anÁlise do hipocampo em imagens de rm

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CLUDIO VINCIUS DE CARVALHO

ANLISE DO HIPOCAMPO EM IMAGENS DE RESSONNCIA MAGNTICA USANDO TRANSFORMADAS DE DISTNCIA

LAVRAS - MG 2010

CLUDIO VINCIUS DE CARVALHO

ANLISE DO HIPOCAMPO EM IMAGENS DE RESSONNCIA MAGNTICA USANDO TRANSFORMADAS DE DISTNCIA

Monografia de concluso de curso apresentada ao Departamento de Cincia da Computao da Universidade Federal de Lavras como parte das exigncias do curso de Bacharelado em Cincia da Computao, para a obteno do ttulo de Bacharel em Cincia da Computao.

Orientadora Prof. Ana Paula Piovesan Melchiori Co-Orientador Prof. Andr Vital Sade

LAVRAS MINAS GERAIS BRASIL 2010

CLUDIO VINCIUS DE CARVALHO

ANLISE DO HIPOCAMPO EM IMAGENS DE RESSONNCIA MAGNTICA USANDO TRANSFORMADAS DE DISTNCIA

Monografia de concluso de curso apresentada ao Departamento de Cincia da Computao da Universidade Federal de Lavras como parte das exigncias do curso de Bacharelado em Cincia da Computao, para a obteno do ttulo de Bacharel em Cincia da Computao

APROVADA em ___ de __________ de ______.

Prof. Bruno de Oliveira Schneider Prof. Ricardo Martins Abreu

(UFLA) (UFLA)

Prof. Ana Paula Piovesan Melchiori Orientadora Prof. Andr Vital Sade Co-Orientador

LAVRAS MINAS GERAIS - BRASIL

Dedico este trabalho a meus pais, Cludio e Eliane pelo apoio contnuo e por serem meu maior exemplo. A meu av Carlos, e minhas avs Valdete e Vilma. Aos meus irmos, Rassa e Yuri, aos primos, tios e amigos. Aos colegas da turma 2007/01 e s qualidades de cada um que serviram para tornar-me uma pessoa melhor. Em especial a Karoline, pelo carinho, conselhos valiosos e apoio incondicional durante todos estes anos.

AGRADECIMENTOS

professora Ana Paula Piovesan pela oportunidade de desenvolver este trabalho e pelas orientaes dadas. Ao professor Andr Sade pelos conhecimentos transmitidos na disciplina de Viso Computacional e por me dar a chance de desenvolver este trabalho. Aos colegas Alfredo Jos e Henrique Saab que participaram paralelamente do desenvolvimento deste trabalho dando contribuies e sugestes. Aos colegas de turma pelo incentivo e crticas construtivas respeito deste texto. pesquisadora Clarissa Yasuda do Laboratrio de Neuroimagem da Faculdade de Medicina da Universidade Estadual de Campinas por fornecer as amostras de hipocampos sem as quais este trabalho no seria possvel.

RESUMO

O uso de Imagens de Ressonncia Magntica em estudos clnicos e diagnstico de alteraes no corpo humano hoje comum, mas, em muitos casos, a anlise dos dados ainda demanda profissionais experientes e tempo elevado. Em especial, anomalias em uma estrutura cerebral chamada Hipocampo atraem a ateno de clnicos por estarem relacionadas ao aparecimento de vrias doenas degenerativas. Este trabalho apresenta uma tcnica baseada em Transformadas de Distncia para anlise de dados tri-dimensionais provenientes de ressonncia magntica que possa fornecer informaes e comparaes entre amostras desta importante estrutura e auxiliar na agilizao de diagnsticos. Palavras-chave: Anlise do hipocampo, Transformada de Distncia

ABSTRACTThe Magnetic Ressonance Images usage in clinical studies and diagnosis of changes in the human body is common nowadays, but the data analysis is often expensive and can require experts. In special, anomalies in a structure called Hippocampus attract the atention of doctors as they are related to the appearing of several neurodegenerative diseases. This paper purposes a Distance Transform-based technique for tri-dimensional analysis of the data coming from magnetic ressonance that can provide informations and comparison among samples of this important strucuture and help to speed the diagnosis. Keywords: Hippocampus analysis, Distance Transform

SUMRIO

1 2

Introduo ............................................................................................... 13 Referencial Terico ................................................................................. 15 2.1 2.2 2.3 Obteno de Imagens de Ressonncia Magntica ............................ 15 O Hipocampo ................................................................................... 16 Segmentao ................................................................................... 17 Thresholding ............................................................................ 19 Crescimento de Regies ........................................................... 19 Modelos Deformveis .............................................................. 19 Problemas na aquisio de Imagens de Ressonncia Magntica....... 22 Transformadas de distncia ............................................................. 23 Anlise de Forma ............................................................................. 27 Morfometria ............................................................................. 27 Esqueletos, eixos e superfcies mediais ..................................... 32 Descritores SPHARM .............................................................. 36 Wavelets .................................................................................. 37

2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.4 2.5 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.7 3

Softwares disponveis ...................................................................... 38

Metodologia ............................................................................................ 40 3.1 3.2 Obteno de amostras de Hipocampos Segmentados ...................... 41 Pr-processamento.......................................................................... 43

3.3 4 5 6 7

Desenvolvimento do Software ......................................................... 44

