Artificial neural networks for automatic modelling of the pectus excavatum corrective prosthesis

Pectus excavatum is the most common deformity of the thorax and usually comprises Computed Tomography (CT) examination for pre-operative diagnosis. Aiming at the elimination of the high amounts of CT radiation exposure, this work presents a new methodology for the replacement of CT by a laser scanner (radiation-free) in the treatment of pectus excavatum using personally modeled prosthesis. The complete elimination of CT involves the determination of ribs external outline, at the maximum sternum depression point for prosthesis placement, based on chest wall skin surface information, acquired by a laser scanner. The developed solution resorts to artificial neural networks trained with data vectors from 165 patients. Scaled Conjugate Gradient, Levenberg-Marquardt, Resilient Back propagation and One Step Secant gradient learning algorithms were used. The training procedure was performed using the soft tissue thicknesses, determined using image processing techniques that automatically segment the skin and rib cage. The developed solution was then used to determine the ribs outline in data from 20 patient scanners. Tests revealed that ribs position can be estimated with an average error of about 6.82±5.7 mm for the left and right side of the patient. Such an error range is well below current prosthesis manual modeling (11.7±4.01 mm) even without CT imagiology, indicating a considerable step forward towards CT replacement by a 3D scanner for prosthesis personalization.

Semi-automatic 3D Segmentation Of Costal Cartilage In CT Data From Pectus Excavatum Patients

One of the current frontiers in the clinical management of Pectus Excavatum (PE) patients is the prediction of the surgical outcome prior to the intervention. This can be done through computerized simulation of the Nuss procedure, which requires an anatomically correct representation of the costal cartilage. To this end, we take advantage of the costal cartilage tubular structure to detect it through multi-scale vesselness filtering. This information is then used in an interactive 2D initialization procedure which uses anatomical maximum intensity projections of 3D vesselness feature images to efficiently initialize the 3D segmentation process. We identify the cartilage tissue centerlines in these projected 2D images using a livewire approach. We finally refine the 3D cartilage surface through region-based sparse field level-sets. We have tested the proposed algorithm in 6 noncontrast CT datasets from PE patients. A good segmentation performance was found against reference manual contouring, with an average Dice coefficient of 0.75±0.04 and an average mean surface distance of 1.69±0.30mm. The proposed method requires roughly 1 minute for the interactive initialization step, which can positively contribute to an extended use of this tool in clinical practice, since current manual delineation of the costal cartilage can take up to an hour.

Assessment of Laparoscopic Skills Performance: 2D Versus 3D Vision and Classic Instrument Versus New Hand-Held Robotic Device for Laparoscopy

Introduction and Objectives. Laparoscopic surgery has undeniable advantages, such as reduced postoperative pain, smaller incisions, and faster recovery. However, to improve surgeons’ performance, ergonomic adaptations of the laparoscopic instruments and introduction of robotic technology are needed. The aim of this study was to ascertain the influence of a new hand-held robotic device for laparoscopy (HHRDL) and 3D vision on laparoscopic skills performance of 2 different groups, naïve and expert. Materials and Methods. Each participant performed 3 laparoscopic tasks—Peg transfer, Wire chaser, Knot—in 4 different ways. With random sequencing we assigned the execution order of the tasks based on the first type of visualization and laparoscopic instrument. Time to complete each laparoscopic task was recorded and analyzed with one-way analysis of variance. Results. Eleven experts and 15 naïve participants were included. Three-dimensional video helps the naïve group to get better performance in Peg transfer, Wire chaser 2 hands, and Knot; the new device improved the execution of all laparoscopic tasks (P < .05). For expert group, the 3D video system benefited them in Peg transfer and Wire chaser 1 hand, and the robotic device in Peg transfer, Wire chaser 1 hand, and Wire chaser 2 hands (P < .05). Conclusion. The HHRDL helps the execution of difficult laparoscopic tasks, such as Knot, in the naïve group. Three-dimensional vision makes the laparoscopic performance of the participants without laparoscopic experience easier, unlike those with experience in laparoscopic procedures.

