Visualização Volumétrica de Imagens Médicas através de Raycasting

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1 Visualização Volumétrica de Imagens Médicas através de Raycasting Thiago Franco de Moraes (CTI), Paulo Henrique Junqueira Amorim (CTI), Tatiana Al-Chueyr Pereira Martins (CTI) Resumo Este artigo descreve a implementação da técnica de visualização volumétrica raycasting no software InVesalius 3, realizada a partir da reconstrução tridimensional de um conjunto de imagens de Tomografia Computadorizada bidimensionais. Para comparar a qualidade da visualização volumétrica implementada, foram utilizados o software proprietário Mimics, da empresa Materialise, e as versões anteriores do InVesalius (1 e 2). No artigo também é discutida a aplicação deste tipo de visualização por médicos, odontologistas e profissionais da área forense, apresentando a relevância do trabalho desenvolvido, em relação a tradicional visualização de superfícies tridimensionais, utilizada para prototipagem rápida. Palavras-chave: Visualização volumétrica, Raycasting, Imagens médicas. 1. Introdução 1.1. InVesalius InVesalius (INVESALIUS, 2010) é um software livre para reconstrução tridimensional de estruturas anatômicas. A partir de um conjunto de imagens bidimensionais, obtidas através de equipamentos de Tomografia Computadorizada ou Ressonância magnética, o programa permite que sejam gerados modelos tridimensionais (3D) da regiões anatômicas de interesse. O desenvolvimento do software InVesalius é financiado pelo CTI e o programa tem sido constantemente aprimorado através do Portal do Software Público (SOFTWARE PUBLICO, 2010). Até o momento já foram desenvolvidas três versões: InVesalius 1, disponibilizado em abril de 2004; InVesalius 2, disponibilizado em novembro de 2007; e InVesalius 3, disponibilizado em janeiro de 2010 e ainda em desenvolvimento. Para o desenvolvimento do InVesalius foram utilizadas tecnologias livres, dentre as quais destacam-se Python (linguagem de programação) (PYTHON, 2009) e Visualization Toolkit (VTK) (VTK, 2009). VTK é uma biblioteca open-source para computação gráfica 3D, processamento de imagens e visualização científica. Ela foi implementada em C++, seguindo os princípios de orientação a objetos (VTK, 2009), e oferece suporte a várias linguagens de programação, dentre elas Python. Neste trabalho foi utilizada a versão da biblioteca VTK mais recente, 5.4, utilizada para o desenvolvimento do InVesalius 3. Após reconstruir tridimensionalmente as imagens de entrada, que devem estar no formato DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), o software InVesalius oferece duas possíveis formas de representar dados 3D, desenvolvidas com auxílio da biblioteca VTK: Superfícies, que são ocas e compostas por triângulos; Projeções volumétricas, que permitem representar os modelos preenchidos. Superfícies são utilizadas, por exemplo, para impressão física 3D, podendo ser salvas no formato STL (Stereolithography) e depois impressas através de Prototipagem Rápida.

