Capitulo I - Apresentação

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2 Capitulo I - Apresentação 1

3 Capitulo I - Apresentação PD 77 - Alinhamento de Imagens Médicas Relatório final submetido ao Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores para satisfação parcial dos requisitos do: Projecto, Seminário, Trabalho de Fim de Curso Por: Nuno José Sá Couto Sérgio Vasconcelos de Barros Finalistas do curso de Engenharia Electrotécnica e de Computadores da Universidade do Porto Orientador: Armando Jorge Padilha Prof. Associado do Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 2

4 Capitulo I - Apresentação Agradecimentos Ao Instituto de Engenharia Biomédica da Universidade de Karlsruhe por todo o seu apoio e disponibilidade, em particular na pessoa do Eng. Ingo de Boer. Ao Prof. A. Jorge Padilha pela orientação e oportunidade que nos deu de trabalharmos numa área que sempre nos motivou. Ao Eng. João Tavares por toda a sua disponibilidade e pela disponibilização de funções por si desenvolvidas. Ao INEB e em particular aos Eng. Pimenta Monteiro e Eng. Miguel Velhote por toda a disponibilidade e apoio prestado ao longo deste projecto. Ao Dr. Lusitano pelo estabelecimento da ligação ao Instituto de Química Fisiológica, laboratório de radioisótopos da Faculdade de Medicina de Coimbra, em particular ao Prof. Adriano Rodrigues, e ao departamento de medicina nuclear do Hospital de S. João, em particular ao director de serviço Dr. Jorge Rodrigues. 3

5 Capitulo I - Apresentação Índice Capítulo I - Apresentação 1. Proposição Objectivos do Projecto Estrutura do Relatório 3 2. Etapas do Projecto 4 Capítulo II Medicina Nuclear, SPECT e PET Introdução 7 1. Medicina Nuclear Introdução História Factos Computadores em Medicina Nuclear Introdução Imagens Digitais Aquisição de Imagem Conclusão Segurança e Controlo da Qualidade Futuro Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) Introdução ao SPECT História do SPECT Teoria e Instrumentação Aquisição e Processamento de Imagem em SPECT Reconstrução de Imagem Projecção Inversa Filtrada Método dos Parâmetros Directos Método dos Mínimos Quadrados com Restrição Linear Reconstrução Iterativa A Câmara Gama Características da Câmara Gama Controlo de Qualidade da câmara Colimador Resolução e Sensibilidade Tipos de Colimadores Converging Hole 21 I

6 Capitulo I - Apresentação Convergência e divergência Pin- Hole Detector de Cintilação Tubos Fotomultiplicadores Circuitos de Posicionamento Computador para Análise de Dados Visualização SPECT Artefactos que influenciam a visualização SPECT Protocolos de Aquisição Imagem Planar Aquisição de imagem planar dinâmica Aquisição de Imagem SPECT Aquisição de Imagem SPECT Dinâmica Aquisição SPECT GATED Aplicações SPECT Avanços Técnicos do SPECT Câmara de Compton Conclusão Positron Emission Tomography (PET) Introdução ao PET Aspectos Históricos do PET Teoria e Instrumentação Radionuclidos Metabolismo da glucose Aquisição e Processamento de Imagem em PET Funções do PET Aplicações e Investigação Associada ao PET 32 Capítulo III Fundamentos Teóricos 1. Introdução à Visão por Computador Introdução Visão por Computador Áreas Associadas à Visão por Computador Processamento de imagem Gráficos Computadorizados Reconhecimento de Padrões Inteligência Artificial Psicofísica Áreas de Aplicação Técnicas de Aquisição de Informação Tridimensional Introdução Técnicas Activas de Aquisição Tridimensional Técnicas Passivas de Aquisição Tridimensional 38 II

7 Capitulo I - Apresentação 3. Processamento e Análise de Imagem Thresholding Filtragem de Imagem Filtros de Suavização e Realce Filtro de média Filtro de mediana Filtro Gaussiano Filtros Derivativos Operadores de Gradiente Operadores Laplacianos Detecção de Orlas de Intensidade Detecção de Orlas de Intensidade Canny Detecção de Orlas de Intensidade Deriche Operações Complementares Transformação de Hough Detecção de Linhas Detecção de Círculos Detecção de Elipses Transformações e Coordenadas Homogéneas Modelos Deformáveis Snakes Balloons 52 Capítulo IV Sistema Desenvolvido 1. Introdução ao Sistema Desenvolvido Problemática do Projecto Método Conceitos Básicos Esteroscopia Passiva Triangulação Óptica Equação da Lente Resolução da Imagem Profundidade de Campo Sistema Desenvolvido Material Utilizado Câmaras e Lentes Suporte para Câmaras Frame Grabber PC Alvo a Colocar no Paciente Alvo para Calibração das Câmaras Transformadores e Cabos de Ligação Interruptor Porta Série Aquisição de imagens Estereoscopicas 6 III

8 Capitulo I - Apresentação Introdução Software Desenvolvido Opções de Aquisição Esquemas de Aquisição Configuração de Níveis de Referência Análise do Software Desenvolvido Calibração das Câmaras Introdução Fundamentos Teóricos Abordagem seguida no Projecto Introdução Modelo de Câmara Calibração de uma Câmara Considerações sobre o Modelo Utilizado Influência de uma Determinação Incorrecta do Centro de Imagem Determinação das Coordenadas dos Pontos de Calibração Software Desenvolvido Calibração de uma Câmara Determinação das Coordenadas na Memória Frame Formatação dos Pontos de Calibração Simulador de uma Câmara Resultados Experimentais Determinação das Coordenadas dos Pontos de Calibração Simulação de Calibrações de Câmaras Formatação dos Pontos de calibração Calibração de Câmaras Detecção de Alvos e Obtenção de Informação 3D Introdução Detecção de Pontos Característicos Dimensionamento do Alvo Detecção do Alvo Emparelhamento de Pontos Característicos Obtenção de Informação Tridimensional Princípio da Triangulação Estereoscopica Implementação Desenvolvida Software Desenvolvido Comprovação dos Algoritmos Desenvolvidos Implementação do software Estimação e Correcção de Movimento Introdução Método Utilizado Software Desenvolvido Comprovação dos algoritmos desenvolvidos Implementação do Software 14 IV

