Modelagem Computacional das Doenças Intersticiais Pulmonares

1. Escola de Engenharia de São Carlos - USP Universidade Estadual Paulista–Sorocaba/Iperó UMC Universidade de Mogi das Cruzes Modelagem Computacional das Doenças Intersticiais Pulmonares Augusto V. Nascimento Márcio A. Marques Marcelo Z. Nascimento Leandro Alves Neves Annie France Frère Slaets

2. Objetivos • Modelar estruturas anatômicas: O Tórax e o Pulmão Padrões das Doenças intersticiais Pulmonares Algoritmo Computacional • Simular essas estruturas anatômicas expostas aos raios X com diversas técnicas. Estudar a influência tanto das diversas estruturas anatômicas, quanto dos parâmetros radiológicos, sobre o desempenho dos sistemas de auxílio ao diagnóstico de patologias pulmonares (SAD).

3. Justificativas • A radiografia do tórax um dos primeiros procedimentos adotados pelos médicos para o diagnóstico de enfermidades pulmonares; • O grupo das Doenças Intersticiais Pulmonares (DIPs) é composto por aproximadamente 180 patologias; apresentam características clínicas, radiológicas e funcionais semelhantes dificuldades para chegar a um diagnóstico preciso e confiável; potencializadas pela presença da caixa torácica nas imagens radiológicas, que muitas vezes oculta a visualização das estruturas pulmonares; • Representação dos padrões retículo-nodular e o nodular porque a maioria dos pacientes com uma DIP apresenta um desses na radiografia de tórax.

4. Metodologia Modelo Anatômico Adotado (Estruturas Torácicas) Disposição do esterno, vértebras torácicas, arcos costais, escápulas, clavículas e diafragma. (SOBOTTA(1993)).

5. Metodologia Determinação das Estruturas Torácicas • Desenvolvemos um algoritmo baseado em pontos de controle, dispostos de tal maneira, que interpolados através de uma função B-Splines, fornecem formas geométricas próximas às das estruturas reais. onde, p0, p1,..., pn são pontos de controle; m - número de pontos do polígono de controle; k – grau da B-spline que se quer usar. • As funções base Nik são definidas pela forma recursiva de COX (1971) e de BOOR (1972).

6. Metodologia Determinação das Estruturas Torácicas

7. Metodologia Modelo Anatômico Adotado (Estruturas Pulmonares) Distribuição da árvore brônquica segundo WOLF-HEIDEGGER (1996).

8. Metodologia Modelo Anatômico (Estruturas Pulmonares) Ramificações • Diâmetros calculamos através das equações propostas por KITAOKA et al. (1999: determinam as dimensões e direções dos ramos quantificando a distribuição de fluído dos ramos pais para os ramos filhos. d0 diâmetro do ramo pai; d1 e d2 diâmetros dos ramos filhos; Onde n fluxo em questão; r valor de divisão de fluxo valor aleatório entre 0 e 0,5. Utilizamos n igual a 3 para vias aéreas (NELSON & MANCHESTER (1988)).

9. Metodologia • Comprimentos proporcionais aos diâmetros e as regiões disponíveis para o crescimento; • Ângulos o ângulo de bifurcação é o valor necessário para obter a maior distância entre o término do ramo e a borda do pulmão.

10. Metodologia ramos com diâmetros menores ou iguais a 0,7 mm e maiores que 0,45 mm. HORSFIELD et al. (1971); • Bronquíolos terminais • Bronquíolos respiratórios ramos com diâmetros menores ou iguais a 0,45 mm e maiores que 0,2 mm. HORSFIELD et al. (1971); • Limiares valores que determinam até quais diâmetros os ramos são representados.

11. Metodologia representamos as estruturas por elementos geométricos; os elementos geométricos são construídos pela sobreposição de camadas.

12. Metodologia Padrões Intersticiais Retículo-Nodular Produzido pela substituição da arquitetura pulmonar normal por pequenos espaços com formas geométricas hexagonais; Nodular caracterizado na radiografia pela presença de densidades arredondadas de diferentes tamanhos, com aparência de superposição. Configurações Gerais • Processo inflamatório representado pelo espessamento dos bronquíolos respiratórios obtido multiplicando o valor do diâmetro de cada bronquíolo respiratório por um coeficiente de aumento, que definimos como 2,5.

13. Metodologia Configurações para o Padrão Retículo-Nodular • hexágonos denominados retículos esferas denominados nódulos sobrepostos aos bronquíolos envolvidos no processo inflamatório; • as paredes dos retículos são representadas por cilindros com diâmetros obtidos randomicamente, respeitando um intervalo de 0,5 a 1,5 mm; • os comprimentos dos retículos correspondem às regiões ocupados pelos bronquíolos respiratórios incluídos no processo inflamatório; • Nódulos variam de 0,9 a 2,9 mm de diâmetros representadas nos vértices.

14. Metodologia Configurações para o Padrão Nodular • 250 nódulos variam de 0,5 a 3,5 mm de diâmetros sobrepostos as estruturas; • O posicionamento, coordenadas (x,y), de cada estrutura é definido randomicamente, respeitando a geometria pulmonar.

15. Resultados Modelo Torácico 1 - Modelagem de uma caixa torácica com 22 cm de diâmetro e 26,5 cm de altura.

16. Resultados (a) (b) Modelo Torácico 2 - Modelagem de uma caixa torácica com 19,5 cm de diâmetro e 28,5 cm de altura. (a) sem a pele; (b) com a pele.

17. Resultados (a) (b) Simulações contemplando a traquéia; brônquios principais, lobares e segmentares; bronquíolos terminais e respiratórios. (a) obtido com as dimensões do Modelo Torácico 1; (b) obtido com as dimensões do Modelo Torácico 2.

18. Parâmetros das Imagens Radiográficas Simuladas • Utilizamos espectros apresentados por BOONE & SEIBERT (1997). • Coeficientes de atenuação de massa calculados a partir de uma composição genérica apresentada pela norma da International Commission on Radiation Units (ICRU-44 (1999)). • Densidade sem a presença do ar, 1.05 estabelecida pela mesma norma. • As intensidades dos raios X que atravessam os pulmões são calculadas através da equação apresentada por WOLBARST (1993).

19. Resultados (a) (b) Simulação Radiográfica com 45 kVp e 5 mAs do Modelo Torácico 1 (a) e Modelo Torácico 2 (b).

20. Resultados (a) (b) Simulação radiográfica do padrão retículo-nodular, com 45 kVp e 5 mAs. (a) Modelo Pulmonar 1; (b) região do lobo inferior esquerdo em tamanho real.

21. Resultados (a) (b) Simulação radiográfica do padrão nodular, com 45 kVp e 5 mAs. (a) Modelo Pulmonar 1; (b) região do lobo superior direito em tamanho real.

22. Discussões e Conclusões Comparações Quantitativas • Número de divisões dos ramos; • Número e diâmetros de bronquíolos terminais; São compatíveis com os dados encontrados nos modelos reais. Comparações Qualitativas • Especialista considerou: nos modelos pulmonares as vias aéreas estão organizadas adequadamente e que os padrões retículo-nodular e nodular foram bem representados; diferenças na disposição das escápulas, no tamanho do esterno e na atenuação proporcionada pelos arcos costais e pele; conclusão é que os modelos torácicos e pulmonares são bem representativos, atendendo os objetivos propostos.

23. Contato http://www.sel.eesc.sc.usp.br/aladim/index.htm laneves@sel.eesc.sc.usp.br