From medical image processing to in-vivo mechanical characterization : a framework based on IVUS studies

• Ano de defesa: 2017
• Autor(a) principal: Maso Talou, Gonzalo Daniel
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Laboratório Nacional de Computação Científica; Coordenação de Pós-Graduação e Aperfeiçoamento (COPGA); Brasil; LNCC; Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional
• Palavras-chave em Português: Processamento de imagens; Doenças cardiovasculares - Diagnóstico; Cardiovascular diseases - Diagnosis; Image processing; CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::MATEMATICA DA COMPUTACAO::MODELOS ANALITICOS E DE SIMULACAO; CNPQ::CIENCIAS DA SAUDE::MEDICINA::CLINICA MEDICA::CARDIOLOGIA
• Link de acesso: https://tede.lncc.br/handle/tede/261

As doenças cardiovasculares são a principal causa de mortalidade e morbidade em todo o mundo, principalmente devido a acidentes vasculares tais como infarto de miocárdio e acidente cerebro-vascular. O entendimento da gênese, progressão e comportamento de tais doenças é fundamental para um eficaz diagnóstico, tratamento e avaliação de risco cirúrgico. Grandes avanços foram realizados na caracterização histológica da placa vulnerável que conduz a acidentes vasculares, embora as técnicas in-vivo para a visualização da mesma ainda constituam uma área de pesquiza extremamente activa. Neste trabalho é proposta um metodologia para estudar a caracterização in-vivo dos tecidos da parede arterial. Esta metodologia envolve: novos métodos de aprimoramento de imagens médicas (gating, registro e redução de ruído para imagens de ultrassom de alta frequência) e estimativa de fluxo ótico; modelos mecânicos detalhados para artérias coronárias; e um método eficiente de assimilação de dados para a caracterização de tecidos. A tese é dividida em três partes: i) processamento de imagens médicas; ii) estimação de parâmetros de material e iii) aplicações médicas. Particularmente, este trabalho foca-se no uso do ultrassom intravascular (IVUS) como técnica de imagens médicas, embora a segunda parte do manuscrito é suficientemente genérica para ser estendida para outros tipos de imagens médicas. Na primeira parte, são apresentados diferentes métodos para melhorar e recuperar de medidas de deformações e descrição espacial das estruturas anatômicas dos vasos arteriais. Propõe-se um novo método de gating para extrair a descrição do vaso em cada instante do ciclo cardíaco. Devido ao movimento intrínseco dos sensores durante a aquisição da imagem de ultrassom, propomos um método de registro que corrige este deslocamento no plano transversal e no eixo axial de aquisição. Para melhorar a relação sinal-ruído das imagens geradas, propõe-se um método de redução de ruído baseado na estatística do ruído ``speckle'' (ruído intrínseco do ultrassom), que supera as estratégias clássicas de redução de ruído presentes na literatura. Usando os três métodos anteriores, apresentamos uma metodologia para estimar o fluxo óptico da seção transversal do vaso durante o ciclo cardíaco. Na segunda parte, apresentamos um resumo do estado da arte sobre a anatomia arterial e o comportamento mecânico da parede arterial, com especial ênfase nas artérias coronárias. Assim, descrevemos a fisiopatologia da aterosclerose e as alterações mecânicas nos tecidos dos vasos afetados. Em seguida, o problema de caracterização de tecidos é abordado, estimando os parâmetros constitutivos de modelos mecânicos para tecidos arteriais via filtros de Kalman. Utilizando dados experimentais de especímens ex-vivo e modelos constitutivos apropriados, estuda-se a configuração do filtro de Kalman e avalia-se a capacidade da estratégia proposta para a estimação de tecidos. Por último, são empregadas técnicas de fluxo óptico desenvolvidas na primeira parte, para abordar a caracterização dos tecidos in-vivo. A terceira parte da tese apresenta uma contribuição obtida com as técnicas desenvolvidas na primeira parte deste trabalho. Realiza-se uma comparação multimodal para a geração de modelos geomêtricos arteriais a partir de imagens médicas. Especificamente, comparamos a tomografia coronariana computadorizada (CCTA) versus a angiografia coronariana fundida com ultrassom intravascular em termos de descritores geométricos e índices hemodinâmicos derivados dos modelos geomêtricos. Neste estudo são empregadas técnicas de gating e registro para obter uma correta descrição geométrica dos vasos.