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Modelagem Computacional das Doenças Intersticiais Pulmonares Leandro Alves Neves Annie France Frère Slaets Augusto V. Nascimento Márcio A. Marques Marcelo.

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2 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

3 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).

4 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.

5 Metodologia Modelo Anatômico Adotado (Estruturas Torácicas) Disposição do esterno, vértebras torácicas, arcos costais, escápulas, clavículas e diafragma. (SOBOTTA (1993)).

6 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. onde, p 0, p 1,..., p n são pontos de controle; m - número de pontos do polígono de controle; k – grau da B-spline que se quer usar. As funções base N i k são definidas pela forma recursiva de COX (1971) e de BOOR (1972).

7 Metodologia Determinação das Estruturas Torácicas

8 Metodologia Modelo Anatômico Adotado (Estruturas Pulmonares) Distribuição da árvore brônquica segundo WOLF-HEIDEGGER (1996).

9 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 n fluxo em questão; Onde r valor de divisão de fluxo valor aleatório entre 0 e 0,5. d 0 diâmetro do ramo pai; d 1 e d 2 diâmetros dos ramos filhos; Utilizamos n igual a 3 para vias aéreas (NELSON & MANCHESTER (1988)).

10 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;

11 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

12 representamos as estruturas por elementos geométricos; os elementos geométricos são construídos pela sobreposição de camadas. Metodologia

13 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

14 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.

15 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;

16 Resultados Modelo Torácico 1 - Modelagem de uma caixa torácica com 22 cm de diâmetro e 26,5 cm de altura.

17 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)

18 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)

19 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).

20 Resultados Simulação Radiográfica com 45 kVp e 5 mAs do Modelo Torácico 1 (a) e Modelo Torácico 2 (b). (a) (b)

21 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.

22 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)

23 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 Qualitativas Especialista 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.

24 Contato


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