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. 2020 Feb 27;18:eAO4948. doi: 10.31744/einstein_journal/2020AO4948
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Automatic segmentation of brain tumors in magnetic resonance imaging

Layse Ribeiro Mascarenhas 1, Audenor dos Santos Ribeiro Júnior 1, Rodrigo Pereira Ramos 1
PMCID: PMC7053828  PMID: 32159604

ABSTRACT

Objective

To develop a computational algorithm applied to magnetic resonance imaging for automatic segmentation of brain tumors.

Methods

A total of 130 magnetic resonance images were used in the T1c, T2 and FSPRG T1C sequences and in the axial, sagittal and coronal planes of patients with brain cancer. The algorithms employed contrast correction, histogram normalization and binarization techniques to disconnect adjacent structures from the brain and enhance the region of interest. Automatic segmentation was performed through detection by coordinates and arithmetic mean of the area. Morphological operators were used to eliminate undesirable elements and reconstruct the shape and texture of the tumor. The results were compared with manual segmentations by two radiologists to determine the efficacy of the algorithms implemented.

Results

The correlated correspondence between the segmentation obtained and the gold standard was 89.23%.

Conclusion

It is possible to locate and define the tumor region automatically with no the need for user interaction, based on two innovative methods to detect brain extreme sites and exclude non-tumor tissues on magnetic resonance images.

Keywords: Diagnostic imaging; Brain neoplasms; Image processing, computer-assisted; Magnetic resonance imaging; Computer simulation

INTRODUCTION

One of the most advanced and widely used techniques for viewing brain tumors is magnetic resonance imaging (MRI), ( 1 ) due to its ability to differentiate between different types of tissues, and because it is a non-invasive method of high anatomical resolution, which makes diagnosis less traumatic to patients. Thus, MRI has been an important tool for detection, surveillance and early diagnosis of tumors. ( 2 - 4 )

Although MRI is highly detailed, a diagnosis based only on human intelligence is cumbersome and time consuming, and subject to interpersonal variability, loss of information and eye fatigue. Also, during acquisition, images may show low quality, poor contrast, and the presence of artifacts, which pose difficulties to the human eye. ( 5 ) Moreover, the segmentation of tumor borders is usually a visual task and a manual procedure, which can only detect marked changes, ( 6 ) and is subject to great variability when interpreted by different radiologists and long processing times to achieve detailed segmentation. ( 7 , 8 )

In this light, artificial intelligence-based image processing systems, known as CAD (computer-aided diagnosis) have been developed to detect and/or evaluate abnormalities on imaging examinations, and help physicians in precision diagnosis and neurosurgery. ( 9 ) Image processing and analysis are used to develop the analytical skills of physicians ( 10 ) and shorten the time required for accurate evaluation, therapy planning and tumor surveillance. ( 3 , 11 ) These techniques provide radiologists with a second opinion to help understand medical images, improving diagnostic precision. ( 12 )

Although CAD systems have shown relative progress in their performance, there are still several issues to be overcome before its sensitivity can be improved. Also, automatic analysis of medical images has image-related issues that need to be overcome, such as noise that can affect pixel intensity and non-consistent image intensity. ( 13 ) Hence, a thorough investigation of alternative algorithms for all steps of a CAD system becomes relevant, from pre-processing to the final classification stage, using methods that can minimize MRI processing.

In this study, we developed a new algorithm for automatic segmentation of brain tumors on T1c, T2 and FSPGR T1c MRI sequences, using mathematical methods, as well as logical and morphological operations. After the analysis, the algorithm was able to segment the tumor region in agreement with the previous manual segmentation by radiologists (the gold standard).

OBJECTIVE

To develop and validate a set of computational tools for automatic segmentation of brain tumors on magnetic resonance images.

METHODS

The methodology was structured with a system consisting of 3 steps: pre-processing, segmentation and post-processing. This system operates with three different types of MRI: T1c, T2 and FSPRG T1c, in axial, coronal and sagittal views. Thus, all steps of the system were designed to operate with these three MRI modalities and any of the views. The system and its steps are described in table 1 .

Table 1. System steps and respective processes.

Step 1 Pre-processing Step 2 Segmentation Step 3 Post-processing
Histogram equalization MDC Dilation
Intensity adjustment Erosion Hole filling
Binarization MDA Spatial convolution

MDC: detection by coordinate; MDA: detection by area.

This study was initiated after approval by the Institutional Review Board of Universidade Federal do Vale do São Francisco (UNIVASF), CAAE: 90399118.5.0000.5196 and opinion number 2.954.791.

Research setting

This study was conducted in the city of Juazeiro (BA), in the Electrical Engineering Laboratory at the UNIVASF campus.

Database

For this study, we reviewed 14 MRI images of brain tumors in real patients, confirmed by manual segmentation by specialist physicians, i.e. the gold standard, as marked on the images and described in the chart of each anonymous patients.

A database was built with 116 images provided by a radiology center in the city of Petrolina on an anonymous basis (private database). The machine used for examinations was the 1.5 T Intera by Philips Medical Systems, the slices were 3.5mm thick and the spacing between each slice was 3.85mm. Also, we used 14 images from the REpository of Molecular BRAin Neoplasia DaTa (public database), provided free-of-cost by The Cancer Imaging Archive (TCIA). Thus, the total sample consisted of 130 images (slices) from 14 patients of both sexes and different ages, of which 19 were T1c, 48 T2 and 63 FSPGR T1c sequences.

The images were in the Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM ® ) format, with different resolutions for each type of sequence, namely: 256×256 (T2), 512×512 (FSPGR T1c) and 704×704 (T1c). Algorithms were studied and implemented in the MATrix LABoratory ® (MATLAB ® ) system, which consists of a platform using high-level programming language and an environment for algorithm development, data analysis and visualization, and numerical computing.

Inclusion and exclusion criteria

We selected images previously diagnosed with hyperintense brain tumors in T1c, T2 and FSPGR T1c weightings and different planes (axial, sagittal and coronal), in patients of both sexes and different ages. The same number of images without tumors were included. Images with no previous diagnosis and with high noise density (extremely blurred) preventing visualization of brain structures were excluded from our cases.

Pre-processing

Pre-processing consists of applying techniques to reduce artifacts and enhance images, for improving their quality and highlighting a region of interest (ROI) for more detailed visualization and better segmentation precision. ( 14 , 15 ) This step was based on image contrast enhancement to highlight the tumor region. All images have grey-level pixel intensities which were normalized between zero and 1.

Histogram equalization

Differently from other imaging techniques, in MRI, the pixel intensity has no fixed value in respect to the tissue image, i.e ., the same tissue could have different intensities, which makes it difficult to adopt intensity features as sources of information when segmenting images. ( 16 ) The problem of non-standardized intensities is minimized by the process of normalization. Histogram equalization is applied to leave the desired areas brighter than the rest of the image, thus facilitating their extraction. ( 2 , 17 - 19 ) The histeq function ( 20 ) is used to obtain said result.