Grid structure impact in sparse point representation of derivatives

In the Sparse Point Representation (SPR) method the principle is to retain the function data indicated by significant interpolatory wavelet coefficients, which are defined as interpolation errors by means of an interpolating subdivision scheme. Typically, a SPR grid is coarse in smooth regions, and refined close to irregularities. Furthermore, the computation of partial derivatives of a function from the information of its SPR content is performed in two steps. The first one is a refinement procedure to extend the SPR by the inclusion of new interpolated point values in a security zone. Then, for points in the refined grid, such derivatives are approximated by uniform finite differences, using a step size proportional to each point local scale. If required neighboring stencils are not present in the grid, the corresponding missing point values are approximated from coarser scales using the interpolating subdivision scheme. Using the cubic interpolation subdivision scheme, we demonstrate that such adaptive finite differences can be formulated in terms of a collocation scheme based on the wavelet expansion associated to the SPR. For this purpose, we prove some results concerning the local behavior of such wavelet reconstruction operators, which stand for SPR grids having appropriate structures. This statement implies that the adaptive finite difference scheme and the one using the step size of the finest level produce the same result at SPR grid points. Consequently, in addition to the refinement strategy, our analysis indicates that some care must be taken concerning the grid structure, in order to keep the truncation error under a certain accuracy limit. Illustrating results are presented for 2D Maxwell's equation numerical solutions.

Protecção contra descargas atmosféricas: aplicação informática de identificação das vulnerabilidades das edificações e de apoio à concepção da protecção

A concepção de instalações eléctricas deve garantir condições de segurança para as pessoas e equipamentos. Para tal é exigida, quer por força de regulamentação ou de normalização, a instalação de dispositivos que garantam a detecção e a protecção contra os defeitos mais comuns nas instalações eléctricas como, por exemplo, as sobreintensidades e as sobretensões. Susceptíveis de criar sobretensões perigosas nas instalações eléctricas, as descargas atmosféricas podem ainda causar danos estruturais elevados, o que, em algumas actividades económicas, torna fundamental a implementação de medidas de protecção contra este fenómeno natural. A protecção contra descargas atmosféricas directas consiste em identificar as vulnerabilidades das estruturas e, nesses locais, implementar dispositivos de captura, direccionamento e escoamento da descarga atmosférica à terra, em condições de segurança. O presente trabalho, desenvolvido no âmbito da dissertação de Mestrado em Engenharia Electrotécnica, visa desenvolver e implementar uma ferramenta computacional, baseada em programas de desenho assistido por computador (CAD) de utilização corrente na área de projecto de arquitectura e de engenharia, que permita, no âmbito de normas internacionais, a análise e implementação de sistemas de protecção em edifícios contra descargas atmosféricas de uma forma rápida e expedita. Baseado num programa CAD 3D, que permite a modelização tridimensional das estruturas a proteger, a ferramenta desenvolvida tentará identificar as suas vulnerabilidades das estruturas às descargas atmosféricas directas, com o intuito de implementar as medidas de protecção mais adequadas do ponto de vista técnico económico. Prevê-se que a ferramenta resultante deste estudo, o Simulador do Modelo Electrogeométrico (SIMODEL), possibilite aos projectistas e particularmente aos alunos das unidades curriculares na área do projecto de instalações eléctricas da Área Departamental de Engenharia de Sistemas e Potencia e Automação (ADESPA) do ISEL, estudar e implementar sistemas de protecção contra descargas atmosféricas (SPDA) baseados na normalização internacional do CENELEC e da IEC, nomeadamente as normas da série 62305.

A Step-up mu-Power Converter for Solar Energy Harvesting Applications, using Hill Climbing Maximum Power Point Tracking

This paper presents a step-up micro-power converter for solar energy harvesting applications. The circuit uses a SC voltage tripler architecture, controlled by an MPPT circuit based on the Hill Climbing algorithm. This circuit was designed in a 0.13 mu m CMOS technology in order to work with an a-Si PV cell. The circuit has a local power supply voltage, created using a scaled down SC voltage tripler, controlled by the same MPPT circuit, to make the circuit robust to load and illumination variations. The SC circuits use a combination of PMOS and NMOS transistors to reduce the occupied area. A charge re-use scheme is used to compensate the large parasitic capacitors associated to the MOS transistors. The simulation results show that the circuit can deliver a power of 1266 mu W to the load using 1712 mu W of power from the PV cell, corresponding to an efficiency as high as 73.91%. The simulations also show that the circuit is capable of starting up with only 19% of the maximum illumination level.

Modelação e concepção da carroçaria do veículo eléctrico ecológico (VEECO)

