Information Portal to Support Research in Bone Age Estimation

André Henrique Silva, Celso Olivete Júnior, Ronaldo Celso Messias Correia, Rogério Eduardo Garcia

Departamento de Matemática e Computação Faculdade de Ciências e Tecnologia

Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” Presidente Prudente - SP - Brasil

andre.henrique@me.com; {olivete, ronaldo, Rogério}@fct.unesp.br

Abstract— This paper presents the process of development of the information portal to support research in bone age estimation - Carpal. The website has a database with carpal and cervical radiographies which were obtained from research centers of the Faculty of (omitted for blind review). The portal also comes up with information, estimation methods, related links, articles, academic books and a bone age estimator from radiographies. The main goal is to help researchers and health professionals in the calculation of bone age and to encourage new initiatives in the area.

Keywords—bone age estimation; information portal; medical images

I. INTRODUÇÃO

A área da saúde está cada vez mais integrada com tecnologias computacionais. Essa integração vem auxiliando os profissionais da área com ferramentas que agilizam o trabalho, contribuem para o aumento da qualidade dos serviços e o desenvolvimento de novas técnicas [1]. A cada dia, mais sistemas de acesso à dados surgem, com tarefa de auxiliar médicos, enfermeiras e pesquisadores no acesso a dados de pacientes, consultas e remédios. O desenvolvimento e a demanda por esse tipo sistema tem crescido. Já existem aplicações de prontuário eletrônico, bibliotecas médicas, monitoramento de pacientes entre outros [2] [3]. Todos esses sistemas ajudam a acompanhar o que se passa com o paciente provendo informações precisas e oferecendo acesso rápido a dados técnicos auxiliando na tomada de decisões [1] .

Um dado médico de grande importância é a idade óssea (IO). Por meio dessa informação é possível descrever o grau de desenvolvimento dos ossos, diagnosticar de anomalias e identificar estágios de desenvolvimento na pediatria, endocrinologia e ortodontia assim como na estimação de idade na área forense [4,5,6].

A utilização de técnicas computacionais na determinação da idade óssea através de imagens digitalizadas de radiografias carpais e telerradiografias cervicais vem crescendo significativamente [7,8]. Esse crescimento está diretamente relacionado a buscar de meios alternativos para a avaliação do crescimento e desenvolvimento de indivíduos. O uso da idade óssea como critério de avaliação do desenvolvimento de uma

pessoa é indicado devido a influência de fatores genéticos, ambientais e nutricionais. Todos esses fatores não influenciam na analise simples da idade cronológica [5,6].

Existem inúmeros métodos para a obtenção da idade óssea a partir de radiografias. Os mais difundidos no Brasil são o Greulich & Pyle, que inspeciona os ossos através de uma referência padrão, que varia para cada sexo; o método Tanner & Whitehouse, que atribui valores específicos para cada um dos 20 ossos analisados e a somatória resulta na idade; o métodos Eklof & Ringertz que baseia-se na análise das medidas de comprimento ou/e largura de 10 centros de ossificação [4,5] e o Índice de Caldas que estima o grau de maturação dos ossos a partir de telerradiografias cervicais [9]. Serão apresentados neste trabalho dois aplicativos capazes de estimar a idade óssea via análise carpal (método de Eklof & Ringertz) e via análise cervical (Índice de Caldas), integrantes do portal de informações da idade óssea (omitido para blind review). Além destes estimadores, o portal desenvolvido concentra informações e materiais sobre estimativa de idade óssea e disponibiliza um banco de imagens públicas para análise.

A Seção II faz uma breve visão geral do sistema e mostra as linguagens e tecnologias utilizados no desenvolvimento, posteriormente na Seção III é apresentado o portal de informações e as rotinas desenvolvidas para atuar na estimação da idade óssea. Os resultados serão apresentados na Seção IV e a conclusão é descrita na Seção V.

II. METODOLOGIA

As informações contidas no site são provenientes de centros de pesquisas da Faculdade de (omitido para blind review). O portal pode ser acessado através da página <www.www.ww>. Nele estão hospedadas todas as páginas, informações, imagens e o estimador. A Fig. 1 mostra a página inicial do portal de informações.

A. Visão Geral do Sistema

O sistema web consiste principalmente no gerenciamento de informações e de uma base de dados de imagens radiográficas (carpais e das vértebras cervicais) aplicado na estimação da IO, utilizadas pelos grupos de pesquisas da

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(omitido para blind review). O sistema permitir diversos tipos consultas referentes às imagens vislumbrando que essas informações sejam utilizadas pelo meio acadêmico, por pesquisadores e por profissionais que atuem em áreas que se apóiam nessas informações para tomadas de decisão e

atualização de conhecimento. Em conjunto com o banco de imagens, o portal oferece acesso as linhas de pesquisa, informações sobre imagens, métodos de estimativa, e conteúdo acadêmico para download.

Fig. 1. Interface inicial do portal de informações.

