UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
“JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
FACULDADE DE MEDICINA VETERINÁRIA
CAMPUS DE ARAÇATUBA
Programa computacional “ODR-ATA” para densitometria
óssea baseado na densitometria radiográfica
Márcio Teixeira Oliveira
Analista de Sistemas
ARAÇATUBA – SP
2014
UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
“JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
FACULDADE DE MEDICINA VETERINÁRIA
CAMPUS DE ARAÇATUBA
Programa computacional “ODR-ATA” para densitometria
óssea baseado na densitometria radiográfica
Dissertação apresentada à Faculdade
de Medicina Veterinária da
Universidade Estadual Paulista “Júlio
de Mesquita Filho” - UNESP - Campus
de Araçatuba, como parte dos
requisitos para a obtenção do título de
Mestre em Ciência Animal
(Fisiopatologia Médica e Cirúrgica).
Márcio Teixeira Oliveira
Orientador: Prof. Adj. Mário Jefferson Quirino Louzada
ARAÇATUBA – SP
2014
DADOS CURRICULARES DO AUTOR
MÁRCIO TEIXEIRA OLIVEIRA - nascido em Araçatuba (SP) no dia 27 de junho de
1983, ingressou no curso de bacharelado em Ciências da Computação pela
Universidade Paulista UNIP - Campus de Araçatuba (SP) em Janeiro de 2003, obtendo
o título de bacharel em ciência da computação em janeiro de 2007. Em agosto de 2012
ingressou no curso de Mestrado em Ciência Animal pela UNESP - FMVA, Campus de
Araçatuba (SP) sob orientação do Prof. Adj. Mário Jefferson Quirino Louzada,
responsável pelas disciplinas de radioterapia e biomecânica No programa de pós-
graduação em ciência animal e biofísica no curso de graduação em medicina veterinária.
Realizou diversos cursos aplicados na área de desenvolvimento de software e
informática avançada.
Atualmente exerce o cargo de professor no Instituto Federal de Mato Grosso do Sul
(IFMS) campus de Três Lagoas/MS.
Buscando aprimoramento profissional obteve os seguintes títulos:
- especialização em engenharia de componentes utilizando Java (FIO – Ourinhos SP);
- profissional certificado pela oracle corporation na plataforma Java;
EPÍGRAFE
“O difícil se torna fácil, aprenda, busque conhecimento!!”
Márcio Teixeira Oliveira
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a Deus, à minha família, aos
meus amigos, a Loiane Massunari e ao meu
orientador Prof. Adj. Mário Jefferson Quirino
Louzada, por me auxiliarem nesta etapa tão
importante de minha vida.
AGRADECIMENTOS
A Deus por me dar sabedoria e saúde para realização deste projeto.
Ao meu Pai e minha Mãe pela ajuda e incentivo nos estudos e em todos os momentos
de minha vida.
A todos os meus familiares pela ajuda no desenvolvimento deste trabalho.
Ao meu amigo e orientador, professor Dr. Mário Jefferson Quirino Louzada, por me
aceitar com seu orientado e creditar sua confiança na construção deste trabalho.
A Loiane Massunari, por estar presente nos momentos mais difíceis de minha vida.
A todos os integrantes do laboratório de biofísica da FMVA, Bruna Rezende Silva
Martins de Oliveira, Melise Jacon Peres Ueno, Ronaldo Anderson de Medeiros, Pedro
Luís Florindo e Wellington de Lima Nogueira, por sempre me auxiliarem em todo o
processo de desenvolvimento deste projeto.
A todos os colegas que fiz durante minha trajetória como aluno de pós-graduação, em
especial, Carlos Eduardo Fabrice, Luiz Henrique Camargo Costa, Samuel Carvalho de
Aragão e Saulo Vinicius Avanço.
Aos professores Cáris Maroni Nunes, Luís Eduardo Fonseca, Mário Jefferson Quirino
Louzada, Wagner André Pedro e Wilson Roberto Poi pelos ensinamentos e amizade
neste período de pós-graduação
Ao hospital veterinário Luiz Quintiliano de Oliveira da UNESP, em especial o setor de
diagnóstico por imagem, liderado pela Profa. Dra. Luciana Del Rio Pinoti Ciarlini, por
sempre estarem à disposição na confecção dos exames radiográficos.
À faculdade de medicina veterinária de Araçatuba – FMVA – universidade estadual
paulista, aos docentes e funcionários, na pessoa do diretor Prof. Adj. Francisco Leydson
Feitosa Formiga, que proporcionaram a melhor estrutura possível para a realização
deste trabalho;
Aos funcionários da seção de pós-graduação, STAEPE e toda equipe da biblioteca;
A todos o meu muito obrigado!!!.
