ISEL - Engenharia Biomédica
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Percorrer ISEL - Engenharia Biomédica por Domínios Científicos e Tecnológicos (FOS) "Ciências Médicas::Outras Ciências Médicas"
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- Análise da duração do ciclo de marcha com recurso a wearable sensor baseado nas tecnologias LiDAR e IoTPublication . Simões, Bruna Marta Alves; Fantoni, Alessandro; Costa, João Pedro Barrigana Ramos da; Matos, José Pedro FulgêncioA prescrição e avaliação de próteses do membro inferior baseiam-se predominantemente em critérios empíricos e subjetivos, podendo resultar na aplicação de próteses não otimizadas às necessidades individuais dos utentes, contribuindo para o desperdício de recursos e elevados custos para os sistemas de saúde. A falta de acesso a Instrumentos de Medição e Avaliação limita a tomada de decisão baseada em evidência, bem como a implementação de intervenções individualizadas e sustentáveis. A marcha assimétrica está associada a custos energéticos elevados, desgaste articular precoce devido à maior solicitação do membro contralateral, ao alinhamento incorreto das próteses e à sua adaptação inadequada. A análise objetiva depende geralmente de equipamentos complexos, volumosos ou dispendiosos, dificultando a sua aplicação em contextos clínicos do dia-a-dia. Este estudo propõe um dispositivo wearable baseado num sensor LiDAR, um microcontrolador e o recurso a tecnologias IoT, para uma avaliação quantitativa dos parâmetros da marcha, nomeadamente a duração do ciclo de marcha e a simetria dos membros inferiores. Como prova de conceito os testes foram realizados com o sensor TF mini-S LiDAR e o microcontrolador Arduino Nano RP2040 Connect. O sensor, posicionado na face interna da perna, deteta a fase do apoio médio – momento em que o membro contralateral cruza o plano sagital. Combinado com o Arduino Nano RP2040, o sistema processa dados em tempo real, calculando a Duração do Ciclo de Marcha e quantificando assimetrias entre os membros inferiores, através do Índice de Simetria e da Razão de Simetria. O dispositivo, de dimensões reduzidas, incorpora conetividade Wi-Fi e tecnologias IoT, permitindo a transmissão, controlo e visualização remota dos dados no Arduino Cloud. Visa a avaliação objetiva contínua em ambientes não laboratoriais, o suporte a decisões clínicas, a seleção de componentes protésicos e a promoção da sustentabilidade dos sistemas de saúde, melhorando a qualidade de vida dos amputados e definindo padrões de reabilitação baseados em evidência e acessibilidade.
- Desenvolvimento de dispositivos em aço inoxidável por fabrico aditivo, para aplicação ortopédicaPublication . Casimiro, Pedro Tomás Alvarez Ferreira; Calado, Cecília Ribeiro da Cruz; Rodrigues, Maria Alexandra Sousa; Gouveia, Bárbara Perry AlvesCom o crescente interesse na tecnologia de fabrico aditivo, a avaliação da biocompatibilidade e das propriedades mecânicas dos materiais para aplicações médicas tornou-se crucial. Este estudo teve como objetivo investigar as propriedades mecânicas e a citotoxicidade de estruturas porosas giroide, honeycomb e triangular concebidas para potenciais aplicações ortopédicas. As estruturas foram fabricadas utilizando a tecnologia de fabrico por filamento fundido de metal (FFF) a partir de um filamento BASF Ultrafuse 316L. Este estudo demonstrou a importância e o impacto do design e da densidade das peças nas propriedades mecânicas das estruturas e na sua viabilidade celular. As estruturas que combinaram as melhores propriedades mecânicas e de biocompatibilidade foram as de preenchimento baixo e sem paredes, como a giroide 35% e a honeycomb 35%. Estas estruturas apresentaram tensões de cedência e módulos de elasticidade próximos dos requisitos mecânicos para o osso cortical e mantiveram boa viabilidade celular, com menor formação de resíduos.
