ISEP - DM – Engenharia Biomédica
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- Development of computational techniques to explicitly simulate angiogenesisPublication . Sousa, Tomás Almeida de; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoA angiogénese é o processo pelo qual os novos capilares são formados a partir da vasculatura pré-existente e é um evento fulcral na cicatrização de feridas e no crescimento de tumores. Compreender os mecanismos pelos quais a angiogénese é regulada é fundamental para desenvolver novas terapias para tumores ou feridas crónicas. Os biomateriais são candidatos a ser utilizados em futuras terapias que envolvam tanto inibição como indução da angiogénese. Contudo, estudar in vivo os efeitos dos biomateriais na angiogénese é financeiramente dispendioso e existem várias variáveis que são difíceis de controlar. O desenvolvimento de modelos in silico surge como uma opção para testar hipóteses num ambiente completamente manipulável que proporciona resultados comparáveis com estudos experimentais. Neste trabalho um método numérico 2D que simula a angiogénese é proposto. O modelo computacional considera que as células endoteliais migram de acordo com uma equação de reação-difusão que governa o fator de crescimento endotelial vascular (VEGF) e utiliza um método sem malha para resolver as equações que o governam. Um ensaio de angiogénese in vivo foi utilizado para obter redes capilares comparáveis às obtidas pelo modelo. Os efeitos na angiogénese da difusão constante e variável de VEGF por parte de um biomaterial foram estudados. Verificou-se a migração de células endoteliais na direção da maior concentração de VEGF e a obtenção de redes capilares realistas. A uma difusão constante, quão maior a concentração de VEGF no biomaterial mais rápido as células endoteliais começavam a migrar na sua direção e a penetrá-lo. A uma difusão variável, a penetração do biomaterial por parte dos capilares ocorreu em concentrações mais elevadas de VEGF em comparação com resultados obtidos para uma concentração constante. O modelo apresentou bons resultados de acordo com a literatura e foi validado com sucesso recorrendo ao ensaio in vivo. Contudo, os resultados referentes às simulações com o biomaterial ainda requerem validação experimental.
- Sistema de apoio ao diagnóstico de sobrecargas plantaresPublication . Coelho, João Vítor da Silva; Faria, Luiz Felipe Rocha deDiabetes Mellitus (DM) is a chronic disease that impacts the quality of life of individuals of various age groups, being listed among the 10 leading causes of death in adults. Associated with this disease are diabetic foot ulcers, which cause a reduction in the patient's mobility, quality of life and even amputation of the affected limb. In order to prevent this situation, the study in question aims to develop a mobile application to monitor the patient's gait. The gait data will be collected from a sensorised insole with pressure, temperature, and humidity sensors, with its subsequent analysis and real-time provision of warnings if situations conducive to the formation of a foot ulcer are found. As this insole has not yet been developed, a second mobile application was created to send data replicating several phases of the human gait. In addition, a web application was developed for healthcare professionals, where they can access the patient's personal data as well as various types of statistics associated with their gait, helping the professional to make decisions regarding the improvements that can be made regarding the way the patient performs the gait. All applications were properly tested and proved to be responsive on different devices, environments, and operating system versions. Throughout the development process, it was possible to observe that they will help the healthcare professional to detect more easily patterns in the patient's gait and will alert the patient to the need to change the way he supports the foot, with the provision of information in real time. In order to continue this study, it is hoped in the future to link this system with a clinical record repository, to create a learning algorithm that can use other parameters besides the reading records to create alerts, and finally, it would be useful to develop the application for the IOS operating system.
- Desenvolvimento de um biossensor eletroquímico para a deteção de um biomarcador associado a doenças neurodegenerativasPublication . Ferreira , Bianca Santos; Marques, Maria ArcelinaA necessidade de desenvolver técnicas de diagnóstico rápidas e de baixo custo é de extrema importância, principalmente quando se trata de melhorar as condições de saúde global. Um fator importante para a prevenção e tratamento das doenças neurodegenerativas é o seu correto diagnóstico precoce. Os biossensores são uma ferramenta que poderão ser muito úteis na construção de testes em contexto point-of-care, sendo estes dispositivos de rápida resposta, de custo reduzido, minimamente invasivos e de alta sensibilidade e especificidade. O principal objetivo deste trabalho visa o desenvolvimento de um biossensor eletroquímico, para o rastreio de doenças neurodegenerativas associadas ao envelhecimento. Tem como base a deteção de um biomarcador relacionado com os processos neuro-inflamatórios, a Interleucina 6 (IL-6). Para este efeito, são desenvolvidos polímeros de impressão molecular, à base de materiais naturais, para o reconhecimento desta proteína, nos quais a estrutura polimérica cresce diretamente sobre a área condutora de um elétrodo. O biossensor é avaliado do ponto de vista de sensibilidade, reprodutibilidade e seletividade, tendo em conta uma deteção eletroquímica na presença deste biomarcador.
