Um sistema computacional para registrar e recuperar imagens mamográficas via Internet Fátima L. S. Nunes 1, Homero Schiabel 2, José Alaor de Oliveira Jr 1, Claudio Tuccilli Gonçalves 1, Rodrigo H. Benatti 2 1 Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação Centro Universitário Eurípides de Marília, Marília (SP), Brasil; 2 Laboratório de Análise e Digitalização de Imagens, Departamento Engenharia Elétrica EESC/USP, São Carlos, SP, Brasil. Resumo Este trabalho apresenta um sistema computacional para gerenciar uma base de imagens mamográficas através da Internet. O primeiro objetivo é tornar disponível uma grande quantidade de imagens mamográficas digitalizadas com características suficientes para suprir as necessidades de esquemas de diagnóstico auxiliado por computador. O segundo objetivo é permitir uso de tais imagens como ferramenta de educação à distância nesta área. Palavras-chave: base de imagens, processamento de imagens, mamografia, diagnóstico auxiliado por computador. Abstract This paper presents a system to manage a mammographic image database through the Internet. The first goal is making available a large number of digitized mammographic images with characteristics that can serve the needs of computer-aided diagnosis schemes. The second goal is allowing the use of such images as a tool to aid training programs in this area. Key-words: database images, image processing, mammography, computer-aided diagnosis. 1. Introdução Esquemas de diagnóstico auxiliado por computador (CAD computer-aided diagnosis) têm sido desenvolvidos por vários grupos de pesquisas, visando a auxiliar na detecção precoce do câncer de mama, pois a descoberta da doença na fase inicial favorece a sua cura [1]. Esquemas completos fornecem a identificação, localização e classificação dessas estruturas, podendo, dessa forma, contribuir para a descoberta precoce da doença, inclusive em pacientes assintomáticos. Em trabalhos anteriores [2,3] foi apresentado um sistema computacional cujo objetivo final é produzir informações úteis ao diagnóstico médico para a detecção de agrupamentos de microcalcificações, utilizando técnicas para segmentar tais estruturas, identificar agrupamentos desses sinais e classificá-los. Uma das maiores dificuldades encontradas durante o desenvolvimento dessas técnicas diz respeito à avaliação dos procedimentos implementados. A mensuração da eficiência de uma determinada técnica não é uma tarefa trivial, visto que os resultados podem variar de acordo com o conjunto de imagens utilizado nos testes [4]. Para se atestar a viabilidade do uso de uma técnica, são necessários testes com um vasto conjunto de imagens que tenham, preferencialmente, características de aquisição variadas e que atendam aos requisitos da finalidade da técnica, isto é, conter as estruturas procuradas na detecção. Isso envolve intensa pesquisa junto a hospitais e clínicas para obtenção dos filmes radiográficos e
dos respectivos laudos médicos, exaustiva tarefa de digitalizar essas imagens e catalogação sistemática e eficiente que permita uma recuperação rápida e precisa das imagens de acordo com as suas características. Também a seleção e recuperação de imagens não é uma tarefa fácil, demandando, ainda, muito tempo e recursos humanos para a sua execução. Alguns centros de pesquisa têm oferecido sites que disponibilizam, entre outras informações, imagens utilizadas em diagnóstico. Alguns são mais completos, fornecendo informações mais precisas sobre os casos; outros simplesmente disponibilizam as imagens. Como exemplo podem ser citados: University of South Florida (http://marathon.csee.usf.edu/mammography/database.html), que disponibiliza em torno de 2500 casos com algumas informações sobre o paciente e sobre as imagens; Custom Medical Stock Photo (http://www.cmsp.com/vlightbox/ vlbfb91/search), que possui imagens ilustrativas de procedimentos médicos para realização de exames e também imagens resultantes de exames médicos; Medical Image Database (http://rad.usuhs.mil/synapse/), que apresenta estudos de casos de diversas modalidades, com informações genéricas sobre cada caso e Mammographic Image Analysis Society (http://www.wiau.man.ac.uk/ services/mias/miasweb.html), cuja finalidade é disponibilizar uma base de imagens de 320 filmes mamográficos, com informações direcionadas para o diagnóstico. A partir dessas considerações, o presente trabalho foi idealizado para: 1) disponibilizar de forma sistematizada as imagens que fazem parte de um conjunto já existente [5], assim como as imagens que gradativamente forem acrescentadas a esse conjunto e 2) permitir acesso fácil a essas imagens através da Internet. Para isso, foi estabelecido um gerenciamento preciso através da construção de uma base de dados adequada para armazenar informações constantes nos laudos médicos e possibilitar uma recuperação rápida das imagens e informações referentes a elas através de um sistema de pesquisa. 