- Desenvolvimento de um biossensor piezoelétrico para determinação de ácido úrico em amostras biológicas: prevenção e controlo da gota úricaPublication . Martins, Inês Filipa de Sousa; Silva, Nelson Alberto Frade da; Semedo, Magda Sofia Soares de Carvalho Cardoso NobreO presente trabalho versa o desenvolvimento de um biossensor piezoelétrico para a determinação do ácido úrico em amostras de urina na perspetiva do controlo e prevenção de gota úrica. A motivação principal deste trabalho prende-se com o desenvolvimento de uma metodologia alternativa aos procedimentos de diagnósticos estabelecidos, em particular um imunossensor piezoelétrico, para determinação precoce de ácido úrico na urina, caracterizada, essencialmente, por um procedimento simplificado, uma resposta rápida, pela possível reutilização e por um baixo custo associado. O elemento de reconhecimento biológico ou biorecetor do biossensor desenvolvido, consistiu em anticorpos policlonais contra o ácido úrico. Este elemento de reconhecimento foi imobilizado na superfície do transdutor selecionado para o biossensor desenvolvido que consistiu num cristal de quartzo, piezoelétrico, com 14 mm de diâmetro, recoberto com um elétrodo de ouro em ambas as superfícies e exibindo uma frequência de ressonância nativa de 10 MHz. Como complemento do sistema de transdução, foi utilizada uma microbalança de cristal de quartzo, a qual permitiu a medição da variação da frequência de vibração do cristal piezoelétrico decorrente da ligação da espécie de interesse ao biorecetor. O procedimento de imobilização do biorecetor incluiu a preparação inicial de uma monocamada automontada de ácido 11-mercaptoundecanóico na superfície do sensor, ativada com uma mistura de N-Hidroxissuccinimida e 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) carbodiimida. As condições experimentais inerentes à formação da biocamada foram otimizadas com base numa análise de variância (ANOVA) de acordo com um planeamento fatorial do tipo 23. Neste sentido, foram estudados 3 fatores, designadamente a concentração de ácido 11-mercaptoundecanóico, a relação entre o 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) carbodiimida e o N-Hidroxissuccinimida e a diluição da solução de anticorpo comercial e 2 níveis para cada fator. Devido a limitações do planeamento, foram realizados alguns ensaios adicionais visando a otimização da resposta analítica biossensor e que versaram, nomeadamente, o efeito do tempo de ligação dos anticorpos policlonais à monocamada automontada e do tempo de incubação do antigénio ao biorecetor. Em termos da sua performance analítica, o biossensor desenvolvido exibiu um intervalo de resposta linear entre 10 mM e 500 mM de ácido úrico, uma sensibilidade de 0,578 Hz g-1 mL, um limite de deteção de 5,0 g/mL, um limite de quantificação de 18,0 g/mL e um tempo de resposta de ~20min. O biossensor desenvolvido foi utilizado na determinação da concentração de ácido úrico em amostras de urina fortificadas com uma solução de antigénio comercial. Obteve-se um erro relativo inferior a 10% para todas as concentrações de controlo, nomeadamente 20 g/mL, 75 g/mL e 150 g/mL de ácido úrico, o que traduz uma exatidão bastante significativa das medidas efetuadas.
- Effects of listening to music on patients who undergo bone scintigraphyPublication . Boal, Maria Ferreira; Vieira, Lina da Conceição Capela Oliveira; Guerreiro, Tiago João VieiraAbstract Problem definition: One of the most relevant oncology diseases is breast cancer, with an incidence of 12.0% in Portugal in 2018. Breast Cancer has a high rate of bone metastasis, so patients undergo bone scintigraphy for the detection of bone metastases due to its high sensitivity. Although this exam is almost routine for these patients, they still feel anxiety when they undergo it. There are many methods of reducing anxiety described in the literature, the most studied being listening to music. To our best knowledge, a study assessing whether listening to music contributes to anxiety reduction in patients undergoing bone scintigraphy has not yet been carried out. Aim: This study aims to evaluate the effect of listening to music during bone scintigraphy on the level of anxiety in patients with breast cancer. Methodologies: Exploratory, quasi-experimental study where 15 participants were included in the control group and 15 in the experimental group. Both underwent bone scintigraphy. The patients included in the experimental group listened to music during the image acquisition while the ones included in the control group did not. All patients answered to the pre-exam and post-exam questionnaires, as well as the State-Trait Anxiety Inventory questionnaire before scan and after scan, and physiological measures were also measured pre-exam and post-exam. Wrist accelerometers were used four days before the exam. Results: Our results show that blood pressure values were elevated pre- and post-exam and that STAI scores decreased after the exam in both groups. We also established statistically significant differences post-exam between the groups in relation to heart rate and oxygen saturation in the blood. Additionally, with statistical significance, a strong correlation between STAI pre-scan and diastolic blood pressure for the control group, and a moderate correlation between STAI post-scan and respiratory rate for the experimental group were discovered. Furthermore, we found that the day before the exam participants have more sleepy periods during the day and stay in these periods for a longer duration compared with the other days. Conclusion: In conclusion, listening to music to reduce patients' anxiety during bone scans seems to be a good method, considering that patients who reported feeling anxious in the experimental group, mostly stated that listening to music helped reduce anxiety and that STAI scores and systolic blood pressure decreased after the intervention.
