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
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