ISEL - Engenharia Biomédica - Dissertações de Mestrado
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- Desenvolvimento de um fantoma antropomórfico para estudo da perfusão do miocárdioPublication . Macedo, Sara Silva; Figueiredo, Sérgio Rafael Reis; Leite, Afonso Manuel da Costa de SousaAs doenças cardiovasculares (DCV), especificamente a Doença Arterial Coronária (DAC), constituem a principal causa de mortalidade mundial. Face à sua elevada prevalência, o diagnóstico precoce e a estratificação do risco são fundamentais para a implementação de estratégias clínicas que mitiguem os efeitos adversos na saúde pública. A SPECT-MPI (Single Photon Emission Computed Tomography Myocardial Perfusion Imaging) dedicada especificamente à análise da função e morfologia cardíaca, é amplamente utilizada no diagnóstico e estratificação da DAC, embora, a qualidade das imagens possa ser afetada por fatores degradantes como a baixa resolução espacial, a atenuação nos tecidos, o motion blur associado ao movimento fisiológico do miocárdio. Neste contexto, os Fantomas Antropomórficos (FA) simulam as propriedades anatómicas e fisiológicas da estrutura que representam no contexto imagiológico, proporcionando um ambiente controlado e reprodutível para o estudo, reduzindo a exposição do paciente à radiação. Consequentemente contribuindo para a otimização de protocolos de imagem e validação dos equipamentos. Todavia, o acesso a FA certificados para uso clínico é limitado pelos elevados custos de aquisição. A Prototipagem Rápida (PR) surge como uma alternativa viável, oferecendo elevada flexibilidade e liberdade de conceção, bem como a possibilidade de personalização de acordo com os requisitos do estudo. Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um FA do Ventrículo Esquerdo (VE), destinado ao estudo da perfusão miocárdica em SPECT-MPI, recorrendo à PR. O modelo foi concebido num software de modelação 3D, baseado nas dimensões dos fantomas homologados disponíveis, e produzido através da técnica de Digital Light Processing (DLP) e posteriormente montado. Foram produzidos dois modelos de fantoma do VE, em conformidade com os objetivos definidos, evidenciando o potencial da PR como ferramenta de fabrico de fantomas. Os resultados demonstram a viabilidade e potencialidade desta tecnologia para obtenção de modelos com elevado rigor geométrico, adaptáveis a diferentes contextos de investigação, contribuindo para o avanço de metodologias de validação em imagiologia médica.
- Valorização de resíduos do processamento industrial da castanha na síntese de nanomateriais de carbono bioativosPublication . Ludovino, Maria Rita Bexiga Barra; Costa, Alexandra Isabel Martins Paulo da; Semedo, Magda Sofia Soares Carvalho Cardoso NobreO presente trabalho final de mestrado teve como principal objetivo a valorização de resíduos agrícolas, nomeadamente ouriços da castanha (OsC), na síntese sustentável de nanopontos de carbono (NPsC), nanopartículas com propriedades luminescentes e biológicas, com grande potencial na área da biomédica, sobretudo ao nível da imagem médica. A síntese dos NPsC foi realizada via carbonização hidrotérmica com aquecimento convencional (CHAC) dos OsC. A caraterização físico-química dos OsC e os métodos de síntese utilizados na obtenção dos NPsC serão apresentados e discutidos ao longo desta dissertação. De modo a estabelecer as melhores condições de síntese, tendo em vista aprimorar as propriedades óticas e biológicas dos NPsC, efetuou-se um design fatorial 23, identificando-se como fatores significantes a natureza do aditivo, o tempo de reação e o rácio mássico aditivo/OsC. A caracterização estrutural dos NPsC sintetizados foi estabelecida por espetroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), ressonância magnética de protão (RMN 1H) e análise elementar (AE) e a sua caracterização morfológica foi avaliada por microscopia de força atómica (AFM). As propriedades fotofísicas recorreram à utilização de espetroscopia de absorção no estado fundamental (UV-Vis) e luminescência de estado estacionário. Foi também determinado o tempo de vida e o potencial dos NPsC. Foram exploradas in vitro algumas propriedades biológicas dos NPsC, nomeadamente a sua atividade antioxidante, pelo método do radical ABTS e a atividade anti-inflamatória, pelo método da inibição da desnaturação de proteína, bem como a sua atividade antibacteriana contra bactérias Gram-positivas (Staphylococcus aureus) e Gram-negativas (Escherichia coli), pelo método da difusão em disco. Avaliou-se ainda a sua citotoxicidade in vitro e in vivo recorrendo a linhas celulares animais tumorais (S180, HeLa) e não tumorais (VERO, NIH-3T3). A citotoxicidade in vivo foi avaliada utilizando o microcrustáceo Artemia salina como organismo modelo, tendo sido observada por microscopia de fluorescência a internalização dos NPsC.
