ISEP - DM – Engenharia Biomédica
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- Análise da distribuíção de dose em tratamentos de Radioterapia no Carcinoma da próstata, em pacientes com próteses femoraisPublication . Peixoto, Patrícia Araújo; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoA radioterapia é uma das modalidades mais usadas para o tratamento do cancro da próstata, apresentando bons resultados quer em termos de controlo tumoral, quer em termos de sobrevida livre de doença. No entanto, pacientes portadores de próteses femorais representam um desafio para a radioterapia. Numa primeira fase, a prótese metálica gera artefacto nas imagens de TC que servem de base para o planeamento do tratamento de radioterapia. Nesse sentido, os scanners de TC devem ser portadores de uma profundidade de bits abrangente para a variação de densidade dos materiais presentes na imagem. As definições do equipamento aliadas a uma curva de calibração adequada permitem gerar imagens com mais qualidade e definição, cujos voxeis apresentam valores de densidade fidedignos. Estas estratégias suportam uma correta delineação de volumes e o cálculo da distribuição de dose, que é objeto do presente estudo. Para o cálculo da distribuição de dose na presença de materiais de alta densidade, é necessária a aplicação de um algoritmo de cálculo que contabilize todas interações da radiação com a matéria. Este trabalho consistiu na avaliação da distribuição de dose de um tratamento de radioterapia para o cancro da próstata em um paciente com prótese femoral. Para essa avaliação, foram testados três materiais de diferentes densidades, aplicados no formato de próteses sólidas, ocas ou combinação de materiais. O paciente alvo do estudo não possuía prótese femoral, de forma a reduzir imprecisões associadas ao artefacto gerado pelo implante, pelo que as densidades dos materiais da prótese foram impostas manualmente. Foram desenvolvidos dois planos de tratamento, aplicados ao paciente em estudo e os mesmos planos simulados para o esse paciente na presença de diferentes próteses femorais. Um dos planos consistiu numa irradiação ao longo de 360°, enquanto o plano alternativo possuía uma secção de bloqueio de irradiação, com o intuito de evitar a irradiação direta da prótese. Das simulações geradas foi avaliado o prejuízo em termos de cobertura do volume alvo, bem como o impacto na dose recebida pelas estruturas saudáveis circundantes. Adicionalmente ao foco deste estudo foi feita uma simulação do comportamento da radiação na interface tecido-implante, através de um campo direto à prótese femoral. Para esta avaliação foram definidos três pontos anteriores à prótese e três pontos posteriores, nos quais foi registada a dose detetada
- Análise de Micro-CT de um modelo pré-clínico: impacto de um revestimento rejuvenescedor na integração óssea de materiais de titânioPublication . Gomes, Sara Daniela Moreira; Ribeiro, Maria Cristina CastroA análise quantitativa da integração óssea de implantes metálicos biofuncionalizados é uma ferramenta importante para o desenvolvimento de implantes com maiores taxas de sucesso, com um elevado destaque em patologias ósseas, como a osteoporose. Para tal, a Microtomografia Computadorizada (MicroCT) permite um registo tridimensional (3D) do osso com resolução micrométrica e uma análise quantitativa de diversos parâmetros ósseos. Neste trabalho foi testado um novo revestimento para promover a osteointegração de materiais de titânio (Ti) em animais envelhecidos (ratos). Foram desenhados quatro grupos experimentais: defeito vazio; implante de Ti; implante de Ti modificado com um péptido antimicrobiano; implante de Ti modificado com um péptido antimicrobiano e Vesículas Extracelulares (EVs). Os materiais foram implantados num defeito femoral de tamanho crítico e analisados às duas e às oito semanas após a implantação, por microCT. Realizou-se uma análise visual qualitativa e análise quantitativa através do software CTAn. Foram utilizadas EVs de células estaminais mesenquimais (MSC) provenientes de Wharton Jelly (WJMSC EVs) com péptidos antimicrobianos, com o intuito de avaliar o seu potencial para promover a integração óssea em osso envelhecido. Após uma análise visual do grupo com defeito vazio, entre a 2ª semana e 8ª semana, observou-se alguma regeneração óssea, no entanto, sem ocorrer uma regeneração total do defeito crítico, como seria expectável. Os grupos implantados com materiais de titânio mostraram boa integração, com maior formação de novo osso na zona circundante do implante, para o grupo implantado com Ti modificado com péptido e EVs, demonstrando que a utilização destas EVs é promissora, inovadora e viável para um ambiente local favorável à osteointegração do implante.
