Geração e manipulação de feto do biótipo brasileiro utilizando técnicas de Realidade Virtual

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1 Geração e manipulação de feto do biótipo brasileiro utilizando técnicas de Realidade Virtual Lígia Hermosilla 1, Fátima L. S. Nunes 2 Programa de Pós Graduação em Ciência da Computação UNIVEM Centro Universitário Eurípides de Marília, Av. Hygino Muzzy Filho, 529 Campus Universitário CEP Marília (SP) Brasil Telefone (14) msc.hermosilla@uol.com.br; fatima@fundanet.br Abstract. This paper presents a dynamic construction of the fetus structures through Virtual Reality techniques. It consists on the computer routine implementation that dynamically models threedimensional structures of the fetus components, starting from measures extracted from bidimensional ultrasound image constructing a brazilian biotype for accurate verification of the fetus development. Resumo. Este trabalho apresenta a construção dinâmica de estruturas de feto através de técnicas de Realidade Virtual. Consiste na implementação de rotinas computacionais que modelem dinamicamente estruturas tridimensionais componentes do feto a partir de medidas extraídas de imagem de Ultra-som bidimensional, construindo um biótipo brasileiro para verificação exata do desenvolvimento do feto. 1 Introdução A Realidade Virtual (RV) é uma área que oferece inúmeras oportunidades de investigação científica e inovação tecnológica, fornecendo uma enorme potencialidade de aplicações para a sociedade. A comunidade médica e instituições relacionadas estão aderindo às técnicas da Realidade Virtual uma vez que percebem que estas podem ajudar na prática mais eficiente da Medicina [Kirner, 2000], [Netto, 2002]. O Ultra-som (US) é a mais importante ferramenta diagnóstica para a detecção pré-natal das anomalias congênitas. Permite examinar a anatomia interna e externa fetal e detectar a grande maioria de malformações. As vantagens do diagnóstico com o ultra-som são sua segurança, sua conveniência e o fato de ser não-invasivo e atraumático, além de sua capacidade em detectar fenômenos não perceptíveis pelos raios-x [Bega, 2001], [Steiner, 2002]. Alguns trabalhos na área de processamento de imagens têm sido desenvolvidos com o objetivo de melhorar as imagens de US tanto para processamento, quanto para visualização [Kim, 2000], pois o US, tanto bidimensional como tridimensional, apresenta ruídos em suas imagens relacionados à movimentação fetal e dificuldades de obter tais imagens em casos de redução do líquido amniótico. Da mesma forma, esforços têm sido imprimidos em trabalhos que visam à reconstrução de superfícies e volumes fetais a partir de imagens bidimensionais de US [Sakas, 106

2 1995]. Ambas as abordagens geralmente exigem recursos computacionais de alto custo. A RV pode ser uma solução para cooperar com a visualização de estruturas através de simulações. Este trabalho apresenta a construção dinâmica tridimensional (3D) de estruturas de feto, geradas a partir de medidas extraídas de imagens bidimensionais (2D) de ultra-som (US) construindo um biótipo brasileiro para uma verificação exata do desenvolvimento do feto. Em publicações anteriores foram mostrados um protótipo do sistema, descrição de algoritmos e aspectos de processamento de imagens. Em outras publicações foram apresentados o sistema completo para gerar as estruturas tridimensionais, uma avaliação realizada por especialistas na área de obstetrícia e os resultados obtidos e um protótipo do biótipo brasileiro. Na seção Materiais e Métodos será apresentado como foi desenvolvido o sistema e o seu funcionamento. Na seção Resultados e Discussões será relatado os resultados do sistema, suas vantagens e a sua cooperação para a área médica e, por último, na seção Referencias será listado as referencias dos autores que colaboraram para a realização deste artigo. 