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Victor Gameiro Araújo
1 Desenvolvimento de um software capaz de realizar a mensuração do grau de angulação dos movimentos de abdução e adução através do processamento de imagem: SMA Jeverson Siqueira 1, Wallace Caldeira 1, Miguel D. Matrakas 1, Jorge Aikes Junior 1 1 Ciência da Computacão Faculdades Anglo Americano de Foz do Iguaçu (FAA) CEP: Foz do Iguaçu PR Brasil Abstract. This work aims to develop a software able to perform the measurement of the degree of angulation of the movements of abduction and adduction through image processing. This process will be done from photographs of people on the squared (apparatus used by health professionals for postural evaluation). For processing the images to OpenCV (API interface used to offer as the libraries used in computer vision) is used. Resumo. Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um software capaz de realizar a mensuração do grau de angulação dos movimentos de abdução e adução através do processamento de imagem. Esse processo será realizado a partir de fotografias de pessoas diante do simetrógrafo (aparelho utilizado por profissionais da saúde para a avaliação postural). Para o processamento das imagens será utilizado a OpenCV (API que oferece como interface as bibliotecas utilizadas em visão computacional). 1. Introdução A preocupação com a necessidade de precisão em métodos de diagnósticos de saúde é uma constante para todas as pessoas. Alguns diagnósticos clínicos tendem a ser imprecisos quando realizados manualmente devido as diferentes técnicas utilizadas pelos profissionais de saúde durante a análise de uma patologia (estudo das doenças em geral sob aspectos determinados) [Caetano 2003]. Na fisioterapia, o profissional que diagnostica, previne e trata os distúrbios do corpo humano gerados por má-formação genética, acidentes, traumas, doenças adquiridas ou vícios de postura precisa ser preciso na avaliação do resultado. Para uma avaliação correta de diagnóstico é necessário não somente profissionais, mas também equipamentos eficientes capazes de auxiliar de forma precisa essa avaliação. O diagnóstico de evolução de membros superiores é um exemplo dessa afirmação. A avaliação de evolução sobre movimentos realizados com o ombro, como adução e abdução são característicos de falhas em diagnósticos de evolução. O ombro é a articulação mais versátil do corpo, permite uma rica movimentação dos braços e antebraços devido a uma associação única de mobilidade e estabilidade [Dutton 2010]. A função primária do ombro é posicionar a mão no espaço, permitindo a interação com o ambiente e executar as funções motoras. A incapacidade de posicionar
2 a mão resulta em redução profunda de capacidades de toda a extremidade superior. O grau de mobilidade é resultante de articulações saudáveis, de unidades musculotendíneas intactas. O grau de estabilidade depende das estruturas capsuloligamentares (músculos de integridade das estruturas articuladas e ósseas) intactas. 2. Problemática O Curso de Fisioterapia da Faculdade Anglo Americano realiza dentre outros, tratamentos em pessoas com dificuldades em movimentar as articulações dos ombros, o que mantém os movimentos limitados comparado com a movimentação considerada normal. Alguns dos possíveis motivos que limitam os movimentos de abdução e adução são doenças como: Bursite, Tendinite, lesões, fraturas, entre outras [Serra et al. 2001]. Segundos os profissionais da área de fisioterapia (mais precisamente no setor ortopédico) uma das dificuldades que ocorrem durante o tratamento é obter os graus da abdução corretamente. Isto ocorre porque o paciente é analisado por mais de um fisioterapeuta, sendo que estes podem mensurar valores diferentes para a movimentação do mesmo membro de um paciente, nas mesmas condições. Os motivos para ocorrer tal dificuldade de análise podem ser justificados a partir da técnica que cada fisioterapeuta utiliza para obter a medição no paciente. Ainda que sejam utilizadas as mesmas técnicas, é possível a variação da mensuração devido a erros manuais ou ainda da subjetividade envolvida no processo de mensuração conforme informado por profissionais da clínica escola de fisioterapia. 3. Objetivo Desenvolver um protótipo de apoio aos profissionais de fisioterapia capaz de realizar processamento de imagens sobre fotografias de pessoas diante do simetrógafo e obter o grau de abdução dos membros superiores, podendo assim comparar os dados do sistema com resultados obtidos a partir de medidas feitas com equipamentos de utilização manual visando obter um grau de precisão equivalente diminuindo a subjetividade da avaliação executada manualmente. Para que o software seja capaz de realizar o processamento de imagem será necessário um banco de imagem dos pacientes junto ao simetrógrafo. A partir das fotografias serão realizadas medições e cálculos com processamento de imagem para obter o grau formado durante o movimento de abdução. Será necessário a utilização de filtros para o processamento das imagens. Os filtros serão aplicados através de uma biblioteca chamada OpenCV. 4. Fisioterapia Ortopédica Na área de fisioterapia ortopédica as estruturas do corpo que o fisioterapeuta examina e trata na maioria, em tecidos conjuntivos, como as cápsulas articulares, os ligamentos, a musculatura, as estruturas nervosas e as fáscias (conjunto membranoso muito extenso, no qual tudo está ligado e tem sua continuidade). Praticamente todos os tipos de movimento do ser humano que se opõem à atração de sua massa em direção ao solo necessitam mobilizar forças. As forças nas articulações possuem efeitos diferentes no caso de má posição. Muitas síndromes que causam dor em ortopedia são devido à solicitação anormal das estruturas. O fisioterapeuta que tem como profissão o campo da ortopedia precisa de grandes
