Processamento de imagem para determinação de distribuições granulométricas de gotas numa suspensão

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Aquisição e Processamento de Imagens de Microscopia em Balística Forense

As novas tecnologias aplicadas ao processamento de imagem e reconhecimento de padrões têm sido alvo de um grande progresso nas últimas décadas. A sua aplicação é transversal a diversas áreas da ciência, nomeadamente a área da balística forense. O estudo de evidências (invólucros e projeteis) encontradas numa cena de crime, recorrendo a técnicas de processamento e análise de imagem, é pertinente pelo facto de, aquando do disparo, as armas de fogo imprimirem marcas únicas nos invólucros e projéteis deflagrados, permitindo relacionar evidências deflagradas pela mesma arma. A comparação manual de evidências encontradas numa cena de crime com evidências presentes numa base de dados, em termos de parâmetros visuais, constitui uma abordagem demorada. No âmbito deste trabalho pretendeu-se desenvolver técnicas automáticas de processamento e análise de imagens de evidências, obtidas através do microscópio ótico de comparação, tendo por base algoritmos computacionais. Estes foram desenvolvidos com recurso a pacotes de bibliotecas e a ferramentas open-source. Para a aquisição das imagens de evidências balísticas foram definidas quatro modalidades de aquisição: modalidade Planar, Multifocus, Microscan e Multiscan. As imagens obtidas foram aplicados algoritmos de processamento especialmente desenvolvidos para o efeito. A aplicação dos algoritmos de processamento permite a segmentação de imagem, a extração de características e o alinhamento de imagem. Este último tem como finalidade correlacionar as evidências e obter um valor quantitativo (métrica), indicando o quão similar essas evidências são. Com base no trabalho desenvolvido e nos resultados obtidos, foram definidos protocolos de aquisição de imagens de microscopia, que possibilitam a aquisição de imagens das regiões passiveis de serem estudadas, assim como algoritmos que permitem automatizar o posterior processo de alinhamento de imagens de evidências, constituindo uma vantagem em relação ao processo de comparação manual.

Processamento e Análise de Imagens Adquiridas através de Cápsula Endoscópica para o Auxílio ao Diagnóstico Clínico

O carcinoma foi a principal causa de morte para cerca de 8,2 milhões de habitantes no ano de 2012 a nível mundial. Deste valor, estima-se que o carcinoma colo retal foi responsável por 694.000 mortes nesse mesmo ano. O tratamento eficaz deste carcinoma carece de uma deteção precoce de determinadas patologias associadas, nomeadamente, à presença de hemorragia ou pólipo na mucosa intestinal. Essa deteção precoce passa pela realização frequente de determinados exames clínicos invasivos, como a endoscopia e a colonoscopia, que poderão ser demasiado invasivos para o Homem para serem realizados regularmente. Assim surgiu a capsula endoscópica (CE) como método de diagnóstico pouco invasivo, confortável, seguro e com a funcionalidade de permitir a visualização de todo o trato gastrointestinal (TGI), uma vez que, com os métodos tradicionais de diagnóstico (endoscopia e colonoscopia) isso não acontece. Técnicas computacionais de processamento e análise de imagem automáticas, tais como filtros de suavização, remoção de ruído, deteção de contorno ou segmentação de zonas de interesse, podem ser utilizadas para facilitar a deteção destas patologias e homogeneizar a resposta entre diferentes clínicos, uma vez que, por cada exame de endoscopia por capsula são recolhidas cerca de 57 600 imagens. As imagens recolhidas a partir da CE passam por uma série de passos de processamento de imagem a m de clarificar a existência ou ausência de patologias no interior do TGI. Essa classificação pretende simplificar e auxiliar o clínico no diagnóstico precoce relativamente às patologias em causa, assim como reduzir o seu cansaço, aumentar a sua performance e aumentar a sua eficiência na análise de dados. Neste contexto e em parceria com a empresa INOVA+, esta tese está integrada no projeto PhotonicPill cofinanciado pelo QREN (Quadro de Referência Estratégico Nacional). Este projeto visa desenvolver um conjunto de módulos baseados em fotónica para incorporar numa CE, a m de possibilitar um diagnóstico mais preciso e atempado de diversas patologias, nomeadamente a presença de pólipos e hemorragias, assim como a possibilidade de terapêutica em locais do trato gastrointestinal de difícil acesso, como é o caso do intestino delgado. Um dos módulos baseados em fotónica assenta na tecnologia narrow band imaging (NBI). A contribuição desta tese no projeto prendeu-se no desenvolvimento de 3 métodos de deteção automática. O primeiro direcionado para a deteção de hemorragia, baseou-se na identificação dos valores mínimos e máximos dos canais de R,G,B para criar um valor de threshold duplo. De seguida, complementa-se o método através de operações morfológicas e operações locais. O segundo método de deteção automática é direcionado para a deteção de pólipo e baseou-se na aplicação da transformada de watershed juntamente com o cálculo de medidas associadas à forma típica de um pólipo. Por último, desenvolveu-se um método de deteção de vascularização na mucosa intestinal recorrendo essencialmente à deteção de valores máximos para cada canal do modelo RGB, definindo um valor de threshold máximo para cada um dos três canais. Uma vez testados os algoritmos e obtendo uma percentagem de especificidade e sensibilidade média superior a 70% em todos os métodos, desenvolveu-se um protótipo de uma interface gráfica para este sistema de apoio à decisão clínica que engloba os três parâmetros em análise: deteção de hemorragia, deteção de pólipo e deteção de vascularização. Esta interface fará toda a gestão do processo, ou seja, fara de forma automática a deteção e classificação das patologias a detetar, lançando uma mensagem de alerta ao clínico a informar se o paciente é ou não portador de alguma das anomalias em análise.

