Visualização TriDimensional de Imagem Médica

1~

Neste artigo. abordamos os passos necessáriospara seconseguir a visualização tridimensional (3-D) de volumes de dlidos adquiridos em sistemasde iR!agemmédica. A ~onstrução 3-D têm inú~ras vantagens pois penníte fornecer aocirorgião as di~nsões, relações topográficas. orientação e volume das diferentes estruturas ou lesões. Desta forma é possível uma visualização prévia, que penníte auxiliar na tomada de decisão sobre o planeamentocinírgico. O processode visualização passapor várias fasesaté à projecção final (no plano) dos dados imagiológicos. entre as quaís se podem destacar as seguintes: interpolaçio, segmentaçio e projecçio do volume de dados no plano ("surface rendering" e "volume rendering").

..

Palavras-chave 3D; lnrerpolaçio;

Segmentaçio;

Abstract In dlis article we describeme steps~ tOachievea duee-dirnensionalvisualisation of data volumes from cr (Computed TomognlpbY) and MR (Magnetic Resonance). The Ihree-dirnensíonal rcconstructíon bas several advanlages since il provides lhe surgeon wílh lhe dirnensíons. topograptúcal relatíonships. onenlation and volume of lhe dífferent StIU~s and lesions. Thís processof visualisation has severa!phasesuntíl lhe tinal projectíonof data (in lhe plane), from which we poinl oul: interpolation, segrnentationand projectíon oflhe data volume wilh two melhods . surface rendering and volume rendering.

Key-words 3D; Interpolation; Segmentatíon; Surface Rendering: Volume Rend~ring. -"""

Introdução Existem hoje em dia um conjunto de modalidadl:s imagiológicas médicas, tais como a TAC (Tomogrdfia Computadorizada), e a RM (RessonânciaMagnética), que pennitem gerar dados de natureza tridimensional das estruturas internas do corpo humano. Estas modalidades geram à partida planos, que "empilhados" devidamente permitem obter o volume de dados a analisar (Fig. 1). O elemento mínimo de volume representativo deste espaçoé o voxel ("volume element"), nem sempre cúbico e cujo valor associado tem a designação de densidade. Uma vez que os dados produzidos pelas referidas modalidades imagiológicas são nonnalmeote de naturl:za aIÚsotrópica(dimensões em x e y diferentes da dimensão em z), toma-se necessário recorrer à interpolação, para gerdr novos planos intermédios (planos lógicos) a partir dos originais. Este passo leva à transfornJaçãodo volume R«ebido a 04,f)8R7

A.t:eitea 2fYllm

de dados num de característicasisotrópicas - voxeis cúbicos(Fig. 2). ARPO3?

Fig. 3 - Imagemoriginal de RM (filtrada) e ~spectiva imagemapós segmentação.

Apl>S

a fase de pré-processamento - interpolaçãoe

segmentação - os dadossãoprojectadosno plano.Paraa projecçãodo volume de dados.ex.istemduasclassesde aproximação, baseadasém técnicas de computação gráfica: "suiface rendering"e "volume rendering".

Interpolação Este passo é bastante importante, pois dele depende a qualidade final da representação tridimensional da imagem. O \'olume de dados é interpolado nonnalmente por três razões.A primeira, tem como objectivo reduzir a espessura entre cortes, o que permite gerar um novo volume de resolução superior. A segunda advêm da necessidade de aumentar o número de voxeis em qualquer uma das direcções (x,y,z), de forma a corrigir deficiências de resoluçãodos sistemas imagiológicos, e a terceira, é devida à necessidade de determinar quais os voxeis que contribuem para um determinado ponto do plano de projecção, após rotação do volume de dadospara se obter um novo ângulo de visão. A \'antagem da aplicação desta técnica, é permitir uma representaçãofinal da imagem sem artefactos, originados pela resolução insuficiente dos dados existentes na matriz tridimensional, ou por manipulação da imagem (rotação, escalamento, translação).

VisualizaçãoTridimensional Os mérodos usados para a visualização rridimensional são dois: . .. sltiface retlderil'g ,. - técnica que tem como objectivo a representaçãode uma superfície que caracterizaa estrutura a visualizar. obtida por segmentaçãocuidadosado volume de dados; . I'o/tlme rendering" - récnica que permire fazer a representaçãotoml do volume de dados. por classificação prévia dos I'o.reis tendo em conta a contribuição relariva de cada um para a imagem final; O primeiro mérodo representaas superfícies que separam as diferenres estruturas arravés de um processo de segmenraçãodo volume de dados. segmentaçãoessaque leva à criação de um novo volume que contêm apenas a descrição da superfície. Para a visualização. os dados são projectados num plano onde a sensaçãotridimensional é consegui da quer por simulação de profundidade em relação ao observador (cada ponto no ecrã recebe uma intensidade de acordo com a distância ao ponto de visão), quer por técnicas de iluminação' ([5] [7] [8» (Figs. 4 e 5). Este tipo de visualização é importante quando o objectivo pretendido é o de mostrar as superfícies delimitadoras das diferentes estruturas. sendo menos útil

Segmentação Este passo preténde de uma forma automática ou através da interacção de um utilizador com o sistema de tratamento de imagem, identificar e separar a(s) estrutura(s) que se pretende visualizar (Fig. 3). Apesar da grande variedade de métodos descritos na literatura ([IJ [2J [3J [4]), a segmentação de imagem continua a representar nos nossos dias um problema complexo, principalmente no que diz respeito à tentativa de automatizar o processo. Este passo está bastante dependente da modalidade de aquisição da imagem (uma vez que os dados produzidos pelas duas modalidades são diferentes), bem como das características da estrutura a segmentar (estrutura óssea, massacerebral). 380 ARP

Flg.4 - (3) plano com 3 superfície idenlificada após segrnenlação; (b) imagem genKlapc.o~sentação da superfície com técnicasde iluminação.