- Análise de Padrões de EEG em Ambientes de Trabalho Simulados com Realidade VirtualPublication . Santos, Gonçalo Ribeiro dos; Coelho, Luís Filipe Martins PintoFala-se de saúde psicológica cada vez mais nos dias correntes. Sendo tudo na vida influenciado por esta temática, existe uma crescente preocupação da população para que siga um estilo de vida saudável, tranquilo e estável. Sendo uma grande porção da população parte do mercado de trabalho, cada vez mais as empresas empregadoras se preocupam com a estabilidade psicológica e emocional dos seus futuros empregados. Assim, nasceu uma necessidade acrescida de mensurar por processos analíticos e qualitativos a capacidade de resposta ao stress de cada pessoa. Para tal, neste caso, recorreu-se à utilização de EEG que consiste num método de monitorização eletrofisiológico captador da atividade elétrica do cérebro, que constitui técnica não invasiva com uma boa resolução temporal, baixo custo e facilidade de uso. Todas estas características permitiram que fosse ponderado para a resolução da problemática exposta nesta dissertação. Houve o desenvolvimento de um ambiente virtual com recurso à ferramenta Unity. Neste ambiente foram simuladas características presentes num escritório real. A própria planta, decoração, ruído de fundo, presença de trabalhadores e iluminação foram características pensadas ao pormenor de modo que a veracidade dos resultados permanecesse. Foram implementadas algumas ações perturbadoras ao longo da atividade para que o stress fosse despoletado mais facilmente. O principal método de avaliação de stress passou pelo correlacionamento de padrões de EEG nas cinco bandas de frequência existentes, o que permitiu quantificar e observar os sinais fisiológicos apresentados por cada participante para futura perceção do nível de stress vivenciado. Realizaram-se recolhas de EEG segundo o Sistema Internacional 10-20 recorrendo a 8 elétrodos - 3 voluntários entre os 20 e os 50 anos. O protocolo experimental procurou estabelecer valores base dos sinais de cada participante ao medir cerca de um minuto os sinais com os olhos fechados, de seguida mediram-se as respostas durante o teste e findado o mesmo, os participantes fecharam novamente os olhos para normalização de valores. Após as recolhas, foi realizado o processamento e análise dos sinais. Este processamento foi inteiramente desenvolvido com recurso à linguagem de programação Python. Foi efetuado um Quiz e anotados os valores de pontuação. Os resultados deste trabalho indicam que a atividade cerebral varia de pessoa para pessoa uma vez que a magnitude das amplitudes atingidas pelos diferentes participantes foi heterogénea. Observou se uma estimulação do hemisfério direito num participante, do hemisfério esquerdo no outro e de uma baixa amplitude de sinal atingida pelo terceiro. Observou-se também uma maior prevalência da banda de frequências Gamma durante todo o processo, como era esperado por ser característica de um maior esforço cognitivo. Os valores obtidos no quiz em nada transpareceram o estado de espírito do participante, servindo apenas como ferramenta indutora de stress. Estes resultados expressam que existe uma panóplia de respostas a fatores indutores de stress e que existem pessoas que lidam bem com o mesmo.