2. Materiais e Métodos O sistema computacional aqui descrito está sendo desenvolvido em quatro fases, cujas tarefas são citadas a seguir. a) Análise de requisitos e modelagem de dados na primeira fase foram estudadas as características das imagens, equipamentos de digitalização, pacientes e exames mamográficos a fim de estabelecer um modelo relacional de banco de dados para armazenar os dados necessários de forma consistente e sem redundância. Além disso, foram levantados os possíveis tipos de usuários com o objetivo de se estabelecer a arquitetura do sistema. A partir do estudo de consultas que poderiam ser realizadas por todos os tipos possíveis de usuários foram tomadas as decisões a respeito dos atributos que deveriam ser armazenados, resultando no modelo de dados observado na Figura 1(a). b) Desenvolvimento de programas para armazenamento e recuperação de informações a partir da análise de requisitos do sistema foram estudadas as diversas opções de tecnologias disponíveis que permitissem o desenvolvimento de um projeto sem custos adicionais de aquisição e manutenção de software. Optou-se pela utilização do sistema operacional Linux, utilizando-se PHP e MySQL. Foi estabelecida a construção de um software que permitisse três níveis de usuários: comuns (que podem consultar e copiar imagens); usuários especiais (que podem consultar, copiar e também incluir novas imagens) e administradores (que, além das tarefas dos demais usuários, podem autorizar novos usuários, incluir, alterar e eliminar informações de qualquer parte do banco de dados). Um usuário deve ser registrado para obter autorização de acesso ao sistema. Durante o registro, deve fornecer informações que serão utilizadas posteriormente na fase de coleta de resultados, a fim de
verificar o uso efetivo da base de imagens disponibilizada. Primeiramente foram construídos programas para permitir a manutenção em todas as tabelas da base de dados criada, respeitando os seus relacionamentos. Assim, os usuários administradores podem incluir, alterar e excluir dados sem preocuparem-se com problemas de consistência dos mesmos. Atualmente está sendo construída a parte final, que consiste na implementação de um programa de consulta genérica com o objetivo de recuperar informações a partir dos mais diversos atributos armazenados. A tela inicial desta consulta é apresentada na Figura 1(b). PACIENTE PATOLOGIA EXAME BIRADS ACHADO TIPO IMAGEM USUARIO POSICAO SCANNER (a) (b) Figura 1 (a) Modelo de dados utilizado no sistema; (b) Tela de consulta genérica, disponível a todos os usuários. c) Armazenamento de imagens as imagens originais dos mamogramas foram digitalizadas com 12 bits de resolução de contraste, utilizando-se dois digitalizadores a laser: um Lumiscan 50 (Lumisys, Inc.), com tamanho de pixel de 0,15mm e um Lumiscan 75, com tamanho de pixel de 0,075 mm, sendo armazenadas originalmente em formato TIFF, sem perda de informação. As estruturas presentes nos mamogramas que formam a base de imagens são bastante diversas: há mamogramas de casos normais, nos quais nenhum achado foi indicado nos laudos, assim como várias imagens apresentando microcalcificações esparsas, agrupamentos de microcalcificações e massas suspeitas ou indicativas de tumor. O nível de informação dessas imagens também é variável: geralmente são fornecidos laudos dos radiologistas informando o tipo de lesão encontrada (se houver) e a localização das mesmas. Com os objetivos de tornar possível a disponibilização na Internet e diminuir a quantidade de espaço de armazenamento, as imagens foram convertidas para o formato JPEG. d) Disponibilização na World Wide Web as tarefas básicas desta fase são a preparação do servidor WWW, o preenchimento das tabelas com os dados provenientes das imagens preparadas na fase anterior e a preparação de páginas de acesso ao sistema, considerando os níveis de usuários e os requisitos definidos nas duas primeiras fases. Atualmente os programas que possibilitam as manutenções das diversas tabelas componentes do modelo relacional já foram implementados e testados. O preenchimento da base de dados está sendo realizado através da conversão de uma base anterior desenvolvida utilizando a plataforma Borland Delphi com Paradox. Prevê-se a disponibilização do site assim que a implementação citada na segunda fase estiver findada.