Neste trabalho aborda-se o desenvolvimento da carroçaria do Veículo Eléctrico Ecológico – VEECO recorrendo a tecnologias assistidas por computador. Devido à impossibilidade de abranger toda a temática das tecnologias assistidas por computador, associadas ao desenvolvimento de uma carroçaria automóvel, o foco deste trabalho assenta no processo de obtenção de um modelo digital válido e no estudo do desempenho aerodinâmico da carroçaria. A existência de um modelo digital válido é a base de qualquer processo de desenvolvimento associado a tecnologias assistidas por computador. Neste sentido, numa primeira etapa, foram aplicadas e desenvolvidas técnicas e metodologias que permitem o desenvolvimento de uma carroçaria desde a sua fase de “design” até à obtenção de um modelo digital CAD. Estas abrangem a conversão e importação de dados, a realização de engenharia inversa, a construção/reconstrução CAD em CATIA V5 e a preparação/correcção de modelos CAD para a análise numérica. Numa segunda etapa realizou-se o estudo da aerodinâmica exterior da carroçaria, recorrendo à ferramenta de análise computacional de fluidos (CFD) Flow Simulation da CosmosFloworks integrado no programa SolidWorks 2010. Associado à temática do estudo aerodinâmico e devido à elevada importância da validação dos resultados numéricos por meio de dados experimentais, foi realizado o estudo de análise dimensional que permite a realização de ensaios experimentais à escala, bem como a análise dos resultados experimentais obtidos.

Sensing Cloud Optimization to Solve ED of Units with Valve-Point Effects and Multi-fuels

In this paper a solution to an highly constrained and non-convex economical dispatch (ED) problem with a meta-heuristic technique named Sensing Cloud Optimization (SCO) is presented. The proposed meta-heuristic is based on a cloud of particles whose central point represents the objective function value and the remaining particles act as sensors "to fill" the search space and "guide" the central particle so it moves into the best direction. To demonstrate its performance, a case study with multi-fuel units and valve- point effects is presented.

FMRI 3D registration based on Fourier space subsets using neural networks

In this work, we present a neural network (NN) based method designed for 3D rigid-body registration of FMRI time series, which relies on a limited number of Fourier coefficients of the images to be aligned. These coefficients, which are comprised in a small cubic neighborhood located at the first octant of a 3D Fourier space (including the DC component), are then fed into six NN during the learning stage. Each NN yields the estimates of a registration parameter. The proposed method was assessed for 3D rigid-body transformations, using DC neighborhoods of different sizes. The mean absolute registration errors are of approximately 0.030 mm in translations and 0.030 deg in rotations, for the typical motion amplitudes encountered in FMRI studies. The construction of the training set and the learning stage are fast requiring, respectively, 90 s and 1 to 12 s, depending on the number of input and hidden units of the NN. We believe that NN-based approaches to the problem of FMRI registration can be of great interest in the future. For instance, NN relying on limited K-space data (possibly in navigation echoes) can be a valid solution to the problem of prospective (in frame) FMRI registration.

3D-2D image registration by nonlinear regression

We propose a 3D-2D image registration method that relates image features of 2D projection images to the transformation parameters of the 3D image by nonlinear regression. The method is compared with a conventional registration method based on iterative optimization. For evaluation, simulated X-ray images (DRRs) were generated from coronary artery tree models derived from 3D CTA scans. Registration of nine vessel trees was performed, and the alignment quality was measured by the mean target registration error (mTRE). The regression approach was shown to be slightly less accurate, but much more robust than the method based on an iterative optimization approach.

Integração e contextualização de modelos 3D no ensino da área da saúde

Mestrado em Engenharia Informática. Sistemas Gráficos e Multimédia.

Sistema de modelização tridimensional para ambientes não estruturados

A navegação de veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um problema em aberto. A complexidade do mundo real ainda é um desafio. A difícil caracterização do relevo irregular, dos objectos dinâmicos e pouco distintos(e a inexistência de referências de localização) tem sido alvo de estudo e do desenvolvimento de vários métodos que permitam de uma forma eficiente, e em tempo real, modelizar o espaço tridimensional. O trabalho realizado ao longo desta dissertação insere-se na estratégia do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) na pesquisa e desenvolvimento de sistemas sensoriais que possibilitem o aumento da capacidade de percepção das plataformas robóticas. O desenvolvimento de um sistema de modelização tridimensional visa acrescentar aos projectos LINCE (Land INtelligent Cooperative Explorer) e TIGRE (Terrestrial Intelligent General proposed Robot Explorer) maior autonomia e capacidade de exploração e mapeamento. Apresentamos alguns sensores utilizados para a aquisição de modelos tridimensionais, bem como alguns dos métodos mais utilizados para o processo de mapeamento, e a sua aplicação em plataformas robóticas. Ao longo desta dissertação são apresentadas e validadas técnicas que permitem a obtenção de modelos tridimensionais. É abordado o problema de analisar a cor e geometria dos objectos, e da criação de modelos realistas que os representam. Desenvolvemos um sistema que nos permite a obtenção de dados volumétricos tridimensionais, a partir de múltiplas leituras de um Laser Range Finder bidimensional de médio alcance. Aos conjuntos de dados resultantes associamos numa nuvem de pontos coerente e referenciada. Foram desenvolvidas e implementadas técnicas de segmentação que permitem inspeccionar uma nuvem de pontos e classifica-la quanto às suas características geométricas, bem como ao tipo de estruturas que representem. São apresentadas algumas técnicas para a criação de Mapas de Elevação Digital, tendo sido desenvolvida um novo método que tira partido da segmentação efectuada