9 Capitulo I - Apresentação Capítulo V Análise de Resultados 1. Introdução Estimação do Ângulo de Visão das Câmaras Testes Efectuados Influência dos Parâmetros de Calibração 116 Capítulo VI Conclusões e Trabalho Futuro 1. Pesquisa de Informação Etapas do Projecto Abordagem Seguida Equipamento utilizado Algoritmos desenvolvidos 121 Bibliografia 1. Publicações Internet 126 V

10 Capitulo I - Apresentação Capítulo I 1 Proposição Cada vez mais a Engenharia torna-se uma aliada poderosa da Medicina. Os sistemas de apoio à decisão contribuem significativamente para um melhor e mais rápido diagnóstico por parte do pessoal médico. Isto deve-se ao facto da capacidade de processamento e de armazenamento de informação dos computadores actuais ser de tal ordem elevada, que estes conseguem processar e analisar grandes quantidades de informação em espaços de tempo extremamente curtos. Se essa mesma informação fosse analisada por pessoas, além de levar um tempo de processamento e análise muito superior, levaria a que as conclusões fossem imprecisas e variáveis, devido a influências externas tais como cansaço, más condições de visualização, etc. Assim, no âmbito deste projecto foi desenvolvido um sistema de apoio à decisão médica através do processamento e análise de imagens digitais, em parceria com um exame de medicina nuclear SPECT planar. Este exame de medicina nuclear tem como objectivo estudar o funcionamento dos órgãos, como por exemplo os rins. O funcionamento do órgão é avaliado através da análise da quantidade de um determinado radionuclido que está presente nesse órgão durante um determinado período de tempo. Este tipo de exame necessita de alguns requisitos para que o diagnóstico final seja o mais preciso possível, sendo um desses requisitos, o paciente permanecer imóvel durante todo o período de tempo do exame médico. Se esse requisito não for preenchido, a capacidade de diagnóstico deteriora-se de tal forma que a solução geralmente usadas nestes casos é a repetição do exame. Assim a motivação para este trabalho é dimensionar e implementar um sistema de aquisição de imagem com duas câmaras para detectar movimentos do paciente de modo a efectuar a correcção desse movimento nas imagens médicas finais. Para a implementação torna-se assim importante obter informação tridimensional. Existem actualmente várias técnicas para tornar possível esta obtenção utilizando visão por computador. Normalmente as técnicas existentes são divididas em duas categorias: activas e passivas. O sistema a desenvolver será um sistema do tipo passivo. Neste caso irão ser utilizadas duas câmaras, ligadas a um computador (que será responsável pela aquisição das imagens digitais), com um suporte físico e alvos para detecção devidamente dimensionados. O presente trabalho enquadra-se assim numa técnica passiva de estereoscopia de obtenção de informação tridimensional. Quando se pretende obter informação tridimensional de uma cena, a partir de uma sequência de pares de imagens obtidas simultaneamente por duas câmaras, torna-se indispensável o prévio conhecimento do modelo da câmara utilizada. Assim, é necessário conhecer previamente o modo como os pontos no espaço tridimensional são transformados em pontos plano imagem da câmara, para cada par de imagens ao longo da sequência. Essa determinação do modelo da câmara isto é, a 1

11 Capitulo I - Apresentação determinação da geometria interna e das características ópticas (parâmetros intrínsecos) e a orientação e posição da câmara relativamente a um certo sistema de coordenadas mundo (parâmetros extrínsecos) é designada por calibração da câmara. Estes parâmetros são conseguidos através da análise da posição de diversos pontos ao longo de um plano de calibração propriamente dimensionado para este efeito. A calibração é geralmente realizada apenas uma vez e constitui a primeira fase da abordagem seguida neste projecto. Após a calibração da câmara, é então possível obter-se a sequência de pares de imagens, ou a sequência de imagens - dado que, a abordagem seguida teve como maior preocupação a execução de um sistema modular e flexível de modo a ser possível a sua utilização em diversas situações (não só especificamente direccionada para os exames médicos) e de diversas formas (por exemplo, ser possível a utilização de uma ou de duas câmaras). Em cada imagem surge a necessidade de determinar as entidades que irão ser consideradas, sendo estas entidades, formas geométricas colocadas num cinto. Este cinto por sua vez será colocado no paciente e será este o alvo que vai permitir a análise do movimento do paciente. Para a detecção destas entidades, decidiu-se empregar um detector de orlas de intensidade (como por exemplo, os detectores de Sobel, Roberts, Laplaciano, Laplaciano do Gaussiano, Canny, Deriche, Shen, etc.), após o que é executado um seguimento das linhas determinadas e consequente determinação da forma geométrica detectada. Desta forma para o dimensionamento do alvo a colocar no paciente procurou-se colocar o maior número de formas diferentes geométricas, de maneira a que a identificação de cada uma destas entidades fosse mais eficiente facilitando o emparelhamento destas nos pares de imagens e consequentemente a extracção de coordenadas 3D. Assim como candidatos surgiram as seguintes figuras geométricas: triângulos, quadrados, rectângulos, losângulos e cruzes. Destas figuras existem algumas que se destacam por algumas características internas, que por si só facilitam a sua detecção. Como é perceptível existem muitas hipóteses para o dimensionamento deste alvo, que serão objecto de estudo deste relatório. Estando o emparelhamento das várias figuras geométricas (em pares de imagens sucessivas) devidamente realizado, torna-se então possível extrair as coordenadas 3D dos pontos de cada figura. Determinadas as coordenadas 3D destes pares de imagens é possível estimar se houve movimento do paciente ao comparar essas coordenadas 3D com as coordenadas 3D do par de imagens inicial. Assim os movimentos detectados podem ser classificados em dois grandes grupos: rotação e translação. Finalmente, após a classificação do movimento efectuado pelo paciente é feita a correcção das imagens médicas. Esta correcção é feita através de um modelo fisiológico que associa os movimentos dos pontos detectados das figuras geométricas com o movimento efectuado pelo órgão. Este modelo inicialmente vai ser um modelo simplificado, que poderá ser refinado adquirindo-se mais informação acerca da posição relativa dos rins no corpo humano, e se se verificam e quais os tipos de movimentos solidários que se efectuam com o movimento do corpo humano. Este projecto foi realizado no INEB Instituto de Engenharia Biomédica no laboratório de Sinal de Imagem Biomédica, situado na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. 1.1 Objectivos do projecto: Este projecto tem como objectivo geral a concepção e implementação de métodos de captura de informação posicional (3D) para alinhar imagens renais de medicina nuclear obtidas em sequência temporal, com vista a potenciar a capacidade de análise diagnóstica. Para ser atingido este objectivo, foram realizadas várias etapas, etapas estas que definiram as linhas mestras do que tem que ser feito para atingir o objectivo acima mencionado. Estas etapas foram: 1. Pesquisa de informação relevante para o projecto, em particular no que respeita ao processo de obtenção de imagens de radioisótopos e aos métodos passivos de aquisição de informação tridimensional. 2. Implementação do sistema de aquisição 3D, incluindo concepção de alvos e/ ou marcas corporais. 3. Realização do alinhamento geométrico da sequência de imagens, a partir da estimação da posição e pose da zona renal. 4. Montagem e ensaios práticos em exames clínicos reais e, se necessário, com recurso a fantomas. 2

