Workshop de Informática Biomédica (WIBm)

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1 1 MÉTODOS DE ANÁLISE DE IMAGENS APLICADOS À CARACTERIZAÇÃO TECIDUAL, PERFUSÃO MIOCÁRDICA E INERVAÇÃO AUTONÔMICA EM MRI E SPECT NO CONTEXTO DA DOENÇA DE CHAGAS Gustavo Canavaci Barizon 1, Luiz Otávio Murta Junior 1, André Schmidt 2 e Marcus Vinícius Simões 2 1 Departamento de Computação e Matemática Faculdade de Filosofia,Ciências e Letras de Ribeirão Preto Universidade de São Paulo (USP), Ribeirão Preto, Brasil 2 Departamento de Clínica Médica Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto Universidade de São Paulo (USP), Ribeirão Preto, Brasil Resumo: A doença de Chagas é uma doença de importante relevância clínica, com alta incidência. Apesar do conhecimento de aspectos clínicos da doença de Chagas, a relação entre lesão tecidual miocárdica e os defeitos na inervação autonômica é pouco conhecida. Este artigo descreve o desenvolvimento e aplicação de métodos de análise de imagens capaz de prover uma visualização e análise integrada das lesões teciduais através da ressonância nuclear magnética (MRI), perfusão miocárdica e inervação autonômica, disponíveis através da tomografia de emissão de fótons (SPECT). Para tanto, propomos métodos de caracterização e quantificação tecidual baseadas em segmentação de imagens MRI e corregistro de imagens MRI com SPECT. Assim, com o desenvolvimento e aplicação dos métodos propostos, espera-se uma melhor compreensão da relação entre lesões teciduais miocárdicas, os defeitos de perfusão miocárdica e as lesões na inervação autonômica causadas pela doença, bem como propor novos métodos de avaliação de paciente chagásicos. Palavras-chave: Doença de Chagas, Imagem por Ressonância Magnética, Tomografia Computadorizada de Emissão de Fóton Único, Corregistro, Segmentação. Abstract: Chagas disease is an illness of major clinical relevance, with high incidence. Despite the knowledge of the clinical aspects of Chagas disease, relation between the myocardial tissue damage, myocardial perfusion and defects in the autonomic innervations is poorly understood. This paper describes development and application of image analysis methods capable of providing an integrated visualization and analysis of tissue injuries through magnetic resonance imaging (MRI), and myocardial perfusion and autonomic innervations, available through photon emission tomography (SPECT). Therefore, we propose methods for characterizing and quantifying tissue, based on segmentation of MRI and registration between MRI images and SPECT. Thus, the development and application of the proposed methods, is expected a better understanding of the relationship between myocardial tissue damage, myocardial perfusion defects and autonomic innervations injuries caused by disease, and propose new methods to evaluate the chagasic patient. Keywords: Chagas' Disease, Magnetic Resonance Imaging, Single-Photon Emission Computerized Tomography, Register, Segmentation. Introdução Após um século desde sua descoberta, em 1909, por Carlos Chagas, a doença de Chagas ainda constitui um dos maiores problemas de saúde pública da América Latina. Em torno de 20% a 30% dos pacientes chagásicos desenvolvem algum grau de comprometimento cardíaco no decorrer da infecção. A doença de Chagas, na sua forma cardíaca, caracteriza-se por alteração da inervação autonômica e fibrose das células do miocárdio 1. A doença de Chagas em sua forma crônica, chamada cadiomiopatia chagásica crônica (CCC), é uma das principais complicações da doença. Consiste em uma inflamação e consequente destruição