Intensity adjustment

For intensity adjustment we used the imhmax and imhmin functions, ( 20 ) which suppress all maximums with grey values lower than a threshold h or all minimums higher than h . ( 21 , 22 ) These thresholds were pre-defined according to the occurrence of grey levels in the images (histogram), and two optimum intervals were defined for the set of images studied, based on the observation. Each MRI image varies with intensities closer to zero or 1, some being predominantly dark and others brighter. Therefore, according to the fragment area of imaging histograms, it was possible to determine the thresholds for intensity adjustment.

Binarization

To separate the background and the ROI, we applied binarization aided by the imregionalmax function, ( 20 ) which identifies the pixels of greater intensity and returns a binary image whose maximum pixels are assigned a value of 1, and all others are assigned as zero. ( 15 ) After this process, the image has a smaller number of subregions, mostly disconnected, resulting in less data and shorter processing times in the following steps.

Segmentation

The segmentation step separates the brain from adjacent areas, such as the meninges, skull bones and healthy tissues. ( 16 ) One of the innovations in this study is the algorithm for automatic segmentation of brain tumors, consisting of two methods: detection by coordinates and detection by area.

Detection by coordinates

The first differentiator of this study is the detection-by-coordinates method (MDC), which automatically removes undesirable areas external to the brain, such as the skull bone, the meninges and subcutaneous fat, using only basic mathematical concepts and logical operations. The algorithm automatically marks four points around the brain known as top, bottom, left and right edges, and eliminates all regions located before the left-top edge and after the right-bottom edge. For this end, we considered that the head of the patient is in the central region of the image, which is the usual setting of an MRI, and the brain is delimited by pixels with intensities greater than zero.

Considering an image with dimensions X and Y, the coordinates of the left-top edge are determined by fixing the ordinate in the middle of the image (Y/2). For the top and bottom edges, the abscissa is fixed (X/2). The algorithm scans the row corresponding to Y/2 from left to right, and the column corresponding to X/2 from top to bottom, until it finds the first pixel greater than zero and creates two vectors with all pixels different than zero. The first element of each vector corresponds to the pixel of the left-top edge of the brain, and the last element corresponds to the opposite, i.e. , the right-bottom edge.

However, in most images, the skull bone has pixels with intensities greater than zero. The edges are marked in this region. Since the purpose is to define the brain, and the brain is at a small distance from the skull, which is virtually always the same from the anatomical standpoint, each edge is displaced by a value corresponding to such a distance, and fixed on the outer boundaries of the brain.

In addition, the algorithm also takes into consideration each type of view, since the brain will have different shapes in each situation. In the coronal and sagittal views, the images also contain the neck region, with pixels greater than zero. To avoid errors when marking the bottom edge, for instance, we estimate the distance between the lower part of the neck and the brain, displacing the bottom edge ordinate upwards, at a larger proportion.

After defining the brain by its edge points, the algorithm looks for subregions (labels) with coordinates lower than those of the left-top edge, and higher than those of the right-bottom edge. The labels are bounded by a rectangle using the bounding box parameter of the regionprops function. ( 20 ) The rectangle intercepts each label with at least two of its vertices. Thus, if at least one vertex of the bounding box containing the label is outside the limits of the brain edges, this indicates that the region is external to the brain and, therefore, a value of zero is assigned to all pixels of the corresponding label. This eliminates a great part of the skull, fat and meninges. Figure 1 illustrates the procedure for eliminating regions external to the brain using MDC.

Figure 1. Segmentation using detection by coordinates. On the left, the edge points of the brain are marked. The second image illustrates the location of the external and internal subregions of the brain. Finally, all subregions external to the brain are excluded.

Figure 1

Detection by area

After applying detection by coordinates, the algorithm maintains the subregions inside the brain, which do not necessarily correspond to the tumor to be segmented. However, the tumor area resulting from detection by coordinates is, often times, larger than the arithmetic mean of the areas of all spurious elements that still remain. Thus, the second differentiator of this algorithm is the use of a two-dimensional parameter, i.e. , the area, to exclude non-tumor tissue inside the brain.

Before executing detection by area (MDA), the imerode function ( 20 ) was used to execute the erosion operation, which disconnects spurious elements and reduces their areas, forming new subregions with smaller areas. The MDA calculates the area of each resulting label and their arithmetic mean, assigning as zero the pixels of elements smaller than the arithmetic mean of the areas of all labels. This eliminates a great part or all of the brain tissue, leaving only the tumor.

Figure 2 illustrates the MDA, where the largest square in blue represents the tumor, other blue squares represent non-tumor tissue, and the green square represents the label corresponding to the arithmetic mean of the areas. Using logical operations (comparisons), the algorithm verifies the regions smaller than the mean area and excludes them, assigning a logical value of zero to their pixels. By doing so, ideally, one can eliminate as many undesirable elements as possible, and only the tumor remains.

Figure 2. Eliminating subregions through detection by area. In the first column, the subregions internal to the brain are detected. In the second column, the arithmetic mean of the subregion areas is calculated. In the third column, the size of each subregion is compared with the arithmetic mean. In the last column, all subregions smaller than the mean are eliminated.

Figure 2

Post-processing

Morphological operators of dilation (imdilate) ( 20 ) were used to recover the tissues lost in the erosion process. To retain a larger region of the tumor, the binary mask is obtained by filling the holes in the dilated image (imfill). ( 20 ) Finally, the binary mask is applied to the original image by spatial convolution, to obtain a size close to the real size of the segmented elements, and then extract texture attributes. ( 15 , 23 )

Evaluation of results

Quantitative results of the automatic segmentation were calculated by comparison between the gold standard and the proposed segmentation method. The metrics commonly used in the literature ( 24 - 26 ) to assess performance are the hit rate (HR), calculated by the number of true positive (TP) of the method compared with the gold standard; and the matching rate (MR), based on the number of false positive results (FP). In the cited studies, the HR and MR are respectively defined as:

HR=TPgold standard×100%
MR=TP  0.5 × FPgold standard

Higher HR values indicate a higher number of true positive pixels in the segmented area. The MR value determines how distant from the gold standard (GS) the segmentation is. The ideal MR value is 1, which means a perfect match between the gold standard and the proposed segmentation. Matching rate values close to 1 suggest that the proposed segmentation has a much higher rate of true positive than false positive results. ( 16 )

RESULTS

The pre-processing step was implemented following the previous description. The images obtained at the end were treated with these pre-processing techniques. Figure 3 shows the output of the final process, after using histogram equalization, intensity adjustment for contrast correction, and binarization. The images on the right are binarized (they only show pixels with intensity zero or 1). Here we present the three types of MRI sequences and the three types of views of the brains of different patients.

Figure 3. Results of pre-processing steps for different patients from the private database.

Figure 3

The first, third and sixth columns show the images before processing, whereas the other columns show the images after pre-processing. The first row shows contrasted T1-weighted images, the second row shows T2-weighted images and the third row shows fast spoiled gradient echo T1-weighted images.

The segmentation step began with defining the brain by edge points and extraction of the regions external to them, followed by application of a morphological function of dilation, and finishing off with application of the MDA algorithm. Due to the erosion technique, which implies loss of pixels in certain regions, and the binarization process that converts the grey-scale image into only two levels of intensity, we used the morphological operations of dilation, hole filling and reconstruction, so that segmented regions could be rebuilt and returned to their original texture. The morphological procedure was used in these binary images to refine the margin and content of tumor images.