2 Materiais e Métodos O objetivo do sistema foi construir métodos que, a partir de parâmetros fornecidos pelo usuário, gerassem dinamicamente imagens tridimensionais para representar fetos a partir do sexto mês de gestação. A ferramenta se completa com um trabalho que utiliza técnicas de processamento de imagens de US 2D para extrair medidas relativas aos fetos representados. A partir deste momento o sistema recebe paramentos fornecidos pelo usuário para gerar as estruturas 3D do feto, como mostra a Figura Passagem de parâmetros 1. Imagem bidimensional segmentada 4. Armazenamento de dados 2. Extração das medidas Interface 5. Desenvolvimento do código em VRML 6. Visualização das estruturas 3D Figura 1. Diagrama esquemático do funcionamento do sistema. Para a escolha dos dispositivos físicos do sistema levou-se em conta que o sistema pode ser utilizado por médicos e outros interessados na área, devendo apresentar custo que permita a sua implantação sem investimentos adicionais. Assim, optou-se pelo desenvolvimento de uma ferramenta baseada em um computador do tipo PC uma vez que, com as opções de placas aceleradoras gráficas e processadores encontrados atualmente no mercado, já é possível obter um desempenho satisfatório de aplicações gráficas nesse tipo de equipamento. Os dispositivos físicos de interação foram compostos de mouse e teclado, responsáveis pela manipulação das estruturas, e monitores convencionais, responsáveis pela disponibilização da visualização. 107

3 Para o desenvolvimento do trabalho aqui apresentado foram realizados estudos em relação a diversos aspectos a fim de que a representação das estruturas fetais fosse a mais próxima possível da realidade. Assim, foram necessários estudos sobre as características, posicionamento e possíveis malformações das estruturas fetais, a definição da representação tridimensional, a verificação de sobreposição de estruturas, a fim de permitir a definição da visualização e da interação adequadas. O sistema foi desenvolvido em Java [Deitel, 2003] e os métodos construídos geram um código em VRML (Virtual Reality Modeling Language) [Ames, 1997] para compor tais estruturas em determinadas posições e tamanhos específicos. Por exemplo: o desenho da cabeça é feito através de uma função chamada Cabeca, cujos parâmetros são o tamanho da circunferência craniana e a semana de gestação. Os parâmetros solicitados variam de acordo com a estrutura do corpo a ser modelada. Por fim, o sistema possibilita a visualização e manipulação das estruturas 3D do feto, sendo estas representadas o mais fielmente possível. O sistema permite a comparação de estruturas, uma vez que ao gerar a estrutura solicitada, a mesma é gerada também com parâmetros que indicam normalidade [Jeanty, 1983], [Hadlock, 1984]. Porém, essas medidas são de um biótipo americano. Como forma de melhorar o sistema foi criado um biótipo brasileiro para se ter um resultado ainda mais exato, pois as medidas de fetos com biótipo americano podem não condizer com as medidas de fetos brasileiros. Para isto foi desenvolvido um Banco de Dados para armazenar as medidas fornecidas pelo usuário durante a utilização do sistema, de acordo com a semana de gestação informada. A Figura 2 ilustra o esquema para a realização deste biótipo. As medidas armazenadas são incorporadas ao sistema, sendo utilizadas para calcular as medidas do biótipo brasileiro nas próximas execuções do sistema. O biótipo é calculado através da média aritmética das medidas de todos os membros que compõem o feto, considerando a semana de gestação. Ao visualizar o feto normal, o usuário poderá optar pela visualização com o padrão americano, brasileiro, ou ambos, ao invés de ter apenas o biótipo americano para tais comparações. Medidas fornecidas pelo usuário Medidas padrões americanas Gerar Feto Gerar Feto Visualização do Feto Visualização do Feto Banco de Dados Medidas padrões brasileiras Gerar Feto Visualização do Feto Figura 2. Diagrama esquemático para a criação do biótipo brasileiro. O sistema armazena as medidas em um Banco de Dados, cadastrando as medidas de cada membro separadamente e do corpo inteiro do feto. As medidas padrões, que são as de um biótipo americano, já estão armazenadas. Sendo assim, apenas as medidas brasileiras é que serão cadastradas, calculadas e armazenadas. Dessa forma a rotina que calcula esta média, cria um biótipo brasileiro. Com isso, o sistema pode criar um novo biótipo para todo tipo de raça. A Figura 3 ilustra o modelo de dados que foi desenvolvido para armazenar as medidas para o cálculo do biótipo. 108