3. Resultados Até o presente momento foram incluídas na base de dados em torno de 3500 imagens com os dados radiológicos. Estas imagens foram obtidas de cinco hospitais, apresentando diferentes características de digitalização. As estruturas presentes nas imagens são bastante diversas: calcificações, microcalcificações espalhadas e agrupadas, nódulos suspeitos e densidades assimétricas. Também foram incluídas imagens de mamogramas normais, nos quais nenhum achado foi indicado nos laudos radiológicos. A forma de manutenção implementada permite que o administrador do sistema possa incluir, excluir ou modificar dados de qualquer lugar onde haja um ponto de Internet. Devido à interface construída, há uma grande facilidade na realização dessas operações, não sendo exigidos conhecimentos profundos sobre bancos de dados ou linguagens de programação. A estruturação em níveis de usuários permite mais segurança ao sistema, pois através do sistema operacional são controlados os acessos permitidos a cada categoria de usuários. Usuários comuns só podem consultar a base de imagens e executar downloads; usuários intermediários podem incluir imagens no sistema, desde que autorizados. Para garantir a consistência dos dados incluídos por esses últimos, os programas construídos são executados em uma ordem pré-determinada: primeiro devem ser incluídos os dados de pacientes, depois os exames desses pacientes e as suas respectivas imagens e, então, os achados relativos a cada imagem. Caso algum dado seja incluído erroneamente, o administrador poderá alterá-lo ou excluí-lo. 4. Conclusões A partir das fases já implementadas do trabalho, algumas conclusões preliminares podem ser delineadas. A primeira delas é a constatação da possibilidade de construção de sites com esta finalidade a partir de tecnologias gratuitas. A disponibilização de bases de imagens na Internet exige mais requisitos de hardware do que software. É necessária a utilização de máquinas com grande capacidade de memória virtual e armazenamento, a fim de que a recuperação de informações seja eficiente para uma determinada quantidade de usuários acessando o sistema ao mesmo tempo. A quantidade de informação armazenada não é o problema principal e a modelagem de dados não é complexa, consistindo basicamente em estabelecer uma forma eficiente de armazenar as informações de laudos radiológicos e/ou histopatológicos. Por essas características, uma tecnologia sem custos adicionais, como a utilizada neste trabalho, atinge os objetivos desejados. A segunda conclusão preliminar diz respeito à utilidade da disponibilização de imagens médicas via Internet. Como afirmado na introdução deste trabalho, um dos grandes desafios de esquemas de auxílio ao diagnóstico é a verificação da sua eficiência, visto que resultados bem diferentes podem ser obtidos quando utilizadas bases diferentes de dados nos testes. Obter bons conjuntos de testes não é uma tarefa trivial: o conjunto de imagens deve ser vasto, abranger os mais diversos casos e apresentar características mínimas de aquisição. Além do tempo necessário para a digitalização e armazenamento de tais imagens, deve ser considerada a necessidade de equipamentos digitalizadores adequados, geralmente importados e com alto custo. Além disso, a construção de sistemas deste tipo pode ser o ponto inicial para a padronização de avaliações de esquemas CAD, pois somente é possível comparar a eficiência de esquemas diferentes se eles são testados com as mesmas bases de imagens. Também deve ser ressaltada aqui a facilidade de utilização de uma base de imagens via Internet com as características aqui apresentadas: interessados de qualquer parte do mundo que tenha um ponto de Internet poderão acessá-la e copiar as imagens que lhe interessam. A