Figure 4 shows some final results after totally successful segmentation of MRI images of different patients, using T1c, T2 and FSPGR T1c sequences in the axial, coronal and sagittal planes. The first row shows segmentation of contrasted T1-weighted images of three different patients. The second row shows segmentation results for T2-weighted images. The third row shows segmentation results for fast spoiled gradient echo T1-weighted images.

Figure 4. Final result of automatic segmentation in T1-, T2- and spoiled gradient echo contrasted T1-weighted magnetic resonance imaging.

Figure 4

Comparative performance analysis of automatic segmentation

The MRI images used in the test had been manually segmented by radiologists. These results were considered as gold standard and used to efficiently assess the system. Table 2 shows TP, FP, FN and HR compared with the gold standard, as well as the respective MR values. In similar studies, authors obtained a HR of 86% and MR of 0.79, which was considered satisfactory. ( 24 - 26 ) In this study, the HR was 89.23% and the MR was 0.70, i.e ., quantitatively similar to those of previous authors, which indicates good accuracy of the proposed segmentation method. The best HR results were obtained for T2 and FSPGR-T1c sequences.

Table 2. Performance of segmentation by sequence type.

Sequence GS TP FP FN HR % MR
T1c 33 27 11 6 81.81 0.65
T2 48 44 19 3 91.66 0.72
FSPGR T1c 49 45 21 4 91.83 0.70
Total 130 116 51 13 89.23 0.70

GS: gold standard; TP: true positives; FP: false positive; FN: false negative; HT: hit rate; MR: matching rate.

Matching rate results were satisfactory despite the significant number of FP. However, these FP were not more than the TPs, as seen in Alegro et al. ( 23 ) An innovative, robust image segmentation approach for extraction of brain tumors on MRI was developed by applying the Kernel function to the support vector machine (K-SVM), with HR and MR equivalent to 87.8% and 0.85, respectively. ( 27 ) To better compare the performance of the proposed segmentation algorithm and those found in the literature, the qualitative results of similar studies are presented in table 3 .

Table 3. Performance of segmentation algorithms used in the literature.

Authors Methodology Performance assessment
HR (%) MR
Alegro Mde C, Amaro Junior E, Lopes Rde D. Computerized brain tumor segmentation in magnetic resonance imaging. einstein (Sao Paulo). 2012;10(2):158-63. (23) SVM 94.00 -0.04
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Gao F, Lin T. Application of Computer-Aided Diagnosis Technology in Brain Tumour Detection. NeuroQuantology. 2018;16(5):725-33. (29) Machine learning 97.17 -

HR: hit rate; MR: matching rate; SVM: support vector machine; FCM: fuzzy-c-mean algorithm; K-SVM: Kernel-based support vector machine.

DISCUSSION

Pre-processing techniques could successfully eliminate a great portion of the brain and some regions of the encephalon, however some spurious elements remained such as the skull bone, lateral ventricles and the corpus callosum, which, in some instances, correspond to pixels with intensities close to or higher than those of tumor tissue and, therefore, are difficult to exclude. Also, we tested using the median filter, a tool commonly used for filtering noise in brain MRI. ( 17 , 30 ) However, results were not superior to those of the proposed method, and the processing time of the algorithm was a downside. In fact, the convolution operation with masks requires great computational effort. ( 31 )

The color of tumor tissue on T1-weighted images was very close to that of the brain. This can render the pre-processing step very difficult, since the criteria and thresholds used to enhance the tumor region end up being applied to other regions of the brain which are not of interest. This can generate healthy tissues connected to the tumor, even after using morphological operations, as well as increase the number of false-positive results after segmentation. Pre-processing results were better on T2-weighted and FSPRG T1c images, due to their better contrast between the hyperintense region and the rest of the brain.

When looking at figures 3 and 4, one can see that pre-processing and segmentation based on the previously described techniques showed good results with the use of a simple algorithm using basic features and logical operations. Table 4 shows the method used by some authors to improve the quality of MRI images of brain tumors and strip the skull, with results qualitatively comparable to those of this study.

Table 4. Comparative analysis of the pre-processing methodology proposed and those present in the literature.

Authors Methodology Results
Isa IS, Sulaiman SN, Mustapha M, Karim NK. Automatic contrast enhancement of brain MR images using Average Intensity Replacement based on Adaptive Histogram Equalization (AIR-AHE). Biocybernetics and Biomedical Engineering. 2017;37(1):24-34. (15) Development of the AIR-AHE algorithm for automatic contrast enhancement of FLAIR MRI using the imadjust and stretchlim functions The method showed good results along with other histogram equalization algorithms
Isselmou AE, Zhang S, Xu G. A novel approach for brain tumor detection using MRI Images. J Biomedical Sci Eng. 2016;9(10):44-52. (17) Use of the high-pass median filter and histogram equalization to improve image quality The method improved image quality and provided excellent tumor segmentation results
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AIR-AHE: Average Intensity Replacement based on Adaptive Histogram Equalization; MRI: magnetic resonance imaging; FLAIR: fluid attenuation inversion recovery; MATLAB ® : MATrix LABoratory ® ; BET: brain extraction tool; BSE: brain surface extractor; GM: gray matter; WM: white matter; MARGA: multispectral adaptive region growing algorithm.

The MDC algorithm can mark the extremities of the brain on any view (axial, coronal or sagittal) of the brain. This improves accuracy, since the geometrical shape of the brain varies in the three different views. It also works when the head is located asymmetrically in the image, either horizontally or vertically, which is a common occurrence. ( 30 , 41 ) In addition, it offers different possibilities for extraction of regions outside the brain, and is applicable to images with hyperintense signal on different MRI weightings, since it does not depend on qualitative features, such as entropy and texture. Quite the opposite, it is based on the location of the brain inside the image, its anatomy and the intensity of surrounding pixels, similarly to the proposition of the S3 method. ( 33 )

The MDC showed satisfactory results regarding its functionality and scope, and it can be qualitatively compared with the algorithms presented in table 4 , with good performance in skull stripping. In cases where the area outside the brain is not completely eliminated, the morphological operation of dilation can subdivide said “remainders” into smaller portions, which can be eliminated using MDA. Thus, MDA works as a complement to segmentation by detection of coordinates. It is directly linked with the number of FP in post-segmentation, since the more non-tumor tissue can be eliminated, the fewer FP and the better the segmentation.

However, the MDA is flawed in situations where there are post-processed regions larger than the tumor, since there is a chance the tumor be smaller than the mean area of the existing subregions and eliminated as a consequence, which would decrease the number of TP, or produce images with tumor and non-tumor, increasing the FP. This can happen in views where normal tissues have similar pixel intensities to those of tumors, and the differentiation of these regions is made difficult by the pre-processing techniques adopted. In addition to these limitations, MDC and MDA were developed to segment only MRI images with hyperintense tumors.