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 – CONSIDERAÇÕES GERAIS .................................................................................. 16
1.1 Informática Geral ..................................................................................................................... 17
1.2 Informática Aplicada na Medicina Veterinária ................................................................. 19
1.3 Densitometria Radiográfica .................................................................................................. 20
2 Objetivos ............................................................................................................................................ 20
3 Referências........................................................................................................................................ 22
CAPÍTULO 2 – PROGRAMA COMPUTACIONAL “ODR-ATA” PARA DENSITOMETRIA
ÓSSEA BASEADO NA DENSITOMETRIA RADIOGRÁFICA ..................................................... 27
1 Introdução.......................................................................................................................................... 29
2 Material e Métodos .......................................................................................................................... 30
2.1 Procedimentos para realização da metodologia do ODR-ATA ........................................ 30
3 Resultados e Discussão ................................................................................................................ 35
4 Conclusão .......................................................................................................................................... 40
5 Referências........................................................................................................................................ 41
LISTA DE ABREVIATURAS
3D = Tridimensional
CMO = Conteúdo Mineral Ósseo
DMO = Densidade Mineral Óssea
DPA = Dual-Photon Absorptiometry
DR = Densidade Radiográfica
DXA = Dual Energy X-ray Absorptiometry
ENIAC = Electronic Numerical Integrator Analyzer and Computer
Mm = Milímetros
PNG = Portable Network Graphics
RDI = Região de Interesse
SI = Sistemas de Informação
SPA = Single Photon Absorptiometry
SUS = Sistema Único de Saúde
TI = Tecnologia da Informação
LISTA DE FIGURAS
CAPITULO I
FIGURA 1 – Dispositivo eletrônico e seus acessórios: a) Tabulador com classificação b) Cartão
perfurado para armazenamento de dados c) Tabulador especial para contagem dos furos do
cartão. .......................................................................................................................................................... 17
FIGURA 2 – Ilustração da linguagem de programação Java®, multiplataforma compatível com
qualquer equipamento que possua uma máquina virtual. ................................................................... 18
FIGURA 3 – Ilustração demonstrando a tecnologia do Rapsberry Pi no monitoramento de
inúmeras funções de um indivíduo. ......................................................................................................... 20
CAPITULO II
FIGURA 1 a) papel quadriculado utilizado como referencial geométrico; b) chapa de ferro
utilizada para referencial de tamanho da cunha; c) referência densitométrica - cunha de
alumínio; d) objeto de estudo - escada de alumínio; e) chumbo utilizado como delimitador do
final da escada............................................................................................................................................ 31
FIGURA 2 – Janela responsável por selecionar o arquivo de imagem que será utilizada pelo
software “ODR-ATA” .................................................................................................................................. 32
FIGURA 3 – Janela principal do software “ODR-ATA” com a imagem radiográfica recuperada.
Pontos a e b – referencial geométrica na chapa de ferro (1). Imagem da cunha de referência (2).
Escada de alumínio (3) utilizada como objeto de estudo. (4) Curva densidade radiográfica versus
altura da cunha. .......................................................................................................................................... 33
FIGURA 4 – Janela responsável pelo gerenciamento das cunhas no software ODR-ATA ........... 33
FIGURA 5 – Curva de dispersão dos valores de DR e espessura da cunha de alumínio utilizada
como referencial densitométrico. ............................................................................................................. 36
Figura 6 – Médias das espessuras calculadas e reais dos degraus 4, 5, 6, 7 e 8 da escada de
alumínio. ...................................................................................................................................................... 37
FIGURA 7 – Projeção tridimensional dos degraus 7 e 8 da escada de alumínio, com auxílio da
biblioteca Gnuplot. ..................................................................................................................................... 38
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Valores em espessura, em mm, dos degraus da escada de alumínio utilizada como
objeto de estudo: ........................................................................................................................................ 31
Tabela 2 – Espessura média, desvio padrão, coeficiente de variância e erro experimental (em
relação ao valor real de espessura dos degraus) obtidos pelo “ODR-ATA” através da imagem
radiográfica dos degraus 4 à 8 da escada de alumínio. ...................................................................... 37
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 – Equação simplificada para cálculo de polinômio do 3° grau da equação de ajuste
da curva do software ODR-ATA .............................................................................................................. 34
Equação 2 – Teorema de Laplace para realizar a redução da matriz simplificada. ....................... 34
Equação 3 – Regra de Sarrus para obter a determinante a ser utilizada para resolução da matriz
da equação 3. ............................................................................................................................................. 34
Equação 4 – Função de ajuste polinomial para os dados obtidos .................................................... 35
Capítulo I
PROGRAMA COMPUTACIONAL “ODR-ATA” PARA DENSITOMETRIA ÓSSEA
BASEADO NA DENSITOMETRIA RADIOGRÁFICA
RESUMO
A densitometria radiográfica é técnica que permite avaliar a densidade óssea, utilizando
referências confeccionadas em material inerte (ex. alumínio), principalmente para
investigação de alterações ósseas e doenças como a osteoporose. Para aumentar a
precisão de técnica, alguns autores propõe o uso de equações matemáticas, como
métodos dos mínimos quadrados, teorema de LaPlace e regra de Sarrus o que permitirá
obter melhor ajuste da curva característica de absorção aos raios-X pelo objeto de
estudo. O uso de tecnologias como Java, gnuplot, broffice calc, todas elas de código
aberto, possibilitou-nos o desenvolvimento do software “ODR-ATA”, capaz de analisar e
processar imagens radiográficas digitais ou digitalizadas e calcular valores de
densidade próximos aos valores do objeto em estudo. Atualmente diversas soluções
pagas possuem suporte para realizar a densitometria radiográfica. O objetivo deste
estudo foi desenvolver uma solução computacional de código livre, para cálculo da
densidade óssea a partir da densitometria radiográfica. Para testar o software, foi
realizado um experimento a partir de uma tomada radiográfica de uma escada de
alumínio de valores conhecidos. Foram feitas 10 repetições e avaliados os degraus 4, 5,
6, 7 e 8 da escada de alumínio. Os resultados obtidos pelo “ODR-ATA” para os degraus
5, 6, 7 e 8 demonstraram uma precisão e exatidão de ordem de 3,64% e 3,63%
respectivamente, atestando a validade e confiabilidade na utilização do software na
obtenção da densidade óssea obtida pela densidade radiográfica.
Palavras-chave: Sistemas de informação - Identificação de imagem radiográfica e
Computação em Informática Médica.