A Avaliação da usabilidade de um sistema médico inteligente: BCCT.core

A avaliação estética da mama é um requisito em diversas aplicações médicas, nomeadamente no tratamento conservador do cancro da mama. Para ultrapassar as limitações de reprodutibilidade e praticabilidade dos métodos subjectivos correntes, foi recentemente desenvolvido um sistema inovador, assistido por computador para uso médico, denominado BCCT.core (Breast Cancer Conservative Treatment.cosmetic results), que prevê, automaticamente, o resultado estético do tratamento conservador do cancro da mama após intervenção [1]. Um dos grandes desafios no desenvolvimento de qualquer sistema computacional é desenhar interfaces de utilizador eficazes — fáceis de aprender, efectivas e que conduzam a uma experiência agradável. Neste trabalho, analisamos alguns dos aspectos mais importantes do desenho da interface do BCCT.core, relacionados com o estudo da interacção com o utilizador, em relação à funcionalidade e usabilidade, através de um questionário dirigido a utilizadores reais dentro do domínio da aplicação. O desempenho do sistema pôde assim ser avaliado por critérios claros, apoiado numa base sólida que permitiu avaliar a percepção humana relativamente à interface, conduzindo ao desenvolvimento de um sistema que apoia efectivamente os utilizadores na realização de tarefas. De uma forma geral pode concluir-se que a utilização de técnicas de interacção homem-computador na avaliação da funcionalidade e usabilidade do BCCT.core foram essenciais no sentido de o tornar mais usável, eficiente e com elevado grau de satisfação, neste caso particular, para o utilizador médico.

Avanços da ressonância magnética mamária no diagnóstico do carcinoma da mama

A Ressonância Magnética Mamaria (RMM), ao longo da década, tem demonstrado um franco desenvolvimento no diagnóstico e caracterização do Carcinoma Mamário. O objectivo deste trabalho científico é demonstrar, através de uma revisão bibliográfica, os avanços desta modalidade na avaliação das lesões da mama, tendo em conta as características: elasticidade (Elastografia), bioquímicas (Espectroscopia), celularidade (Difusão) e vascularização (Perfusão). A avaliação destas em consonância com as morfológicas e cinéticas (RMM), permitem um aumento da especificidade da RMM, reduzindo assim o número de biopsias desnecessárias. Contudo estas evoluções técnicas devem estar em consonância com a inovação em questões de software de processamento de Imagem e hardware dos equipamentos de Ressonância Magnética.

