Supressão do osso para imagens radiográficas do tórax

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1 Supressão do osso para imagens radiográficas do tórax Introdução A radiografia do tórax continua sendo o método mais usado para triagem e diagnósticos de doenças do pulmão, como o câncer do pulmão, pneumotórax, doença intersticial, enfisema e muitas outras. A detectabilidade de uma doença do pulmão em uma radiografia do tórax é afetada pela SNR (signal-to-noise ratio - Taxa de sinal-ruído) na imagem. As estruturas ósseas de alto contraste são os principais causadores de ruído que reduzem, significativamente, a SNR nas imagens radiográficas do tórax. Um sinal de interesse em uma radiografia do tórax pode ser obscurecida, parcialmente ou completamente, ou eclipsada, pelas estruturas ósseas altamente contrastadas que estão ao seu redor. É por isso que a remoção das estruturas ósseas, especialmente as estruturas das costelas posteriores e das clavículas, é altamente desejável para incrementar a visibilidade do tecido ósseo. As técnicas avançadas de criação de imagens de raios X, como a criação de imagens 3D (TC e tomossíntese) e subtração de energia dupla, foram desenvolvidas para removerem o ruído de sobreposição da estrutura óssea para aprimorar a visibilidade do tecido do osso. Contudo, essas tecnologias avançadas de criação de imagens não conseguem substituir o papel da radiografia do tórax para sua eficiência, dose baixa de radiação, custo baixo e, principalmente, sua portabilidade e mobilidade. A radiografia do tórax tem um papel essencial para os pacientes em unidades de terapia intensiva (UTIs). As técnicas avançadas de criação de imagens foram otimizadas para uso em UTIs, onde a portabilidade e a mobilidade do dispositivo são requeridas ou altamente desejadas. O software Bone Suppression da Carestream oferece uma solução para suprimir estruturas ósseas, incluindo clavículas e costelas posteriores, em imagens de raios X do tórax convencionais e portáteis. A solução não requer nenhum procedimento ou dose de radiação adicional. O software processa as imagens radiográficas do tórax usando tecnologias de aprendizado da máquina e de reconhecimento de padrões para detectar, com precisão, as estruturas das costelas e das clavículas e para calcular os perfis da estrutura usados na etapa de supressão subsequente. Esse processo de supressão do osso é limitado às estruturas detectadas para manter as alterações desnecessárias às imagens originais em níveis mínimos. O software foi projetado para suprimir as estruturas ósseas de alto contraste enquanto mantém a integridade da qualidade da imagem, em particular o nível de contrastedetalhe, o mais próxima possível das imagens originais. Software Bone Suppression da CARESTREAM O software Bone Suppression da CARESTREAM recebe uma imagem de um dispositivo de captura (DR ou CR) e a processa seguindo as etapas mostradas na Figura 1. O processamento de imagens inclui cinco etapas principais: 1) segmentação do pulmão, 2) detecção da estrutura das costelas e clavículas, 3) detecção das bordas das costelas e clavículas, 4) cálculo do perfil das costelas e clavículas e 5) supressão baseada nos perfis calculados. O software de supressão do osso cria uma imagem que suprime as estruturas das costelas posteriores e das clavículas. A imagem suprimida é, então, aprimorada do mesmo modo que a imagem original para visualização, e usada como uma visualização associada. Os exemplos de imagens mostrados na Figura 2 ilustram algumas das etapas para a supressão de costelas. A detecção de costelas é efetuada no campo do pulmão segmentado. As costelas detectadas na Figura 2(c) são depois processadas para a detecção precisa das bordas das costelas. Os perfis das costelas são calculados para as costelas detectadas e usados no processo de supressão subsequente. O processo de supressão é limitado somente às áreas das costelas; as áreas fora das costelas não são afetadas. Além disso, as bordas das costelas são suficientemente suprimidas conforme mostrado na Figura 2(d). Não é efetuado nenhum processamento de imagem, em particular nenhuma operação de suavização, para reduzir a nitidez da imagem. É essencial manter a qualidade das imagens (por exemplo, o nível de contraste-detalhe) com o osso suprimido o mais aproximada possível das imagens originais, de modo que as anormalidades maiores e de baixo

