Desarrollo de una herramienta de extracción del árbol coronario en una imagen angiográfica...
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Desarrollo de una herramienta de extracción del árbol coronario en
una imagen angiográfica utilizando un algoritmo de seguimiento
arterial
Autores: Francisco J. Nóvoa1, Javier Pereira1, José Manuel Vázquez2, Alejandro Pazos1 y Jorge Teijeiro1
1.- Universidade da Coruña2.- Complejo Hospitalario Universitario de A Coruña
Introducción
Conjunto de procesos que afectan al corazón y al sistema vascular. 40% de la mortalidad total en España.
Causas: sedentarismo, obesidad, tabaco, dietas ricas en grasas
Caso particular: enfermedades coronarias (estenosis). 40.00 muertes anuales.
Mejoras en los diagnósticos => mejoras en la calidad de vida.
Enfermedades cardiovasculares
Introducción
Exámenes de referencia para cuantificar de las lesiones arteriales.
Se introduce, mediante un catéter, de un contraste en el árbol coronario y se toma una secuencia de imágenes con rayos X
El experto valora la estenosis de forma visual
Necesidad de una herramienta que cuantifique la gravedad
Angiografías
Objetivos
Objetivo: Proporcionar al experto las herramientas para evaluar, usando imágenes de angiografía, el grado de afectación que sufre el árbol coronario a causa de una o más estenosis, y obtener, de esta forma, una cuantificación de la gravedad de la lesión.
General
Objetivos
Desarrollar una herramienta que permita extraer el árbol coronario y evaluar el grado de afectación de la estenosis.
Integrar la herramienta en un Sistema de Información.
Posibilitar la utilización de los resultados de forma combinada con otras aplicaciones del sistema de información.
Validar la aplicación con los expertos médicos sobre angiografías reales.
Uso de estándares abiertos y de tecnologías portables entre plataformas.
Específicos
Técnica de evaluación de la estenosis La extracción de estructuras vasculares de
imágenes angiográficas presenta una serie de dificultades que dificultan el proceso: Ruidos. Bifurcaciones. Objetos no deseados: huesos, el catéter.
Necesidad de emplear conocimiento a priori acerca de las arterias: Son estructuras finas y alargadas. Son más oscuras que el fondo. Presentan bifurcaciones. Variaciones de diámetro y dirección suaves.
Segmentación del árbol coronario
Técnica de evaluación de la estenosis Se ha optado por usar un algoritmo basado en
tracking arterial. Los vasos se rastrean, obteniéndose puntos de
su esqueleto y su borde. Aprovecha las características de la arterias
descritas anteriormente. Alta eficiencia debido a la naturaleza local de
la búsqueda y a que en cada paso se aprovecha la información obtenida en el paso anterior.
Interacción del usuario: Iniciar el algoritmo. Añadir o borrar segmentos de la reconstrucción del
árbol obtenida.
Algoritmo de segmentación propuesto
Técnica de evaluación de la estenosis
Preprocesado: Se aplica un filtro para suavizar la imagen y reducir ruidos.
Calibrado: Se halla la equivalencia pixel/mm.
Segmentación: Se extrae el árbol coronario.
Score: Se calcula el porcentaje de volumen afectado por la estenosis.
Pasos para realizar la evaluación de la estenosis
Técnica de evaluación de la estenosis Se aplica un filtro de Gauss. Reducción de ruidos. Suavizado de las arterias.
Preprocesado
Técnica de evaluación de la estenosis Se deben mostrar los
resultados en unidades comprensibles para el médico.
Es necesario saber la equivalencia píxel/mm
El médico marca dos puntos a ambos lados del catéter e introduce el diámetro en mm.
La herramienta localiza el catéter, mide la distancia en píxeles entre los bordes y calcula la equivalencia.
Calibrado
Técnica de evaluación de la estenosis Marcar punto inicial y dirección de avance. Buscar bordes asociados al punto inicial. Trazar circunferencia. Buscar puntos borde siguientes. Calcula nuevo punto inicial y nueva dirección de avance. Calcular el área y volumen asociados al nuevo elemento. Establecer las relaciones padre-hijo.