Multiprocessor platform using LEON3 processor

The recent advances in embedded systems world, lead us to more complex systems with application specific blocks (IP cores), the System on Chip (SoC) devices. A good example of these complex devices can be encountered in the cell phones that can have image processing cores, communication cores, memory card cores, and others. The need of augmenting systems’ processing performance with lowest power, leads to a concept of Multiprocessor System on Chip (MSoC) in which the execution of multiple tasks can be distributed along various processors. This thesis intends to address the creation of a synthesizable multiprocessing system to be placed in a FPGA device, providing a good flexibility to tailor the system to a specific application. To deliver a multiprocessing system, will be used the synthesisable 32-bit SPARC V8 compliant, LEON3 processor.

People counting system using existing surveillance video camera

The Casa da Música Foundation, responsible for the management of Casa da Música do Porto building, has the need to obtain statistical data related to the number of building’s visitors. This information is a valuable tool for the elaboration of periodical reports concerning the success of this cultural institution. For this reason it was necessary to develop a system capable of returning the number of visitors for a requested period of time. This represents a complex task due to the building’s unique architectural design, characterized by very large doors and halls, and the sudden large number of people that pass through them in moments preceding and proceeding the different activities occurring in the building. To achieve the technical solution for this challenge, several image processing methods, for people detection with still cameras, were first studied. The next step was the development of a real time algorithm, using OpenCV libraries and computer vision concepts,to count individuals with the desired accuracy. This algorithm includes the scientific and technical knowledge acquired in the study of the previous methods. The themes developed in this thesis comprise the fields of background maintenance, shadow and highlight detection, and blob detection and tracking. A graphical interface was also built, to help on the development, test and tunning of the proposed system, as a complement to the work. Furthermore, tests to the system were also performed, to certify the proposed techniques against a set of limited circumstances. The results obtained revealed that the algorithm was successfully applied to count the number of people in complex environments with reliable accuracy.

PHYSQuiz - Aplicação computacional para formação contínua em Física Radiológica

Mestrado em Engenharia de Computação e Instrumentação Médica

Using data mining techniques to support breast cancer diagnosis

More than ever, there is an increase of the number of decision support methods and computer aided diagnostic systems applied to various areas of medicine. In breast cancer research, many works have been done in order to reduce false-positives when used as a double reading method. In this study, we aimed to present a set of data mining techniques that were applied to approach a decision support system in the area of breast cancer diagnosis. This method is geared to assist clinical practice in identifying mammographic findings such as microcalcifications, masses and even normal tissues, in order to avoid misdiagnosis. In this work a reliable database was used, with 410 images from about 115 patients, containing previous reviews performed by radiologists as microcalcifications, masses and also normal tissue findings. Throughout this work, two feature extraction techniques were used: the gray level co-occurrence matrix and the gray level run length matrix. For classification purposes, we considered various scenarios according to different distinct patterns of injuries and several classifiers in order to distinguish the best performance in each case described. The many classifiers used were Naïve Bayes, Support Vector Machines, k-nearest Neighbors and Decision Trees (J48 and Random Forests). The results in distinguishing mammographic findings revealed great percentages of PPV and very good accuracy values. Furthermore, it also presented other related results of classification of breast density and BI-RADS® scale. The best predictive method found for all tested groups was the Random Forest classifier, and the best performance has been achieved through the distinction of microcalcifications. The conclusions based on the several tested scenarios represent a new perspective in breast cancer diagnosis using data mining techniques.

Integração modular em visualizadores médicos e aposição da marcação CE do Dispositivo Médico

Neste documento ´e feita a descrição detalhada da integração modular de um script no software OsiriX. O objectivo deste script ´e determinar o diâmetro central da artéria aorta a partir de uma Tomografia Computorizada. Para tal são abordados conceitos relacionados com a temática do processamento de imagem digital, tecnologias associadas, e.g., a norma DICOM e desenvolvimento de software. Como estudo preliminar, são analisados diversos visualizadores de imagens médica, utilizados para investigação ou mesmo comercializados. Foram realizadas duas implementações distintas do plugin. A primeira versão do plugin faz a invocação do script de processamento usando o ficheiro de estudo armazenado em disco; a segunda versão faz a passagem de dados através de um bloco de memória partilhada e utiliza o framework Java Native Interface. Por fim, é demonstrado todo o processo de aposição da Marcação CE de um dispositivo médico de classe IIa e obtenção da declaração de conformidade por parte de um Organismo Notificado. Utilizaram-se os Sistemas Operativos Mac OS X e Linux e as linguagens de programação Java, Objective-C e Python.

