Técnicas Computacionais para Acompanhamento e Mensuração de Patologias em Otologia

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1 Técnicas Computacionais para Acompanhamento e Mensuração de Patologias em Otologia Vilson Heck Junior 1, Daniel Duarte Abdala 2, Eros Comunello 3, Aldo von Wangenheim 4, Cristina de Carvalho Dornelles 5, Sady Selaimen da Costa 6 1, 2, 3, 4 Laboratório de Processamento Digital de Imagens (LAPIX), The Cyclops Project, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Brasil 5, 6 Centro de Otite Média do Brasil (Com.Br) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), Brasil Resumo O presente trabalho descreve uma metodologia computacional que auxilia a execução do processo de mensuração da extensão de patologias timpânicas. Trata-se de um sistema computacional que não impõe considerável esforço adicional ao protocolo de aquisição e diagnóstico. O sistema apresenta, a partir de testes preliminares, precisão e simplicidade de uso. A metodologia proposta foi testada pelo Centro de Otite Média do Brasil (Com.Br) em mais de 1200 imagens de tímpanos patológicos. Palavras-chave: Perfuração Timpânica, Processamento Digital de Imagens, Otologia. Abstract The present work describes a computational methodology that assists the execution of measuring process of extension of tympanic pathologies. The work is about a computational system that doesn t impose additional effort to the protocol of acquisition and diagnosis. The system presents, from preliminary tests, precision and easiness of use. The presented methodology was tested by the Otitis Media Center of Brazil (Com.Br) in more than 1200 pathologic tympanic images. Key-words: Tympanic Perforation, Digital Image Processing, Otology. Introdução O Tímpano é uma importante parte integrante do sistema auditivo. Ele é responsável por auxiliar a orelha média na conversão das ondas sonoras, conduzidas pela orelha externa, em sinais mecânicos, que serão posteriormente convertidos para impulsos elétricos pela orelha interna [1]. Qualquer problema que venha a lesionar o tímpano pode ocasionar uma perda auditiva condutiva. Figura 1 Tímpano saudável Dentre os problemas que podem afetar o tímpano, encontram-se diversas patologias [2], tais como: Otite Média Crônica na forma de Perfurações, Colesteatomas, Timpanoesclerose e Retração Timpânica. Regularmente, estudos são realizados para descobrir os valores, em cada faixa de freqüência sonora, de perda auditiva ocasionados pelos diferentes graus e disposições das patologias, bem como o acompanhamento da evolução delas aos diversos tratamentos. Esses estudos são geralmente executados com metodologias que obtêm informações pertinentes das patologias, necessárias para se classificar ou mensurar o seu grau de severidade. No entanto, nem sempre são simples de serem utilizadas de maneira precisa. É possível separar as patologias citadas anteriormente em dois grupos. São eles: i) Patologias Mensuráveis por Extensão; e ii) Patologia Mensurável por Parâmetros, como demonstrado na Figura 2. A presença de qualquer uma das patologias caracteriza um dado tímpano como doente. As patologias mensuráveis por extensão são alterações na superfície do tímpano, visíveis claramente a um exame otoscópico; já a mensurável por parâmetro é classificada conforme

