IT V

SIMPOSIO

A ENGENHARIA E A BIOMEDICINA

Coordenadores do Simposio

Elza Fonseca*, Paulo PHoto* Escola Superior de Tecnologia e Ges1iio, lnstituto Polilecnlco de Braganr;a, Portugal

J.C. Reis Campos* Faculdade de Medicma Dentaria, Unil•ersidude do Porta, Portugal

Mario F. Secca* Faculdade de Ciencias e Tecnologia, Universidode No,·o de Lisboo. Porlllgul

Em associa~ao corn

6° CONGRESSO LUSO-MO<;AMBICANO DE ENGENHARIA 3° CONGRESSO DE ENGENHARIA DE MO<;AMBIQUE

Carlos C. Antonio Faculdade de Engenharia

UPorto. Portugal

Maputo, Mo~ambique (29 Agosto-2 Setembro 2011)

Edit ores

J.F. Silva Comes Facu/dade de Engenharia

UPorto, Portugal

Clito F. Afonso Faculdade de Engenharia

UPorto, Portugal

Ant6nio S. Matos Faculdade de Engenharia

UEM M~ambique

<• J Editorcs Assnciados para os artigos des!e capftulo

-

3" Congresso de Engenharia de Mo~·ambique

Jntrotlu~iio cw Simposio

A Engenharia e a Biomedicina e uma area do conhecimento caracterizada por um elevado grau de interdisciplinaridade, com a aplica<;:ao de conceitos e tecnicas da Engenharia a an:Hise e soluyao de prohlemas no ambito da Biologia e da Medicina. E uma area em crescente evolu<;:ao e expansao com o objectivo de investigar novos metodos e tecnicas nas multiplas vertentes de apl icas;ao.

0 simp6sio "A Engenharia e a Biomedicina" prelende contribuir para a divulga<;:ao de novas metodologias nesta area do saber, atraves do conteudo das varias comunicavoes cientlficas eoquadradas neste tema.

Os promotores agradecem aos autores dos artigos cientfficos apresentados oeste simp6sio, a cootribui<;:ao eo interdlmbio do saber, fundamental no exito deste Simp6sio.

Urn especial agradecimento ao Professor Silva Gomes cujo esfor<;:o largament•~ contribuiu para a qualidade cieotifica do presente congresso.

Elza Fon~eca Paulo Pi/oto J. C. Re is Campos M6rio Forjaz Secca

1052 Maputo, 2!) Agosw - 2 S!!tembro 2011

6" Congresso Luso-Mo~ambicano de Engenharla

5t!!l: 344811 R

PULSATJBLE BLOOD FLOW SlMULA110N

Luisa C. Sousa*, Catarina F. Castro, Carlos C. Antonio

;_ Ttiversidade do Porta, IDMECIFEVP - Porto, Portugal ::Awil: lcsousa@fe.up.pt

RESUMO

'"owadays, the use of computational techniques in fluid dynamics in the study of -1ysiological tlows involving blood is an area of intensive research [e.g., Quarteroni ct al., 2003 & Taylor et al., 1998].

~low visualization techniques and non-invasive medical imaging data acquisition such as ~omputed tomography. angiography or magnetic resonance imaging, make feasible to .:onstruct three dimensional models ofblood vessels. Measuring techniques such as Doppler Jltrasound have improved to provide accurate information on the flow fields. Validated ... 'C'mputational fluid dynamjcs models (CFD) using data obtained by these currently available "lleasurement techniques, can be very valuable in tbe early detection of vessels at risk and .,rediction of future disease progression.

!iemodynamic finite element simulation studies have been ITequently used to gain a better .lilderstanding of f1mctional , diagnostic and Lhel'apeutic aspects of the blood flow. The 'Dechanics of blood t1ow in arteries plays an important role in the health of individuals and its :tudy represents a central issue of the cardiovascular research.

Blood consists of fonned elements, agregatable particles that are suspended in plasma, an _queous polymer solution. About 45% volume colltsists of fonned elements and about 55% of ,.,lasma. The majority of formed elements are red blood cells (95%). In large and medium size

essels, blood is usually modelled as a Ncwtonian liqtLid. However in smaller vessels blood is -' complex rheological mixture showing several non-Newtonian properties, as shear-lrunning ;:c : \'iscoelasticity. For the steady Oow case H imeno l e.g. I limcno 2003] showed that the non­'\ewtonian effect is small except for the peak shear stTess and that for the pulsatile case the " ewtonian effect in the artery is small and negligible. Perktold (e.g. Perktold 1991] examined :un-Newtonian viscosity models in carotid artery bifurcation and concluded that predicted shear stress magnitude resulted in diilcrences on the order of I 0% as compared with -..ewtonian models. Further the Newtonlan assumption yields no change in the essential flow

. haracteristics.

"> non-Newtonian viscosity model for simulating pulsatile flow in arteries is adopted in this 5llldy. Considering blood flow an incompressible non-Newtonian flow, the fluid flow is ~·vemed by the iJ1compressible Navier-Stokes equations. The incompressibility conmaint is jifficult to implement due to the zero divergence condition for the velocity fie ld. The penalty .anction method, allows us to refonnulatc a problem with constraints as one without . onstraints. This often excludes the use of the •equa l order interpolation functions for both "idds. fn this work reduced integration is used f(Jr the terms related with pressure in order to

.!Void locking effects and obtain a stabilized finite element solution.

In a Galerkin rormuJation there is no doubt that the most difficult problem arises because of .!:e nonlincar convective term in Navier-Stokes equations. In blood Oow high Reynolds ""..Jmbers appear and loss or unicity of solution, hydrodynamical instabilities and turbulence are caused by this apparently innocent term. TI1e numerical scheme requires a stabilization

"apftulpXXKJV: A Engenlwria ea Biomedicina (053

3° Congresso de Engenhana de Mo9011Wique

technique in order to avoid oscillations in the numerical solution. Usually the streamline upwind Petrov-Galcrkin method is applied in order to avoid the loss of accuracy. The goal of this technique is the e li mination of the instability problems of the Galerkin formu lation by introducing modified velocity shape functions for the convective tetms and obtaining an a1tificial dissipation.

The arterial wall is a composite ofthree layers, each containing different amounts of ellastin, collagen, vascular smooth muscle cells and extracellular matrix. In diseased vessels which are often the subject of interest, wall motion is reduced as the arteries are less compliant and in this work, as in most approximations, the assumption of zero wall motion is used

A zone of special hemodynamic relevance is the widened segment of the internal carotid, the carotid sinus. Figure I shows the axial velocity field corresponding to the end of the flow acceleration (peak systole). The flow pulse waveform, the flow division rate internal to external carotid artery has been published by Perktold. Flow stagnation can be observed at the outer wall in the sinus at the entrance to the internal carotid.

480.29 432.26 384.24

. 33621

. 288.18

. 240.15

. 192.12 144.09 96.059 48.029 0

Figura I. Axial velocity field at the symmetry plane at the end of the now acceleration (peak. systole) [mmfs].

REFERENCES

Himeno R., "Blood Flow Simulation toward Actual Application at Hospital", in ''The 5th Asian Computational f-luid Dynamics". Busan, Korea, (2003) n l-n6.

Perktold K., Peter R.O, Resch M. & Langs G. Pulsati le non-Newtonian flow in three­dimensional carotid bifurcation models: A numerical Study of flow phenomena under different bifurcation angles. J. Biomed. Eng. l3 (1991) 507-515.

Quarteroni, A., T u veri, M., Veneziani, A. Computational Vascular Fluid dynamics: problems. models and methods. Computer and Visualization in Science 2 (2003) 163-197.

Taylor, C. A., Hughes T. J. R., and Zarins C. K. F inite element modelling of blood l'low in arteries. Comput. Methods Appl. Mech. Eng. (1998) 158 155-196.

1054 Maputo, 29 AgosLO - 2 Setembro 2011

6" CongreJ.so Lzt.w-Moramhicano dt! E11genlzaria

Ref: 34480 I R

OPTJ~UZAc;AO OA GEOMETRJA DO "BYPASS" ARTERIAL

Catarina F. C astro*, Luisa C. Sousn, Carlos C. Ant6nio

Universidade do Porto, IDMEC/PEUP- Porto, Portugal •Email: c~astro@fc.up.pt

RESUMO

As paredes das at1.erias silo normalmente lisas e elasticas mas, corn o passar dos anos, sofrem um proccsso de <!ndurecimento e aterosclerose. A placa que se forma na aterosclerose e composta de subs1tiincias que se viio acumulando. Quanto mais placa se acumula nas paredes das artcrias, mais endurecidos ficam os vasos e mais prejudicado fica o Jluxo sanguineo. diminuindo 0 fornecimento de oxigenio a 6rgaos e musCLLlos. A cimrgia de bypass e urn dos tratamentos aproptiados para arterias que apresentam eslenose ou oclusao. Consiste na substituic;:ao cirttrgica do segmento obstruido por uma pr6tese sintetica ou poar uma vcia, criando um desvio e pem1jtindo que o sangue circulc em tomo da llrea bloqueada.

A configurac;:ao d.o bypass incluiodo a geometria da pr6tese c da anastomose tem uma forte innuencia na dinatmica do fluxo sanguineo, verificando-sc por vezcs fcn6menos de ocorrencia de refluxo e criaviio de zouas de estagnagao, fortemente cotTclacionados com a restenose p6s­cin'trgica que se d.esenvolve num n(tmero considenivel de pacientes.

A investiga<;ao associada ao bypass cir(trgico tern tido grandes desenvolvimentos nos itltimos anos. 0 metodo dos elememos finitos pode ser considerado ua aproximas:ao numerica do tluxo sanguineo c nomeadamente no estudo da simulac;:ao da interven<;ao cir(trg,ica de bypass [e.g., Bonert et al., 2002, Colc et al. 2002, Suet al. 2005, Qiao& Liu 2008] cootribuiodo para uma previsao dos resultados p6s-cin1rgicos ainda oa fase de pre-cirurgia.

Neste trabalho e apresentado um projecto de procura de urna geomctria optima laJ1tO para a pr6tese como para a anastomose procurando evitar cirurgias que conduzam a r:tecessidade de re-interveuy<ies c;om consequcncias dramaticas para o paciente. A simulac;:ao numcrica dos fen6menos associados ao fiuxo do sangue utiliza um programa ja desenvolvido [e.g. Sou sa et al. 2009, 20 I 0] c:onsiderando a aproximac;:ao pe.lo metodo dos elememos finitos . 0 fluido, cuja viscosidade nao pode ser constante, e considerado incompressivel e govemado pela equa<;ao de continuidade- e pelas equac;:ocs de Navier-Stokes. A simulac;:ao considera urn lluxo const:u1te. Vaso.s sanguineos problematicos aprcsentam urn movimento da panede reduzido c a hip6tese de rnovimento zero e utilizada na maioria das aproximac;:oes. Assim ocstc trabalbo. as intcrac;:oes bioquimicas e medinicas entre o sangue eo tecido vascular sao ncgl igenciadas, considerando condi<;Oes linlite similares as circunstancias fisiol6gicas.

Algoritmos cvohtcion<hies sao processes iterativos bern adaptados a resoluc;:ao de problemas de optimiza<;:iio multi-objective. Contrariarnente aos projectos de optimiza<;:iio corn objectivo simples, a solu~;llo deste problema mlo e {mica, mas sitn uma familia dos pontos conhecidos como a fren te 6tptima de Pareto [Castro et al. 20 I 0]. Assim, e muitas vezes necessaria integrar as preferencias do utilizador para determinar uma soluc;:iio apropriada. 0 metodo da soma pesada para problemas de optimizac;:iio multi-objectivo fMarlcr & Arora 20 101 continua a ser utilizado extensivamente nao s6 para encontmr multiplas solu<;:oes variando os pesos de forma consistcnte, mas tambem providenciando solu<;:oes (micas que retlectem as preferencias incorporadas pe:la selecc;:ao dos pesos.

Capitt~lO XXXI V· A Engenlmria e u Biomedic[na )055

3" Congresso de .Engenharia de Mor;amhique

A Figura 1 ilustra os primeiros resultados de optimiza<;ao de uma pr6tese de geometria sinusoidal I Cas:tro et al. 20 l 0]. A soluyao realc;a as vantagens da optimiza<;ao nurneriea eneontrando pr6teses que induzcm fluxos sanguincos de baixo gradientc e que simultaneamente minimizam a ocorrencia de refluxo e de zonas de estagnac;iio.

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Pigura I. Geometria optima: (A) distribui~ao das pressoes [I 0"4Po]; (B) distribuiyao d3S vel()cidades [owls).

REFERENCIAS

Bonert, M., Myers, J.G., Fremes, S., Williams, J. & Ethier, C.R. A numerical study of blood flow in coronary artery bypass graft side-to-side anastomosis. Ann. Biomed. Eng. 30 (2002) 599-611.

Castro, C.F., Ant6nio, C.A.C. & Sousa, L.C. 2010. Multi-objective optimiz ation of bypass grafts in arterie:s, 6111 International Conference on Technology and Medical Sc:iences (TMSJ), ISBN 978-0-415-66822-4 (20 1 0) 191-196.

Cole, J.S., Watterson, J.K. & O ' Reilly, M.J.G. Numerical investigation of the hemodynamics at a patched arterial bypass anaslOmosis. Mcd. Eng. Phys. 24 (2002) 393-40 I.

Marler, R.T. &. Arora, J.S. The weighted sum method for multi-objective optimization: new insights. Stt·uct. M ultidisc. Optim . (2009) DOT J 0.1 007/sOO 158-009-0460-7.

Sousa, L.C., Castro, C. F. & Ant6nio, C.A.C. Numerical simulation of blood Oow, ViplMAGE 2009 - n ECCOMAS Thematic Conference on Computational Vision and Medical Image Processing (2009) 15-18.

Sousa, L.C., Castro, C.F., Ant6nio, C.A.C. & Relvas B.,. Blood flow in artificial bypass graft: A nwnerical study, 61

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Su, C.M., Lee, D., Tran-Son-Tay, R. & Shyy, W .. Fluid flow structure in arteria l bypass anastomosis. J Biomech En g. I 27-4, (2005) 611-618.

Qiao, A. & Liu, Y. Medical application oriented blood flow simu lation. Clinical Biomechanics :23 (2008) S 13D-S 136.

1056 Mapuro, 29 Agosto - 2 Setembro 201 J'

6° Congresso Lmo-M01;amhie.mo de Engenhariu

Ref: 344802R

RJSCO DE. FRACTURA NO TECIDO 6SSEO EM PACIEN1[ES DO GENERO JFEMTNINO DA ZONA LITORAL NORTE DE PORTUGAL

Daniela F.S. Rocba1, Elza M .M. Fonseca•2, J oiio K. Noronha3

1Mestrado em Tecoologia Biom&lica, Institute Politecoico de Bragan~a, Bragan~a, Portugal 2Depanameoto de Meclinica Aplicada, Institute Politecnico de Bragan~a, Bragan~a, Portugal 1Dr. Krug de Noronha, Clinica de Radiologiallmagem, Pono, Ponugal • £mail: efonseca@ipb.pt

RESUMO

0 aumento d.a massa 6ssea e um processo que necessita de uma quantidade adcquada de proteinas, calcio e f6sforo, de uma actividade muscular regular e do equ ilibrio de faetorcs hormonais e de crescimento [Pessoa, 1997]. Quanto maior a massa ossea obtida dw·ante a intancia ea adolescencia, mais dificilmente sera atingido o limiar de fractura no tecido 6sseo, tanto precocemente corn em idades mais avanyadas. por exernplo, em mulheres ap6s a menopausa [Pessoa, 1997]. 0 risco de fractura nos tecidos, por fragil idade ossea, em diferentes pacientes corn patologias, esta associado ao grau de diminuiyao de massa ossea do individuo. Esse valor determina-se atraves da densidade mineral ossea. A osteoporose e urna doenc;:a esqueletica sistcmica, que se caracteriza pela diminui~ao da massa ossea e por uma alterayao da qualidade microestrutural do tecido, que lcvam a uma diroinuiyao da sua resistencia e •consequente aumento do risco de fracturas, sendo estas mais (requentcs nas vettebras dorsais e lombares, na extremidade distal do nidio e no femur proximal [Georgc. 2008].

