Simplificações do método de Eklof & Ringertz para automatizar o processo de estimação da maturidade óssea

Transcrição

1 Simplificações do método de Eklof & Ringertz para automatizar o processo de estimação da maturidade óssea C.J. Olivete, E. L. L. Rodrigues USP / Escola de Engenharia de São Carlos - Departamento de Engenharia Elétrica, São Carlos, São Paulo, Brasil olivete@usp.br evandro@sc.usp.br Abstract The aim of this work was to evaluate bone age assessment by the simplifications of Eklof & Ringertz methodology, using fast e simplified configuration. There were used hand radiographic images of 685 children and adolescents (boys and girls; age: 6-18 years) in order to obtain the skeletal age assessment using Eklof & Ringertz simplifications E&R5 and E&R3 (5 and 3 hand bones ossification centers). The results were analysed using the Multiple Linear Regression test and the t-student test (5%), concerning the average of three classical methods. It is possible to conclude that both proposed simplifications (E&R3 and E&R5) are appropriate for bone age estimation, using fast e simplified configuration, with similar results to the average of the traditional methods. 1. Introdução O ser humano é uma espécie biológica dinâmica que sob ação de processos metabólicos sucessivos evolui, segundo os fatores individuais e ambientais, devido aos mecanismos de crescimento e desenvolvimento. O que se observa é que o corpo humano tem em sua formação e crescimento sequências e regras próprias, as quais vêm sendo observadas e estudadas sob vários aspectos [1]. Uma das formas de se estudar o crescimento é através da análise de radiografias de determinadas partes do corpo, dentre a mais utilizada, está a mão, pois trata-se de um local de fácil acesso e também por não conter órgãos vitais, podendo ser submetida a doses de radiação com mais freqüência.[1]. Os métodos mais difundidos e utilizados são: Greulich & Pyle (G&P), que faz uma avaliação inspecional dos ossos da mão através de um Atlas [1]; o método de Tanner & Whitehouse (T&W), que analisa 20 ossos da mão e punho atribuindo um escore específico para cada osso e sexo, e através da soma desses escores obtém-se a idade óssea [2]; e o método Eklof & Ringertz (E&R), o qual se baseia em medidas de dimensão de 10 centros de ossificação [3]. Uma descrição mais detalhada destes métodos e dos processos de estimação pode ser obtida no portal de informações de idade óssea [4]. Encontram-se alguns trabalhos nesta linha de pesquisa, dentre eles, pode-se citar o de Tavano [3], que desenvolveu uma metodologia de estimação da idade óssea através da automatização dos métodos de T&W e G&P e o de Haiter et al. [5], no qual realiza um estudo com o objetivo de verificar se os métodos de G&P, T&W e E&R poderiam ser aplicados à população brasileira e qual destes métodos seria o mais confiável, quando comparados à idade cronológica do indivíduo. Baseado nestes estudos, apresenta-se nesse trabalho metodologias simplificadas de estimação da maturidade óssea derivadas de E&R - denominadas E&R5 e E&R3 - que operam de forma automatizada. 2. Materiais e métodos 2.1. O método original proposto por E&R Eklof & Ringertz estabeleceram padrões de normalidade para a maturação esquelética em uma amostra de 1013 radiografias de mão e punho de crianças. Foram mensurados 10 centros de ossificação, formados por ossos do carpo, largura da epífise distal do radio, comprimento e largura do capitato e do hamato, comprimento dos metacarpais II, III e IV, e comprimento das falanges proximais II e III. Propuseram duas tabelas, uma para cada sexo, onde cada centro de ossificação possui um padrão mínimo e um máximo de medida. A idade óssea é calculada através de um valor médio das idades obtidas para cada centro de ossificação. Maiores detalhes sobre o método podem ser encontrados no portal de informações da idade óssea [4] Conjunto de imagens do estudo Foram selecionadas 685 imagens radiográficas, sendo 357 do sexo masculino e 328 do sexo feminino (ver Figura 1), na faixa etária de 6 a 16 anos. As radiografias foram obtidas junto ao Departamento de Odontologia da Faculdade de Odontologia de Piracicaba, UNICAMP e classificadas pelos métodos de G&P, T&W e E&R, sob supervisão do Prof. Dr. Francisco Haiter Neto e auxílio do Anacarp [6]. Posteriormente, juntamente com o valor médio dos laudos, foram inseridos no banco de dados.