Conclusões

Fig. 5 . Representação

3D de um volume de dICkJI ck>cmbro.

quandose pretendeter uma noçãoglobal do volume,o que torna impossível a exploração do interior das estruturasde uma forma interactiva. o segundo método baseia-se na representação das fronteirasentreos diferentestecidoscomo uma zonade transição constituída por vários \'oxe;s que são classificados com atributos de intensidade e opacidade, processo que está dependente da percentagem de cada tecido dentro do \'oxel. Deste modo, os voxeis afectados peja característica de volume parcial1, têm contribuições !Denores na representação final do voJume. obtida por projecção. Nestes métodos, é possível vari,ar a opacidade das estruturas anatómicas de uma forma contínua. o que permite a visualização de vários tecidos de uma forma simultânea enquantopreservao detalhe anatómico contido na imagem original (Fig. 6).

As representações tridimensionais, permitem-nos gerar imagens que são nolmalmente difíceis de visualizar em estudos num plano. Estas técnicas permitem ajudar na visualização da anatomia, através da redução de um grande número de dados, criando algumas representações chave enquanto se retêm ao mesmo tempo a informação necessária ao diagnóstico. A representaçãode superfície, tem a vantagem de reduzir de forma substancial os dados a representar e de permitir uma visualização bastante mais rápida com manipulação da imagem em tempo real. A visualização directa do volume de dados permite a visualização integrada de todas as estruturas,e ainda, tem a vantagem sobre o método anterior de permitir a visualização de estruturas finas. Agradecimentos Agradecemos o apoio e dedicação demonstradapelo Prof. Doutor Femando Ribeiro, agradecemos também à Prof8. Doutora Isabel Ramos pela sua constante disponibilidade e dedicação ao trabalho que tem vindo a ser desenvolvido ao longo de meses no Hospital de São João (Porto). e ao Prof. Doutor Jorge Reis Lima pelo apoio prestado. Agradecemos ao Prof. Doutor António Sousa Pereira e Prof. Doutor Óscar Mealha pela constante ajuda e apoio prestado ao longo do estudo e ao Eng. Femando Neves pelas horas perdidas na criação de algumas imagens e palavras de encorajamento.

I. Desco. C. B. Manuel; Malpica, Norberto; Santos. Andr&; Oniz. Carlos M/dicas: Teord y Prdlica. Rev. R. Acad.

- Segmentaci6n de bnagélles

Cien. Exact. Fis. Nat, 1996.90:53-61. 2. Gonzalez. R. E. W. Rafeel C. - Digital bnagt Processing. 1989. J. Marc, E. H. D. - ~oryofEdge IlfRoyal SocietyofLondon.1979,

Detection. ~

Britain: Proceedings

VoI. 207, pp. 187-217, 1979.

~. Bomans. K.-H. H. Michael; 1íede, Ulf; Riener. Manin

- 3-D

Segmentalion of MR Imag~s of the Head lor 3-D Display. IEEE Transactions on Medica! Irnaging, 1990.9:177-183. :.. GOIdon. R. A. R. Dan -Image Space Shoding of 3-Dimentional Objects.

Processiog,198.1,29:361-7. 6. Frieder, D. G. Gideon; Reyno1ds,R. Anthony - Back-to-Fronr Display 11 Vo.rel-BasedObjecrs. IEEE Computer Graphics li Aplicarions, 1985,

52-60. Fia. '.Represenlaçãodi~do volume de dados (jcelho e bacia). onde é possível ver o resultado de uma classificação dos vários \/O.reiscom difcrentes opacidadescriando uma sensaçio de tran~ncia.

7. Hõbne. R. B. Karl Heinz - Shading 3D-/magesfrom cr Usil'g Graylevei Grodients.IEEE Transactions on Medica! imaging. 1986.5:45-7. 8. Lorenson. H. E. C. William E. - Man:hÚlg Cubes: A High Reso/ution 3D 51"((11'1' Corutnlction

Algorithm.

Computcr

Graphics,

1987. 21: 163-

9. 9. Frühauf, M. - \t)/ume Visualization 011Woristations: lmage Quality I Técnica

de iluminação:

técnica que pennite

simular

o efeito de uma

fonte de luz externa incidente no" objectos. 2 Volume p:II"C'ial: zonas da fronttim onde os 1IO.t'eispossuem mais do que

and Efficienc.,' ofDifferent 15:101-7.

Techinques. Computo &. Graphics, 1991,

um tipo de tecido.

ARPC39

10. Y.gel. D. C. Roni; Kaufman. Afie - Discnt~ Ray Tracillg. IEEE Con.,ulcrGraphics& Applications.l992. 19-28. 11. Barino(, C. - suifac~ and \.Vlume Rend~ring T«hniqu~s to Dirplay 3D Data. IEEE Engineering in Medici~ and Biology. 1993.9.

Correspondência Paulo Trigueiros Univenidade Portucalensc Departamento de Inforrnática Av. Rodrigo Frt:itas, N"339

4000 Porto

4OOARP