Modelo generalista de páginas Web para motores de pesquisa com interface 3D

Web tornou-se uma ferramenta indispensável para a sociedade moderna. A capacidade de aceder a enormes quantidades de informação, disponível em praticamente todo o mundo, é uma grande vantagem para as nossas vidas. No entanto, a quantidade avassaladora de informação disponível torna-se um problema, que é o de encontrar a informação que precisamos no meio de muita informação irrelevante. Para nos ajudar nesta tarefa, foram criados poderosos motores de pesquisa online, que esquadrinham a Web à procura dos melhores resultados, segundo os seus critérios, para os dados que precisamos. Actualmente, os motores de pesquisa em voga, usam um formato de apresentação de resultados simples, que consiste apenas numa caixa de texto para o utilizador inserir as palavras-chave sobre o tema que quer pesquisar e os resultados são dispostos sobre uma lista de hiperligações ordenada pela relevância que o motor atribui a cada resultado. Porém, existem outras formas de apresentar resultados. Uma das alternativas é apresentar os resultados sobre interfaces em 3 dimensões. É nestes tipos de sistemas que este trabalho vai incidir, os motores de pesquisa com interfaces em 3 dimensões. O problema é que as páginas Web não estão preparadas para serem consumidas por este tipo de motores de pesquisa. Para resolver este problema foi construído um modelo generalista para páginas Web, que consegue alimentar os requisitos das diversas variantes destes motores de pesquisa. Foi também desenvolvido um protótipo de instanciação automático, que recolhe as informações necessárias das páginas Web e preenche o modelo.

Visualização e manipulação de informação em ambientes 3D imersivos

Ainda antes da invenção da escrita, o desenho foi utilizado para descrever a realidade, tendo evoluído ao longo dos tempos, ganhando mais qualidade e pormenor e recorrendo a suportes cada vez mais evoluídos que permitissem a perpetuação dessa imagem: dessa informação. Desde as pinturas rupestres, nas paredes de grutas paleolíticas, passando pelos hieróglifos, nos templos egípcios, nas gravuras das escrituras antigas e nos quadros sobre tela, a intenção sempre foi a de transmitir a informação da forma mais directa e perceptível por qualquer indivíduo. Nos dias de hoje as novas tecnologias permitem aceder à informação com uma facilidade nunca antes vista ou imaginada, estando certamente ainda por descobrir outras formas de registar e perpetuar a informação para as gerações vindouras. A fotografia está na origem das grandes evoluções da imagem, permitindo capturar o momento, tornando-o “eterno”. Hoje em dia, na era da imagem digital, além de se mostrar a realidade, é possível incorporar na imagem informação adicional, de modo a enriquecer a experiência de visualização e a maximizar a aquisição do conhecimento. As possibilidades da visualização em três dimensões (3D) vieram dar o realismo que faltava ao formato de fotografia original. O 3D permite a imersão do espectador no ambiente que, a própria imagem retrata, à qual se pode ainda adicionar informação escrita ou até sensorial como, por exemplo, o som. Esta imersão num ambiente tridimensional permite ao utilizador interagir com a própria imagem através da navegação e exploração de detalhes, usando ferramentas como o zoom ou ligações incorporados na imagem. A internet é o local onde, hoje em dia, já se disponibilizam estes ambientes imersivos, tornando esta experiência muita mais acessível a qualquer pessoa. Há poucos anos ainda, esta prática só era possível mediante o recurso a dispositivos especificamente construídos para o efeito e que, por isso, apenas estavam disponíveis a grupos restritos de utilizadores. Esta dissertação visa identificar as características de um ambiente 3D imersivo e as técnicas existentes e possíveis de serem usadas para maximizar a experiência de visualização. Apresentar-se-ão algumas aplicações destes ambientes e sua utilidade no nosso dia-a-dia, antevendo as tendências futuras de evolução nesta área. Serão apresentados exemplos de ferramentas para a composição e produção destes ambientes e serão construídos alguns modelos ilustrativos destas técnicas, como forma de avaliar o esforço de desenvolvimento e o resultado obtido, comparativamente com formas mais convencionais de transmitir e armazenar a informação. Para uma avaliação mais objectiva, submeteram-se os modelos produzidos à apreciação de diversos utilizadores, a partir da qual foram elaboradas as conclusões finais deste trabalho relativamente às potencialidades de utilização de ambientes 3D imersivos e suas mais diversas aplicações.