2 Distribuição das imagens do banco de dados [anos] 15 e % 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% Feminino Masculino 2.3. Métodos Figura 1. Distribuição das imagens do banco de dados de acordo com a média dos laudos médicos. Para a implementação da metodologia foi utilizada a plataforma Borland Builder C++ e as análises estatísticas foram realizadas através do software BioEstat Propostas de Simplificações para o Método de E&R Uma das dificuldades encontradas no método E&R está relacionada com a sobreposição dos ossos do carpo e punho, que causa dificuldades no processo de obtenção de suas medidas, prejudicando a obtenção precisa das medidas dos centros de interesse, o que pode por conseqüência, produzir resultados pouco confiáveis. Visando contornar este problema, buscou-se excluir estes ossos do processo de estimação, propondo simplificações do método E&R A simplificação E&R5 Nesta simplificação, a estimação da idade óssea é realizada baseando-se na análise de apenas 5 centros de ossificação (E&R5), compostos por duas falanges proximais e três ossos metacarpais, descartando os ossos do carpo e punho (ver Figura 2). Posteriormente, realizou-se um estudo estatístico objetivando uma nova simplificação para o método E&R, culminando no método E&R A simplificação E&R3 Buscou-se verificar o limite mínimo do número de centros ósseos que apresentassem resultados estatisticamente significantes, ou seja, próximos ao valor da média dos laudos médicos. Foram feitas todas as combinações possíveis entre os 5 ossos (tomados 2 a 2, 3 a 3 e média dos 5 ossos) utilizados no E&R5, comparando-as com a média dos laudos médicos. A denominação para os ossos utilizada nas combinações, foi: P1, P2 e P3 comprimento dos metacarpais II, III e IV; P4 e P5 comprimento das falanges proximais II e III. Em seguida, foram gerados gráficos para cada imagem do conjunto (Figura 3), analisando quais combinações mais se aproximaram do valor do laudo médico. Figura 2. Os cinco centros de ossificação utilizados no método E&R5 - (6), (7) e (8): comprimento dos metacarpais II, III e IV, (9) e (10): comprimento da falange proximal II e III. Figura 3. Gráfico de exemplo das combinações em relação à média dos laudos médicos

3 A linha vermelha no gráfico refere-se ao valor médio em anos dos laudos médicos (E&R, G&P e T&W). Os pontos selecionados no gráfico acima foram as combinações: P1 P5 e P1 P3 P5, representados pelos círculos. A média da combinação (P1, P3 e P5 formados pelos ossos em destaques na Figura 4) obteve excelente aproximação em relação ao valor médio dos laudos médicos, indicando uma simplificação para o método E&R. desenvolvido por Nascimento et al [7] e apresentado no trabalho de Olivete et al [8], para correção do efeito Heel e um filtro passa-baixa para suavizar os ruídos [9]. 2) Segmentação dos ossos Uma forma simples de se isolar os ossos da mão pode ser conseguida com a utilização de um método eficiente de thresholding [9]. Os métodos implementados foram: Otsu, Pun, Niblack e Rosenfeld [10, 11, 12]. Com a aplicação destes métodos, é feita uma binarização da imagem, ficando a parte óssea com intensidade em nível de cinza igual a 255 (branco) e a fundo da imagem, igual a 0 (preto). 3) Isolamento dos centros de ossificação Para selecionar os dedos da mão, construiu-se um procedimento que realiza varreduras horizontais na imagem, guiando-se pelo pixel com intensidade 255 (cor do osso). Posteriormente, este procedimento insere automaticamente os marcadores para isolar os ossos metacarpais II, III e IV e as falanges proximais II e III. Esse procedimento é melhor detalhado acessando o site da Revista Brasileira de Física Médica [13]. Figura 4. Os três centros de ossificação utilizados no método E&R3 - (6) e (8): comprimento dos metacarpais II e IV, (10): comprimento da falange proximal III Metodologia de estimação da idade óssea Na Figura 5 são apresentadas as fases da metodologia para estimação da idade óssea. 