12 Capitulo I - Apresentação 1.2 Estrutura do relatório: Pretendeu-se estruturar este relatório em secções que se apresentem de forma completamente autónoma e independente, de maneira a permitir uma fácil leitura e compreensão deste relatório. Em seguida, de forma resumida, são apresentados os restantes capítulos e anexos deste relatório. Capítulo II Medicina Nuclear e seus Protocolos de Aquisição Neste capítulo é apresentada a recolha de informação realizada sobre a área de medicina nuclear e dos seus protocolos de aquisição, SPECT e PET. É feita uma pequena introdução, onde é referida como e quais as condições em que se fez esta recolha de informação. O objectivo deste capítulo é dar a conhecer esta área específica da medicina, a sua missão, suas condicionantes, os princípios físicos e de funcionamento dos protocolos, seus constituintes e suas problemáticas e também aquilo que se está a fazer para que este tipo de análise chegue cada vez mais a um maior número de pessoas sem que isso implique um custo económico (para as pessoas e para as instituições que detêm os equipamentos) incomportável. Capítulo III Fundamentos Teóricos Neste capítulo é abordado o tema da visão por computador, importância e riqueza de informação que este tipo de visão nos faculta, informação esta que permite a detecção e o seguimento de alvos. De uma forma geral existem várias áreas associadas à visão por computador tal como o processamento e análise de imagem, reconhecimento de padrões, etc. Serão também apresentadas as áreas de aplicação da visão por computador. Como área associada da visão por computador é apresentada o processamento e análise de imagem. Nesta secção são apresentados as ferramentas de análise e extracção de informação das imagens. São assim apresentados vários tipos de filtros e seus critérios de desempenho, transformações para detecção de formas geométricas, coordenadas homogéneas e uma introdução aos modelos deformáveis. O objectivo deste capítulo é fornecer as bases do processamento e análise de imagem, bases estas que constituem os pilares deste projecto. Capítulo IV Sistema Desenvolvido Neste capítulo é apresentada uma solução global para a problemática do projecto. É feita uma descrição detalhada do material usado e suas características. Em seguida são apresentados os diversos módulos que constituem a solução apresentada. Pretendeu-se que estes módulos fossem independentes entre si, de modo a poderem, por si só, ser acompanhadas e utilizadas independentemente em outros domínios da visão por computador. Os módulos a apresentar são os de: aquisição de imagem, calibração de câmaras, detecção e obtenção de informação 3D e correcção das imagens de medicina nuclear. Em cada um dos módulos é feita a apresentação do método utilizado, abordagem seguida no projecto e é demonstrado o software desenvolvido assim como alguns resultados experimentais obtidos. Capítulo V Análise de resultados e conclusões. Após a apresentação da abordagem global utilizada, neste capítulo são apresentados resultados desse processo. São assim apresentados resultados experimentais obtidos para a calibração das câmaras, aquisição simultânea, determinação das entidades a considerar em cada imagem da sequência e para a obtenção de informação tridimensional, assim como para a estimação e correcção do movimento. Na apresentação destes resultados serão feitas análises e conclusões dos resultados obtidos. Será também apresentada uma análise crítica, onde será referido aquilo que foi feito e o que deveria ter sido feito, o que faltou (ou não) fazer e condições a nível de equipamento e acessibilidades. Serão também apresentadas conclusões globais referentes a todo o projecto em si. 3

13 Capitulo I - Apresentação Capítulo VI Trabalho Futuro Neste capítulo serão apresentadas métodos para o desenvolvimento da solução apresentada assim como alternativas à solução apresentada. Como anexos ao relatório, serão apresentados os seguintes: Anexo A Manual do Utilizador Anexo B - Características da câmara Anexo C - Características do frame grabber Anexo D - Transformações geométricas em 2D e 3D Anexo E - Exemplo de imagens obtidas por exame SPECT planar Anexo F - Radionuclidos Anexo F - Código implementado 2 Etapas do projecto Nesta secção serão apresentadas, em ordem cronológica, todas as etapas que simbolizam o progresso do projecto: 12/3/21: Início do Projecto 15/3/21: Publicação do site PD-77 Alinhamento de Imagens de Medicina Nuclear no seguinte URL: para satisfação parcial dos requisitos da disciplina de Projecto Seminário Trabalho Fim de Curso. 22/3/21: Conclusão da primeira fase do projecto: pesquisa de informação acerca dos processos de obtenção de imagens de radioisótopos e aos métodos passivos de aquisição de informação tridimensional. 31/3/21: Compra e montagem do material necessário à elaboração do projecto. Início do desenvolvimento, em paralelo, das rotinas de calibração e de aquisição 6/4/21: Implementação da rotina de simulação de calibração. 1/4/21: Implementação da rotina de determinação de parâmetros extrínsecos e intrínsecos do modelo das câmaras. 16/4/21: Implementação das rotinas de aquisição de imagens ou sequências de imagens de uma ou duas câmaras. 2/4/21: Implementação da rotina de detecção dos pontos de calibração. 28/4/21: Dimensionamento em paralelo dos alvos de calibração e de aquisição de coordenadas 3D. 5/5/21: Elaboração do relatório de progresso para satisfação parcial dos requisitos das regras do Projecto Seminário Trabalho Fim de Curso. 1/5/21: Correcção e optimização das rotinas de calibração e aquisição. 12/5/21: Desenvolvimento das rotinas de detecção de pontos característicos em imagens. 15/5/21: Concentração numa só aplicação de todos os módulos desenvolvidos até ao momento. 4