A osteoporose: e considerada corno urn grave problema de sa(adc p(ablica, sendo nrna das mais importantes dloenyas associadas corn o envelhccirnento [George, 2008]. 0 problcma da osteoporose, e rnais especificamente das fracturas do colo do femur, tern vindo a aumenlar cm todo o rnundo. A massa 6ssea rcduz con forme a idade avan~a. atingindo as mulheres acima de 65 anos corn maior frequencia, contudo o homem tambern e atingido [Frazao, 20071 e [Pimenta, 20091 . • a auscncia de qualquer procedimcnto de prevenr;:iio ou tratamento, uma em cada duas mu lheres aos 70 anos apresentani fracturas de femur, e aos 80 a nos, duas cm tres sofrerao o mesmo problema [Paiva, 2003].

0 aumento da ocorrencia de fracturas devido a osteoporose tern vindo a ser c·~jecto de estudo em varios pafses. A identificac;:lio de tllll padrao de ocorrcncias, num grupo de pacicntes submetidos a este tipo de amilise, podera possibilitar a formulacao de conclusoes para o incremento do conhecimento deste tipo de patologias. Corn esse objective, no ultimo trienio de 2010 forarn avaJiadas 125 pacientes na cl1nica Dr. Krug de Noronha Radiologia/[magem, corn idades compreendidas entre os 30 e 85 anos, figura I.

Foram tambem obtidos exames densitometricos em relacao a frequcncia de- osteoporose ou osteopenia do colo do femur e da coluna lombar destas pacientes, utilizado urn programa proprio da Clf.nica Dr. K.rug de Noronha, enCORE2004. A interface do programa utilizado esta represeut.ada na figura 2, assim como as regioes anat6micas conside:radas durante a avaliayao.

Sirnultaoeame:nte foi elaborado um inquerito as pacientcs corn infom1ar;:oes adicionais, dados pcssoais, antropometricos, ginecol6gicos, considerando ainda a tipologia de factores de risco associados a osteoporose.

Capftulo _ '(XA.7V: A £ngenharia ea Biomedicina 1057

3" Congresso de Engenharia de Mocambique

4S

40

3S 3S

% Pocientes 30

ll lllll 2S IOioldc 12S

20

IS 13

10

2 0 11

8-n n 3

n 30-39 40 49 SO -S9 60-69 70 ·79 > 79

..-aixa e1~ria

Figura I Percentagem de pacientes em fun9i10 da faixa etaria.

IFigura 2 - Prognuna utilizado na Clinica Dr Krug Noronha. Regiilcs anat6mi.cas.

Com este tralbalho pretende-se obtcr estimativas do risco, associado a fracturas do tccido 6ssco, fun9ao de alguma patologia, que se possa generalizar ou nao para qMlquer pacicnte, com base em detem1inados ractores, nomeadarnentc, idade, estilo de vida, terapeutica associada, em fun9ii0 de dados clinicos obtidos em pacientes do genero fi~minino na zona Litoral Norte de Portugal.

REF.ERENCIIAS

Frazao, P.; N:aveira, M., Fatores associados a baixa densidadc mineral ossea ern rnulheres brancas, Rev Saude Publica, (2007) 740-748.

Pimenta, H., Ortoprotesia, Magazine TOTOnline, (2009) l-28.

Pessoa, J.H., Densidade mineral ossea: correlas:ao com peso corporal, estatura, idade 6ssca e fa tor de crescirnento simile a insulina, Jomal de Pediatria, ( 1997) 259-264.

George, F.H.M., Orienta~ao Tecnica para a utilizayiiO da absorsiometria radiol6gica de dupla energia (DEXA.), Direcyao-Geral da Saude, (2008) Circular infom1ativa.

Paiva, L.C. Prevalencia de Ostcoporose em Mulheres na P6s-rnenopausa e Associacao com Fatores Clinicos e Reprodutivos, RBGO, 25(7) (2003) 507-512.

1058 Maputo, 29 Agosto -· 2 Setembro 2011

6° Congre>so Luso-Mor;:ambirano de Engenhatia

1ef: 344804R

SSOCIA(.:AO DE OMEPRAZOL E OSTEOPA TITE® PARA A REGENERA(.:AO 6SSEA: UMESTUitO PRELIMINAR IN VIVO

\(. _ outo Lopes', A. Portela1, J . CavalhciroZ, M. Vasconcelos•'

faculdade de Medicina Denuiria da Universidade do Porto, Portugal ·Faculdade de F.ngenharia da Universidadc do Pono, Pom•gal Zmuil: mt•ttscoucelos@liml.up.pt

RESUMO

J osso e um tecido dinamico constitufdo por componeotes inorganicos (hidroxiapatite) c rgiinjcos (colagenio tipo 1), que esta continuam<ente a remodelar-se, sendo reabsorvido pelos

..~steoc lastos e novamente to rmado pelos osteoblastos de uma forma coordenada c rroporciooada (S0rensen, 2007). A reabsorylio inclui uma fase de acidi!icat;:ao, que e um pre­;equisito para a fase proteolitica [Henriksen, 2008]. Assim, o osteoclasto segrega acido •. oridrico grayas a numerosas V-ATPases da membrana plasmatica presentes no bordo pregueado que, activamente, libertam protoes para a lacuna de reabson;:ao, assim como canais ue cloreto CLC-7 que difundem passivamento ioes de Cl', mantendo os gradientes . lectroquimicos. As enzimas proteoliticas, tais como a catepsina K c as metaJoproteinases da rnatriz, requerem um ambiente acidico para degr.adarem a matriz ossea exposta fXu, 2007].

As V-A TPases intracelulares sao uma importante classe de bombas de protoes, corn multiplas rubunidades, presentes em todas as celulas eUJcari6ticas [Y uao 20 l 0 J. As V -A TPases das .:nembranas plasmaticas que contactam especi ficamente corn o meio extracclular apenas •(>ram identificadas em aJguns tipos de celulas como o osteoclasto, as celulas intercaladas do 'lDl. celulas do epididimo, neutr6filos e macr6fagos [Supanchart, 2008J. Considerando o n11pel essenclal da V -A TPase na fuor;iio do osteoclasto, esta torn a-se um alvo terapeutico -,mdamental [Rzeszutek, 2003] no tratamento de doenyas osseas liticas como osteoporose. ';)efda ossea asscptica, destruiyao ossea induzida por tu mores, doenr;a de Paget Oll periodontite Xu. 2007]. Valios farmacos tem sido estud;ados como agentcs anti-reabsort;:ao, cmbora

'llllitos tenham uma utilizayao clinica limitada [Rzeszutek, 2003; S0renscn, 2007; Shi, 2008].

'este estudo foi avaliado in vivo, em defeitos de tarnanho critico na calotc craniana de 6 ratos Wistar durante 8 semanas, se 80 mg de ome:prazol, um potente inibidor das bombas de p;otoes gastricas. aumenta a capacidade de regenerayao ossea quando associado a granu les de fridroxiapatite rnoctificada quimicamente, Ostcopatite®, e membrana de exosqueleto modificado de camarao (modified exoskeleton of shrimp - MES) [Mesquita, 2004). No ::nesmo animal foram realizados tanto defeitos de teste como de controlo (estudo de amostras emparelhadas).

~ tiguras I a 4 ilustram os resultados, observando-se que embora ocorra ligeiramentc mais regencra~ao ossea e osteointegrayao de griinulos de Osteopatite® oos defeitos de teste do que nos controlos, os resultados dcvem ser considerados inconclusivos. Apesar de ainda pouco explorado, o omeprazol [Sberaly, 2009] aprcsenta algumas caracteristicas vantajosas quando 00mparado corn outros inibidores das V-ATPases, especialmente pelo facto de ser um S.rmaco bem conhecido e scguro corn poucos 'e raros e(eitos adversos [Shi, 2008J. Este tema necessitani de mais estudos e de adcquayao dms metodologias, de modo a anal isar os efeitos :erapcuticos do omeprazol como um potencial ioibidor local da funt;:ao ostcoch1stica.

Jpiurlv XXXI V: A Engenharia ea Biomedicina 1059

3° Congresso cle Engenharia de Moc;umbique

4

Figuras I, 2, :3 e 4. lmagens histol6gicas do animal # 5. No grupo de teste (imagens da esquerda I e 2) existcm granulos osteoinrcgrados (sctas amarelas), enquanto que no grupo de conrrolo (imagens da direita- 3 e 4) n3o se observa esse fcn6meno. Existe crescimento 6sseo (asterisco) em ambos os grupos. No grupo de controlo alguns grilnulos estao prestes a comeyar a osteointegrar (sctas pretas) (colorayilo com Solochrome Cyanine R; I: I Ox; 2:

I Ox; 3: 20x; 4: 20x).

R EFERENCIAS

Henriksen K, S0rensen MG, Jensen VK, Dziegiel MH, Nosjean 0, Karsdal MA. Ion transporters involved in acidification of the resorption lacuna in osteoclasts. Calci r Tissue Inl. 2008 Sep;83(3):230-42.

Mesquita P, Branco R, Afonso A, Va~concelos M, Cavalheito J. Mineralized membranes for bone regeneration. Key Engineering Materials. 2004 254-254: I 091-1094.

Rzeszutek K, Sarraf F, Davies JE. Proton pump inhibitors control osteoclastic resorption of calcium phosphate implants and stimulate increased local reparative bone growth. J Craniofac Surg. 2003 May;l4(3):301-7.

Sheraly AR, Lickorish D, SarrafF, Davies JE. Use of gastrointestinal proton pump inhibitors to regulate osteoclast-mediated resorption of calcium phosphate cements in vivo. Curr Drug Deliv. 2009 Apr;6(2): 192-8.

Shi S, Klotz U. Proton pump inhibitors: an update of their clinical use and pharmacokinetics. Eur J Clin Pharmacal. 2008 Oct;64(10):935-5l.

S.erensen MG, Henriksen K, Neutzsky-Wulff A V, Dziegiel MH, Karsdal MA. Dipbyllin, a novel and naturally potent V-ATPase inhibitor, abrogates acidification of the osteoclastic resorption lacunae and bone resorption. J Bone Miner Res. 2007 Oct;22(10): 1640-8.

Supanchart C, Komak U. [on channels and transporters in osteoclasts. Arch Biochcm Biophys. 2008 May 15;473(2): 16 1-5.

Xu J, Cheog T, Feng HT, Pavlos NJ, Zheng MH. Structure and function of V-ATPascs in osteoclasts: potential therapeutic targets for the treatment of osteolysis. Histol Histopathol. 2007 Apr;22(4):443-54.

Yuan FL, Li X, Lu WG, Li CW, Li JP, Wang Y. The vacuolar ATPase in bone cells: a potential therapeutic target in osteoporosis. Mol Bioi Rep. 2010 Feb 25.

1060 Maputo, 29 Agosto ·- 2 Setembro 2011

6" Congresso Lustr-Mot;ambicano de Engenharia

Rcf: 3448 1 OR

EFEJTO HORMONAL NA REGENERA<;AO DE DEFETTOS <)SSEOS

Aodrcia Morciro*, A. Portela, A. Ll>u reo~o, A. Afonso, M. Vasconcelos

Faculdade de Medidna Denutria, Univcrsidade do Porto l'orto, Portugal • Emni/: amcrazyruary@grnaiLcom

RESUMO

A rcmodelas;ao ossea eo processo atraves do qual se cstabelece o equilibrio entre os efeitos catab61icos ostcoclasticos e os efeitos aoab6Jicos osteobl<isticos. [Costa, 2000; lHernandez-Gil, 2006 j A rcparas:ao de defcitos 6sscos constitui um desafio para a medicina . Os metodos tradicionais de tratamento tern por base a utilizas;ao de enxertos 6sseos aut6genos, irnunologicamcnte seguros, mas que apresentarn a necessidade de uma cirurg~a extra para a recolha do enx~:1io. Nos enxertos 6sseos xen6genos, a csptkie do organismo dador e distinta da do receptor t: aquantidade de tecido passive! de ser obtida e maior. [Ciemenle, 2006].

A velocidade de regeoerdyiio 6ssea dcpende de varios factores, de que sao exemplo as ho1monas. A c:alcitonina e urna horrnona de acc;ao directa no metabolismo mineral. [Costa, 1000; Sassioto, 2004] E secretada pclas celulas Cl parafoliculares da tir6ide cm mamiferos e causa hipofosfatemia e hipocalcemia. Possui uma acc;ao analgesica, anti-in:flamat6ria e anti­osteoch1stica. [Sassioto, 2004; Canavero, 2000; Arisawa, 2000; Pereira, 199?] A calcitonina altera as estruturas responsaveis pela rcabsorc;ao ossea c apresenta urn e:feito anab61ico preponderante, proporcionaudo o aumento da actividade osteobh'lstica e da rn.ineralizac;:ao do tecido oste6ide:, assim como a redus;ao do ni1mero de osteoclastos por bloqucio do processo que lhes da origem. [Canavero, 2000; Arisawa, 2000].

A grelina e um peptideo constituJdo por 28 aminm1cidos, que possui uma {mica modificas:ao p6s-translaccicmal no tcrceiro residuo de serina, onde se localiza o ester n-octanoil, que lhe proporciona a capacidade de estimulayao da secre<;ao somatotr6pica. Est a bormona di tcre em apenas dois annioo{Lcidos em relas;iio a do rato. (Duarte, 2003; Tritos, 2006; Katergari, 2008; Kojima, 2005.; Arvat, 200 I ;Weiss, 2006] A grclina e expressa mais abundantemente nas celulas especi.aJizadas das glandulas oxinticas do epitelio gastrica e 60 a 70% da grellna circulantc e secretada pelo estomago, scndo a restante originada no intestine delgado. Esta horrnona podc: innuenciar o crescimento dos osteoblastos, estimulando a s ua replicas:ao e aumentando a produyao de fosfatase alcalina c osteocaJcina.LKojima, 2005).

Tendo em co10ta que a ocorrencia frequcnte de defeitos 6sseos craniofacia,is, realizou-se o scguinte trabalho experimental, com vista a estudar o efeito das duas honnonas na regencras:~o ossea: Dez ratos Wistar, lemeas e adultos, foram distribuidos aleatoriamentc por tres grupos eom 3, 3 e 4 animais, rcspeclivamentc. Foram realizados defeitos osseos biparietais corn 4 mm de diamctro, preenchidos corn matriz 6ssea equina (Bio-Gen~. 0 grupo controlo nao recebeu nenhuma administras;ao de hormonas; o grupo experimental Calcitonjna n~cebeu Calcitonioa (Miacalcin® Sandoz) 0,05 mL, via intramuscular, no p6s­operat6rio imcdiato e semanalmente, ate ii semaoa que antccedia o sacrificio; o grupo experimental Grelina recebeu Grelina (Ghrelin Rat®, Peptide) 0,031 mL, viia subcutanca, no mesmo esquema posol6gico. Os animais foram sacrificados a 5" e 7" seman:as ap6s a cirurgia e as amosrras recolbidas foram analisadas macroscopicamente e bistologicameote.

Relativamcnte ao grupo Controlo (5 semanas), observou-se a fonuar,:ao de marriz 6ssea com fibras de colagenjo delgadas e dispostas de forma relativamente aleat6ria. No caso do grupo

Capftu/o]()(J(J(JI: A Engenhariu ea Biomedicina 1()61

3° Congresso de Engenlmria de Mot;ambiqu.e

Calcitonina (5 semanas), verificou-se a manutenyao dos griinulos de biomaterial no local do defeito 6sseo. No que diz respeito ao grupo Grelina (5 semanas), verificou-se a formayao de novo tecido 6sseo no espas:o inter e perigranular- tecido oste6ide.