4) Medidas para os centros de ossificação Após a inserção dos marcadores, é calculado o comprimento, em pixels, de cada osso utilizando a distância Euclidiana. Para ser utilizado pelo método E&R esse valor é convertido para milímetros. 5) Estimação da idade óssea Para cada medida encontrada, faz-se uma busca na tabela de medidas para encontrar o valor referente à idade. A idade final é obtida através da média da idade encontrada para cada osso Processo de análise dos dados Os laudos estimados foram analisados utilizando o software BioEstat 4.0. A correlação foi medida através da Correlação de Pearson. No sentido de verificar se esta correlação era estatisticamente significativa aplicou-se o teste T de Student pareado (5%). 3. Resultados Figura 5. Sequência de processamento utilizado na metodologia 1) Pré-processamento Para eliminar as variações da não uniformidade encontrada no fundo da imagem, inerente ao processo de obtenção das radiografias, foi aplicado um algoritmo Para melhorar a apresentação e análise dos resultados, classificaram-se as imagens de acordo com a média dos laudos médicos considerando grupos de faixa etária de 6 a 16 anos, onde cada faixa etária abrange uma quantidade de indivíduos, como por exemplo, 6 anos compreende indivíduos de 6 anos até 6 anos e 11 meses. Na Tabela 1 são apresentados os resultados para os indivíduos do sexo masculino.

4 Tabela 1: Análise dos resultados média dos laudos e simplificações E&R5 e E&R3 sexo masculino agrupados por faixa etária. Analisando a Tabela 1, nota-se que a estimação realizada pelo método E&R5 -sexo masculino - obteve uma correlação forte e positiva com as médias dos laudos médicos, variando entre 0.58 e Nota-se que somente os resultados obtidos para os indivíduos pertencentes à faixa etária 11 anos não foram estatisticamente significantes, com valor p (teste t de Student) igual a A fim de verificar se realmente o método simplificado E&R5 não poderia ser utilizado para estimação da maturidade óssea para faixa etária 11 anos (sexo masculino), selecionou-se 32 indivíduos de outro conjunto de imagens, oriundas de outra região brasileira, e aplicou-se o método. Os resultados obtidos foram estatisticamente significantes (valor de p - T de Student pareado = com correlação de 72%), contrariando os resultados obtidos no primeiro conjunto de imagens. Objetivando analisar essa divergência, analisaram-se individualmente as imagens onde os resultados não foram significantes e, das 44 imagens, considerando um desvio padrão de 6 meses um valor aceitável dentre os padrões apresentados pelos métodos clássicos, que variam entre 6 meses e um ano, dependendo da faixa etária apenas 3 indivíduos (7%) ficaram fora desse intervalo. Com isso pode-se constatar que os resultados obtidos com E&R5 para a faixa etária 11 anos são aceitáveis. No conjunto de imagens do sexo masculino, o método E&R5, os resultados apresentaram fortes correlações, com valores chegando a 97% e dentro da faixa de significância (p < 0.05). Os resultados não foram significantes apenas para os grupos com faixa etária 9 e 14 anos. Avaliando os resultados do grupo de indivíduos com 9 anos um total de 28 imagens 2 imagens (7.14%) tiveram idades estimadas que diferiram de 7 e 8 meses, respectivamente, do valor esperado (média dos laudos). No grupo de 14 anos, aproximadamente 10% dos laudos gerados ficaram fora do intervalo de desvio padrão 6 meses em relação a média dos laudos. Na Figura 6 é apresentado um gráfico ilustrando as correlações entre as médias dos laudos médicos (T&W, G&P e E&R) e as simplificações E&R5 e E&R3 considerando as faixas etárias e o sexo masculino. É possível notar que as simplificações obtiveram forte correlação (valores acima de 0.5) quase na totalidade das faixas etárias. [correlação] Correlação entre simplificações E&R5 - E&R3 e média dos laudos (E&R, G&P e T&W) [faixa etária] E&R5 E&R3 Figura 6. Correlação entre média dos laudos versus simplificação E&R5 e E&R3 - indivíduos do sexo masculino. Uma análise similar foi realizada para os indivíduos do sexo feminino e os resultados estão apresentados na Tabela 2.