Automatização de sistema de medição múltiplo de ensaio de manómetros analógicos

A dissertação em apreço resultou da necessidade em otimizar os recursos técnicos, mas sobretudo humanos, afetos às verificações de instrumentos de medição, no âmbito do Controlo Metrológico Legal. Estas verificações, realizadas nos termos do cumprimento das competências outrora atribuídas à Direção de Serviços da Qualidade da então Direção Regional da Economia do Norte, eram operacionalizadas pela Divisão da Qualidade e Licenciamento, na altura dirigida pelo subscritor da presente tese, nomeadamente no que respeita aos ensaios efetuados, em laboratório, a manómetros analógicos. O objetivo principal do trabalho foi alcançado mediante o desenvolvimento de um automatismo, materializado pela construção de um protótipo, cuja aplicação ao comparador de pressão múltiplo, dantes em utilização, permitiria realizar a leitura da indicação de cada manómetro analógico através de técnicas de processamento de imagem, função esta tradicionalmente efetuada manualmente por um operador especializado. As metodologias de comando, controlo e medição desse automatismo foram realizadas através de um algoritmo implementado no software LabVIEW® da National Intruments, particularmente no que respeita ao referido processamento das imagens adquiridas por uma câmara de vídeo USB. A interface com o hardware foi concretizada recorrendo a um módulo de Aquisição de Dados Multifuncional (DAQ) USB-6212, do mesmo fabricante. Para o posicionamento horizontal e vertical da câmara de vídeo USB, recorreu-se a guias lineares acionadas por motores de passo, sendo que estes dispositivos foram igualmente empregues no acionamento do comparador de pressão. Por último, procedeu-se à aquisição digital da leitura do padrão, recorrendo à respetiva virtualização, bem como a uma aplicação desenvolvida neste projeto, designada appMAN, destinada à gestão global do referido automatismo, nomeadamente no que se refere ao cálculo do resultado da medição, erro e incerteza associada, e emissão dos respetivos documentos comprovativos.

Detecção e Quantificação de Neurónios em C.elegans

Nesta dissertação é apresentado um estudo dos sistemas de processamento automático de imagem em contexto de um problema relacionado com a individualização de neurónios em imagens da nematoda C. elegans durante estudos relacionados com a doença de Parkinson. Apresenta-se uma breve introdução à anatomia do verme, uma introdução à doença de Parkinson e uso do C. elegans em estudos relacionados e também é feita a análise de artigos em contexto de processamento de imagem para contextualizar a situação atual de soluções para o problema de extração de características e regiões específicas. Neste projeto é desenvolvida uma pipeline com o auxilio do software CellProfiler para procurar uma resposta para o problema em questão.

Estudo da Delaminação em Compósitos de Epóxido Reforçado com Borracha e Fibras Naturais

