Sistema de Subtração digital de imagens para aplicações em angiografia

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1 Sistema de Subtração digital de imagens para aplicações em angiografia Luís C. Caraschi 1,3 ; Annie F. Frère 2,3 1. Escola de Engenharia de São Carlos EESC/USP 2. UMC Núcleo de Pesquisa Tecnológica Universidade de Mogi das Cruzes 3. IFSC Instituto de Física de São Carlos USP Av. Dr. Carlos Botelho, 1465 São Carlos SP, Brazil CEP caraschi@if.sc.usp.br Resumo No intuito de transformar sistemas de angiografia convencionais em sistemas de subtração digital com angiografia (DAS) foram implementados três métodos de subtração digital, subtração digital por complemento de um, subtração por comparação 1 e subtração digital por comparação 2 e dois métodos de processamento: "threshold" e equalização para aplicação em sistemas angiograficos (DSA). O estudo destes métodos foi realizado com a simulação em sistemas gráficos a partir da qual foram avaliados o realce das pequenas estruturas vasculares, a influência do ruído e a velocidade de operação na subtração das imagens. Os algoritmos desenvolvidos em linguagem borland delphi 2.0 (32 bits) foram testados com imagens obtidas no Hospital das Clínicas em Ribeirão Preto e os resultados foram comparados por análise visual. Palavras chaves: Subtração digital, angiografia, simulação 1. Introdução Atualmente o diagnóstico por imagem é uma ferramenta muito valiosa na medicina [1] [2] e é cada vez mais utilizada. Entretanto todas as unidades radiologicas não podem ser equipadas com todos os sistemas de imagens que desejariam. Em particular o sistema de subtração digital com angiografia, é muito útil para visualizar vasos ou estruturas cardiovasculares, mas representa um alto custo financeiro para a aquisição dos equipamentos que constituem este sistema. Entretanto em quase todas as unidades, existem sistemas de angiografia convencionais que poderiam ser transformadas em DSA com a aquisição de equipamentos simples. De fato o sistema de angiografia convencional fornece angiogramas que podem ser digitalizados através de um digitalizador de alta resolução. Estas imagens angiograficas digitais podem ser armazenadas em arquivos no disco rígido do microcomputador e posteriormente processadas para realizar a subtração digital. O processamento pode ser realizado utilizando vários métodos, tais como, o método de subtração por complemento de um, o método de subtração por comparação 1, o método de subtração por comparação 2. A estes métodos podem ser acrescentados facilmente várias outras opções de processamento de imagens, tais como threshold e equalização.

2 Neste trabalho propomos portanto um sistema computacional que, associado a outros equipamentos, permita realizar a subtração digital entre as imagens angiograficas.o sistema DSA proposto e apresentado na figura 1a é composto por um sistema de angiografia convencional, um digitalizador de alta resolução, uma unidade de processamento e armazenamento e um monitor para visualização. Uma outra opção seria de digitalizar as imagens com uma placa de aquisição de vídeo instalada em um microcomputador. Neste caso uma câmera de vídeo acoplada a um intensificador fluoróscopico de raios x adquire as imagens e as envia para o microcomputador que realiza as funções de digitalização, armazenamento e processamento como mostrado na figura 1b. Figura 1 Diagrama de blocos (a) DSA com digitalizador (b) DSA com ccd 2. Materiais e Métodos Foi desenvolvido um algoritmo que simula três métodos de subtração. O primeiro método realiza o processo de subtração por complemento de um obedecendo as regras das subtrações binárias. O segundo método realiza o processo de subtração por comparação 1, onde : Pixels iguais => valor resultante igual a zero (preto).

3 Pixels diferentes=> valor resultante é predeterminado: igual a 255 (branco). Ex (71) (71) (53) (71) (255) (0) O terceiro método realiza o processo de subtração por comparação 2, onde: Pixels iguais => valor resultante igual a zero (preto). Pixels diferentes => valor resultante do pixel imagem contraste. Ex (71) (71) (53) (71) (71) (0) A imagem máscara e a imagem contraste podem sofrer um pre processamento antes do processamento de subtração, onde o valor dos pixels de toda a imagem é submetido a um "filtro" supressor de ruídos, ou seja alguns bits menos significativos são desprezados. Este processamento que denominamos supressão de bits utiliza a operação booleana "and" entre os oito bits das imagens máscara e contraste, da seguinte maneira: Se o pixel resultante é ( ), dependendo do ruído que se deseja suprimir, se substitua os últimos bits menos significativos por zero. Foram realizados o processamento por "threshold" e equalização, sendo que o "threshold" foi aplicado tanto sobre a imagem contraste quanto sobre a imagem resultante da comparação 2. A equalização foi aplicada sobre a imagem fonte contraste. 3. Resultados e discussões As imagens fontes utilizadas neste trabalho foram obtidas a partir da digitalização de angiogramas cedidas pelo Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto.Estas imagens foram geradas por um aparelho de subtração digital com angiografia fabricado pela CGR modelo DG300. A figura 2 mostra as imagens máscara e contraste.

