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ECOCARDIOGRAFIA
Guía de Imágenes e Interpretación
Ecografia 3D y 4D
Estación de Trabajo para la Adquisición, Reconstrucción y Visualización de Imágenes 4D del Corazón
Resumen
Se desarrolló una estación de trabajo para la adquisición, reconstrucción, procesamiento y visualización de imágenes 4D del corazón, utilizando imágenes provenientes de equipos de ecocardiografía bidimensional empleando el método de barrido rotacional transtorácico. La estación se implementó usando en su mayor parte, equipos existentes a nivel clínico y se presenta como una alternativa viable en países que no producen su propia tecnología en el área de cardiología y no poseen los recursos necesarios para actualizarla. La estación se evaluó a nivel clínico, permitiendo comprobar la sencillez de operación de la misma. Son presentadas imágenes 3D dinámicas del corazón obtenidas por medio de la estación desarrollada. Los resultados obtenidos proveen una alta calidad y detalles de las cavidades cardiacas y estructuras valvulares. Desde el punto de vista clínico esto adquiere gran importancia, debido al carácter no invasivo del examen efectuado, el relativo bajo costo de la estación desarrollada y la obtención de datos objetivos relativos a la anatomía cardíaca.
Introducción
Las enfermedades cardiovasculares constituyen un problema de salud pública a nivel mundial y son causa frecuente de incapacitación y de mortalidad en etapas tempranas y productivas de la vida. En Venezuela son la primera causa de muerte entre personas cuyas edades oscilan entre 25 y 64 años [1].
En la actualidad el ultrasonido es el método diagnóstico de enfermedades cardiovasculares por excelencia. Utilizando este método los médicos especialistas obtienen información espacio-temporal del corazón, por medio de una reconstrucción mental de imágenes de video de ecos 2D, que son observados en movimiento y en diferentes planos de corte, en un concepto de geometría 3D del corazón. Este procedimiento, como puede notarse es muy subjetivo y es altamente susceptible de errores y amerita por parte del cardiólogo un gran conocimiento de la anatomía del corazón para una exacta interpretación de las imágenes de ecos 2D
Los últimos desarrollos en cardiología están orientados hacia la visualización 3D y 4D del músculo cardíaco[2-10]. La razón de este interés es clara: las imágenes 3D y 4D tienen el potencial de un mejor entendimiento de las morfologías individuales en condiciones normal y patológicas, especialmente si decisiones terapéuticas tienen que efectuarse.
Actualmente en el mercado existen a nivel comercial sistemas de captura y visualización de imágenes 4D del corazón. Lamentablemente los costos de estos equipos son muy elevados y en países como Venezuela donde la economía está muy deteriorada, su adquisición tanto a nivel público como privado es muy limitada.
En este artículo se presenta el desarrollo de una estación de trabajo para la adquisición, reconstrucción, procesamiento y visualización de imágenes 4D del corazón, utilizando imágenes provenientes de equipos de ecocardiografía bidimensional utilizando el método de barrido rotacional transtorácico.
Metodología
El Proceso de Captura. Problemas y
Soluciones
El paso más importantes para la reconstrucción de imagenes 4D del corazón es la obtención de la data. Esta generalmente se captura efectuando un barrido (muestreo) del corazón con el haz de ultrasonido ya sea rotando al transductor sobre su eje longitudinal (ecocardiografía transtorácica rotacional. Figura 1)., angulándolo de forma tal de efecuar un barrido a lo largo del eje mayor del órgano (ecodiografía transtorácica en abaníco) o desplazandolo en forma lineal sobre el eje mayor del corazón (ecocardiografía transtorácica paralela). Actualmente estas tres tecnicas de barrido son consideradas validas a nivel clinico.