Em rela9iio ao gnapo Controlo (7 semanas). verillcou-se a retenyao dos granulos pela matriz colagenica, sem evideocia de sinais de neoformayiio 6ssea. No que respeita ao grupo Calcitonina (7 semanas). foi possivel observar a formas:ao de tecido 6sseo pela presens:a de osteoblastos cm tomo e entre os granulos de biomaterial. Relativamente ao grupo Grelina (7 semanas), veriticou-se uma discreta presenr,:a de celulas do metabolismo 6sseo c a formar,:ao de matriz colagena organizada, corn disjposiyao dos granulos de biomaterial de forma coesa. Assim sendo, a grelina parcce exercer urn efeito mais significativo na neoformar,:ao 6ssca a 5" scmana p6s-operat6ria do que a calcitonina, embora csta apresentc rcsultados mais evidentes na 7" semana p6s-operat6ria.

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1062 Mt1p111o. 29 Agosto - 2 Setemhro 2()] I

6'° Congre.~so Luso-Mo~ambicano de Bngenharia

Ref: 344808R

MUSCLE FORCE SHARING PROBLEM SOLUTION VIA Tl-fE OPTIMIZATION OF MUL TIBODY BIOMECHANICAL SYSTEMS

Jorge Ambrosjo* IDMEC. lnstituto Supc:rior Tecnico. Lisbon Technical Univ<!rsi ty- Lisbon. Portugal "£mail: jorge{l{;dcm.ist.utl.pt

ABSTRACT

The human motion analysis for normal or pathological cases or in case of use of prosthesis requires that the internal forces that develop in the human body can be evaluated without interfering with the motion purpose. The evaluation of tbe muscle forces and the joint reaction forces whkh can be associated not only witb the u ltimate goals of ~1e hnman motion tasks but also with their impact on the way the biological materials and stmctures behave, are of particular importance. The objectives of this work are to overview and demonstrate the developments of numerical methodologies to human motion analysis and to present their application to important task of human motion.

An important methodology to deal with human motion is multibody dynamics for kinematic or dynamic analysis of the human structures and mechanisms. In this work the structure of the equations of a mulribody system are reviewed fa•r direct and inverse dynamic analysis. If the lime dependencies of all degrees-of-freedom of tM1e system arc known the inverse dynamics is equivalent to a direct dynamics problem. Thjs equivalence is particularly useful when tbe problem of the biomccbonical analysis consists in tinding the muscle forces in an over­actuated biomechanical model that leads to a prescribed motion, which is obtained by using 'ideo data acquisition or simply by design (Ambr6sio and Kecskcrnethy, 2007). The problem can then be solved by using optimization procedures in which the objective functions are physiological criteria and, eventually, a measure of matching the prescribed motion. l f not used as part of the objective function the prescribed motion is introduced in the optimization problem as nonlinear constraints. The variables of the optimization problem are, for all type of analysis, the muscle activatioiJS, from whkh tbe muscle forces are calculated by using a Hill muscle model. Two representations of the t1mc history of t11e muscle actuation are tested in this work: the input sampling where tbe activations are found in a finite number of time instants and then linearly interpolated in between; the smooth exponential function approach where the actuation is described by a sum of exponential functions being the width and the size of the bumps of each of the functions the unknown quantities. Then the muscle forces are simply obtained by using a I fi ll type muscle model where the state of force-velocity and the force-length relations are obtained directly from the kinematics of the biomechanical model.

The methodology described in this work is app11ied to two human motion tasks involving the lower and upper limbs of the human body. In the first application, depicted in figure I, a gait analysis of an individual with normal cadence is performed and discussed. The problems of selecting appropriate cost functions with physi·ological significance is discussed not only in tenns of tbcir relevance but also in what their consequence in terms of the numerical methods involved is concerned. Another aspect that is. of particular relevance is the detail of the articular joint models and their consequence in tenns of the evaluation of the muscle sharing problem (Ambrosio and Silva, . The results of the analysis consist in the time hi stones of the muscle forces wllich are associated to the diffen~nt phases of the gait cycle.

Capftulo XXXJ V: A Engenharia e a Biomedicina 1063

3° Congresso de Engenharia de Mot;ambique

(c)

Figure I. Human gait analysis: (a) From data acquisition to tbc biomechanical model; (b) Biomechanical model; (c) Muscle apparatus of the lower member.

The second application of the multibody methodology to solve the redundant muscle force problem, depicted in Figure 2, concerns the evaluation of the internal forces that develop in the upper limb. First the appropriate model for the biological articulations and the discretization of the rigid bodies is done and after the muscle system is set. The objective function associated to the motion selected is the energy consumption during the task of raising the arm. Of particular importance is the models used for the muscle wraping around obstacles and the discretization of the deltoid muscle. The results show not only the· suitability of the methods selected but also of the importance of the application on the design of a reverse shoulder prosthesis.

Clavicle Scapula Humerus Ulna Radius Muscles

Figura 2. Human upper limb model and identification of the anatomical landmarks to collect data.

REFERENCES

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Ambrosio, J. & Silva M., Methodologies for Forward and Inverse Dynamic Analysis of the Biomechanics of Human Motion, in Bioengineering Modeling and Computer Simulation, Y. Gonzalez, M. Cerrolaza, eds, C!MNE, Barcelona, Spain (2007) 13-33.

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Maputo, 29 Agosto- 2 Setembro 201 I

6" Crmgresso Luso-MO(;ambicano de Engenlwricr

Ref: 344809R

SfMULA(:AO BIOMECANICA DA E:STAPEDECTOMlA: PROTESES DE A(:O E TITANIO

Fernanda Genti1*1, Carolina Garbc\ Marco P1U·ente2

, Pedro Mnrlins\ J oilo Pa~Yo3, Rcnato Natal .lorge1

11DMEC, Faculdade de Engcnharia da Universidade do f'ono, Portugal. 1Ciinica ORL-Dr. F.urico Almeida, Widex, ESTSP. 3Hospital CUF, racu ldade de Medicinn da Universidade de Lisboa, Portugal, *£mail: fernanda.fgnanda@gmail.com

RESUMO

A audi<;:lio compreende uma sequencia de proccdimentos cm que o ouvido converte ondas sonoras em sinais elctricos cnviados ao cerebro, onde s!\o interpretados como som. A cadeia ossicular do ouvido medio e fonnada por tres o-sslculos, martelo, bigoma e csLribo, ligamentos e musculos, comunicando oa sua parte anterior com a nasofaringe, atraves da tTompa de Eustaquio e na sua parte posterior pela mast6ide. 0 menor osso do corpo humano, o csltibo, vibra comunicando o ouvido medio com o ouvldo interno atrav6s da platioa do estribo. Quando a fonna<yao ossea se torna anonnal imobilizando o estribo (patologia conhecida por otosclerose) a passagem de som nao se processa corretamente e a audi<yao pode ser comprometida. Geralmcnte provoca surdcz de condu<yao, podendo tornar-se em sLU·dez mista e mesmo neurossensorial. Na maioria dos casos, a cirurgia (estapedectomia ou estapedotomia) e uma op<;:ao mais correta para o scu tratamento. 0 estribo c substituido por uma pr6tesc, total ou parcialmente, pcnni tindo a passagem do som para o ouvido intemo. Tornou-se, pottanto, relevante fazer um estudo sobre o comportamento das pr6teses do estribo, tendo em conta as suas caracteristicas biomecanicas. Usando o metodo dos elemernos finiloll, foi criado urn sistema timpano-ossicular baseado em imagiologia [Gentil et al., 2009]. A discretiza<yao deste modelo solido 30 foi feita usando o software ABAQUS. As propriedades mecaoicas usadas estao disponiveis na literantra rPrendcrgast et al, 1999] c foram aplicadas as respectivas condi<;:oes de fronteira. Neste trabalbo, o estribo foi substitufdo por pr6teses de ac;o c titanic, simulando a intervenyao cirurgica, estapedectomia. Foi feito urn estudo comparative entre os modelos de diferentcs pr6t.eses e o represenllante do modelo do ouvido normal, tendo em conta os respcctivos dcslocamentos que ocorrc:m ao nivel do umbo c platina do estribo.

rigura !. Esu·ibo e sua substitu:ic;ao por pr6tcsc, respcctivamente.

0 primeiro passo deste trabalho foi a construc;ao da cadeia ossicular do ouvido medio (membrana timpanica e tres ossiculos, martelo, bigoma e estribo) incluindo musculos e ligamentos, baseado em imagens de tomografia axial computorizada. 0 metodo dos elcmentos finitos foi aplicado usando o software ABAQUS. A membrana timpilnica foi modelada por elemeotos hcxaedricos (C3108), tendo sido dividida em pars jlaccida, considerada como isotr6pica (corn apenas uma camada) e pars tensa, com lrcs camadas. As camadas intema e externa foram consideradas isotr6picas e a intenncdia. fibrosa, foi considerada ortotr6pica fGarbe et al., 2009]. Os elementos dos ossiculos foram tidos como tetraedricos (CJ D4), com um comportament01 isotr6pico. Os ligamentos e os musculos foram

Capfwlo XXXIV: 11 Engenlwria ea Biomedicina 1065

3" Congresso de Engenharia de Mor,:ambique

modelados usando elementos lineares do tipo T3D2. Baseado no modelo Yeoh [Y eoh, 1990), o presente trabalho usou um comportamento nao-linear hiperehistico• para os ligamentos [Gentil et al., 2006], sendo o mode to de Hill usado para os mt1sculos [Martins et al. , I 9981.

Material

Ti1anio

Tabela I. Propriedades materia is das pr61eses.

M6dulo de Young (N/m-)

2. 10 E+ll

1,14 E+ll

Cocf. de Poisson

0,30

0,34

Densidade

7,80E+03

4,43E+03

Foi criado outro rnodelo em que o esrribo foi substituido por uma pr6te...~ de ac;o e outro corn pr6tese d(~ titanic (Figura I ). Aplicando sobre a membrana timp§nica uma pressao sonora de 63,246 Pa, correspondente a 130 dB S.PL, foi feito urn estudo diniimico para uma gama frequenciall comprccndida entre I 00 Hz e I OkHz. Scguidamcnte foram obtidos os deslocamentos da parte central da membram1 rimpanica (umbo) e da parte central da plalina do cstribo (Figura 2).

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[;---Figura 2. Dcslocamento do wnbo e plutina do estribo, respectivam1~nte.

Aual isandlo os resultados, podcmos veri ficar que ao ni vel do umbo uao ex istem diferenc;as enlTe as duas pr6teses. Comparando com o modclo representative do Oll!vido normal, nota-se uma dim inui9ao dos deslocamentos nas freqt1encias graves. Quando se considcram os deslocamentos ao nivel da platina do estribo, nota-se que os resultados da pr6tesc de titanio se aproximam mais do modclo normal, sugerindo uma melhor indicac;:ao desta protese para substituic;:ao do estribo.

REFERENCIAS Garbe, C .. , Gentil, F., Parentc, M., Martins, P., Natal, R., Aplicac;:ao do metodo dos elementos finitos no estudo da membrana timpanica, Audiologia em Revista, 3 (2009) 99-106.

Gentil, F .. , Jorge, R.M.N., Ferreira, A.J.M., Parenle, M.P.L., Mrutins, P.A.L.S., Almeida, E.. Biomechanical simulation of middle ear using byperelastic models, Journal of Biomechanics. 39, Supplement l , (2006) 388-389. Gentil, F . . Natal, R., Parente, M., Martins, P., Ferreira, A., Estudo Biomecanico do Ouvido Medio, Clinica e lnvestigac;ilo em Otorrinolaringologia, 3 (2009) 24-30. Martins. J .A.C., Pircs, E.B .. Salvado, R., Dinis, P.B., A Numerical model of passive and active behavior of skeletal muscles, Computer methods in applied mechru1ics and engineering. 151 (1998) 419-433. Prendergast, P.J., Ferris, P., Rice, H.J., Blayney, A. W., Vibro-Acoustic Modelling of the Outer and Middle Ear using the Finite-Element Method, Audio! Neurooteol. 4 (1999) 185-191.

Yeoh, O . .H., Characterization of elastic properties of car-bon-black-filled rubber vulcanizates. Rubber Chemistry and Technology, 63 (1990) 792-805.

L066 Maputo, 29 Agosro - 2 Setembro 20 /I

6" Congresso Luso-Mo9aJnbicano de Engenharia

Ref: 3448 18R

AV ALIA<;AO DA COLUNA VERTE.BRAL UTILIZANDO 0 INSTRUMENTO METRJCA VERTEBRAL

C laudia Qua rcsma*1, Mario Forja z Sccca'.2, .Joilo Cuyri 0'Nci114

'5

, Jorge B1·anco5•6

1Celitec. Dcpartamento de Fisica, Fac. de Ciencias e Tocnologia, Universidade ova de Lisboa. Monte de Caparica, Portugal :Ressonancia Magnetica - Caselas. Lisboa, Portugal ' Celitec, Faculdade de Ciencias Medicas, Univcrsidade Nova de Lisboa, Portugal 1Faculdade de Ciencias Medicas, Uoivcrsidade Nova de: Lisboa, Portugal ~Matcrnidade Dr" Alfredo da Costa, Portugal •Email: q.claudia@fct.unl.pt

RESUMO

0 Mclrica Vertebral e um instrumento inovador que permite uma avalia~ao global da coluna· vertebral, idcntificando a posis;ao 3D do vertice das ap6fises espinhosas e assim permitindo obter-se uma imagcm sistcmatizada das caractcrfsticas biomcd\nicas da col una vertebral.

E constiruido por um C01po e urn Suporte. Por seu tumo, o Cotpo e cooslituido por uma pes:a vertical e 18 pcs:as horizontais que denominamos Posicionadores 2D. Cada Posicionador 2D e regufavel C ajustavel de forma a identificar 81 pOSiyliO em X, y e Z de cada vertice das apoJises espinhosas, desde a primeira vertebra cervical ate a primeira vertebra sagrada (Quaresma et al, 2009; Quaresma et al, 2010).

foiguna I : Lmagcm do Metrica· Vertebral (Quaresma et al. 2009)

Atraves de um processo de validayiio do Metrica Vertebral verificamos que e um instrumento fiavel c valido quando comparado corn um sistema optoelectr6nico (Quaresma et al, 2010). Numa primeira utilizas:ao experimental do instrumento obtivemos resultados para a aplicas:ao do rcferido dispositive em 49 gravidas cm quatro momentos da gravidcz (12, 20, 32 e 37 semanas de gesta~lio) (Figura 2).

No nosso estudo, observamos que o coeficicnte de correlayao da posic;:ao y entre todas as vertebras da mesma regilio as 12, 20, 32 e 37 semanas e significativo. A correlas;ao e muito fm1c entre as vertebras cervicais e menos fi:Jrte nas vertebras dorsais (nas que se encontram anatomicamcnte mais afastadas, por excmplo, entre a D I e a D LO) e nas vertebras tom bares (por excmplo entre a Ll e a L4). No entanto, apesar do coeficiente ser mais baixo, nao deixa de ser muito significativo.

Capitulo XXXI V: A Engenharia ea Biomedicina 1067

3" Congresso de Engenharia de Mo~ambUjue

-_,_ ,._ ., __ _ .,_ Posi~ao Y lcoericiente

12s Pl99-0192" ..

Cl a Cl ~Os ~99·0~91H [2s p,99-0,94*'"

37.s ~99·0195"· 125 p,98-0,58 ....