The T1c sequence had lower HR and MR compared with other MRI weightings, due to images in which the pixel intensity of the brain region was similar to that of the tumor. Therefore, this led to a high number of connected FP which, in some cases, had a much larger area than the tumor; in these cases, the tumor was excluded and the segmented image had no tumor tissue, resulting in FN.

The failed cases using T2-weighting were due to the presence of ventricles in some coronal slices, as well as axial slices of the eyes and nose, with very high pixel intensity (close to 1), leading to a high number of FP, in addition to the tumor not being detected in three FN slices. This issue also led to failure of some axial FSPGR T1c images, which explains the high number of FP in this category.

Despite the significant number of FP, the HR and MC results were satisfactory, with a mean hit rate of 89.23% between the automatically segmented areas and the gold standard, pointing to good accuracy of the proposed segmentation method.

CONCLUSION

The results obtained showed the proposed system was able to locate and define the tumor region without any user interaction, using an innovative method for automatic segmentation, simple and easy to implement.

ACKNOWLEDGMENTS

This study was financed in part by the Fundação de Amparo à Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco (FACEPE) - Brazil - Finance code IBPG-0924-16.

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Segmentação automática de tumores cerebrais em imagens de ressonância magnética

Layse Ribeiro Mascarenhas 1, Audenor dos Santos Ribeiro Júnior 1, Rodrigo Pereira Ramos 1

RESUMO

Objetivo

Desenvolver um algoritmo computacional aplicado a imagens de ressonância magnética, para segmentação automática de tumores cerebrais.

Métodos

Foram utilizadas 130 imagens de ressonância magnética nas sequências T1c, T2 e FSPRG T1c e nos planos axial, sagital e coronal de pacientes acometidos com câncer cerebral. Os algoritmos empregaram técnicas de correção de contraste, normalização de histograma e binarização, para desconectar estruturas adjacentes do cérebro e realçar a região de interesse. A segmentação automática foi realizada por meio da detecção por coordenadas e por média aritmética da área. Operadores morfológicos foram utilizados para eliminar elementos indesejáveis e reconstruir a forma e a textura do tumor. Os resultados foram comparados com as segmentações manuais de dois médicos radiologistas, para determinar a eficácia dos algoritmos implementados.

Resultados

Os acertos foram de 89,23% na correspondência entre a segmentação obtida e o padrão-ouro.

Conclusão

É possível localizar e delimitar a região tumoral de forma automática, sem necessidade de interação com o usuário baseado em dois métodos inovadores de detecção dos extremos do cérebro e de exclusão dos tecidos não tumorais em imagens de ressonância magnética.

Keywords: Diagnóstico por imagem, Neoplasias encefálicas, Processamento de imagem assistida por computador, Imagem por ressonância magnética, Simulação por computador

INTRODUÇÃO

Uma das técnicas mais avançadas e difundidas para visualização de tumores cerebrais é a imagem de ressonância magnética (RM),( 1 )devido à sua capacidade de distinção entre diversos tipos de tecidos, e por ser um método não invasivo e de alta resolução anatômica, o que torna a obtenção do diagnóstico menos traumática para o paciente. Assim, a RM tem sido ferramenta importante para a detecção, o monitoramento e o diagnóstico precoces do tumor.( 2 - 4 )

Embora as RM apresentem alto grau de detalhamento, o diagnóstico feito somente com a inteligência humana é cansativo e demanda tempo, podendo ser suscetível às variações interpessoais, à perda de informação e à fadiga visual. Além disso, durante a aquisição, a imagem pode apresentar baixa qualidade, contraste ruim e presença de artefatos, que são problemas difíceis de lidar por meio do olho humano.( 5 )Ademais, o processo de segmentar as bordas da massa tumoral é normalmente realizado visualmente com a segmentação manual do tumor, que pode detectar apenas mudanças grandes,( 6 )obter grande variação na interpretação por diferentes radiologistas e demandar tempo para realização de segmentação detalhada.( 7 , 8 )

Diante disso, têm sido desenvolvidos sistemas computacionais de processamento de imagens e inteligência artificial, denominados diagnóstico assistido por computador (CAD - computer-aided diagnosis ), para detectar e/ou avaliar anormalidades em imagens médicas, e auxiliar os médicos na precisão do diagnóstico e em neurocirurgias.( 9 )A análise e o processamento da imagem são usados para desenvolver a competência analítica dos médicos( 10 )e reduzir o tempo necessário para a avaliação exata, o planejamento da terapia e o rastreamento da evolução do tumor.( 3 , 11 )Essas técnicas fornecem uma segunda opinião aos radiologistas, na compreensão de imagens médicas, melhorando a precisão do diagnóstico.( 12 )

Embora os sistemas CAD tenham alcançado relativo progresso em seu desempenho, ainda há vários problemas que precisam ser solucionados para melhorar sua sensibilidade. Além disso, a análise automática de imagens médicas apresenta problemas relacionados à imagem, que precisam ser superados, como ruídos que podem alterar a intensidade do pixel e a não uniformidade de intensidade da imagem.( 13 )Assim, a investigação completa de algoritmos alternativos para todas as etapas de um sistema CAD torna-se relevante, no que concerne desde a etapa de pré-processamento até a fase final de classificação, utilizando métodos que possam minimizar o processamento de RM.

Neste trabalho, foi desenvolvido um novo algoritmo de segmentação automática de tumores cerebrais em RM nas sequências T1c, T2 e FSPGR T1c, empregando-se métodos matemáticos, operações lógicas e morfológicas. Ao final da análise, o algoritmo foi capaz de segmentar a região tumoral em concordância com a segmentação manual dos radiologistas (o padrão-ouro).

OBJETIVO

Desenvolver e validar um conjunto de ferramentas computacionais para segmentação automática de tumores cerebrais em imagens de ressonância magnética.

MÉTODOS

A metodologia foi estruturada com um sistema composto por três etapas: pré-processamento, segmentação e pós-processamento. Esse sistema funciona com três tipos diferentes de RM: T1c, T2 e FSPRG T1c, nos cortes axial, coronal e sagital. Assim, todas as etapas do sistema foram projetadas para funcionar com essas três modalidades de RM e para qualquer um dos cortes. O sistema e as etapas são descritos na tabela 1 .

Tabela 1. Etapas e respectivos processos do sistema.

Etapa 1 Pré-processamento Etapa 2 Segmentação Etapa 3 Pós-processamento
Equalização de histograma MDC Dilatação
Ajuste de intensidade Erosão Preenchimento de buracos
Binarização MDA Convolução espacial

MDC: método de detecção por coordenada; MDA: método de detecção por área.

A pesquisa foi iniciada após a aprovação do Comitê de Ética em Pesquisa da Universidade Federal do Vale do São Francisco (UNIVASF), CAAE: 90399118.5.0000.5196 e parecer 2.954.791.

Local de realização da pesquisa

A pesquisa foi desenvolvida na cidade de Juazeiro (BA), no Laboratório de Pesquisa em Engenharia Elétrica, no campus da UNIVASF.

