não esférica, não se verifica um deslocamento femoral cabeça-pescoço
adequado, levando a que a cartilagem na região acetabular sofra uma pressão anormal,
durante a flexão da anca, causando posteriormente lesões a este nível.[6] [7]
O tipo PINCER caracteriza-se por um excesso de cobertura acetabular sobre o fémur, onde em
situações em que se verifique uma anca profunda ou um acetábulo em retroversão cranial,
existe uma maior probabilidade de existir uma compressão tipo PINCER.[5]
Figura 3: Na figura superior verifica-se que a
primeira anca diz respeito a uma anca com o
espaço normal a nível da cintura femoral,
acomodando a borda acetabular em toda a gama
de movimentos.
A anca apresentada a baixo apresenta uma
protuberância óssea, causando uma alteração na
esfericidade da na cabeça do fémur, identificada
pela seta azul. A rota de movimentos nesta anca
causa lesões ao nível da cartilagem hialina
adjacente, culminando numa lesão labral,
identificada pela seta vermelha. [7]
Figura 4: Na imagem observa-se o impacto tipo
pincer. Verifica-se uma proeminência do bordo
acetabular identificado pela seta azul. Existindo
locais de impacto com o fémur essencialmente
durante a flexão e rotação interna da anca,
resultando numa degeneração labral e danos ao
nível da cartilagem, identificados pelo asterisco.
Normalmente estes danos na cartilagem ocorrem
após uma lesão labral, inicialmente limitada a
uma estreita faixa ântero-superior e mais tarde
envolvendo áreas maiores, póstero-inferiores
exemplificado pela seta vermelha. [7]
Figura 3
Figura 4
5
Lesões ao nível do labrum acetabular devem-se normalmente devido à mudança degenerativa
da anca em 50% dos casos e a trauma em 20% dos casos.
Quando se verifica uma lesão ao nível da cartilagem esta verifica-se devido ao facto do lábio
acetabular ser submetido a condições de carga anormais e repetitivas, onde o líquido articular
é bombeado sob a cartilagem acetabular, causando laminação da cartilagem. Como resultado,
existem trocas de fluido eventualmente debaixo do osso subcondral formando um quisto.
Lesões labiais por trauma acontecem normalmente na presença de uma anatomia anormal ao
nível do fémur proximal ou no acetábulo. [7]
Figura 5: Em cima anca com configuração normal com espaço suficiente que permite uma gama
ilimitada de movimentos. No centro da imagem observa-se o tipo PINCER onde a cobertura
excessiva do acetábulo sobre o fémur, leva a uma degeneração do labrum e lesões ao nível da
cartilagem. O tipo CAM em baixo, porção ântero-superior do fémur alterada colidindo no
acetábulo. [8]
Figura 5
6
1.5 Epidemiologia
O CFA pode ocorrer em indivíduos com alterações morfológicas do acetábulo e/ou fémur
proximal, mas também em indivíduos sem alterações que submetem a articulação a
movimentos repetitivos. Independentemente da origem, esta patologia induz lesões ao nível do
labrum e da cartilagem acetabular. [2]
Estima-se que a prevalência de CFA seja de 10%-15% na população em geral, tendo no
entanto, mais prevalência sobre o sexo masculino, numa proporção de 10% para 2% no sexo
feminino. Esta patologia tem maior incidência em adolescentes e adultos jovens, normalmente
entre os 20 e os 55 anos de idade, sendo a maior causa de osteoartrose precoce da anca e,
em indivíduos ativos a principal causa de dor, reduzindo a amplitude articular da articulação
coxo-femoral e de diminuição da performance em desportistas.
Hoje em dia, sabe-se que a coxartrose em indivíduos com idade inferior a 55 anos é causada
por este tipo de conflito em 60 a 70% dos casos. Considerando que 2 em cada 3 casos de
CFA, praticam atividade física, fazendo assim sentido que os desportistas sejam considerados
um grupo de risco.
Estima-se que 36% dos atletas profissionais de nível olímpico já foram submetidos a
artroscopia da anca entre setembro de 2000 e Abril de 2005 necessitando de correção devido a
este conflito. [2]
1.6 Estrutura da Dissertação
A presente dissertação está organizada em 6 capítulos principais, os quais se dividem em
vários subcapítulos. Tenciona-se com esta estruturação que o leitor se consiga integrar com o
tema e assim facilitar a interpretação dos resultados finais.
No primeiro capítulo é introduzido o tema do trabalho, explicitando os conceitos básicos do
mesmo e o seu grau de envolvimento na sociedade atualmente. Seguidamente, no segundo
capítulo, explora-se o método de diagnóstico desta patologia com foco principal para o
diagnóstico baseado na aquisição de imagem através de técnicas como a Radiografia
Convencional e a Ressonância Magnética.
Após identificação deste tipo de patologia através de um diagnóstico, ainda neste capítulo
apresenta-se uma abordagem relativamente aos métodos terapêuticos utilizados hoje em dia,
apresentando as suas contraindicações assim como o posicionamento do doente neste tipo de
intervenções.
Finalmente, são expostos os resultados no capítulo terceiro e quarto, sendo os mesmos
validados no mesmo capítulo. Apresentados e discutidos os resultados, o quinto capítulo
destina-se às conclusões retiradas e à sugestão de trabalhos futuros. Por último é exposta a
lista de referências bibliográficas, na qual se apoia toda a pesquisa teórica e onde são
referidos outros estudos que ajudam a interpretar os resultados aqui obtidos.
7
1.7 Contributos
Pode identificar-se como principal contributo fornecido por esta dissertação, o desenvolvimento
de uma ferramenta com elevado potencial, para ser utilizada em planeamento pré-cirurgico da
patologia de conflito femoro-acetabular. Visto esta identificar através dos exames clínicos de
imagem, realizados hoje em dia, a região patológica existente. Este contributo, para médicos
em início de funções é bastante vantagoso, já que se torna um auxiliar valioso nestas
intervenções.
Referida a importância deste tipo de desenvolvimentos em áreas como a medicia, onde ainda
existe muito para explorar, foi apresentado o tema desta dissertação no 36º Congresso
Nacional de ortopedia e traumatologia – SPOT, no mês de Outubro de 2016, com uma
comunicação livre.