14 Capitulo I - Apresentação 2/5/21: Implementação e conclusão da rotina de detecção de pontos característicos numa imagem. 27/5/21: Implementação da rotina de emparelhamento de pontos característicos em pares de imagens. 5/6/21: Implementação da rotina de detecção e emparelhamento de pontos característicos em pares de imagens ao longo de uma sequência de imagens. 6/6/21: Criação do laço institucional entre o INEB e o Serviço de Medicina Nuclear do Hospital S. João do Porto, com o objectivo de obtermos mais informações acerca dos exames a que no propusemos a corrigir e ter um contacto directo com o ambiente clínico. 1/6/21: Implementação da rotina que permite fazer a actualização dos dados de calibração a partir de ficheiro em disco. 15/6/21: Dimensionamento do suporte para as câmaras e desenvolvimento das rotinas para o cálculo de coordenadas 3D. 2/6/21: Implementação da rotina para cálculo de coordenadas 3D 22/6/21: Ida ao serviço de radiologia do Hospital Universitário de Coimbra com o intuito de obter exames do tipo SPECT planar em formato de imagem.bmp e.img 28/6/21: Implementação da rotina de cálculo de coordenadas 3D numa sequência de pares de imagem. Conclusão da 2ª fase do projecto. 2/7/21: Desenvolvimento das rotinas de estimação e correcção de movimento. Implementação física do sistema de duas câmaras através do suporte. 1/7/21: Inicio da elaboração do relatório. 15/7/21: Finalização das rotinas de estimação e correcção de movimento. Conclusão da 3ª fase. 16/7/21: Elaboração do poster de apresentação do projecto. 17/7/21: Obtenção de dados para análise e conclusões acerca da validade do projecto. Realização de testes laboratoriais. 18/7/21: Conclusão da 4ª fase do projecto. 19/7/21: Finalização do relatório final do projecto. De referir também que houve sempre uma actualização periódica da página do projecto, com novas imagens, software, vídeos, informação acerca de eventos, etc.. 5

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16 Capítulo II - Medicina Nuclear, SPECT e PET Capítulo II Introdução: Neste segundo capítulo é apresentada a recolha de informação efectuada sobre os temas de medicina nuclear e seus protocolos de aquisição: Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) e Positron Emission Tomography (PET). A recolha de informação foi dividida em duas fases: 1) a recolha propriamente dita da informação 2) organização da informação. A recolha propriamente dita da informação teve início durante o 1º semestre do 5º ano lectivo de 2/1, semestre esse que foi realizado por ambos os membros do grupo em Karlsruhe Alemanha, prolongando-se pelo início do segundo semestre desse ano lectivo. Nesse primeiro semestre lectivo foi nos dada a oportunidade de realizar um projecto de investigação no IBT (Institut fur Biomedzisniche Technik), sobre o tema da segmentação do tórax da Visible Female, com base no dataset do Visible Human Project da National Library of Medicine. Desta maneira, aproveitando do facto de estarmos a trabalhar na mesma área do nosso projecto final de curso e das condições óptimas de acesso à informação, tentamos retirar o máximo de informação possível acerca da medicina nuclear e seus protocolos de aquisição. De salientar toda a disponibilidade das pessoas que trabalham nesse Instituto em nos tentar esclarecer todas as nossas dúvidas que foram surgindo durante a recolha de dados, e de nos alertar para as dificuldades com nos iríamos defrontar ao longo deste projecto, não só nos aspectos técnicos relativos ao sistema que nos proponhamos a desenvolver, mas também para as dificuldades inerentes ao trabalho nesta área (tais como, a falta de informação por parte dos fabricantes das máquinas de aquisição nuclear). Da fase de recolha de informação também faz parte uma visita à MEDICA 2 em Dusseldorf (maior exposição mundial sobre equipamentos de aquisição, tratamento e diagnóstico médico). A segunda fase já foi realizada no segundo semestre do referido ano lectivo e consistiu na compilação da informação adquirida, retirando para este relatório apenas a informação que consideramos essencial à percepção daquilo que se faz nesta área e suas linhas mestras para o presente / futuro. De referir ainda que a informação que foi adquirida tanto no primeiro como no segundo semestre não se restringiu apenas à medicina nuclear e seus protocolos, mas também foi adquirida informação que irá ser exposta nos capítulos seguintes, informação essa que forma os pilares teóricos do sistema que nos propusemos a desenvolver. Assim neste capítulo irá ser feita uma breve descrição do que consiste a medicina nuclear como uma disciplina específica da medicina geral, seus aspectos históricos, suas preocupações, aplicações e futuro. Em seguida é feita uma descrição dos protocolos de aquisição existentes na medicina nuclear: SPECT e PET, sendo dado mais relevo ao SPECT, dado que é esse o protocolo para o qual foi 7