- Electrocardiography signal generation systemPublication . Domingos, Daniel Afonso de Jesus Ribeiro; Lourenço, André Ribeiro; Silva, Hugo Plácido daAbstract Simulation systems play a critical role in maintenance, education, research, and procedural training, through modeling and reproduction of specific conditions and biosignals, such as ECG. However, conventional ECG simulators bypass the complexities of the skin-electrode interface, which is essential for high-quality and real-world resemblance signal acquisition during electrocardiogram (ECG) exams. The absence of this interface in simulation settings often neglects the impact of impedance, a key factor influencing signal quality and veracity. This study introduces a novel 1-lead ECG simulation device designed to emulate the skinelectrode interface and assess the effects of impedance on ECG signal quality. The system integrates a computer interface for controlling and managing a signal generator device, with ECG signals sourced from a publicly available physiological signals database. The developed device demonstrates the significance of impedance in medical-grade ECG signal fidelity, emphasizing the importance of contact area in mitigating signal distortion. This work highlights the potential of advanced simulation systems to enhance the realism of training and testing environments, ultimately improving diagnostic accuracy, learning and a rigorous maintenance.
- Impressão 3D de estruturas híbridas de base biopolimérica com propriedades antimicrobianasPublication . Patornilo, Mariana Sofia Coelho; Sousa, Ana Catarina Cardoso de; Bragança, Ivo Manuel Ferreira deCom o advento dos materiais naturais e biocompatíveis, novas possibilidades surgiram para as indústrias farmacêutica e dos dispositivos médicos e, atualmente, muitas dessas macromoléculas são utilizadas no desenvolvimento de novos produtos. A biocompatibilidade e não toxicidade são propriedades chave para que diferentes biopolímeros possam ser utilizados em aplicações médicas. No caso particular de sistemas de libertação de fármacos ou substâncias biologicamente ativas a taxa de libertação do composto ativo é, também, um parâmetro chave. Grande parte destes materiais usados para a libertação controlada, são constituídos por matrizes de base biopolimérica, visto estes se mostrarem versáteis e promissores, demonstrando ser capazes e apropriados para controlar a libertação e sustentar a ação terapêutica ao longo do tempo. Neste contexto, este trabalho foi desenvolvido de forma a cumprir dois objetivos principais: 1) Produção de materiais híbridos biocompatíveis, em filme e peças 3D, fabricados com resinas naturais, derivadas do óleo de soja, e com álcool polivinílico de forma a estudar o modelo de libertação de diferentes compostos terapêuticos, disponibilizados comercialmente, nomeadamente o ácido acetilsalicílico, o paracetamol, o diclofenaco e a tetraciclina; 2) Produção de filmes de resina, derivada do óleo de soja, dopados com compostos da família das naftoquinonas, com potenciais propriedades antimicrobianas. No cumprimento do primeiro objetivo verificou-se que, para todas as matrizes estudadas, a taxa de libertação dos compostos ativos mostrou-se dependente da massa molecular do composto incorporado, tendo-se obtido valores mais elevados de libertação, em menor tempo, para os compostos com menor massa molecular. No cumprimento do segundo objetivo verificou-se que, apesar dos compostos estudados terem revelado ação antimicrobiana, os respetivos materiais híbridos produzidos não apresentaram a libertação esperada.