4 Figura 3. Modelo de dados do sistema. A Figura 4 apresenta a interface para fornecer as medidas. Em 4(a) é ilustrada uma imagem bidimensional de ultra-som. O biótipo é calculado através da média aritmética das medidas de todos os membros que compõem o feto, considerando a semana de gestação, como mostra em 4(b). Ao visualizar o membro normal do feto examinado, ilustrada na Figura 4(c), o usuário poderá optar pela visualização com o padrão americano (4d), brasileiro (4e), ou ambos. (a) (b) (c) (d) (e) Figura 4. Interface do Sistema Dessa forma é possível gerar o código em VRML da parte examinada e a visualização tridimensional do membro examinado e do mesmo membro fornecido pelo sistema considerado normal para comparação. Neste exemplo é exibida a modelagem de uma ulna (antebraço), o usuário fornece os parâmetros referentes à semana de gestação, ângulo de inclinação e ao tamanho do membro examinado. Assim que o sistema obtém a semana de gestação, automaticamente é apresentado ao lado o comprimento médio padrão, ou seja, o tamanho que aquele membro deveria ter naquele período. O sistema permite a comparação de estruturas, uma vez que ao gerar a estrutura solicitada, a mesma é gerada também com parâmetros que indicam normalidade. O código gerado em VRML pode ser gravado separadamente para cada estrutura ou em único bloco, formando o corpo inteiro do feto. A partir do momento que uma estrutura está modelada, esta poderá ser manipulada através de ações do usuário. Assim, os membros e o feto inteiro podem ser visualizados em posições que inicialmente não foram obtidas nas imagens bidimensionais. 109

5 Como mencionado, o sistema permite a visualização de estruturas com medidas padrões. Assim, é gerado também um outro código do mesmo membro considerado normal, desconsiderando os parâmetros de tamanho do usuário. Dessa forma, o usuário pode fazer uma comparação mais precisa entre as partes geradas, verificando possíveis desigualdades entre elas. Na Figura 6 é ilustrada uma comparação entre membros. A Figura 6(a) mostra a modelagem da cabeça de um feto com hidrocefalia e na Figura 6(b) ilustra a modelagem da cabeça de um feto normal fornecido pelo sistema, considerando-se o mesmo tempo de gestação. (a) (b) Figura 6. Comparação entre imagens: (a) imagem da cabeça do feto examinado; (b) imagem da cabeça do feto fornecida pelo sistema. A Figura 7 mostra a interface final, contendo todos os parâmetros fornecidos pelo usuário, incluindo opções para visualização de malformações. Depois que são passados todos os parâmetros e visualizados todos os membros, o sistema gera a visualização final com o corpo inteiro do feto. As imagens tridimensionais apresentadas obedecem fielmente ao posicionamento, tamanho e semana de gestação. Isso pode contribuir para que o usuário visualize a forma como o feto realmente está se desenvolvendo e qual o seu posicionamento dentro do ventre materno. Figura 7. Tela com todos os parâmetros fornecidos. A Figura 8(a) ilustra a visualização do feto em questão e a Figura 8(b) mostra a visualização de um feto considerado normal, fornecido pelo sistema. O sistema permite que o usuário veja as mesmas imagens em vários ângulos, não obtidos nas imagens bidimensionais, como mostram as Figuras 8(c) e 8(d). 110

6 (a) (b) (c) (d) Figura 8. Resultado final: (a) imagem do feto examinado com ausência de ulna; (b) imagem do feto gerado pelo sistema, considerado normal; (c) imagem do feto examinado por outro ângulo; (d) imagem do feto fornecido pelo sistema, visualizado por um outro ângulo. 3. Resultados e Discussões Com o intuito de verificar a utilidade, vantagens e desvantagens do sistema foram realizados testes utilizando-se imagens bidimensionais de exame de ultra-sonografia para fornecer medidas para a geração das estruturas tridimensionais, assim como imagens tridimensionais de Ultrasonografia para comparação com as estruturas modeladas. Em um exame tradicional utilizando o Ultra-som tridimensional (US 3D), a partir do sexto mês de gestação, ou seja, a partir da 26ª (vigésima sexta) semana, é difícil obter uma visualização nítida das estruturas fetais, inviabilizando o exame em alguns casos [Steiner, 2002]. A ferramenta aqui apresentada pode contribuir neste sentido, uma vez que as imagens de Ultra-som bidimensional podem ser utilizadas como fonte para extrair medidas e, assim, visualizar a modelagem de fetos a partir do sexto mês de