2 Projeções volumétricas, por outro lado, podem ser de grande valia para análises de exames com radio-contraste, quando deseja-se analisar não somente um tecido como o osso, mas sua relação com tumores ou vasos, por exemplo. Antes de abordar mais profundamente a reconstrução tridimensional, serão discutidos alguns fundamentos de imagens médicas relevantes para o contexto da pesquisa Imagens de Tomografia Computadorizada Apesar do software InVesalius também oferecer suporte a reconstrução tridimensional de imagens provindas de equipamentos de Ressonância Magnética, no artigo será discutido apenas a utilização de imagens originadas através de equipamentos de Tomografia Computadorizada (TC). A tecnologia de TC é resultado de pesquisas da década de 60-70, como a de Godfrey Newbold Hounsfield (HASSANI et al, 1976). Esta tecnologia utiliza uma fonte de Raios-X e múltiplos sensores de Raios-X. Os Raios-X emitidos atravessam o objeto, que absorve parte dos Raios-X, e atingem os sensores de Raios-X. As informações dos sensores são enviados ao computador, o qual, baseado na absorção dos raios-x, gera uma imagem 2D. A maior diferença em relação ao Raio-X convencional é que a TC permite gerar uma seqüência de imagens correspondentes a seções do objeto de interesse ao invés de uma única imagem contendo todas as informações. A sequência de imagens obtidas através de tomógrafos corresponde a "fatias" do objeto de estudo, que não apresentam a sobreposição de tecidos do convencional Raio-X e podem ser reconstruídas em três dimensões posteriormente. Tanto em imagens radiográficas convencionais, quanto em imagens de tomografia, materiais menos densos absorvem menos radiação e materiais mais densos absorvem mais radiação. Esta característica permitiu que este tipo de exame fosse utilizado para auxílio a diagnóstico, possibilitando a fácil distinção entre tecidos como osso e pele, por exemplo. A escala de Hounsfield (HOUNSFIELD SCALE, 2010) foi criada para representar numericamente a absorção de Raios-X de acordo com o material ao qual eles eram aplicados, sendo nomeada em homenagem à Godfrey Newbold Hounsfield. Como apresentado na Figura 1, são necessários aproximadamente 2000 valores cinza para representar a escala Hounsfield - variância que não é distinguida pelos olhos de um ser humano. Ar Gordura Material Água Músculo +40 Contraste +130 Osso HU +400 ou mais Figura 1 - Escala de Hounsfield Para contornar as limitações da visão humana, é utilizado o recurso de Window Width e Window Level, popularmente conhecidos por brilho e contraste. Com este recurso é possível definir qual faixa da escala de cinza (Window level) e qual largura desta faixa (Window width) serão empregadas para ver os dados. A Figura 2 ilustra uma imagem com Window width e Window level ajustados para para osso (a), e a mesma imagem com window width e window

3 level para pulmão (b). (a) Window Level e Width para Osso (b) Window Level e Width para Pulmão Figura 2 - Aplicação de diferentes valores de Window Level e Window Width para destacar região anatômica de interesse 1.3. Reconstrução volumétrica A reconstrução volumétrica das imagens de tomografia computadorizada é feita através do "empilhamento" e a interpolação (THÉVENAZ et al, 2000) das imagens 2D, quer permite que sejam estimados os dados existentes na anatomia do paciente, mas que não estão presentes nos exames originais, devido ao espaçamento entre a aquisição das fatias. O "empilhamento" é realizado com base em informações contidas nos arquivos DICOM, incluindo a posição espacial e o espaçamento entre as imagens. O resultado é uma matriz tridimensional cujos elementos são conhecidos como voxel. Um voxel é a representação tridimensional de um pixel (bidimensional), e seu valor representa uma propriedade do volume, no caso de TC, é um valor da escala Hounsfield. Além de visualizar o volume em três dimensões, também é possível "fatiá-lo", analisando outras orientações, como sagital ou coronal, no caso do dado de entrada estar na axial. Visualização volumétrica é qualquer método que opera sobre dados volumétrico, no nosso caso, imagens médicas, e produz uma imagem. No InVesalius foi utilizada a técnica conhecida como Raycasting. De modo simplificado, nesta técnica para cada pixel da tela é traçado um raio de luz (dai o nome Raycasting) em direção ao objeto, a cor do pixel será baseado na cor do ponto e transparência de cada Voxel interceptado pelo raio de luz (MANSSOUR et al, 2002). Em TC os valores de cores e transparência são atribuidos aos níveis de cinza, e estes valores dependem da necessidade da pessoa que irá visualizar este volume e do estudo a ser realizado. 2. Metodologia 2.1. Levantamento requisitos O foco da primeira versão do InVesalius era a reconstrução de superfícies 3D, visando atender a prototipagem rápida. Apesar desta versão oferecer uma ferramenta para visualização volumétrica baseada em raycasting, ilustrada na Figura 3(a), ela possuia uma série de limitações, inclusive: Utilização de apenas uma cor; Janela pequena e com interface gráfica não intuitiva;