La obtención de una secuencia de data 4D del corazón utilizando un equipo de ecocardiografía bidimensional comercial es un problema difícil solución. Esto motivado fundamentalmente a que las imágenes volumétricas a generar durante el ciclo cardiaco, deben ser obtenidas a partir de ecos 2D capturados en diferentes instantes de tiempo y en diferentes planos de adquisición. Adicionalmente existen cuatro factores anatómicos que originan en la generación de la data 4D, la aparición de artefactos espaciales o la eliminación de pequeños detalles anatómicos. Estos factores inclusive pueden impedir por completo la reconstrucción de la data. La descripción de estos problemas y la solución implementada, que oriento el desarrollo de la estación se detalla a continuación:
Acceso acústico al corazón desde el tórax
El acceso acústico al corazón desde el tórax esta restringido por dos barreras: la caja torácica formada por las costillas y el aire que contienen los pulmones a través de los cuales el ultrasonido sufre un alto grado de atenuación. En cardiología clínica 2D están normalizadas 6 "ventanas acústicas" (figura 2) para la ubicación del transductor ultrasónico sobre el tórax, en las cuales se eliminan parcialmente estos obstáculos: la vista supraesternal, la vista paraesternal (derecha e izquierda), la vista apical (derecha e izquierda) y la vista subcostal [11]. En cada una de las posiciones mencionadas es posible obtener un número infinito de cortes del corazón. Con la finalidad de estandarizar los exámenes bidimensionales todas las vistas son orientadas mediante tres planos ortogonales como se muestra en la figura 2. Estos planos son: un plano sobre el eje largo o mayor, un plano sobre el eje corto o menor y el plano de las cuatro cámaras [12].
Figura 1. Muestreo rotacional transtorácico vista apical. a) Posición y movimiento del transductor. b) Eco bidimensional obtenido sobre el plano de corte
1
De las vistas mencionadas anteriormente, la vista paraesternal ubicando el transductor en el punto de intersección de los planos sobre el eje mayor y el plano sobre el eje menor; la vista apical ubicando el transductor en el punto de intersección de los planos sobre el eje mayor y el plano de las cuatro cámaras y la vista para-apical ubicando el transductor en el punto intermedio de las vistas mencionadas; han sido comúnmente utilizadas en ecocardiografía transtorácica 3D [5,6,8,13-16]. Estas vistas fueron igualmente utilizadas durante el desarrollo de l presente trabajo
Figura 2. Diagrama que muestra las distintas "ventanas acústicas" para la ubicación del transductor ultrasónico sobre el tórax, en ecocardiografía 2D.
Figura 3. Planos ortogonales estandarizados para la orientación de las imágenes ecocardiográficas bidimensionales
La respiración
Existen tres problemas básicos asociados con la respiración: 1) hay un desplazamiento relativo del corazón con respecto al transductor, originado por el aumento de volumen (durante la inspiración) de los pulmones dentro del tórax; 2) este aumento de volumen pulmonar a su vez interfiere con el paso del haz ultrasónico, eliminando detalles de la anatomía cardiaca, 3) finalmente el fenómeno denominado Arritmia Sinusal Respiratoria, el cual origina una variación del periodo del ECG durante la respiración, debido a la acción de la rama vagal del sistema nervioso autónomo, que detecta variaciones en la presión intratorácica y las refleja como variaciones del ciclo cardiaco.
El proceso de captura se sincroniza con el ciclo respiratorio. Se habilita la adquisición durante el periodo de tiempo en que los pulmones han expulsado todo el aire y comienza la inspiración. De esta manera se asegura durante la captura que los pulmones no desplacen al corazón, ni interfieran con el paso del haz ultrasónico y que tanto el transductor como el corazón se encuentran en la misma posición espacial.
Disturbancia en el ritmo cardiaco
Existe variación en la longitud del ciclo cardiaco lo cual origina variación en la cantidad de cuadros digitalizados por plano de adquisición durante un periodo.
Previo a la captura de las secuencias se mide durante aproximadamente dos minutos los periodos de la señal de ECG (intervalo R-R) sincronizados con el ciclo respiratorio y se escoge el periodo de mayor ocurrencia como patrón. Durante el proceso de captura, en cada plano de corte son descartados los periodos cardiacos digitalizados de longitud diferente a la del patrón. De esta manera se asegura la misma cantidad de cuadros digitalizados por plano de adquisición durante un periodo cardiaco.
