Design e avaliação de um fantoma digital e multimodal de um ratinho, usando simulação computacional

Abstract

O cancro é um dos maiores problemas de saúde pública, sendo a segunda maior causa de morte a nível mundial. Dada a prevalência desta doença, enormes esforços têm sido feitos, no sentido de melhorar a prevenção, deteção e tratamento. Efeitos notórios destes esforços foram sentidos ao nível da imagem médica, muito devido ao aparecimento de objetos denominados por fantomas.A grande vantagem da utilização de fantomas em estudos científicos corresponde ao facto de conhecermos à partida a anatomia exata do objeto, providenciando um gold standard a partir do qual é possível desenvolver, avaliar e melhorar, aparelhos e técnicas de imagem.Os primeiros fantomas a surgir, foram os fantomas físicos, contudo, o facto de serem caros e requererem a utilização dos mais variados protocolos de segurança radioativa, limita o seu uso em larga escala. Os fantomas computacionais não têm esses constrangimentos, podendo ser utilizados em aplicações como simulação computacional. O facto de permitirem a realização de estudos integralmente no computador, torna-os mais versáteis, eficientes, precisos e seguros.Sabendo a importância dos fantomas computacionais em contexto científico o objetivo principal deste estudo é desenvolver um fantoma computacional estático de um rato. Para tal, dividiu-se o projeto em duas fases.Na primeira fase, correspondente à criação do fantoma computacional, procedeu-se à segmentação de dois tipos de imagens anatómicas, no caso de Tomografia Axial Computorizada (Computed Tomography, CT) e de Ressonância Magnética (Magnetic Ressonance Imaging, MRI). Este processo permitiu extrair as estruturas anatómicas presentes nas imagens médicas, através da associação de labels (valores numéricos) a cada pixel das imagens. Os resultados da segmentação produziram modelos tridimensionais de diferentes estruturas anatómicas, estando a grande maioria bem definida. O senão ocorre quando se sobrepõem ambas as segmentações (CT e MRI).Nesta sobreposição, aparecem algumas imperfeições no modelo tridimensional, fruto de um co-registo (fusão) deficiente das imagens de CT e MRI, tendo em conta estas imperfeições, houve a necessidade de aplicar algumas correções ao modelo tridimensional, as quais poderão ter impacto no realismo do mesmo.Na segunda fase, criou-se uma interface gráfica, cujo objetivo passava por substituir as labels identificativas, resultantes do processo de segmentação, por propriedades físicas úteis em contexto de simulação computacional. Para tal, recorreu-se à ferramenta Graphical User Interface Development Environment (GUIDE), pertencente ao software MATLAB.A interface pede os parâmetros de entrada (propriedades físicas) ao utilizador e substitui as labels pelos valores indicados. Os testes realizados com a aplicação de diferentes parâmetros de entrada vieram aprovar a utilização da interface para o propósito que foi desenhada.

Cancer is one of the biggest public health problems, being the second leading cause of death worldwide. Considering the worldwide prevalence of this disease, enormous efforts have been made to improve prevention, detection and treatment. Noticeble effects of these efforts were felt at medical imaging level, largely due to the appearance of phantoms.The advantage of using phantoms in scientific studies, is that it knows exactly anatomy of the object, providing a gold standard to develop, evaluate and improve imaging equipment and techniques. Their use enable possibility to test applied doses and image reconstruction processes.Physical phantoms appeared first. However, the fact that they are expensive and require the use of various radioactive safety protocols limits their use. Computational phantoms doesn´t have these constraints, they can be used in applications such as computer simulation. The fact that they allow for computerized simulations studies makes them more versatile, efficient, accurate and safe.Knowing the importance of computational phantoms in a scientific context, the principal objective of this study is to develop a static computational phantom of a mouse. To do this, the project was divided into two phases.In the first phase, corresponding to the creation of the computational phantom, we segmented anatomical images from two medical modalities: Computed Tomography (CT) and Magnetic Resonance Imaging (MRI). This process allowed to extract the anatomical structures presented in medical images, associating labels (numerical values) to each pixel of the images.Segmentation results produced three-dimensional models of different anatomical structures, with high definition. However, overlapping both segments (CT and MRI), some imperfections appear in the three-dimensional model resulting from a poor co-registration (fusion) of CT and MRI images. Given these imperfections, it was necessary to apply some corrections to the three-dimensional model, which could impact its realism.In the second phase, a graphical user interface was created, whose purpose was to replace the identification labels, resulting from the segmentation process, with physical properties useful in the context of computational simulation. For do this, we use the Graphical User Interface Development Environment (GUIDE) tool, which belongs to the MATLAB software.The interface prompts for input (physical properties) from the user and replaces the labels with the provided values. Tests performed using different inputs approved the use of the interface for its intended purpose.