2 2 progressiva do tecido cardíaco, seguido por alterações no padrão de condução dos impulsos elétricos, e a arritmias. Ao mesmo tempo, ocorre uma progressiva dilatação das cavidades do coração, resultando em uma incapacidade de bombeamento, que é chamada de insuficiência cardíaca congestiva. Paralelamente, a doença de Chagas pode comprometer também as aferências do sistema nervoso autônomo (SNA), especificamente as sinapses simpáticas no miocárdio. As lesões difusas no miocárdio por processo inflamatório devido à doença de Chagas são visíveis através do imageamento de ressonância magnética (MRI) com o uso do contraste de gadolínio (Gd). As sinapses autonômicas, por outro lado, são visíveis através de tomografia por emissão de fóton único (SPECT) com utilização de metaiodobenzilguanidina (MIBG). O gadolínio é um elemento químico de símbolo Gd e de número atômico igual a 64, com massa atômica 157,25 u.m.a. À temperatura ambiente, encontra-se no estado sólido. É um elemento que ocorre em diversos minerais como a monazita e a bastnasita, não sendo encontrado livre na natureza. É usado como contraste paramagnético de administração endovenosa, sendo um agente de distribuição extravascular. A sua presença altera as propriedades físicas do íon de hidrogênio, promovendo alteração do tempo de relaxação dos diferentes tecidos com consequente aumento da intensidade de sinal. Dessa forma, na fibrose do miocárdico, a quebra da membrana do miócito induz ao extravasamento do contraste para o espaço intersticial, local onde é observado aumento do seu tempo de trânsito em relação às áreas normoperfundidas. Isso mostra a delimitação da área de fibrose em imagens obtidas por volta do quinto ao vigésimo minuto após a administração periférica do gadolínio. A técnica de realce tardio se desenvolveu a partir dos estudos pioneiros de Lima e cols. avaliando a detecção e caracterização das áreas de infarto através da ressonância magnética cardíaca contrastada com gadolínio. A técnica de realce tardio se baseia numa sequência de pulsos do tipo gradiente-eco rápida ponderada em T1 (T1 Turbo Field Echo), com um pré-pulso de inversão-recuperação e um tempo de inversão (TI) ajustado para anular o sinal do miocárdio normal 2. É visto que nas imagens adquiridas com essa técnica, o miocárdio íntegro aparece com intensidade de sinal muito baixa (escuro). Nas regiões de fibrose ocorre ruptura das membranas dos miócitos necróticos e, portanto, o gadolínio pode se distribuir livremente (maior volume de distribuição). A necrose dos miócitos também causa uma alteração da cinética de distribuição do contraste, de modo que a saída do gadolínio das áreas de fibrose ocorre mais lentamente (delayed washout). Estes dois fatores fazem com que a concentração do contraste, cerca de 10 a 15 minutos após a injeção, seja muito maior nas regiões necróticas do que no tecido miocárdico normal, tornando as áreas de fibrose brancas (sinal intenso) nas imagens de realce tardio. A tomografia computadorizada por Emissão de fóton único (SPECT) é uma submodalidade em medicina nuclear. A SPECT pode fornecer informações acerca da circulação sanguínea e da distribuição de substâncias radioativas no organismo. No exame, é injetado no paciente um radiofármaco que irá interagir com os tecidos do organismo, emitindo radiação. Nessa técnica é utilizado um equipamento com detectores e a gama câmara. Esses detectores possuem três estruturas básicas: cristal, colimador e fotomultiplicadores. Para capturar a imagem de SPECT, a câmara é rotacionada em volta do paciente. São capturadas múltiplas imagens bidimensionais do corpo do paciente que serão utilizadas na reconstrução tomográfica do volume. No estudo realizado por Simões 3 foi detectado os distúrbios da inervação simpática ventricular e as anormalidades de perfusão do miocárdio em vários estágios da cardiopatia chagásica. A população do estudo consistiu em trinte e sete indivíduos de regiões endêmicas