8
9
Figura 6
2 Patologia em Estudo
2.1 Diagnóstico Clínico
O diagnóstico de conflito femoro-acetabular é feito normalmente com base na clínica, onde os
pacientes com esta patologia, apresentam sintomatologia específica. Esta pode apresentar-se
como dor durante a realização do movimento de flexão da anca, assim como a realização de
rotação interna do membro inferior. A apresentação de limitação na realização destes
movimentos deve normalmente, ser um apontador para o diagnóstico de CFA. [2]
Este tipo de pacientes pode ainda apresentar dor ao nível da região inguinal (virilha) quando
realizam a rotação interna da anca, desconforto ao permanecer muitas horas na posição
sentada, ou ainda durante e após a realização de atividades desportivas. A sintomatologia
apresentada pode restringir-se à região trocantérica ou pode também irradiar para a região
lateral da coxa.
Nestes casos, este tipo de pacientes tem consciência da sua mobilidade limitada, mesmo antes
de os sintomas mais agravados aparecerem.
Em exame clínico, os pacientes com CFA, têm como referido anteriormente, um leque restrito
de movimentos, apresentando um sinal positivo para este tipo de patologia, podendo ser
detetada se na rotação/adução forçada interna e flexão a 90%, apresentar dor. [8]
2.2 Diagnóstico por Imagem
2.2.1 Radiografia Convencional
A radiografia convencional apresenta-se como um método de diagnóstico de primeira linha,
avaliando ou não os primeiros sinais de deformidade desta patologia.
Através de uma radiografia antero-posterior consegue identificar-se uma deformidade típica
“pistol-grip” representando falta de uma concavidade normal da cintura femoral, ou seja uma
Figura 6: Testes clínicos realizados para avaliar existência ou não de impacto femoro-
acetabular. [8]
10
cabeça femoral não esférica. Na figura 7 à esquerda o contorno da cabeça do fémur sai fora
dos limites de uma circunferência perfeita, verificando-se a sua forma não esférica. Pode
concluir-se, que não estamos na presença de uma cabeça femoral saudável, levando nestas
condições, ao tipo de conflito estudado por esta tese (CAM). [2]
Figura 7: Radiografia antero-posterior da bacia, observando-se características CFA em ambas as ancas.[2]
Figura 8: Observam-se alterações relacionadas
com a patologia tipo CAM, demonstrado pela seta.
IIL refere-se à linha ílio-isquiática, AW à parede
anterior e PW à parede posterior do acetábulo,
sendo F a fossa. Nesta radiografia pélvica antero-
posterior observa-se a configuração acetabular
regular. [8]
Figura 9: Demonstra através da seta alterações
relacionadas com a patologia tipo CAM. IIL refere-
se à linha ílio-isquiática, AW à parede anterior,
PW à parede posterior e F à fossa. Nesta
incidência verifica-se existência de coxa profunda,
verificando-se a versão do acetábulo que parece
ser maior do que a parede anterior, sendo este -
projetado no sentido medial. [8]
Figura 7
Figura 8
Figura 9
11
A patologia tipo CAM é a causa do impacto femoro-acetabular, onde a porção não esférica da
cabeça do fémur entra em conflito com a articulação. Estas protuberâncias ósseas podem levar
a alterações da cabeça/colo do fémur, que em radiografias, pode ser medido como o ângulo
alpha. Este é uma medida validada para quantificar a deformidade anatómica em pacientes
com CFA, onde uma medição superior a 50% é indicador dessa deformidade. [9] [10]
Através da incidência de “cross-table view”, observada na figura 10, consegue em caso de
dúvida, esclarecer a morfologia do fémur proximal, avaliando se apresenta ou não de risco de
compromisso.
Contudo apenas a avaliação radiológica pode, em alguns casos, não se apresentar suficiente,
especialmente quando o caminho a seguir passar por uma correção cirúrgica.
Para uma avaliação mais completa de lesões ao nível desta articulação, a Ressonância
Magnética (RM) é o método de excelência. [9]
2.2.2 Ressonância Magnética
A Ressonância Magnética baseia-se na interação de núcleos com spin nuclear não nulo com
um campo magnético intenso e estável (B0). Sendo o corpo humano composto por cerca de
65% de água, fonte de hidrogénio, possibilita que o protão deste elemento seja elemento de
estudo pela RM. [11]
Cada protão, sendo uma partícula carregada e com momento angular (spin), funciona como um
pequeno íman que, normalmente, se orienta de uma forma aleatória. Quando se aplica um
campo magnético exterior B0, os spins precessam em torno do mesmo com uma frequência
característica dependendo da intensidade do B0 aplicado.
Ao se aplicar um campo variável B1, este irá excitar os núcleos que tenham uma frequência
natural igual à sua, experimentando o spin uma nova orientação. No momento em que o campo
B1 é desligado os protões regressam ao seu estado de energia inicial, sendo que a este
Figura 10: Radiografia cross-table view da anca. [2]
Figura 10
12
processo se dá o nome de relaxação. Para que ocorra relaxação completa, tem que haver
relaxação Longitudinal e Transversal (Figura 10). [12]–[13]
A Relaxometria consiste num método de medição do tempo de relaxação das imagens de RM,
através do qual é possível estimar o tempo da relaxação longitudinal (T1) e da relaxação
transversal (T2/T2*), utilizando sequências e parâmetros apropriados. [14], [15]
A relaxação T1 envolve a perda de energias dos protões para a sua rede circundante e a
relaxação T2 envolve a perda de coerência de fase (relação entre a fase de cada spin). Por
outro lado, a perda da coerência de fase ocorre por dois mecanismos –T2 e T2*. [16]
O desenvolvimento da RM nos últimos anos, permitiu que esta se tornasse no método padrão
de referência no acompanhamento de anomalias ósseas e de tecidos moles envolventes,
mostrando-se uma técnica eficaz na deteção de lesões ao nível da anca.