20s p,99-0180** 01 a 012

p,98-0159;U 32s

37 s P~60 ·0,98u

12 s Pl98·0,43**

20s p,98-Q9QU L1 a 51

I I

32s lo,98·0,80*"

Vertebra 37 s 0.79·0198**

Pigura 2: Apresentar,:ao da posir,:ao y media de cada uma das vertebras (de C I a SI) iis l2, 20, 32 e 37 scmanas de gcsta9ao; Coclicicntc das correla1;oes entre as vertebras (posic.'l'o Y) das rcgi~cs cervical, dorsal e

lombo-sagrada (dto)

Observamos tambcm que o coeficiente de correlaylio da posiyilo y entre todas as vertebras da mcsma regiao as 12, 20, 32 e 37 semanas e significativo. A corrcla~ao 6 muito forte entre as vertebras ccrvicais e menos forte nas ve:rtebras dorsais (nas que se encontram anatomicamente mais afastadas, por cxemplo, entTe a D I ea D I 0) e nas vettebras lombares (por exemplo entre a Ll e a LA). No entanto, apcsar do coeficiente ser mais baixo, nao deixa de se1· muito significativo.

Rcal9amo que os rcsultados alcan9ados corn o Merrica Vertebral abrem caminho para futuras abordagens numa 6ptica de prevencao em saude publica. que pode ser aplicado rcpetidas vczcs sem prejuizo do individuo. Acresce o facto de scr pouco dispendioso, de facil transportee aprcsentar poucas exigencias logisticas, o que o toma passive! de ser utilizado em difercntcs contextos entre os quais o ambulat6rio: publico e privado (centro de sa(tde I consult6rio) e hospitalar. Apresenta-se como um instrumento corn diferentes aplica~oes sobretudo nas areas da ortopedia, neuro•cirurgia, pediattia e reabilita~i'io.

Corn a constru~i'io do Metrica Vertebral, esperamos contribuir para uma melhor identificas;ao das disfunyoes e/ou patologias da coltma vettebral, na posi~ao de pe. Atraves de um melhor diagn6stico poder-se-a elaborar e implementar programas de intervcnt;:i'io mais dircccionados aos problemas cspccificos de cada pessoa.

REFERitNClAS

Quaresma C, Jolio F, Fonseca M, Fm:jaz Secca M, Yeloso A, Goyri O'Neill J, Branco J. Validation of Vertebral Metrics: a mechanical instn1ment to evaluate posture of t.he spinal column. 0. Dossel and W.C. Scblegel (Eds.): WC IFMBE Proceedings 25/YU, 2009: 7 11 -713.

Quaresma C, Joao F, Fonseca M, Fm:jaz Secca M, Veloso A, Goyri O'Neill J, Branco J. Comparative evaluation of Lhe tridimensional spine position measured with a new instrument (Vertebral Metrics) and an Optoelectronic System of Stereophotogrammetry. Medical, Biological Engineering and Computing 2010; 48(11): 1161-1164.

1068 Maputo, 29 Agosto 2 Setembro 2011

66 Congresso Luso-Murarnhicano de Engenharia

Ref: 344805R

AV ALIA~AO NAO-lNV ASIV A DA PEllFUSAO CEREBRAL POR MEIO DE IMAGEM DE RESSONANCI A MAGNETICA: NOVOS DESENVOLVIMENTOS METODOLOGICOS

P. Figuciredo*1.z, 1. Sousa '·1· '. N. Santos'·u, J. Sanches'·2, 1'. Yilcla"

' Institute for Systems and ,Robotics. Lisbon, Portugal 1Bioengineering Department, lnst ituto Superior Tccnico, Lisbon, Ponugnl ' Hcalthcare Sector, Siemens. S.A. , Portugal ;lmaging Department, Hospital da Lu:l. Lisbon, Portugal • F. mail: patricia.figueiredo(ci, ist.utl.pt

RESUMO

A perfus1io cerebral constin1i um parametro fisiol6gico de grande importancia oo diagn6stico e monitorizayao da doen9a cebro-vascular, assim como em diversas patologias neurol6gicas c psiquiatricas. A imagem por ressonancia magnetic-a {RM) permire avaliar a perfusiio cerebral de forma cornpletamente nao-invasiva, por meio da tecnica de marcayao de spins arterials (Arterial Spin Labeling, ASL). Relativamcnte a outras tecnicas, atraves de ASL e ainda possivel obtcr medidas quantitativas da perfusao e nao apcnas avalia~ao qualitativa (Pctersen et al., 2006).

Apesar do seu grande potencial, a imagem de perfusao por ASL ainda apresenta importantes desafios mctodo16gicos impcdindo a sua total i ncorporayao nos protocolos clinicos. Em particular, a allerayao da dinfunica da circulayao cerebral conduz a erros sistematicos na medi9ao da perfusiio usando as tecnicas de ASL convencionais (Bokkers et al., 2008). Ncstes casos, seria desejavel estimar os tempos de transitc, arteria is, assim como a perfusao, de modo a obler medidas corrcctas de ambos os parametros. E possivel modificar os protocolos de ASL convcocionais de modo a realizar estas medic;:oes, por meio da aquisiyao de imagcns em mUitiplos tempos de marcayao. Pode depois ajustar-se um modelo cinetico apropriado a estes dados, donde se cxtraem os valores dos paramet1·os perfusao e tempo de transito arterial (Buxton et al., 1998; Figueiredo et al., 2005). A rnaior dificu]dade na implcmentayao destas tecnicas com multiplos tempos de amostragcm e a muito reduzida razao sinal/ruido intrinseca dos dados de ASL. De facto. sao tipicamente necessarias 40-60 repeti9oes de cada aquisi9ao para obter imagens corn a razao sinal/mido sufic'iente. A durayao total das aquisiyocs pode pois aumcntar demasiado se nao forem cuidadosamente seleccionados os tempos de aquisiyao a amostrar.

Neste rrabalho, introduzimos entao alguns desenvolvirnentos metodol6gicos ao nivcl da aquisiyi!o e da amilise dos dados de ASL a multiplos tempos de amosiragem, com o objective de optimizar a estimayi!o dos parametros perfusao •e tempo de trlinsito arterial.

Em primciro lugar, desenvolvemos um algoritmo para a selecv1io de um conjunto 6ptimo de tempos de amostragem e respectivos ni1meros die repetic;;oes, que minLmizam os erros de medi9iio da perfusao e do tempo de tr§nsito arterial (Sanches et al., 20 I 0). 0 algoritmo e baseado oa matTiz de infonuavilo de Fisher e incorporn tambem i nforma~ilo a priori sobre as distribui96cs fisio l6gicas dos parfunetros do rnodelo cinetico. Em seguida, combinamos esta estrategica 6plima. de aquisiyao dos dados corn urn metodo Bayesiano de estimayao do modelo cinetico, o qual minimiza uma fun9ao de cnergia baseada no max.imo a posteriori, incorporando tambem infotma~iio a priori sobre as distribui~oes fisiol6gicas dos parametros, assim como o ruido dos dados (Santos et al., 20 I 0). Finalmentc, adicionamos ainda

Capftulo XXXI V· A Engenharict e a Bioma.dicina l 069

3u Congresso de Engenharia deMor;mubique

informas;ao a priori sobrc a estrutura espacial dos mapas de perfusao e tempo de transito arterial, nu m contexto Bayesiano (Santos et al., 20 11).

Os resultados das simutas:oes de Monte Carlo mostraram que os etTos de mcdis:ao sao de facto reduzidos com a abordagem que propomos. Para alem disso, aplicamos esta metodologia a aquisis:ao e am\lise de dados de ASL die urn grupo de voluntaries saudaveis, num sistema Siemens de 3T e verificamos que conseguimos uma reduyao da variabilidade inter-sujeito das medis:ocs. Em conclusao, os novos descnvolvimentos metodol6gicos aqui apresentados indicam que sera possivcl optimizar a imagem de perfusao por ASL de modo a que em breve possa ser incorporada nos protocol os cl in icos de avalias:ao da perfusao cerebral.

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Figure I: Mapas de perfusao (mllmin/ lOOg), obtidos corn um unico ( l' linha) e corn multiplos (21 linba) tempos de amostragcm; e mapas do tempo de uiinsito arterial (s) (3" linha), para 7 cortes de urn individuo saudavel.

REFERENCIAS

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Sanches, J., Sousa, I. & Figueiredo, P. , 2010. Bayesian fisher information criterion for sampling optimization in ASL-MRl. Tn P·roc. of the 20 I 0 IEEE international conference on Biomedical imaging: from nano to Macro. IEEE Press, pp. 880-883.

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Santos, N., Sancbes, .1. & Figueircdo, P., 2011. Spatial priors for perfusion and transit time estimation in PAS L-MRI, In Proc. of the 8111 IEEE International Symposium on Biomedical lmaging (lSBT), March 30 - Apri I 2, 20 I I, Chicago ntinois, USA.

1070 Maputo, 29 Agosto - 2 Setemhro 20/ l

6" Co!Igre$so Luso-Mo~·ambicano de Engenharia

Ref: 344814R

IN VIVO BRAIN TISSUE MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY CLASSIFICATION USING ARTlFICAL NEURAL NETWORKS, SUPPORT VECTOR MACHINES AND GENETIC ALGORITHMS

Pedro Gon~alves '', Jose Neves, Victor Alves Universidade do Minho, Departamcnto de lnformatica - Braga. Po11ugal • Emuif: araujogOitcal vcspedrolh gmai l.com

ABSTRACT

Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) provided evidence as a reliable and non-invasive alternative me:thodology to problem solving in intracranial brain biopsy in biochemical analysis of il'1 vivo brain tissue [Meyerand et. al., 1999]. M RS presents metabolitc iufotmation, however, the relatively difficult analysis of the resulting spectra and the need for specially trained radiologists stands for as the main obstacle fo r total acceptance o f such technique as a clin ically app\jcable diagnostic tool [Sibtain et al., 2007).

Lukas [2004], Poptani [1999J, Hegberg [1998] and others have developed some work in order to elaborate methods for an automated c lassification of this data into speeific brain tumor anomal ies.

Oliveira et al. f20l0J general approach used spectra of four types of d iagnosed patients: Tumor, Vascular, Healthy and Other in a total of 68 different spectra. We believe that Uliveira et a\. 's approach is lhe righl one and the first step towards a gradual exclusion process that, at the end, would result on a specific pathology. Such clas.siticatiun process could afterwards be included in Clinical Decision Support System (CDSS) and bclp clinicians in the differential diagnosis of brain lesions.

Based on Oliveira et al. ' s work, we classified rbc sixty eight different spectra into the four designated classes recurring to Genetic Algorithms (GAs), Artificial Neural Networks (ANNs) and Support Vector Machines (SVMs).

The classitkation process was divided in three different approaches: (I) Oliveira et al.'s experience was recreated and matched against ANNs and SVMs classitiers in the same conditions; (2) an evolutionary GA was used to optimize the weights of the diiTerent attributes before they were used by the different classifiers; (3) a multi label binomial[ classification was used.

As stated before, in the second approach and with respect to the classification task, the validation p rocess (training and testing) was wrapped inside an evolutionary attribute weight optimizer that added a multiplier to each attribute before submitting it to the classification algoritJun. Table I presents the results obtained with the first and second methods, showing U1al the addition o f the GA significantly improved the classifiers perfomumces.

Table I.Comparisoo between the average Acctlracy/Balanced Accuracy Rating of 50 repetitions on the learning aud l.l~sting process with or wi thout the use of the Evolutionary Attribute Weightill!g oplimizalion

Classifier Naive Bayes KNN Decision Tree At\'N SVM

Without Weighting EYoluliooary Weighting Acc.uracy BAI{ Accuracy BAR

43,20%±8.35 0,40 73.30o/o:1:3,95 0,68 46,00%J:I0,30 0,44 70,03%±4,84 0,68 4!,90"MIO, l4 0,37 67,80%±3.89 0,60 47.40o/o:1:9.50 0,44 75,00%±3,32 0,70 44,00%±8,66 0,34 71,700/o±4,20 0,62

Capilu/(J X"..XXJV: A Engenharia ea Biomedicina 1071

3° Congresso de l::ngenharia de Mogambique

Although there was a significant improvement between the first two approaches, the results were not yet satisfactory. The multi labe l binomial classification was used with the intent of simplifying the classifiers work. The atttribute set was changed replacing the label attribute (Pathology) with four new binomial attributes representing each class (Healthy, Tumor, Vascular and Other).

This enabled us to divide the original\ data set in iour and apply independent classifiers, virtually increasing the original size of the data set. Table 2 shows a significant performance improvement over the single label approaches.

Table 2.Comparison between the average Accuracy/Balanced Accuracy Rating of 50 rcpditions on the learning and testing process ofU1e different classes in a multi-label context using Evolutionary Weighting

Classifier Narve Baycs K 'N Decision 1 roe ANN SVM

"Uealthy" "Tumor~ -'Vascubr" "Other" Accuracy BAR Accurucy liAR Accuracy BAR Accurncy

90,60o/o±3,69 0,89 94,50%±3,20 0.94 94,20'Yo±2.89 0,94 96,00o/...,2,24 95.200/.:2,64 0,91 9 1 ,10~W.05 0,90 92,70"/o±3.20 0,85 98,50o/o±2,29 95,30%±2,53 0,90 91,20%±2.36 0,88 95.20%-1:3,16 0,56 %,20%±2,36 98,70%±2, 19 0,97 90,60%±2.76 0,89 94,40%:1.2,94 0,87 96,90o/o12,43 96,60'Y..t2,54 0,87 92, 10"M3,33 0,90 97,20%*2,86 0,61 98,20o/o±2,40

BAJl 0,87 0,96 0,73 0,89 0,55

All classifiers worked better with the binomial classiJication. Moreover, we know that the classification results are mutually exclusive and a case should always be true ('yes") for one and only one of tbe 4 classifications. This fact may help us resolve conflictual classi tications. since the output of the classifiers are always two independent values between 0 and I, representing the probability of being 'yes" or "no".

The results achieved take us to the ,:;onclusion tbat classifying MRS data is possible. Moreover, this is only the first step of a complex classification process. Future work should be done in order to train classifiers that would be able to specify the type ofrumor or vascular problem that may arise. Once the classifier is reliable enough. work on developing and integrating these processes on commonly used medical software should be done.

REFERENCES Hagberg, G., From magnetic resonance s pectroscopy to classification of tumors a review of pattem recognition methods, N uclear Magnetic resonance in Biomedicine. 11 (1998) 148-156.

Lukas, L., Devos, A., Suykens, J. , Yanb:amme. L, Howe, F., Majo's, C., Moreno-Torre. /\. , Graaf, M. V. D., Tale, A., Aru's, C., and Huffel, S. V., Brain tumor classification based on long echo proton mrs signals, Artificial Intelligence in Medicine, 31 (2004) 73-89.

Meyerand M.E .. Pipas J .M., Mamourian A., Tosteson T.D. and Dunn .J.F., Classification of Biopsy-Confim1ed Brain Tumors Using Single-Yoxel MR SpccLroscopy, AJNR Am J Neuroradiol, 20 ( 1999) 117 l 23.

Oliveira S., Rocba J., Alves V., Brain Magnetic Resonance Spectroscopy Classifiers, SoH Computing Models in Industrial and Environmental Applications, 5th International Workshop (SOCO 20 I 0), Corchado E., Nova is P .. , Analide C., Sedano J., (Eds.) Springer - Series Advartces in Intelligent and Sotl Computing, 73 (20 I 0) 201-208.

Poptani, H, Diagnostic assessment of brain tumors and non neoplastic brain disorders in vivo using proton nuclear magnetic resonance spectroscopy and artificial neural networks, Springer-Verlag, 125 ( 1999) 343-349.

Sibtain, N., Howe, F .. and Saunders, D .. The clinical value of proton magnetic resonance spectroscopy in adult brain tumours, Clinical Radiology, 62 (2007) I 09-119.

