ISEP - DM – Engenharia Biomédica
Permanent URI for this collection
Browse
Browsing ISEP - DM – Engenharia Biomédica by Subject "Absorption coefficient"
Now showing 1 - 4 of 4
Results Per Page
Sort Options
- 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.
- Determinação das propriedades óticas de tecidos e caracterização de tratamentos de transparência em rim humano normal e patológicoPublication . Botelho, Ana Rita Teixeira; Oliveira, Luis Manuel Couto deO rim é um órgão excretor que tem como função principal filtrar produtos metabólicos presentes na corrente sanguínea para os expelir com água para o exterior, na forma de urina. O rim é assim um órgão de vital importância ao funcionamento do corpo humano, e ao qual estão associadas algumas patologias, nomeadamente alguns tipos de cancro. De acordo com a Organização Mundial de Saúde, dos vários tipos de cancro que se conhecem no rim, o carcinoma de células renais cromófobo é um dos mais raros, representando cerca de 5 a 7% dos casos reportados anualmente. Dada a disponibilidade de tecidos deste tipo de cancro para a realização do presente trabalho, decidiu-se executar um estudo comparativo para avaliar as propriedades óticas espetrais de tecidos de rim normal e com este tipo de cancro, assim como estudar as propriedades de difusão da glicerina e da água nesses tecidos, propriedades essas que são características de dois mecanismos fundamentais para a criação de efeitos de transparência. Para obter a dispersão dos dois tipos de tecido foi usado o método da reflexão interna total, com diferentes lasers a emitirem a comprimentos de onda desde o ultravioleta até ao infravermelho. O ajuste dos valores discretos do índice de refração obtidos com esses lasers foi feito com a equação de Cornu, mostrando que o tecido com cancro apresenta uma dispersão com valores superiores à obtida para o rim normal, assim como um maior conteúdo de lípidos. Usando métodos de espectroscopia, foram medidos diferentes tipos de espectros à transmissão e à reflexão, que permitiram calcular as propriedades óticas fundamentais dos dois tecidos entre 200 e 1000 nm. Verificou-se que estas propriedades óticas espetrais apresentam dependências no comprimento de onda semelhantes às observadas para outros tecidos biológicos, tendo-se observado no entanto, diferenças entre o rim normal e o rim patológico. A diferença mais significativa foi verificada entre os espectros do coeficiente de absorção dos dois tecidos. Uma análise mais cuidadosa desses espectros mostrou a presença de melanina e de lipofuscina em ambos os tecidos, mas com conteúdos distintos. Comparando tais valores, verificou-se que cerca de 83% da melanina presente no rim normal se converte em lipofuscina no tecido com cancro. Esta descoberta é inovadora, mas faz todo o sentido, uma vez que ao contrário da melanina, a lipofuscina contém lípidos e proteínas, dois nutrientes dos quais o cancro necessita para se desenvolver. Para determinar as propriedades de difusão da glicerina e da água nos dois tecidos foram feitos tratamentos de transparência em várias amostras que foram imersas em soluções aquosas de glicerina contendo diferentes osmolaridades. Medindo-se a evolução temporal da transmitância colimada dos tecidos durante estes tratamentos, foi possível determinar os tempos de difusão efetivos para cada tratamento. Representando estes tempos de difusão em função da concentração de glicerina usada em cada solução, conseguiu-se identificar o tempo de difusão característico da glicerina e o da água nos tecidos do rim, verificando-se também que o rim patológico apresenta um conteúdo de água móvel superior em cerca de 5% ao obtido para o rim normal. Completando este estudo com medições da variação da espessura das amostras de tecidos do rim durante certos tratamentos, calculou-se os coeficientes de difusão da glicerina e da água, obtendo-se novamente valores discriminados nos dois tecidos: Dgl=4.85110-7 cm2 /s e DH2O=2.10510-6 cm2 /s (para o rim normal) e Dgl=3.15610-7 cm2 /s e DH2O=1.53110-6 cm2 /s (para o rim patológico). Todos os dados diferenciados para o rim normal e para o rim patológico que foram obtidos no presente trabalho são de elevado valor para o desenvolvimento de novos procedimentos de diagnóstico do cancro do rim, em particular para o carcinoma de células renais cromófobo. Espera-se que tais procedimentos sejam desenvolvidos em breve e que com a aplicação de métodos óticos permita diagnosticar o cancro do rim em fases de desenvolvimento ainda precoces para proceder a tratamentos eficazes em tempo útil.
- 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%.
- Estudo das propriedades óticas espetrais de tecidos do córtex cerebral de coelhoPublication . Gonçalves, Tânia Manuela Pinto; Oliveira, Luis Manuel Couto deO cérebro é o órgão mais complexo no corpo humano e aquele que nos permite aprender a um ritmo elevado. Dada a sua complexidade interna e a função importante que desempenha, o cérebro é talvez de todos os órgãos o menos explorado e menos estudado. No campo da ótica médica vários estudos foram já realizados com tecidos cerebrais, fornecendo cada um desses estudos informação fisiológica e de diagnóstico de elevada importância. No presente trabalho foram medidos espectros entre 200 e 1000 nm, com diferentes montagens para obter as propriedades óticas espectrais que caracterizam o córtex cerebral do coelho. Após determinado o conjunto fundamental das propriedades óticas que caracterizam o córtex cerebral, uma análise mais cuidada do coeficiente de absorção mostrou que a existência de melanina e de lipofuscina no córtex ocultava os reais conteúdos de ADN e de hemoglobina neste tecido. Construindo o contributo de absorção destes dois pigmentos verificou-se que o córtex continha quase o dobro de melanina em relação à lipofuscina, o que se veio a associar a processos degenerativos nos neurónios do córtex. Subtraindo o contributo de absorção destes pigmentos ao coeficiente de absorção, tornou possível a avaliação do real conteúdo de ADN e de hemoglobina no córtex, tendo-se obtido valores da mesma ordem de grandeza aos observados para outros tecidos biológicos. Numa tentativa de verificar se tais resultados podiam ser reproduzidos com medições feitas numa perspetiva não invasiva, foram aplicadas técnicas de machine learning a espectros medidos com uma montagem de reflectância difusa. Os resultados obtidos nestas estimações mostraram limitações relacionadas com o baixo número de espectros que foram medidos. No entanto, tais resultados mostraram-se próximos dos resultados obtidos por cálculo direto a partir de medições invasivas e com características fisiológicas e de diagnóstico semelhantes. O conteúdo de melanina superior no córtex permaneceu nos resultados estimados, tal como os conteúdos de ADN e de hemoglobina. Tais resultados mostram que apesar de se ter usado um baixo número de espectros para desenvolver os algoritmos de estimação do espectro do coeficiente de absorção, estes são capazes de detetar as características fisiológicas de interesse no tecido. O procedimento usado em todo o estudo, mas com um maior número de espectros para estimar o coeficiente de absorção de forma não invasiva, poderá ser usado noutros tecidos saudáveis e com patologias para desenvolver novas técnicas de diagnóstico.