ISEL - Engenharia Biomédica - Dissertações de Mestrado
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Percorrer ISEL - Engenharia Biomédica - Dissertações de Mestrado por Domínios Científicos e Tecnológicos (FOS) "Engenharia e Tecnologia::Engenharia Médica"
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- Classificação automática de lesões ósseas em imagens cintigráficas usando técnicas de machine learningPublication . Silva, Mariana Gomes Gonçalves da; Oliveira, Francisco Paulo Marques de; Vieira, Lina da Conceição Capela de Oliveira; Costa, Durval CamposDefinição do problema: A cintigrafia óssea é uma técnica de imagem de medicina nuclear que permite observar anomalias no metabolismo ósseo. Grande parte destes estudos visam principalmente a deteção de metástases ósseas. O trabalho de identificação das lesões malignas é muito dependente da experiência do médico que avalia os estudos, podendo ser muito moroso. As técnicas de diagnóstico assistido por computador podem dar um contributo importante neste tipo de trabalho. No entanto, existe uma panóplia considerável de soluções baseadas em machine learning. Deste modo, é necessário realizar estudos no sentido de aferir a aplicabilidade de cada uma das técnicas e comparar o seu desempenho em dados de imagens de cintigrafia óssea. Objetivo: Comparar técnicas de machine learning, nomeadamente decision tree (DT), k-nearest neighbors (k-NN), support vector machine (SVM), artificial neural network (ANN) e convolutional neural network (CNN), na classificação de lesões ósseas em imagens cintigráficas. Métodos: Estudo retrospetivo de 415 estudos de cintigrafia óssea (duas imagens por doente: projeções anterior e posterior após varrimento de corpo inteiro) de 415 doentes. As lesões malignas foram previamente identificadas por médicos especialistas. As regiões de captação óssea visualmente anormal elevada, que não foram considerados malignas ou duvidosas pelo médico especialista, foram considerados como hotspots benignos. Exceto para a aplicação das CNN, as lesões foram todas individualmente segmentadas com recurso a um classificador Bayesiano e depois caracterizadas por um conjunto de 27 características obtidas das mesmas. Para avaliação dos classificadores foi estimada a precisão balanceada com recurso à técnica de validação cruzada leave-one-out. Foi ainda avaliada e comparada a influência da normalização da intensidade de captação do radiofármaco na precisão balanceada dos classificadores. Duas normalizações de intensidade foram avaliadas: normalização pela mediana da captação numa estrutura óssea previamente definida, e normalização pela captação nos tecidos moles das coxas. Resultados: Foram identificadas 1304 lesões ósseas malignas e 873 benignas. Em termos de análise univariada, as características que de um modo geral originaram valores mais elevados de área abaixo da curva receiver operating characteristic (ROC) foram o desvio-padrão, a variância e a assimetria da distribuição da intensidade de captação dentro da lesão; no entanto com valores baixos (entre 0,60 e 0,64 na maior parte dos casos). A performance dos classificadores multivariados foi muito semelhante entre todos, com valores de precisão balanceada de 66%, 68%, 68%, 67% e 68% para os classificadores DT, SVM, k-NN, ANN e CNN, respetivamente. Não se observou uma vantagem significativa na normalização da intensidade de captação. Discussão: A heterogeneidade da intensidade de captação dentro da lesão foi a macro característica que melhor separou os dois tipos de lesão. Era expectável que a normalização da captação pela captação mediana da estrutura ósseas selecionada como referência originasse resultados significativamente melhores do que sem normalização, mas tal não se confirmou. Também era expectável que as características geométricas das lesões pudessem discriminar bem o tipo de lesão. No entanto, isto também não se confirmou. Em relação ao desempenho dos classificadores, estiveram todos dentro do esperado. É expectável que a junção de variáveis demográficas e de localização anatómica das lesões possa melhorar o resultado dos classificadores, tornando-os mais interessantes. Conclusão: Todos os modelos de classificadores multivariados usados originaram bons resultados de precisão balanceada apenas com a informação extraída das imagens, sem diferenças significativas entre eles. Estes resultados são promissores, abrindo portas para a aplicação de sistemas CAD para o auxílio à avaliação de imagens de cintigrafia óssea.