Resultados ............................................................................................... 48 Discusso dos resultados ......................................................................... 51 Concluso ............................................................................................... 53 Referncias Bibliogrficas ....................................................................... 54

Glossrio......................................................................................................... 58 8 9 10 11 APNDICE A VOLUME DAS AMOSTRAS....................................... 59 APNDICE B OUTROS RESULTADOS OBTIDOS ........................... 60 APNDICE C OUTRAS FORMAS DE VISUALIZAO .............. 64 APNDICE D SEQUNCIA DE COMANDOS ............................... 66

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1: LOCALIZAO DO HIPOCAMPO EM IMAGENS DE RESSONNCIA MAGNTICA:A - CORTE CORONAL, B - CORTE SAGITAL, C - CORTE TRANSVERSAL, D - HIPOCAMPO DIREITO DESTACADO E AMPLIADO EXTRADO DA IMAGEM B ........16 FIGURA 2: COMPARAO ENTRE ALGUNS MTODOS DE SEGMENTAO: A - IMAGEM ORIGINAL DE UM HIPOCAMPO; B - HIPOCAMPO SEGMENTADO MANUALMENTE; C - THRESHOLDING DE (A); D - HISTOGRAMA DE (A) COM LIMIAR INDICADO; E SEGMENTAO POR CRESCIMENTO DE REGIES; F WATERSHED APLICADO SOBRE O GRADIENTE DE (A) COM SEGMENTAO MANUAL SOBREPOSTA. .........20 FIGURA 3: ILUSTRAO DE EFEITO DE VOLUME PARCIAL. ESQUERDA, A IMAGEM IDEAL; AO LADO, A IMAGEM OBTIDA. RETIRADO DE PHAM ET AL. (2000) ............22 FIGURA 4: OBJETO (PRETO) EM UMA MATRIZ DE PIXELS. DIREITA, PRIMEIRO PASSO DA TRANSFORMADA DE DISTNCIA DO FUNDO EM RELAO AO OBJETO. ..........24 FIGURA 5: PASSOS SEGUINTES DA TRANSFORMADA DE DISTNCIA. DIREITA, RESULTADO DA TRANSFORMADA, CONVERTIDA EM NVEI DE CINZA. ..................24 FIGURA 6: OBJETO ORIGINAL(A); TRANSFORMADA DE DISTNCIA APLICADA EM (A) COM MTRICA EUCLIDEANA DO OBJETO EM RELAO AO FUNDO. RETIRADO DE FISHER ET AL.(2003). ...............................................................................................26 FIGURA 7: CONECTIVIDADE DE VOXELS. RETIRADO DE PEIXOTO E CARVALHO (2000B).26 FIGURA 8: IMAGEM RETIRADA DE SCORZIN ET. AL. (2008) MOSTRANDO UMA FATIA DE UM HIPOCAMPO SEGMENTADO. O RESULTADO OBTIDO DO VETOR AZUL, REFERENTE AO SLICE COUNTING METHOD, SER MENOR QUE O OBTIDO PELO VETOR VERMELHO, QUE INDICA O VECTOR METHOD. ISTO PORQUE OS VETORES DO VECTOR METHOD SEGUEM O FORMATO CURVADO DO HIPOCAMPO E TENDEM A SER CLARAMENTE MAIORES .................................................................28 FIGURA 9: EXEMPLOS DE MBD E MBT. NA FIGURA DA ESQUERDA (MBD), AS SETAS INDICAM O DESLOCAMENTO ABSOLUTO APS FEITAS AS NORMALIZAES.

DIREITA (MBT) COMO O MESMO CRCULO FICARIA EM DIFERENTES LUGARES DO CREBRO APS O MESMO PROCESSO. RETIRADO DE ASHBURNER E FRISTON (2000). .....................................................................................................................30 FIGURA 10: (A)OBJETO ORIGINAL; (B)ESQUELETO DE (A); (C)EIXO MEDIAL DE (A). FONTE: FISHER ET AL. (2003). .................................................................................34 FIGURA 11: AMOSTRA DE HIPOCAMPO A UTILIZADA PARA DESENVOLVIMENTO, RENDERIZADA COM O SOFTWARE DISPLAY. VISTA SUPERIOR (ACIMA) E LATERAIS(ABAIXO). .................................................................................................42 FIGURA 12: EXTRAO DAS DIFERENAS. (A) FATIA DA AMOSTRA; (B) FATIA EQUIVALENTE DO PADRO; (C) DISTNCIAS DO FUNDO PARA A AMOSTRA; (D) DISTNCIAS DO FUNDO PARA O PADRO; (E) INTERSEO ENTRE (A) E (C); (F) INTERSEO ENTRE (B) E (D); (G) UNIO DE (E) E (F) .............................................46 FIGURA 13: (A) OBJETO DE AMOSTRA; (B) OBJETO DE REFERNCIA; (C) SOBREPOSIO DOS DOIS OBJETOS E REA QUE SER ELIMINADA EM DESTAQUE; (D) RESULTADO FINAL. ......................................................................................................................47 FIGURA 14: RESULTADOS OBTIDOS PARA AMOSTRA A1, RENDERIZADOS COM SOMBREAMENTO GOURAUD .................................................................................48 FIGURA 15: RESULTADOS OBTIDOS PARA AMOSTRA D, RENDERIZAD