DEVELOPMENT OF COMPUTATIONAL PROGRAM "ODR-ATA" TO BONE
DENSITOMETRY BASED ON THE RADIOGRAPHIC DENSITOMETRY
ABSTRACT
The radiographic densitometry is the technic that allows the evaluation of bone density,
which uses references created in inert material (e.g. aluminium) especially to the
investigation of bone modifications and illnesses such as osteoporosis. To increase
technical precision some authors suggest the use of mathematical equations, such as
the least squares method, Laplace´s theorem, and the Rule of Sarrus allowing better
results when achieving the adjustment of the curve that is characteristic of X-ray
absorption by what is being studied. The usage of technologies such as Java, gnuplot,
broffice calc, all of open code, allowed us to develop the software "ODR-ATA", which is
capable of analyzing and processing digital radiographic images and of calculating
values of density close to the values of the object under study. Recently, various paid
solutions have the support to perform radiographic densitometry. The purpose of this
study is to develop a computational solution of free code to calculate bone density
starting from the radiographic densitometry. In order to test the software I performed an
experiment that started with the radiography of an aluminum ladder of unknown values. I
performed 10 repetitions and evaluated steps 4,5,6,7, and 8 of the aluminum ladder. The
results I achieved with "ODR-ATA" for steps of number 5,6,7, and 8 show a precision of
3,64%% and 3,63% respectively, which attest for the validity and reliability of the
software in the discovery of the bone density obtained through the radiographic
densitometry.
Keywords: Information systems - identification of radiographic image and computing in
medical informatics.
16
CAPÍTULO 1 – CONSIDERAÇÕES GERAIS
Os raios-X, descobertos por volta de 1895, pelo físico alemão Wihelm Conrad
Roentgen, é uma das fontes mais seguras de diagnóstico por imagem quando se
trata de fraturas ósseas. Embora seja um exame fácil de realizar, a exposição
excessiva ao tecido mole gera ionização, que pode causar danos biológicos
significativos (THRALL; WIDMER, 2010).
No Brasil, na área de medicina veterinária, existem poucos centros
especializados em diagnóstico por imagem o que é explicado pelo alto custo dos
equipamentos e necessidade de adequação das salas de exames diante às normas
de segurança vigentes no país.
Para Alcântara (2004), a radiografia é um exame importante tanto para o
diagnóstico como para o acompanhamento de alterações no sistema ósseo, apesar
da limitação de não se conseguir detectar perdas ósseas inferiores a 30%.
A osteoporose é uma doença causada pela diminuição progressiva da
densidade óssea, cujo tratamento é realizado com medicamentos, sendo nos casos
mais graves necessária a intervenção cirúrgica para reconstrução do membro
afetado (VARELLA, 2014).
No Brasil, segundo dados do sistema único de saúde - SUS, em 2009, cerca
de 10 milhões de brasileiros sofreram com a osteoporose, sendo gasto
aproximadamente R$ 57 milhões com internações (até outubro/2009) e R$ 24,77
milhões com medicamentos para tratamento da osteoporose. De todos os casos,
aproximadamente 75% foram diagnosticados após o individuo sofrer algum tipo de
fratura óssea, já em um estado avançado da doença.
A densitometria mineral óssea (DMO) é um dos exames mais importantes
para o diagnóstico de doenças do metaboliscas, principalmente osteoporose
(GRIER et al., 1996).
Atualmente existem inúmeros dispositivos que permitem investigar a perda de
mineral óssea e fraturas ósseas. Dentre eles estão a SPA – “Single Photon
Absorptiometry” – (absorção de feixe de fóton de uma energia), DPA – “Dual Photon
Absorptiometry” – (absorção de feixe de fótons de dupla energia), QCT -
Quantitative computed tomography – (tomografia computadorizada quantitativa),
fotometria radiográfica, a ultrassonografia, DXA – “Dual Energy X-ray
17
Absorptiometry” – (a absorciometria radiográfica de dupla energia) e a densitometria
radiográfica (McCARTNEY; JEFFCOTT, 1987; FAULKNER et al., 1991;
O’CALLAGHAN, 1991; LOUZADA, 1994; VULCANO, 2008; SAEED et al., 2009;
UDDO, 2014).
A absorciometria radiográfica de dupla energia – DXA é exame padrão ouro
para mensuração da densidade óssea, seu custo varia de R$ 100,00 a R$ 300,00.
O sistema único de saúde – SUS oferece o exame gratuito, porém o paciente
necessita de solicitação médica para realizar o agendamento, onde o tempo médio
é de 6 meses para realização do exame (REVISTA VIVA SAÚDE, 2014).
1.1 Informática Geral
A informática iniciou-se antes da era dos computadores. Uns dos primeiros
registros considerado como de informática é o ábaco chinês, descoberto há cerca
de 2 mil anos. O equipamento foi utilizado na época para realizar operações
matemáticas e armazenamento de números pela da manipulação de suas pedras
(BARBER; SCHOLES, 2014).
Em 1890, o governo dos Estados Unidos necessitava de uma solução
eficiente para captar dados (idade, sexo, estado civil, naturalidade e ocupação) do
censo demográfico. Naquele ano, o pesquisador Herman Holerith havia
desenvolvido um dispositivo eletrônico (Figura 1), capaz de armazenar informações
em cartões de papel. A partir desta ideia surgiu o conceito de programação de
software (HEIDE, 1997).
a) b) c)
FIGURA 1 – Dispositivo eletrônico e seus acessórios: a) Tabulador com
classificação b) Cartão perfurado para armazenamento de dados c) Tabulador
especial para contagem dos furos do cartão.
18
O ENIAC (“Electronic Numerical Integrator Analyzer and Computer”) é
considerado o primeiro dispositivo eletrônico computacional e possuía capacidade
de processar 5.000 operações por segundo e 160Kw de potência (WANG, 2008).
Em 1990, uma equipe de pesquisadores da empresa Sun Microsystens,
liderados por James Gosling apresentaram em um congresso um projeto ambicioso
que permitiria que dispositivos eletrônicos se comunicassem entre si, chamado
“Green Project” mas devido à falta de demanda pelo mercado consumidor o projeto
foi interrompido (WARD, 2005).