- Dosimetrical studies for error acceptance in FLASH proton therapy. An MCNPX studyPublication . Correia, Jéssica Mestre; Ferreira, Pedro Miguel Martins; Labarbe, RudiAbstract Radiation therapy is a treatment that uses ionizing radiation to treat tumors. Among the particles used, protons stand out for their characteristic behavior, known as Bragg peak, when interacting with matter. These particles make it possible to decrease the dose deposited on adjacent healthy tissues and increase the conformation of the energy deposition to the irradiation target volume. In recent years a huge scientific effort has gone into the knowledge and development of the ultrafast therapy technique, known as FLASH therapy. This investment is due to the observation of differentiating responses compared to conventional techniques, since it has been observed in pre-clinical studies that healthy tissues react in a different way. The most promising features of this technique are the observation of less damage to adjacent healthy tissues after irradiation, concomitant with an anti-tumor efficacy similar to that achieved with more conventional techniques. However, the biological and cellular mechanisms behind these responses remain unknown and further research is needed. The possibility of combining the benefits of proton therapy with the FLASH technique is extremely promising and the objective of this final master's thesis is related to the dosimetric study of a device that presents potential for its implementation. The conformational energy filter is a hardware solution suggested for the implementation of this technique since it allows modulating the proton beam to the characteristics of the target volume during an ultra-fast irradiation (about 200 milliseconds). In order to study the influence of different uncertainties on the dose distribution inside the patient, a Monte Carlo simulator, Monte Carlo N-particles Extended (MCNPX), was used. Several scenarios and uncertainties in beam position, beam angulation, changes in beam size, and changes in the lateral dimensions of the conformal energy filter were simulated. The result of these simulations was compared with a reference simulation, and it was possible to verify that the factor that most influences the dose distribution is the beam translation and angulation. Since the production of neutrons is one of the factors to be taken into account when performing proton therapy, several scenarios were also simulated in order to study the materials for the composition of the accessory and the effects of introducing other accessories in the beam path.
- Sensor LSPR para uma rápida deteção da COVID-19Publication . Moreira, Vânia Micaela Gouveia; Alegria, Elisabete Clara Bastos do Amaral; Almeida, GabrielaO presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um teste de antigénio (Ag) baseado em Ressonância do Plasmão de Superfície Localizada (LSPR) que combinasse a elevada especificidade dos anticorpos monoclonais (Ab) com a elevada sensibilidade das nanopartículas de ouro (AuNPs). A dissertação teve como subobjetivos estudar a influência de diferentes parâmetros na formação e estabilidade de bionanoconjugados assim como realizar uma meta-análise sobre amostras fisiológicas alternativas. Os ensaios foram realizados com AuNPs em solução e em placas de ITO com ouro depositado. O primeiro passo consistiu na preparação do ouro que inclui a sua funcionalização com diferentes tióis (MUA, MPA ou mistura de ambos) e a adição de agentes de acoplamento (EDC e NHS). A formação dos bionanoconjugados compreendeu a imobilização de anticorpos com diferentes especificidades e a imobilização de diferentes antigénios ou do vírus SARS-CoV-2. O fenómeno LSPR permitiu detetar um desvio da banda plasmónica após a imobilização das biomoléculas e os bionanoconjugados resultantes foram caraterizados por espectrofotometria de UV-Visível, eletroforese em gel de agarose e microscopia eletrónica de transmissão (TEM). A funcionalização com MUA e a imobilização das biomoléculas da GenScript permitiram obter os melhores resultados com um desvio após estas etapas. A meta-análise consistiu na pesquisa em diferentes bases de dados e à seleção dos artigos que cumpriam o objetivo da meta-análise e, por fim, procedeu-se à avaliação metodológica dos artigos assim como a meta-análise com vista à avaliação da sensibilidade, especificidade e precisão de amostras alternativas na deteção do SARS-CoV-2. A saliva apresentou os melhores resultados com uma precisão de 92.1%, indicando a possibilidade de ser utilizada como amostra alternativa para a deteção da COVID-19. O presente trabalho permitiu otimizar a estabilidade dos bionanoconjugados e estudar a possibilidade da utilização de amostras alternativas para detetar esta patologia. Contudo, não foi possível concluir o objetivo de desenvolver o teste rápido de antigénio, uma vez que o desvio da banda plasmónica obtido encontrava-se dentro do erro do aparelho de medida.