1072 Mopuro. 29 Agoslo - 2 Setembro 20 If

6" Congresm Luso-Mor,;amhicano de Enge11hal'ia

Ref: 344815R

PLANEAMENTO CIRURGICO ORTOPEDICO ASSISTIDO POR COMPUT ADOR - UMA ABORDAGEM 3D

J o!io Ribelt·o'", Jose Neves, Victor A Ives Univllrsidadc do Minlho, Departamen10 de lnfornuitica- Braga, Portugal •£mail: yohananJp!li,!gmail.com

RESUMO

0 planeamento pre-cin1rgico sempre se constitui numa boa pratica oa cirurgia . Na area em que se desenvolve este trabalho, a cirurgia ortopedica corn inser~ao de implantes, e de cxtrema importiincia um total controlo do posicionamento do implante a introduZ'ir no paciente, por forrna a maximizm· a taxa de sucesso. Para o planeamento cirUrgico ortopedico e fundamental que o cirurgiao tenba pleno conhecimcnto da posiyao do implante a introduzir e a sua localizacao/integraciio no osso. No entanto, os cirurgioes tem apenas uo S()U d ispor tuna scrie de prograrnas baseados fundamentalmente no processamento de imagcns cm duas dimensoes (20), ou, quando existe a possibilidade de utilizacao de tres dimcnscies (3D), fa-lo corn auxilio a mo delos vectoriais, nonnalmente utilizando o Computer-Aided Design (CAD), iucompatlvel corn a reprcsenlavao matricial das imagens das modalidades de imagiologia mais utilizadas. 0 objective dcste trabalbo passa pela elaboravao de uma tecnica que pennite resolver a incornpatibilidade de formatos existente entre a represcotar;ao vi11ual do apoio flsico de base vectorial e o estudo imagiol6gico de base matricial.

Tendo em aten9ao o facto de algumas modalidades de cxames de imag;iologia serem conslitufdos por urn conjunto de imagens correspondcntes a cortes de cspesswra regular (e.g. Tomografia Computorizada (TC) e Ressoniincia Magnetica (RM)) e dada a crescente utilizayao de irnagens a tres 3D, a comu.nidade medica apercebeu-se da oportunidade para melhorar as propriedades de diagn6stico e terapia (Malandain & Rocchisani, 1993) (John & McCioy, 2004). Esta utilizacao pode ser vista como uma fonna complementai· a analisc feita em imagcns 20. A motivayao para a utili£ayao da tecoologia 30 passa por procluzir uma saida corn iofonna9a0 qua li tativa e quaotitativa sobre essa mesma zona de uma fc•rma espacial a partir de urn conjunto de imagens relativas a uma zona especifica do corpo bumano (Udupa & Hem1an, L999). Este tipo de informayao (: de base matricial. Ja o modelo rerpresentativo do apoio fisico fornecido pelo fabricanle do mesmo e de base vectorial, gcralmente em formato eXtensible Marlmp Language (XML), origioando uma incompatibilidade de formatos. Para que seja viavel a interoperas;ao destes dois modelos, e necessario proceder a cc:mversao de urn dcles. Por forma a possibilitar uma avaliacao mais realista ao cirurgiao, cxistem vaotagens na conversao para modelo corn base matricial, possibilitando assim ao cintrgiao uma constantc amilise do exarnc real. Na tecnica proposta, os modelos dos fabricantcs sao todos convertidos para base matricial e armazenados num reposit6rio para posterior utilizayao.

0 lluxo de i:nfmmacao da tecnica proposta c ilustrado na Figura I. 0 processo inicia-se corn a aquisi91i0 das imageos. Na segunda etapa o cinu·giao selecciona no reposit6rio o(s) implante(s) de apoio que considerar mais conveniente. Nesta etap<1 e efectuada uma analise em 20 que fomece ao cirurgiao uma visao clara da extensao do problem.a, permitindo a colocacao do rnodelo na posicao correcta. Na terceira etapa e gerado o modelo tridimensional, que possibilita ao operador uma analise espacial do conjunto. Esta elapa e revers! vel para que, caso seja necessaria, se possa voltar a ctapa anterior podendo alterar a posi9iio do implante ou ate substitui-Lo. Na (tltima etapa e cxportado urn relat6rio com toda a infonna~Yao do

Capimlo XXXIV: A Engen7raria ea l)iomedicina l073

3" Congresso de Engenharia de lvfo(:ambique

planeamento, desde djmensoes, posiyao do implante, screenshots, para apoio do cirurgiao durante a cirurgia. Consegue-se deste modo, fornecer aos cirurgioes ortopedistas uma ferramenta para planeamento cirtirgico mais precisa, facilitando assim a am\lise/avaliayao por parte do cirurgiao.

Figura I: Fluxo de lnformas;ao

RJEFERENCIAS

Udupa, J., & Herman, G. (1999). 3D Imaging in Medicine (2nd Edition ed.). CRC Press.

Jollln, N. W., & McCioy, R. F. (2004). Navigating and visualizing three-dimensional data sets (Vol. 77). Manchester: The British Journal of Radiology.

Malandain, G., & Rocchisani, J.-M. (1993). Matching of 3D medical images with a potential based method. INRJA, EPTDAURE (INR!A Sophia Antipolis). Le Chesnay: INRIA.

1074 MaputoJ 29 Agosto - 2 Setembro 2011

6" Congresso Luso-Mor;ambicano de Engenharia

Ref: 34482 I R

OBTEN<;AO DE FORMA EM MATLAB® A PARTIR DE JMAGENS OBTIDAS POSTMORTEM

Pedro Talaia*, Marco Parentc, Antonio Fcrnandcs, R.cnato M. Natal .Jorgc

IDMEC-FEUP - Universidade do Pono - Porto, Portugal *Entail: ptalaia@fe.up.pt

RESUMO

0 uso de imagens para a reconstruryao de partes do corpo humano e recorrente para fins cHnicos, simulat,:ao ou avaliacrao [Tavares et al., 2009]. A criac;:ao de geomctrias anat6micas e cada vez mais uma ferramcnta usada tanto na engenharia, como ua medicina [Barneva et al., 2010].

E recorrente o uso de imagens em escala de cinzas provenientes de sistemas classicos de diagn6stico, como TAC (Tomografia Axial Computorizada) ou RM (Rcssonancia Magnetica), mas e conhecido as limitac;:Bes das imagens originais em tennos de diferenciaryao de tecidos moles e de resoluc;:ao.

0 problema da resoluc;:ao das imagens aumeJnta quanto maior for a area cm estudo para a reconstruryao de geometria. 0 recurso a sujeitos post mortem permite a obten,:ao de imagens por metodos destrutivos, como e exemplo o projecto "Visible Human Project". Este projecto inclui imagcns de urn cadaver masculine e um cadaver feminino, ambos os cadaveres corn imagiologia cl<\ssica (TAC, RM, rX), juntamcnte corn imagens obtidas corn filme 72mm e digitalizado a J I Mpx.

A conversao e tratamento das imagens ja foram descritos pclo autor em trabalhos prev10s [Talaia et al. 20 J I a, Talaia et al. 2011 b].

0 presente trabalho apresenta a forma como os aulores obtiveram varias forrnas de 6rgaos humanos, a partir das imagens do projec:to "Visible Human Project", recorrendo ao MATLAB®.

~-

-400 -420 -440 -350

-300

150 200

Figurd I. Nuvem de pontos para ossos •entre imagens 1400 e 1450 (400 e 450rnm)

Agradecimentos

Para a realizac;:ao deste trabalho, os autores agradccem o apoio das seguintes institui,:oes:

Fundat,:ao para a Ciencia e a Tecuologia, pela bolsa de investigat,:ao SFRWBU33924/2009.

Capitulo XXX1 V: A E ngenharia ea Bfomedicina 1075

3u Congresso de Engenharia de Mor;ambique

Fundac;ao para a Ciencia e a Tecnologia pelo fina nciamento concedido atraves dos projectos: "Methodologies to Analyze Organs from Complex Medical Images -Applications to the Female Pelvic Cavity" e "Cardiovascular lmaging Modcling and Simulation - SIMCARD", corn as referencias PTDC/EEA-CR0/103320/2008 e UT Aus-tin/CN0047/2008.