5 Tabela 2: Análise dos resultados média dos laudos e simplificações E&R5 e E&R3 sexo feminino agrupados por faixa etária. Analisando a Tabela 2, verifica-se que os resultados tiveram correlações positivas e elevadas com a média dos laudos médicos, com valores chegando a aproximadamente 91%. O pior resultado foi o do grupo de 14 anos, com uma correlação de e valor de p igual a (acima do nível de significância de 5%). Neste grupo foram avaliadas 31 imagens e, em 5 casos, os laudos estimados (variando entre 7 meses e 1 ano e 2 meses) diferiram do valor do laudo médio, considerando um desvio padrão de 6 meses. Na Tabela 2 também se observa resultados não significantes para as faixas etárias 9 e 10 anos (p > 0.05). Analisando individualmente os laudos para estes grupos etários, constatou-se que para a faixa de 9 anos, 7.50% dos laudos estimados diferiram do valor do laudo médio. Já para os de 10 anos, esse erro foi de 3.70%. Repetindose a estimação para outros indivíduos destas mesmas faixas etárias em outro conjunto de imagens, obtiveram-se resultados com correlação acima de 79% e valores de p (T de Student) dentro da faixa de significância e menores que Com base nestes resultados constata-se que as simplificações do método E&R podem ser utilizadas com segurança no processo de estimação, trazendo resultados significantes quando comparados com a média dos laudos médicos, e com a vantagem de operar de forma automatizada, o que contribui para a redução da subjetividade presente nas metodologias clássicas. 4. Discussões Estimar a maturidade óssea em indivíduos que se encontram na faixa de crescimento se faz necessário para avaliar possíveis desordens no processo, que podem ser causadas por fatores genéticos, ambientais, nutricionais, dentre outros. Os métodos que tradicionalmente tem sido utilizados como referências confiáveis no processo de estimação são baseados na análise da radiografia carpal são: G&P, T&W e E&R. Os dois primeiros necessitam de uma análise inspecional comparativa, inserindo significante dose de subjetividade no processo. O método de E&R é um dos mais utilizados em clínicas especializadas que utilizam de ferramentas computadorizadas para auxílio ao diagnóstico. Este método apresenta algumas dificuldades de utilização, dentre elas, está o processo manual de obtenção das medidas dos centros de ossificação, onde, é necessária a inserção de 20 marcadores para a identificação de todos os ossos utilizados na estimação. Como forma de facilitar a utilização do método E&R, apresentou-se simplificações que atuam de forma automática e que produzem resultados coerentes com a média dos laudos médicos. Os resultados foram analisados através da correlação de Pearson e com o teste T de Student pareado. Resultados iniciais não foram estatisticamente significantes (valores de p ficando acima de 0.05) quando utilizado o método E&R5 para indivíduos da faixa etária 11 anos - sexo masculino e 14 anos - sexo feminino. Na metodologia E&R3, com os indivíduos na faixa etária 9 e 14 anos - sexo masculino e 9 e 10 anos - sexo feminino. Repetiram-se as análises para estas faixas etárias utilizando indivíduos de outra base de imagens, e, os laudos gerados, por ambos os métodos e sexos, foram coerentes com a média dos laudos médicos, considerando a faixa de significância de 5%. Com isso, foram feitas análises individuais nos laudos estimados para os grupos