Inestabilidad en la posición espacial del transductor, debido principalmente
a:
1) movimiento del paciente con respecto al transductor, 2) variaciones que los movimientos respiratorios imponen al transductor ( con la inspiración el transductor está más lejos del Corazón ), 3) las imágenes son obtenidas en diferentes planos de adquisición y 4) movimiento involuntario de la mano del operador. Este movimiento del transductor provoca ciertas diferencias de imagen a imagen que hacen difícil e inexacta la reconstrucción Tridimensional
El transductor ultrasónico es manipulado por un servomecanismo motorizado, el cual es sostenido por un dispositivo mecánico en forma de brazo articulado. Los sistemas mencionados permiten la rotación del transductor en pasos precisos y calibrados, adicionalmente se obtiene un posicionamiento preciso y fiable, logrando un máximo de estabilidad sobre la posición del transductor.
Descripción de la Estación
Equipos utilizados
En la figura 4 se muestra un esquema de la estación de trabajo diseñada. El examen ultrasónico es realizado utilizando un ecógrafo bidimensional en tiempo real marca ESOATE PARTNER AU-3 con un transductor sectorial multifrecuencia de 3,5/5.0 MHz.
La adquisición de las imágenes para la reconstrucción tridimensional del corazón amerita disponer de la máxima exactitud en el desplazamiento del transductor, para tal efecto se diseño y construyo un dispositivo electromecánico controlado por el computador(figura 5), el cual consiste en un motor de paso acoplado a una serie de engranajes móviles. El motor de paso es un elemento capaz de transformar pulsos eléctricos (información digital) en movimientos mecánicos. El resultado de este movimiento, fijo y repetible, es un posicionamiento preciso y fiable. El dispositivo construido permite rotar el transductor en incrementos de 1 a 5 grados, lográndose obtener hasta 180 planos de corte para un barrido de 180 grados.
Se diseño y construyo un dispositivo mecánico en forma de brazo articulado con 6 grados de libertad (figura 6), que se encarga de sujetar el servomecanismo motorizado y por ende la sonda ultrasónica. El brazo permite lograr un máximo de estabilidad sobre el transductor minimizando así los artefactos ocasionados por el movimiento en la posición espacial del transductor. Una vez determinado el lugar apropiado para colocar el transductor sobre el paciente se fijan las articulaciones del brazo tratando de mantener una presión constante del transductor sobre el tórax del paciente.
Figura 4. Esquema de la estación de trabajo diseñada.
El equipo de ecografía genera una señal de video auxiliar con la misma información que muestra en su pantalla. Esta señal es digitalizada por medio de una tarjeta de captura de imágenes marca BitFlow de la serie Raptor. Esta tarjeta permite capturar secuencias de imágenes de un tamaño de 640x480x8 pixeles, a una rata de 30 cuadros por segundo. Para alojar la tarjeta Raptor se utilizo un computador personal (PC) marca Digital, con un procesador Pentiun de 100 MHz, 64 MBytes de memoria RAM, unidad de disco duro de 1 GByte, monitor S-VGA con tarjeta de video de 1 MByte de memoria.
El equipo de ecografía, genera también una señal eléctrica correspondiente a la señal ECG del paciente. Se diseño y construyo un circuito que genera un pulso cuando es detectada la onda R de la señal ECG. Este pulso se utilizará más adelante para la sincronización de la captura de las imágenes con el ECG.
Con la finalidad de sincronizar igualmente la adquisición de imágenes ecocardiográficas con el ritmo respiratorio, se diseño y construyó un sistema de medida de impedancia bioeléctrica [17], utilizando el método de pletismografía de impedancias para realizar medidas de volumen sobre el tórax [18]. Este sistema permite calcular indirectamente el volumen pulmonar y por ende, el ciclo respiratorio.
Figura 5. transductor acoplado a motor
de paso para barrido transtorácico.
Figura 6. Brazo articulado encargado de sujetar el
servomecanismo motorizado y la sonda ultrasónica.
Se utilizó para la conexión de la estación con el paciente electrodos denominados "Electrodos Autoadhesivos para Monitoreo Cardiaco". Este tipo de electrodo esta formado por una base de papel adhesivo sobre el cual se encuentra fijo un botón de plata recubierto por una fina película de cloruro de plata depositada electroliticamente (Ag/AgCl), donde se conecta el cable hacia los equipos de medida. Sobre el botón, una porción de gelatina conductora permite un contacto continuo entre la piel y el electrodo. La figura 7 muestra el esquema de construcción de los electrodos.