4 Impossibilidade de personalizar distribuição de cores; Impossibilidade de alterar window level e window width. Tais limitações desmotivavam cirurgiões a utilizarem a ferramenta, fazendo com que eles optassem por utilizar apenas recursos de superfícies 3D. Na ocasião, os usuários do programa constantemente apontavam que os modelos 3D do InVesalius estarem "ocos" em contraposição às regiões anatômicas "recheadas", e que as cores utilizadas no InVesalius 1 não serem realistas. Além desses detalhes, foi recentemente observado que o volume projetado através da técnica raycasting pelo InVesalius 1 está invertido, tornando-o inadequado para diagnóstico. Com base nas demandas apresentadas por cirurgiões, foi desenvolvido o módulo de visualização volumétrica no InVesalius 2, que já era iniciado após a importação de imagens DICOM. A Figura 3(b) ilustra a ferramenta disponível na segunda versão do InVesalius. Apesar de apresentar melhoras significativas em relação a versão prévia do programa, a nova ferramenta de raycasting possuia as seguintes limitações: Os valores pré-definidos eram inadequados e não apresentavam resultados satisfatórios para a maior parte dos casos; A ferramenta para personalizar e configurar os parâmetros de raycasting era bastante confusa e de difícil uso; Lentidão de atualização de modificações no volume; Não era possível salvar as configurações personalizadas, para aplicá-las ao mesmo caso posteriormente ou a novos casos. Tais problemas impediam que usuários pudessem analisar as projeções volumétricas com clareza, principalmente quando havia interesse em vias aéreas ou regiões destacadas pelo contraste. Com base nas experiências prévias, foram definidos os requisitos do novo módulo de visualização volumétrica, que seria desenvoldio e adicionado ao InVesalius 3: Presets de cores e transparências adequadas; Facilidade de uso; Flexibilidade para usuário aumentar/diminuir janela; Melhorar desempenho; Permitir que usuário pudesse salvar seus próprios presets em arquivo, e depois carregá-los em outros projetos.

5 (a) Raycasting no InVesalius 1 (b) Raycasting no InVesalius 2 Figura 3 - Projeção volumétrica nas versões anteriores 2.2. Implementação O desenvolvimento do módulo de raycasting está diretamente vinculado a biblioteca VTK e segue a arquitetura de pipelines, onde a saída de um objeto é a entrada de um outro objeto. Um pipeline pode conter loops e ramificações. A Figura 4 ilustra o pipeline utilizado para elaboração da visualização volumétrica. Figura 4 - Pipeline No caso do pipeline em questão, a principal entrada é um a matriz cúbica de voxels em tons de cinza que contém as imagens médicas interpoladas. Utilizou-se a classe vtkimagedata para representar tais dados, a qual foi criada a partir da interpolação de um conjunto de imagens DICOM. O objetivo deste pipeline é atribuir cor e transparência a cada voxel cinza da matriz estudada, possibilitando a visualização volumétrica. Para a criação de um vtkvolume para projeção raycasting, além dos dados originais interpolados no formato vtkimagedata, também é necessário prover um conjunto de valores que contém as propriedades do volume (vtkvolumeproperty), tais como a relação de níveis de cinza para cores e transparências pré-definidas. Denominamos presets este conjunto de valores. Foram utilizados 30 conjuntos de presets-padrão de cores e transparências, baseados nos presets de softwares simliares. No que diz respeito as propriedades do volume, utilizou-se a classe vtkcolortransferfunction para atribuir cores aos voxels de entrada. Como esta