Base de dados

Para o presente estudo, foram analisados 14 casos reais de tumores cerebrais de RM, cuja presença de tumores foi confirmada por meio da segmentação manual feita por médicos especialistas, o padrão-ouro, demarcada nas imagens e descritas no prontuário de cada paciente anonimamente.

Foi construída uma base de dados com 116 imagens cedidas por uma clínica médica de radiologia da cidade de Petrolina por anonimidade (base privada). A máquina utilizada para realização dos exames foi a Intera de 1,5 T da Philips Medical Systems, os slices (fatias) possuíam 3,5mm de espessura, e o espaçamento entre cada corte era de 3,85mm. Além disso, utilizaram-se 14 imagens obtidas da base de dados da REpository of Molecular BRAin Neoplasia DaTa (base pública) fornecida gratuitamente pelo The Cancer Imaging Archive (TCIA). Assim, totalizam-se 130 imagens (fatias) de 14 pacientes de ambos os sexos e idade variada, sendo 19 T1c, 48 T2 e 63 FSPGR T1c.

As imagens encontravam-se no formato de arquivos Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM®), apresentando diferentes resoluções para cada tipo de sequência, a saber: 256×256 (T2), 512×512 (FSPGR T1c) e 704×704 (T1c). Os algoritmos foram estudados e implementados no sistema MATrix LABoratory ®(MATLAB®), que consiste em uma plataforma que utiliza linguagem de programação de alto nível e ambiente de desenvolvimento de algoritmos, análise e visualização de dados e computação numérica.

Critérios de inclusão e exclusão

Foram selecionadas imagens pré-diagnosticadas com tumores cerebrais em hipersinal nas ponderações T1c, T2 e FSPGR T1c e em diferentes cortes (axial, sagital e coronal) em pacientes de ambos os sexos e de idade variada. A mesma quantidade de imagens com ausência de tumor foi incluída. Imagens sem diagnósticos prévios e imagens com alta densidade de ruídos (extremamente borradas) que impediam qualquer visualização das estruturas do cérebro foram excluídas dos casos.

Pré-processamento

O pré-processamento de imagens consiste na aplicação de técnicas para redução de artefatos e realce de imagens, que visam melhorar sua qualidade e destacar uma região de interesse (ROI), fornecendo sua visualização mais detalhada para melhorar a precisão de segmentação.( 14 , 15 )Esta etapa baseou-se no aprimoramento do contraste da imagem com o objetivo de evidenciar a região do tumor. Todas as imagens apresentam valores de intensidade de pixel em níveis de cinza e estas intensidades dos pixels foram normalizadas entre zero e 1.

Equalização de histograma

Diferente de outras técnicas de imagem, na RM, a intensidade do pixel não tem valor fixado em relação à imagem do tecido, ou seja, o mesmo tecido pode ter intensidades diferentes, o que torna mais difícil a adoção de características de intensidade como fontes de informação na segmentação das imagens.( 16 )Essa falta de padronização de intensidade é reduzida por meio da aplicação de um procedimento de normalização. A equalização do histograma é aplicada para deixar áreas desejadas mais claras do que o resto da imagem e, assim, facilitar sua extração.( 2 , 17 - 19 )Utiliza-se a função histeq ( 20 )para obter tal resultado.

Ajuste de intensidade

Para realizar o ajuste de intensidade, utilizaram-se as funções imhmax e imhmin ,( 20 )que suprimem todos os máximos com valor de cinza inferior a um limiar h ou todos os mínimos maiores que h.( 21 , 22 )Esses limiares foram prefixados de acordo com a ocorrência de níveis de cinza das imagens (histograma), sendo definidos empiricamente, a partir da observação, dois intervalos ótimos para o conjunto das imagens estudadas. Cada imagem de RM apresenta quantidade variável com intensidades mais próximas de zero ou de 1, sendo algumas predominantemente escuras e outras mais claras. Assim, de acordo a área de fragmentos do histograma das imagens, foi possível determinar tais limiares para o ajuste de intensidade.

Binarização

Para separar o fundo da imagem e as ROI, aplicou-se a binarização, com auxílio da função imregionalmax ,( 20 )que identifica os pixels de maior intensidade e retorna uma imagem binária cujos pixels máximos adquirem valor 1, enquanto que, aos demais, são atribuídos valor zero.( 15 )Após esse processo, a imagem compõe-se de um número menor de subregiões, desconectadas em grande parte, implicando em menor quantidade de dados e menor tempo para o processamento nas próximas etapas.

Segmentação

A etapa de segmentação do cérebro é responsável por separar o encéfalo das áreas adjacentes, como as meninges, os ossos do crânio e os tecidos saudáveis.( 16 )Uma das inovações deste trabalho é o algoritmo para realizar a segmentação automática de tumores cerebrais, que consiste em dois métodos: o de detecção por coordenada e o de detecção por área.

Método de detecção por coordenada

O primeiro diferencial deste trabalho é o método de detecção por coordenada (MDC), que elimina, de forma totalmente automática, as regiões indesejáveis externas ao cérebro, como o osso do crânio, as meninges e a gordura subcutânea, utilizando apenas conceitos matemáticos básicos e operações lógicas. O algoritmo marca automaticamente quatro pontos ao redor do cérebro denominados de extremos superior, inferior, esquerdo e direito e elimina todas as regiões que se localizam antes do extremo esquerdo-superior e após o extremo direito-inferior. Para isso, considerou-se que a cabeça do paciente ocupa a região central da imagem, visto que as RM se apresentam dessa maneira, e observou-se que o encéfalo é delimitado por pixels com intensidade superior a zero.

Considerando-se uma imagem com dimensões X e Y, as coordenadas do extremo esquerdo-direito são determinadas fixando-se a ordenada na metade da imagem (Y/2). Para os extremos superior e inferior, é fixada a abscissa (X/2). O algoritmo varre a linha que corresponde a Y/2 da esquerda para a direita e a coluna correspondente a X/2 de cima para baixo, até encontrar o primeiro pixel maior que zero, criando dois vetores com todos os pixels diferentes de zero. O primeiro elemento de cada vetor corresponde ao pixel do extremo esquerdo-superior do encéfalo, e o último elemento equivale aos limites opostos, isto é, extremo direito-inferior.

No entanto, na maioria das imagens, o osso do crânio possui pixels de intensidades superiores a zero. Assim, os extremos são marcados nessa região. Como o interesse é delimitar o cérebro, e este encontra-se a uma pequena distância do crânio, que é praticamente invariável do ponto de vista anatômico, cada extremo é deslocado de um valor correspondente a tal distância, para serem fixados nos limites do cérebro.

Além disso, o algoritmo também leva em consideração cada tipo de corte, visto que o cérebro apresenta formas diferentes para cada situação. Nos cortes coronal e sagital, as imagens apresentam também a região do pescoço, a qual contém pixels maiores que zero. Para evitar erros na marcação do extremo inferior, por exemplo, estimou-se a distância entre a parte mais inferior do pescoço e do cérebro, deslocando-se a ordenada do extremo inferior para cima, em uma proporção maior.