Figura 7. Electrodos utilizados
Software
Se diseñaron e implementaron dentro del ambiente Windows dos sistemas gráficos de visualización y procesamiento. El primero (Vic-T-Cap) se utilizó para la captura de la data. Entre las características más importantes de este sistema tenemos:
- Visualización en tiempo real, sobre la pantalla del computador la señal ecocardiográfica.
- Ajuste previo a la captura (en la tarjeta digitalizadora), el contraste y brillo de la imagen.
- Selección del número de cortes radiales que se quiere efectuar
- Selección sobre la imagen observada, de la región de interés que se quiere capturar.
- Lectura de las señales del ECG y ciclo respiratorio y sincronización de la captura con
dichas señales.
- Control del avance del motor de paso.
- Almacenar la data en el disco del computador.
El segundo sistema (Vic-Util-3D), se utiliza sin la presencia del paciente, este permite visualizar la data capturada (los ecos bidimensionales) y es donde se implementaron diferentes algoritmos para el procesamiento e interpolación, necesarios para la reconstrucción 3D de la data. Finalmente la visualización de la data 3D se realizo mediante un programa comercial denominado Slicer [19], el cual permite la visualización volumétrica utilizando técnicas de "ray-tracing" La figura 8 muestra algunas ventanas de los sistemas gráficos descritos.
Figura 8.- a).-Ventana de captura del sistema gráfico "Vic-T-Cap", donde se muestra la misma señal del eco 2D que aparece en el monitor del ecógrafo. b).-Aspecto de la ventana de trabajo del programa ‘Slicer" con dos imágenes 3D procesadas.
Lógica de captura
Como se menciono anteriormente cada volumen de la secuencia 4D se reconstruirá a partir de imágenes obtenidas en diferentes instantes de tiempo y en diferentes planos de adquisición, esto obliga a que la captura de los ecos 2D, de todos los ciclos cardiacos, tengan la misma duración. Igualmente es necesario que el corazón tenga la misma ubicación espacial al inicio de cada ciclo cardiaco; de esta manera lograremos que las estructuras cardiacas en cada instante de tiempo tengan la misma ubicación espacio-temporal. Para tal efecto se utilizaron 2 eventos anatómicas para la sincronización de la captura de la data: la respiración y la actividad eléctrica del corazón.
El sistema de medida de impedancia bioeléctrica [17], permitió obtener una señal eléctrica (figura 9-a) en fase con la respiración del paciente. Mediante una comparación de nivel se generó un pulso indicando el momento de máxima espiración de los pulmones (SE, figura 9-c). A partir de la señal de ECG (figura 9-b) se obtuvieron los pulsos correspondientes a la onda R (SR, figura 9-d). Los pulsos 9-c y 9-d se utilizaron para la habilitación de la captura (SC, figura 9-e) mediante la siguiente lógica:
El incio del pulso de habilitación (I) = (SE) AND (SR)
Fin del pulso de habilitación (F) = (siguiente señal SR)
Durante la duración de la señal SC se habilita la tarjeta de captura para que digitalize los ecos 2D provenientes del ecógrafo.
Lógica de Aceptación/Rechazo
El proceso anteriormente descrito asegura una sincronización de la captura de la data, pero no asegura capturar ciclos cardiacos con igual longitud. Para lograr dicho objetivo se implemento una lógica de aceptación/rechazo que se describe a continuación.
Figura 9) Señales utilizadas para la sincronización de la captura de las imágenes. a) Ciclo respiratorio. b) Señal de ECG. c) Pulsos indicando máxima espiración (SE). d) Pulsos indicando onda R (SR). e) Ventana de habilitación de captura (SC).
Previo a la captura de la data es medida la duración (ancho) de 30 pulsos de captura consecutivos (pulsos SC).
Se realiza un histograma de frecuencia de la duración del pulso de captura (SC) y se escoge el tiempo de mayor ocurrencia como "Patrón".
Durante la captura (por cada plano de corte) es descartado el ciclo digitalizado, si existe una variación mayor de 10% del tiempo de captura con respecto al tiempo "Patrón" y se repite la captura en el mismo plano de adquisición.
En caso de que el tiempo del captura este dentro del rango exigido, los cuadros adquiridos son almacenados en el disco del computador.
Se avanza el transductor al siguiente plano de corte..