- Caracterização das variantes de hemoglobina encontradas durante um programa de rastreio neonatal de anemia das células falciformes em AngolaPublication . Estopa, Rita Isabel Paulo; Brito, Rui Miguel Duque deAs hemoglobinopatias consistem num grupo heterogéneo de doenças genéticas, tendo uma elevada prevalência global, particularmente em África, destacando-se a Anemia das Células Falciformes (ACF) e as Talassemias. Em Angola, apesar de ser conhecida a elevada prevalência de ACF, a diversidade genética das variantes de hemoglobina permanece pouco caracterizada, limitando o desenvolvimento de estratégias de rastreio e de intervenção médica. Tem sido, ao longo dos anos, comprovado o importante papel do rastreio neonatal na redução da mortalidade infantil associada a hemoglobinopatias. Esta dissertação teve como objetivo caracterizar molecularmente as variantes de hemoglobina detetadas durante um Programa de Rastreio Neonatal de ACF, contribuindo para o conhecimento epidemiológico no país. Foram analisadas por Focagem Isoelétrica (IEF) 13 256 amostras de recém-nascidos, tendo-se selecionado 45 dessas amostras, que demonstraram perfis eletroforéticos atípicos, para análises moleculares complementares, nomeadamente PCR-RFLP, Gap-PCR e sequenciação de Sanger. Foram confirmadas variantes estruturais de elevada prevalência, como HbS e HbC, bem como variantes menos expectáveis, como HbE, sugerindo fenómenos de ancestralidade ou migração. Os resultados revelaram que 26,7% das amostras atípicas apresentavam genótipo AS, 17,8% genótipo AC, 2,2% genótipo AE e 2,2% genótipo SS, permanecendo 51,1% inconclusivas, sobretudo devido a limitações técnicas, fraca qualidade do DNA extraído de sangue seco e dificuldades na amplificação dos genes HBA. Foram ainda detetados SNPs reportados como benignos (rs10768683 e rs713040), mas cuja relevância clínica demonstra carecer de investigação adicional. Este estudo reforça a importância da combinação de métodos fenotípicos e moleculares para a confirmação diagnóstica de hemoglobinopatias, especialmente em contextos de elevada diversidade genética. A identificação de variantes inesperadas sublinha a necessidade de abordagens diagnósticas mais abrangentes, contemplando fenómenos migratórios e uma gama mais alargada de hemoglobinopatias. Os dados obtidos fornecem suporte científico para a consolidação e otimização de programas de rastreio neonatal em Angola, com potencial aplicabilidade em outros contextos africanos.