- Machine learning no teste do desenho do relógio – segmentação e classificaçãoPublication . Lopes, Rita Carreira; Figueiredo, Sérgio Rafael Reis; Jorge, Pedro Miguel Torres MendesO aumento da esperança média de vida tem vindo a agravar a prevalência de doenças neurodegenerativas, tornando crucial a adoção de métodos de rastreio objetivos e escaláveis. Esta dissertação propõe uma abordagem computacional para o Teste do Desenho do Relógio (TDR), combinando segmentação de imagem e modelos de Machine Learning (ML) para apoiar a classificação automática do desempenho cognitivo. Foi construída uma base de dados original com 117 TDR de participantes portugueses e desenvolvido um pipeline em Python/OpenCV para recorte, pré-processamento, deteção de contornos (Transformada de Hough) e segmentação dos componentes internos (números e ponteiros). O contorno principal foi identificado em todas as imagens e internamente, detetou-se pelo menos um ponteiro em 89,7% dos casos, dois ponteiros em 15,4% dos casos e um número igual ou superior a 12 dígitos em 84,6% dos casos, obtendo-se uma média de identificação de 15,3 dígitos por imagem, confirmando a viabilidade da segmentação apesar da elevada variabilidade gráfica. Foram inicialmente extraídas 27 métricas e, após análise de correlação (com um limiar de 0,80), manteve-se um conjunto de 21. Posteriormente, definiu-se um subconjunto fixo de 9 métricas que cobre de forma equilibrada os elementos de contorno, números e ponteiros. Paralelamente, treinou-se uma ResNet-18 no conjunto de dados EMNIST-Digits para a classificação de elementos candidatos a dígitos (accuracy de 99,65%), integrando esse classificador na pipeline de processamento. Quatro modelos de ML (Regressão Logística, Random Forest, SVM e Gradient Boosting) foram avaliados recorrendo a duas estratégias de seleção de características (Recursive Feature Elimination and Cross Validation com GridSearch e conjunto fixo de features com GridSearch). Na avaliação final com 9 métricas, o Gradient Boosting apresentou o melhor desempenho, com uma accuracy de 83,33%, F1-score de 82,86% e AUC de 0,88, evidenciando boa capacidade discriminatória entre indivíduos com desempenho normal e patológico. Apesar das limitações (amostra reduzida e grafismos heterogéneos), os resultados reforçam a utilidade do método na padronização do TDR e no apoio ao rastreio precoce em contexto clínico nacional.
- Perfil de expressão diferencial de moléculas reguladoras chave após exposição a extratos de Carica papayaPublication . Vitorino, Isa Inês de Sá Dinis e Silva; Gomes, Anita Raquel Quintal; Brito, Rui Miguel DuqueIntrodução: As hemoglobinopatias, como a anemia falciforme, são doenças genéticas hereditárias com elevada prevalência mundial. A indução da hemoglobina fetal (HbF), por exemplo através de hidroxiureia (HU) tem sido uma abordagem terapêutica eficaz e associa-se a formas clínicas menos graves. Compostos naturais, como os presentes nas folhas de Carica papaya, têm despertado interesse como potenciais indutores de HbF, por mecanismos epigenéticos e transcricionais. Objetivo: Avaliar o impacto da exposição a extratos aquosos de folhas de Carica papaya (EAFCP) na viabilidade celular e expressão de genes envolvidos na regulação da síntese de HbF, utilizando como modelo uma linha de células eritróides humanas. Material e Métodos: Foram utilizadas células de linhagem K562, cultivadas e expostas a diferentes concentrações de EAFCP e a HU. Realizaram-se ensaios de viabilidade, proliferação e citotoxicidade, com azul de tripano, CellTiter-Blue® e CytoTox 96®. A expressão génica foi avaliada por RT-qPCR, com foco em genes das globinas (HBA, HBB, HBG1 e HBG2), reguladores epigenéticos (HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC8, DNMT1, DNMT3a e DNMT3b) e transcricionais (BCL11A e BGLT3). Resultados: O EAFCP não comprometeu a viabilidade celular nas concentrações testadas e apresentou baixa citotoxicidade, revelando ter efeitos citoestáticos na proliferação celular. A nível molecular, observou-se um aumento significativo na expressão dos genes HBG1 e HBG2, associados à produção de HbF. Paralelamente, houve redução da expressão de genes inibidores da HbF, como BCL11A, HDAC1 e DNMT1. Estes resultados sugerem que o extrato exerce um efeito indutor sobre a expressão de HbF através da modulação de vias epigenéticas e transcricionais. Conclusão: Os extratos de Carica papaya demonstraram potencial para modular positivamente a expressão de HbF, sendo promissores como agentes complementares no tratamento de hemoglobinopatias. Estudos adicionais são necessários para validar estes efeitos em modelos in vivo e identificar os compostos bioativos responsáveis.