gestação. Algumas deformações físicas tornam-se mais aparentes a partir deste período, pois este é o momento a partir do qual o corpo deveria estar totalmente formado. Por este motivo, o sistema se preocupou em desenvolver fetos a partir desta idade gestacional. A ferramenta constrói estruturas sintéticas de modelagem 3D visando uma representação o mais semelhante possível à imagem 3D real, gerada por US. Para exemplificar a fidelidade da modelagem com as estruturas fetais, foram utilizadas imagens tridimensionais de US para comparar as estruturas obtidas no exame com as estruturas modeladas. A Figura 9(a) ilustra a imagem de um feto real em um US bidimensional (US 2D), a Figura 9(b) ilustra a imagem de um feto real em um US 3D e a Figura 9(c) mostra a imagem modelada e refinada respeitando o tamanho, o posicionamento e alguma malformação, se houver, do feto obtido na imagem real. Uma das contribuições da ferramenta é a nitidez da imagem, ou seja, a ausência de artefatos. O US 3D reflete tudo o que há no ventre materno, inclusive cordão umbilical, placenta e parede uterina. Isso pode dificultar a visualização do feto, pois todos os artefatos ou ruídos atrapalham a nitidez da visualização fetal. Algumas vezes, o ruído pode tornar a imagem muito diferente da realidade, parecendo que o feto possui alguma malformação, como por exemplo, a falta de algum membro ou, ainda, malformação no rosto ou em outros membros. Depois que o usuário fornece ao sistema todos os parâmetros para a modelagem do feto, esse é visualizado em um browser, com o plug-in devidamente instalado. O plug-in [Parallel Graphics, 2003] interpreta as cenas escritas em código VRML, possibilitando a interação do usuário com a estrutura apresentada. A Figura 10 mostra um exemplo comparativo, sendo que a 111

7 Figura 10(a) ilustra a imagem bidimensional de um feto real, a Figura 10(b) ilustra a imagem tridimensional de um feto real e a Figura 10(c) ilustra a estrutura desenvolvida pelo sistema. (a) (b) (c) Figura 9. Comparação entre as imagens: (a) imagem de US 2D de um feto real; (b) imagem de US 3D de um feto real; (c) imagem modelada e refinada. (a) (b) (c) Figura 10. Ruídos na imagem: (a) imagem bidimensional de um feto; (b) imagem tridimensional de um feto; (c) imagem gerada pelo sistema. Durante o desenvolvimento do sistema, foram feitas pesquisas práticas, presenciando gestantes acima da 26ª semana de gestação realizando os exames de Ultra-sonografia, tanto bidimensional como tridimensional, e foi observado que a partir dessa idade gestacional não era mais possível visualizar a imagem do corpo inteiro do feto, sendo visível apenas os membros. Neste caso, o usuário extrai as medidas de todos os membros separadamente, como, por exemplo, o fêmur e a tíbia, mostrados nas Figuras 11(a) e 11(b). Assim que são fornecidas as medidas, é possível à representação 3D das partes, como mostra a Figura 11(c). A Figura 11(d) ilustra a cabeça do feto e a Figura 11(e) a representação tridimensional da cabeça. (a) (b) (c) (d) (e) Figura 11. Representação das partes do corpo do feto: (a) imagem real do fêmur esquerdo do feto; (b) imagem real da tíbia do feto; (c) representação tridimensional das partes; (d) imagem real da cabeça do feto; (e) representação tridimensional da cabeça. O sistema armazena todas as informações dos membros individualmente. Essas informações são passadas para o código fonte que representa tridimensionalmente cada estrutura, podendo ser gravadas separadamente para cada membro e em um único bloco, juntando os 112

8 códigos que geram todas as estruturas, formando o corpo inteiro do feto. Com isso a ferramenta permite a representação tridimensional do corpo inteiro do feto até a última semana de gestação, obedecendo aos parâmetros fornecidos pelo usuário. A Figura 12(a) ilustra a imagem final, ou seja, como o feto está posicionado dentro do ventre materno. As Figuras 12(b), 12(c) e 12(e) ilustram a mesma imagem em diversos ângulos. Um programa VRML tem a vantagem de ser interpretado, sendo que para a sua execução basta que o usuário disponha de um browser com plug-in adequado, conforme mencionado anteriormente. O plug-in fornece recursos para a manipulação da estrutura modelada, permitindo ao usuário a execução de operações como rotação e escala. A