- Anonimização Automática de Texto Clínico: um estudo sobre técnicas emergentes e métodos de avaliaçãoPublication . Ribeiro, Rita Alexandre Pinto; Marreiros, Maria Goreti CarvalhoO Processamento de Linguagem Natural (PLN) teve uma evolução explosiva nos últimos 5 anos, principalmente devido ao desenvolvimento e utilização de Modelos de Linguagem baseados em Deep Learning, como BERT (Bidirectional Encoder Representatioms from Transformers) e GPT (Generative Pre-trained Transformer), surgindo assim os LLMs (Large Language Models). A anonimização do texto clínico é uma tarefa crucial para mitigar preocupações de privacidade ao lidar com dados clínicos sensíveis, presentes em Registos Eletrónicos de Saúde e notas clínicas. Vários métodos de PLN podem ser implementados para executar esta tarefa automaticamente, evitando a morosa desidentificação manual do texto. Uma das maneiras de realizar automaticamente a anonimização de texto clínico é através da técnica de Reconhecimento de Entidade Nomeada (REN) onde um modelo de PLN pode identificar os tokens que correspondem a Informações Privadas de Saúde (IPS) num texto, como o nome de um paciente, idade, o nome do hospital, etc. Outra possibilidade é através da utilização da estratégia de substituição por word embeddings, que substituem cada palavra de um determinado texto por outras semanticamente relacionadas. No caso de dados clínicos, as informações médicas relevantes devem permanecer inalteradas após a anonimização, o que pode ser avaliado extraindo códigos ICD-10. Este estudo teve como objetivo comparar o desempenho das técnicas de anonimização baseadas em REN (CRF (Conditional Random Field) e Presidio com o modelo spaCy) com as técnicas baseadas em word embeddings (Word2Vec e GloVe) para perceber se estas últimas podem ser consideradas uma alternativa mais viável para esta tarefa. Além disso, foram realizadas experiências em dois contextos linguísticos diferentes: inglês e português. Os resultados deste estudo comparativo entre idiomas diferentes demonstram que, apesar dos escassos dados disponíveis para idiomas de baixo recurso (como o caso do português), grande parte das tendências observadas com os dados ingleses será extensível a outros idiomas. Para acompanhar este tipo de técnicas emergentes foi necessário desenvolver uma nova métrica – Levenshtein Recall (LR) – de forma a ultrapassar os desafios encontrados pelas métricas tradicionais. Com este estudo conclui-se que os métodos baseados em REN ainda são os mais apropriados para anonimização de texto clínico, ainda que os métodos baseados em word embeddings se revelem muito promissores nesta tarefa de PLN, com grande poder de anonimização, mas a custo de grande perda de informação clínica.
- Aplicação de gestão em medicina dentáriaPublication . Oliveira, Bárbara Pereira Poças; Ramos, Carlos Fernando da SilvaO planeamento financeiro é essencial para assegurar a viabilidade e sustentabilidade de qualquer negócio. No entanto, muitos empreendedores enfrentam dificuldades por não conhecerem o retorno do capital investido, devido a falta de planeamento adequado antes ou durante a abertura da empresa. Sem esses dados, os preços dos bens ou serviços acabam por ser definidos com base em condições de mercado, o que evidencia a importância de uma análise detalhada dos custos e despesas para uma determinação precisa da margem de lucro. Nas clínicas dentárias, o planeamento financeiro exige métodos rigorosos para calcular os custos dos serviços prestados. Para apoiar essa necessidade, foi utilizado um estudo da Ordem dos Médicos Dentistas, realizado em colaboração com a Universidade do Algarve, que analisa detalhadamente os custos associados aos atos da medicina dentária. Com base nos resultados deste estudo, desenvolveu-se um software que permite às clínicas simular e atualizar os custos de tratamentos e consultas de acordo com o perfil específico de cada clínica. Este projeto consistiu no desenvolvimento de uma aplicação capaz de parametrizar e simular os custos de consultas e tratamentos dentários. A aplicação oferece ao dono de uma clínica dentária a possibilidade de ajustar os custos à sua realidade especifica, enquanto apresenta valores de referência para suporte a decisão. A aplicação foi desenvolvida com as tecnologias React, NodeJS e MySQL: React para a criação de interfaces dinâmicas e responsivas; NodeJS e Express para a construção de um backend robusto e escalável e MySQL para o armazenamento seguro e organizado dos dados. A aplicação foi testada em cenários simulados com perfis variados de clínicas, demostrando a sua capacidade de fornecer estimativas de custo precisas e ajustadas à realidade de cada estabelecimento. Este sistema visa apoiar os médicos dentistas na tomada de decisões informadas sobre o ajuste de preços e a gestão de recursos, contribuindo para uma maior sustentabilidade financeira e previsibilidade dos negócios no setor dentário. Com o uso contínuo, espera-se que a ferramenta permita às clínicas dentárias otimizar custos e alinhar os preços aos seus custos operacionais de forma mais precisa.