3 3 que tiveram testes sorológicos positivos para a doença de Chagas. Foram divididos em três grupos de acordo com a gravidade da disfunção miocárdica. Os indivíduos foram submetidos à cintilografia por MIBG marcado com iodo-123 para a avaliação da inervação simpática cardíaca. As imagens SPECT foram adquiridas duas horas após a injeção de MIBG. Para a análise da perfusão foi realizado a segmentação das paredes do ventrículo esquerdo, divididas em 17 regiões. Esse estudo tem a finalidade de desenvolver métodos de investigação da cardiomiopatia crônica chagásica a partir do processamento de imagens que permitam o estudo da correlação topográfica entre imagens de realce tardio de MRI, da inervação simpática em imagens SPECT com a injeção de MIBG e a da perfusão miocárdica em imagens SPECT com a injeção de 99Tc (m) metoxi-isobutil-isonitrila (MIBI). No estudo serão utilizadas diversas técnicas de processamento de imagens para segmentar tecidos em imagens do miocárdio. Além disso, será realizado o corregistro entre imagens SPECT de perfusão com imagens SPECT de inervação simpática e imagens de MRI. Nesse caso, será avaliada a correlação entre as regiões vivas desnervadas e as regiões de fibrose. As regiões vivas são observadas nas imagens SPECT de perfusão miocárdica. Dessa forma, será possível uma melhor compreensão e caracterização dos mecanismos de inervação autonômica, da fibrose e perfusão miocárdica na cardiomiopatia dilatada chagásica. Métodos Esse estudo será realizado a partir da adaptação e aprimoramento de um sistema que obteve sucesso em utilizar algumas técnicas de processamento de imagens para segmentar regiões miocárdicas em imagens de Ressonância Magnética 4. Neste sistema foi desenvolvido a implementação dos métodos de segmentação das bordas epicárdicas e endocárdicas como também a segmentação e quantificação dos tecidos fibrosados e infartado viável no miocárdio para avaliação de pacientes infartados. A segmentação das bordas (epicárdicas e endocárdicas) foi baseada em contorno ativo geodésico 5. A segmentação da região de fibrose foi feita a partir de métodos de máxima entropia a partir da análise de textura das imagens e utilizando operadores morfológicos. O usuário tem a opção de delimitar e/ou corrigir uma região de interesse para que seja realizado o processamento. O desenvolvimento do sistema será continuado em linguagem de programação C++, com interface Qt, e serão utilizadas ferramentas como o Insight Toolkit (ITK), Visualization Toolkit (VTK) para a realização da segmentação, quantificação e visualização das imagens.. O ITK é um sistema multi plataforma que fornece aos desenvolvedores, um conjunto abrangente de ferramentas de software para análise, segmentação e registro de imagens. O VTK consiste de uma biblioteca, que fornece um conjunto de ferramentas para visualização e processamento de imagens. Inspirado por conceitos multifractais, Tsallis propôs uma generalização das estatísticas de Boltzmann-Gibbs-Shannon (BGS), que se baseia numa forma entrópica generalizada. A q- entropia foi implementada no sistema a partir das seguintes expressões: = ( ) (1)

4 4 H H H H 1 H H (2) Onde k é o número total de possibilidades do sistema e o número real, q, é um índice entrópico que caracteriza o grau de não aditividade. Para realizar a implementação do corregistro entre as imagens de MRI e as imagens de SPECT serão utilizados métodos de corregistro não rígidos que estão implementados no ITK. As imagens dos exames estarão em formato DICOM, que é um conjunto de normas para tratamento, armazenamento e transmissão de informação médica num formato eletrônico, estruturando um protocolo. Resultados Figura 1. Segmentação das bordas epicárdicas e endocárdicas (esquerda). Segmentação da região de fibrose no miocárdioo