Com o início da popularização da internet, em 1994, Gosling decidiu reabrir o
projeto (“Green Project”) e realizar algumas modificações e oferecer suporte a
qualquer navegador de internet (browser) disponível no mercado. A tecnologia foi
bem aceita e se tornou a principal tecnologia para desenvolvimento de aplicações
para Web da época, muito se deve ao fato de ser código aberto e multiplataforma
(Figura 2) (WARD, 2005).
FIGURA 2 – Ilustração da linguagem de programação Java®, multiplataforma
compatível com qualquer equipamento que possua uma máquina virtual.
19
1.2 Informática Aplicada na Medicina Veterinária
Desde a última década, a tecnologia da informação (TI) vem sendo
empregada de forma eficaz no diagnóstico e tratamento de inúmeras doenças.
Ludwick e Doucette (2009) destacam que a implantação de sistemas de informação
(SI) na medicina não é recomendada por alguns profissionais da área da saúde,
devido a problemas relacionados com privacidade, segurança dos pacientes,
qualidade do serviço e eficiência.
A empresa Biosphera® desenvolveu um software que permite projetar
imagens em terceira dimensão de animais utilizados como cobaias (cachorro e
aves), permitindo visualizar membros, formas e posicionamento dos órgãos.
(BIOSPHERA, 2001).
Pelissoni (2003) e Vulcano (2008) adotaram o software denominado Athena
CROMOX® como solução computacional para cálculo da densidade óssea,
respectivamente na influência do cetoprofeno na consolidação óssea de ulnas
osteotomizadas de coelhos e na determinação da densidade mineral óssea da
extremidade distal do rádio-ulna em gatos.
Dudas et al. (2013) utilizaram um hardware raspberry PI com web cam para
realização da telecitologia a partir de microscópio, como ferramenta para
transmissão de vídeo em tempo real em locais de difícil acesso.
Orha e Oniga (2013) destacam a importância da utilização de sistemas
automatizados para registrar informações fisiológicas (temperatura corporal,
pressão arterial, frequência respiratória, eletrocardiograma (ECG) e resistência da
pele) (Figura 3) utilizando microcomputadores de baixo custo (arduino e rasberry PI)
para processar informações e disponibiliza-las para profissionais através de rede de
dados, permitindo o monitoramento médico a distância do paciente.
Paiva e Moreira (2014) utilizaram o micro equipamento computacional de
baixo custo (USD $35.00) raspberry PI, capaz de visualizar e processar imagens
radiográficas e tomográficas em diversos formatos de imagem e com isso reduzir
valores dos exames. Esta tecnologia permite visualizar arquivos DICOM (raios-X,
mamografia, ultrassonografia, tomográfica computadorizada) sem a necessidade de
impressão, permitindo a instalação de estações de processamento de imagens.
20
FIGURA 3 – Ilustração demonstrando a tecnologia do Rapsberry Pi no
monitoramento de inúmeras funções de um indivíduo.
1.3 Densitometria Radiográfica
A densitometria radiográfica é técnica que permite mensurar a densidade
mineral óssea a partir de imagens radiográficas, utilizando referências
confeccionadas de material inerte (ex. alumínio) sua principal vantagem em relação
a outros métodos convencionais é o fato de ser um exame de baixo custo e capaz
de mensurar densidade óssea em animais de pequeno e grande porte (LOUZADA,
1994; VULCANO, 2006; LOUZADA, 2009).
2 Objetivos
2.1 Objetivo geral
Desenvolver o software “ODR-ATA” como ferramenta de diagnóstico aplicado
ao estudo da densidade óssea tendo como base a densitometria radiográfica.
21
2.2 Objetivos específicos
- Construir um software que permita mensurar a densidade óssea tendo como
base radiografias digitalizadas.
- Testar o software em objetos confeccionados em alumínio para verificar sua
confiabilidade e a aplicabilidade.
22
3 Referências
ALCÂNTARA, T.C.C. Avaliação da perda óssea pela análise das radiografias
panorâmicas e cefalométrica, comparando com a densitometria óssea lombar
e femoral”. Dissertação (Mestrado) – Centro de Pesquisas Odontológicas São
Leopoldo Mandic, Campinas, 2006.
BABAIANTZ, L. Les osteoporoses. Radiologia clinica. v. 16, p 291 – 322, 1947.
BARBER, B.; SCHOLES, M. Reflections on the development of medical informatics.
Acta informatics medical, v. 20, p. 18 – 24, 2014.
BIOSPHERA. Portal biosfera. Disponível em: .
2001. Acesso em: 10 mai. 2014.
DUDAS, R.; VANDENBUSSCHE, C.; BARAS, A.; ALI, S.Z.; OLSON, M. T.
Inexpensive telecytology solutions that use the Raspberry Pi and the iPhone,
Journal of the American Society of Cytopathology. v. 3, p. 49 – 55, 2014
FAULKNER, K.G.; GLUER, C.; MAJUMDAR, M.; LANG, P.; ENGELKE, K.;
GENANT, H. R. noninvasive measurements of Bone Mass, Structure and Strength:
Current methods and Experimental Techiniques. American Journal Medicine, v.
51, p. 49S – 53S, 1991.
GRIER, S.J.; TURNER, A.S. The use of dual-energy X-ray absorptiometry in animals
Investigative Radiology, v. 31, p. 50 – 62 , 1996.
HEIDE, L. Shaping a technology: American punched card systems 1880-1914,
Annals of the History of Computing IEEE, v. 19, p. 28 – 41, 1997.
LAUDO DENSITOMETRIA. Impacto financeiro da Osteoporose no SUS. Portal
Laudo Densitometria, Disponível em:
.
Acesso em: 10 mai. 2014.
23
LOUZADA, M.J.Q. Otimização da técnica de densitometria óptica em imagens
radiográficas de peças ósseas, estudo “in vitro”. Tese (Doutorado) – Faculdade
de Engenharia Elétrica - Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 1994.