Nos últimos anos, a utilização dos materiais compósitos tem vindo a tornar-se cada vez mais comum em várias indústrias, onde se verifica uma ascensão na procura pelos mesmos. Características como o baixo peso aliado à sua alta resistência e rigidez permitem que estes materiais possuam diversas aplicações em variadas áreas, desde a medicina, aeronáutica, indústria automóvel e aeroespacial, até à indústria eletrónica. Hoje em dia, o uso de desperdícios sólidos de borracha e fibras naturais na produção de materiais compósitos é, mais que uma opção, uma necessidade ambiental. De forma a reduzir as enormes quantidades de desperdícios, foi criado um material compósito constituído por uma resina termoendurecível reforçada com esses dois tipos de desperdícios. Parâmetros de fabrico como a percentagem de borracha, o tamanho das partículas de borracha, a percentagem de fibras de cana-de-açúcar e o comprimento dessas fibras foram variados, com o objetivo de estudar a influência destes dois materiais nas propriedades mecânicas do compósito. Apesar da maior parte dos compósitos serem fabricados na forma de uma peça funcional quase pronta a ser utilizada, por vezes é necessário recorrer à maquinação de furos. Apesar das muitas técnicas de furação existentes, os defeitos resultantes deste processo aplicado aos materiais compósitos são ainda muito comuns. Desses defeitos o que mais se destaca é sem dúvida a delaminação. Trinta e seis provetes de epóxido reforçado com borracha e fibra de cana-de-açúcar foram fabricados e furados, de modo a possibilitar o estudo das propriedades mecânicas do material compósito, assim como a análise da zona danificada durante a furação. Diferentes condições de furação, como tipos de broca e velocidades de avanço diferentes, foram impostas aos provetes de forma a variar o mais possível a zona de dano de uns furos para os outros. Parâmetros como a área de dano ou ainda o fator de delaminação provam ser muito úteis na caracterização e quantificação do dano na zona periférica de um furo. Recorrendo a técnicas de processamento de imagem foi possível obter esses parâmetros. O processamento e análise de imagem pode ser feito através de vários métodos. O método utilizado neste trabalho foi o software MATLAB® associado a ferramentas de processamento de imagem. Depois de feita a análise dos furos foram realizados ensaios de esmagamento a todos os provetes. Este passo permitiu assim avaliar de que forma os parâmetros de furação influenciam a resistência mecânica do material, e se a avaliação realizada aos furos é um método viável para a avaliação da extensão de dano nesses furos.

Utilização de algoritmos de processamento e análise de imagem na avaliação do dano em placas compósitas

PTDC/EME–TME/66207/2006 e POSC/EEA-SRI/55386/2004

Pré-processamento e Tag automático de imagens em ambiente móvel e web, aplicado a um sistema de informação geográfica

No panorama socioeconómico atual, a contenção de despesas e o corte no financiamento de serviços secundários consumidores de recursos conduzem à reformulação de processos e métodos das instituições públicas, que procuram manter a qualidade de vida dos seus cidadãos através de programas que se mostrem mais eficientes e económicos. O crescimento sustentado das tecnologias móveis, em conjunção com o aparecimento de novos paradigmas de interação pessoa-máquina com recurso a sensores e sistemas conscientes do contexto, criaram oportunidades de negócio na área do desenvolvimento de aplicações com vertente cívica para indivíduos e empresas, sensibilizando-os para a disponibilização de serviços orientados ao cidadão. Estas oportunidades de negócio incitaram a equipa do projeto a desenvolver uma plataforma de notificação de problemas urbanos baseada no seu sistema de informação geográfico para entidades municipais. O objetivo principal desta investigação foca a idealização, conceção e implementação de uma solução completa de notificação de problemas urbanos de caráter não urgente, distinta da concorrência pela facilidade com que os cidadãos são capazes de reportar situações que condicionam o seu dia-a-dia. Para alcançar esta distinção da restante oferta, foram realizados diversos estudos para determinar características inovadoras a implementar, assim como todas as funcionalidades base expectáveis neste tipo de sistemas. Esses estudos determinaram a implementação de técnicas de demarcação manual das zonas problemáticas e reconhecimento automático do tipo de problema reportado nas imagens, ambas desenvolvidas no âmbito deste projeto. Para a correta implementação dos módulos de demarcação e reconhecimento de imagem, foram feitos levantamentos do estado da arte destas áreas, fundamentando a escolha de métodos e tecnologias a integrar no projeto. Neste contexto, serão apresentadas em detalhe as várias fases que constituíram o processo de desenvolvimento da plataforma, desde a fase de estudo e comparação de ferramentas, metodologias, e técnicas para cada um dos conceitos abordados, passando pela proposta de um modelo de resolução, até à descrição pormenorizada dos algoritmos implementados. Por último, é realizada uma avaliação de desempenho ao par algoritmo/classificador desenvolvido, através da definição de métricas que estimam o sucesso ou insucesso do classificador de objetos. A avaliação é feita com base num conjunto de imagens de teste, recolhidas manualmente em plataformas públicas de notificação de problemas, confrontando os resultados obtidos pelo algoritmo com os resultados esperados.