U.S. National Library of Medicine, pelas imagens provenicntes do projccto "Visible Human Proj ect"

~~~ TI!E \'ISffil E IIU\{A'\ I'R

REFERENClAS

Barneva, R. P., Brimkov, V. E., Haup1tman, H. A., Natal Jorge, R.M., Tavares, J. M. R. S. (Editores), Computational Modeling of Objects Represented in Images, LNCS Series, ISBN 978-3-642-127 11-3, (2010).

Tavares, J. M. R. S., Natal Jorge, R.M. (Editorcs), Advances in Computational Vision and Medical Image Processing, Computational Methods in Applied Sciences Series, Vol.13, Springer, ISBN 978-1-4020-9085-1, (20109).

Talaia, P., Parente, M., Fernandcs, A., ~atal, R., ''Criac;ao de gcometrias anat6micas recorrendo a imagens RGB", 4° Congresso Nacional de Biomecanica, February 4-5, Coimbra, Portugal, (20 I I a).

Talaia, P., Parentc, M., Fernandes, A , Natal, R., "Manipulac;ao de imagcns RGB c reconstruc;ao de gcometrias anat6micas···, CMNE20l l - Congress on Numerical Methods in Engineering, June 14-7, Coimbra, Portugal (aceitc), (201 I b).

1076 Maputo, 29 Agosto -2 Setembro 201 I

6u Congresso Luso-Mo~·ambicano de Engenharia

Ref: 3448 I 9R

NORMALIZA<;AO DO REGISTO CJl.OOCO ELECTROl\ICO NA DERMATOLOGIA

Julio Duarte *1, Manuel S:~ ntos2, Ant()nio Abelha1

, Jo<Sc Macbado1

1Univcrsidadc do Minho, Departamento de lnformatica ( DJ) - Braga, Ponugal 2Universidade do Minho, Departamento de Sistemas de I nforrna~ao- Ouimarnes, Ponugal • t:mail: jduane@di.uminho.pt

RESUMO

A lnforn1atica Medica (IM) e uma area mul.ti-disciplinar que resulta de duas disciplinas principais, as Tecnologias de lnforma<:ao (Tl) ea area das Ciencias da Vida e da Sa(tde. A IM e um assunto de imp01tancia crescentc em todo o mundo, pelo contribute que pode proporcionar na modernizac;ao e na melhoria da qualidade da presta9ao de scrviyOS de saude, atraves de uma mell10r gestao da informayao assim como dos rccursos associados [Van Bemmel et al., 1999). No contexto da necessidade de gestao e da organiza9a0 da in!onna9ao hospitalar surgem os denominados Sistemas de Jnformayao Hospitalar (S lH). Um SlH podc ser dcfinido como um subsistema hospitalar com urn can1cter s6cio-tccnol6gico, que engloba o processameoto de toda a informac;ao, bem como o papel dos profissionais cli.nicos [Haux. 2006].

0 Proccsso Clinico Electr6nico (PCE) e considerado urn SJH, por cxcelencia, e pode scr definido como o registo infonnatico de todos os dados clinicos do paciente, ou seja, de toda a infom1a~ao desde dados demognificos, hist6ria clfnica e meios complememares de diagn6stico. Esres dados estao inseridos num sistema clectr6nico que pcrmite a captura, a manuten~ao, a transmissao eo annazenarnento de infonna~ao clinica, a qual e essencial, niio s6 para o conecto acornpanbamento do estado de sailde de cada pacicntc, mas tambem para outros cfeitos, como por exemplo para prop6s.itos de gestao de custos [Eiberg, 2004]. Uma das principais annas do PCE e o reduzido espa9o que ocupa urn dispositive capaz de annazenar uma enorme quantidade de infom1ayao, sendo que esta vanlagem acentua-se mais ainda corn o desenvolvimeuto das ciencias cornputacionais. Esta caracteristica pennite uma melhor organizayao de todo a hist6ria clinica de urn detem1inado paciente e a tacilidade de cousulta na hora de realizar urn diagn6stico [Abelba, 2004].

Devido ao aumento da informa~ao clfnica, acentuado nos ultimos anos, e motivados pela necessidadc de uma melhor organiza~ao desga infom1ayao, o Ccntro Hospitalar do Porto (CHP) e o Grupo de lnteligetJcia Artificial da Uruversidade do Minho, criaram um PCE, o AIDA-PCE. Este PCE cncontra-se em funcionamento no CHP e tern sido alargado a todos os serviyos desta inslituiyiiO. Corn esta expansao do PCE surge a necessidade de paramctriza9ao e nonnalizayao do registo clinico, de fonna a. resolver a problem~itica de ma comunicac;ao entre clinicos. lnlemamente, este problema aco1ntece entre clinicos do mesmo serviyo, clinicos de diferentes servi~os medicos e entre servis:os medicos e laborat6rios de analiscs ou ccntros de imagem medica. A ma comunicayaO atinge maiores dimensoes quando ha troca de infonnac;ao para o exterior. E devido a probtermitica da dificuldade na partitha de infonnayao clinica que surge a necessidade da realizayao deste trabalho, corn o intuito de tomar o proccsso clinico pcrccptivcl a qualquer clinico e promovendo a interopcrabilidade de sistemas [Macbado et al. , 2007].

De facto, quando se fa la em PC£ c se avaliam todas as suas funcionalidadcs, tern de se pensar na interacyiio e na comunicayao entre variados sistemas de infonnac;ao. equipamentos

Capitulo XXXIV: A £ngenhm·ia ~et Biomedicina 1077

3" Congresso de Engenharia de Mo~·ambique

biomedicos e clinicos. Para que baja sucesso ncssa cornunicaviio, a infonnaviio transmitida tern de estar padronizada e nonnalizada, ou seja, e necessaria que todos os dados cstejam estruturados e que toda e qualquer possibilidade de dupla interpretavlio seja eliminada. Ha tambem que ter em conta a semantica das bases de dados utilizadas, para que a infonna~ao possa ser eomprecndida pelos outros sistemas. A utilizavao dos sistemas de classificavlio e de codificayao de infonnavao cllnica garante a boa comunicac;;ao entre os prolissionais de saude e a interoperabilidade entre sisternas, permitindo assim alguns automatismos no registo hospitalar [ Abclha, 2004] [Duartc J. , 2008].

Os sistemas de classificayao e de codificayao nlio sao tnais do que nonnas de representa9lio ou vocabulario ulilizados para faci litar e aumentar a eficiencia no arquivo e troca de inlonnac;;ao clinica. Existem varios sistemas de classi:fica<;li.o e de codificac;;ao. scndo que o mais utilizado em Portugal c a International Classification of Diseases (!C D), utilizado tambem na realizac;;ilo dcstc trabalho. A !CD para alem de c:odl-ficar diagn6sticos tern uma c lassifiea~iio de nilo doeoc;;as (e.g., transplantados, recem nascidos), procedimentos, causas externas de lcsoes e envenenamcnto, morfolog ia e farmacos. 0 objectivo da ICD e ser uma classificavilo para promover a standardi7.a9!lo a nlvel intemacional de estatisticas de mortalidade e morbilidade [Duarte J ., 2008].

A realiza.;:ao deste trabalho pennitiu normalizar e parametrizar o registo de in torma.;:ao clinica no comexto do PCE no servi9o de dennatologi;a do CHP. Para isso foram criados formularies que permitem aos c linicos do serviyo registar e coosultar toda a inlormayao clinica. Desta forma este trabalbo permitiu a interoperabilidade entre sistemas no PCE, quer deotro da mesma instiluiyao quer entre instituivoes~ pennitiu o tratamento posterior dos dados e realiza9li0 de estudos estatisticos; tomou o registo acessivel e perceptive! a qualquer profissionaJ clinico; C potenciou 0 suporte a d•xisao clinica, contribuindo para a diminuiyaO do erro medico c trazcndo maior qualidade de servi90 para o utente.

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1078 Mapwo, 29 Agosto- 2 Setembro 201 I

6" Congre.tso Luso-Mo~·wnbicano de Engenharia

Ref: 344812R

PHOTO NI CS FOR HEAL THCARE

Lucia Bilro*1, Nelia AJberto1

, Paulo Antunl·s1, C:Hia Lt~itiio1 , Hugo Lima1

, Pnulo Andn~1, Rogerio Nogueira:, Joiio L. P in to1

1Department of Physics, 13N, University of Aveiro, Aveiro. Portugal ~lnstituto cte Telecomunica~<'les Polo de Aveiro, Aveiro, Portugal "!;mail: lucia.bilro@~n.pt

ABSTRACT Optical !iber technology presents several advantages over others sensing methodologies. They include passive operation and immunity to interference from electrostatic, e lectromagnetic and radio frequency sources, chemical stability, biocompatibility and long-term survivability. In addition optical (iber sensors present high sensibil ity, good linearity and the possibility to be integrated into several structures. llence, it is not unexpected that, in the last years, has been a significant enhance on the number of works reporting the application of optical fiber based sensors and systems in heaJthcare, as will be described.

In this paper, three potential applications of optical sensors in healthcare, namely characterization of dental materials, study of bone defonnation and monitoring of human joint movement will be presented.

Dental materials have been commonly applied for endodontic, orthodontic and periodontic purposes. The knowledge of their properties and proper manipulation is essential to obtain the best results in oral healthcarc. For inslance, an inappropriate selection of dental cement can lead to the appearing of microcracks at the tooth composite interface or leakage and fai lure of the restoration. Additionally, the recommendations of the products manufacturers are not always correctly foJiowed by the dental technicians, so it is important to investigate the implications of this procedure in the properties. of the final product. The characterization of polymerization reaction of cements and the stUldy of di!Terent water/powder ratios of dental gypsum will be presemed. The tests were accomplished with fibcr Bragg grating (FBG) sensors. The data provided in these studies arc pa11icu!ru·ly important information for the dental technicians, in order to obtain the best results in their works.

FBG sensors are also a promising alternative to other sensing methodologies to assess bone mechanics in vivo. The knowledge of the response of bone cells/bone tissue to FBGs and its -sensing capability in this environment are important issues. A study that addresses these matters in long-tem1 human osteoblastic cell cu ltures is presented. Results showed that osteoblastic ceUs were ablt: to adhere and proliferate over the fiber. In addition to the excellent osteoblastic cytocompatibility, FBGs maintained the physical integrity and functionality, as its sensing capability was no1t affected through the culture period. Results suggest the possibility of in vivo osseoiotegration of the op tical fibre/FBGs expecting a variety of applications in bone mechanical dynamics.

A wearable and wireless system designed to e:valuate quantitatively the human gait will be also presented. lt is based on the measurement o f transmittance changes when a side-polished plastic optical fiber (PO F) is bent. Four voluntary health subjects, in five different days, were tested in order to assess inter-day and inter-sub1ect reliabili ty, revealing that llus technique is reliable and only needs a ooetime calibration. Two more optical monitoring devices will be presented for the real-time assessment of the elbow and ankle movements. All devices were tested in different selected tasks and its performance evaluated. Side-polished POF based

Capitula )(XXIV: A £nge11haria ea 8iomedlcina 1079

3° Congresso de Engenharia de Mor;amblque

systems are a valid technique and suitable to aid physicians in the diagnosis and rehabilitation of joint injuries, to monitor the performance of high competition athletes or even to quantify daily activities. The wearable sensor systems have properties such as portability, low-cost, fri endly operation and less effect to human which are important topics in biomechanics and clinical applications.

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3! so ~ 40 : 30 .. 20 :2 10

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Time (rnin)

Fig 1: Strain evolution during the setting reaction of gypsum, for five different w/p ratios.

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2 3 4 6 7 u I 2 3 4 s 6 7 0 l 4

Time/s b) Time/s c) Time/s s 6

Fig. 2 - Knee angle in three different situation: a) barefoot walking, b) walking with slippers and c) barefoot running

REFERENCES

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1080 Maputo, 29 Agosto - 2 Setembro 2011

6(1 Congresso Luso-Mor;ambicano de Engenharia

Ref: 34481 6R

A FERRIMAGNETIC CEMENT FOR THE TREATMENT OF SOLID TUMOURS BY ELECTROMAGNETICALLY INDUCED HYPERTHERMIA

A. Portela*', I\IJ. Vasconcelos1, J. Cavalheiro2

1Faculty of Dental Medicine, Universidade do Porto, Portugal 2TNEB/Engineering Faculty, Universidade do Porto, Portugal *£mail: aportcla@frnd.up.pl

RESUMO

Ferrimagnetic materials, exposed to an electromagnetic fi eld, are largely utilized in the experimental treatment of tumours by hyperthermia (Moroz, 2002; Suzuki, 2003; Sato, 2008). Hyperthermia is a widely studied method in the cancer treatment, operating in the tumour cells, tumour neovascularization, and it may induce an immunologic and apoptotic response in the whole organism (Hildebrandt, 2002; Pappeti , 2002; Horsman, 2006). The methods currently available to produce bypcrthennia are generally limited by the inabiljty to selectively target the tumour cells, w ith the subsequent risk of affecting adjacent healthy tissues (Field, 1987; Szasz, 2007).

To overcome this limitation and in the context of the magnetically mediated hyperthermia, the Highly focalized Thennotherapy (HFT) technique was developed. This technique consists in the direct injection of a material into the tumour and the subsequent exposition to an external high ti·equency magnetic field , that will heat the magnetic panicles and subsequently, the tumour cells. f or this propose, it was developed a new material, a ferrimagnetic cement (FC), composed by a s ilicate cement and magnetite. In previous studies. the FC demonstrates to be biocompatible (io vitro and in vivo) so, it can remain in the organism during the treatment period without side effects (Portela, 201 0).

The aim of the present study was to evaluate the FC injectabili ty, its perfom1ance within the rumour and the experimental effectiveness in the nunour treatment. The FC injectability was calculated using the following formula: Injectable % = Volume of paste ejected fro m the syringe I Total volume of paste before ejection

C57BL6 mouse were injected with B I6Fl0 me lanoma cells suspension. When tumour reached approximately lOmm in diameter, FC was directly injected into the tumour and its distribution was dete1mined at radiography (Figure la). The FC capabili ty to generate beat in vivo. when exposed to the magnetic field, was monitored through the thermographic image of the animal' s (Figure I b). The FC behaviour within the tumour was assessed by SEMIEDS (Figure 1 c, Figure 2 Graph A and B).

Figure I - (a)Radiographic image of the tumour after FC injection. (b)Thermographic image during the treatment; (c)Morphological analysis ora FC sample, injected with in the tumour. ZS refers to rhc sample surface

and Z9 the sample inside.

Capftufo XXXIY: A Engenha.ria ea Biomedicina 1081

3" Conp,resso de Engenharia de M'or;ambi ue

A : ...

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figure 2 - EDS analysis of the injected FC' sample. The surface (A-Z8) is composed of ea, N associated with P and a high peak of e. Tho:: inside (B-Z9) is composed by ea. Fe, Si, Mg associated toP and a bigh peak of e.

REFERENCLAS

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1082 Maputo, 29 Agosto - 2 Setembro 20Jl

6u Congresso Luso·Mof;ambicano cie Engenlraria

Rcf: 344820R

MULTI-AGENT SYSTEMS FOR NOSOCOMIAL INTEROPERABILITY

Miguel Miranda, Ant6nio Abelha, Jose Mach ado*, Jose !'\eves

DcparUlmento de Jnfonm'uica, Universidade do Minho Braga, Ponugal •£mail: j mac@ di.uminho.pt

ABSTRACT

The hcaltbcare enviionment configures a paradigm of intricate information technology architecLUres, in whicb distinct solutions must share data and Lnfo1mation. The exchange or data and information is of the essence towards the optimisation of existing resources and the improvement of the decision making process. Although interoperabiJity had been stud ied and its implications to care delivery had been considered, the level of interoperability among systems in most healthcare institutions remains frustratingly low (Carr and Moorc, 2003). The disparities among the software solutions within a nosocomial environment present a interoperability problem which we tackle using agent systems and its inherent distributability.

Agent based systems are a paradigm of problem solving which centres in the notion of an autonomous entity that actuates upon its environment. Numerous theoretical proposals and academic prototypes were developed, but no definitive and standard production platfotm has made this paradigm main-stream in software engineering. However, agent-based systems are arriving at a stage of maturity, where there are tools such as JADE, WADE and others frameworks that started a consensus that ma:y help to increase the production relevance of agent-based systems and increase the awareness of its advantages.

When approaching a problem, any interpretation cannot be bonded, a priori, to a specific technology or methodology for problem solving. New systems must be oriented and adapted to better fit into the environment. Using multi-agent systems or agent-based models for problem solving presents itself as a adaptive paradibrm to imbed different technologies and methodologies, which better adapt to the problem at hand. courses in research methodology and practice, i.e., a system of methods used in a particular area of study or activi ty, that can be imbedded in an organized manner.

One methodology that is important for interoperability and can be moddelcd within and agent system is Service Oriented Architecture (SOA). SOA denotes, fundamentally, a collecUon of services, which communicate with one another. The communication process can involve either simple data going past or across or it could include two or more services negotiating some activity; where a service is to be understood as a function that is well-defined, self­contained, and does not depend on the context or state of other services. Connecti.ng services is therefore paramount; indeed enterprise applications and software systems need to be interopcrablc in order to achieve seamless business across organizational boundaries. It may seem extremely similar to the MAS approach, however SOA is an abstraction not bound to one specific technology, once it can be based on web-services, agents or in any other framework following these basic rules. The same can be applied to ontologies for cross­organizational communication, which have been already integrated in existing agent development frameworks. Indeed, new business models also call for innovative approaches to customers, involving collaboration across different organizations and domains and therefore need cross-organizational communication.