Para acessar as funcionalidades e o material disponível é necessário fazer um cadastro simples informando nome, e-mail, senha e tipo de usuário (Escolher entre: Médico, Pesquisador ou desenvolvedor). O cadastro e a utilização são totalmente gratuitos. Cada usuário pode fazer uploads de radiografia e deixando-as públicas ou privadas. As imagens públicas passam por análise antes de serem disponibilizadas a outros usuários. O sistema conta com um cadastro de pacientes possibilitando o acompanhamento e evolução óssea.

B. Linguagens e tecnologias

Todo o portal foi desenvolvido utilizando linguagens e frameworks livres e gratuitos. Para a criação das página as seguintes linguagens foram usadas: HTML (Hyper Markup Language) para estruturação de documentos e apresentação visual de páginas [10]; CSS (Cascading Style Sheets) para definir atributos estéticos [11,12]; JavaScript para a resposta de eventos e criação de páginas mais interativas; jQuery para criação efeitos visuais; Bootstrap para definições de layout e

design de interfaces [13,14]; Ajax para realizar requisições e obter respostas sem a necessidade de recarregar a página [14,15].

Em conjunto com essas linguagem estão sendo utilizados o servidor web Apache [14] e o banco de dados MySQL com a linguagem SQL (Structured Query Language - Linguagem de Consulta Estruturada) [13]. Toda a comunicação e consulta ao banco de dados é realizada por códigos em PHP [12]. A linguagem PHP (acrônimo recursivo para "PHP: Hypertext Preprocessor") que é uma linguagem de programação interpretada, livre e muito utilizada para gerar conteúdo dinâmico na Web. É uma linguagem de fácil aprendizagem e de utilização adequada para scripts dinâmicos simples. Todos os métodos de estimativa foram implementados em PHP.

A abordagem de comunicação entre as páginas e o servidor é a RESTful. Essa técnica baseia-se nas quarto operações fixas do protocolo da camada de aplicações HTTP (GET, POST, PUT, DELETE), isso evita o excesso de padronizações

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tornando mais fácil a comunicação além de permitir maior flexibilidade [16,17,18].

III. PORTAL DE INFORMAÇÕES DESENVOLVIDO

A. Funcionalidades

O portal fornece informações sobre imagens radiográficas, métodos para estimatimação da idade óssea e material para download - dissertações e teses sobre o tema, artigos e outros materiais correlatos. Qualquer usuário pode entrar em contato com o responsável do sistema através de formulário para enviar críticas, comentários ou sugestões.

Para acessar as informações, o sistema conta com dois tipos de usuários: os comuns e administradores. Os usuários administradores possuem permissão de acessar a área restrita, gerenciar imagens, moderar usuários, adicionar materiais, verificar as estatísticas e outras informações pertinentes.

O cadastro de novos usuários é feito por uma página, onde deve ser informado o nome, e-mail, senha e área atuação. Após o término, um e-mail de confirmação é enviado. O acesso é liberado após a confirmação.

O portal permite a inclusão, alteração, localização, remoção e gerenciamento de imagens privadas e a consulta de imagens públicas. Os usuários podem adicionar suas imagens privadas no banco de imagens públicas, mas é necessário a aprovação de um administrador. Em conjunto, o sistema inclui um estimador de IO a partir da análise de imagens carpais ou cervicais. Pelo estimador é possível obter os pontos e distâncias necessárias para o cálculo da idade óssea aplicando os métodos Eklof & Ringertz para imagens capais e o Índice de Caldas para imagens cervicais [4]. A seguir, é mostrado um exemplo de busca de imagens na base de dados.

B. Acesso à base de dados: consulta de imagens

Para o auxílio da localização de imagens, o sistema oferece uma interface que possibilita o uso de diversos filtros. Em todas as imagens é possível visualizar suas informações (laudo médico, idade cronológica, método de estimativa, etc…) e fazer o download em tamanho, formato e características originais.

A Fig. 2 mostra a interface responsável por realizar buscas por meio de filtros dinâmicos. O conteúdo e opções dos filtros variam de acordo com as escolhas do usuário. Inicialmente o usuário deve escolher qual é o escopo da busca, que pode ser: radiografias de um paciente; todas as imagens privadas; todas as imagens públicas ou imagens públicas e privadas. As opções subsequentes variam de acordo com a escolha inicial. Outros filtros de busca são: a região do paciente (norte, nordeste, sudeste, centro-oeste, exterior ou todas as regiões); o sexo (masculino, feminino ou ambas); o tipo de radiografia (cervical, carpal ou ambas); a idade cronológica (escolher idades entre 0 a 18 anos); imagens que apresentam laudos clínicos ou não.

