Reconstruç˜ao e Diagnóstico 3D Ecográfico da Les˜ao Aterosclerótica

101 Pages·2007·2.73 MB·Portuguese

Instituto Superior T´ecnico, UTL
Faculdade de Medicina de Lisboa, UL
Disserta¸c˜ao para obten¸c˜ao do grau de Mestre
em Engenharia Biom´edica
Reconstruc¸a˜o e Diagno´stico 3D Ecogra´fico
da Lesa˜o Aterosclero´tica
Jos´e Carlos Rosa Seabra
Ju´ri:
ProfessoraDoutora Maria Teresa Haderer De La Pena Stadler (Presidente)
Professor Doutor Ma´rio Alexandre Teles de Figueiredo
Professor Doutor Jo˜ao Miguel Raposo Sanches (Orientador)
Professor Doutor Lu´ıs Alberto da Cunha Mendes Pedro (Orientador)
Janeiro de 2007

iii
Aosmeuspaisea`minhairma˜

Resumo
Esta tese propo˜e uma ferramentade diagn´osticotridimensional (3D) ecogra´fico
da lesa˜o ateroscler´otica, ao n´ıvel da bifurcac¸a˜o carot´ıdea. A Aterosclerose ´e
uma doenc¸a cr´onica progressiva dos vasos sangu´ıneos com alterac¸o˜es celulares
e metabo´licas nas paredes arteriais, que conduzem `a formac¸a˜o de placas de
ateroma, causando obstruc¸a˜o (estenose) da art´eria. A Aterosclerose carot´ıdea
podeconduziraacidentesvascularescerebrais(AVC)eataquesisqu´emicostran-
sito´rios. Namaioriadospa´ısesocidentais,adoenc¸a ateroscler´otica,compartic-
ularincidˆencianacaro´tida,´eumadasprincipaiscausasdemorteeincapacidade
f´ısica/mental.
Aultrasonografia2Ddacaro´tida´emuitoutilizadanodiagn´osticodadoenc¸a
ateroscler´oticaporserumm´etodona˜oinvasivoepoucodispendioso. Noentanto,
como as placas apresentam uma estrutura complexa com um elevado grau de
assimetria, ´e dif´ıcil, a partir de uma imagem bidimensional (2D), avaliar com
precis˜aoo estado da lesa˜o ateroscler´oticaem gerale o graude estenose empar-
ticular. A reconstruc¸a˜o 3D da caro´tida e das placas de ateroma ´e a soluc¸a˜o
natural e lo´gica que permite ao m´edico estabelecer um diagn´ostico mais com-
pleto e objectivo da doenc¸a e avaliar o risco de AVC. No entanto, a ecografia
3Dexigeequipamentoespecializadoedispendiosoque so´existeemlaborat´orios
universita´riosouinstalac¸o˜eshospitalaresrecentescomequipamentode altatec-
nologia.
Nesta tese ´e desenvolvido um m´etodo de caracterizac¸a˜o da Aterosclerose,
baseado em ecografia 3D. A t´ecnica proposta na˜o necessita equipamento es-
pecializado adicional al´em do ´ecografo tradicional. Comec¸a-se por definir um
protocolo r´ıgido para a aquisic¸a˜o de secc¸o˜es transversais de corte da caro´tida,
de onde sa˜o extra´ıdas as fronteiras da caro´tida e das placas de ateroma. Estas
sa˜oobtidasimagemaimagem,deformasemi-automa´tica,comumalgoritmode
contornosactivos. Isto´e,om´edicopodeemqualquerfasedoprocessovisualizar
e corrigir as deciso˜es automa´ticas do programa.
O m´etodo de caracterizac¸a˜o da lesa˜o ateroscler´otica ´e baseado em dados
globais, tais como volume e extens˜ao da placa de ateroma, grau de estenose e
medianadaescaladecinzentos(GSM);eemdadoslocais,atrav´esdeparaˆmetros
estat´ısticos,comoam´edia,mediana,variaˆnciaedesviopadra˜o. Estesresultados
permitem caracterizar a placa quanto `a sua heterogeneidade e ecogenicidade,
mas tamb´em identificar poss´ıveis focos activos da doenc¸a no interior da placa.
Tipicamente,todooprocessodesdeaaquisic¸a˜odasimagens`acaracterizac¸a˜oda
lesa˜o demora cerca de 1 hora, o que ´e um tempo perfeitamente aceita´vel tendo
emcontaasconsequˆenciasimportantesqueda´ıresultam. Foramanalisadostrˆes
casos cl´ınicos, e houve boa concordaˆncia entre os resultados obtidos segundo o
m´etodo proposto e a caracterizac¸a˜o2D tradicional.
Emconclus˜ao,aavaliac¸a˜o3Decogra´ficana˜o-invasivadalesa˜oateroscler´otica
pode ser usada para caracterizar com precis˜ao a eco-estrutura das placas de
ateroma e definir deciso˜es clinicamente correctas para o tratamento da doenc¸a.
Palavras-chave: Aterosclerose, Ultrasonografia, Segmentac¸˜ao, Con-
tornos Activos, Reconstruc¸˜ao 3D, Caracterizac¸˜ao da Eco-estrutura
da Placa.
v