Se repite el proceso desde el punto 3 hasta que se completa el numero de planos de corte previamente escogido
La figura 10 muestra en forma esquemática la lógica descrita. Las secuencias capturadas y aceptadas se almacenan en la unidad interna de disco duro del computador como un único archivo en formato RAW, con un encabezado con la información del alto y ancho de cada imagen, el número de cuadros adquiridos por ciclo cardiaco y el número de planos de corte efectuados.
Figura 10. Se muestra en forma esquemática la lógica de aceptación/rechazo. Tiempo patron=100 ms. Los dos primeros ciclos son aceptados y almacenados en el disco del computador por tener duración dentro del margen de aceptación 100 ±10 ms. El ultimo ciclo digitalizado es rechazado y no se almacena en disco.
Reconstrucción
Este proceso y los que se mencionarán posteriormente se realizan sin la presencia del paciente.
La data fue almacenada en el computador a medida que se capturaba, es decir; por cada plano de corte del transductor ultrasónico (se realizaron 60 cortes del corazón en todos los exámenes efectuados), se almacenó una secuencia de imágenes correspondientes a un ciclo cardiaco (entre 13 y 19 imágenes x plano de corte). Como la data se almacenó serialmente los cortes necesarios para la reconstrucción de un volumen en un determinado instante de tiempo, estaban ubicados físicamente en diferentes posiciones del archivo de datos., adicionalmente estos cortes tenían que ubicarse en una posición espacial especifica para la exacta reconstrucción del volumen, se realizo por consiguiente un proceso de ordenación de la data tanto en forma temporal como espacial. Dichos procesos se describen a continuación
Ordenación Temporal. Fueron inicialmente seleccionados todos los cuadros capturados el mismo instante de tiempo t0 en cada uno de los Pn planos de corte efectuados, generando el volumen correspondiente instante de tiempo t0. De igual forma se generaron los demás volúmenes correspondientes a los siguientes instantes de tiempo, obteniéndose una primera secuencia se volúmenes (figura 11) .
Figura 11. Proceso de reconstrucción, ordenación temporal. Son seleccionados los cuadros capturados el mismo instante de tiempo para la generación de la secuencia de volúmenes.
Ordenación espacial. Son ubicados en su exacta posición espacial los cuadros que forman cada uno de los volúmenes tn. De esta forma se genera una secuencia de volúmenes en forma de aspas que refleja el muestreo efectuado al corazón (figura 12). La figura 13 muestra 15 de 60 cuadros que forman la secuencia espacial utilizados para la generación de un volumen de aspas, en un determinado instante de tiempo.
Figura 12. Proceso de reconstrucción, ordenación espacial. a) Los cuadros de cada volumen de aspas, son ubicados en su exacta posición espacial. Las imágenes b y c correspondes a dos cortes perpendiculares del volumen a.
Figura 13. Se muestran 15 cuadros de los 60 que forman la secuencia espacial de un volumen de aspas
Interpolación
Los volúmenes de aspas generados mediante el muestreo anisotrópico propuesto, presentan una serie de espacios vacios originados por la separación espacial entre los sucesivos cortes efectuados. Con la finalidad de llenar estos espacios y obtener un volumen uniformemente muestreado se desarrolló e implementó un algoritmo de interpolación bilineal de datos cardiacos 3D. En esta tecnica, se realizan cortes del volumen de aspas en sentido perpendicular al eje de giro del transductor ultrasonico, obteniendose imagenes formadas por lineas radiales como se muestra en la figura 14-a. Entre cada 2 lineas radiales se llenan los espacios vaciós mediante la interpolación de los niveles de gris de las 4 posiciones digitalizadas mas proximas a la posicion del espacio a interpolar (figura 14-b)[20]. Se repite el proceso descrito a todo lo largo de la imagen obteniendose finalmente el volúmen cilindrico mostrado en la figura 14-c.
Figura 14. Diferentes etapas del proceso de interpolación a) Corte perpendicular del volumen de aspas. b) Interpolacion del corte anterior. c) Volumen interpolado.
Visualización
El proceso de visualización se realizó con la ayuda del sistema comercial de visualización denominado T3D [19]. El T3D permitió cortar, rotar, trasladar y visualizar cada uno de los volúmenes de la secuencia cardiaca. Las imágenes obtenidas del ‘render’ de cada volumen se almacenaron como una secuencia en formato de video para Windows (AVI) y Quik Time para Mackintosh (MOV) para su posterior visualización en movimiento. La figura 15 muestra varios volumenes visualizados con el T3D.