17 Capítulo II - Medicina Nuclear, SPECT e PET desenvolvido o sistema deste projecto. Desta maneira, é feita um pequeno sumário do SPECT, seus aspectos históricos, teoria e instrumentação inerentes ao SPECT, seus constituintes, problemas e artefactos existentes nos diversos exames, avanços tecnológicos e são feitas algumas conclusões. Da mesma maneira é feita uma pequena abordagem ao PET onde os itens expostos são semelhantes aos expostos no SPECT embora sem o mesmo nível de detalhe. É assim nosso objectivo que o leitor no final deste capítulo seja capaz de entender esta área específica da medicina, a sua missão, suas condicionantes, os princípios físicos e de funcionamento dos protocolos, seus constituintes e suas problemáticas e também aquilo que se está a fazer para que este tipo de análise chegue cada vez mais a um maior número de pessoas sem que isso implique um custo económico (para os utentes e para as instituições que detêm os equipamentos) incomportável. 1 Medicina Nuclear Introdução à Medicina Nuclear Medicina Nuclear é uma especialidade médica que usa técnicas seguras, indolores e com custo eficaz tanto para processamento e análise de imagem de todo o corpo humano, assim como para o tratamento de doenças. O processamento e análise de imagem em Medicina Nuclear, é único no facto de que documenta e estrutura funções dos orgãos, em contraste com diagnósticos feitos em radiologia, diagnósticos estes que são baseados na anatomia dos orgãos. É uma maneira de adquirir informação médica, que doutra forma seria provavelmente impossível, ou então, requerendo intervenções cirúrgicas ou testes diagnósticos mais caros. O campo da medicina nuclear é uma mistura de muitas áreas da matemática e ciência, tais como a física, química, matemática, tecnologia de computadores e medicina. Como parte de um tratamento integral de um paciente, a medicina nuclear é usada no diagnóstico, gestão, tratamento e prevenção de doenças graves. Os procedimentos utilizados na análise de imagem em medicina nuclear frequentemente identificam anormalidades numa fase precoce no progresso de uma doença, muito antes do que os outros testes consigam detectá-los. Esta detecção precoce permite o tratamento da doença numa fase em que o prognóstico tem mais probabilidades de ter sucesso. Medicina nuclear usa uma pequena quantidade de material radioactivo ou rádiofarmaco para o diagnóstico e tratamento de doenças. Rádiofarmacos são substâncias que são atraídas para orgãos, ossos ou tecidos específicos. Os rádiofarmacos usados em medicina nuclear emitem raios gama que podem ser detectados externamente por tipos especiais de câmara: gama ou PET câmaras. Estas câmaras funcionam em conjunção com computadores que são usados para formar imagens que providenciam dados e informação acerca da área do corpo que está sujeita a exame. O físico pode então visualizar a anatomia do paciente a partir do resultado da câmara. O rádioisótopo tem que ter uma meia - duração de vida curta de modo a que não permaneça no corpo, por um período de tempo muito prolongado. Meio-tempo de vida é o tempo necessário para que metade do material radioactivo presente deixe de emitir. Assim a medicina nuclear é essencialmente a criação mapas anatómicos de orgãos. O material radioactivo é administrado oralmente, intra venosamente ou inter cavitalmente. O material radioactivo é absorvido pela região doente e pode então destruir as células ou promover a cura dessa região. A quantidade de radiação de um procedimento de medicina nuclear e comparável com aquele que é recebido durante um diagnóstico raio- X. As imagens de medicina nuclear têm mais definição e são capazes de mostrar mais partes da anatomia do que as máquinas de raio-x usuais. Físicos licenciados são as únicas pessoas autorizadas a praticar medicina nuclear. De modo a alguém estar certificado para tal, deverá ter um curso médico e pelo menos 1 ou mais anos de. Os físicos tem assim 2 anos de treino em medicina nuclear para no final fazer um exame de certificação. Uma vez certificado o físico será então assistido por outros físicos e farmacologistas especialmente treinados. Hoje em dia, medicina nuclear oferece procedimentos que são de grande ajuda para uma vasta área de especialidades médicas, desde pediatria ate cardiologia passando pela psiquiatria. Existem quase cem tipos de processamento e análise de imagem em medicina nuclear disponíveis e não existe nenhum sistema do corpo humano que não seja adquirido por medicina nuclear. Hipertiroidismo, cancro da tiróide, desequilíbrios sanguíneos, e alívio da dor de certos tipos de cancro de ossos são tratados através da medicina nuclear História da Medicina Nuclear 8