- Estudo numérico da biomecânica da Artoplastia Total da AncaPublication . Freitas, Lucília Ferreira Vieira de; Gueiral, Nuno Eduardo DiasA locomoção humana carateriza-se pela capacidade de um ser humano conseguir movimentar-se de um local para outro e isto deve-se, principalmente, às articulações. Todas estas articulações constituem o sistema esquelético do corpo humano, sendo a anca uma das maiores e mais importantes articulações. Porém, existem várias doenças articulares que comprometem a mobilidade, como é o caso da osteoartrose. Esta é caraterizada por uma dor intensa assim como perda de funcionalidades, existindo vários tratamentos para ajudar, mas quando este tipo de tratamento deixa de ser eficiente e esta doença começa a agravar-se surge a necessidade de intervenção cirúrgica – a Artroplastia Total da Anca. A Artroplastia Total da Anca corresponde a uma das cirurgias mais bemsucedidas realizadas em ortopedia e carateriza-se pela substituição da anca defeituosa por um componente acetabular artificial e uma cabeça e haste femoral. Esta técnica pode ser cimentada onde é aplicado um elemento de ligação entre o osso e a prótese para fixar a prótese ou pode ser não cimentada onde o encaixe é feito sob pressão. Contudo, como todas as operações cirúrgicas, esta também apresenta algumas complicações, sendo as mais usuais as fraturas, infeções e luxação, levando à falha da prótese. Deste modo, este trabalho consistiu em avaliar a biomecânica das próteses da anca não cimentadas e cimentadas de titânio e cobalto-cromo quando são aplicadas certas cargas, recorrendo ao Método dos Elementos Finitos. Para isto, importou-se modelos 3D do fémur e da prótese no software COMSOL Multiphysics, ajustou-se o posicionamento e encaixe do conjunto, gerou-se uma malha computacional extremamente fina e foram aplicadas cargas estáticas e dinâmicas. Com a geometria e malha definidas, foram gerados resultados e obteve-se diagramas de tensão de von Mises, de deformação e de deslocamento correspondentes ao comportamento de um implante quando sujeito a forças referentes ao pico de um ciclo de marcha. Para além disto, foi feito as mesmas análises, mas para condições dinâmicas como uma caminhada a uma velocidade constante de 5 km/h. Por último, foi avaliado as zonas mais propícias da prótese de titânio a ocorrer falha sob condições de fadiga.
- Caracterização das propriedades óticas do pâncreas e estudo da difusão da glicerina no seu interiorPublication . Martins, Inês Soraia Dias; Oliveira, Luís Manuel Couto deO pâncreas é um órgão de elevada importância no organismo, uma vez que é ele que produz a insulina e impede assim o aparecimento da diabetes. O pâncreas tem variadas patologias associadas, sendo algumas de foro oncológico. Embora raros, os cancros do pâncreas estão comummente associados a elevadas taxas de mortalidade, uma vez que são detetados tardiamente e não se conhecem terapêuticas eficazes na atualidade. No campo da ótica médica, os estudos com o pâncreas são também escassos, o que mostra a necessidade de se intensificar a investigação para se poderem desenvolver procedimentos óticos para o diagnóstico e o tratamento de patologias. Neste sentido, e utilizando pâncreas de coelho, o presente trabalho consistiu na realização de medições óticas, nomeadamente pela técnica de espectrofotometria, para a determinação das propriedades óticas dos tecidos do pâncreas e para avaliar as propriedades de difusão da glicerina no seu interior. O desenvolvimento de futuros procedimentos que usem a luz para diagnosticar e/ou tratar doenças do pâncreas apenas será possível com o conhecimento das propriedades óticas numa banda espectral larga, como a que estudamos, desde o ultravioleta até ao infravermelho (200 – 1000 nm). Neste estudo, o coeficiente de absorção permitiu identificar a presença de dois pigmentos nos tecidos estudados – a melanina e a lipofuscina, pigmentos que estão associados ao envelhecimento dos tecidos. O objetivo do estudo das propriedades de difusão da glicerina (e da água) no pâncreas foi de recolher dados para se otimizarem futuros tratamentos de transparência a aplicar ao pâncreas para otimizar procedimentos óticos de diagnóstico e de tratamento no seu interior. As propriedades estudadas caracterizam os mecanismos de desidratação e de adaptação de índices de refração que criam os efeitos de transparência. Este estudo permitiu também avaliar o conteúdo de água móvel do pâncreas, até agora desconhecido, que se verificou semelhante ao de outros tecidos já estudados. Dado que os resultados obtidos são inovadores, espera-se que outros estudos, nomeadamente com tecidos patológicos do pâncreas, venham a seguir-se para que as tecnologias óticas possam ajudar no diagnóstico e no tratamento dessas doenças.