- Aplicação de redes neuronais convolucionais para a classificação de úlceras do pé diabéticoPublication . Sequeira, Miguela Teixeira; Coelho, Luís Filipe Martins PintoEsta tese explora a aplicação de redes neurais convolucionais (CNNs) para a classificação de úlceras do pé diabético, utilizando as arquiteturas VGG16, VGG19 e MobileNetV2. O objetivo principal é desenvolver e comparar modelos de deep learning capazes de identificar com precisão áreas lesionadas em imagens clínicas de pés diabéticos, ajudando na prevenção e no tratamento eficaz das úlceras. Foi realizado um estudo com base num conjunto de dados de imagens anotadas, avaliando o desempenho dos modelos em termos da accuracy, precisão, recall e F1-Score. A VGG19 destacou-se com uma accuracy de 93%, evidenciando uma capacidade superior de localizar lesões em imagens complexas, com ativações mais focadas nas áreas relevantes. A MobileNetV2, por outro lado, apresentou um bom desempenho em termos de eficiência computacional, sendo adequada para dispositivos móveis e ambientes com restrições de hardware, embora tenha apresentado um valor de accuracy ligeiramente inferior em relação às VGGs. O estudo também discute as limitações de cada arquitetura, como a maior tendência ao overfitting nos modelos mais profundos e a menor capacidade de abstração de detalhes clínicos no MobileNetV2. Os resultados indicam que o uso de CNNs tem grande potencial no diagnóstico clínico assistido por imagem, especialmente para patologias como o pé diabético, onde a deteção precoce e precisa é crucial para evitar amputações.
- Avaliação da Conformidade Metrológica na Saúde: O panorama nacionalPublication . Pereira, Sílvia Patrícia Oliveira; Nogueira, Elisabete Maria da Silva MarquesA garantia de qualidade das medições realizadas por equipamentos de medição constitui um requisito fundamental em qualquer área do domínio científico. Assim, a Metrologia como ciência da medição, tem um papel importante na área da saúde, o qual se relaciona quer na garantia da qualidade das medições efetuadas por equipamentos médicos, quer na realização de calibrações e ensaios dos mesmos por laboratórios acreditados. Não obstante constata-se diariamente que os dispositivos médicos, tanto em Portugal, como na Europa, continuam a ficar à margem das verificações metrológicas. Este relatório descreve o estudo realizado sobre o panorama a nível nacional da conformidade metrológica de equipamentos utilizados na área da saúde. Este estudo, atual, debruça-se sobre 5 tipologias de equipamentos: frigoríficos, bombas de perfusão, ventiladores pulmonares, desfibrilhadores e monitores de sinais vitais, utilizando o Guião da Inspeção à rede de frio dos Centros de Vacinação COVID-19 e as Normas IEC 60601- 2-24, ISO/IEC 60601-2-12, IEC 60601-2-4, ISO/IEC 80601-2-30 e ISO/IEC 80601-2-61 para suportar os erros máximos estabelecidos. São ainda usadas duas regras de decisão sendo efetuada uma comparação entre os resultados das mesmas e a análise do seu impacto na segurança dos utentes. O estudo evidenciou que as taxas de não conformidade metrológica são consideráveis em várias tipologias dos equipamentos acima referidos, colocando em risco o diagnóstico, monitorização e terapia do utente. Este estudo realça ainda a importância e peso que as incertezas têm na decisão da conformidade metrológica. Verificou-se que, em ensaios realizados por laboratórios acreditados, levando em conta os valores das incertezas para certos equipamentos na análise da conformidade metrológica, implicaria o incumprimento das normas que os próprios equipamentos médicos estão sujeitos. O presente trabalho tem assim como ambição sensibilizar a comunidade científica e sociedade para a inexistência de calibrações e ensaios obrigatórios de equipamentos médicos em meio hospitalar, bem como sensibilizar para a importância destes ensaios constarem no âmbito da metrologia legal. Neste estudo consta, como grande fator diferenciador, uma análise de risco na escolha de regras de decisão, bem como uma análise critica às incertezas apresentadas nos ensaios em questão.