Esta técnica permite uma distinção perfeita dos constituintes do acetábulo, realizando a
delineação entre o labrum, a cartilagem envolvente, assim como o componente ósseo,
fornecendo uma avaliação importante na avaliação das lágrimas labrais e perda de cartilagem
hialina. [7], [16]
A avaliação realizada pela RM é dirigida a ambos os tipos de conflitos, quer este seja a nível do
fémur ou do acetábulo. Outro fator identificado no decorrer deste exame e que pode estar
relacionado com o CFA é a existência de um quisto na junção cabeça-colo do fémur. Estes são
encontrados em 33% dos pacientes com FAI e existe uma probabilidade elevada de relação
causal, podendo conter material fibroso ou gelatinoso. [7]
Figura11: Relaxação longitudinal e transversal em Ressonância Magnética. [12]
Figura 11
Figura 12
13
A articulação da anca é formada por superfícies articulares, sendo elas, a cabeça do fémur
correspondendo a uma esfera de aproximadamente 45 mm de diâmetro e o acetábulo como
uma cavidade semi-circular com a forma de uma ferradura fechada inferiormente pelo
ligamento transversal. Estes são cobertos por uma cartilagem articular de espessura de 1-3
mm, exceto no centro do acetábulo e, ao nível da fóvea, onde está inserido o ligamento
redondo da cabeça do fémur. O lábio acetabular é constituído por fibrocartilagem de forma
triangular inserido na periferia do acetábulo, aumentando a profundidade do mesmo,
apresentando-se mais espesso na região póstero-superior quando comparado com a região
antero-inferior. A cápsula articular forma então uma manga fibrosa em redor de toda a
articulação entre a base do labrum e do colo do fémur. Havendo uma pequena reentrância
perilabral entre o lábio e a cápsula, normalmente visualizada com a administração do meio de
contraste. [16]
Nas imagens obtidas pela RM, analisando-as no plano axial, consegue avaliar-se a anormal
morfologia do fémur proximal, confirmando a mesma com a medição do valor do ângulo alfa (α)
numa imagem artrográfica em T1 com supressão de gordura.
Figura 12: Sequência Axial DP FS
(densidade de protões e supressão de
gordura), demonstra através das setas
azuis uma região de conflito na face
anterior da transição cabeça-colo do fémur,
característica do conflito tipo CAM.[16] Este
conflito neste caso acontece e é mais
facilmente detetado devido à existência de
alterações quísticas, identificadas pela seta
amarela. [7]
Figura 13: Medição ângulo alfa, anca não patológica em imagem RM. [17]
Figura 14: Medição ângulo alfa, anca patológica em imagem RM. [17]
Figura 13
Figura 14
14
A medição do ângulo alfa, pode realizar-se iniciando a marcação de uma linha (a) traçada
perpendicularmente ao colo do fémur no seu ponto mais estreito. Seguindo-se uma segunda
linha (b) traçada perpendicularmente a este ponto, que atravessa todo o colo do fémur, sendo
posteriormente desenhado um círculo, de forma, a que se ajuste da melhor forma à cabeça
femoral. O ângulo α é assim calculado, como o ângulo formado entre a linha b e o ponto em
que a cabeça do fémur na região anterior fica saliente para o círculo.
Um ângulo que apresente valores iguais ou superiores a 55 ° é considerado anormal,
fornecendo assim informação em que medida é que a cabeça do fémur se afasta do seu
contorno esférico normal. [18]
A figura 14 é obtida em artro RM também ela no plano axial, paralelo ao colo do fémur em
ponderação T1 com saturação de gordura. Observando-se alteração no contorno da junção da
cabeça-colo do fémur, denunciando possíveis
problemas de impacto femoro-acetabular. O ângulo
medido α é de 78°, visualizando-se uma alteração
também a nível do labrum ântero-superior (seta),
quando comparada com a imagem 12 que apresenta
medições normais.
A figura 15 apresenta uma imagem obtida em Artro RM,
no plano axial com ponderação em T1 com saturação
de gordura, visualizando-se uma compensação anterior
anormal da cabeça do fémur e colo do fémur,
representada pela seta mais curta e uma lágrima labral
tendo uma localização ântero-superior, representada
pela seta mais longa.
Embora a RM padrão seja bastante específica, também esta tem algumas limitações, sendo
estas muitas vezes resolvidas pela Artro RM.
Esta é uma técnica que envolve duas etapas: a primeira realiza uma injeção de contraste intra-
articular sob o controlo de fluoroscopia, seguindo-se a realização da Ressonância Magnética.
[16] O acesso intra-articular da fase anterior à RM, é realizado com o doente em decúbito
dorsal, com o membro inferior em 10 a 15 graus de rotação interna, onde após a aplicação de
uma anestesia local, é inserido sob controlo de fluoroscopia uma agulha de calibre 22, através
da qual é administrado mais ou menos 12 ml de contraste iodado. O local de acesso é
encontrado lateralmente aos vasos femorais e sob o ligamento inguinal. A injeção na região
superior ou média do colo do fémur pode no entanto, provocar alguma dor. Através deste
contraste intra-articular, existe uma separação as estruturas intra-articulares, proporcionando
um contraste interno para delinear o labrum e a cartilagem como entidades distintas. Embora a
morfologia da cabeça do fémur possa ser medida sem contraste intra-articular, a cartilagem
associada e deformidades a nível do labrum são mais difíceis de diagnosticar, sem a utilização
desta técnica. [16]
Figura 15: Conflito femoro- acetabular em imagem RM. [17]
Figura 15
15
2.3 Terapêutica
Nos últimos anos, têm sido desenvolvidas novas técnicas cirúrgicas e ferramentas para
melhorar os resultados obtidos no tratamento conservador da anca. Procedimentos
minimamente evasivos como os utilizados hoje em dia, onde se incluem a laparoscopia e a
artroscopia, reduzem em larga escala a probabilidade de lesão dos tecidos envolventes quando
comparadas com a cirurgia aberta convencional.
Neste tipo de procedimentos verifica-se uma redução significativa do trauma, da perda de
sangue durante a cirurgia, sendo a cicatrização mais rápida e eficaz, conseguindo-se melhores
resultados estéticos e um tempo de recuperação pós-cirúrgico menor, com menores riscos de
complicações secundárias. [19]
Existem assim, diferenças que devem ser tidas em conta quando se opta pela realização de
uma cirurgia aberta ou por uma cirurgia onde se realiza uma técnica laparoscópica ou
artroscópica.
Na cirurgia aberta o cirurgião tem um elevado grau de liberdade e trabalha em sintonia com o
eixo visual. Existe assim nestes casos uma visão direta e tridimensional e o feedback é tátil e
direto.