6 classe interpola os dados de entrada, é possível, por exemplo, atribuir a cor vermelho ao nível de cinza 100, e azul ao nível 500, e então a faixa de níveis de cinza entre 100 e 500 são atribuídas cores crescentes do gradiente entre vermelho e azul. Adicionalmente, foi utilizada a classe vtkpiecewisefunction para a atribuição de transparência ao níveis de cinza. Semelhante a vtkcolortransferfunction, esta classe permite atribuir transparências aos níveis de cinza, interpolando transparências entre níveis de cinza cujas transparências foram definidas. Por realizarem interpolação tanto a classe vtkcolortransferfunction quanto a classe vtkpiecewisefunction eliminam a necessidade de atribuir cores ou transparências a todos os níveis de cinza. A saída de ambas as classes, conforme descrito no pipeline, são utilizadas de entrada na classe vtkvolumeproperty. Assim que a classe vtkvolume contém a matriz de entrada e são definidas suas propriedades, é necessário selecionar um vtkmapper que permita a extração das primitivas do volume para a posterior renderização. Para trabalhar com projeção raycasting, a biblioteca VTK possui duas classes: vtkvolumeraycastmapper e vtkfixedpointvolumeraycastmapper. Para definir qual classe seria empregada no InVesalius 3, foram realizados testes utilizando o exame de código 0022, que contém 257 imagens DICOM, do conjunto de exames disponíveis no CTI. Após a reconstrução, alterou-se o ângulo de visão do modelo (antes frontal) para direita e cronometrou-se o tempo para atualização. O teste foi feito dez vezes para cada uma das classes, em um computador com processador Intel Core 2 Quad, com 4GB de memória e com placa de vídeo GeForce 8600 GT. Os resultados são discutidos na próxima sessão do trabalho. Uma vez definido o mapper de interesse, é necessário renderizar os dados, ou seja, converter as geometrias tridimensionais de modo que o usuário final tenha uma visualização 2D adequada. Para isso são utiizadas as classes vtkrenderer e vtkrenderwindow. O vtkrenderer é uma interface abstrata para implementações concretas, como o vtkopenglrenderer. Já a janela de renderização, ou vtkrenderwindow, é um método independente de interface gráfica que oferece suporte a interação com interface gráfica, incluindo tratamento de eventos como cliques de mouse e interações via teclado. Para elaboração da inteface gráfica para interação com o usuário, foi elaborada uma ferramenta ou widget com o qual o usuário pode personalizar os presets existentes, adicionando novos ponto e, alterando cores e transparências de acordo com o nível de cinza dos voxels de interese. Estas modificações podem ser salvas em novos presets. A Figura 5 ilustra tal ferramenta. Figura 5 Widget O widget desenvolvido contém vértices e compõe curvas, que são projetadas sobre o histograma do exame. Cada vértice possui uma cor e define determinada transparência, com base em sua posição relativa ao eixo y. O eixo x de cada vértice define qual nível de cinza do exame original, e como conseqüência os voxels dessa tonalidade, serão mapeados para a cor e a transparência do vértice correspondente. As curvas formadas pelos vértices compõe polígonos sobre a abiscissa e o preenchimento destes polígonos é diretamente vinculado a coloração dos vértices. O ícone na forma de disquete oferece ao usuário a opção de gravar as

7 suas alterações em um novo preset. Outra forma de interação com o raycasting é através do ferramenta de Window Width e Window Level. Quando esta funcionalidade está acionada, é possível alterar o mapeamento de cores e transparência movimentando o mouse com botão esquerdo pressionado sobre o volume. Os movimentos no sentido vertical correspondem a aumentar (para cima) ou diminuir (para baixo) o Window Width, enquanto os movimentos no sentido horizontal correspondem a deslocar a curva de interesse para direita ou deslocar a curva para esquerda em relação ao histograma (Window Level). 3. Resultados Inicialmente, houve a comparação e seleção do mapper mais adequado para a visualização volumétrica no InVesalius 3. Comparando vtkvolumeraycastmapper e vtkfixedpointvolumeraycastmapper foi possível avaliar que as principais diferenças entre estas duas classes são a velocidade e a qualidade de renderização. Constatouse que a classe vtkfixedpointvolumeraycastmapper é mais rápida que classe vtkvolumeraycastmapper. Segundo a metodologia proposta anteriormente, a primeira classe teve um tempo médio de 0.7 segundos, enquanto a segunda teve um tempo médio de cerca de 2.4 segundos. Ou seja, a classe vtkvolumeraycastmapper é mais de três vezes mais lenta que a classe vtkfixedpointvolumeraycastmapper. No que diz respeito a qualidade do volume gerado, foi observado que vtkvolumeraycastmapper gerou reconstruções mais detalhadas do que a classe vtkfixedpointvolumeraycastmapper. A Figura 6 apresenta a diferença de qualidade na visualização de veias e vasos sanguíneos, principalmente na região do pescoço, mandíbula e lateral do crânio. Optou-se por utilizar a classe vtkfixedpointvolumeraycastmapper por padrão no InVesalius 3, com base em pareceres de cirurgiões, que justificaram que a diferença de qualidade não justificava a diferença de velocidade de renderização entre as implementações. (a) vtkvolumeraycastmapper (b) vtkfixedpointvolumeraycastmapper