- Avaliação da resistência à fadiga em hastes protéticas na artroplastia total da anca: primeiros estudos com COMSOL multiphysicsPublication . Teixeira, Pedro Miguel Moreira; Gueiral, Nuno Eduardo DiasA capacidade de movimento no decorrer de atividades no quotidiano está depende de uma complexa interação entre várias articulações. A articulação da anca, é das articulações que desempenha um papel mais importante para os movimentos, levando a que ao longo do tempo, o esforço repetitivo sobre a mesma leve à sua deterioração e consequente aparecimento de vários problemas como, por exemplo, osteoartrose. O tratamento destes problemas na articulação da anca, é feito à base de fisioterapia e medicação, no entanto nem sempre é suficiente, sendo muitas vezes necessária a intervenção cirúrgica, como a Artroplastia Total da Anca (ATA). Este tipo de procedimento, é caracterizado pela substituição da articulação, por uma prótese artificial. O crescente número de procedimentos de ATA tem impulsionado a investigação sobre o desempenho e a fiabilidade das próteses utilizadas. A fadiga, um processo de falha progressiva do material sob cargas cíclicas, destaca-se como sendo um dos principais fatores que compromete o desempenho das mesmas. Este estudo realizou simulações biomecânicas através do software COMSOL Multiphysics, em dois designs de hastes protéticas diferentes — Accolade (anatómica) e Exeter (reta) —, fabricadas em ligas de titânio e Co-Cr. As próteses foram submetidas a cargas simulando a marcha, para avaliar tensões, e posteriormente aplicar o método Stress-life para avaliar a resistência à fadiga. Os resultados mostraram que ambos os designs de haste apresentam longa duração, no entanto, a haste Exeter demonstrou maior resistência à fadiga. Quanto ao tipo de material, as próteses de titânio apresentaram melhor desempenho em termos de fadiga em comparação com as de Co-Cr. O estudo também identificou as áreas mais vulneráveis à falha, verificando que as mesmas se localizam principalmente na interface osso-implante. Os resultados reforçam a importância de atribuir a prótese adequada a cada paciente, como forma de garantir maior longevidade e desempenho do implante.