ferramenta também representa fetos com malformações: ausência de membros superiores ou inferiores, braços ganchos, pernas ganchos, pernas e braços ganchos, pernas em X, hidrocefalia, microcefalia, macrocefalia e nanismo, sendo este último representado pela diminuição nos comprimentos de estruturas. A Figura 13 ilustra algumas malformações como, por exemplo: ausência de tíbia, ausência de ulna, membro menor que o normal e hidrocefalia. É possível visualizar as estruturas de um feto em qualquer posição e ângulo, fornecendo-se apenas os parâmetros necessários sem a necessidade de carregar uma imagem de US 2D. (a) (b) (c) (d) Figura 12. Representação 3D do corpo inteiro do feto: (a) imagem final (b) imagem frontal, em um outro ângulo, do feto; (c) imagem lateral do feto; (d) imagem lateral, em um outro ângulo, do feto. Para certificar a utilidade do sistema, testes foram realizados utilizando imagens reais de US 2D de todos os membros que formam o corpo inteiro do feto a partir da vigésima sexta semana de gestação. As medidas calculadas pelo sistema foram comparadas àquelas fornecidas pelos equipamentos de US bidimensional, tendo sido obtidos resultados plenamente satisfatórios. Atualmente outros testes estão sendo realizados a fim verificar a existências de falhas do sistema e providenciar as correções. (a) (b) (c) (d) Figura 13. Exemplo de visualização de malformações: (a) ausência de tíbia direita; (b) ausência de ulna direita; (c) tíbia esquerda menor que o normal; (d) hidrocefalia. 113

9 Além das considerações anteriores, é importante destacar o fator custo. O US 3D apresenta uma série de vantagens em relação ao US 2D, considerando-se à visualização da estrutura fetal, porém, ainda tem um custo muito alto, inacessível principalmente em órgãos públicos, que trabalham com limitação de verbas. O US 2D tem um custo bem inferior, mas apresenta limitações na questão de visualização de estruturas, como destacado anteriormente. A ferramenta apresentada utiliza uma plataforma computacional acessível, de baixo custo para o usuário. Não são necessários investimentos adicionais em equipamentos não convencionais e licenças de software, visto que as tecnologias empregadas são convencionais e os softwares são livres. Assim, pode constituir uma alternativa para a visualização 3D de forma rápida, fácil e barata. A linguagem Java supriu as necessidades de desenvolvimento, tornando o sistema prático para se operar. Também permitiu a interação com um plug-in que gera tridimensionalmente uma estrutura, no caso o VRML. Além disso, a linguagem possui várias bibliotecas prontas para interação com o usuário. O VRML comporta na própria tela de visualização, componentes que proporcionam interação imediata entre usuário e o objeto tridimensional. 4. CONCLUSÕES O objetivo da ferramenta aqui apresentada foi gerar dinamicamente estruturas de feto a partir do sexto mês de gestação de acordo com o biótipo brasileiro e americano, diferenciando o sistema de aparelhos tradicionais. A arquitetura projetada do sistema permite representar tridimensionalmente qualquer estrutura de feto a partir de medidas extraídas de imagens de US 2D. Assim, é possível que os interessados interajam com o sistema, visualizando projeções do feto não obtidas nas imagens bidimensionais originais. A geração dinâmica do programa fonte faz com que o sistema seja independente das características identificadas em cada caso, pois a posição, o tamanho e outros aspectos das estruturas a serem representadas podem ser totalmente variáveis, uma vez que são fornecidos através de parâmetros. O fato de gravar um arquivo externo com o código fonte permite que a estrutura seja visualizada inúmeras vezes, a partir de um ambiente que reconheça o código VRML. A partir dos resultados apresentados, conclui-se que o sistema apresenta como vantagem a possibilidade de representar a estrutura examinada e o corpo inteiro do feto a partir do sexto mês de gestação, apresentando objetos com propriedades físicas semelhantes às de um feto real e o enriquecimento do processo de aprendizado com a possibilidade de observações e estudo da anatomia fetal em três dimensões. Outras vantagens referem-se ao custo, viabilizando a sua implantação, a utilização de um método de interação e visualização