Figura 15 a) Plano de corte sobre el cilindro interpolado. b) Volumen visualizado eliminando la data anterior al plano de corte. c) Vista en perspectiva del volumen.
Resultados
Las figuras 4, 5 y 6 muestran algunas imagenes de la estación desarrollada, con ella se realizaron 15 examenes a diferentes pacientes. De estos examenes solamente 3 se pudieron utlizar para la reconstrucción 4D (3 niños: 2 varones y una hembra cuyas edades eran respectivamente 7,8 y 10 años, todos ellos con el corazón normal). En los demas examenes los pacientes no tenian una buena ventana acustica y las imagenes obtenidas eran de muy pobre calidad y elevado nivel de ruido.
Las figuras 16, 17, 18, 19, 20 y 21 muestran algunas secuencias cardiacas 3D obtenidas con la estación desarrollada.
Figura 16. Imagen tridimensional de la válvula aortica vista desde la luz aortica hacia la cavidad ventricular. A la izquierda en sístole y a la derecha en diástole.
Figura 17. Vista de cuatro cámaras tridimensional en la cual se aprecia en detalle el ventriculo izquierdo.
Figura 18. Vista oblicua tridimensional del VI desde su pared septal.
Figura 19. Imagen Tridimensional de una válvula aortica bicúspide. A la izquierda en diástole y a la derecha en sístole. Se aprecia un engrosamiento del borde de las valvas y la apertura completa de las mismas.
Figura 20. Secuencia paraesternal longitunal mostrando aurícula izquierda, perfil de la válvula mitral, Ventrículo izquierdo, Ventrículo derecho y parte de la válvula aórtica. Izquierada Secuencia 3D, Derecha Secuencia 2D
Figura 21. Secuencia triimensional vista desde el interior del ventriculo izquierdo hacia la valvula mitral. Se aprecian simultaneamente el tracto de salida y el tracto de entrada del ventriculo izquierdo.
Evaluación Clínica
La estación presentada en este trabajo fue instalada en Sala de Consulta Cardiológica del Centro de Procesamiento de Imágenes de la Universidad de Carabobo durante un periodo de 6 meses. Se realizaron 15 examenes, (10 niños y 5 adultos), las edades de los pacientes osciló entre 7 y 45 años En todos los examenes se realizaron 60 cortes radiales de la anatomia cardiaca y la cantidad de cuadros almacenada por periodo cardiaco varió entre 13 y 16 cuadros. El tiempo requerido de captura varió entre 22 y 35 minutos.
Inicialmente un ingeniero y un médico cardiólogo, ambos integrantes del equipo de diseñó de la estación estuvieron presentes durante la captura de secuencias de cada examen. La experiencia permitió comprobar la sencillez de operación de la estación, permitiendo al medico en los últimos casos analizados manipular la estación sin ayuda.
Las etapas de reconstruccón, interpolación y visualización se realizarón sin intervención del paciente en promedio durarón 20, 190 y 30 minutos respectivamente.
Conclusiones
En este trabajo se ha presentado una estación de trabajo para la adquisición, reconstrucción, procesamiento y visualización de imágenes 4D del corazón, utilizando imágenes provenientes de equipos de ecocardiografía bidimensional empleando el método de barrido rotacional transtorácico.
Los resultados obtenidos son altamente satisfactorios. Estos indican que las imágenes 4D del corazón utilizando la estación desarrollada, proveen, una alta calidad y detalles de las cavidades cardiacas y estructuras valvulares. Desde el punto de vista clínico esto adquiere gran importancia ya que el examen efectuado es sencillo, no invasivo y no amerita un ambiente sofisticado pues puede realizarse a nivel de consultorio, adicionalmente se obtienen datos objetivos relativos a la anatomía cardíaca. Por otro lado, estas imágenes pueden orientar al cirujano cardiovascular en el abordaje quirúrgico más indicado en cada caso en particular.
El costo de la estación es reducido ya que se implementó usando en su mayor parte, equipos existentes a nivel clínico y toda la parte computacional se realizó sobre un computador personal (PC)
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