- Comparação das propriedades de difusão de agentes de transparência em tecido muscularPublication . Silva, Hugo Filipe Dias; Oliveira, Luis Manuel Couto deA aplicação de tratamentos temporários e reversíveis de transparência tem demonstrado grande aplicabilidade em vários tecidos biológicos nos últimos anos, permitindo aumentar a profundidade de penetração da luz para realizar procedimentos de diagnóstico e de tratamento de certas patologias. Dos vários agentes de transparência, a glicerina tem demonstrado grande potencial, dado que apresenta elevado índice de refração, hiperosmolaridade e capacidade de aumentar a transparência dos tecidos de forma rápida e eficaz sem efeitos secundários. Os agentes de contraste de imagem médica, como o gadovist, têm também demonstrado potencial para a criação de efeitos de transparência em tecidos biológicos, mas como se tratam de produtos comerciais, não se conhecem as suas composições internas. A avaliação das propriedades de difusão da água, da glicerina e de agentes de contraste num determinado tecido é de elevado interesse para se poderem fazer comparações quanto à eficácia dos tratamentos criados, como para caracterizar os mecanismos de desidratação do tecido e de adaptação de índices de refração que regem a transparência criada. Realizando medições de índice de refração no gadovist e em algumas soluções diluídas do mesmo, assim como estudos de transmitância colimada de tecidos em tratamento com estas soluções foi possível quantificar o conteúdo de água neste produto e identificar o gadobutrol como agente de transparência existente no gadovist. Com a estimação do índice de refração do gadobutrol, foi possível criar soluções aquosas do mesmo para se realizarem estudos de avaliação das suas propriedades de difusão em tecido muscular. Com a obtenção de um tempo de difusão mais reduzido para o gadobutrol relativamente à glicerina no músculo, podemos assumir que a molécula da glicerina, com dimensões mais reduzidas, consegue difundir-se para o interior das membranas das fibras musculares, para fazer aí uma adaptação de índices de refração, algo que o gadobutrol apenas consegue fazer no líquido intersticial do músculo. Dada a qualidade e diversidade da informação reunida neste trabalho para caracterizar os mecanismos de transparência em tecido muscular, espera-se poder realizar estudos semelhantes no futuro com outros tecidos e com outros agentes, no sentido de reunir informação que possa ser usada na planificação de procedimentos clínicos de diagnóstico e de tratamento de patologias.