3 conhecimentos sobre anatomia, função, biomecânica, estrutura e nutrição das diversas estruturas do corpo. Com o objetivo de poder identificar os mecanismos de compensação das modificações dos movimentos e das solicitações, decidindo se as estratégias são úteis ou não para o tratamento [Dölken 2008] Complexo do Ombro O ombro está integrado juntamente com as articulações que formam a cintura escapular. A função da cintura escapular é levar à colocação da mão no espaço, permitindo a execução de todas as tarefas para uma atividade normal. O ombro é dotado de uma associação única de mobilidade e estabilidade. O complexo do ombro funciona como uma unidade que envolve uma complexa relação de diversas estruturas [Dutton 2010]. Seus componentes consistem em: Três ossos (úmero, clavícula e escápula); Três articulações (esternoclavicular (EC), acromioclavicular (AC) e glenoumeral (GU)); Uma pseudoarticulação (a articulação entre a escápula e o tórax); Uma área fisiológica (o espaço supraumeral ou subacromial). 5. Movimento fisiológico Os movimentos fisiológicos são resultados de uma contração muscular ativa, que movimenta uma extremidade por meio de flexão, extensão, abdução, adução e rotação [Prentice 2012] Adução A adução implica no retorno do membro superior em direção ao plano mediano. No plano frontal o membro encontra o lado do tórax que mantém o movimento limitado. Entretanto a adução pode ser continuada em direção ao plano mediano anteriormente ao tórax, se for realizada uma flexão simultânea. O mesmo acontece com a adução posterior ao tronco, quando então uma extensão parcial é necessária. Os principais adutores do braço são os músculos peitoral maior e grande dorsal, auxiliados de maneira eficaz pelo redondo maior. Tem sido assinalada a ação adutora da porção longa do tríceps e do coracobraquial, mas esses dois músculos parecem agir como fixadores, impedindo o movimento da cabeça do úmero inferior, que a ação adutora do peitoral e grande dorsal tendem a produzir. A gravidade desempenha um papel importante na adução realizada com o corpo na posição ereta [Rosa Filho 2002] Abdução A abdução consiste em elevar o membro superior lateral a um plano horizontal e ele pode chegar a uma posição vertical junto à cabeça. Os músculos deltóide e supraspinhal são os principais abdutores do braço. O deltóide é um músculo que consiste em três partes e sua parte média (porção acromial) é a parte abdutora por excelência. As porções escapular e clavicular são importantes na abdução, impedindo o deslocamento da cabeça do úmero posterior durante a ação abdutora da porção acromial. O supraespinhal, frequentemente, não consegue abduzir além de 45 o quando o deltóide está paralisado. Isto indica que o supraespinhal só é importante no início da abdução. No entanto, deve se levar em conta que o supraespinhal, como parte do manguito rotador desempenha na abdução uma ação sinérgica fundamental, a de reter a cabeça do úmero contra a cavidade glenóide da escápula durante a ação do deltóide [Rosa Filho 2002].
4 6. Processamento de imagem O processamento de imagem pode ser definido como uma função bidimensional, tendo um uma f(x, y), onde (x, y) são as coordenadas espacias, e a amplitude de f em qualquer par de coordenada (x, y) [Gonzales and Woods 2010]. O processamento de imagens digital e a exibição de imagens digitais envolve procedimentos que são expressados de forma algorítmica. A grande maioria das funções de processamento de imagens pode ser implementada via software [Gonzales and Woods 2010]. A grande maioria desse softwares ajudam à melhorar a imagem digital, facilitando o redimensionamento sem grandes perdas de qualidade, suavização da imagem, entre outros benefícios Processamento de imagem sobre o ombro Para conseguir apresentar a evolução durante ou depois do tratamento o software irá realizar um processamento de imagem na região do ombro e obter o ângulo durante o movimento de abdução e adução Filtros A seguir são descritos alguns filtros que serão necessários para o processamento de imagens. Basicamente esses filtros são utilizados para detecção de bordas, e assim auxilia na descoberta da angulação do ombro Laplaciano O laplaciano é um operador de segunda ordem, com ele tem se uma grande vantagem para realçar detalhes finos [Gonzales and Woods 2009]. Sendo representada por: L(x, y) = α2 I αx 2 + α2 I αy 2 (1) A processamento do filtro Laplaciano é muito sensível a ruídos, e geralmente deve ser processado por um passa baixa como o filtro Gaussiano antes de aplicada na imagem. Portanto como estas duas operações são lineares e associativas, podem ser aplicadas no kernel do filtro e depois na imagem, reduzindo bem o tempo de processamento, pois o tamanho de ambos é muito menor do que o da imagem [Junior ]. Na Figura 1 é mostrada a máscara utilizada pelo laplaciano. Figura 1. Mascara do filtro laplaciano.