Após delimitado o cérebro por seus pontos extremos, o algoritmo procura subregiões ( labels ) que possuam coordenadas menores que o extremo esquerdo- superior, e maiores que o extremo direito-inferior. Os labels são delimitados por um retângulo utilizando o parâmetro bounding box da função regionprops. ( 20 )O retângulo intercepta cada label com pelo menos dois de seus vértices. Assim, se pelo menos um vértice da bounding box que contém o label estiver externo aos limites dos extremos do cérebro, isto indica que a região é externa ao cérebro e, portanto, atribui-se valor zero a todos os pixels de tal label . Com isso, eliminam-se grande parte do crânio, gordura e meninges. A figura 1 apresenta, de forma ilustrativa, o procedimento realizado para eliminação das regiões externas ao cérebro, utilizando o MDC.

Figura 1. Segmentação por meio do método de detecção por coordenada. À esquerda, é feita a demarcação dos pontos extremos do cérebro. No segundo quadro, é ilustrada a localização das subregiões externas e internas do cérebro. Por último, eliminam-se todas as subregiões externas ao cérebro.

Figura 1

Método de detecção por área

Após a aplicação da detecção por coordenadas, o algoritmo mantém subregiões na área interna ao cérebro, que não necessariamente correspondem ao tumor que se deseja segmentar. No entanto, a área do tumor cerebral resultante da detecção por coordenadas é, na maioria das vezes, maior que a média aritmética das áreas de todos os elementos espúrios que venham a permanecer. Assim, o segundo diferencial deste algoritmo é a utilização de uma propriedade bidimensional, ou seja, a área, como forma de eliminar tecidos não tumorais dentro da região do cérebro.

Antes de executar o método de detecção por área (MDA), aplicou-se a função imerode,( 20 )que realiza a operação morfológica de erosão com a finalidade de desconectar os elementos espúrios e reduzir suas áreas com a formação de novas subregiões com áreas menores. O MDA calcula a área de cada label resultante e sua média aritmética, atribuindo valor zero aos pixels dos elementos que possuam área menor que a média aritmética das áreas de todos os labels . Desta forma, elimina-se grande parte do tecido cerebral ou em sua totalidade, restando o tumor.

A figura 2 esquematiza o MDA, em que o maior quadrado em azul representa o tumor, os demais quadrados azuis representam tecidos não tumorais, e o quadrado verde representa o label que corresponde à média aritmética das áreas. Utilizando operações lógicas (comparações), o algoritmo verifica as regiões que possuem área menor que a área média, e as elimina, atribuindo valor lógico zero aos seus pixels . Desta forma, idealmente, elimina-se o número máximo de elementos indesejáveis, mantendo-se apenas o tumor.

Figura 2. Método da eliminação de subregiões por meio do método de detecção por área. Na primeira coluna, é feita a detecção das subregiões internas ao cérebro. Na segunda, calcula-se a média aritmética das áreas das subregiões detectadas. Na terceira, realizam-se a comparação entre o tamanho de cada subregião e a média aritmética. Na última, eliminam-se todas as subregiões com área inferior ao da média.

Figura 2

Pós-processamento

Utilizaram-se operadores morfológicos de dilatação ( imdilate )( 20 )para recapturar os tecidos que foram perdidos no processo de erosão. A fim de reter a maior região do tumor, a máscara binária é obtida preenchendo buracos na imagem dilatada ( imfill ).( 20 )Finalmente, a máscara binária é aplicada à imagem original, por meio de convolução espacial, para se obterem o tamanho próximo ao real dos elementos segmentados e a posterior extração dos atributos de textura.( 15 , 23 )

Avaliação dos resultados

Os resultados quantitativos da segmentação automática foram calculados utilizando comparação entre o padrão-ouro e os resultados do método proposto de segmentação. As métricas comumente utilizadas na literatura( 24 - 26 )para análise de desempenho são a percentagem de acerto (PA), a qual é calculada em termos do número de verdadeiro-positivos (VP) e a quantidade determinada pelo padrão-ouro; e a taxa de correspondência (TC), em função do número de falso-positivos (FP). Nos trabalhos citados, a PA e a TC são definidas, respectivamente, como:

PA=VPpadrãoouro×100%
TC=VP  0,5 × FPpadrãoouro

Os valores da PA mais altos indicam a existência de um número maior de pixels verdadeiro-positivos na área segmentada. O valor de TC avalia quão distante está a segmentação do padrão-ouro. O valor ideal de TC corresponde a 1, o que indica combinação perfeita entre o padrão-ouro e a segmentação. Os valores de TC próximos a 1 indicam que a segmentação possui uma percentagem bem maior de verdadeiro-positivos com relação aos falso-positivos na segmentação.( 16 )

RESULTADOS

A etapa de pré-processamento foi implementada seguindo a descrição apresentada. Ao final dela, foram obtidas as imagens tratadas com as técnicas de pré-processamento. A figura 3 mostra a saída do processo final após serem aplicados a equalização de histograma, o ajuste de intensidade para correção de contraste e a técnica de binarização. As imagens à direita são imagens binarizadas (só apresentam pixels com intensidade zero ou 1). São apresentados os três tipos de sequência de RM e os três tipos de cortes de fatias do encéfalo de diferentes pacientes.

Figura 3. Resultado das etapas de pré-processamento para pacientes distintos da base privada.

Figura 3

A primeira, terceira e sexta colunas referem-se à imagem antes do processamento, enquanto que as demais colunas apresentam as imagens após o pré-processamento. A primeira linha mostra os resultados de imagens do tipo T1 com contraste, a segunda linha mostra os respectivos resultados para a sequência T2 e a terceira linha para a sequência T1, com contraste na sequência gradiente eco com uso de spoiller.

A etapa de segmentação teve início com a delimitação do cérebro por pontos extremos e extração das regiões externas a eles, seguida da aplicação de uma função morfológica de dilatação, e finalizando com a aplicação do algoritmo MDA. Devido à técnica de erosão, que acarreta perda de pixels de determinadas regiões, e ao processo de binarização, que converte a imagem em escala de cinza em apenas dois níveis de intensidade, foram utilizadas operações morfológicas de dilatação, preenchimento de buracos vazios e reconstrução, para que as regiões segmentadas fossem reconstruídas e retomadas à textura original. O procedimento morfológico foi usado nessas imagens binárias para refinar a margem e o conteúdo das imagens do tumor.

A figura 4 apresenta alguns resultados finais de total sucesso da segmentação implementada, que abrangeu exames de RM de pacientes distintos, nas ponderações T1c, T2 e FSPGR T1c nos planos axial, coronal e sagital. A segmentação de imagens na ponderação T1 com contraste para três pacientes diferentes pode ser observada na primeira linha. A segunda linha mostra os respectivos resultados das segmentações para a ponderação T2. Na terceira linha, apresentam-se os resultados de segmentação da ponderação T1 com contraste na sequência gradiente eco com uso de spoiller.

Figura 4. Resultado final da segmentação automática em imagens de ressonância magnética na ponderação T1, T2 e T1 com contraste na sequência gradiente eco com uso de spoiller.