No segundo caso, existe apenas uma visão laparoscópica com uma visão bidimensional
existindo uma perda de perceção da profundidade, em certa medida. Verifica-se um efeito de
fulcro com realce ao tremor, existindo apenas quatro graus de liberdade, sendo uma das
principais limitações, a visão não estar sob o controlo do cirurgião.
Verifica-se assim que o principal fator relacionado com as capacidades que possam estar
relacionadas com a eficiência do cirurgião é a dissociação entre os eixos visuais e motores.
Outro fator que deve ter sido em conta é que neste tipo de procedimentos o cirurgião apresenta
uma posição praticamente estática durante toda a cirurgia, ergonomicamente falando, podendo
esse facto contribuir para uma menor eficiência. [20]
O desenvolvimento da robótica na área médica combinada com a capacidade de orientação de
imagem médica obtida em fase pré-operatória, tem contribuído para uma evolução no sentido
de aumentar a eficácia dos cirurgiões em cirurgia baseada na artroscopia, como é o caso da
cirurgia corretiva da patologia tipo CAM.
Com base nas imagens obtidas em fase pré-operatória, por exemplo na RM, o cirurgião pode
interagir com essas imagens no plano 3D e realizar uma simulação 2D da cirurgia que irá
posteriormente acontecer, prevendo o resultado pós-operatório. Nos dias de hoje esta
capacidade de realização da cirurgia virtual, em fase anterior à realização da mesma, ainda
está em desenvolvimento e é nesse campo que esta tese está a operar. [21]
2.4 Artroscopia da Anca
A artroscopia da anca representa hoje em dia um procedimento cirúrgico seguro, com baixo
risco de complicações, indicado em indivíduos com sintomas de dor mecânica e dor
persistente. [22]
16
Esta é uma técnica que tem como objetivo restaurar a morfologia da superfície articular normal,
eliminando o conflito existente e restabelecendo o mecanismo articular normal.
O procedimento atual inclui: osteocondropatia da cabeça femoral para restaurar a sua
esfericidade característica e que não está presente neste tipo de patologia. Remoção do
excesso de cobertura do acetábulo para aumentar a mobilidade articular e correção do choque
entre o colo do fémur e o labrum com reparação das suas estruturas.
Neste tipo de procedimentos o planeamento pré-operatório tem uma importância muito
elevada, contemplando uma avaliação da gama de movimentos que o paciente consegue
realizar.
A radiografia antero-posterior fornece informação na maioria dos casos insuficiente em relação
à dimensão real do conflito tipo CAM. Nos casos clínicos que seguem para cirurgia
artroscópica, é importante normalmente ter uma percepção 3D da zona que irá ser
intervencionada, sendo isso possível através da RM.
O exame de Arto-RM é então, como referido anteriormente, realizado de forma a mapear a
região do osso que irá ser extraída.
O acesso e manuseamento do artroscópio é o sistema que envolve uma elevada perícia de
controlo por parte do cirurgião, devido à anatomia da anca ser bastante complexa no que toca:
à alta densidade dos tecidos moles, à proximidade com dois importantes feixes
neurovasculares, à forte cápsula articular que apresenta um pequeno volume intra-articular,
dificultando a introdução de qualquer dispositivo no interior da mesma.
Esta cirurgia exige a navegação em dois compartimentos distintos, denominados por
compartimento central e periférico.
O compartimento central denominado por Dorfman e Boyer (19) foi então definido como
incluindo a fossa acetabular, o ligamento redondo do fémur e a superfície articular da cabeça
do fémur.
Figura 16: Artroscopia da anca. [23]
Figura 16
17
O compartimento periférico é composto pela área da cartilagem femoral, bursas sinoviais e
cápsula articular com os seus ligamentos associados.
A aplicação desta técnica, permite o deslocamento da articulação durante o ato cirúrgico,
conseguindo-se realizar a introdução do artroscópio até à região do compartimento central.
Nesta fase da cirurgia, a cartilagem articular que envolve a superfície da cabeça do fémur é
observada quando o cirurgião executa a rotação interna e externa da anca. A porção da
cápsula articular perto da lesão é então extraída através da utilização de uma lâmina e de um
instrumento de radiofrequência, para expor a deformidade da região antero-superior do fémur.
O tamanho da lesão Cam vai definir a extração da cápsula articular. Ao realizar a artroscopia
do compartimento central é fornecido um espaço intra-articular de forma a visualizar a
deformidade da cabeça do fémur. Após a conclusão da artroscopia do compartimento central,
os instrumentos são retirados e a tração aliviada. [24]
Na artroscopia do compartimento periférico, a anca é posicionada com uma flexão aproximada
de 40 graus, abdução e rotação externa. Este posicionamento permite um relaxamento da
região anterior da cápsula articular, contribuindo para o aumento do espaço intra-articular na
região do colo e cabeça do fémur. [24]
Por fim é utilizado pelo cirurgião uma broca esférica artroscópica com 5,0 milímetros a 6000
revoluções por minuto, para realizar a osteocondroplastia femoral. Durante a remoção do osso
na região da deformação o cirurgião utiliza a fluoroscopia para verificar a quantidade de
extração de osso necessáira a eliminar. [25]
Figura 17: Artroscopia do compartimento central.
18
O sistema de posicionamento do paciente, pode ajudar a otimizar a tração do membro e do
acesso à articulação da anca. Nesta técnica o compartimento periférico é melhor observado
sem tração. [23]
2.5 Contra-indicações para a Artroscopia
A artroscopia da anca é contra-indicada na presença de patologias como a anquilose ou
artrofibrose muito avançada.
Situações que possam comprometer o tecido mole, quer por patologia já existente, trauma ou
alguma cirurgia que tenha sido realizada anteriormente e que possam comprometer a
passagem de instrumentos na articulação da anca. Desta forma o compromisso ósseo, quer da
arquitetura comum ou que tenha sido provocado por alguma situação patológica anterior
podem comprometer a utilização desta técnica, devido às forças de distração necessárias de
aplicar nesta cirurgia.
Outro fator de risco é a obesidade grave que pode comprometer a capacidade dos
instrumentos alcançarem a articulação para realizar a intervenção necessária.[23]
Figura 18: Instrumentos localizadas no compartimento periférico para corrigir a deformidade da cabeça do fémur.