2 contraste (conforme mostrado na Figura 4) e as estruturas de linhas sutis (um pneumotórax, conforme mostrado na Figura 3) possam beneficiar da supressão do ruído da estrutura do osso com detectabilidade aprimorada. Na etapa de aprimoramento da imagem, o software DirectView EVP Plus da CARESTREAM padrão é usado para produzir a visualização associada com as costelas suprimidas. As imagens com as costelas suprimidas, contudo, podem ser mais aprimoradas por outro software de processamento de imagens da Carestream, por exemplo, aprimoramento da visualização do pneumotórax (software Pneumothorax Visualization da CARESTREAM), conforme mostrado no exemplo na Figura 3(c). Atualmente, esta opção não é oferecida. Entrada de imagens do tórax DR ou CR Segmentação do pulmão Detecção de costelas/ clavículas Detecção das bordas de costelas/clavículas Cálculo do perfil do osso Supressão de costelas/ clavículas Aprimoramento da imagem Saída da visualização associada Figura 1: Sequência do processamento de imagem para criar uma visualização associada de osso suprimido 2

3 (a) (b) (c) (d) Figura 2: a) Uma entrada de imagem radiográfica do tórax de CR portátil; b) a imagem com o campo do pulmão segmentado; c) a imagem com as costelas detectadas; e d) a imagem com as costelas suprimidas. A Figura 3 mostra uma imagem de CR portátil com um pneumotórax no pulmão superior direito e a visualização associada com as costelas suprimidas. Uma imagem com as costelas suprimidas é então processada usando o software Pneumothorax Visualization da CARESTREAM. Uma região contendo o pneumotórax é selecionada a partir de cada uma das três imagens. Tal como a Figura 3(d) mostra, o detalhe do contraste é bem preservado nas imagens com as costelas suprimidas para visualização dos sinais do pneumotórax sutil, por exemplo, a borda do pulmão recolhido e a diferença na textura entre as regiões separadas pela borda. A Figura 4 mostra uma imagem de DR com uma anormalidade grande, confirmada pelas imagens de tomografia computadorizada, atrás da clavícula direita na costela de topo. Conforme mostrado na Figura 4(b), a forma e tamanho da anormalidade são mais fáceis de ver após a supressão das clavículas e das costelas. Isso demonstra que o software calcula com precisão os perfis da estrutura do osso e não suprime em demasia as áreas onde existe uma estrutura grande ou uma anormalidade. 3

4 (a) (b) (c) Figura 3: Uma imagem do tórax de CR portátil antes (a) e após a supressão do osso (b). Uma imagem aprimorada (c) criada usando o software Pneumothorax Visualization da CARESTREAM. As regiões de interesse (d) possuem um pneumotórax a partir do pulmão superior direito, demonstrando que o detalhe do contraste é bem preservado após a supressão das costelas. (d) 4

5 (b) (a) (c) (d) Figura 4: Uma imagem do tórax de DR convencional (a) e a respectiva visualização associada com as costelas suprimidas (b). Imagens de CT (visualizações coronais e sagitais) do mesmo paciente. As setas indicam as mesmas anormalidades grandes. 5