18 Capítulo II - Medicina Nuclear, SPECT e PET De acordo com Hamilton a descoberta da radioactividade artificial foi um ponto fulcral na medicina nuclear. A história da medicina nuclear pode ser seguida ate aos anos 18. O primeiro marco surgiu quando Becquerel descobriu actividade radioactiva natural em Isto foi seguido pela descoberta do Rádio por Marie Cury em Um dos primeiros tipos de medicina nuclear foi o raio-x desenvolvido em 189. Material radioactivo foi usado para constituir a imagem dos ossos sem técnicas invasoras ao corpo. O uso de radionuclidos foi outro desenvolvimento inicial da medicina nuclear. Os radioisótopos são pequenas quantidades de material radioactivo colocadas num corpo, sendo inicialmente usados com finalidade terapêutica. Mais tarde viriam a constituir-se como instrumentos para diagnósticos. A primeira utilização de radioisótopos num humano com finalidade de diagnóstico, foi o Pa (228) para estudar o tempo de circulação do sangue no corpo humano ( Colombetti 1979). A radioactividade artificial foi descoberta em O primeiro uso clínico foi em 1937 quando um material radioactivo foi usado, para tratar um paciente com leucemia na Universidade de Berkeley na Califórnia. O acontecimento que é considerado como sendo o marco da medicina nuclear moderna foi o uso de iodo radioactivo para tratar doenças da tiróide. O iodo radioactivo foi injectado no paciente e seguiu o trajecto normal que o iodo seguiria. Foi absorvido pela tiróide onde era usado tanto para fins terapêuticos como para obtenção de imagens. Durante a segunda guerra mundial, foram recrutados biologistas para o campo do radar. Este trabalho preparou-os para o desenvolvimento da electrónica na medicina nos anos pós guerra. No entanto surgiram dois problemas. A geração seguinte de biologistas não tiveram o benefício desses conhecimentos e a tecnologia avançou tão rapidamente que depressa ultrapassou até os conhecimentos da geração da guerra. Obviamente uma ponte sobre a lacuna entre conhecimento técnico e biologia era necessária. Assim médicos e biologistas com interesse e compreensão da engenharia para além de Medicina Nuclear no passado engenheiros electrotécnicos com interesse na biologia, transformaram-se assim nos primeiros bioengenheiros. Aqueles que se interessavam principalmente com medicina tornaram-se nos primeiros engenheiros biomédicos. Em 1946 foi relatado que após um tratamento com iodo radioactivo o crescimento do cancro no paciente tinha completamente desaparecido. Na década de 195 o uso da medicina nuclear alargou-se e na década de 6 tornou-se numa especialidade de estudos médicos. Nos anos 7 era utilizada para visualizar o baço, fígado, cérebro, e sistema gastrointestinal. Os rádiofarmacos começaram então a ser usados para o diagnóstico de doenças do coração nos anos 8. Avanços tecnológicos tinham que ser feitos de modo a acompanhar os avanços na área médica. Câmaras tinham que ser desenvolvidas de modo a poder detectar material radioactivo e fazer imagens da anatomia que sustinha o material radioactivo. O primeiro exame rectilíneo foi o engenho de Cassen. Um grande desenvolvimento nesta área deveu-se ao aparecimento da câmara gama. Esta foi a primeira câmara estacionária que conseguiu ver um órgão por inteiro. Esta evolução fez com que nos anos mais recentes protocolos de aquisição tais como PET, SPECT e MRI fossem desenvolvidos. Tanto o PET como o SPECT fornece uma visão tridimensional da região de interesse. Hoje em dia existem mais de 1 procedimentos de medicina nuclear e a medicina nuclear pode ser aplicada a qualquer órgão do corpo humano. Se os avanços na medicina nuclear continuarem a avançar ao ratio actual a possibilidade de novos desenvolvimentos e interminável Factos acerca da Medicina Nuclear Nos EUA 1 a 12 milhões de exames de medicina nuclear são efectuados anualmente Os procedimentos da medicina nuclear são dos procedimentos mais seguros, mais eficientes do ponto de vista de custos e únicos por si só. Informação acerca da função e estrutura de qualquer órgão pode ser obtido pela medicina nuclear. 9

19 Capítulo II - Medicina Nuclear, SPECT e PET A quantidade de radiação recebida num procedimento de analise nuclear pode ser equiparada a quantidade de radiação recebida num exame de raio-x. Existem cerca de 2,7 físicos de medicina nuclear a tempo inteiro e 14 técnicos em toda a nação (1997). Existem mais de 1 exames disponíveis em medicina nuclear. Os exames de medicina nuclear estão catalogados como sendo dos mais seguros teste / diagnóstico existentes Computadores na Medicina Nuclear Introdução Medicina nuclear conta com os computadores para adquirir, processar, transferir informação e imagens. A história dos computadores na medicina nuclear e radiologia é mesmo assim bastante curta. Nos anos 6 e princípios da década de 197, CT (Tomografia Computorizada) e subtracção angiográfica digital foram introduzidos na prática clínica pela primeira vez. A subtracção angiográfica digital usa computadores para digitalmente subtrair de uma angiografia padrão os efeitos de tecidos moles e ossos circundantes, levando assim a uma melhoria das imagens disponíveis para diagnóstico. Tomografia Computorizada (CT) usa os computadores para reconstruir digitalmente informação seccionada usando vários tipos de algoritmos de reconstrução de imagem tais como a projecção inversa filtrada. O pior elemento numa unidade CT era sem dúvida nessa altura o computador, mas sem ele não era possível executar um CT. SPECT e MRI foram desenvolvidas tecnologias alguns anos após o CT e também necessitam de um computador para ser possível a execução de um exame. No caso do MRI o computador tem um papel de maior importância, dado que controla o movimento da torre e todo o equipamento mecânico relacionado. No caso do SPECT, como no CT, a reconstrução da imagem tem que ser feita por computador. O uso de computadores em medicina nuclear tem também as suas raízes na física das partículas de grande energia e também na física nuclear. Estas duas disciplinas usam análises estatísticas de grandes números de contagem de fotões, colectados e processados por um computador. É primeiramente através dessa análise e processamento que descobertas experimentais em medicina nuclear são feitas. O objectivo da medicina nuclear não é a descoberta de novas leis da física ou de partículas, mas sim a de detecção e diagnóstico de uma doença, mas como todos os outros métodos, não se baseia na detecção de uma grande número de fotões para atingir uma conclusão acerca do objecto em estudo. O problema de arquivar e transmitir essa larga quantidade de informação começou a ser resolvida na década de 197. Tentativas anteriores de transmitir imagens médicas de um hospital para outro ou de uma clínica para outra para a visualização e análise foram encorajadas, mas a perda de qualidade de sinal, e em particular resolução, degrada severamente a qualidade de imagem final. Então em 1981 um projecto na Universidade de Arkansas usou a Ethernet como meio de transmitir com sucesso imagens digitais de CT e de Ultra-sons. Desde esse tempo muita pesquisa tem vindo a ser dedicada para o desenvolvimento do arquivo de imagens e sistemas de computadores ou PACS (Picture Archiving and Communications Systems) com a esperança de criar um departamento de radiologia digital totalmente controlado por computador Imagens Digitais De maneira a uma melhor compreensão dos requisitos na aquisição e transferência de imagem em radiologia e em particular medicina nuclear, alguma terminologia básica é necessária. Para início uma imagem digital é essencialmente uma disposição ou colecção de valores inteiros que representam o espectro de graus de cinzento ou cor que aparecem numa imagem. Num computador, uma imagem digital pode ser uma matriz de duas ou três dimensões constituída por valores inteiros que fazem um número variável de bits. Dependendo do formato e do sistema computacional usado, uma imagem representada por uma matriz de números num computador terá ligada a si informação na forma de um cabeçalho, informação esta que fornece detalhes sobre a imagem tais como: dia do exame, nome do paciente e número de estudo. Cada valor inteiro pertencente a matriz é chamado de pixel. A quantidade de preto, branco ou cor em cada pixel da matriz é representada pelo valor inteiro nesse elemento de matriz. A qualidade de uma imagem digital é afectada pelo tamanho da matriz usada para representar a imagem, o número de bits para representar cada pixel e o nível de ruído presente na imagem. 1