Secuencia del algoritmo de segmentación
Técnica de evaluación de la estenosis
Se continúa buscando hasta que no se encuentra una pareja de puntos borde válida
Técnica de evaluación de la estenosis Para buscar los bordes cuando se recorre la
circunferencia, se ha realizado una adaptación del operador de Prewitt para matrices unidimensionales.
Se considera la matriz como un array unidimensional y se convoluciona con la máscara G.
Para cada punto, se obtiene una cuantificación de la variación de color entre sus vecinos.
Valores negativos indican que la imagen se oscurece, positivos que se aclara.
101G
101
101
101
,
111
000
111
GyGx
Cálculo de la derivada
Técnica de evaluación de la estenosis Se calcula la primera derivada del color de la circunferencia Se eliminan los valores por debajo del umbral Se eliminan rachas Asociar cada punto donde se oscurezca la imagen con el
siguiente, donde se aclara. Eliminar parejas de puntos demasiado cercanos o lejanos Se eliminan las parejas en la dirección incorrecta
Búsqueda de las parejas de puntos borde
Técnica de evaluación de la estenosis
Típicamente se encontrará más de una pareja de puntos borde válidos.
Se acepta la nueva pareja si el ángulo α que forman la dirección de avance del nuevo elemento y la dirección del elemento actual cumple:
Eliminación de parejas en la dirección incorrecta
2/,2/
Técnica de evaluación de la estenosisCálculo del área asociada
p se rechazará si a3 > a1
oa3 > a2
Técnica de evaluación de la estenosis
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
Construcción circunferencia
cacax ,
• Se trabaja con imágenes discretas.
• No se puede aplicar directamente laecuación de la circunferencia.
• Es necesario rellenar los huecospara trabajar con píxeles contiguos.
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
-5
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-1
0
1
2
3
4
5
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
Técnica de evaluación de la estenosis Bifurcaciones
Se encuentra más de una pareja de puntos válida
Se continúa e rastreo por todos los caminos
No se encuentran más parejas válidas Se incrementa el tamaño
de la plantilla hasta un límite
Cuando el algoritmo se detiene es posible Seguir añadiendo nuevas
ramas Borrar ramas del árbol
obtenido
Casos particulares del proceso de rastreo
Técnica de evaluación de la estenosis No se encuentran más
puntos válidos Se llegó al borde de la
imagen Se encontró alguna pareja
válida pero: Los puntos borde están
demasiado cerca o lejos Variación de color excesiva
entre el punto central actual y el siguiente. Esto se produce, por ejemplo, cuando la plantilla atraviesa una arteria paralela como en la figura.
Variación excesiva de diámetro o de dirección
Zona explorada con anterioridad
Condiciones de parada
Técnica de evaluación de la estenosis El objetivo de este paso es
calcular el volumen de árbol coronario afectado por la estenosis y calcular el porcentaje del total que supone.
El usuario marca los límites de la zona afectada
Usando las relaciones padre-hijo, calculadas en el apartado anterior, el algoritmo determina qué segmentos arteriales se encuentran afectados.
Utilizando la máscara y los segmentos volumétricos, se calculan el volumen y el área total del árbol coronario, y los afectados por la estenosis.
Cálculo del score
Integración
Base de Datos
Servidor de aplicaciones Web
Capa 1 Capa 2 Capa 3
Navegador
Navegador
Intranet/Internet
Sistema Visor
Applet
Herramienta para la evaluación de
la estenosis
SMISS
Interfaz Web
Modelo
Oracle 9i
Imágenes médicas
Secure Medical Imaging Information System (SMIIS)
Conclusiones
Reconstrucciones del árbol arterial satisfactorias A través de las pruebas realizadas, se ha
comprobado que la calidad de la imagen es crítica para la eficiencia del algoritmo. El uso de un filtro de preprocesado mejora notablemente los resultados.
Se han implementado varios mecanismos para que el usuario pueda afinar la segmentación: parámetros de configuración, borrados y la posibilidad de añadir nuevos segmentos.
Bajo coste computacional