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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

MARIANA JORGE DE ANDRADE VIANA

RECONSTRUO TRIDIMENSIONAL DA MAMA FEMININA A PARTIR DE IMAGENS MDICAS POR INFRAVERMELHO COM

AUXLIO DE GEOMETRIAS SUBSTITUTAS

RECIFE

2016

MARIANA JORGE DE ANDRADE VIANA

RECONSTRUO TRIDIMENSIONAL DA MAMA FEMININA A

PARTIR DE IMAGENS MDICAS POR INFRAVERMELHO COM

AUXLIO DE GEOMETRIAS SUBSTITUTAS

Tese submetida ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da Universidade Federal de Pernambuco - UFPE, para obteno do ttulo de Doutor. rea de concentrao: Energia.

Orientadora: Rita de Cssia Fernandes de Lima

Co-orientador: Slvio de Barros Melo

RECIFE

2016

Catalogao na fonte Bibliotecria Valdica Alves, CRB-4 / 1260

V614r Viana, Mariana Jorge de Andrade. Reconstruo tridimensional da mama feminina a partir de imagens

mdicas por infravermelho com auxlio de geometrias substitutas / Mariana

Jorge de Andrade Viana - 2016.

193 folhas, Il.; Abr. Sigl.; Simb. e Tabs.

Orientadora: Prof. Dr. Rita de Cssia Fernandes de Lima.

Coorientador: Dr. Slvio de Barros Melo.

Tese (Doutorado) Universidade Federal de Pernambuco. CTG.

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica, 2016.

Inclui Referncias, Apndices e Anexos.

1. Engenharia Mecnica. 2. Termografia. 3. Cncer de mama. 4. Simulao computacional. 5. Geometria substituta. 6. Modelagem tridimensional.

I. Lima, Rita de Cssia Fernandes. (Orientadora). II. Melo, Slvio de

Barros(Coordenador). III. Ttulo.

UFPE

621 CDD (22. ed.) BCTG/2016 142

12 de fevereiro de 2016.

RECONSTRUO TRIDIMENSIONAL DA MAMA FEMININA A PARTIR DE

IMAGENS MDICAS POR INFRAVERMELHO COM AUXLIO DE GEOMETRIAS

SUBSTITUTAS

MARIANA JORGE DE ANDRADE VIANA

ESTA TESE FOI JULGADA ADEQUADA PARA OBTENO DO TTULO DE

DOUTOR EM ENGENHARIA MECNICA

REA DE CONCENTRAO: ENERGIA

APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO PROGRAMA DE PS-GRADUAO

EM ENGENHARIA MECNICA/CTG/EEP/UFPE

_______________________________________________________

Prof Dr RITA DE CSSIA FERNANDES DE LIMA ORIENTADORA/PRESIDENTE _____________________________________________________ PROF. DR. SLVIO DE BARROS MELO CO-ORIENTADOR _____________________________________________________ Prof. Dr. JORGE RECARTE HENRQUEZ GUERRERO COORDENADOR DO PROGRAMA

BANCA EXAMINADORA:

_____________________________________________________________

Prof Dr RITA DE CSSIA FERNANDES DE LIMA (UFPE)

_____________________________________________________________

Prof. Dr. SLVIO DE BARROS MELO (UFPE)

_____________________________________________________________

Prof. Dr. FBIO SANTANA MAGNANI (UFPE)

_____________________________________________________________

Prof. Dr. DARLAN KARLO ELISIRIO DE CARVALHO (UFPE)

_____________________________________________________________

Prof. Dr. WELLINGTON PINHEIRO DOS SANTOS (UFPE)

_____________________________________________________________

Prof Dr LUCIETE ALVES BEZERRA (UFPE)

Aos meus pais, Joanice e Jos Viana (in memorian)

AGRADECIMENTOS

minha famlia que suportou comigo os desafios que surgiram neste

perodo do doutorado.

Aos amados Bruno Viana e Arthur Euzbio por alegrarem meus dias.

Prof. Rita de Cssia Fernandes de Lima e ao Prof. Slvio de Barros Melo,

pela dedicao e pelas orientaes neste perodo de aprendizado.

Ao Dr. Francisco George de Siqueira Santos pelo suporte tcnico na rea de

medicina.

Aos meus colegas de ps-graduao por percorrerem comigo esse longo

caminho de amadurecimento.

s pacientes e voluntrias que gentilmente cederam sua imagem

possibilitando a realizao desta pesquisa.

Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior (CAPES)

pelo suporte financeiro.

E acima de tudo, ao meu bom e amado Deus que me socorre nos dias de

angstia e guarda a minha vida.

Males que crescem desesperadamente s podem ser aliviados com mecanismos desesperados. William Shakespeare em Hamlet, apud Mukherjee (2012)

RESUMO

O cncer de mama desenvolve-se de maneira silenciosa, podendo levar a bito se

no for tratado em sua fase inicial. Por este motivo, necessrio desenvolver

tcnicas para sua deteco precoce. A carcinognese altera a temperatura dos

tecidos na regio afetada e o uso da simulao computacional calcula como ocorre

tal fenmeno. A imagem por infravermelho capaz de indicar a distribuio

superficial de temperatura e a comparao destes valores com os clculos obtidos

na simulao computacional uma ferramenta promissora para a deteco precoce

do cncer de mama. O objetivo desta tese construir a geometria substituta

tridimensional (3D) da mama feminina a partir de imagens por infravermelho da

paciente. Isso possibilita o clculo da distribuio de temperatura atravs de

software de dinmica dos fluidos computacional (CFD Computational Fluid

Dynamics). O corregistro de uma prtese mamria externa aos contornos da

paciente modelou a superfcie da geometria tridimensional da mama. No interior

dessa geometria existem os lbulos mamrios, os ductos lactferos, o tecido adiposo

da mama e a leso conforme indicado no exame de ultrassonografia da paciente.

Um software de CFD realizou o preparo da geometria e subsequente clculo da

distribuio de temperatura na mama. Um estudo de caso verificou o impacto da

insero das estruturas citadas na geometria substituta. O erro entre as

temperaturas mximas indicadas pela imagem por infravermelho das pacientes na

regio da pele sobre a anomalia e a temperatura mxima alcanada no clculo de

temperatura sobre a regio correspondente na geometria substituta foi de 0,20%. A

geometria 3D aqui apresentada adequa-se aos contornos de cada paciente e mais

prxima da mama real do que a geometria substituta 3D obtida pelo escaneamento

de prteses mamrias externas e outras apresentadas na literatura tcnica. Alm

disso, a geometria desenvolvida permitiu o clculo de temperatura nos casos em que

no era possvel com a geometria anteriormente utilizada.

Palavras-chave: Termografia. Cncer de mama. Simulao computacional.

Geometria substituta. Modelagem tridimensional.

ABSTRACT

Breast cancer develops silently and can lead to death if not treated in its early stages.

For this reason, it is necessary to develop techniques for its early detection. The

carcinogenesis changes the temperature of the tissue in the affected area, the use of

computer simulation to evaluate how such a phenomenon occurs. The infrared image

can indicate the surface temperature distribution, and the comparison of these figures

with the calculations obtained in a computer simulation is a promising tool for early

detection of breast cancer. The purpose of this thesis is to build three-dimensional

(3D) surrogate geometry of the female breast from infrared images of the patient. It

allows the calculation of the distribution of temperature through Computational Fluid

Dynamics (CFD) software. The breast prosthesis co-registration to the contours of

the patient modeled the external surface of the 3D geometry of the breast. Within this

geometry, there are mammary lobules, lactiferous ducts and adipose tissue of the

breast and the lesion as indicated in the ultrasound examination of the patient. CFD

software performed the preparation of the geometry and subsequent calculation of

the breast temperature distribution. A case study verified the impact of the insertion

of such structures in the surrogate geometry. The error between the maximum

temperature indicated by the infrared image of the patient in the area of the skin over

the abnormality and the maximum temperature achieved in the temperature

calculation in the corresponding region in the surrogate geometry were 0.20%. The

3D geometry presented here fits the contours of each patient, and it is closer to the

real breast than the surrogate 3D geometries acquired by the scanning of external

breast prostheses and others ones presented in the technical literature. Furthermore,

the modeled geometry allowed the temperature calculation in cases where it was not

possible with the geometry that was previously used.

Keywords: Thermography. Breast cancer. Computer simulation. Surrogate

geometry. Three-dimensional modeling.

LISTA DE ILUSTRAES

FIGURA 1 - Imagens do banco de dados obtidas de paciente do Hospital das Clnicas da Universidade Federal de Pernambuco e utilizadas para construo de uma geometria substituta da mama. ..................................................................................... 25