Capitulo /\XXI V: A Engenharia e t1 Biomedicina 1083

JQ Congres.vo de Engenharia de Mocambique

In this paper we describe a functioning agent-based environment for nosocomial interoperability. Regarding its architecture:, i1 can be described as a multi-agent system developed under the WorkOows and Agents Development Environment (WA DE) and the Java Agent DEvelopment Framework (JADE). This choice was taken considering that JADE is an Open-Source JAVA based solution which oCfers some advantages, namely the production environment tests, a continuous improvement in any new release, and the demonstrated s tability that assures the support and capability to handle all the events tbat may occur in a production environment. Furthermore, the fact that the framework is fu lly compliant with the specification of the Foundation for lntelligent Physical Agents (FIPA) using the advised architecture and making avai lable several agent communication codecs such as FIPA Semantic Language (SL) and XML, enables one to extend the existing framework to a particular setting, without "rein venting the wheel" Bellifemine et al (20 lOa). Complementary to lhe Agent Communication Language (ACL), the existing ontology server and ontology embedded communication trough plain Java objects, constitutes an important asset that is made available by JADE Caire and Cabanillas (201 0) Canccdda and Cairc (2008). Moreover the use of ontologies over serialized objects allows one not only bavc interopcrability with other agent-based systems, but, to a some extent, to have intcroperability with further non agent-based systems.

On top of JADE, \V ADE offers not only a workflow inspired on agent-based modelling, but also signifieative enhancements to JADEs administration and failure response. Although extensive workflows are also available, co:nsidering the agent philosophy, " micro-worktlow engines" can be embedded into an agent in order to al low a more specitic orientation to these workflows and allow for their uti lization in diverse, extensive or meta workllows. made on a few "micro-workflows".Caire et al (2008).

In order to achieve a stable archive of the information being produced, aggregated and disseminated by the different services, a relational database management system (RDBMS) was used. This feature was also of the greatest relevance for web-based administration, as well as registering and connecting different platforms within an environment lhat evolves dynamically. In fact this environment is constituted by more than on platform, which main­container may change accord ing to the behaviour of the failure recovery services Bellifeminc eta! (2010b).

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1084 Maputo, 29 Agosto 2 &tembro 20 I 1

6° Congresso Luso-Mot;tJmbicano de Engenharia

Ref: 344813R

COMPORT AMEN TO MECANICO DE PROTESES P ARClAJS FIXAS

Paulo Piloto*1, Andre Correia1

, Mar io Vaz-1, J.C. Rei!; Campos1• Jonna Sil,·a•

1Jnstituto Politecnico de Braganc;:a, IDMEC, Bragaoya, Portugal 2Fac. Medicina Dcnlaria da Universidade do Porlo, LOtvrE, Porto, Portugal 3Fac. Engenharia da Univcrsidade do Porto, LOME, Porto, Portugal 41nstituto Politecnico de Braganc;:a, Braganya, Portugal *Email: ppiloto@ipb.pl

RESUMO

A utilizac;ao de pr6teses parciais fixas (PPF) tem como objective a substituic;ao de dentes ausentes, ou dos dentes extensamente destruklos, por estruturas proteticas que possibilitem uma reabi lit.ac;ao funcional e estetica do sistema estomatogmitico. Este artigo avalia a capacidade resistente de PPF de tres elementos, em zirc6nia corn revestimento ceramico, representativas das posic;oes denulrias 34-35-36. As pr6teses forarn cimentadas sobre piJares maciyos, aparafusados em implantcs de titanic, implantados num bloco de tecido 6sseo mandibular.

Urn dos aspectos importantes na biomecanica da reabilitac;ao protetica implanto-suportada esUt relacionado corn a detenninac;ao do esfon;:10 sobre o implante e come este e transrnitido ao tecido 6sseo. As deformac;oes que rcsultam desta actividade podem condicionar o processo de osteointegrac;ao. A micro-estrutura do osso pode assim ficar afcctada pelo campo de deformac;oes descnvolvido por acc;ao medinica .. 0 processo de remodelac;ao 6ssea depende da actividade mecanica e biol6gica, razao pela qual diversos investigadores dccidiram medir e validar numericamente o valor das deforma~oes na zona dos implantes, [ 1-4]. Foram efectuadas medic;oes em duas PPF, utilizando ensaios de tlexao, ver :figura I a.

Um outro aspecto, igualmentc importante, esta. relacionado corn a capacidade de resistencia a fractura. A utilizayao de materiais frageis e com elevada dureza nas PPF, condiciona a geometria c utilizaryao destas estruturas proteti·cas. Neste trabalho sao apresentados os valores de resistencia a fractura de tres PPF, dcterminados atraves de ensaios a flcxao, ver :figura 1 b.

la) Ensaios a Oexao. I b) Ensaios de rotura. Figura I Modclo da estmtura de suportc para ensaios das PPF.

Na figura I estao representados dois tipos de ensaios. 0 ensaio de flex~o distingue-se do ensaio de resistencia a fractura pela existencia de urn bloco rigido de suporte ao bloco de tecido ossea. Em ambos os cases roi utilizada uma carga mecinica incremental de 35 [N], aplicada na fossa do pontico, com uma velocidadc inferior a 0.2 [mm/min], corn uma frequencia de aquisi9ao de dados de l (112]. As deforma~oes foram medidas corn extens6metros }[BM, referencia 1-LY 18-3/350, de acordo corn as posic;oes representadas na figura 2.

Capitz1lo XXXIV: A Engenharia ea Blomedicina 1085

JO Congresso de Engenharia de Mot;ambique

f'igura 2 - Posi~3o dos extens6metros.

foram colocados cinco exlens6metros (EA, EB, EC, ED e EE) na superficie superior da camada cortical, I, e mais dois cxtensometros no pontico, para mediyao da deformayao na direcc;ao mesio-distal (ED2) e na direcyao apical-incisal (ED 1). Os resultados expcrimentais dos ensaios a flexi'io silo semelhantcs e coerentes, ver figura 3. As 7.onas que apresentam maiorcs valores de dcfonnac;:ao estao localizadas nas ext1·cmidades vestibular (EE) e lingual (EC). 0 valor da deformac;ao (ED), na zona interimplantar, comprova a existencia de actividade mecanica.

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Figura 3 - Rcsultados dos ensaios a Oexao da pr6tese I e da pr6tese 2.

Os valores de resistencia a fractura esHio representados na tabela I e foram detenninados cm funylio da primeira fissura vis!vel. Em todos os cnsaios foi verificada a fractura da camada de rcvestimento ceramica, ver figura 4.

Tabela I . Resullados do valor de rcsisteucia a fractura . Amostra For5a limite [N I Pr6tese I 1119.67 Pr6tcse 2 1760.89 Pr6tese 3 1508.89 Media :r DP 1463.15 ±263.77

Figura 4 - fractura da pr6tese 3.

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l4] - Paulo Piloto, Andre Co1Teia, Mario Vaz, J. C. Rcis Campos e Hernani Lopes, "Analise de deformayoes provocadas por uma pr6tese parcial fixa em tecido osseo mandibular"; 4° Congresso Nacional de Biomecanica, ISBN 978-989-97161-0-0, pp 329-333, Coimbra, 2011.

1086 Maputo, 29 4gosto - 2 Selembr.fJ 20 I!

6° Congresso Luso-Mo~ambicano de Engenharia

Ref: 344806R

APLJCA(:OES EM PROSTODONTIA DA BIOMECANICA EXPERIMENir AL

JClse C. Reis Campos*1, Andrc Corrclu1

, Mario Vaz\ Helena Figueiral', Fcrnando Morais Br anco1

1 Pr6tcse Rcmovivel, Facu.ldade de Medicinn Dcnr:iria da Universidade do Porto. Portugal. 1Labornt6rio de Optica e Mecanica E~rperimcntal - Faculdad~ de Engenharia da Universidade do f'orto, Portugal. *Emai/: jcampos@fmd.up.pt

RESUMO

0 aparelbo estomatognatico e um sistema mecanico vivo e como tal e objecto de estudo da Biomeciinica. Pod•e assim dizer-se que este sistema biomecanico, na realiza9ao do conjunto das suas fuoc;:oes e para-fun<;ocs, gera forc;:as e deslocamentos de forma c.ontrolada e coordcnada, em c:ondi9oes de equillbrio. Sempre que os limjtes biol6gicos do sistema estomatognatico siio ultrapassados o sistema passa para uma situac;:ao de irreve1rsibilidade e nilo mais consegue recuperar o seu funcionamento equilibrado. A pcrda das condic;:oes de equilibrio tanto pc•de resultar de acidentes traumaticos, como do aparecimento de situac;:oes patol6gicas que alterem as condic;:oes de utilizayao do sistema.(Natali 2003)

E nestas sirua~oes de perda dcste equilibrio, resultante por exemplo da pcrda dentes, que se ve implicada a Prostodontia, no sentido de reabilitar os espa9os desdentados corn estruturas artificiais que voltem a re-equilibrar o sistema estomatognatico, e todas as fun~:oes que lbe esti!:o associadas, ctOmo sejam a fala, a estetica ea mastiga~ao.(Natali 2003)

A Biomecanica Experimental possibilita o estudo destas situayoes, em modelos in-vi1ro ou in­vivo, de fo rma a que se possa avaliar o comportamento das estrururas proteticas,, removiveis ou lixas, dos im]planles, do osso e dos tecidos de sup01tc cnvolvenles, antes da sua transposiyao para a realidade do consult6rio dentario. Existem varios metodos qu•e podem ser utilizados para o el::tudo e para a simula~ao de siruac;:oes cornpativeis corn a realidade clinica, e que se podem dividir em metodos de amilise experimental e metodos de analise numerica.

Por exemplo, a interferometria bolografica pennitiu estudar os dcslocamentos sofridos por uma pr6tese removivel de extrcmos livres quando sujeita a uma detemtinada carga sobre os seus dentes. Corn a montagem desenvolvida foi possivel avaliar o equilibrio da distribuic;:ao de cargas e dctcctar gradientes de deslocamcntos que se verificam nos tecidos de suporte - moles c duros- por incorrecta adaptayao da sela protetica.(Reis Campos 2005; Campos et al. 2009) Hsta mesma tecnica foi recenternente utilizada para estudar tambem o comportamento estrulural dos elementos de uma pr6lese parcial fixa em cantilever,(Correia 2009)

1\ cxtcnsometria ellectrica tbi oulra das tecnicas utilizadas em trabalhos de investiga~ao, no scntido de analisar as tensoes c as deformac;:oes verificadas na maodibula, numa situac;:ao de reabilitac;iio de espac;:os desdentados posteriorcs corn urna pr6tese parcial removivcl tipo Classe ll de Kenncdy. Estas medi~oes foram tambem efectuadas em regime ilinamico tendo­se concluido da imponancia do papel desempenhado pelos tccidos moles e ligamento periodontal na propaga~ao de ondas de tensao de clcvada fTequencia. Este escudo oonfirma a necessidade tie elemeotos de amortccimento oas superficies de contacto dentc~osso.(Reis Campos 2005)

A fotoelasticidade toi tambem urn mctodo utilizado para avaliar estados de tensoes no interior dos materiais. Com esta t6cnica e possivel avallar a intluencia da geometria, p.e.,. dos dentes acrilicos das pr6teses removiveis sobrctudo no que cooceme com as c(tspides- nas tensoes

Caplrulo :AXXIV: A E;ngenharia ea Binmedicina 1087

3• Congre~-so de Engenharia de Mor;ambrque

geradas no interior da pr6tese e do osso de suporte.(Reis Campos 2005) Esta mesma tccnica foi tambem utilizada no estudo das tensoes geradas no interior das pr6teses parciais ftxas quando sujeitas a cargas simuladoras da mastiga~lio.(Correia 2009)

No scguimento destes trabalhos resultou evidente a necessidade de dispor de ferramcntas que permitissem lidar eom as geometrias complexas dos sisternas vivos. Para isso foram adaptados programas de CAD (dcsenho assistido por computador) e criadas ferramentas de proeessamento de imagem.

Relativamentc a Biomecan.ica Experimental em Medicina Dentaria, em particular a Prostodontia, um dos trabalhos piooeiros consistiu na gcrayiio de urn modclo matematieo de nma mandfbula humana atraves de uma mandibula real e do metodo "plane slicing'",(Reis Campos 2005) hoje perfeitamentc ultrapassado pela imagiologia digital e pelas ferramentas numcricas. Com a evoluyao da informatica, e das tecnologias associadas, a reconstruyao 3D de uma mandibula passou a ser efectuada atraves da utilizayiio de programas infonnaticos de CAD corn capacidade de leitura dos ficheiros DTCOM (Digital Tmaging and Communications in Medicine) gerados pelas tomografias computorizadas.(Correia et al. 2009)

Em Prostodontia a aplicas:ao do metodo dos elementos finitos (MEF) e muito imponante no estudo da complexa distribuiyao das tens5es nos elcmentos proteticos, de forma a optimizar o desenho destas estruluras. A integras:ao dos sistcmas CAD-CAM de Medicina Dentaria com os programas CAD da Engenharia Mecanica permitiu a varios autores utilizar o MEF para a amilise de diferente situayoes clioicas, scmpre corn o objectivo de cstudar a resistencia das estruturas e a loogevidade desses mesmos elementos, bem como comportamento das estmturas de suporte.(Natali 2003: Reis Campos 2005; Campos et al. 2009; Correia 2009; Corrcia et al. 2009)

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Natali, A. (2003). Dental Biomechanics, Taylor & Francis.

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1088 Maputo, 29 Ages to -2 Setembro 20 I/

6° Congresso Luso-M01;ambicano de Engenharia

Ref: 344807R

DETERMINA(:AO DINAMlNA DAS RELA(:OES INTERMAXJLARES EM DESDENTADOS TOTAlS

Patricia Fonseca*, 1\taria Aelena Figueiral, Margarida Sampalo Fernandes, J.C. Reis Cnmpos, Fernando Mor:tis Branco Faculdade de Medicina Dentaria da Univcrsidade do Porto- Porto, Portugal *Email: patfonscca(U,portugalmail.pl

RESUMO

0 nttmero de pacientes dcsdcntados totais com condicionantes estcticas, economtcas, anat6micas ou fisio l6gicas que limitam a reabilitayao oral a pr6tesc total bimaxilar convencional continua a justificar o seu estudo em medicina dentaria. Estes pacientes nao apresentam qualquer relat;i'io de estabilidade entre as arcadas, as quais se relacionam apcnas a nivel da articlllafi:i'iO temporomandibular (ATM). Assim, urn dos principais objeclivos da pr6tesc totul e obtennos um equilfbrio estavel entre a posi9ao de oclusao deotaria, a ATM ea muscu latura eovolvida.

Consequentemente, o registo das rela9oes intermaxilares e urn dos passos cssenciais na coufecfilao de uma pr6tese total e no sucesso de uma n.labitita9ao oral. Alguns autores tern encontrado rcla~ao estatisticamente significativa entre a exactidao das relas;oes intermaxilares ea futura utilizas;ao das pr6teses totais [Fenlon 1999; Dervis, 2004].

De acordo corn o glossario dos tennos prostodonticos a posiyao de relas:ao centrica e uma posiyao mandibular, delcnninada clinicameule, em que ambos os condilos se cncontram na posiyaO mais anterior, superior c centrada na cavidade glen6ide e deve ser obtida sem dor ou desequjlibrio nas ATM. Os pacientes que necessitam de reabilitas;ao oral com pr6tcse total apresentam muitas vezes alterayoes articulares ou limitay()es musculares e anat6micas que tomam dificil a manipulafilllO da mandibula para a relas;iio centrica [Walanabe, 2004]. A rclayiio entre a mandibula e a maxila nos diferentes pianos anat6micos (sagi tal, coronal e transverse) na qual ha equilibrio enu·e a ATM, os musculos ea oclusao dentaria c a posiyao que permite ao medico dcntista plancar e executar a reabjlitayao oral respeitando os principios fisiol6gicos do sistema estomatognatico [Paixfio 2007]. E esta posis;ao de relaryao ceotrica adaptada que se prclcndc determinar com os registos intermaxilarcs, uma vez que a capacidade de remodelayao da ATM, a torna anatomicamente difercntc nos pacienles tolalmente dcsdentados fHongchcn, I 992; Raustia, 1998].

No presente traba lho os autores tem como objective a descrifilaO de uma tecnica para a dclcnninayao das re las;ocs intcrmaxilares baseada no tras;ado intraora l do arco g6tico. A utilizas:ao do arco g6tico para a obtenryao da posis:ao mandibular tern sido descrita por alguns aulores (Watanabc, 2004; Wojdyla, 2006; Paixao, 2007], como mais liavel e reprodulfvel que a manipula¥llO manual, sendo no entanto contestado por outros [Keshvad, 2003 ]. As principais caracteristicas a que urn metodo deve obedecer sao ser fiavel, de tacil utiliza9iio e acima de tudo reprodutivel. A falha na eorrecta determinayao das relayoes intermaxilares tern sido apootada por alguns autores como factor causal, predisponente ou agravante dos disturbios temporomandibulares (Dervis, 2004].

A utiliza9i'io de uma tccnica dinamica, sem interferencia do operador, permite-nos obler corn maior previsibilidade uma reabilita~ao oral em pacientcs desdentados totais onde se restabelece a funyao ea estetica de uma fonna harmoniosa eo mais lisiol6gica possivel.

Capffulo XJ.J\JV· A cngenharia ea Biomedicina 1089

3° Congresso de Engenharia de Mor;ambtque

0 tra~ado do arco g6tico utilizado na deterrnina9ao das rela~oes intermaxilares, apesar de mais exigente em termos clinicos e laboratoriais, e uma forma precisa e confiavel de contribuir para o sucesso deste tipo de reabil itas;ao oral.

REFERENCIAS

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Raustia, A. M., P irttiniemi, P., Salonen, M. A. M., Pyhtinen. J., EfTecl of edcntulousness on mandibular size and condyle-fossa position, J Oral Rehabil, 25 ( 1998) 174-9.

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Wojdyla, S., Using Tntraoral Gothic Arch Tracing to Balance Full Dentures and Determine Centric Relation and OcclusaJ Vertical Dimension, Dent Today, 24 (2005) 74-7.

1090 Mapmo, 29 Agosto 2 Serembro 2011

6° Congresso Luso-Mot;ambicano de Engenharia

Ref: 344803R

EVALUATION OF THE CORTICAL BONE THICKNESS IN EIGHT DIFFERENT HUMAN MANDIBLES

Elza M.M. Fonscca*1, Jairson C. Dinis2

, Joilo K. Noronba3, Mario A.P. Vaz4

; IDMEC-CENUM£ P61o FEUP, lnstituto Politecnico de Bragan~, Bragan<;a, Ponugal 2Mestrado em Tccnologia Biomedica, lnstiluto Politecnico de Bragan<;a, Braganya. Portugal 3Dr. Kntg de Noronha, Clinica de Imagcm!Radiologia, Porto, Portugal 4Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal •£mail: cfonseca@ipb.pt

ABSTRACT

The main objective of this study was to investigate if there is a relation between the cortical bone thickness of human mandibles, with age and patient gender. ln this work, the measure of the cortical bone thickness was obtained using different medical images.