- Progressão dos defeitos glaucomatosos em doentes com apneia obstrutiva do sono em tratamentoPublication . Ferreira, Ana Rita Batista; Pinto, Iola Maria Silvério; Ferreira-Santos, DanielaIntrodução: O glaucoma é uma neuropatia ótica e uma das principais causas de cegueira a nível global. Por ser uma doença silenciosa é importante conhecer os fatores de risco. Segundo a literatura, patologias como a Síndrome da Apneia Obstrutiva do Sono (SAOS) contribuem para o seu aparecimento. Objetivos: Clarificar a associação da SAOS com o glaucoma e compreender a relação entre a terapêutica com pressão positiva na via aérea (PAP) e as alterações glaucomatosas através do estudo da progressão dos defeitos glaucomatosos, de modo a criar um encaminhamento eficaz para estes doentes. Métodos: O presente estudo de coorte e observacional permitiu avaliar a influência da severidada da SAOS nos indicadores oftalmológicos. Numa abordagem prospetiva e longitudinal permitiu avaliar a progressão dos defeitos glaucomatosos, segundo a adesão à PAP, através da avaliação da pressão intra-ocular (PIO), acuidade visual (AV) campos visuais (CV) e tomografia de coerência óptica (OCT). Os doentes foram avaliados antes do início da terapêutica com PAP, quatro, oito e doze meses após o início da mesma. Resultados: A amostra incluiu 88 pacientes diagnosticados com SAOS. Após o diagnóstico não se observaram alterações significativas entre os grupos de severidade da SAOS, embora se tenha observado um aumento da PIO e diminuição de camada de fibras nervosas (RNFL) e anel neuroretiniano (MRW) no grupo com SAOS grave. Após doze meses, observou-se um aumento da PIO, para todos os grupos de adesão (p <0,001), e uma melhoria do campo visual para o grupo com boa adesão. Conclusões: A severidade da SAOS não mostrou ter impacto significativo para as variáveis associadas ao glaucoma. Após um ano de utilização de terapêutica PAP, os resultados sugerem um aumento da PIO, independentemente da adesão, mas também uma preservação funcional e estrutural da visão para o grupo de boa adesão.
- Determinação das características radiómicas informativas e o seu impacto em modelos de apoio à decisão clínica aplicada à ressonância magnética da próstataPublication . Costa, Andreia Pinto; Santinha, João António Alves; Vieira, Lina da Conceição Capela de OliveiraDescritores de propriedades são parâmetros quantitativos extraídos de imagens médicas, os quais têm-se demonstrado promissores no desenvolvimento de modelos preditivos de machine learning (ML) aplicados ao apoio à decisão clínica. Contudo, a reprodutibilidade dos descritores, a elevada dimensionalidade dos dados, a seleção de recursos robustos e a generalização dos modelos constituem desafios metodológicos relevantes. Este estudo avaliou o impacto de diferentes metodologias de seleção de descritores radiómicos na construção de modelos de ML para a classificação de lesões prostáticas. Para tal, foi utilizado o dataset PROSTATEx, disponibilizado pela base de dados The Cancer Imaging Archive, composto por exames retrospetivos de multiparametric magnetic resonance imaging (mpMRI), em sequência T2, constituído por 204 sujeitos e 299 lesões segmentadas. Foram extraídos descritores de primeira-ordem, textura e forma, obtidos a partir da imagem original e de imagens derivadas de filtros. Consideraram-se dois conjuntos de dados: original e randomizado (obtido pela randomização da intensidade dos píxeis). As análises estatísticas incluíram: correlação Spearman e coeficiente de correlação intraclasse (ICC). Combinação dos resultados obtidos, através de operações de interseção e união, e análise univariada, para identificar descritores com maior significância com a variável a prever. Posteriormente, foram desenvolvidos quatro modelos de ML, cada um baseado numa das metodologias de seleção de descritores, comparados através de métricas de desempenho. Os resultados mostraram que a correlação Spearman identificou 1009 descritores não redundantes tendo sido eliminados 386, enquanto o ICC considerou 789 descritores informativos, com eliminação de 620. A união dos conjuntos resultou em 1154 descritores, enquanto a interseção obteve 650. Relativamente à análise univariada, nenhum descritor foi estatisticamente significativo. Este estudo demonstra que a aplicação de métodos de seleção de descritores informativos pode contribuir para melhorar o desempenho dos modelos de ML no contexto da classificação de lesões prostáticas.