- Estimação das propriedades óticas de tecidos a partir de dados de reflectância difusa usando modelos de aprendizagem automáticaPublication . Fernandes, Luís Emanuel Pereira Pinto; Oliveira, Luis Manuel Couto deAs doenças oncológicas consistem numa das maiores preocupações dos sistemas de saúde a nível mundial, visto que o cancro é anualmente responsável por milhões de mortes. Além disso, se o cancro for detetado num estágio tardio poderá tornar o seu tratamento mais difícil, ou mesmo ineficaz. Tendo em conta estes fatores, novas tecnologias de diagnóstico de cancro são necessárias para melhorar o tratamento médico fornecido aos pacientes. A ótica médica é uma disciplina que tem produzido muitos progressos nos últimos 40 anos e que pretende a longo prazo substituir as tecnologias de diagnóstico e de tratamento que utilizam radiação ionizante, permitindo procedimentos não invasivos ou minimamente invasivos. Para qualquer procedimento clínico que utilize a luz é necessário conhecer as propriedades óticas dos tecidos e a sua dependência no comprimento de onda. Tais propriedades são características dos tecidos e apresentam diferenças nos casos de patologia oncológica, devido às mutações genéticas que o cancro produz. Estas alterações nos tecidos com cancro podem ser detetadas com medições sensíveis não invasivas como a reflectância difusa. Devido à falta de formalismos matemáticos que relacionem a reflectância difusa com as propriedades óticas dos tecidos, existem na atualidade ainda muito poucas formas de se proceder a um diagnóstico com estas medições. As Simulações de Monte Carlo são normalmente utilizadas para estimar as propriedades óticas desejadas numa determinada aplicação, no entanto, estas tendem a ser computacionalmente dispendiosas e morosas. Atualmente, os modelos de aprendizagem automática estão a assumir um papel muito importante na ótica médica, em especial na estimação das propriedades óticas dos tecidos biológicos. No entanto, os dados para treino destes modelos não provêm de medições experimentais de tecidos, mas sim de simulações de Monte Carlo ou de medições de estruturas criadas em laboratório como modelos de tecidos. Assim, o objetivo do presente trabalho consistiu em investigar mais aprofundadamente o uso de modelos de aprendizagem automática para estimar as propriedades óticas de tecidos biológicos, tais como: o coeficiente de absorção, o coeficiente de espalhamento e o índice de refração. Para além da estimação das propriedades óticas dos tecidos, estudamos também a classificação em normal ou patológico dos espectros de reflectância difusa, como forma de detetar o cancro colorretal. Os modelos de aprendizagem automática que foram usados para estimar as propriedades óticas de tecidos da mucosa colorectal humana são os seguintes: Single Layer Perceptron, Random Forest Regressor, K Nearest Neighbor, Decision Tree for Multioutput Regression and Linear Regression for Multioutput. Estes modelos foram treinados utilizando o método Leave One Out e para avaliar a sua performance foi calculada a distância euclidiana entre os espectros estimado e de referência que provem das medições experimentais em tecidos. Nestes estudos, o modelo que teve a melhor performance foi o RFR, visto ter sido capaz de estimar com a melhor precisão os espectros do coeficiente de absorção e de produzir a segunda melhor precisão na estimação do coeficiente de espalhamento. Para classificar os espectros de reflexão difusa em espectros normais ou patológicos, tentamos numa primeira experiência usar o declive dos espectros para discriminar entre os dois tipos de espectros, mas sem sucesso. Numa segunda experiência utilizámos uma Selector Vector Machine para classificar os espectros. Depois de selecionar os comprimentos de onda que iriam ser utilizados como features, o modelo foi treinado utilizando o método Leave One Out, obtendo uma precisão de 90%. Em suma, neste estudo nós propomos uma nova framework para estimar as propriedades óticas do tecido colorretal a partir do respetivo espectro de reflectância difusa e usando modelos de aprendizagem automática. Foi também abordada a classificação automática dos espectros de reflectância difusa para a deteção do cancro colorretal. Os modelos usados foram capazes de estimar os espectros desejados de uma forma precisa e com uma distância euclidiana abaixo de dois. Os espectros de absorção foram estimados com uma precisão suficiente para serem usados para calcular o índice de refração dos tecidos. A classificação dos espectros foi atingida com sucesso e com uma precisão de 90%.
- Simulação biomecânica de próteses para cãesPublication . Teixeira, Mariana Filipa Madanços; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoCom a evolução da tecnologia na medicina veterinária ao longo do tempo, a indústria das próteses nesta área tem vindo a progredir também. As próteses de substituição de membros permitem estabilizar a marcha e proporcionam uma melhor qualidade de vida. No entanto, os métodos de fabrico convencionais não são baratos. A impressão 3D é de elevado interesse para o campo da indústria protética animal, uma vez que permite o fabrico personalizado, mais rápido e barato que o convencional. Para garantir o sucesso de uma prótese a longo prazo, é essencial assegurar a sua fiabilidade e estabilidade. Uma simulação numérica eficiente é fundamental para prever problemas estruturais neste tipo de dispositivo. A definição correta das propriedades dos materiais usados e da magnitude e direção das forças envolvidas no processo são também fatores essenciais na simulação numérica, podendo mesmo determinar o sucesso ou o fracasso da prótese. Atualmente, o método numérico mais utilizado para simular problemas estruturais biomecânicos é o Método dos Elementos Finitos. O presente trabalho visa desenhar cinco próteses diferentes para substituição de um membro torácico num cão, bem como fazer a sua análise aplicando o Método dos Elementos Finitos. De seguida, pretende-se escolher a prótese que melhor se adequa ao animal e produzi-la numa impressora 3D. Os resultados da análise obtidos para a prótese que foi impressa indicaram que esta é suficientemente forte para resistir às tensões e forças exercidas pelo paciente canino aquando da sua locomoção, sendo este dispositivo do comprimento correto para redistribuir o peso por quatro membros e estabilizar a marcha do canino. Futuramente, deverão ser realizados ensaios de fadiga na prótese impressa para determinar tanto o tempo de uso como os limites de tensão a que pode estar sujeita.