Different human mandibles were obtained, with high resolution, through computed tomography. Computed tomography is the most common technique used for examination of maxillofacial, because it pem1its the visualization of soft tissues and bone structures in the same medical image [Cavalcanti, et al 2001]. This technique is used in several clinical dentistry applications even by axial slices, in two (2D) and three-dimensional (3D) reconstructed images [Rocha, et a/2003], [fonseca, et a/20 I 0].

In this work the cortical thickness was measured using image processing software (Santc DTCOM Viewer FREE, Santesoft). The three dimensional visualization of the medical images was obtained using lnVesalius 3.0 (FREE Beta 2 Software, C. T. l. Renato Archer). An initia l work with this purpose was produced by (Fonseca, et a/201 0] using other software.

A total of eight medical images were analysed in r.vo different groups, figures I and 2. One group was characterized with fo ur r·emale mandibles, from different ages (26-79 years old), figure I. Other group with four male mandibles has similar age (42-57 years old), figure 2.

Figure I. Number of teeth, 20 and 3D scan ofF mandibles.

Figure 2 represents all medical images for M mandibles. As shown, the number of teeth is similar ber.vcen all images, 12 or 13.

Capitulo XXXTV: A Engenharia ea Biamedicina 1091

3" Congresso de Engenharia de Mor;ambique

figure 2. Number of teeth, 20 and 30 scao of M mandibles.

Conclusions about the cortical bone thickness of the mandible affected by tooth extraction, age and gender patient will be produced. The use of this type of information could be useful for complementary diagnostic infonnation and clinical treatment planning.

The use of CT method is an excellent way to distinguish different tissues, as verified in this work. With this capability was possible to determine the cortical mean thiclmess value in different human mandibles.

REFERENCES

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1092 Maputo, 29 Agosto- 2 Setembro 201 I

6'0 Congresso Luso-Mot;ambicano de Engenharia

Ref: 344817R

PROPRIEDADES MECANICAS DAS H.ESlNAS ACRILICAS UTILIZADAS NA CONFEC~AO DE PROTESES DENTARIAS REMOViVEIS

Pntrlcia Fooseca*1, Maria Relena Figueintl, Rui Ribeiro2

, Mario Vazl, Fcmando Morais Branco1

1Faculdadc de Medicina Dentaria da Universidade do Porto - Porto, Portugal 2Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - Porto, Portugal • £mail. pal.fonseca@portugahnail.pl

RESUMO

A introdw;:ao de resinas acrflicas como materiaJ protetico em 1937, pelo conjunto de propriedades combinadas que superam as dos materiais previamente utilizados, revolucionou a pr6tesc removivel [Banerjee, 20 I 0). No entantto, a fractura das pr6teses dentarias e uma sitUayiiO que ainda ocorre corn alguma frequenci:a e e maioritariamcnte atribuida a falha por impacto ou fadiga de flexao do material [Faot, 2009; Gharehchahi , 20 I OJ. Por esta razao e pelo crescente uso de sobredcntaduras (pr6teses sobre estruturas rfgidas de sustentayao e/ou retenyiio - como silo as raizes e os implantes dentarios), tem surgido novas resinas acriJicas refon;:adas corn fibras de vidro ou materiais ' 'borrach6ides" (Gharehchahi, 20 I 0]. Pela multiplicidade e particularidade de casos clinicos, a escolba da resina a utilizar nem sempre e linear e pode condicionar o sucesso de uma reabilita~ao oral (Faot F, 2009]. A fort;:a de impacto e as propriedades de nexao das bases proteticas sao importantes para a predictabilidade da sua performance clinica mediante determinadas cargas funcionai s I Mcmon, 2001; Meng 2005].

0 objectivo deste estudo foi determinar algumas das propriedadcs mecanicas (fort;:a de impacto, grau de flexao e for((a de tracs:ao) de duas resinas acrilicas convencionais uti lizadas na confecylio de pr6teses removfveis (autopolimerizavel e de polimeriza{:lio a quente) para, assim, se poder comparar com os valores referenciados por outros autores para estas e outras resinas reforyadas que come~am a ser empregues.

Efectuaram-se testes de impaeto, de flexao e de trac{:lio/tensao. Os provetes de resjna acrilica utilizados nos testes referidos foram confeccionados de acordo corn as iostruyoes do fabricante. Foram respeitadas as notmas ISO para cada teste realizado. A semelhanya de outros estudos, usou-se o teste de impacto de Charpy [Faot, 2009; Hamanaka, 2010) que e urn teste padronizado de deformayao, dtpido e facil de executru· que cletermina a quantidade de energia absorvida pelo material durante a fractura (Fig. 1 A).

Figora I. A -Teste de impacto; B -Teste de ncx3o.

Capitulo XXXTV: A Engenharia e a Biomedicina 1093

3° Congresso de Engenlwria de Morambi.gue

0 teste de flexao de 3 pontos utilizado consiste em apoiar o provete em dois pontos equidistantes do cemro onde se aplica Ientarnente uma forya de flexllo ate a fractura a 1,27mm/min (Fig I B). No ensaio de tracyao o provcte e submctido a urn esfor~o que tende a alonga-lo ou estica-lo ate a ruptura, ob tendo-se o m6dulo de elasticidade.

A resina acrilica autopolimerizada comparativarnente corn a resina de polimcrizayao a quente apresenta menor forya de impacto, maior deflexao e menor m6dulo de elasticidade (dcforma corn menor carga).

Apesar das propriedades avaliadas dependerem em parte da tecnica de processamento utilizada na confccyao (polimerizat;:ao) das rcsinas [Xintong, 2011], os autorcs acred itam que os scus resultados podem contribuir para o esclarecimento de algumas das questoes que condicionam a escolha da resina acrillica, de acordo corn a particularidade de cada trabalho protetico.

REFERENCTAS

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1094 Maputo, 29 Agosto - 2 Setembro 2011

6," Congre.~.m Luso-.Mo~ambicano d~JJ,ngenharfa

Ref: 344822R

HiBRIDOS ORGANlCO-INORGA.Nl COS COM POTENCIAL APLICA<;AO COMO MATERIAl S PAlRA IMPLANTES 6 SSEOS

M.S.M.S. Nabi~a\ A.M.B. Silv11 1, I.M. Miranda Salvndo* 1, M .I I. V. Fcrnandes1

, F.MA. Marga~a1

1CICECO & Dep. Eng. Cera mica e do Vidro. Universidade de Aveiro, 381 0-193Avciro, Portugal 1UFA; lnstituto Tecnol6gico e Nuclear. Estrnda Nacional I 0 , 2686-953 Sacavcm, Portugal *Emoif: isabelmsalvado@ua.pt

RESUMO

"Ormosils'' (Organic modified silicates) preparados corn base em polidimetilsiloxaoo (PDMS) e tetraetilortosilicato (TEOS), corn poteocial aplica~ao como implaoles, foram desenvolvidos por Va llct-Regi et al. [l] e Kamitakabara et al. r2J. Estes materiais apresentaram deposic;:ao de apatite na sua superficie, ap6s imersao em SBF (Simulated Body Fluid) c exibiram tambem propriedadcs t'micas tais como baixo m6dulo el!istico e baixa defom1abilidade. Materiais hibridos no sistema PDMS-CaO-Si02-Ti02 mostraram ter a capacidade de induzir a precipita~lio de apatite.

Estes rnateriais hlbridos organico-inorganicos, podem preparar-se atraves do processo sol-gel, apresentando o componcnte organico incorporado a nivcl molecular na rcde inorgiinica.

No presentc trabalho, prepararam-se hibridos no sistema CaO-Si02 corn e sem adic;:ao de urn pequeno teor de Zr02 e estudou-se o seu comportamento ap6s imersao em SBF tendo em vista a sua aplicayao como materiais para implamtes 6sseos. Utilizaram-se como precursores PDMS, TEOS, nitrato de calcio e prop6xido de zirc6nio (PrZr). 0 teor em PrZr, adjcionado a algumas amostras, foi igual a 1 % cm peso. PJgumas das amostras sofi·eram tratamento tem1ico (T.T.) a 200 oc durante 2 horas.

Na observac;:ao por microscopia electr6nica de varrimento (MEV) da superficie das amostras. antes e ap6s imerslio em SBF, verificou-se que se forma uma camada rica em calcio e f6sforo. (confirmado por espectroscopia de energia dispersiva, EDS) logo ap6s 2 horas de imersao, sendo esta camada mais cvidente a medida que o tempo de imersao aumenta.

Naflgura I apreseotam-se as micrografias obtidas por MEV das amostras antes e ap6s 14 dias de imersao em SBF. Pode observar-se que tanro para as amostras corn e sem tratamento termico como para as amostras preparadas corn e sem PrZr, ocorreu uma deposi~ao de fosfato de calcio na superficie. Observando as micrografi:as, parece evidente que o tratamento termico e a ad iciio de PrZr na preparacao dos hlbridos iftgura 1 (b):(A)), sao duas condic5es que favorecem a deposic;:ao de rosfato de calcio na superficic das amostras.

0 grilfico deEDS representado nafigura 2, corresponde a amostra na micrografia da jig11ra 1 (b):(A), comprovando, atraves dos picos de cakio c f6sforo, que a camada depositada oa superficie das amostras e fosfato de calcio.

Nafigura 3, esta representado o difracto~:,rrama de Raios X da amostra a que se refere aflgura 1 (b):(A) , a partir da qual se constata que a c.amada de fosfalo de calcio depositada na superficie da amostra corresponde a hidroxiapatite [Cas(P04)3(0H)].

Os rcsultados oblidos neste estudo indicam que a adi~ao de urn pequcno teor de PrZr origina uma maior deposi9ao da camada de apatite na superficic do material c que a realizayao de urn tratamento tcrmico a 200 oc durante 2 horas, tarnbem favorece a bioactividade das amostras preparadas com PrZr.

Capftulo XXXIV: A.Engenharia e u Biomedicina L095

3° Congresso de Engenharia de Mo~ambique

Figura 1- Micrografias MEV das amostras preparad11S (A) corn PrZr que sofreu tratamcnto termico, (B) sem PrZr que sofreu tratamento termico, (C) corn PrZr que nao sofreu tratamcnto termico, (D) sem PrZr que ni!o sofreu rratamento termico, (a) antes da imersiio em SBF, (b) ap6s 14 dias de imers3o em SBF.

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f igura 2- Grafico de EDS da amostra preparada com PrZr e com T.T. ao fim de 14 dias de

imers!!o em Sl3f.

REFERENCIAS

Figura 3- Grafico de DRX da amostra prcparada com PrZr e corn T.T. depois de imersa em SBF

durante 14 dias.

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1096 Mapwo, 29 Agosto- 2 Setembro 2011

6" Congresso Luso-Morarnbicano de Engenhariu

Ref: 344823R

AVALIA<;AO OBJECTIV A E SUBJECTIVA DO TOQUE EM VESTUARIO HOSPIT ALAR PARA UA TAS CJRURGICAS

Cata•·ina Guise"1, Rosa M. Vasconcelosl, Mario Lima:'

1Universidade do Minho, Mestre em Eng" Biomcdica- Guimarlles, Portugal 2Universidade do Minho, Depart. Eng" Tcxril - Guimaraes, Portugal 1Universidade do Mlnho, Depart. Eng" Mecanica- Guimaraes, Portugal •Email: catarinaguise@hotmail.com

RESUMO

0 tipo de vestuario a usar e determinado pelo grau de proteq:ao necessaria. e esta funr;ao de protecr;ao e lida em considerar;ao ern delrimento de outra propriedadc de extrema importancia quando se fala de vestwlrio: o conforto (Teli e Kumar, 2007; Abreu, 2004). Este e um importante factor na area de vestuario cirUrgico, ja que o individuo avalia o conforto, indepcndentemcnte do perigo a que esta sujeito. Espccialmente, se urn procedimento cinirgico demora urn longo periodo de tempo, o tipo de vestuario usado, destaque-se a bata cinirgica, alem da funr;ao de protecr;ao dos prolissionais de saude, deve proporcionar um conforto adequado (Abreu et al., 2000). Portanto, o desempenho das batas cinirgicas procura urn equilibrio entre as propriedades de barrcira e conforto.

0 conforto e um "estado agradavel de harmonja fisiol6gica, psicologica e fisica entre o ser humano e o ambientc" (Slater, 1986). 0 conforto apercebido pelos utilizadores depende, principalmente, das propriedades sensoriais de wque e termofisiol6gicas dos tecidos. Assim. tern sido realizados varios estudos no sentido de se chegar a uma rclar;ao entre a avalia9iio objectiva dos tecidos obtida atravcs da medir;ao por varios aparelhos e, a avaliar;iio subjectiva dada pela opiniao de urn dado grupo de pessoas (Broega et al., 2007).

Actualmente, as batas cirurgicas usadas sao produzidas corn nao-tecidos, estruturas formadas atmves do cntrelayamento de camadas de 1ibras ou filamentos naturais, artificiais ou sintcticos, que se ligam umas as outras por meios fisicos e/ou quimicos, fonuando uma manta continua (Jorge, 2005-2006).

0 objcctivo deste trabalho e estudar c caracterizar o conforto e toque sensorial, bem como os rcquisitos dos tecidos usados cm roupas hospitalares, especificamentc em batas cirUrgicas.

Sensar;ocs de conforto e desconforto foram estudadas e avaliadas, corn especial relevancia no conforto sensorial do toque que cirurgioes e outros tecnicos hospitalares "sentem" quando usam batas cir(Jrgicas, sabendo que tais per;as de vestutuio devem Jorneccr protecyao contra a contaminayao por agentes infecciosos, como virus.

Do is tipos de niio-tecidos foram utilizados:

- SMS (Spunbond-Melblowu Spun bond), compost a de I 00% de polipropileno; - Bi-componenle corn 80% de polietileno e 201Yo de poliester.

Foi realizada uma amilise objectiva e subjectiva dos nao-tccidos em questiio, de fo rma a se estudar a correlayao entre aquilo que foi obtido nos testes mecanicos e fls icos e aquilo que foi sentido pelo Homem ao tocar nestes materiais.

Atrito, rugosidade e propriedades lcrmicas fo:ram alguns dos aspectos avaliados. Na an{llise objectiva destaca-se o recurso ao instrurne:nto Frictorq, um aparelho desenvolvido na Universidade do Minho, para medir o coeficiente de atrito. Quanto a analise subjectiva,

C{/pitulo XXXIV: A Engenharia ea Biomedicinu 1097

3° Congresso de Engenharia de MOf;:ambique

recorrcu-se a um inquerito por questionario de forma a avaliar a p•ercepc;ao de indivfduos de ambos os sexos corn o intuito de se encontrar diferen~s no toque de homens e mulheres. Os resuLtados obtidos foram cstudados a nivel estatfstico corn ajuda do software SPSS® versao 18.0.

Obti veram-se algumas correla~oes, destacando-se a corrclayao in versa existente entre a propriedade objectiva do atrito eo pariimetro subjectivo seco/humido. Destaca-se tarnbem o facto do scxo feminino ter uma maior sensibilidade para o sentido do tacto.

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1098 Mapulo. ;?9 Agosto- 2 Setembro 2011

6,_Congresso Luso-,Vorambicano deEngenharia

Ref: 344824R

STEREOSCOPlC DISPARITY MODEL INSPIRED BY THE PRIMARY VISUAL CORTEX

F'ernanda C.C. Faria, Jorgc llaris(a", !I elder Araujo Lnstittue of Systems and Robotics - University of Coimbra - Coimbra, Porrugal "'£muif: batista@isr.uc.pt

ABSTRACT

Primary visual cortex (V l) is the first site at which single neurons can be activated by stimuli in both eyes. VI neurons encode information specifically about the relationship between the images in the two eyes. Biologically plausible models for stereo vision inspired in the V I use the response of receptive field (RF) profiles of binocuJar cells for disparity computation. Vl can be studied through two Sltbdivisions of cortical cells: simple cells and complex cells. Simple and Complex cells arc composed of orientation selective RFs. Simple cells have spatially separate regions that respond to either ON (cxcitatory) or OFF (inhibitory) to a stimulus. Complex cells respond to a stimulus anywhere withjo the RF, i.e., there are not spatially separate regions. These characteristics make complex cells well adapted to encode disparity infonnation. The response of a complex cell is based on a combination of binocular simple cells in quadrature through a linear filter followed by a half-power function, this model is also named energy model [Ohzawa, DeAngelis & Freeman, 1990; Ohzawa, DeAngelis & Freeman, 1996; Parker, 2007: Hubel & Wiesel, 1962].

Depth perception is encoded due to tbe positioual differences between the images from the left and right eyes. Stereoscopic vision at the neuronal level can be studied through the energy model. The stereoscopic model based on the energy model uses a combination of simple cells. Logarithmic Gabor functions are employed to describe tbe response profile of simple cell RFs instead of traditional Gabor functions applied in our previous work [Faria, Batista & Araujo, 20 I 0]. The response profile of simple cell RFs involve several steps for filtering with a bank of log-Gabor filters [Kovesi. 1999]. The two dimensional filter was constructed in frequency domain.

Tbe response of a simple ccU is the sum of the filtered left and right images by the corresponding position shift RF profile [Ohzawa, DeAngelis & Freeman, 1990; Ohzawa, DeAngelis & Freeman, 1996; Parker, 2007]. The response of a complex cell can be computed as the sum of the squared outputs of a quadrature pair of simple cells. These spatial frequency components differ hy 90 degrees in phase while all the other parameters of the cells are identical [Parker, 2007; Field, 1 987].

The disparity is estimated by a local e~:tremum selection of the response of complex cells computed. The extremum is located at a maximum or a minimum response of complex cells for a range of disparities with the same orientation and spatial frequency (Read & Cumming, 2007; Faria, Batista & Araujo. 2010). The final disparity map is created by pooling all 25 maps. Each spatial position of the 25 disparity maps is combined to compute the average. The resulting average is compared with each spatial position of all maps and the position whose value is farthest from the mean is removed. The process is repeated until the total of spatial positions is reduced by ha! f. Finally, a 5 x 5 median fi lter smoothed the map. The final disparity map is more accurate than those that would be obtained without the pooling step.

The algorithm was tested with a real world stereogram (Figure 1) from the Middlebw-y stereo repository [Scharstein & Szeliski, 2002) (http://cat.middlebury.edu/stereo).

CapituloXXXIV: A Engenharia ea Biomedicina 1099

3" Congresso de £ngenharia de .Moc;ambique

The evaluation methodologies used quantitative measures that compare our disparity map with the ground truth disparity map pn~sented in Figure I (c). Our estimated disparity map is shown in Figure l(d). The percentage of the remaining pixels where the proposed algorithm did not account the correct disparity is given by percentage of wrongly matched pixels (Scharstein & Szeliski. 2002). Root-mean-squared error is employed also in the algorithm evaluation (Scharstein & Szelisk:i, 2002). The error measures computed exclude pixels that are in occluded regions. We excluded also border pixels because the algorithm does not compute meaningful disparities near the image boundaries. The current algorithm presents 1.70 to root-mean-squared and 17 to percentage of wrongly matched pixels. The results are bcner than those of the last work.

Figure I: (a) Lcfi image; (b) Right image; 1(c) Ground truth disparity map; (d) Estimated disparity map.

REFERENCES

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1100 Maputo, 29 Agosto- 2 Setembro 201 I