Abstract
This thesis proposes a three-dimensional (3D) tool for the diagnosis of the
atherosclerotic lesion, at the carotid bifurcation. Atherosclerosis represents
a progressive chronical disease of the blood vessels, presenting cellular and
metabolic changes in the arterialwall, which lead to atheroscleroticplaque for-
mation, causing lumen obstruction (stenosis). The presence of atherosclerosis
may typically cause stroke (CVA) and transient ischemic attack. In most wert-
ern countries, carotid atherosclerosis is the most frequent cause of death and
physical/mental incapacity.
2Dcarotidultrasoundiswidelyusedinthediagnosisofthediseaseasitrep-
resents a non-invasive and cheap method. However, it is extremely difficult to
evaluate the risk of the disease and level of stenosis only from two-dimensional
ultrasound images due to complex geometry and high level of asymmetry of
the plaques. 3D reconstruction of carotid anatomy and plaques represents a
natural and logical solution for the physician to have an overview about struc-
ture,geometryandlocalizationofplaques. Inconsequence,itcancorrectlyand
precisely define the severity of the disease, as well as CVA risk. 3D ultrasound
requires specialized and expensive equipment that only can be found in uni-
versity laboratories,or few hospitals and advancedclinics with high technology
equipment.
In this thesis is suggested a new technique for carotid reconstruction and
atherosclerotic disease diagnosis. This method does not require any additional
or specialized equipment besides the widely used 2D ultrasound system. It
starts by defining a protocol for the acquisition of cross-sections of the carotid
artery, from where the carotid and plaque frontiers are extracted. These are
obtained image by image using a well-established method of active contours,
in a semi-automatic way. This means the physician can control and correct on
each step of the process the automatic decisitions the program may show. The
characterizationoftheatheroscleroticlesioniseitherbasedonglobaldata,such
as plaque volume and extension, level of stenosis and grayscalemedian (GSM),
andlocaldata,fromstatisticalparameters,asmean,median,variance,standard
deviation, skewness and curtosis. These results may characterize heterogeneity
andechogenicityofplaques,aswellas,identifypossibleactivefoci ofthedisease
insidetheplaque. Typically,thewholeprocessfromimageacquisitiontocarotid
3D visualization and plaque classification takes one hour, which is perfectly
acceptable regarding the important consequences that might result from it.
Threeclinicalcaseswereanalyzedandpresentedinthisthesis,andtherewas
agoodagreementbetweenthe resultsobtainedby the conventional2Danalysis
andtheproposedmethod. Inconclusion,non-invasiveultrasonic3Dassessment
of the atherosclerotic lesion can be used to accurately analyze plaque echo-
structureanddefinecorrectclinicaldecisionsfortreatmentofcarotidatheroscle-
rosis.
Key-words: Atherosclerosis, Ultrasound, Segmentation, Active Con-
tours, 3D Reconstruction, Plaque Echo-structure.
vii

Agradecimentos
Em primeiro lugar, ao professor Lu´ıs Mendes Pedro pela sugesta˜o da ideia que
esteve na base do projecto. A sua colaborac¸a˜o, juntamente com a do Instituto
Cardiovascular de Lisboa (ICVL) constituiram uma parte importante do pro-
jecto, quer na aquisic¸a˜o de imagens ecogra´ficas, quer na validac¸a˜o m´edica dos
resultados. Ao professor Jos´e Fernandes e Fernandes pela colaborac¸a˜o neste
projecto e pelas cr´ıticas e comenta´rios que influenciaram positivamente o tra-
balho.
AoInstitutoSuperiorT´ecnico,designadamenteaoDepartamentodeEngen-
hariaElectrot´ecnicaedeComputadores,pelascondic¸o˜eseambientedetrabalho
que me proporcionaram,as quais me permitiramalcanc¸ar bons n´ıveis de rendi-
mento no trabalho.
AoprofessorMa´rioFigueiredo,peloempenhoeinteressedemonstradoainda
na fase inicial do projecto. Foi a primeira pessoa por parte do IST a quem
apresenteiotema eobjectivosdoprojectoe comquemdiscuti asetapasiniciais
do mesmo.
Ao professor e amigo Jo˜ao Sanches, sem o qual este trabalho na˜o teria sido
concretizado. Assuasopini˜oes,cr´ıticas,ointeressemanifestadodesteoprimeiro
momento nesta ´area,e a constante carga motivacional que colocou no trabalho
foram sem du´vida um excelente ”motor”paraa evoluc¸a˜o do mesmo.
Aos meus amigos (e a todos os que partilharam comigo a evoluc¸a˜o deste
projecto), que sempre tiveram paciˆencia comigo, mesmo quando os aborrecia
com os problemas com que me debatia no trabalho. A eles coube tamb´em o
m´erito de me fazerem divertir, de forma a libertar um pouco o esp´ırito e na˜o
estar sempre a pensar em trabalho. A eles devo tamb´em uma parte do sucesso
deste projecto.
Por u´ltimo, mas de maior importaˆncia, `a minha fam´ılia, que embora na˜o
podendo estar sempre presente, constituiu um suporte emocional muito impor-
tante.
ix