Figura 4

Análise de desempenho comparativo da segmentação automática

As RM utilizadas no teste foram segmentadas manualmente por radiologistas. Tais resultados foram considerados padrão-ouro e utilizados para avaliar o sistema de modo eficiente. Na tabela 2 , encontram-se os percentuais de VP, FP, FN e de PA em relação ao padrão-ouro, como também os respectivos valores de TC. Em trabalhos similares, autores obtiveram PA de 86% e TC de 0,79, o que foi considerado resultado satisfatório.( 24 - 26 )Neste estudo, alcançou-se PA de 89,23% e TC de 0,70, ou seja, um resultado quantitativamente semelhante ao apresentado pelos autores, o que indica boa acurácia na segmentação proposta. Os melhores resultados de PA foram obtidos para as sequências T2 e FSPGR-T1c.

Tabela 2. Medidas de desempenho da segmentação por tipo de sequência.

Sequência PO VP FP FN PA % TC
T1c 33 27 11 6 81,81 0,65
T2 48 44 19 3 91,66 0,72
FSPGR T1c 49 45 21 4 91,83 0,70
Total 130 116 51 13 89,23 0,70

PO: padrão-ouro; VP: verdadeiro-positivos; FP: falso-positivos; FN: falso-negativo; PA: percentagem de acerto; TC: taxa de correspondência.

Foram obtidos resultados também satisfatórios para a TC, embora tenha sido gerada quantidade considerável de FP. Entretanto, a ocorrência desses FP não superou a de VP, como ocorreu no estudo de Alegro et al.( 23 )Uma abordagem inovadora e robusta de segmentação de imagens para a extração de tumores cerebrais em IRM foi desenvolvida aplicando-se a função Kernel à máquina de vetores de suporte (K-SVM), obtendo-se PA e TC equivalentes a 87,8% e 0,85, respectivamente.( 27 )Para melhor comparar o desempenho do algoritmo de segmentação proposto com os encontrados na literatura, organizaram-se os resultados quantitativos de estudos semelhantes na tabela 3 .

Tabela 3. Medidas de desempenho de algoritmos de segmentação utilizados na literatura.

Autores Metodologia Análise de desempenho
PA (%) TC
Alegro Mde C, Amaro Junior E, Lopes Rde D. Computerized brain tumor segmentation in magnetic resonance imaging. einstein (Sao Paulo). 2012;10(2):158-63.(23) SVM 94,00 -0,04
Deng W, Luo L, Lin X, Fang T, Liu D, Dan G, et al. Head and neck cancer tumor segmentation using support vector machine in dynamic contrast-enhanced MRI. Contrast Media Mol Imaging. 2017;2017:8612519.(24) SVM 86,00 0,89
Singh R, Agarwal P, Bhattacharya M. MR brain tumor detection employing Laplacian Eigen maps and kernel support vector machine. In: 2016 IEEE International Conference On Bioinformatics And Biomedicine (BIBM). IEEE. 2016;827-30.(27) FCM 72,80 0,43
Hsieh TM, Liu YM, Liao CC, Xiao F, Chiang IJ, Wong JM. Automatic segmentation of meningioma from non-contrasted brain MRI integrating fuzzy clustering and region growing. BMC Medical Informatics and Decision Making. 2011;11:54.(28) Kernel + SVM (K-SVM) 87,80 0,85
Gao F, Lin T. Application of Computer-Aided Diagnosis Technology in Brain Tumour Detection. NeuroQuantology. 2018;16(5):725-33.(29) Máquina de aprendizado 97,17 -

PA: percentagem de acerto; TC: taxa de correspondência; SVM: máquina de vetores de suporte; FCM: algortimo fuzzy-c-mean ; K-SVM: Kernel support vector machine .

DISCUSSÃO

As técnicas de pré-processamento conseguiram eliminar grande parte do cérebro e algumas regiões do encéfalo, no entanto, ainda restaram elementos espúrios, como o osso da cabeça, os ventrículos laterais e o corpo caloso, que, em algumas situações, apresentam pixels com intensidades próximas ou superiores às do tecido tumoral, sendo difíceis de serem eliminados. Ainda, foi testada utilizando o filtro mediano, que é uma ferramenta muito utilizada para filtragem do ruído em RM cerebrais.( 17 , 30 )No entanto, não foram obtidos resultados superiores ao método desenvolvido, tendo como desvantagem o aumento do tempo de processamento do algoritmo. De fato, a operação de convolução com máscaras exige grande esforço computacional.( 31 )

A ponderação T1 apresenta imagens com a tonalidade do tecido tumoral muito próxima à do cérebro. Este é um problema que dificulta bastante a etapa de pré-processamento, visto que os critérios e limiares utilizados para intensificar a região tumoral acabam por ser também aplicados às demais regiões do cérebro que não são de interesse. Isto pode gerar tecidos saudáveis conectados ao tumor, mesmo após o uso de operações morfológicas, além de aumentar o número de falso-positivos após a segmentação. Os resultados do pré-processamento foram melhores nas ponderações T2 e FSPRG T1c, em consequência dessas imagens apresentarem maior contraste entre a região hiper-intensa e o restante do cérebro.

Ao analisar as figuras 3 e 4, percebe-se que o pré-processamento e a segmentação baseados nas técnicas descritas anteriormente obtiveram bons resultados com a implementação de um algoritmo simples, que utiliza funções e operações lógicas básicas. A tabela 4 apresenta a metodologia realizada por alguns autores para aprimorar a qualidade de imagens de tumores cerebrais por RM e extrair o crânio, os quais obtiveram resultados qualitativamente comparáveis aos deste estudo.

Tabela 4. Análise comparativa da metodologia de pré-processamento proposta com os existentes na literatura.