2 uma escala e região abrangida, dependendo da área do tímpano afetada e do grau de severidade. Figura 2 Modelo geral das patologias mensuráveis do tímpano Para o estudo dos efeitos e evolução das patologias mensuráveis por extensão, é necessário conhecer a área afetada pela patologia. Neste contexto, propomos uma metodologia computacional para fins de desenvolvimento de uma plataforma de auxílio ao diagnostico otológico. Esta metodologia simplifica os processos de mensuração da extensão de cada uma das patologias descritas, de maneira a desenvolver métodos rápidos e simples, sem perda de precisão. No presente artigo é abordado apenas o desenvolvimento da metodologia computacional para mensuração da perfuração timpânica, módulo da arquitetura proposta no item 1 da Figura 2. Esta forma facilita a utilização e não adiciona um consumo de tempo relevante, possuindo interfaces simples que possibilitam a seleção das áreas de interesse (tímpano íntegro e perfurado) e definição do eixo dos quadrantes, para a mensuração individual de cada quadrante. Tanto a metodologia quanto o software foram desenvolvidos visando suprir algumas necessidades dos especialistas, neste caso, do Centro de Otite Média do Brasil. As necessidades eram: Resultados quantitativos e Interação simples, prática e rápida. Os processos anteriores de descrição da perfuração timpânica eram feitos por uma análise visual e subjetiva do especialista. O mesmo criava uma divisão imaginária dos quadrantes e marcava os que considerava afetado, bem como a forma em que se apresentava a perfuração, podendo esta ser central ou marginal. O especialista então anota essas, dentre outras informações, que julga necessário em um protocolo. Como todos os protocolos formam uma base de dados e as informações armazenadas são de origens qualitativas, não é possível fornecer estatísticas precisas sobre essa base de dados, pois as informações, principalmente relativas ao tamanho das perfurações, não são baseadas em métrica de aferição quantitativa. Metodologia A Metodologia foi desenvolvida no Laboratório de Processamento de Imagens e Realidade Virtual (LAPIX) do Projeto Cyclops na Universidade Federal de Santa Catarina, em parceria com o Centro de Otite Média do Brasil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Em paralelo ao desenvolvimento da metodologia, construímos um software que a contempla, chamado de Cyclops Auris Wizard. O software foi concebido sob a forma de Wizard, que é uma execução interativa a qual tem por função assessorar, passo a passo, o usuário a realizar o trabalho de seleção das áreas e dos quadrantes. Figura 3 Tela de seleção do tímpano O modelo computacional foi desenvolvido baseado no processamento digital de imagens e geometria. Nesse modelo, utilizamos inicialmente imagens extraídas de uma videotoscopia digital, gerada através de um exame otoscópico. Estas imagens são submetidas a alguns conceitos, que vão desde a reconstrução de uma elipse, até a segmentação por crescimento de regiões [3]. Procuramos montar essa metodologia de uma maneira simples e capaz de fazer a mensuração de

3 proporção entre área perfurada e restante de área íntegra do tímpano. O modelo inicia com a seleção e abertura do arquivo contendo a imagem a ser analisada. O arquivo pode estar no formato AVI (Audio and Video Interleaved) [4], ou em algum dos seguintes formatos de imagem: Bitmap [5], JPEG [5], PGM [6] ou PPM [6]. Caso o arquivo aberto esteja no formato AVI, o software exibirá uma tela para a reprodução do vídeo e seleção do quadro em que o especialista julga adequado ao exame. O Quadro ou arquivo de imagem aberto, será chamado de imagem de trabalho. possível estimá-la de forma anatômica, como ocorre com o tímpano. Para a seleção da área perfurada, desenvolvemos um processo misto de seleção, baseado em um desenho aproximado do especialista informando onde se encontra a perfuração. A Figura 4 mostra a tela de seleção com um desenho estimado, feito por um especialista, sobre a área timpânica. O desenho feito pelo especialista serve para selecionar todos os segmentos encontrados, pelo processo de segmentação, que estiverem completamente contidos ou parcialmente contidos na área desenhada. Automaticamente, o software irá selecionar em uma sobreposição translúcida na cor vermelha a imagem de trabalho exibindo a área selecionada. Isto é demonstrado na Figura 5. Depois da seleção das áreas de tímpano total e perfurado, o software inicia o processo de definição dos quadrantes do tímpano [7]. Este processo serve para obter informações detalhadas de abrangência da perfuração sobre cada quadrante, através dos eixos de quadrantes. Figura 4 Desenho da área aproximada na tela de seleção de perfuração Tendo aberto a imagem ou selecionado o quadro de trabalho adequado, o especialista então irá para a tela de seleção da região timpânica. Nesta tela o especialista deve fazer a seleção elíptica da área total do tímpano. Caso o especialista estime uma área que não apareça na imagem, por estar sobreposta pela parede do duto auditivo, o software calculará uma extrapolação e considerará esta área como sendo do tímpano. O tímpano possui um formato elíptico, logo, desenvolvemos um modelo de seleção para o especialista, que possibilita a demarcação da área timpânica nessa forma. Para fazer a seleção dessa área, o especialista deve mover a elipse sobre a imagem, rotacioná-la e redimensioná-la até efetuar a correta seleção da área timpânica. A Figura 3 mostra a tela de seleção elíptica, onde em uma imagem está selecionado o tímpano. Depois de o usuário selecionar a área do tímpano, o software executa a segmentação da imagem, preparando a próxima etapa, onde ocorre a seleção da área de perfuração. A perfuração geralmente possui formato irregular, por isso não é Figura 5 Área selecionada na tela de seleção de perfuração O eixo de quadrantes é composto de duas linhas, onde inicialmente uma se encontra na posição horizontal e a outra na posição vertical e as duas se cruzam no ponto central de cada uma. Neste momento, o especialista deve mover o centro desse eixo (ponto de intersecção das duas retas) até o centro da divisão dos quadrantes do tímpano. Depois de centralizar o eixo, deve posicionar corretamente a divisão dos quadrantes através da rotação dos eixos. Ao término desse processo a imagem pode ser rotacionada, para questão de padronização da forma em que se visualiza a imagem. Essa tela pode ser vista na Figura 6.

