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Modelagem Computacional das Doenças Intersticiais Pulmonares
Leandro Alves Neves Annie France Frère Slaets
Augusto V. Nascimento Márcio A. Marques Marcelo Z. Nascimento
Escola de Engenharia de São Carlos - USP
Universidade Estadual Paulista–Sorocaba/Iperó
UMC Universidade de Mogi das Cruzes
Modelar estruturas anatômicas:
O Tórax e o Pulmão
Simular essas estruturas anatômicas expostas aos raios X com diversas técnicas.
Algoritmo Computacional
Objetivos
Padrões das Doenças intersticiais Pulmonares
Estudar a influência tanto das diversas estruturas anatômicas, quanto dos parâmetros radiológicos, sobre o desempenho dos
sistemas de auxílio ao diagnóstico de patologias pulmonares (SAD).
Justificativas
A radiografia do tórax um dos primeiros procedimentos adotados pelos médicos para o diagnóstico de enfermidades pulmonares;O grupo das Doenças Intersticiais Pulmonares (DIPs) é composto por aproximadamente 180 patologias;
apresentam características clínicas, radiológicas e funcionais semelhantes dificuldades para chegar a um diagnóstico preciso e confiável;
potencializadas pela presença da caixa torácica nas imagens radiológicas, que muitas vezes oculta a visualização das estruturas pulmonares;
Representação dos padrões retículo-nodular e o nodular porque a maioria dos pacientes com uma DIP apresenta um desses na radiografia de tórax.
Metodologia
Modelo Anatômico Adotado (Estruturas Torácicas)
Disposição do esterno, vértebras torácicas, arcos costais, escápulas, clavículas e diafragma. (SOBOTTA (1993)).
Metodologia
Determinação das Estruturas Torácicas
Desenvolvemos um algoritmo baseado em pontos de controle, dispostos de tal maneira, que interpolados através de uma função B-Splines, fornecem formas geométricas próximas às das estruturas reais.
,0
tNptP ki
m
ii
onde, p0, p1,..., pn são pontos de controle; m - número de pontos do
polígono de controle; k – grau da B-spline que se quer usar.
As funções base Nik são definidas pela forma recursiva de COX (1971)
e de BOOR (1972).
Metodologia
Determinação das Estruturas Torácicas
Metodologia
Modelo Anatômico Adotado (Estruturas Pulmonares)
Distribuição da árvore brônquica segundo WOLF-HEIDEGGER (1996).
Diâmetros calculamos através das equações propostas por KITAOKA et al. (1999:
determinam as dimensões e direções dos ramos quantificando a distribuição de fluído dos ramos pais para os ramos filhos.
Metodologia
Modelo Anatômico (Estruturas Pulmonares)
Ramificações
)1(/1
02 rddn
rdd n/101
n fluxo em questão;Onde
r valor de divisão de fluxo valor aleatório entre 0 e 0,5.
d0 diâmetro do ramo pai;
d1 e d2 diâmetros dos ramos filhos;
Utilizamos n igual a 3 para vias aéreas (NELSON & MANCHESTER (1988)).
Ângulos
o ângulo de bifurcação é o valor necessário para obter a maior distância entre o término do ramo e a borda do pulmão.
Metodologia
Comprimentos proporcionais aos diâmetros e as regiões disponíveis para o crescimento;
Bronquíolos terminais
Bronquíolos respiratórios
ramos com diâmetros menores ou iguais a 0,7 mm e maiores que 0,45 mm. HORSFIELD et al. (1971);
ramos com diâmetros menores ou iguais a 0,45 mm e maiores que 0,2 mm. HORSFIELD et al. (1971);
Limiares valores que determinam até quais diâmetros os ramos são representados.
Metodologia
representamos as estruturas por elementos geométricos;
os elementos geométricos são construídos pela sobreposição de camadas.
Metodologia
Metodologia
Padrões Intersticiais
Retículo-Nodular Produzido pela substituição da arquitetura pulmonar normal por pequenos espaços com formas geométricas hexagonais;
Nodular caracterizado na radiografia pela presença de densidades arredondadas de diferentes tamanhos, com aparência de superposição.
Processo inflamatório representado pelo espessamento dos bronquíolos respiratórios obtido multiplicando o valor do diâmetro de cada bronquíolo respiratório por um coeficiente de aumento, que definimos como 2,5.
Configurações Gerais
Metodologia
Configurações para o Padrão Retículo-Nodular
hexágonos denominados retículos esferas denominados nódulos sobrepostos aos bronquíolos envolvidos no processo inflamatório;
as paredes dos retículos são representadas por cilindros com diâmetros obtidos randomicamente, respeitando um intervalo de 0,5 a 1,5 mm;
os comprimentos dos retículos correspondem às regiões ocupados pelos bronquíolos respiratórios incluídos no processo inflamatório;
Nódulos variam de 0,9 a 2,9 mm de diâmetros representadas nos vértices.
Metodologia
Configurações para o Padrão Nodular
O posicionamento, coordenadas (x,y), de cada estrutura é definido randomicamente, respeitando a geometria pulmonar.
250 nódulos variam de 0,5 a 3,5 mm de diâmetros sobrepostos as estruturas;
Resultados
Modelo Torácico 1 - Modelagem de uma caixa torácica com 22 cm de diâmetro e 26,5 cm de altura.
Resultados
Modelo Torácico 2 - Modelagem de uma caixa torácica com 19,5 cm de diâmetro e 28,5 cm de altura. (a) sem a pele; (b) com a pele.
(a) (b)
Resultados
Simulações contemplando a traquéia; brônquios principais, lobares e segmentares; bronquíolos terminais e respiratórios. (a) obtido com as dimensões do Modelo Torácico
1; (b) obtido com as dimensões do Modelo Torácico 2.
(a) (b)
Parâmetros das Imagens Radiográficas Simuladas
Utilizamos espectros apresentados por BOONE & SEIBERT (1997).
Coeficientes de atenuação de massa calculados a partir de uma composição genérica apresentada pela norma da International Commission on Radiation Units (ICRU-44 (1999)).
Densidade sem a presença do ar, 1.05 estabelecida pela mesma norma.
As intensidades dos raios X que atravessam os pulmões são calculadas através da equação apresentada por WOLBARST (1993).
Resultados
Simulação Radiográfica com 45 kVp e 5 mAs do Modelo Torácico 1 (a) e Modelo Torácico 2 (b).
(a) (b)
Resultados
(a) (b)
Simulação radiográfica do padrão retículo-nodular, com 45 kVp e 5 mAs. (a) Modelo Pulmonar 1; (b) região do lobo inferior esquerdo em tamanho real.
Resultados
Simulação radiográfica do padrão nodular, com 45 kVp e 5 mAs. (a) Modelo Pulmonar 1; (b) região do lobo superior direito em tamanho real.
(a) (b)
Discussões e Conclusões
Número de divisões dos ramos;
Comparações Quantitativas
Número e diâmetros de bronquíolos terminais;
São compatíveis com os dados encontrados nos modelos reais.
Comparações QualitativasEspecialista considerou:
nos modelos pulmonares as vias aéreas estão organizadas adequadamente e que os padrões retículo-nodular e nodular foram bem representados;
diferenças na disposição das escápulas, no tamanho do esterno e na atenuação proporcionada pelos arcos costais e pele;
conclusão é que os modelos torácicos e pulmonares são bem representativos, atendendo os objetivos propostos.