5 6.4. Sobel O filtro Sobel é um filtro não-linear para realçar bordas e representa uma aproximação à função de Sobel. É um filtro que apresenta uma grande imunidade ao ruído [Gonzales and Woods 2010]. O valor absoluto de Sobel é calculado por: G = G 2 x + G 2 y (2) A máscara utilizada pelo Sobel e mostrada na Figura 2. Figura 2. Máscara do filtro de Sobel Canny O filtro de Canny é uma convolução que usa uma derivada. Ele suaviza o ruído e localiza as bordas em uma determinada imagem combinando um operador diferencial com um filtro Gaussiano [Gonzales and Woods 2010]. Na Figura 3 é mostrada a máscara utilizada pelo filtro de Canny, pode se observar que tem familiaridade com a o filtro de Sobel. Figura 3. Máscara do filtro de Canny. Abaixo é mostrado o cálculo realizado pelo filtro de Canny: G = G 2 x + G 2 y (3) θ = arctan( G x G y ) (4) Esses filtros serão necessários para refinar as imagens e extrair somente informações necessária para o sistema.
6 Figura 4. Fluxo do processamento de imagem Fluxo do processamento de imagem O SMA terá um fluxo básico a ser seguido para a realização do processamento de imagem. Esse fluxo é mostrado na Figura 4. Aquisição da imagem: Basicamente está fase é captura das imagens dos pacientes junto ao simetrógrafo, seguindo um protocolo 1 de como será aquisição da imagem. Este protocolo irá garantir a integridade da imagem para que o sistema seja capaz de realizar o processamento de imagem. Conversão de cor para tons de cinza: Uma vez tendo aquisição da imagem será necessário fazer uma conversão da imagem que estará colorida para tons cinza. Uma imagem em tons de cinza é importante para que os filtros de detecção de bordas sejam mais precisos nos detalhamentos da estrutura do corpo humano. Filtros para detecção de borda: Esses filtros serão necessário para detalhamento das bordas formadas nos movimentos de abdução e adução descritos na Sessão 5. Os filtros que o SMA utilizará são Canny, Laplaciano e Sobel, descritos na Sessão 6.2. Cálculos para encontrar à angulação: Depois de todo processamento de imagem, feito somente faltara os cálculos para detecção do angulo formado. 1 Este protocolo visa como se deve tirar a foto, exemplo: tipo de câmera, distância que deve tirar a foto do paciente, quantidade de luz no ambiente.
7 6.7. Conclusão A aquisição de medidas angulares se utilizando de equipamentos manuais pode apresentar inconsistências de precisão, devido a própria natureza subjetiva do equipamento, que está fortemente atrelada a maneira de manipulação do profissional. O SMA pretende evitar a imprecisão dessas mensurações através de um processo automático determinístico. Para buscar comprovar a maior precisão oferecida pela utilização do SMA, as mensurações manuais realizadas pelos profissionais de fisioterapia serão comparadas com aquelas realizadas pelo sistema. Caso seja realmente constatada a diferença de precisão, a utilização do SMA poderá servir de ferramenta para o auxílio aos conflitos de discrepâncias das mensurações angulares entre os profissionais de fisioterapia, melhorando assim a precisão entre tratamentos e permitindo também uma reavaliação entre profissionais durante o tratamento sem prejuízo a avaliação contínua do paciente. Referências Caetano, J. R. (2003). 1Estudo comparativo entre duas técnicas de avaliação da amplitude de movimento. pages 1 7. Dölken, M. (2008). Fisioterapia em Ortopedia. Santos, São Paulo. Dutton, M. (2010). Fisioterapia Ortopédica: Exame, Avaliação e Intervenção. artmed, Porto Alegre, 2 edition. Gonzales, R. C. and Woods, R. E. (2009). Processamento Digital de Imagens. Pearson, São Paulo, 3 edition. Gonzales, R. C. and Woods, R. E. (2010). Processamento digital de imagens. Blucher. Junior, L. L. d. O. Filtros Compostos e Adaptativos: o filtro de Gaussiano, Laplaciano e de Gabor (Harmônico-Gaussiano). Prentice, W. E. (2012). Fisioterapia na Prática Esportiva. McGraw-Hill, 14 edition. Rosa Filho, B. J. (2002). Movimentos de abdução e adução. Serra, G., Diaz, P., and Carril, C. (2001). Fisioterapia em Traumatologia Ortopedia e Reumatologia. Revinter, Rio de Janeiro, 1 edition.