- Sistema de apoio à decisão em manutenção de equipamentos hospitalaresPublication . Brito, Rita Catarina Fernandes; Domingues, Nuno Alexandre SoaresA manutenção eficiente de equipamentos é crucial para garantir a continuidade, fiabilidade e segurança das operações em ambientes hospitalares e laboratoriais. Em instituições de investigação biomédica, como o Instituto de Medicina Molecular, a gestão adequada de equipamentos, nomeadamente ultracongeladores -80ºC, é determinante para proteger amostras biológicas críticas. Este trabalho apresenta três casos de estudo que exemplificam diferentes abordagens e metodologias aplicadas à gestão de manutenção dos equipamentos no iMM. No caso de estudo I, a aplicação da metodologia FMEA a um ultracongelador -80 °C permitiu identificar o compressor como o componente mais crítico, com um Número de Prioridade de Risco (RPN) de 60, associado à falha por corte de energia ou baixa tensão. Outras falhas relevantes incluíram o entupimento do tubo capilar (RPN = 60) e o sobreaquecimento do condensador (RPN = 48). Estes dados possibilitaram a definição de prioridades de intervenção e a implementação de medidas preventivas específicas. No caso de estudo II, o método AHP foi utilizado para apoiar a seleção de um software de monitorização remota, considerando sete critérios essenciais. Entre esses critérios, os mais determinantes para a decisão foram a transmissão de dados por GSM (30,57%) e os alarmes por SMS (30,57%), que apresentaram os maiores pesos relativos na avaliação. A análise comparativa entre as duas empresas fornecedoras revelou que a Empresa A destacou-se em termos de desempenho nos critérios mais críticos, levando à sua seleção como a melhor opção para a implementação do software de monitorização remota. No caso de estudo III, foram analisados três indicadores-chave de desempenho (KPIs) referentes à gestão da manutenção dos equipamentos no iMM em 2023. Os KPIs selecionados focaram nos equipamentos com maior número de manutenções corretivas, as causas dos atrasos nas reparações e os fornecedores responsáveis pelo maior número de manutenções corretivas. A análise revelou que os equipamentos, como as câmaras de biossegurança classe 2 e os ultracongeladores, exigem maior atenção devido a três fatores (quantidade, utilização e idade). Além disso, a principal causa para os atrasos nas reparações foi o prazo de entrega das peças. Conclui-se que a aplicação integrada das metodologias FMEA e AHP, aliada à digitalização dos processos de manutenção com recurso a um CMMS, constitui uma abordagem eficaz para aumentar a fiabilidade dos equipamentos, melhorar a tomada de decisão e otimizar os recursos operacionais no contexto da investigação biomédica.
- Torção tibial pré-encerramento da placa epifisária numa população juvenil: desenvolvimento de um modelo de avaliação por ressonância magnéticaPublication . Pereira, Bárbara Filipe; Ribeiro, Maria Margarida do Carmo PintoA Torção Tibial (TT) é uma das principais deformações dos membros inferiores, sobretudo em crianças, a qual produz uma mudança no alinhamento dos planos de movimento das articulações proximal e distal da tíbia. Esta patologia tem sido diagnosticada e avaliada através do exame de Tomografia Computorizada que utiliza Radiação Ionizante (RI), podendo causar danos graves nas células, tecidos e órgãos. Propõe-se a avaliação desta patologia músculo-esquelética através da Ressonância Magnética (RM) por ser um método sem recurso à RI, e que possui boa resolução espacial e tecidular. No presente estudo pretende-se adaptar um método de quantificação e avaliação da TT através da RM. Para tal foram realizados exames de RM a 104 indivíduos, com idade média de 20,7 ± 2,3 anos, usando um GE OPTIMA 1,5 Tesla. Posteriormente 10 destes realizaram novo exame para obtenção de modelos 3D num equipamento MAGNETOM Sempra 1,5 Tesla. O ângulo da TT foi medido entre a porção distal e proximal através dos métodos propostos por Jakob (1980) e Goutallier (2006). Pela análise estatística conclui-se que os dados obtidos se ajustam à distribuição normal, e que existem diferenças estatisticamente significativas entre os métodos. Observa-se que os valores do Método Jakob em média são superiores ao Método Goutallier e em ambos os intervalos estão próximos do intervalo descrito na literatura. Nas variáveis ‘género’, ‘índice de massa corporal’, ‘sofrer de lesão músculo-esquelética’ e ‘prática de exercício físico’, não foram detetadas diferenças estatisticamente significativas entre as categorias em qualquer um dos métodos, p > α (α = 5%). A metodologia desenvolvida permitiu concluir que a RM é um método reprodutível para analisar a TT, no entanto, este modelo de avaliação poderá ser complementado com o desenvolvimento de métodos de análise computorizada da anatomia óssea em 3D.