LOUZADA, M.J.Q. Densitometria radiográfica. Tese (Livre Docência), –
Faculdade de Medicina Veterinária, Universidade Estadual Paulista “Júlio de
Mesquita Filho”, Araçatuba, 2009.
LUDWICK, D. A.; DOUCETTE, J. Adopting electronic medical records in primary
care: lessons learned from health information systems implementation experience in
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PAIVA, O. A.; MOREIRA, R. O. Raspberry Pi: a 35-dollar device for viewing DICOM
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PELISSONI, L.G.R.; LOUZADA, M.J.Q.; SILVA, A.M.; BELANGERO, W.D.
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REVISTA VIVA SAÚDE. 25 exames que seu médico deveria pedir. Portal revista
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SAEED, I.; CARPENTER, R. D.; LEBLANC, A. D.; LI, J.; KEYAK, J. H.; SIBONGA,
J.D.; LANG, T.F. Quantitative Computed Tomography Reveals the Effects of Race
and Sex on Bone Size and Trabecular and Cortical Bone Density. Journal of
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THRALL, D.E; WIDMER, W.R. Diagnóstico de radiologia veterinária, 5/ ed. Rio
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VULCANO, L.C.; MENDES, R.G.; GODOY, C.L.B.; MACHADO, V. M. V.; BICUDO,
A.L.C. Padronização da densidade mineral óssea (DMO) do acessório do carpo em
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VULCANO, L.C.; SANTOS, F.A.M.; GODOY, C.L.B. Determinação da densidade
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WANG, F. Social computing: fundamentals and applications. Intelligence and
Security Informatics, 2008. ISI 2008. IEEE International Conference on. p. 35 –
38, 2008.
WARD, B. Computer society connection. Computer. v. 38, p. 82 – 84, 2005.
26
Capítulo II
27
CAPÍTULO 2 – PROGRAMA COMPUTACIONAL “ODR-ATA” PARA
DENSITOMETRIA ÓSSEA BASEADO NA DENSITOMETRIA RADIOGRÁFICA
RESUMO
A densitometria radiográfica é técnica que permite avaliar a densidade óssea,
utilizando referências confeccionadas em material inerte (ex. alumínio),
principalmente para investigação de alterações ósseas e doenças como a
osteoporose. Para aumentar a precisão de técnica, alguns autores propõe o uso de
equações matemáticas, como métodos dos mínimos quadrados, teorema de
LaPlace e regra de Sarrus o que permitirá obter melhor ajuste da curva
característica de absorção aos raios-X pelo objeto de estudo. O uso de tecnologias
como Java, gnuplot, broffice calc, todas elas de código aberto, possibilitou-nos o
desenvolvimento do software “ODR-ATA”, capaz de analisar e processar imagens
radiográficas digitais ou digitalizadas e calcular valores de densidade próximos aos
valores do objeto em estudo. Atualmente diversas soluções pagas possuem
suporte para realizar a densitometria radiográfica. O objetivo deste estudo foi
desenvolver uma solução computacional de código livre, para cálculo da densidade
óssea a partir da densitometria radiográfica. Para testar o software, foi realizado um
experimento a partir de uma tomada radiográfica de uma escada de alumínio de
valores conhecidos. Foram feitas 10 repetições e avaliados os degraus 4, 5, 6, 7 e 8
da escada de alumínio. Os resultados obtidos pelo “ODR-ATA” para os degraus 5,
6, 7 e 8 demonstraram uma precisão e exatidão de ordem de 3,64% e 3,63%
respectivamente, atestando a validade e confiabilidade na utilização do software na
obtenção da densidade óssea obtida pela densidade radiográfica.
Palavras-chave: Sistemas de informação - Identificação de imagem radiográfica e
Computação em Informática Médica.
28
DEVELOPMENT OF COMPUTATIONAL PROGRAM "ODR-ATA" TO BONE
DENSITOMETRY BASED ON THE RADIOGRAPHIC DENSITOMETRY
ABSTRACT
The radiographic densitometry is the technic that allows the evaluation of bone
density, which uses references created in inert material (e.g. aluminium) especially
to the investigation of bone modifications and illnesses such as osteoporosis. To
increase technical precision some authors suggest the use of mathematical
equations, such as the least squares method, Laplace´s theorem, and the Rule of
Sarrus allowing better results when achieving the adjustment of the curve that is
characteristic of X-ray absorption by what is being studied. The usage of
technologies such as Java, gnuplot, broffice calc, all of open code, allowed us to
develop the software "ODR-ATA", which is capable of analyzing and processing
digital radiographic images and of calculating values of density close to the values of
the object under study. Recently, various paid solutions have the support to perform
radiographic densitometry. The purpose of this study is to develop a computational
solution of free code to calculate bone density starting from the radiographic
densitometry. In order to test the software I performed an experiment that started
with the radiography of an aluminum ladder of unknown values. I performed 10
repetitions and evaluated steps 4,5,6,7, and 8 of the aluminum ladder. The results I
achieved with "ODR-ATA" for steps of number 5,6,7, and 8 show a precision of
3,64%% and 3,63% respectively, which attest for the validity and reliability of the
software in the discovery of the bone density obtained through the radiographic
densitometry.
Keywords: Information systems - identification of radiographic image and computing
in medical informatics.
29
1 Introdução
Os raios-X, descobertos por volta de 1895, pelo físico alemão Wihelm Conrad
Roentgen, é uma das fontes mais seguras de diagnóstico por imagem quando se
trata de fraturas ósseas. Embora seja um exame fácil de realizar, a exposição
excessiva ao tecido mole gera ionização, que pode causar danos biológicos
significativos (THRALL; WIDMER, 2010).