segmentado (direita). Na figura 1, é observada a segmentação do miocárdio, a partir do método de Contorno Ativo Geodésico, e a segmentação da região de fibrose, a partir do thresholding usando a Entropia de Tsallis com o parâmetro q-entropia com valor 0.5. Figura 2. Miocárdio segmentado de imagem de Ressonância Magnética (esquerda). Imagem SPECT usando 99Tc (m)-mibi (centro). Resultado final do corregistro entre a imagem SPECT e miocárdio segmentado da imagem de Ressonância Magnética (direita). Workshop de Informática Biomédica, Semana de Informática Biomédica, Ribeirão Preto, v. 3, p

5 5 Na figura 2, é observado o resultado do corregistro entre as imagens. A região vermelha corresponde ao local que é observado maior captação de 99Tc (m)-mibi. A região azul cor- responde ao local que é observado baixa captação de 99Tc (m)-mibi. Figura 3: Imagem SPECT usando MIBG (esquerda). Bordas do miocárdio de uma imagem SPECT (centro). Miocárdio segmentado de uma imagem SPECT (direita). Na figura 3, é observada a aplicação do Contorno Ativo Geodésico para segmentação do miocom a finalidade de cárdio em imagens SPECT usando MIBG. A segmentação foi realizada remover artefatos que correspondem a outras estruturas. Figura 4: Segmentação do miocárdio em imagem de Ressonância Magnética (esquerda). Segmentação do miocárdio em imagem SPECT (centro). Resultado final do corregistro entre imagem SPECT segmentada e miocárdio segmentado em imagem de Ressonância Magnética (direita). Na figura 4, é observado o resultado entre o corregistro entre as imagens. A região verme- azul correspon- lha corresponde ao local que é observado maior captação de MIBG. A região de ao local que é observado baixa captação de MIBG. Conclusão A partir dos resultadoss obtidos, é observado a relação entre a região de fibrose e a baixa captação de MIBG e 99Tc (m)-mibi. O corregistro entre MRI e SPECT fornece um melhor senso da captação dos marcadores dentro da estrutura obtida na imagem de Ressonância Magnética. A região de fibrose na imagem segmentada de MRI corresponde a região de baixa captação de MIBG e da região de baixa captação de 99Tc (m) MIBI. Assim, o desenvolvimento da ferramenta fornece uma análise integrada das informações, favorecendo um melhor entendimento da relação entre a inervação autonômica e lesões teciduais no contexto da doença de chagas. Workshop de Informática Biomédica, Semana de Informática Biomédica, Ribeirão Preto, v. 3, p

6 6 Agradecimentos Referências Os autores agradecem a CAPES pelo apoio financeiro. [1] Landesmann, M., Pedrosa, R., and Albuquerque, J. (2007). Cintilografia Cardíaca com Metaiodobenzilguanidina Marcada com Iodo-123 em Pacientes no Estágio Inicial da Fase Crônica da Doença de Chagas. SOCERJ 20, [2] Azevedo, C., Hadlich, M., Petriz, J., Mendonça, L., Moll, J., and Rochitte, C. (2004). Quantificação da massa infartada do ventrículo esquerdo pela ressonância magnética cardíaca. Comparação entre a planimetria e o método de escore visual semi-quantitativo. Arquivos Brasileiros de Cardiologia 83, [3] Simões, M., Pintya, A., Bromberg-Marin, G., Sarabanda, A., Antloga, C., Pazin-Filho, A., Maciel, B., and Marin-Neto, J. (2000). Relation of Regional Sympathetic Denervation and Myocardial Perfusion Disturbance to Wall Motion Impairment in Chagas Cardiomyopathy. The American Journal Of Cardiology 86, [4] Barizon, G., Murta-Junior, L., and Schmidt, A. (2012). Sistema de segmentação e quantificação de tecidos com insuficiência cardíaca por ressonância magnética. [5] Ranganath, S. (1995). Contour extraction from cardiac MRI studies using snakes. Medical Imaging, IEEE Transactions on 14, Contato Gustavo Canavaci Barizon Av. Bandeirantes, 3900 Monte Alegre Ribeirão Preto SP Brasil CEP: Tel: (16) gustavo.canavacibarizon@gmail.com