Processamento Digital de Imagens: Técnicas para Análise Morfológica Endotelial

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1 Processamento Digital de Imagens: Técnicas para Análise Morfológica Endotelial Edelber B. Oliveira, Renata M. Carvalho e J. J. De Groote Laboratório de Inteligência Artificial e Aplicações Faculdades COC, Rua Abraão Issa Halack, , Ribeirão Preto, SP (16) / (16) rmcarvalho@gmail.com (16) / (16) edelberbueno@gmail.com Abstract In this article we present an automatic computational application for cell counting and endothelial morphologic analysis of the human cornea. The objective is to provide doctors and researches of Eye Banks with a tool dedicated to the study of Specular Microscopes images. Along the work we investigate digital images techniques in order to develop an efficient procedure for cell counting and for the determination of sizes and shapes distributions. Resumo Neste artigo apresentamos uma aplicação computacional automatizada para contagem de células e para a análise da morfologia endotelial da córnea humana. O objetivo é fornecer aos pesquisadores e médicos de Bancos de Olhos um instrumento dedicado ao estudo de imagens obtidas a partir de microscópicos especulares. Ao longo do trabalho investigamos técnicas de processamento digital de imagens a fim de desenvolver um método eficiente para a contagem de células e para a determinação da distribuição de tamanhos e formas. 1. Introdução A escolha de uma córnea de um Banco de Olhos para ser utilizada em um transplante depende de um conjunto de fatores. Entre eles está a determinação da densidade celular do endotélio corneano, uma camada unicelular cuja função essencial é manter a transparência da córnea. O endotélio situa-se na parte anterior da córnea, e sua imagem pode ser obtida por meio de microscópios especulares. O objetivo principal desta pesquisa é criar uma ferramenta computacional para auxiliar médicos e pesquisadores na obtenção de informações mais precisas a respeito da densidade e estrutura do endotélio. Utilizamos para isso técnicas de processamento digital de imagens (PDI), que vêm auxiliando pesquisas em diversas áreas, entre elas a medicina. Embora existam diversos algoritmos disponíveis, cada sistema a ser analisado requer um tratamento adaptado as suas características. Neste trabalho investigamos as técnicas adequadas para identificar as células do endotélio, de modo a permitir o desenvolvimento de um programa que execute a determinação automática da densidade celular de modo eficiente. Inicialmente um programa de edição de imagens está sendo desenvolvido, disponibilizando recursos que permitem a aplicação de técnicas de PDI para melhorar a qualidade das imagens do endotélio, tornando mais eficiente o processo de contagem manual. Este programa disponibiliza recursos como a aplicação de filtros para destacar as células e remover os ruídos, ampliação das imagens por meio um processo de interpolação, um contador manual controlado por mouse e uma régua virtual, além de controles de brilho e contraste.

2 A seguir, um segundo sistema será desenvolvido, onde os módulos produzidos para a etapa anterior serão encapsulados em uma classe, e utilizados para determinar a borda das células. O objetivo é criar condições para a utilização de uma rotina para a contagem automática das células, e a determinação da distribuição dos tamanhos e formas individuais. 2. Transplantes de Córnea e Banco de Olhos As doações de córneas crescem a cada ano, o que acarreta em um aumento na quantidade de transplantes. Segundo Marcon (Marcon, 2006), oftalmologista e diretor do Banco de Córneas da Santa Casa de Porto Alegre, para ser um doador de córneas não há contra-indicações, desde uma criança até um idoso podem ser doadores. Atualmente existem 21 Bancos de Olhos no Brasil, sendo 16 membros da APABO (Associação Pan-americana de Banco de Olhos). Um Banco de Olhos é uma instituição sem fins lucrativos sendo aprovado pelas condições estabelecidas pela ANVISA (Agência Nacional de Vigilância Sanitária). Uma pesquisa feita pela APABO 1 referente às doações e transplantes de córnea, realizadas nos Bancos de Olhos do Brasil obteve os dados abaixo. Figura 1 - Transplantes Brasil/2004 Os gráficos da Figura 1 mostram que em média menos da metade das córneas obtidas pelos Bancos de Olhos não são transplantadas. Em 2004 no Brasil foram obtidas córneas sendo que somente foram transplantadas. 3. O Endotélio O endotélio (Fig.2) é a última camada da córnea, formada por uma única camada de células hexagonais, que medem aproximadamente de 4 a 6 mm de altura, e 20 mm de comprimento. As células dispõem-se em um padrão chamado de mosaico endotelial. 1 Disponível em: Acessado em: 01/04/2006