A densitometria radiográfica é técnica que permite avaliar a densidade
mineral óssea a partir de imagens radiográficas, utilizando referências
confeccionadas em alumínio. Sua principal vantagem em relação a outros métodos
convencionais é o fato de ser exame de baixo custo, não invasivo e capaz de
mensurar densidade óssea em animais de pequeno e grande porte (LOUZADA,
1994; VULCANO, 2006).
Um dos primeiros relatos científicos utilizando a técnica de densitometria
radiográfica foi elaborado por Price (1901), para estimar a densidade de osso e do
dente utilizando cunha confeccionada a partir do cobre como referência
densitométrica. Mack et al. (1959) e Louzada (1994) utilizaram uma escada de
alumínio (material com característica de absorção de raios-x ser similar ao osso) em
suas avaliações de densidade óssea.
Pelá et al. (1992) desenvolveram equações matemáticas como o método dos
mínimos quadrados que implementadas através de solução computacional
obtiveram os valores de densidade radiográfica utilizando escada de alumínio e a
relação entre densidade radiográfica e valores de espessura em alumínio. Em 126
tomadas radiográficas de uma escada de alumínio, foi obtido erro entre 1,5 a 2,5%
(PELÁ et al., 1990)
Para determinar uma técnica mais precisa, Dubrez et al. (1992), produziram
metodologia para apurar a densidade óssea utilizando o processamento de imagens
de alta resolução, aplicando funções matemáticas (polinômios do terceiro grau) com
o auxilio de soluções computacionais, para o ajuste de curvas, combinado com os
pontos de densidade radiográfica das imagens de uma escada usada como
referencial densitométrico, produzindo um melhor ajuste (LOUZADA, 1994).
Diversas pesquisas vêm utilizando algumas soluções computacionais
disponíveis no mercado para calcular a densidade óssea por meio da densitometria
radiográfica. Para validar a densidade da extremidade distal do rádio e ulna em
30
gatos, Vulcano (2008) utilizou o software CROMOX® 3.1 (solução paga). Pelissoni et
al. (2003) utilizou o software ODR, desenvolvido na plataforma MATLAB (solução
paga), para avaliar Influência do cetoprofeno na consolidação óssea de ulnas
osteotomizadas de coelhos. Apolinário (2008) utilizou o software ImageJ (solução
gratuita) para obter a média de tons de cinza na reparação óssea em ratos sob
ausência de carga. Em odontologia, na análise comparativa entre o sistema digital
Digora e a digitalização da radiografia convencional na avaliação da densidade
radiográfica, Silva (2005) utilizou o software Digora® (solução paga) para mensurarr
densidade do processo de reparo alveolar comparando a densidade e os resultados.
Aplicações desenvolvidas na linguagem de programação Java® possibilitam
ao usuário executar softwares em diversos sistemas operacionais (Windows, Linux,
MacOS) e inúmeros hardware (Smartphones, Notebook e Computadores Desktop)
mediante a instalação de máquinas virtuais Java (VERA et al., 2012).
Mediante o que foi exposto acima, o objetivo deste trabalho foi o
desenvolvimento de uma ferramenta computacional de código aberto (software livre)
“ODR-ATA” capaz de calcular a densidade óssea tendo como base a densitometria
radiográfica.
2 Material e Métodos
Para desenvolvimento do software “ODR-ATA” foram utilizados: 1) linguagem
de programação Java (para realizar o processamento de imagens radiográficas em
formato digital e pela característica de ser de código aberto que possibilita a
instalação em diversos tipos de computadores; 2) banco de dados Oracle® MySql,
responsável pelo gerenciamento de dados; 3) biblioteca gnuplot utilizada na
construção e manipulação de gráficos 3D e 4) brOffice® calc para construção e
correção de cálculos matemáticos.
2.1 Procedimentos para realização da metodologia do ODR-ATA
Para obtenção das radiografias, foram utilizados o equipamento de raios-X da
marca CRX, modelo SHF 730, calibrado, com distância de 1 metro, foco filme, com
ajuste de 55 kVp e 5 mAs e leitora de filmes, marca CareStream, modelo DirectView
classic CR e chassi marca Kodak com medidas de 18 x 24 cm1
1 Equipamentos disponibilizados pelo setor de diagnóstico por imagem do Hospital Veterinário Luiz Quintiliano de
Oliveira da Faculdade de Medicina da UNESP – FMVA.
31
Foram confeccionadas duas peças em alumínio, liga ABNT 6063: a) cunha
utilizada como referência densitométrica, medindo 9,99 mm (altura) x 50,15mm
(comprimento); b) escada de alumínio com 9 degraus (Tabela 1), utilizada como
objeto de estudo, com medidas mensuradas por um micrômetro marca mitutoyo
com capacidade 0 – 25 mm e graduação de 0,01 mm. Para o esquadrinhamento
preciso da imagem da cunha de alumínio, foi utilizado como referência geométrica
uma folha de papel quadriculada (usada como base para os objetos em estudo) e
uma chapa de ferro de 1 mm de espessura por 50,15 mm de comprimento e 10 mm
de largura (Figura 1).
Tabela 1 – Valores em espessura, em mm, dos
degraus da escada de alumínio utilizada como objeto
de estudo:
Degrau Espessura (mm)*
1 0,18
2 0,50
3 1,05
4 1,52
5 2,06
6 2,56
7 3,03
8 3,92
9 5,00
FIGURA 1 a) papel quadriculado utilizado como
referencial geométrico; b) chapa de ferro utilizada
para referencial de tamanho da cunha; c)
referência densitométrica - cunha de alumínio; d)
objeto de estudo - escada de alumínio; e) chumbo
utilizado como delimitador do final da escada.
a
b
c
d
e
32
Para realização do exame radiográfico, o feixe principal dos raios-X foi
direcionado ao centro da cunha de alumínio, para possibilitar a aquisição de uma
imagem radiográfica de maior precisão. Desta maneira foi obtida uma imagem
radiográfica digitalizada que foi processada pelo software “ODR-ATA”.