6 A visualização associada da supressão do osso aprimora a detecção dos nódulos no pulmão e dos pneumotóraxes Para demonstrar o benefício do software Bone Suppression da CARESTREAM, foram efetuados estudos do leitor para avaliarem o desempenho do leitor na detecção de nódulos do pulmão e pneumotóraxes, com e sem uma visualização associada de supressão do osso. Participaram em ambos os estudos cinco radiologistas certificados com vários níveis de experiência em imagens radiográficas do tórax. Foi solicitado primeiro aos leitores para marcarem os locais das doenças do pulmão, incluindo nódulos, pneumotórax, fibroses, granuloma, intersticial, doenças da pleura e outros tipos de anormalidade em uma radiografia do tórax sem a visualização associada. Depois foi-lhes solicitado para efetuarem todas as alterações em suas detecções iniciais, após a visualização associada ter sido apresentada. Os leitores puderam marcar as detecções adicionais, alterar suas detecções iniciais de um tipo de doenças do pulmão para outro ou remover as detecções iniciais. Além disso, foi-lhes solicitado para fornecerem uma classificação subjetiva (significativamente melhor, melhor, a mesma ou pior) sobre como eles perceberem ou caracterizarem as anormalidades e parênquima do pulmão e sua confiança (mais, a mesma ou menos) nos diagnósticos relativamente à presença ou ausência de uma anormalidade em cada caso, após a visualização associada ter sido apresentada. Estudo de detecção de nódulos Foram usadas radiografias do tórax de PA digitais convencionais de 50 pessoas no estudo de detecção de nódulos. Essas imagens foram selecionadas a partir de um banco de dados disponível publicamente, do LIDC (Lung Image Database Consortium) e da IDRI (Image Database Resource Initiative), que foram coletadas para estabelecerem um banco de dados comum de nódulos do pulmão para digitalizações do tórax de tomografia computadorizada e radiografias do tórax digitais 1. Foram primeiro identificados possíveis nódulos de tamanho entre 3mm e 30mm (medidos em tomografia computadorizada) nas digitalizações de tomografia computadorizada. As localizações desses nódulos confirmados por tomografia computadorizada foram marcadas nas radiografias do tórax por quatro radiologistas com experiência de tórax com confianças anotadas ( definitivamente não visíveis, visíveis de forma duvidosa ou definitivamente visíveis ). Os detalhes sobre o estabelecimento da verdade do nódulo podem ser encontrados em qualquer lugar 1. Foi identificado um total de 49 nódulos de tomografia computadorizada confirmados visíveis de forma duvidosa ou definitivamente visíveis nas 50 imagens de DR. Os resultados do estudo de detecção do nódulo mostraram que a sensibilidade média aumentou de 51% para 58,2% após a visualização-associada das costelas suprimidas ter sido apresentada. De um modo geral, os cinco leitores têm um aumento médio de 7,2% na sensibilidade para detectarem nódulos confirmados de tomografia computadorizada em um nível estatisticamente significativo (p=0,01). O número médio de detecções falsas-positivas (FP) por imagem aumentou do valor inicial de 0,244 para 0,28 por imagem. A diferença não estava em um nível estatisticamente significativo (p=0,25). Estudo de detecção de pneumotórax Foram usadas as imagens de radiografia do tórax de CR portátil de 65 pessoas no estudo de detecção de pneumotórax. Foram confirmadas trinta e sete com, pelo menos, um pneumotórax. Essas imagens foram selecionadas a partir de um banco de dados que consiste de mais de 200 imagens de CR portátil, que foram coletadas para avaliarem o software Pneumothorax Visualization da CARESTREAM 2. Foram selecionadas imagens para representarem uma mistura de pneumotóraxes com sutilezas diferentes baseados no tamanho e sutileza classificada por dois radiologistas do tórax. Os resultados da detecção do pneumotórax mostraram que a sensibilidade média dos cinco leitores aumentaram de 74% para 83,2% após a visualização associada com as costelas suprimidas ter sido apresentada. A análise baseada no teste de Aluno t para dados emparelhados mostraram que o aprimoramento médio (9,2%) foi estatisticamente significativo (p=0,001). De um modo geral, cada um dos cinco leitores ganhou, ao menos, um aprimoramento de 8,1% na sensibilidade. Este aprimoramento levou a que os três executores principais alcançassem uma sensibilidade de 89%, 97% e 100%, respectivamente, na detecção de pneumotóraxes sem nenhuma detecção de FP adicional. O número médio de detecções de FP por imagem para os cinco leitores aumentou do valor inicial de 0,025 para 0,040 por imagem. A diferença, contudo, não estava em um nível estatisticamente significativo (p=0,19). Nós mostramos que o aprimoramento da imagem com costelas suprimidas usando o software Pneumothorax Visualization da CARESTREAM pode aprimorar mais a taxa de detecção do pneumotórax em 8% adicionais para os executores menores. Impacto na confiança A análise das classificações subjetivas a partir dos dois estudos mostrou que o uso da visualização associada com costelas suprimidas aprimorou a capacidade dos leitores para caracterizarem as anormalidades e a parênquima do pulmão. Em média, eles classificaram sua capacidade para 6