4 Figura 6 Tela de Definição dos quadrantes Brasil, visando introduzir a menor quantidade de ruído adicional ao protocolo de diagnósticos de Otite Média Crônica e patologias associadas ao tímpano. Atualmente a metodologia, sob a forma de artefato de software produzido, encontra-se em fase de testes por parte da equipe médica. Para validação dos testes estão sendo utilizadas imagens que compõem o banco de dados do Centro de Otite Média do Brasil, onde o software já auxiliou a avaliar mais de 1200 imagens de tímpanos. O tempo médio para execução da mensuração de uma imagem é baixo (de um a dois minutos), para um especialista que já conheça o uso da ferramenta, quando comparado a outras formas computacionais utilizadas pelo mesmo grupo com o auxilio do software Image Pro Plus [8]. De posse das áreas da perfuração e do tímpano, e conhecendo onde exatamente ocorre a divisão dos quadrantes, o software faz a mensuração dessas áreas. A proporção que cada uma representa da outra é obtida a partir desses dados. Os resultados são exibidos em uma tela final onde se encontram alguns outros recursos, tanto visuais para aplicar à imagem resultante, quanto para salvar os resultados (Figura 7). Figura 7 Tela final exibindo resultados da mensuração Com isso temos um modelo padrão, fácil, preciso e rápido de ser aplicado a todos os casos. A Figura 8 apresenta a descrição dos processos mencionados acima em forma de fluxograma. Resultados O software foi desenvolvido de acordo com as especificações e requisitos de usabilidade definidos pela equipe do Centro de Otite Média do Figura 8 Fluxograma da aplicação Discussão e Conclusões A metodologia proposta mostrou, através do software desenvolvido e utilização inicial, uma

5 solução simples e prática à mensuração de perfurações timpânicas. Cada um dos passos do processo é aplicado através de uma pequena interação com o usuário. A alta precisão é um fator fornecido pela metodologia, porém, inteiramente dependente do usuário. Referências [1] Bertulani, C.A. O Ouvido Humano, Disponível em: < Acessado em: 08 de Julho de [2] Costa, S. S., Dornelles, C. Otite Média Crônica Não-Colesteatomatosa. In Costa e colaboradores, Otorrinolaringologia Princípios e Prática, 2ª edição, pp 289 a 308. Daniel Abdala danieldabdala@gmail.com Eros Comunello eros@telemedicina.ufsc.br Aldo von Wangenheim awangenh@inf.ufsc.br Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRGS Centro de Otite Média do Brasil Cristina Dornelles cristinadornelles@yahoo.com.br Sady Selaimen selaimen@gmail.com [3] Parker, J.R. Algorithms for image processing and computer vision, pp 116 a 149. [4] McGowan, J. AVI Overview. Disponível em: Acessado em: 08 de Julho de [5] Woods, H. Graphics Overview. Disponível em: < Overview/graphics-overview.html>. Acessado em: 07 de Julho de [6] Bourke, P. PPM/PGM/PBM image files. Disponível em: < mats/ppm/>. Acessado em: 06 de Julho de [7] Hungria H. Doenças do sistema auditivo: anatomia. In: Hungria H. Otorrinolaringologia. 2000, Ed Guanabara-Koogan, Rio de Janeiro, pg ª edição. [8] Cybernetics, M. Image Pro Plus. Disponível em: < Acessado em: 01 de Julho de Contato Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC Laboratório de Processamento de Imagens e Computação Gráfica - LAPIX The Cyclops Project (48) Vilson Heck Junior vilsonjunior@telemedicina.ufsc.br