20 Capítulo II - Medicina Nuclear, SPECT e PET Se a matriz da imagem é composta por apenas por poucos pixels e de grande dimensão, a resolução resultante será baixa. Se a matriz da imagem é composta por muitos pixels de reduzida dimensão, e a falta de nitidez subjacente à imagem não é muito severa, a resolução será boa. Se o tamanho do pixel é muito inferior a falta de nitidez da imagem subjacente, a imagem irá aparecer com algo parecido a borrões. O número de bits usado para representar cada pixel deverá idealmente depender da quantidade de ruído presente na imagem. Quanto maior for o nível de ruído na imagem inicial, menor será o número de bits necessários para definir a informação que esta contém. Assim as imagens digitais podem ser degradadas de duas maneiras: 1. poucos pixels ou 2. poucos bits usados por cada pixel. O uso de muitos pixels ou de muitos bits por pixel para uma dada aquisição de imagem exige um processamento de imagem muito mais elevado, além de maior capacidade de armazenamento e manipulação, sem que isso implique necessariamente uma melhoria na qualidade final da imagem. Isto significa um aumento do custo sem um correspondente aumento na capacidade de diagnóstico (no caso de imagens médicas). A maneira na qual uma imagem de medicina nuclear é adquirida e o protocolo de aquisição de imagem associado devem ser seleccionados cuidadosamente de maneira a maximizar a qualidade de imagem, conforto do paciente e maximizar o rendimento do hospital ou clínica Aquisição de Imagem Imagens de medicina nuclear podem ser adquiridas num formato digital usando, por exemplo, um scanner SPECT. A distribuição do radionucleido no corpo do paciente corresponde à imagem analógica. Uma imagem analógica é aquela que tem uma distribuição contínua da densidade representando a distribuição contínua de radionuclido acumulada num órgão particular. Um melhor exemplo de uma imagem digital será uma fotografia típica onde a distribuição contínua da densidade (preto, branco ou cor) representa na realidade a continuidade da densidade da luz. A contagem dos raios gama provenientes do corpo do paciente são digitalizados e guardados no computador na forma de uma matriz de imagem. As matrizes típicas usadas em aquisição de imagem SPECT são: 256x256, 128x128, 128x64, 64x64. A terceira dimensão corresponde ao numero de camadas transaxiais, frontais ou coronais usadas para definir o órgão que esta a ser pesquisado. Um exame típico SPECT tem um limite de armazenamento de 16 bits por pixel. Quando um exame SPECT tiver sido completamente executado, a informação sem tratamento contida na matriz de imagem é denominada de informação projectada e está pronta a ser reconstruída. O processo de reconstrução coloca a informação a sua forma final digital pronta a ser transmitida para outro computador ou sistema para posterior visualização e análise física Conclusão O tratamento de imagens médicas moderno não seria possível sem os avanços que ocorreram no software e hardware nos últimos 3 anos. A radiologia automatizada oferece potencialidades de grande poupança de custos e reduzido trabalho humano. No entanto devemos ter em mente que os computadores não são perfeitos e até instrumentos como digitalizadoras (de extrema importância para a terapia de radiação) podem ter problemas. Sem os feitos tecnológicos que se iniciaram a 1 anos no dia 8 de novembro de 1895 e continuando hoje em dia com a evolução do hardware, software e equipamento, a radiologia como uma disciplina médica não existiria Segurança e Controlo da Qualidade Os procedimentos de medicina nuclear são actualmente considerados dos mais seguros para diagnósticos por imagem disponíveis aos pacientes actualmente. É administrado aos pacientes apenas uma pequena quantidade de rádio fármaco. O procedimento de medicina nuclear expõe o paciente a menos radiação que um raio-x. A maioria das pessoas estão expostas a quantidades de radiação muito mais superiores diariamente do que pensam. Radiação do solo, rochas espaço e dos átomos de carbono e potássio nos seus próprios organismos perfazem 85 % da exposição anual de uma pessoa a radiações. Televisões a cores e detectores de fumo são alguns dos equipamentos do dia a dia que nos expõe a radiação. O resto é contribuído pelos materiais radioactivos e raio-x usados na medicina. Por isso em média os procedimentos da medicina nuclear contribuem como que com alguns meses de vida diária em termos de radiação. Os físicos são especialmente treinados de modo a administrar as dosagens apropriadas de 11