Com o software em execução, selecionou-se a imagem digitalizada
(extensão .PNG) (Figura 2). Em seguida, com a imagem recuperada, esquadrinhou-
se a imagem da chapa de ferro (pontos a e b da Figura 3), que serve como
referencial geométrico. A seguir selecionou-se os dados da cunha de referência, já
pré determinados, utilizada (Figura 4, onde se observa várias opções de cunhas).
Com auxílio do mouse, fez-se o esquadrinhamento da imagem da cunha de
referência (Figura 3-(2)) e o software fez a leitura pixel a pixel de todos os tons de
cinza ali contidos. O software analisa linha a linha da imagem da cunha e, para cada
uma delas, estabelece um valor de densidade radiográfica (de 0 a 255 tons de
cinza).
FIGURA 2 – Janela responsável por selecionar o arquivo de imagem que será
utilizada pelo software “ODR-ATA”
33
FIGURA 3 – Janela principal do software “ODR-ATA” com a imagem radiográfica
recuperada. Pontos a e b – referencial geométrica na chapa de ferro (1). Imagem da
cunha de referência (2). Escada de alumínio (3) utilizada como objeto de estudo. (4)
Curva densidade radiográfica versus altura da cunha.
FIGURA 4 – Janela responsável pelo gerenciamento das
cunhas no software ODR-ATA
a
b
1
2
3
4
34
Com estes dados de DR de cada linha da cunha, e com sua respectiva altura
(Figura 3-(4)), aplicou-se uma sequência de cálculos para se determinar a melhor
equação que se ajustou aos dados experimentais. Inicialmente foi aplicado a
equação simplificada para cálculo de polinômio do 3° grau (Equação 2). Utilizou-se
o teorema de Laplace para a redução da matriz simplificada (Equação 3). Como
última equação dos cálculos, utilizou-se a regra de Sarrus (Equação 4) para a
obtenção do determinante da matriz da equação 3.
EQUAÇÃO 1 –
i
g
i
ii
i
g
gggg
g
g
i
g
ii
yx
yx
yx
y
b
b
b
b
xxxx
xxxx
xxxx
xxxn
i
i
iiii
iiii
iii
i
.
.
.
. 2
2
1
0
.221
2432
132
2
Equação 1 – Equação simplificada para cálculo de polinômio do 3° grau da
equação de ajuste da curva do software ODR-ATA
EQUAÇÃO 2 –
Equação 2 – Teorema de Laplace para realizar a redução da matriz simplificada.
EQUAÇÃO 3 –
Equação 3 – Regra de Sarrus para obter a determinante a ser utilizada para
resolução da matriz da equação 3.
35
Com a resolução das operações matemática citada anteriormente, foi
possível determinar a equação de ajuste de curva densitométrica (Equação 4).
EQUAÇÃO 4– b . . . ⋯ .
Equação 4 – Função de ajuste polinomial para os dados obtidos
Com ferramenta de software “ODR-ATA” selecionou-se região de interesse –
RDI na imagem do objeto de estudo – escada de alumínio, degraus 4, 5, 6, 7 e 8,
(Figura 3 – (3)).
O software armazenou os dados de DR da RDI e utilizou a equação de ajuste
determinada, calculou para cada pixel um valor de espessura equivalente em
milímetros de alumínio.
O software com estas informações projeta um gráfico tridimensional tendo
nos eixo x e y coordenadas vindos da imagem radiográfica e o eixo z os valores
calculados em milímetros de alumínio (tendo como referencial densitométrico da
cunha de alumínio selecionada).
Para a determinação da precisão e confiabilidade do software “ODR-ATA”
foram realizadas 10 repetições de análise nos degraus acima selecionados.
3 Resultados e Discussão
Com dados obtidos na imagem radiográfica da Figura 3 o software “ODR-
ATA” realizou os cálculos e determinou a equação de ajuste do 3° grau. Na Figura 5
estão apresentados os dados de DR (tons de cinza) e a espessura comparada da
cunha de alumínio (10 mm).
36
FIGURA 5 – Curva de dispersão dos valores de DR e espessura da cunha de
alumínio utilizada como referencial densitométrico.
Na Tabela 2 e Figura 6, estão apresentados os resultados de espessura
equivalente, em milímetros de alumínio, para os degraus 4, 5, 6, 7 e 8, obtidos pelo
“ODR-ATA”, juntamente com o desvio padrão, coeficiente de variação (%), intervalo
de valores (menor e maior) e erro experimental:
Erro
. . .
.
x 100%.
37
Tabela 2 – Espessura média, desvio padrão, coeficiente de variância e erro
experimental (em relação ao valor real de espessura dos degraus) obtidos
pelo “ODR-ATA” através da imagem radiográfica dos degraus 4 à 8 da
escada de alumínio.