4 Figura 2 Imagens fontes (a) máscara (b) contraste A figura 3 mostra as imagens resultantes da subtração por complemento de um e por comparação 2. Figura 3 Imag. Resultantes (a) compl. de um (b) por comparação 2 As imagens obtidas pelos métodos de subtração por complemento de um e comparação 2 não apresentaram melhoria significativa em relação a imagem contraste e também não realçaram as estruturas vasculares de forma significativa em nehuma região.a figura 4 mostra a imagem contraste, a 4b as imagens resultantes por comparação 1, nas figuras 4c e 4d as imagens tiveram seus últimos bits suprimidos sendo supressão de 4 bits na imagem 4c e 5 bits na imagem 4d.

5 Figura 4 Imagens resultantes por comparação 1 a. imagem contraste b. imagem res. por comparação 1 c. imagem res. por comp. 1 após sup. de 4 bits d. imagem res. Por comp. 1 após sup. de 5 bits Na figura 4b, pode se notar que o resultado obtido por comparação 1 realçou as estruturas pequenas que não eram visíveis na imagem contraste, mas acrescentou ruído. Na figura 4c houve uma diminuição do ruído e realçamento das estruturas vasculares que se tornaram um pouco mais visível do que na imagem contraste (fig. 4 a ), entretanto houve perda de informações na parte superior direita da imagem. Na figura 4d as estruturas vasculares estão bem ressaltadas e o ruído também diminuiu. A figura 5 mostra as imagens realçadas pelo processamento de "threshold", onde a figura 5.a é a imagem contraste, a 5.b é a imagem realçada por "threshold" sobre imagem contraste, a 5.c é a imagem resultante por comparação 2 e a 5.d é a imagem realçada por "threshold" sobre imagem resultante por comparação 2.

6 Figura 5 Imagem realçada por "threshold" A imagem obtida por threshold" na figura 5.b realçou as estruturas que existem no lado superior direito, borrou as estruturas que eram visíveis do lado inferior esquerdo da imagem 5.a e acrescentou ruído. A figura 5.d apresentou uma qualidade de imagem bem inferior as demais. Podemos concluir que os métodos comparação 1 e "threshold" sobre imagem contraste (5.b) apresentaram resultados parecidos. A figura 6b mostra a imagem realçada por equalização após o processamento de equalização sobre a imagem contraste mostrada na figura 6a. Figura 6 Imagem realçada por equalização Comparando a imagem obtida por equalização com a imagem resultante por comparação 1, notamos que houve uma melhoria significativa nas partes inferior esquerda e superior direita, com realçamento das estruturas vasculares sem haver borramento das mesmas. A velocidade média de processamento do método por comparação 1, do "threshold" e da equalização exigiram praticamente o mesmo esforço computacional, em torno de 4.5Kb/s. Portanto é possível utilizar um microcomputador simples para realizar operações de DSA a partir de aparelhos angiográficos que não possuem está tecnologia. A viabilidade econômica deste sistema baseia-se principalmente no baixo custo de aquisição de equipamentos computacionais convencionais em contrapartida ao alto custo de aquisição de equipamentos angiográficos.

7 Propomos portanto transformar um sistema angiográfico em um sistema DSA acoplando-o a um microcomputador com placa de aquisição de imagens que irá digitalizar em tempo real o sinal de vídeo oriundo do monitor do sistema de fluoróscopia de raios x. Após realizar as operações de subtração por comparação 1 e equalização, o sistema produzirá as imagens resultantes as gravará em um disco rígido e as mostrará na tela do monitor constituindo-se em um sistema de angiografia convencional DSA de baixo custo. 4. Conclusão Observamos que houve uma nítida melhoria das imagens quando se aplica o método de subtração por comparação 1, principalmente quando se despreza os últimos quatro e cinco bits menos significativos. As imagens obtidas pelo método de processamento por "threshold", comparadas com o método por comparação 1 aplicado sobre a imagem contraste, apresentaram resultados parecidos. O processamento por equalização, apresentou melhores resultados que os obtidos com o método por comparação e "threshold", principalmente quando o processamento é realizado a partir da imagem contraste. Podemos concluir que os sistemas de angiografia convencionais podem ser transformados em DSA com a aquisição de equipamentos simples e processamento computacional utilizando o método por comparação 1, "threshold e equalização deixando ao usuário a escolha do processamento em função do que ele quer ressaltar. Referências [1] Gmur (1995a) Gmur, N. F.; Chapman, D.; Tomlinson, W.; Thompson, A. C.; Lavender, W. M.; Scalia, K.; Malloy, N.; Mangano, J.; Jacob, J. "NSLS transvenous coronary angiography beamline upgrade and advanced technology initiatives" Review of Scientific Instruments, v.66, n.2, feb. 1995, p [2] Dix (1994) Dix, W. R.; Becsh, H. J.; Graeff, W.; Hamm, C. W. ; IIIing,G.; Kupper, W. ; Lohmann, M.; Meinertz, T.; Menk, R. H.; Reime, B.; Rust C.; Schildwächter, L.; Tafelmeier, U. e Walenta, A.H. "Coronary angiography with synchrotron radiation" Journal de Physique IV [colloque], v.4, n.9, nov.1994,p. C C9286