- Artificial intelligence applied to brain tumor classification in MRI scansPublication . Ribeiro, Ana Filipa Ferreira; Ribeiro, Maria Margarida do Carmo Pinto; Carreira, Fernando Paulo Neves da Fonseca CardosoAbstract Gliomas are heterogeneous, difficult to delineate, and consume significant clinical time. This work prioritizes MRI preprocessing and a simple 2D U-Net, comparing pipelines that improve image quality instead of optimizing a full segmentation system under GPU/time constraints. We used multimodal BraTS 2023 data (FLAIR, T1Gd, and T2), excluding native T1 due to practical redundancy. Three methods were compared. Method 1 applied per-volume min–max normalization and geometric-center cropping. Method 2 replaced this with z-score normalization (computed only on intracranial/non-zero voxels) and centering guided by T1Gd intensity. Method 3 added bias-field correction (N4) and label-free localization based on FLAIR (Otsu + largest connected component), avoiding label leakage in testing/validation. In all cases, a simple 2D U-Net (MONAI) with three input channels and four classes was trained using Dice + cross-entropy loss and early stopping. Evaluation followed the BraTS subregions (ET, TC, WT) and standard metrics (Dice, IoU, sensitivity, precision, and specificity). Results show consistent gains for Method 3 over the others. On the test set, Method 3 achieved mean Dice of 0.626 (ET), 0.682 (TC), and 0.844 (WT), surpassing Method 2 by +0.073, +0.153, and +0.072, respectively. Improvements are most pronounced in the TC, the most challenging region. In conclusion, the intracranial normalization, bias-field correction, and FLAIR-guided centering increase input reliability and the stability of the 2D model, providing a solid foundation for future 3D extensions and external validation.
- Biofunctionalization of electrospun meshes to promote skin regenerationPublication . Gonçalves, Daniela Alexandra Chainho; Dias, Juliana; Araújo, Marco; Calado, Cecília Ribeiro da CruzAbstract Electrospun poly(ε-caprolactone) (ePCL) meshes offer promising wound-healing properties but suffer from limited hydrophilicity and bioactivity. This work explores whether covalent biofunctionalization with chitosan (CS), gelatin (Gel), or arginine (Arg) can enhance their physicochemical performance and cell response. Poly(ε-caprolactone) (PCL) was electrospun, hydrolyzed to expose –COOH groups, and functionalized using carbodiimide chemistry with increasing concentrations of each biomolecule. Physicochemical characterization (SEM/EDX, FTIR-ATR, porosity/density, water vapor transmission rate, water contact angle) and mechanical properties (Young’s modulus, elongation and tensile strength at break) were performed. Biocompatibility was assessed with L929 fibroblasts via indirect/direct contact and 14-day proliferation, as well as cell morphology and fibronectin deposition were examined by SEM/confocal microscopy. All coatings were successfully immobilized without compromising mesh porosity, which remained within the tissue-engineering range (~60–90%). Water vapor transmission rates were preserved at clinically relevant levels. Surface wettability improved markedly, with Arg producing highly hydrophilic surfaces across all concentrations, while CS at 0.5 wt% also reduced hydrophobicity substantially; in contrast, Gel displayed a concentration-dependent effect, becoming hydrophobic at 1 wt%. Mechanical testing revealed moderate stiffening at intermediate Gel and Arg concentrations, although extensibility and tensile strength decreased relative to unmodified meshes. No formulation exhibited cytotoxicity. Fibroblast metabolic activity increased for all coatings compared with ePCL, with Gel (0.5 wt%) and Arg (1 wt%) promoting early gains at day 3, whereas CS (0.1 wt%) sustained proliferation through day 14. Overall, biofunctionalization of CS, Gel, and Arg onto ePCL yielded scaffolds combining high porosity, favourable vapour permeability, and improved cell interactions. CS at 0.1 wt%, Gel at 0.5 wt% and Arg at 1 wt% offered the most balanced profiles, suggesting these coatings as promising candidates for advanced wound dressings.