Após realizar a busca, uma verificação inicial é realizada, caso nenhuma imagem seja encontrada o usuário é notificado. Se existir uma ou mais imagens elas serão apresentadas de acordo com a filtragem e a ordem de inserção na base de

dados (conforme ilustrado na Fig. 3), em seguida, é possível ampliar a imagem e exibir as suas informações (laudo médico, idade cronológica, método de estimativa, entre outras informações). Para realizar ações com a imagem, basta passar o cursor sobre ela e as opções disponíveis aparecerão automaticamente. Essas opções variam de acordo com a permissão do usuário sobre a imagem. Dentre as opções é possível: adicionar ou retirar uma imagem ao banco público; excluir da base de dados; visualizar em tamanho e características originais; obter informações e iniciar o estimador.

Fig. 2. Filtros para localização de imagens na base de dados

Fig. 3. Interface que apresenta o resultado da busca.

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C. Estimadores de Idade Óssea via análise carpal e/ou cervical

Para estimar a idade óssea, o portal disponibiliza duas rotinas: uma para estimar a IO via análise cervical e outra que e realiza a estimação baseada na análise carpal. Nestas rotinas, são disponibilizados subrotinas capazes de extrair as informações necessárias para realizar o processo de estimação, como por exemplo, obter os pontos para isolar os centros ósseos e as obter demais parâmetros necessários para cada um dos métodos. Foram implementados os métodos Eklof & Ringertz simplificados (ER5 e ER3) que atuam em imagens carpais [5] e o Índice de Caldas, baseado na análise de imagens cervicais[6].

O estimador possui um conjunto de funcionalidades para a obtenção dos pontos necessários para estimar a idade óssea. É possível arrastar a imagem, aproximar, distanciar, girar para esquerda ou direita e ajustar no espaço. Ao iniciar a estimativa, um menu de ajuda é apresentado no canto superior direito para informar qual é o centro de ossificação e onde o ponto deve ser posicionado. Todos os pontos já inseridos podem ser editados para obter maior precisão. A Fig. 4 mostra a interface do estimador durante a obtenção dos pontos (a – estimador via análise carpal; b – estimador via análise cervical) . No lado esquerdo está o menu com as funções disponíveis. As cores dos pontos e linhas são totalmente customizáveis, além da proporção de tamanho e espessura em relação a imagem.

Para converter o tamanho do centro de ossificação obtido em uma imagem para o tamanho real depende diretamente das informações da imagem. O meio mais simples para essa conversão é por meio da DPI (dots per inch - pontos por polegada) porém quando essa informação não está disponível é possível utilizar a altura em centímetros ou basear-se no chassi radiográfico para realizar a conversão, esses dados podem ser alterados nas configurações.

(a)

b)

Fig. 4. Interface que disponibiliza as rotinas para estimação da idade óssea, a) método baseado na análise carpal e b) estimação via análise cervical.

IV. RESULTADOS

Para medir a eficiência dos estimadores desenvolvidos, foi selecionado um conjunto de imagens composto por imagens do sexo masculino e feminino considerando os 11 grupos etários (de 06 a 16 anos) e aplicados os estimadores ER (Fig.5).

3%

6%

5% 4%5%

6%5% 5%

4%

2%2%

4%3%

4%

8%

5%

7%

5%6%

5%

2%2%

0%

1%

2%

3%

4%

5%6%

7%

8%

9%

10%

72 - 83 84 - 95 96 - 107 108 - 119 120 - 131 132 - 143 144 - 155 156 - 167 168 - 179 180 - 191 192 - 203

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

[faixa etária (meses)][grupo]

[% d

e im

agen

s]

masculino

feminino

Fig. 5. Distribuição das imagens selecionadas para avaliar os estimadores desenvolvidos.

Após a obtenção dos resultados das idades ósseas, os mesmos foram tabulados e analisados estatisticamente utilizando o programa Microsoft Excel e o software BioEstat 5.0. Analisou-se a confiabilidade das metodologias (ER5, ER3 e Caldas) a partir de uma confrontação com os valores médios dos laudos, através de gráficos de diagramas de dispersão (que representam a correlação entre idades estimadas e o valor médio dos laudos) e coeficientes de determinação (R2). A Fig.6 apresenta a correlação entre as médias dos laudos médicos e os resultados alcançados com os estimadores.

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Fig. 6. Correlação entre as médias dos laudos e as idades estimadas utilizando ER5, ER3 e Caldas.

A partir do gráfico de correlação (Fig. 6), nota-se que as idades estimadas apresentaram valores semelhantes e que se aproximaram das médias dos laudos médicos. Notam-se pequenas diferenças (subestimativa) apenas no grupo 11.

V. CONCLUSÕES

Analisando os resultados alacançados em ambos e sexos e métodos (ER5, ER3 e Caldas) conclui-se que ocorreu um alto índice de correlação entre os valores estimados (acima de 98%) quando comparados com a média dos laudos médicos. Não houve diferenças estatisticamente significativa em todos os grupos e sexos. Através dos intervalos de confiança pode-se constatar que os laudos estimados com os métodos ER5, ER3 e Caldas não apresentaram grandes variações em relação à média dos laudos.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelo suporte financeiro referente a esse trabalho.

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