- Implementação de Rede de Sensores Sem Fios para Monitorização e Controlo de Sistema de AquaponiaPublication . Pereira, Frederico Alcides Marques dos Santos; Alves, Joaquim Fernando AlmeidaA expansão e evolução das redes de sensores e a IoT (Internet of Things), verificada nos anos mais recentes, tornou esta tecnologia apelativa e aplicável para a monitorização e controlo em diferentes áreas, como a ambiental de interior ou exterior, da saúde e bem-estar e de equipamentos. A monitorização e controlo da aquaponia e do meio onde esta se insere é essencial para o bom funcionamento do sistema. Neste sentido, este projeto descreve a implementação de uma rede de sensores sem fios para monitorização e controlo do sistema de aquaponia instalado no ISEP. A pesquisa bibliográfica efetuada permitiu identificar as necessidades da aquaponia e os métodos usados para a monitorizar. Realizou-se o estudo das tecnologias de rede sem fios, plataformas de aquisição e visualização dos dados. O levantamento de requisitos, definiu as grandezas físicas a ser monitorizadas, tendo a escolha dos sensores ido ao encontro dos requisitos colocados. Para integrar os sensores e criar a rede, foi necessário recorrer hardware e software, que permitiu o desenvolvimento do sistema de aquisição, comunicação e visualização. Neste projeto teve sempre consideração que o custo deveria ser o mais baixo possível, sem comprometer a sua funcionalidade. O projeto culminou com o desenvolvimento de uma rede de sensores sem fios, baseada em Wi-Fi e ZigBee, com a utilização da plataforma Arduino para a aquisição dos dados, o armazenamento e visualização foi efetuado com recurso as plataformas da Google com um custo global inferior a 500 euros. A rede de sensores sem fios, foram efetuados vários testes para aferir o funcionamento, robustez e fiabilidade da rede.
- The Biomechanical Analysis of Bone Callus using a Meshless MethodPublication . Oliveira, Andreia Filipa Fernandes; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoO osso é um tecido fisiologicamente dinâmico e que quando lesionado tem a capacidade de se reparar com o próprio tecido, não envolvendo um tecido cicatrizante, ao contrário de outros tecidos. Esta característica torna-o particularmente interessante para investigar os processos inerentes de fraturas ósseas. A maior parte das fraturas cicatriza através de uma sequência de processos de diferenciação de tecidos, desde os processos iniciais de hematoma, aos tecidos conjuntivos, e através da cartilagem ao osso. No entanto, qualquer falha neste processo pode resultar em uniões tardias, más uniões ou não uniões. A compreensão na totalidade deste processo ainda constitui um desafio. Os mecanismos que envolvem os processos de estimulação mecânica não se encontram bem compreendidos, em consequência da complexidade dos testes experimentais in vivo, que se tornam dependentes de dados in vitro, tornando difícil validar os pressupostos biológicos. Consequentemente, os modelos computacionais têm demonstrado serem bastante úteis e eficazes na investigação sobre a cicatrização óssea. Desta forma, com o presente trabalho foi possível analisar as condições mecânicas de um calo ósseo resultante de uma fratura, assim como compreender as metodologias de análise numérica aplicadas. O modelo teve por base um estudo in vivo de forma a obter uma variação temporal progressiva da forma do calo e das propriedades mecânicas durante a cicatrização óssea. Com este modelo obtiveram-se os campos de tensão e deformação nas diferentes fases do processo de regeneração, obtendo-se resultados que se encontram em conformidade com a literatura. Adicionalmente, foi aplicado um algoritmo de remodelação óssea em combinação com o Radial Point Interpolation Method (RPIM) que foi capaz de reproduzir as condições apresentadas pela respetiva imagem histológica nesta fase. Por último, espera-se que os trabalhos desenvolvidos neste âmbito possibilitem a conceção de estratégias mais precisas e eficazes tanto para o tratamento como para aceleração da cura. De forma complementar, encontram-se em desenvolvimento modelos específicos dos pacientes e que incorporam variabilidade genética.