19
2.6 Posicionamento do Paciente
Na artroscopia da anca, o modo de conseguir aceder ao espaço intra-articular durante o
procedimento cirúrgico, pode realizar-se com o paciente em posição de decúbito dorsal ou
decúbito lateral. Normalmente, este depende das preferências do cirurgião.
Nas cirurgias observadas e de onde foram obtido o caso analisado nesta tese, o cirurgião
executou a técnica de artroscopia com o paciente em decúbito dorsal. A mesa utilizada neste
tipo de cirurgia tem de oferecer condições específicas permitindo a colocação de um dispositivo
de posicionamento da anca. Para a posição observada na figura 16, o cirurgião utiliza um
sistema de tração realizado por Smith e Nephew.
Este dispositivo permite a realização de tração da anca, necessário para este tipo de cirurgia.
Quando o paciente é posicionado neste sistema consegue-se realizar o movimento de flexão,
adução e abdução, da anca, permitindo a utilização do sistema de fluoroscopia de braço em C,
fornecendo uma rápida transição entre a flexão e a extensão.
Figura 19: Sistema de posicionamento para artroscopia da anca. [26]
Figura 17
20
21
3. Modelo Estatístico do Fémur (SSM)
3.1 Casos Clínicos
Após aprovação por parte da chefia do Serviço de Imagiologia do Hospital da Luz no
recrutamento de imagens clínicas obtidas em exames de Tomografia Computorizada (TC) e
RM da anca. As imagens foram avaliadas quanto à sua qualidade, ou seja se o cliente foi ou
não cooperante durante o exame obtendo um resultado favorável para diagnóstico. Foi ainda
analisado o relatório que acompanhava o exame recrutado, confirmando assim a presença e
local da patologia em estudo.
Para os casos saudáveis, os casos foram obtidos através de exames de TC dos membros
inferiores, onde a patologia em estudo dizia respeito a um estudo vascular e não a patologia
óssea. Sendo assim e não se documentando nenhum achado no relatório desses exames, os
fémures presentes serão considerados não patológicos por esta tese.
3.2 Característica da Amostra
Os casos clínicos utilizados como base de dados para testar e validar os algoritmos propostos
e apresentados nos próximos capítulos, são apresentados na tabela 1. O banco de dados
utilizado consiste num total de 24 fémures capturados através da valência de tomografia
computorizada. Os indivíduos incluídos neste estudo variam numa média de idade entre os 23
e 84 anos.
A tabela 1 apresenta a base de dados utilizada, referenciando o fabricante do equipamento de
TC utilizado em cada indivíduo. Dependendo da origem do exame, do sexo e idade, é criada
uma identificação única para cada indivíduo. A primeira variável ID diz respeito à origem da TC
em que L corresponde ao Hospital da Luz, em Lisboa, O representa os exames pertencentes
ao repositório da Osirix DICOM.
As restantes variáveis dizem respeito ao sexo do indivíduo, onde M representa masculino e F
significa feminino, o equipamento utilizado em cada caso, referenciando o modelo e fornecendo
assim os cortes de aquisição.
Embora o fabricante e o respetivo modelo para o paciente OM63, não seja conhecido, visto que
os dados são provenientes do mesmo repositório Osirix a tecnologia multicorte é pelo menos
16 cortes. [28]
22
Tabela 1
ID Sexo Idade Origem Equipamento Modelo Cortes Voxel
LF59 F 59 Luz Siemens Somaton
Definition
64 (0.68,
0.68, 1.0)
LF79 F 76 Luz Siemens Somaton
Definition
64 (0.71,
0.71, 1.0)
LM49 M 49 Luz Siemens Somaton
Definition
64 (0.88,
0.88, 1.0)
LM51 M 51 Luz Siemens Somaton
Definition
64 (0.72,
0.72, 1.0)
LM57 M 57 Luz Siemens Somaton
Definition
64 (0.80,
0.80, 1.0)
LM58 M 58 Luz Siemens Somaton
Definition
64 (0.78,
0.78, 1.0)
LM65 M 65 Luz Siemens Somaton
Definition
64 (0.74,
0.74, 1.0)
OF34 F 34 Osirix Siemens Sensation16 16 (0.98,
0.98, 1.5)
OF84 F 84 Osirix Siemens Sensation64 64 (0.58,
0.58, 1.0)
OM43 M 43 Osirix Siemens Sensation16 16 (0.74,
0.74, 1.0)
OM63 M 63 Osirix Unknown Unknown (0.83,
0.83, 1.4)
OM68 M 68 Osirix Siemens Sensation64 64 (0.96,
0.96, 0.8)
O caso clínico de RM, utilizado para validar o modelo criado por esta tese dizem respeito a um
indivíduo do sexo masculino tendo sido as imagens obtidas num equipamento 3 Tesla modelo
Verio do Hospital da Luz. A tabela 2 apresenta os dados mais pormenorizados deste indivíduo.
Tabela 2
ID Sexo Idade Origem Equipamento Modelo
LM M 39 Luz Siemens Verio
23
3.3 Protocolo realizado na RM Coxo-Femoral
O protocolo utilizado na aquisição das imagens dos exames utilizados neste estudo foi o
apresentado abaixo:
- T1_tse_axial;
-dp-tse-cor-p2-fs (paralelo ao colo do fémur);
-dp_tse_sag_colo_fs (perpendicular ao colo do fémur);
-dp_tse_sag_acetabulo_fs;
-dp_tse-cor;
-dp_tse_tra_fs_fov100_2,5mm;
-T2_star_radial_24_4mm_TR1000;
-Dp-radial_fs;
-T2_tse_tra_fs_bilateral;
3.4 Segmentação do fémur em exames de TC e RM
No desenvolvimento da aplicação de otimização, para o planeamento pré-cirúrgico da anca,
existiu a necessidade de recriar os modelos 2D dos fémures saudáveis, tendo como meio de
partida as imagens clínicas presentes nos exames de Tomografia Computorizada (TC).