7 caracterizarem o parênquima e as anormalidades como significativamente melhor ou melhor em 74% e 59%, respectivamente, de todas as imagens (115) após a visualização associada com as costelas suprimidas ter sido apresentada. Isso foi refletido em sua confiança aprimorada na execução de diagnósticos sobre a presença ou ausência de uma anormalidade. Baseados em suas classificações, eles estavam mais confiantes em efetuarem diagnósticos em 58% das imagens após a visualização associada ter sido apresentada. Resumo Os resultados do estudo mostraram que o uso do software Bone Suppression da CARESTREAM aprimorou a capacidade dos radiologistas para caracterizarem as anormalidades e parênquima do pulmão e suas confianças em executarem diagnósticos sobre a presença ou ausência de uma anormalidade nas radiografias do tórax. O estudo de detecção de nódulos mostrou que o uso da supressão do osso aprimorou significativamente a capacidades dos radiologistas para detectarem nódulos confirmados de-cr em 7,2% na sensibilidade, com um aumento da taxa de detecção de FP de 0,04/imagem. O estudo de detecção do pneumotórax mostrou que o uso da supressão do osso aprimorou a capacidade individual do radiologista para detectar pneumotóraxes em, ao menos, 8,1% na sensibilidade com nenhuma ou com uma taxa de detecção de FP ligeiramente incrementada (0,015/imagem). A interpretação das radiografias do tórax é um grande desafio. O aspecto ou características das várias doenças do pulmão pode variar dramaticamente em termos de seu tamanho, forma e contraste. É essencial que uma solução de supressão do osso seja capaz de preservar os detalhes da imagem de modo que o SNR possa ser aprimorado para várias doenças do pulmão após a supressão do osso. Os resultados nos estudos do leitor demonstraram a capacidade do software Bone Suppression da CARESTREAM em aprimorar a detecção das doenças do pulmão de características diferentes, por exemplo, pneumotóraxes e nódulos do pulmão. Esperamos que o software forneça aos radiologistas e médicos nas UTIs um meio para aprimorarem suas experiências globais na interpretação da radiografia do tórax com efetividade e eficiência aprimoradas. Referências: 1 Armato SG III, McLennan G, Bidaut L, McNitt-Gray MF, Meyer CR, Reeves AP, Zhao B, Aberle DR, Henschke CI, Hoffman EA, Kazerooni EA, MacMahon H, van Beek EJR, Yankelevitz D, et al.: The Lung Image Database Consortium (LIDC) and Image Database Resource Initiative (IDRI): A completed reference database of lung nodules on CT scans. Medical Physics, 38: , Shoushtari H, Ley-Zaporozhan J, Karimzad Y, Menezes R, Odedra D, Jimenez-Juan L, Leon Zelovitsky L, Paul NS: Enhanced Pneumothorax Visualization in ICU Patients, Annual Meeting of Radiological Society of North American (RSNA), Dezembro de Carestream Health, CARESTREAM é uma marca comercial da Carestream Health. CAT _PT-BR 3/14