3 Figura 2 - Camada endotelial da córnea 2 A função essencial do endotélio é manter a transparência e organização da córnea, evitando assim o edema corneal. Porém, sua função está sujeita a sofrer ações químicas e físicas, de lentes de contato e traumas cirúrgicos. Em um recém nascido a densidade endotelial varia de a células por milímetro quadrado. Na fase adulta varia de a células por milímetro quadrado. Segundo Kwitko (2001), o estudo do número de células do endotélio é fundamental para determinar a densidade endotelial da córnea, cujo limite mínimo é de 400 a 700 células por mm 2, quando a partir daí começa a ocorrer o edema 3 e por conseqüência, a perda da visão. 4. O Protótipo Para o aplicativo em desenvolvimento utilizamos a linguagem JAVA, por tratar-se de uma linguagem livre, orientada a objeto e multi plataforma. Desta forma, a aplicação pode ser executada em diferentes sistemas operacionais, tais como, Windows e Linux, entre outros. Também utilizamos a biblioteca Java Advanced Image (JAI) desenvolvida pela Sun, que contém funções especialistas em processamento digital de imagens. A janela principal do protótipo é apresentada na figura 3. 2 Disponível em: Acessado em: 03/06/ Acúmulo anormal de líquido em qualquer tecido ou órgão

4 Figura 3 Protótipo desenvolvido para análise das imagens do endotélio corneano Até o momento a aplicação já pode gerar o histograma da imagem, realizar convoluções com máscaras pré-definidas e também com máscaras de tamanhos 3 por 3, 5 por 5 e 7 por 7 com entradas definidas pelo usuário. Também é possível equalizar o histograma de uma imagem, como mostrado na figura 4. Os próximos passos serão definir um algoritmo para determinar as bordas das células, e posteriormente, definir o algoritmo para sua contagem. Figura 4 Exemplo de utilização do protótipo na melhora da qualidade da imagem

5 5. Conclusão Neste trabalho, desenvolvemos um programa para análise do endotélio corneano que permite a investigação de diferentes técnicas de processamento de imagens. O sistema foi desenvolvido com o objetivo de fornecer aos pesquisadores e médicos de Bancos de Olhos um instrumento dedicado ao estudo das imagens. Nas etapas seguintes do trabalho, passaremos a desenvolver o sistema automático para contagem das células, além de aprimorar o protótipo anterior com rotinas para ampliação da imagem por meio de um processo de interpolação. Também disponibilizaremos opções para medidas de distâncias na imagem (régua controlada pelo mouse) e para a criação de um banco com as imagens. Referências Bibliográficas KWITKO, S.. Endotélio e cirurgia de catarata: grandes desafios. Revista da Sociedade Catarinense de Oftalmologia, v. 7, MARCON, A. Rejeição corneana pós transplante de córnea - análise de dados do Banco de Olhos do Hospital São Paulo - Escola Paulista de Medicina. Disponível em: Acessado em 15/03/2006. WOODS, Richard E.; GONZALEZ, Rafael C.. Processamento de imagens digitais. São Paulo, Afiliada, Bibliografia ABIB FC editor. Microscopia especular de córnea: Manual e Atlas. Rio de Janeiro: Revinter- RioMed; LEHMANN, T.M., MEINZER, H.P., TOLXDORFF, T., Advences in biomedical image analysis: past, present and future challenges, Methods of Information in Medicne, 43: , 2004