Repetição 4 (1,52 mm)* 5 (2,06 mm)* 6 (2,56 mm)* 7 (3,03 mm)* 8 (3,92 mm)*
1 1,34 2,06 2,48 2,89 3,94
2 1,35 2,04 2,53 2,92 3,93
3 1,32 2,06 2,5 2,90 3,88
4 1,45 2,04 2,45 2,95 3,89
5 1,34 2,04 2,44 2,89 3,91
6 1,32 2,04 2,46 2,91 3,94
7 1,37 2,04 2,44 2,91 3,90
8 1,35 2,07 2,55 2,93 3,91
9 1,34 2,03 2,51 2,93 3,91
10 1,34 2,05 2,45 2,98 3,88
Média 1,35 2,05 2,48 2,92 3,91
DP 0,119 0,010 0,056 0,077 0,008
CV% 8,79 0,45 2,25 2,64 0,20
Menor 1,32 2,03 2,44 2,89 3,88
Maior 1,45 2,07 2,55 2,98 3,94
Erro(%) 11,18 0,48 3,13 3,63 0,26
* Espessura real
Figura 6 – Médias das espessuras calculadas e reais dos degraus 4, 5, 6, 7
e 8 da escada de alumínio.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
3 4 5 6 7 8 9
Es
p
e
ss
u
ra
(
m
m
A
l)
Degraus
mmAL
Espessura Real
Espessura Calculada
38
Os resultados apresentados na Tabela 2, dos degraus 5, 6, 7 e 8
apresentaram coeficiente de variação de 0,45%, 2,25%, 2,64% e 0,20%,
respectivamente, evidenciam ótima precisão. Já, os erros de 0,48%, 3,13%, 3,63%
e 0,26%, respectivamente dos degraus 5, 6, 7 e 8, evidenciam boa exatidão de
medidas. Entretanto, no degrau 4, o coeficiente de variação de 8,79% e o erro de
11,18% demonstram precisão e exatidão ruins, o que leva a uma preocupação
quanto aos efeitos de borda, ou seja, as extremidades da cunha de referência.
Com os dados obtidos pelo software “ODR-ATA” construiu-se a Figura 7 que
é a projeção dos degraus 7 e 8 do objeto de estudo (escada de alumínio), tendo nos
eixo x e y as coordenadas vindas da imagem radiográfica e o eixo z os valores de
DR.
FIGURA 7 – Projeção tridimensional dos degraus 7 e 8 da escada de alumínio, com
auxílio da biblioteca Gnuplot.
Uma das aplicações do software “ODR-ATA” é a manipulação da figura
projeta, neste estudo Figura 7, possibilitando visões em vários ângulos, como os
descritos por Pelissoni et al. (2003).
Desde a última década, os avanços tecnológicos relacionados com a área da
saúde são importantes aliados nos mais diversos procedimentos médicos. Mcauliffe
et al. (2001), explicam que o processamento, análise e visualização de imagens
médicas em pesquisa clinica é componente essencial para reconstrução 3D de vírus
para micro gráficos, identificação radiológica e quantificação de tumores, detecção
39
de regiões metabólicas responsáveis por diversas dores e ressalta a importância de
se utilizar tecnologias de software livre e disponibilizadas na internet para estes fins.
Nylander et al. (2008), no experimento “AWTY (are we there yet?): a system
for graphical exploration of MCMC convergence in Bayesian phylogenetics”,
utilizaram a biblioteca gnuplot para exploração gráfica a partir de dois diferentes
conjuntos de dados de DNAs, corroborando para integração entre tecnologia e
medicina. Neste trabalho utilizou-se a mesma biblioteca para a reconstrução dos
objetos em estudo.
Os raios-X são usados no diagnostico médico por imagem, devido a sua
capacidade de penetrar no corpo e produzir informação morfológica quantitativa. Os
raios-X ao atravessarem o corpo interagem com mesmo de maneira complexa
envolvendo absorção, refração e dispersão da radiação X. Louzada (1994)
demonstrou a possibilidade de realizar o cálculo de densidade óssea a partir de
referências de alumínio, cujas características de absorção radiográfica são
semelhantes ao osso. Assim, neste software “ODR-ATA”, a referência
densitométrica eleita foi uma cunha de alumínio.
Meeme et al. (1964) relataram que os efeitos da dispersão dos raios X podem
produzir variações nos valores densitométricos, podendo justificar a variação dos
resultados para o degrau 4 deste estudo. Lindstrom e Philipson (1969)
determinaram que existem melhoras consideráveis na mensuração de densidade
radiográfica quando se utiliza equações matemáticas para se traçar curvas de ajuste
dos dados. Carvalho et al. (1976) construíram expressões matemáticas para realizar
a correção da curva da densidade radiográfica, e seus resultados provaram que é
viável o método da densitometria radiográfica utilizando a escada de alumínio.
Neste estudo, a escolha tem sido um ajuste com polinômio de 3° grau, com
possibilidade de alteração dinâmica. O resultado obtido neste estudo demonstra que
o polinômio do 3° grau foi eficaz na descrição da curva de ajuste.
Em estudo realizado por Spaziano e Louzada (2005), foi utilizado o software
CROMOX® para o cálculo da densidade radiográfica. Utilizaram como objeto de
estudo um paralelepípedo construído em alumínio com altura de 4,10 mm.
Obtiveram como resultado uma altura equivalente de 3,97 mmAl, que corresponde a
3,2% de erro experimental. Quando utilizaram a ferramenta ODR (versão MATLAB),
obtiveram resultado médio de 3,16 mmAl, ou seja, erro experimental de 23%, para o
40
mesmo objeto de estudo. Neste estudo, o maior erro experimental foi de 3,63% para
o 7° degrau.
O desenvolvimento do software ODR-ATA possibilitou o processamento de
imagens radiográficas de maneira precisa e eficaz, apresentando gráfico em terceira
dimensão que exibe a reconstrução da imagem selecionada e a análise da
densidade óssea radiográfica aliando tecnologia ao diagnóstico médico. Isto
corrobora com Louzada (2009), que destaca que a densitometria radiográfica
utilizada com programas computacionais é metodologia eficaz e precisa na
mensuração da densidade óssea.
4 Conclusão
Conforme os resultados apresentados pode-se concluir que o software ODR-
ATA, proporcionou análise de densidade óssea com base na densitometria
radiográfica. Entretanto, devido aos valores encontrados neste estudo, sugere-se
que novos incrementos sejam desenvolvidos para o aperfeiçoamento do software.
Por ser um software livre, constantes avaliações são oportunas e passiveis de
serem adotadas.
Tem potencial para implantação imediata pela área da saúde que poderia
resultar na diminuição do tempo médio de espera para o exame de densitometria
óssea colaborando assim para um precoce diagnóstico e estabelecer tratamento.
41
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