realista. A ferramenta aqui apresentada pode contribuir em dois campos importantes: na manipulação das estruturas tridimensionais para a visualização do feto a partir de ângulos não obtidos em imagens bidimensionais e na segurança e clareza da visualização de deformidades físicas por não obter placenta e demais ruídos nas imagens. Salienta-se ainda que há a possibilidade de armazenar e alterar dados, para revisão posterior; de modo a obter ângulos de visão não possíveis no Ultra-som 2D e em tempo real. Além disso, a apresentação nítida das imagens, melhorando o entendimento da anatomia fetal e a demonstração da anatomia fetal com imagens realistas pode tornar mais fácil a compreensão das estruturas apresentadas para não-especialistas. Outro objetivo da ferramenta é oferecer um sistema que apresente as mesmas características, em termos cognitivos, de um procedimento real realizado em gestantes, porém com vantagens não disponíveis em aparelhos reais, como a criação de um biótipo. Como não 114

10 existe uma tabela contendo as medidas padrões de estruturas fetais brasileiras, o sistema armazena tais medidas em um Banco de Dados e calcula-se uma média entre todos os registros armazenados para obter uma medida padrão. Espera-se, dessa forma, a obtenção de um resultado mais exato, uma vez que o biótipo americano pode ser diferente do brasileiro. Além disso, o sistema pode gerar o biótipo de qualquer raça, acreditando que cada raça tenha características físicas próprias. Um dos problemas, que já está sendo solucionado, é a influência de medidas fornecidas pelos usuários de fetos com anomalias, que não devem ser consideradas no Banco de Dados a fim de não gerar distorções na representação dos fetos normais. Espera-se, com este aprimoramento do sistema, obter a criação real de um biótipo brasileiro, oferecendo, então, uma nova contribuição da computação para a área de obstetrícia. Acreditamos que essas características, aliadas à disponibilidade do sistema, contribuem para a visualização e manipulação das estruturas de maneira fácil e rápida para o usuário com baixo custo. A Realidade Virtual tornou possível a realização desta ferramenta por constituir-se em uma aliada em desenvolvimento de sistemas diferenciados, com interfaces próprias e visualizações de informações provenientes dos mais diversos tipos de modalidades de imagens médicas, trazendo inúmeros benefícios, fazendo com que os usuários da comunidade médica sintam-se mais próximos de situações reais. Devido ao crescimento da tecnologia, equipamentos de hardware e software estão contribuindo para o avanço da Informática voltados para a Medicina, reduzindo o seu custo. Além disso, as evidências apontam na direção de que os sistemas de ambientes virtuais podem revolucionar a forma como nós interagimos com sistemas complexos em computador. As aplicações são muitas e é fácil predizer que os ganhos e os benefícios da Realidade Virtual para a área médica tendem a crescer, à medida que diminuírem os custos e aumentarem a disponibilidade de software e hardware nesta área. Referências Ames, A. L. et al. VRML 2.0. Sourcebook, 2 nd ed. New York: John Wiley, p. 654, Bega, G et al Three-dimensional ultrasonographic imaging in obstetrics. J Ultrasound Med. Canadá. v. 20, p , Disponível em Deitel, H. M.; Deitel, P. J. Java, como programar. Ed. Bookman, 4ª edição. Porto Alegre/RS, Hadlock, F. P. et al. Resumo sumário das tabelas obstétricas de uso diário. Diagnosis, p , Jeanty, P. Radiology. Diagnosis, p. 174:602, Kim, J. et al. Posters: A web based medical image data processing and management system. Selected papers from the Pan-Sydney workshop on Visualisation - Volume 2 CRPITS '00, December Kirner, C. Sistemas de Realidade Virtual. Apostila do I ciclo de palestras de Realidade Virtual. Universidade Federal de São Carlos, Netto, A. V. et al Realidade Virtual: Fundamentos e Aplicações. Ed. Visual Books, Parallel Graphics. Cortona VRML Client Disponível em: Acesso em: abril, Sakas, G.; Walter, S. Extracting surfaces from fuzzy 3D-ultrasound data. Proceedings of the 22nd annual conference on Computer graphics and interactive techniques, September Steiner, H. et al. Three-dimensional ultrasound inobstetrics and gynaecology: technique, possibilities and limitations. Hum Reprod. 9(9): ,