- The impact of different types of respiratory failure on death in the ICU, in a Portuguese population with COVID-19Publication . Cabral, Susana Isabel de Lousa; Pinto, Iola Maria Silvério; Bento, LuísAbstract Background: The COVID-19 pandemic, caused by SARS-CoV-2, was one of the major challenges of the 21st century. It rapidly spread worldwide, ranging from mild to critical forms. Early identification of high-risk patients was essential to optimize treatment and resources. Arterial blood gas (ABG) analysis provided information on oxygenation, ventilation, and acid-base balance, for early disease severity assessment at intensive care unit (ICU) admission. Purpose: To assess the predictive value of ABG parameters (PaO2, PaCO2, pH, and lactate) for adverse clinical outcomes (ICU death, need for invasive mechanical ventilation (IMV), and extracorporeal membrane oxygenation (ECMO)) and their association with the duration of ICU stay and invasive supports. Methods: Observational and retrospective study including 794 COVID-19 patients admitted to the ICU of Unidade Local de Saúde de São José between October 2020 and January 2022. ABG parameters from admission day, along with demographic and clinical variables, were analyzed using parametric and non-parametric tests. Generalized linear models (GLM) with a negative binomial distribution identified factors influencing the duration of ICU stay and invasive supports. Results: Non-survivors had lower pH and PaO2 and higher lactate levels, indicating more severe respiratory and metabolic impairment. IMV and ECMO needs were associated with lower pH and higher PaCO2. Patients with comorbidities had higher ICU mortality, and significant difference was found across pandemic waves. The GLMs showed that maximum PaCO2, being male, not having chronic lung disease and being unvaccinated prolonged ICU stay and support duration, while maximum lactate and non-obese were associated with shorter durations. Conclusion: Early ABG assessment demonstrated the utility of these parameters as a predictive tool for risk stratification in critically ill COVID-19 patients, supporting their integration into prognostic models and personalized approaches to ICU management.
- 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.
- Sistema biométrico baseado em eletrocardiografia e impressão digitalPublication . Custódio, João Ricardo Videira; Lourenço, André Ribeiro; Silva, Hugo Plácido daO reconhecimento biométrico estabeleceu-se como uma alternativa mais segura em relação a métodos tradicionais como palavras-passe, cartões ou tokens de utilização pessoal. Contudo os sistemas unimodais apresentam algumas falhas significativas no que diz respeito à taxa de falsas aceitações, presença de ruído e suscetibilidade a tentativas de falsificação. Embora os sistemas biométricos multimodais ofereçam diversas vantagens relativamente a estes anteriores, a sua adoção ainda é limitada uma vez que se estima que apenas cerca de 30% dos sistemas de autenticação utilizem duas ou mais modalidades biométricas. Esta dissertação propõe a utilização de uma abordagem bimodal, combinando dois sistemas biométricos distintos para melhorar a precisão e segurança do utilizador. O primeiro sistema baseia-se na impressão digital, uma das formas mais comuns e amplamente utilizadas de identificação biométrica. O segundo sistema consiste numa modalidade de biometria que tem o potencial de complementar as abordagens existentes devido à sua natureza intrínseca, a utilização do eletrocardiograma (ECG) como fonte biométrica. O sistema desenvolvido inclui a aquisição automática dos sinais de ECG, extração de minúcias a partir das imagens de impressões digitais, e um módulo de fusão a nível de score que pondera os contributos de ambas as modalidades. A implementação foi realizada em Python num Raspberry Pi 5, com suporte para registo, autenticação e identificação de utilizadores. Foram realizados testes experimentais com um conjunto de 12 participantes, avaliando métricas como a Taxa de Erro Igual (EER), a Taxa de Aceitação Indevida (FAR) e a Taxa de Rejeição indevida (FRR). Os resultados demonstraram que essa abordagem atingiu um melhor desempenho quando comparada com as metodologias de forma isolada, reduzindo significativamente as taxas de erro e aumentando a robustez perante potenciais ataques de spoofing. A integração deste sistema mostrou-se uma solução viável e promissora para sistemas de autenticação biométrica de baixo custo.