- Produção de estruturas 3D biocompatíveis dopadas com compostos bioativosPublication . Ferreira, Tiago Carvalho Moura; Azevedo, Tiago Gorjão Clara Charters de; Fernandes, Tiago Daniel Pereira AdrianoA procura por novos métodos e formas de produção e aplicação de medicamentos tem crescido com a necessidade de descobrir novos compostos com propriedades específicas. Considerando este paradigma, a impressão 3D apresenta-se como uma ferramenta importante para o melhoramento de aplicações de medicamentos. Esta permite uma produção de estruturas detalhadas e reproduzíveis, ajustando a composição da pasta de impressão para cumprir a aplicação pretendida. A realização deste trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de compósitos para impressão 3D, para as quais foram tidas em conta diversos materiais biocompatíveis, com o propósito de elaborar estruturas criadas por múltiplas camadas capazes de incorporar propriedades antibióticas. A sua finalidade consiste em combater ambientes adversos, como é o caso da presença de bactérias que possam provocar infeções. O desenvolvimento destas estruturas, designadas de scaffolds, baseou-se na impressão 3D por extrusão, visando uma produção precisa, com parâmetros manipuláveis e de menor custo. O processo inicia-se com a criação de um modelo 3D que, posteriormente, é renderizado e sujeito a parâmetros de impressão que lhe conferirá determinada organização interna e externa. Nos testes realizados, o compósito para impressão formado por 37,5% de hidroxiapatite, 38% de sacarose, 0,5% de alginato de sódio e 24% de água originou a estrutura com mais garantias relativamente à impressão 3D. Procedeu-se à impregnação de sulfanilamida, tentando atribuir propriedades antibióticas a scaffolds que se destacavam pela diferença na composição da matriz. Avaliando os resultados da microbiologia, registaram-se as melhores inibições no crescimento de bactérias em estruturas formadas por hidroxiapatite, comparando-as às restantes. Foram ainda realizadas análises SEM e FTIR com o objetivo de caracterizar morfológica e estruturalmente os scaffolds. Através da técnica de espectroscopia também foi pretendido identificar a presença do antibiótico nas amostras dopadas.
- Serum biomarkers of patients’ survivability at intensive care unitsPublication . Correia, Inês Alves; Calado, Cecília Ribeiro da Cruz; Ricardo, António José Santos MoraisAbstract Critically ill patients, given their severe clinical condition and relevance of morbidity and mortality, are generally treated in intensive care units (ICUs). Accurate survival prediction is crucial to improve ICU resource allocation and guide timely interventions, potentially improving patients’ outcomes. Physiological scores are routinely used in clinical practice but present intrinsic limitations. FTIR spectroscopy, combined with machine learning, emerges as an appealing method to discover biomarkers for survival prediction, since it enables capturing the complete molecular fingerprint of serum. In a first study, the whole serum composition was compared with the serum metabolome to discriminate two groups of patients (n=16). The samples were collected 3 days before the patient’s death or discharge, half of the patients died and were under invasive mechanical ventilation (IMV), while the other half were discharged and were not under IMV. The best predictive model was obtained with the serum metabolome, achieving an accuracy of 94%, compared to 81% with whole serum. However, whole serum analysis presents clear advantages for large-scale application, as it avoids additional processing steps and is simpler, faster, and more reproducible. In this context, a second study was conducted using whole serum, with an expanded population (n=44), in which both groups were statistically similar regarding invasive therapies (e.g. all under IMV) and other clinical variables. Samples from 44 ICU patients were collected at multiple time points: within the first 48 hours of admission, 7, 5, 3 days before and on the day of the clinical outcome, i.e., discharge or deceased. Significant spectral differences were identified through univariate analysis. The best model was a Principal Component Analysis followed by Linear Discriminant Analysis (PCA-LDA), built on spectra from 3 days before the clinical outcome, which achieved an accuracy of 84%. Using spectral bands kinetics, between days 5 and 7 before the outcome, PCA-LDA and Support Vector Machine (SVM) models both achieved an accuracy of 82%, enabling prediction 2 days earlier than the static time points models. Furthermore, the models based on kinetic spectral bands generally outperform those built from single time point models. These results point out that tracking biomarker dynamics over time can potentially provide earlier and reliable prognostic information in contrast with isolated static assessment. These findings also highlight the potential of FTIR spectroscopy as an affordable, simple, minimally invasive, and efficient tool for individualised survival prediction in critical care settings. Beyond improving prognostic accuracy and contributing to better outcomes, this approach can potentially support timely clinical decision-making, open new perspectives for personalised patient management, and reduce healthcare burden in critically ill populations.