A tomografia computadorizada (TC) é, na verdade, a modalidade de imagem de predileção
para a cirurgia ortopédica, onde conhecer o modelo 3D do osso a ser intervencionado é
fundamental. Esta modalidade adquire imagens de raios-x numa secção transversal (lado
esquerdo da Figura 19) a partir do volume da região de interesse, que são, em seguida,
somados a fim de se obter uma imagem em 3D do osso (meio da Figura 20). [28]
24
Figura 20: Imagens obtidas pela Tomografia Computorizada. [28]
Muitas abordagens diferentes têm sido propostas pela comunidade científica, a fim de obter
uma segmentação válida do fémur. Esta é uma tarefa difícil para a segmentação semi
automática e automática, devido à distribuição da densidade mineral alta não homogénea ao
longo de todo o osso e às regiões de oclusão existentes, como a articulação da cabeça do
fémur com o acetábulo, assim como as regiões corticais de pequenas dimensões na região
central do fémur. [28]
Assim, a primeira ferramenta utilizada nesta tese diz respeito à interface de software já
existente e testado através do desenvolvimento de uma tese de doutoramento defendida no
IST, que permite uma segmentação automática do fémur através de imagens de tomografia
computorizada.[28]
Através deste software, conseguiu-se de uma forma muito eficaz obter um modelo 3D dos
fémur saudáveis que iriam ser utilizados e que serviriam de base para criação de um modelo
estatístico da geometria do fémur (SSM).
A segunda ferramenta utilizada diz respeito a um software idêntico ao primeiro, no entanto
utilizando imagens adquiridas em exames de Ressonância Magnética (sequências radiais),
permitindo apenas uma segmentação manual.
Com base no caso selecionado, foi realizada uma segmentação manual, definindo as regiões
de limite ósseo do fémur através da marcação de ROI. Através deste software, o utilizador
consegue posicionar os pontos de controlo ao longo da imagem que são interpolados com o
objetivo de apresentar um contorno suave sobre os limites do fémur. Depois de posicionar
todos os pontos, o utilizador clica perto do primeiro que marcou de forma a finalizar o contorno,
Figura 18
25
podendo posteriormente reajustar algum dos pontos que não tenham ficado no local
pretendido. [29]
3.5 Tratamento base dados em exames de exames de TC
Tendo como ponto de partida as imagens de TC dos 12 pacientes, segmentadas
automaticamente. Foi definido um corte 2D em plano coronal para cada fémur sendo cada um
deles constituído por 130 pontos, tendo-se iniciado o tratamento dos dados através do seu
processamento em MATLAB.
O tratamento destes dados tem como ponto de partida a soma de todos os pontos, dos 12
fémures existentes, de forma, a que se realize o cálculo da média e se obtenha um fémur
médio Xm.
Com base nesse valor e no cálculo da covariância irá ser possível avançar para a análise de
componentes principais (pca). [29]
A análise de componentes principais é uma técnica da estatística multivariada que consiste em
transformar um conjunto de variáveis originais num outro conjunto de variáveis com a mesma
dimensão denominadas de componentes principais. Estes componentes principais apresentam
propriedades importantes, onde cada componente principal é uma combinação linear de todas
as variáveis originais, são independentes entre si, estimados com o propósito de reter, em
ordem de estimação, o máximo de informação, em termos da variação total contida nos dados
(pca). [30]
A ideia principal desta análise está associada com a redução de massa de dados, com menor
perda possível da informação. Realiza-se uma transformação em que o primeiro componente
principal tem a maior variância possível sendo ele responsável pelo máximo de variabilidade
dos dados e os componentes seguintes têm a máxima variância sob a restrição de serem
ortogonais.
Para realizar esta análise é necessário o cálculo da média dos dados como foi referido acima,
de seguida subtrair a média a todos os itens de dados e por último calcular a matriz de
covariância usando todas as subtrações. Ela é o resultado da média do produto de cada
subtração por ela mesma e terá a dimensão nxn.
Com estes resultados temos a possibilidade de avançar para o cálculo dos auto vetores e auto
valores da matriz de covariância, acabando por ser eles que correspondem à variação que
cada componente principal realiza.
(equação 1)
(equação 2)
26
Os vetores ortogonais coluna da matriz U (equação3), correspondem aos vetores próprios que
têm influência na variação de forma do fémur médio, enquanto a matriz diagonal D armazena
os valores próprios correspondentes, que representam as amplitudes das variações de forma.
Estes são ainda ordenados de acordo com a percentagem da variação total, utilizando-se
apenas os que têm maior influência, normalmente os primeiros 3 a 5 valores próprios, que
representam um subconjunto e é escolhido de modo a preservar um mínimo de 95% do
total.[29]
Qualquer nova forma de s, em seguida, pode ser decomposto em termos de os valores
próprios usando a equação 5 e novas formas podem ser gerados através da variação do
parâmetro vetor b na equação 4.
O modelo SSM é assim obtido com base na análise de componentes principais (PCA), onde ao
modelo de fémur médio se soma os valores próprios que representam pequenas alterações ao
fémur médio, alcançando assim o fémur de referência/modelo estatístico geométrico a ser
utilizado (SSM). [29]
(equação 3)
(equação 4)
(equação 5)
27
-50 0 50 100
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Modelo SSM vs fémur saudavel de outro banco de dados
Femur Bom
Modelo SSM
4. Resultados
4.1 Validação do modelo estatístico do fémur
Tendo por base o modelo médio do fémur e avaliando os valores próprios que o influenciam,
verifica-se que apenas os primeiros 5 valores apresentam influência na sua variação de forma.
Analisando a variável latent obtêm-se os seguintes resultados:
latent =1.0e+06 *Tabela3
Segundo os resultados apresentados, pode concluir-se que os primeiros três valores próprios,
têm influência significativa na variação de forma de s, estando ordenados de forma
decrescente.
De seguida, são demonstradas as opções de construção do modelo estatístico a utilizar, caso
se aplique a influência de 2,3,4 ou 5 valores próprios na sua construção.
2 valores próprios:
Valor de f: 670,6418
f= fmin_teste_pca(x,Xref,Xm,q1,l1,q2,l2)
f = sum((Xref-X).^2);
2.1884
0.1446
0.0369
0.0291
0.0035
0.0008
0.0002
0.0001
Figura 21: Modelo SSM com utilização 2 valores próprios.
