Modelagem e simulação da resposta térmica da mama humana associada à imagem infravermelha e tomografia para localização de crescimentos anormais

Abstract

Resumo: Atualmente o rastreio de diagnóstico de câncer de mama consiste em mamografia e ultrassonografia, após avaliação clínica, seguidas de exames mais aprofundados, se necessários. A termografia médica isolada não está contemplada nesse rastreio, apesar da sensibilidade, que aumenta se utilizado em consonância com outros métodos, notadamente mamografia e ultrassonografia. A imagem infravermelha tem sido usada na medicina há um tempo considerável, porém somente após os avanços tecnológicos modernos que resolução e preço a tornaram factível para uso na clínica diária. Sua avaliação, contudo, ainda se firma no caráter subjetivo das imagens térmicas. Desde os trabalhos de Gautherie (1980) que há evidências empíricas da condutividade térmica dos tumores de mama e sua manifestação na superfície da pele. Este fato tem sido documentado em milhares de imagens de mama realizadas. A explicação física de tal fenômeno ainda esbarra em dificuldades em simular computacionalmente o fluxo sanguíneo inerente à mama humana, algo que somente trabalhos recentes passaram a incluir. Este trabalho adotou o Método de Elementos de Volume (MEV), que utiliza correlações empíricas e analíticas para modelar a perfusão sanguínea e quantificar as interações energéticas no interior do sistema em análise, e assim é capaz de fornecer resultados de simulação que podem ser obtidos com malhas esparsas e baixo tempo computacional. Além disso, foi desenvolvida uma metodologia com base na imagem infravermelha associada a tomografia, ressonância magnética e ultrassonografia para localização de tumores de mama. Para tanto, um modelo matemático para prever a resposta térmica da mama humana foi proposto. Um aplicativo computacional que integra exames de imagem anatômicos e termografia infravermelha foi desenvolvido e validado experimentalmente através de estudos de casos com a solução do problema inverso de estimativa de parâmetros. Por exemplo, a simulação de um nódulo em quadrante inferior lateral de mama direita foi capaz de prever com exatidão a temperatura captada por termografia infravermelha (34.6°C na simulação, e 34.6°C encontrado na imagem termográfica). Conclui-se, portanto, que o método, ao combinar rapidez na análise e precisão, tem potencial para aplicação no diagnóstico e acompanhamento do tratamento de câncer de mama.

Abstract: Currently, breast cancer screening diagnosis consists of mammography and ultrasonography, after clinical evaluation, followed by more in-depth examinations, if necessary. Isolated medical thermography is not included in this screening, despite its sensitivity, which increases if used in conjunction with other methods, notably mammography and ultrasonography. Infrared imaging has been used in medicine for a considerable time, but it was only after modern technological advances that resolution and price made it feasible for use in daily practice. His assessment, however, is still based on the subjective character of thermal images. Since the works of Gautherie (1980), there is empirical evidence of the thermal conductivity of breast tumors and their manifestation on the surface of the skin. This fact has been documented in thousands of breast images performed. The physical explanation of such phenomenon still faces difficulties in computationally simulating the blood flow inherent to the human breast, something that only recent works started to include. This work adopted the Volume Elements Method (SEM), which uses empirical and analytical correlations to model blood perfusion and quantify the energy interactions within the system under analysis, and thus is able to provide simulation results that can be obtained with sparse meshes and low computational time. In addition, an infrared imaging-based methodology associated with tomography, magnetic resonance and ultrasonography was developed for locating breast tumors. Therefore, a mathematical model to predict the thermal response of human breast was proposed. A computer application that integrates anatomical imaging exams and infrared thermography was developed and experimentally validated through case studies with the solution of the inverse parameter estimation problem. For example, the simulation of a nodule in the lower lateral quadrant of the right breast was able to accurately predict the temperature captured by infrared thermography (34.6°C in the simulation, and 34.6°C found in the thermographic image). Therefore, it is concluded that the method, by combining speed of analysis and precision, has potential for application in the diagnosis and monitoring of breast cancer treatment.