6 que ficaram fora da faixa de significância. Tomou-se como referência um desvio padrão de 6 meses em relação a média dos laudos e, o erro obtido variou entre 3.7% e 10%. 5. Conclusões O objetivo principal deste trabalho foi propor simplificações para o método E&R, com o intuito de facilitar e acelerar o processo de estimação da idade óssea. O método original necessita da inserção manual de 20 marcadores (pontos) para obtenção das dimensões de todos os ossos metacarpais, falanges e punho. Em muitas situações, requer uma grande quantidade de tempo para isolar adequadamente os ossos do carpo e punho, e nem sempre são alcançados resultados precisos em virtude da sobreposição dos ossos dessa região, o que pode ser observado facilmente nas imagens radiográficas. Com as simplificações, são necessários apenas 10 e 6 marcadores (que são inseridos automaticamente) método E&R5 e E&R3, respectivamente para isolar e obter as medidas dos ossos necessários para a análise (formados por metacarpais e falanges), tendo como vantagem, a inserção automática dos marcadores. Através dos resultados obtidos, em ambos os sexos e para todas as faixas etárias, utilizando as simplificações, observou-se correlações positivas e elevadas com os valores das médias dos laudos médicos e estatisticamente significantes (T de Student, p< 0.05). Com isso, comprova-se que é possível estimar com confiança a idade óssea a partir de simplificações do método E&R, tendo como vantagem um processo que opera de forma simplificada e automática, produzindo resultados isentos de subjetividade e coerentes com a média dos laudos médicos, podendo ser utilizado como auxilio ao diagnóstico médico. 6. Referências [1] HAITER, N. F., FRANCISCO; A., SOLANGE, M. L., CHRISTIANA, C. (2000). Estudo comparativo dos métodos de estimativa da idade óssea de Greulich & Pyle e Tanner & Whitehouse, Revista Odontológica Brasileira, v. 14, n. 4, p [2] TANNER, J. M. et al (1969). A New System for Estimating Skeletal Maturity from Hand and Wrist, with Standarts Derived From a Study Of 2600 Healthy British Children, Departament of Growth and Development Institute of Child Health, University of London; and Departament of Statistics, Rothamsted Experimental Station, Harpenden. [3] TAVANO, O. (2001). Estudo das principais tabelas de avaliação da idade biológica, através do desenvolvimento ósseo, visando a sua aplicação em brasileiros leucodermas da região de Bauru. Tese de doutorado, USP São Paulo Brasil. [4] Banco de Dados de Imagens Carpais EESC/USP disponível em [5] HAITER, N. F, KURITA, L.M., MENEZES, A.V., CASANOVA, M. S. (2006). Skeletal age assessment: A comparison of 3 methods, American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics, October. [6] OLIVETE, J. C. (2005). Estimativa da Idade Óssea Através da Análise Carpal Baseada na Simplificação do Método de Eklof & Ringertz, Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Elétrica, USP São Carlos. [7] NASCIMENTO, M. Z., FRERE, A. F., MARQUES M. A., (2003). Subtraction of images for automatic determination of center of the radiation field, Proc. 25 th Annual International Conf. of the IEEE Eng. in Medicine and Biology Society, Cancún, México, pp [8] OLIVETE, C. J.; RODRIGUES, E. L. L. (2005). O efeito da correção do Efeito Heel em imagens radiográficas da mão. Revista Brasileira de Física Médica, volume 1, pág [9] GONZALEZ, R. C.; WOODS, R. E. (1993). Digital Image Processing Techniques, Addison Wesley, New York. [10] OTSU, N. (1997). A Threshold Selection Method from Gray-Level Histograms. In: IEEE Transactions on Systems Man, and Cybernetics, Volume SMC-9, No. 1, pp [11] ABUTALEB, A.S. (1989). Automatic Thresholding of Gray-Level Pictures Using Two Dimensional Entropy, Computer Vision, Graphics, and Image Processing, vol. 47, pp , [12] KAPAR, J. N., SAHOO, D. K., WONG, A. K. C., (1985). A New Method for Gray- Level Picture Thresholding Using the Entropy of the Histogram, Computer Vision, Graphics, and Image Processing, vol. 29, pp , [13] OLIVETE, C. J.; RODRIGUES, E. L. L. (2009). Software automático para determinação da idade óssea baseado no método de Eklof & Ringertz. Revista Brasileira de Física Médica, volume 2, pág Disponível em