Figura 19
28
-50 0 50 100
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Modelo SSM vs fémur saudavel de outro banco de dados
Femur Bom
Modelo SSM
3 valores próprios:
Valor de f: 347,1190
f= fmin_teste_pca(x,Xref,Xm,q1,l1,q2,l2,q3,l3)
f = sum((Xref-X).^2);
4 valores próprios:
Valor de f: 305,6505
f= fmin_teste_pca(x,Xref,Xm,q1,l1,q2,l2,q3,l3,q4,l4)
f = sum((Xref-X).^2);
Figura 22: Modelo SSM com utilização 3 valores próprios.
Figura 23: Modelo SSM com utilização 4 valores próprios.
Figura 20
-50 0 50 100
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Modelo SSM vs fémur saudavel de outro banco de dados
Femur Bom
Modelo SSM
29
-50 0 50 100
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Modelo SSM vs fémur saudavel de outro banco de dados
Femur Bom
Modelo SSM
5 valores próprios:
Valor de f: 300,9866
f= fmin_teste_pca(x,Xref,Xm,q1,l1,q2,l2,q3,l3,q4,l4,q5,l5)
f = sum((Xref-X).^2);
No estudo apresentado acima, o modelo de validação utilizado (Femur Bom), é referente a um
fémur esquerdo posteriormente invertido, que não foi incluído na base de dados para criação
do modelo estatístico (SSM). Desta forma, o modelo de validação apresentará um grau de
diferenciação superior e irá conseguir determinar com maior fiabilidade a capacidade de ajuste
do modelo estatístico desenvolvido.
Ao avaliar os dados apresentados, pode concluir-se, que caso se opte pela utilização de 2
valores próprios para criação do modelo estatístico SSM, esta não apresenta resultados
satisfatórios, pois se tivermos como base dois pontos localizados na mesma região do fémur,
um no modelo de validação e outro no modelo estatístico, verifica-se que a distância entre
esses dois pontos, não diminui consideravelmente não havendo um ajuste significativo do
modelo criado ao modelo de validação.
No entanto, quando se realiza o mesmo exercício para a utilização de 3 valores próprios na
criação do modelo SSM, esta distância diminui consideravelmente passando o resultado da
função f de 670,6418 para 347,1190.
No que diz respeito à decisão de utilizar 3, 4 ou 5 valores próprios, esta já requer uma análise
mais cuidada, pois apesar de em qualquer uma das passagens, a distância entre os pontos do
fémur utilizado para validar o modelo e os pontos do modelo estatístico ir decrescendo, o ajuste
especialmente na utilização de 4 valores próprios para 5 não é muito significativa, passando a
função f de 305,6505 para 300,9866. Neste caso verifica-se que não existe vantagem em
introduzir estes valores próprios no modelo, pois leva a um processamento mais demorado
para o programa e o resultado final não melhora significativamente.
Figura 24: Modelo SSM com utilização 5 valores próprios.
Figura 21
30
-50 0 50 100
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Modelo Optimizado para femur patologico
Femur Patologico
Modelo Optimizado
regiao a ser operada
Através desta análise conclui-se que para construir o modelo estatístico do fémur pode utilizar-
se 3 valores próprios ou no máximo 4, visto que este quando validado por um fémur não
patológico obtém um resultado positivo.
4.2 Modelo estatístico do fémur vs fémur patológico
Após validação do modelo SSM como modelo estatístico do fémur, pretende-se agora validar a
sua utilização na identificação de patologia existente em fémures não saudáveis.
No caso apresentado abaixo e de forma a verificar se o modelo estatístico desenvolvido
funcionava, foi realizada uma análise de um fémur com patologia manipulada, servindo este
como caso de estudo.
O método de validação do modelo SSM utilizado para identificação da patologia existente, foi
baseado no mesmo princípio apresentado acima, realizando-se uma análise idêntica à
apresentada no capítulo 8.3.
Assim, observando a figura 25 apresentada abaixo verifica-se que a utilização de 2 valores
próprios mais uma vez, não se apresenta suficiente, pois o ajuste do modelo estatístico com o
modelo patológico não é satisfatório para determinar com a melhor exatidão a região patológica
existente.
2 valores próprios:
Figura 25: Modelo SSM com utilização 2 valores próprios.
Figura 22
31
-50 0 50 100
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Modelo Optimizado para femur patologico
Femur Patologico
Modelo Optimizado
regiao a ser operada
-50 0 50 100
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Modelo Optimizado para femur patologico
Femur Patologico
Modelo Optimizado
regiao a ser operada
3 valores próprios:
4 valores próprios:
Figura 26: Modelo SSM com utilização 3 valores próprios.
Figura 27: Modelo SSM com utilização 4 valores próprios.
Figura 23
Figura 24
32
-50 0 50 100
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120Modelo Optimizado para femur patologico
Femur Patologico
Modelo Optimizado
regiao a ser operada
5 valores próprios:
Com os dados apresentados verifica-se que ao realizar a aplicabilidade do modelo SSM
desenvolvido, para determinar patologia num fémur não saudável, ao contrário do que se
passava no caso não patológico, a utilização de 3 valores próprios, não se verifica suficiente.
Nesta análise existiu a necessidade de utilização de pelo menos 5 valores próprios para
criação do modelo SSM onde o ajuste ao modelo patológico é mais específico. Visto que o
objetivo é determinar a alteração patológica, caso ela exista e qual a sua dimensão, para que
posteriormente possa ser submetida a intervenção cirúrgica. Esse objetivo para ser atingido é
necessário um modelo com maior precisão.
4.3 Validação do modelo SSM com caso real
Para que a ferramenta desenvolvida seja considerada uma mais-valia no planeamento da
cirurgia conservadora da anca, foi elaborada uma análise da sua utilização num caso
patológico real, verificando a sua utilidade.
O caso clínico em questão, baseia-se em imagens de RM antes e após a realização da
intervenção cirúrgica. Desta forma, é possível verificar se o planeamento quantitativo realizado
pelo nosso modelo se sobrepõe ao pós cirúrgico, podendo assim concluir se que esta reúne as
condições para se tornar uma possível mais-valia.
Uma vez que a segmentação das imagens obtidas na RM é efetuada manualmente e não de
forma automática, existiu a necessidade de se utilizar um corte axial em vez de um corte
coronal do fémur demonstrando igualmente o local da patologia em estudo.