8 Figura 6 Em relação as versões prévias do InVesalius, houve clara facilitação na utilização da ferramenta. O resultado do trabalho pode ser analisado na Figura 7, onde a visualização volumétrica gerada pelo InVesalius 3 é comparada a visualização volumétrica de uma aplicação comercial proprietária chamada Mimics, da empresa belga Materialize. (a) Raycasting no InVesalius 3 (b) Raycasting no Mimics 13 Figura 7 - Comparação do raycasting no InVesalius 3 e no software comercial Mimics 13. Cirurgiões, médicos, odontologistas e profissionais da área forense demonstraram contentamento com a implementação de projeção volumétrica no InVesalius 3. Tais profissionais apontaram que ocorreram melhorias significativas na qualidade, interatividade e desempenho em relação as versões prévias e mesmo em relação a software comerciais da área, como o Mimics. Apontou-se também o uso educacional desta ferramenta, através da criação de atlas digitais. Outra aplicação é endoscopia digital, em que o cirurgião simula inspeções invasivas diretamente no volume, assim evitando a introdução de objetos estranhos no corpo do paciente. Na área forense, o recurso de visualização volumétrica é de grande valia e auxilia investigadores forenses e advogados a interpretarem imagens de tomografia computadorizada ou ressonância magnética na forma de um modelo virtual 3D completo e interativo, podendo com isso avaliar de forma mais adequada casos de homicídio, por exemplo, nos quais é importante a distinção de estruturas e regiões tridimensionalmente. 4. Conclusão Através do desenvolvimento desta pesquisa foi possível analisar a importância da visualização volumétrica através de raycasting para auxilio a diagnóstico, quando devidamente implementada. Foram observadas significativas melhorias em relação as versões prévias do InVesalius e a softwares comerciais, sendo que acredita-se que os maiores diferenciais foram a utilização de valores pré-definidos (presets) adequados e uma interface gráfica de fácil utilização. Tais características fizeram com que profissionais de diversas áreas fossem beneficiados com o uso do programa em diversos contextos, incluindo ensino,

9 diagnóstico e análise forense. Para trabalhos futuros, espera-se elaborar novos presets para TC, e RM e outras modalidades de imagens médicas. Adicionamente, pretende-se utilizar a GPU (Graphical Processor Unit) para a geração da visualização volumétrica, otimizando o desempenho do programa. Utilizando a GPU será possível permitir a interação rápida e de qualidade. Referências HASSANI, N.; R. KHOMEINI, & R. BARD Principles of computerized tomography. Journal of the National Medical Association Vol. 68, no. 2 (March), p HOUNSFIELD SCALE, acessado 21/03/2010 INVESALIUS, acessado em 15/03/ MANSSOUR, ISABEL HARB & FREITAS, CARLA MARIA DAL SASSO, Visualização Volumétrica, Revista de Informática Teórica e Aplicada Vol. IX, no. 2 (2002), p PYTHON, acessado em 15/03/2010. SOFTWARE PUBLICO, acessado em 15/03/ THÉVENAZ, PHILIPPE; BLU, THIERRY & UNSER, MICHAEL, Interpolation Revisited, IEEE TRANSACTIONS ON MEDICAL IMAGING Vol. 19, no. 7 (July 2000), p VTK, acessado em 15/03/2010.