arquitetura proposta no sistema apresentado facilita tanto a recuperação dessas imagens quanto a inclusão de novos casos, podendo enriquecer, assim, o conteúdo da base de imagens em construção. Esse aspecto pode fazer com o sistema seja útil também como ferramenta educacional para pesquisadores, visto que as imagens disponibilizadas apresentam grande variedade de achados, podendo constituir materiais didáticos complementares em cursos relacionados a essa área de conhecimento. Um último ponto a ser salientado é que a modelagem relacional do sistema aqui proposto visa também à expansão da base de dados atual a partir da inclusão de outros tipos de imagens, provenientes de outras modalidades (ultra-som e ressonância magnética, por exemplo) ou de imagens de outros órgãos que possam ser úteis à comunidade de pesquisadores na área. Aproveitando a estrutura já construída, é possível acrescentar novas tabelas ao modelo e elaborar consultas adequadas a tais imagens. A partir da disponibilização das imagens, trabalhos futuros estão sendo projetados a fim de permitir a recuperação com base no conteúdo ou nos aspectos inerentes a cada imagem, funções de processamento de imagens que possam ser executadas on-line via Internet e estudos sobre a compressão de imagens a fim de agilizar o envio e a recuperação das mesmas. Desta forma, acreditamos estar contribuindo para o desenvolvimento de pesquisas na área de esquemas de auxílio ao diagnóstico, através da minimização de um desafio a ser vencido que é a disponibilização de material para avaliação de tais sistemas. 5. Referências bibliográficas 1. FEIG, S.A.; HENDRICK, R.E. Risk, benefit and controversy in mammographic screening, in A Categorical Course in Physics. Technical Aspects of Breast Imaging, A.G. Haus and M. J. Yafee, Eds, Radiological Society of orth America, 1993, p. 21-33, 79 th scientific assemblu and annual meeting of RSNA. 2. SCHIABEL,H.; NUNES,F.L.S.; AZEVEDO MARQUES,P.M.; FRÈRE,A.F. A computerized scheme for detection of clusters of microcalcifications by mammograms image processing. Medical & Biolological Engineering & Computing, v.35 (Supplement Part 2), p. 705, 1997. 3. NUNES, F. L. S.; SCHIABEL, H. Detecção de agrupamentos de microcalcificações mamárias através de processamento de imagens mamográficas com detecção semiautomática de regiões de interesse. Revista Brasileira de Engenharia Biomédica, v.16 (3), p.139-151, 2000. 4. NISHIKAWA,R.M.; JIANG,Y.; GIGER,M.L.; SCHMIDT,R.A.; VYBORNY,C.J.; ZHANG,W.; PAPAIOANNOU,J.; BICK,U.; NAGEL,R. DOI,K. Performance of automated CAD schemes for the detection and classification of clustered microcalcifications. Digital mammography. A.G.Gale et al., eds. Elsevier Science Publishers B.V., p. 13-20,1994. 5. SCHIABEL,H.; NUNES, F.L.S.; ESCARPINATI, M.C.; GÓES,C.E. Investigations on the effect of different characteristics of images sets on the performance of a processing scheme for microcalcifications detection in digital mammograms. Journal of Digital Imaging, v.14 (2), p.224-225, 2001.