- Avaliação da viabilidade do reconhecimento da expressão facial na avaliação da fadiga muscular na reabilitação física do membro superiorPublication . Moreira, Soraia Daniela Taborda; Coelho, Luís Filipe Martins PintoNas últimas décadas, diversas investigações têm realçado a importância de monitorizar a fadiga muscular nos programas de reabilitação física, especialmente na recuperação de funções do membro superior. No entanto, as terapias convencionais têm dificuldade em monitorizar a fadiga muscular de forma precisa e em tempo real. Para colmatar esta dificuldade, a presente dissertação explora uma alternativa inovadora, propondo o uso da análise das expressões faciais como uma técnica promissora para a deteção da fadiga muscular. A investigação foca-se em compreender quais são as variações nas expressões faciais que podem indicar fadiga muscular durante a realização do exercício de flexão de bíceps. Este exercício é utilizado devido à sua relevância clínica na reabilitação do membro superior, uma vez que simula movimentos funcionais do dia a dia. A eletromiografia é empregue como uma ferramenta de validação, servindo para confirmar a presença de fadiga muscular enquanto as expressões faciais são monitorizadas. Os resultados indicam que apesar de não existirem diferenças estatisticamente significativas entre séries na análise ANOVA, a análise das expressões faciais mais granular permite concluir que as combinações de pontos faciais Boca aberta (0-17) e Franzir as sobrancelhas (107-8) são indicadores relevantes na deteção da fadiga muscular. A compreensão das expressões faciais como indicadores de fadiga não só permite melhorar os resultados clínicos, mas também aumenta a adesão dos pacientes às terapias de reabilitação, proporcionando uma experiência mais confortável e recetiva durante o processo de recuperação. Assim, ao centrar-se neste método, a dissertação contribui para o desenvolvimento de um sistema integrado que combina eletromiografia e reconhecimento facial, com o objetivo de otimizar os processos de reabilitação e personalizar os programas terapêuticos de acordo com as necessidades individuais dos pacientes, potencializando, dessa forma, a sua recuperação. Este sistema visa ser integrado num cenário de reabilitação assistida por robô, possibilitando que o braço mecânico se ajuste e adapte os movimentos e a intensidade do tratamento com base nas informações obtidas pela avaliação da fadiga muscular em tempo real.
- Avaliação não invasiva da difusão de agentes de transparência em tecidosPublication . Pinheiro, Maria do Rosário Santos; Oliveira, Luís Manuel Couto deOs tratamentos de transparência em tecidos biológicos têm sido objeto de estudo nos últimos anos, com resultados promissores para auxiliar no diagnóstico e tratamento de patologias. Tais tratamentos permitem aumentar a qualidade do sinal obtido a maiores profundidades, de forma inofensiva e reversível. O estudo dos mecanismos implícitos nestes tratamentos é essencial para a sua aplicação clínica, pelo que estudos com diversos agentes de transparência têm sido feitos em vários tecidos biológicos. Geralmente, o método utilizado para a obtenção das propriedades de difusão destes agentes, que permitem caracterizar estes mecanismos, utiliza uma montagem experimental de carácter invasivo. Isto surge da necessidade de medir a transmitância colimada do tecido em estudo, pelo que a aplicabilidade in vivo fica limitada. Ao utilizar medições à refletância, o procedimento será mais simples e menos invasivo. O conceito não invasivo é cada vez mais pertinente no mundo da saúde, dada a necessidade de utilizar ferramentas cada vez menos prejudiciais. Como tal, realizando medições com transmitância colimada e medições com refletância difusa, o presente estudo teve como objetivo validar o formalismo matemático aplicado para as medições à refletância, através das medições à transmitância. Para tal, foi utilizada a sacarose, um açúcar com aplicabilidade comprovada em tratamentos de transparência, mas ainda sem dados referentes às suas propriedades de difusão, e o tecido músculo-esquelético. Dos três mecanismos presentes num tratamento de transparência, a desidratação do tecido, a adaptação de índices de refração e a dissociação de proteínas, os dois primeiros foram estudados, permitindo a caracterização da difusão da água e da sacarose, respetivamente, neste tecido. Para as medições de transmitância colimada, o tempo de difusão da água foi 62,10 s e o seu coeficiente de difusão foi 1,758×10-6 cm2 /s. Já o tempo de difusão da sacarose foi 259,99 s e o seu coeficiente foi 4,867×10-7 cm2 /s. Para as medições de refletância difusa, o tempo de difusão da água foi 63,09 s e o coeficiente foi 1,714×10-6 cm2 /s. Já o tempo de difusão da sacarose foi 260,84 s e o coeficiente foi 4,854×10-7 cm2 /s. Dada a semelhança dos resultados obtidos para os dois métodos óticos, foi possível validar o procedimento experimental e de cálculo adotado para as medições de refletância difusa.