Autores Metodologia Resultados
Isa IS, Sulaiman SN, Mustapha M, Karim NK. Automatic contrast enhancement of brain MR images using Average Intensity Replacement based on Adaptive Histogram Equalization (AIR-AHE). Biocybernetics and Biomedical Engineering. 2017;37(1):24-34.(15) Desenvolvimento do algoritmo AIR-AHE para aprimoramento automático de contraste de RM FLAIR usando as funções imadjust e stretchlim Apresentou bons resultados em conjunto com outros algoritmos de equalização de histograma
Isselmou AE, Zhang S, Xu G. A novel approach for brain tumor detection using MRI Images. J Biomedical Sci Eng. 2016;9(10):44-52.(17) Uso do filtro de mediana e de passa-alta, e equalização de histograma para melhorar a qualidade das imagens Permitiu melhorar a qualidade das imagens, obtendo excelentes resultados na segmentação do tumor
Sujan M, Alam N, Noman SA, Islam MJ. A Segmentation based Automated System for Brain Tumor Detection. IJCA. 2016;153(10):41-9.(32) Extração do cérebro em imagens FLAIR usando as operações morfológicas do MATLAB®, como binarização, erosão, dilatação e elementos estruturantes O método contribuiu para melhores resultados no aprimoramento de imagens, apresentando incremento na acurácia comparado a outros algoritmos da literatura
Roy S, Maji P. A simple skull stripping algorithm for brain MRI. In: Eighth International Conference On Advances In Pattern Recognition (ICAPR) [Internet]. Kolkata: (IN); 2015 [cited 2019 Aug 20]. Available from: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/7050671/(33) Desenvolvimento de um método de extração do crânio (S3) para ponderação T1 baseada nas características da anatomia do cérebro e na intensidade da imagem O desempenho do algoritmo é comparado a BET e BSE, obtendo resultados satisfatórios
khandelwal P, Kaur G. Comparative study of different image enhancement technique. IJECT. 2016;7(2):116-21.(34) Comparação de técnicas de aprimoramento de contraste (subtração, ajuste de contraste, erosão, correção gamma , inversão e limiarização) A técnica da erosão produziu o melhor resultado
Kaur R, Chawla M, Khiva NK, Ansari MD. Comparative Analysis of Contrast Enhancement Techniques for Medical Images. Pertanika J Sci Technol. 2018;26(3):965-78.(35) Comparação de técnicas de aprimoramento de contraste (operação de vizinhança, filtro médio, imadjust e função sigmoide) A função sigmóide e a operação de vizinhança produziram o melhor resultado
Shattuck DW, Sandor-Leahy SR, Schaper KA, Rottenberg DA, Leahy RM. Magnetic resonance image tissue classification using a partial volume model. Neuroimage. 2001;13(5):856-76.(36) Desenvolvimento de um método de extração do crânio (BSE) em imagens de ponderação T1 que utiliza um detector de borda e uma série de operações morfológicas Método robusto que contribuiu para segmentação da GM e WM do cérebro, respectivamente
Smith SM. Fast robust automated brain extraction. Hum Brain Mapp. 2002;17(3):143-55. Review.(37) Desenvolvimento de um método de extração do crânio (BET) em imagens T1 Método robusto e preciso aplicado a uma variedade de sequências RM
Roura E, Oliver A, Cabezas M, Vilanova JC, Rovira A, Ramió-Torrentà L, et al. MARGA: multispectral adaptive region growing algorithm for brain extraction on axial MRI. Comput Methods Programs Biomed. 2014 Feb;113(2):655-73.(38) Desenvolvimento de um método de extração do crânio (MARGA) em vistas axiais, baseado no crescimento de região O MARGA apresentou resultados superiores quando comparado com as abordagens BET e BSE
Somasundaram K, Mercina JH, Magesh Kalaiselvi ST. Brain Portion Extraction Scheme using Region Growing and Morphological Operation from MRI of Human Head Scans. IJCSE. 2018;6(4):298-302.(39) Desenvolvimento de um método de extração do crânio baseado no crescimento de região e operações morfológicas (erosão, dilatação e preenchimento) Os resultados do método são melhores do que os métodos existentes (BET e BSE)
Kalavathi P, Prasath VB. Methods on Skull Stripping of MRI Head Scan Images—a Review. J Digit Imaging. 2016;29(3):365-79. Review.(40) Desenvolvimento de um método de extração do cérebro de RM em T1 baseado no filtro médio e em operações morfológicas O método deu resultados comparáveis com os métodos BET e BSE e mostrou o uso do filtro médio não impactou melhoras na segmentação

AIR-AHE: Average Intensity Replacement based on Adaptive Histogram Equalization ; RM: imagem de ressonância magnética; FLAIR: fluid attenuation inversion recovery ; MATLAB®: MATrix LABoratory ®; BET: brain extraction tool ; BSE: brain surface extractor ; GM: substância cinzenta; WM: substância branca; MARGA: multispectral adaptive region growing algorithm .

O algoritmo MDC é capaz de marcar os extremos do cérebro em qualquer tipo de corte (axial, coronal ou sagital) do encéfalo. Isso torna o sistema mais preciso, visto que a forma geométrica do cérebro varia nos três tipos de corte. Ainda, ele funciona também quando ocorre assimetria na localização da cabeça dentro da imagem, seja horizontal ou verticalmente, o que é de comum ocorrência.( 30 , 41 )Ademais, abrange diversas possibilidades para extração das regiões externas ao cérebro, aplicando-se a imagens com hipersinal em distintas ponderações, visto que independe de características qualitativas, como entropia e textura. Ao contrário, ele é baseado na localização em que o encéfalo se encontra dentro da imagem, em sua anatomia e intensidade dos pixels circundantes, semelhante ao que foi proposto no método S3.( 33 )

O MDC apresentou resultados satisfatórios quanto à sua funcionalidade e à sua abrangência, podendo ser comparado, qualitativamente, com os algoritmos apresentados na tabela 4 , que têm bom desempenho na extração do crânio. Nos casos em que a área externa ao cérebro não é completamente eliminada, a operação morfológica de dilatação é capaz de subdividir tais “sobras” em partes menores, que podem ser eliminadas com a aplicação do MDA. Assim, o MDA executa a tarefa de complemento à segmentação por detecção de coordenadas. Ele está diretamente ligado à quantidade de FP existentes na pós-segmentação, visto que quanto mais tecidos não tumorais forem eliminados, menor a quantidade de FP e melhor o desempenho da segmentação.

No entanto, o MDA é falho em situações que existem regiões pós-processadas com área maior que o tumor, pois há o risco de a área do tumor ser inferior à área média das subregiões existentes e causar sua eliminação, reduzindo a quantidade de VP; ou produzir imagens com tumor e não tumor, aumentando o número de FP. Isso pode acontecer em fatias em que os tecidos normais possuem intensidades de pixel semelhantes às intensidades dos pixels do tumor, e nas quais a diferenciação dessas regiões é dificultada com as técnicas de pré-processamento adotadas. Além dessas limitações, o MDC e o MDA foram desenvolvidos para segmentar apenas RM com tumor em hipersinal.

A sequência T1c apresentou valores de PA e TC mais baixos comparados às demais ponderações, por apresentaram imagens em que a região cerebral é composta por pixels com intensidades muito semelhantes ao do tumor. Com isso, foi gerado um número elevado de FP conectados, que, em alguns casos, possuíam área muito superior à do tumor; desta forma, o tumor foi eliminado, e a imagem segmentada não apresentou tecido tumoral, gerando os FN.

Os casos falhos utilizando a ponderação T2 devem-se à presença de ventrículos em algumas fatias de corte coronal e dos olhos e nariz, em fatia axial, que apresenta pixels com intensidade muito alta, quase próxima a 1, o que acarretou elevado número de FP, além do tumor não ter sido detectado em três fatias FN. Este último problema também acarretou falhas em fatias no plano axial da ponderação FSPGR T1c, explicando seu elevado número de FP.

Embora tenha sido gerada uma quantidade considerável de FP, foram obtidos resultados satisfatórios para PA e TC, alcançando-se média de 89,23% de acertos entre as áreas segmentadas automaticamente e o padrão-ouro, o que indica boa acurácia na segmentação proposta.

CONCLUSÃO

Os resultados obtidos mostraram que o sistema proposto foi capaz de localizar e delimitar a região tumoral sem qualquer interação com o usuário, utilizando método inovador de segmentação automática, simples e fácil implementação.

AGRADECIMENTOS

O presente trabalho foi realizado com apoio da Fundação de Amparo à Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco (FACEPE) - Brasil - Código de Financiamento IBPG-0924-16.


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