Foram utilizados os 12 fémures esquerdos existentes na base de dados para formar a curva
base SSM.
Figura 28: Modelo SSM com utilização 5 valores próprios.
Figura 25
33
150 200 250 300 350 400
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
São determinadas todas as distâncias entre os vários pontos existentes e definidas quatro
regiões (quadrantes) centrais do fémur. Cada quadrante terá de apresentar o mesmo número
de pontos entre si de tal forma que essa representação seja idêntica em todos os casos em
estudo.
Para que isso aconteça, o conjunto de pontos disponíveis em cada fémur, vão ser classificados
e analisados, realizando-se uma interpolação dos mesmos. Posteriormente realiza-se um
controlo direto sobre o número de pontos que irá existir em cada quadrante estando estes
linearmente espaçados.
4.4 Validação final com caso real
Para realizar a validação final com um caso clínico real, foi desenvolvido o modelo estatístico
do fémur SSM, da forma idêntica ao desenvolvido no plano coronal, tendo sido todo esse
processo explicado no capítulo 8.3.
Após se obter uma curva média com base nos casos clínicos da base de dados utilizada (figura
30), o modelo SSM vai ser desenvolvido novamente com recurso aos valores próprios que o
influenciam. Com base no teste realizado no capítulo 8.4, concluiu-se que em casos
patológicos, o modelo considerado ótimo a ser utilizado, será com a influência de 5 valores
próprios, tendo sido esse o modelo desenvolvido para identificar a patologia existente.
Figura 29: Modelo fémur
Figura 26
Figura 27
34
-100 -50 0 50 100 150
-50
0
50
100
Base dados Femur + Femur medio
-50 0 50 100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
Femur optimizado para Cirurgia
Antes Cirurgia
Femur Optimizado
Regiao a ser operada
Após o desenvolvimento do modelo SSM, realizou-se a comparação do mesmo com o caso
clínico real e patológico, de forma a verificar se o mesmo identificava a região a ser
intervencionada. De realçar, que a região da cabeça e colo do fémur foi a segmentada com
maior pormenor visto ser nessa zona que normalmente se situa a patologia.
Pode verificar-se que toda a região de interesse se sobrepõe quase na perfeição com o modelo
SSM à exceção da região patológica, sendo esta a zona a ser removida em cirurgia (figura 31).
Figura 30: Contorno médio de um fémur não patológico.
Figura 31: Modelo SSM vs modelo patológico fémur.
Figura 28
35
-50 0 50 100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
Resultado apos cirurgia VS Femur optimizado
Apos cirurgia
Femur optimizado
Visto este caso clínico se basear em imagens de RM após a intervenção cirúrgica, voltou a
segmentar-se o corte axial do fémur já intervencionado, de forma a validar o planeamento
cirúrgico sugerido pelo modelo desenvolvido.
Através da figura 32 verifica-se que a cirurgia correspondeu com o planeamento efetuado pela
ferramenta desenvolvida podendo assim esta ser considerada uma mais valia neste tipo de
patologias.
Figura 32: Validação após cirurgia do planeamento pré-cirúrgico realizado pelo modelo SSM desenvolvido.
Figura 29
36
37
5. Conclusões finais
A tese desenvolvida tinha como propósito inicial desenvolver uma ferramenta que servisse de
auxiliar a todos os procedimentos cirúrgicos realizados à articulação da anca com o tipo de
patologia tipo CAM. Visto hoje em dia, esta patologia ser intervencionada maioritariamente com
recurso à utilização da artróscópia e esta ser de complexidade elevada e operador dependente.
Existe a necessidade de desenvolvimento de uma ferramenta que estabelecesse uma análise
quantitativa da problemática. Assim, será possível determinar em fase pré-cirurgica a
localização e extensão da lesão.
Com o recurso a essa ferramenta o cirurgião terá a hipótese de definir em fase anterior à
cirurgia, qual será a sua melhor abordagem para levar à remoção óssea, apenas numa
determinada zona, identificada pela ferramenta desenvolvida.
Com a passagem desta informação para a robótica, o objectivo será a criação de graus de
liberdade limitados que possibilitem a cirurgiões com menos experiência a remoção óssea
apenas na região definida pela ferramenta. Será ainda possivel, visto a análise ser quantitativa
determinar a quantidade de osso a remover para que não seja retirado nem mais nem menos,
dependendo essa decisão de cirurgião para cirurgião.
O objectivo será com este desenvolvimento de investigação e robótica levar a procedimentos
cada vez mais optimizados e uniformizados, de forma a que os resultados finais sejam cada
vez mias positivos e satisfatórios para pacientes com este tipo de patologia.
Esta tese iniciou esta investigação com o desenvolvendo da ferramenta descrita numa
avaliação 2D, pois extistem ainda muitos cirurgiões a ter preferência pela avaliação da
estrutura em estudo apenas com recurso ao plano biplanar, sendo por vezes mais fácil para a
sua orientação.
Como limitações desta investigação pode identificar-se o facto da base de dados utilizada
necessitar de imagens diagnósticas de fémures não patológicos, tendo as mesmas de ser
obtidas através de pacientes que estejam a realizar exames a essa região anatómica, mas em
que a causa da patologia não seja óssea.
Posteriormente, para validar a ferramenta desenvolvida em casos reais essa validação foi
realizada apenas num caso real visto serem poucos os pacientes que realizam RM antes e
após a intervenção cirúrgica.
No entanto, pode concluir-se que esta é uma área de desenvolvimento em crescimento e que
tem uma elevada importancia numa sociedade em que práticamente todos os individuos jovens
praticam desporto devido ao aumento do pensamento do “culto do corpo” e serem estes um
dos grupos de risco desta patologia.
38
5.1 Trabalhos Futuros
Sugerem-se assim como trabalhos futuros e que enrriqueçam esta investigação o
desenvolvimento desta ferramenta mas num plano triplanar, de forma a que a avaliação da
localização e extensão desta patologia seja mais especifica e precisa.
Outro contributo importante está relacionado com o aumento da base de dados utilizada de
forma a desenvolver o modelo estatístico, que seja cada vez mais sensivel, determinando
assim patologias de estádio inical com maior sensibilidade.
39
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