ISEL - Engenharia Biomédica - Dissertações de Mestrado
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- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Sistema automático de análise da qualidade técnica da radiografia frontal do tóraxPublication . Moura, Ivone Cidade de; Ribeiro, Ricardo TeresaA radiografia do tórax permanece uma pedra angular da imagiologia de diagnóstico em todo o mundo. A sua capacidade de fornecer informações diagnósticas críticas, especialmente nas patologias pneumológicas, combinada com a acessibilidade, relação custo-eficácia e resultados rápidos, realça o seu papel insubstituível nos cuidados de saúde globais. Na radiografia do tórax, o correto posicionamento do paciente e a desprojeção das omoplatas é essencial. A sobreposição aos pulmões pode ocultar detalhes cruciais, potencialmente enganadores para médicos novatos e estudantes de radiologia. Garantir uma técnica de aquisição de imagem clara é fundamental para a deteção precisa de anomalias pulmonares. Ao tirar partido das capacidades da inteligência artificial (IA), este projeto visa desenvolver um modelo para detetar e segmentar a sobreposição da omoplata ao pulmão na radiografia frontal do tórax. Recorreu-se ao dataset público de radiografia do tórax do NIH, onde os 28.868 pacientes únicos com imagens de radiografia do tórax foram pré-processados. Posteriormente, um modelo PSPNet pré-treinado da biblioteca Torchxrayvision phyton foi utilizado para segmentar as principais estruturas anatómicas identificadas num exame de radiografia do tórax frontal. O algoritmo detetou a omoplata em 99.8% dos exames, sendo que 40% apresentaram sobreposição da omoplata. Verificou-se uma relação linear moderada, R=0.673, p<0.05, entre os lados esquerdo e direito, sugerindo um aumento simultâneo nas percentagens de sobreposição. Conclui-se que algoritmo desenvolvido deteta com eficácia a sobreposição da omoplata nas imagens de radiografia do tórax frontal, tornando-o numa valiosa ferramenta educacional e de controlo de qualidade da imagem. A sua sobreposição, muitas vezes mínima, denota a importância crucial do rigor da técnica de posicionamento por parte dos técnicos superiores de radiologia.
- 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.