21 Capítulo II - Medicina Nuclear, SPECT e PET rádio fármacos para expor os pacientes apenas ao estritamente necessário protegendo-os de radiação desnecessária Futuro A área de medicina nuclear tornou-se muito diversa, sendo que se vai tornar numa das áreas de maior focus na medicina. Novos procedimentos e aplicações estão a ser desenvolvidas todos os dias por todo o mundo. Uma das áreas de maior avanço é a área dos rádio fármacos. Actualmente o techtenium é o rádiofarmaco mais usado de momento para imagem na medicina nuclear. Ate à poucos anos tinha havido pouco esforço para tentar arranjar novos rádiofarmacos. Os cientistas aperceberam-se agora que certos procedimentos obteriam resultados mais satisfatórios se usassem rádiofarmacos com meio-tempo de vida mais longo, como por exemplo imagens de tumores. Pensa-se que se um paciente com cancro for injectado com um rádioisótopo com período de vida mais longo a imagem do tumor será visualizada mais tempo. Isto permitiria obter uma imagem mais precisa do tumor. Outra área de desenvolvimento dos rádiofarmacos e a área das drogas orfãs. São drogas que são desenvolvidas para o tratamento de doenças raras. É estimado que 1 em cada 12 pessoas tem uma doença ou condição rara. estas condições raras não recebem tanta atenção por parte das empresas de investigação uma vez que estas se preocupam mais com as doenças dos pacientes da maior parte da população e ignoram os pacientes raros ou pequenos. A medicina cardiovascular é também uma área de grande crescimento mas a ênfase nesta área vai para a instrumentação. Novos sistemas de câmaras estão a ser desenvolvidas de modo a obter imagens do coração muito mais pormenorizadas e precisas. As novas câmaras têm várias cabeças ao contrário das antigas que só tinham 2 cabeças. Estas câmaras são usadas nos sistemas SPECT. Câmaras digitais estão também a ser desenvolvidas. Com as câmaras antigas o sinal captado a partir da emissão de radiação por parte do radio farmacêutico era um sinal analógico. O sinal era então convertido para um sinal digital por um processador na câmara. O uso de sinais analógicos produz alguns erros Equipamento SPECT actual (Hospital Universitário de Coimbra) nas leituras que poderiam ser evitadas se usasse um sistema apenas digital. A primeira câmara totalmente digital foi produzida pela Summit Nuclear. Neste sistema há um conversor analógico para digital dentro do circuito de modo que o sinal de saída do circuito é digital. Estas câmaras permitem maior resolução espacial, resolução de energia e melhores capacidades de processamento. Com os avanços na medicina nuclear irá haver uma revolução no campo da medicina. Passar-seá de uma visão de ver a doença como o ataque de um agente externo ao corpo para uma visão de que a doença e uma disfunção de produtos genético tais como substratos e enzimas. Os procedimentos médicos actuais consistem na medida do conteúdo de fluídos corporais ou biópsias de modo a determinar o tipo de doença. Com os avanços na medicina nuclear estes procedimentos irão ser substituídos por procedimentos que medem a química no interior do organismo. Os radioisótopos serão utilizados para ver exactamente a constituição química de todo o corpo. Será dado mais importância ao lado molecular da medicina. A medicina nuclear permite estudar a biologia humana e a doença a um nível genético. O uso de rádiofarmacos para determinar o excesso ou falta de actividade química em determinadas regiões do corpo. Assim os médicos poderão afirmar o que está errado a nível genético no paciente. Ao ser capaz de apontar especificamente a disfunção genética ou desordem o médico poderá prescrever medicamentos que irão contrabalançar o problema e a fonte do problema. A nova perspectiva genética irá também criar uma nova necessidade para drogas que possam interagir com os genes. O campo da medicina nuclear espera abrir uma nova era no tratamento de doenças neuronais e de comportamento pelo estabelecimento da relação das doenças com desequilíbrios químicos. De modo a estes desenvolvimentos ocorrerem tem que haver desenvolvimento na área de detecção de radiação, processamento de dados e sistemas de visualização. 12

22 Capítulo II - Medicina Nuclear, SPECT e PET Um novo método que está a ser desenvolvido é a detecção dos níveis de oxigénio em tecidos. Se uma área tem um abastecimento deficiente de oxigénio e sinal de que poderá haver problemas a nível vascular ou de tumores. Os rádiofarmacos que estão a ser usados são o iodo e o techtenium. Estes radioisótopos agregam-se a áreas de níveis de oxigénio baixos e podem então ser scannerizadas mostrando os tecidos que se encontram privados de oxigénio. Este tipo de obtenção de imagem é denominado de hypoxia. A hypoxia indica-nos se encontram células viáveis numa determinada área. Isto pode ser útil na determinação de que parte do cérebro foi afectada em pacientes que tenham sofrido um enfarte ou quanto do tecido muscular do coração foi afectado após um ataque cardíaco. De acordo com testes feitos em animais a hypoxia será extremamente útil no diagnostico e tratamento do coração, cérebro e extremidades. Também se concluiu que os rádiofarmacos tal como strontium-89 podem ser utilizadas em terapia radionuclida. É administrado a pacientes que tenham dores de ossos intratáveis. Os radionuclidos diminuem a dor sentida pelo paciente reduzindo ao mesmo tempo a quantidade de narcóticos que este teria que tomar. Em 2% dos pacientes e mesmo eliminada a necessidade de uso de medicação. Quando a dor reaparece após o tratamento geralmente não tem a mesma expressão que anteriormente. Estudos de sono estão também, a ser efectuados na área de medicina nuclear. Os medicamentos actualmente no mercado para perturbações a esse nível induzem sono mas já se provou que este sono é menos reabilitativo que o sono biológico normal. Um estudo feito em gatos descobriu que existe uma molécula no corpo responsável por induzir sono. Pensa-se que esta molécula viajara pelo fluido da espinal medula passando pela barreira sangue cérebro agregandose a receptores no cérebro. Pesquisadores de medicina nuclear estão a tentar etiquetar a molécula com carbono-11 ou nitrogenio-13. Uma vez a molécula etiquetada esta pode então ser scannerizada no cérebro para determinar quais os receptores no cérebro responsáveis por induzir sono. Esta investigação espera produzir uma droga Resultado de exame SPECT que interaja com os receptores do sono no cérebro produzindo um sono verdadeiramente reabilitador tal como o sono fisiológico normal. Com todos os avanços na medicina nuclear, é possível perder de vista o mais importante aspecto que é a qualidade de cuidados a preços acessíveis para todos os pacientes. Alguns físicos debatem actualmente se todos os detalhes de procedimento dos exames e obtenção de imagem são necessários. Olhando para a maioria da população, a maioria dos diagnósticos pode ser feita correctamente usando um mínimo de procedimentos. Por exemplo alguns médicos defendem exames aos ossos para pessoas que tenham dores nas costas. Um scan de ossos dá uma imagem muito detalhada mas é também um procedimento muito caro. Um procedimento alternativo é o MRI, porque é mais barato e fornece ainda assim uma imagem suficientemente boa para diagnosticar problemas. Um estudo foi recentemente efectuado em pacientes com problemas coronários. Estes pacientes tinham passado por procedimentos de obtenção de imagens extensos de modo a determinar se a operação era necessária. Foi provado que muitos destes pacientes não necessitavam de estudos de imagem. A simples monitorização dos sinais vitais expressão sanguínea seriam suficientes. A medicina nuclear continuará a criar novas técnicas e novos procedimentos, mas o paciente e não a tecnologia terão que ser a principal preocupação. 2 SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) Introdução ao Single Photon Emission Computed Tomography 13