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.

Análise da aplicação de um sistema domótico no desempenho térmico de frações autónomas de habitação face ao sistema de certificação energética: casos de estudo

A presente dissertação tem por finalidade compreender as vantagens da aplicação da domótica no comportamento energético de uma fração habitacional, e possível efeito na classificação energética do Sistema de Certificação Energética (SCE), tendo assentado na realização de simulações dinâmicas cuja modelação foi feita no software DesignBuilder, associado ao software EnergyPlus, na parte respeitante aos cálculos. Como forma de melhorar a qualidade de vida, reduzir o trabalho doméstico, aumentar o bem-estar e a segurança, foi criada a domótica que é responsável pela automação predial. O conceito de automação implica a integração da iluminação, eletrodomésticos, ar-condicionado, controlo de acessos, alarmes, sensores e sistemas de dados, voz e imagem de um edifício ou de uma fração autónoma, fazendo com que todos os seus componentes possam realizar ações em conjunto a fim de facilitar a vida dos seus utilizadores. A preocupação com a segurança, a gestão e o controlo, a redução de custos e o bem-estar trouxe os sistemas de automação para a sociedade. Esses sistemas divididem-se em dois grandes grupos: os subsistemas de supervisão e controlo das utilidades, que realizam o controlo das instalações elétricas, de arrefecimento e aquecimento, de instalações hidráulicas (águas sanitárias), de gás e o controle de elevadores; e os subsistemas de segurança, de proteção contra incêndio, contra intrusão e a monitorização visual centralizada (câmaras de vídeo-vigilância). Na construção de um edifício existe a preocupação cada vez maior na garantia do conforto aliado ao menor consumo de energia possível, isto é, a temperatura e a iluminação adequada para a realização de diferentes tarefas a efetuar, sem que implique um maior consumo. A regulação da temperatura interior da habitação, o controlo de luzes através de sensores e abertura de fecho dos dispositivos de sombreamento (persianas), através de domótica, permitirá o maior proveito da iluminação natural e a temperatura aos utilizadores da fracção em cada instante. Com tudo o que a domótica permite é necessário saber quais as vantagens e desvantagens na sua implementação. Com esta finalidade, realizou-se a análise baseada no RCCTE, de três apartamentos de um edifício, com a mesma tipologia mas com distintas orientações de envidraçados. Os apartamentos escolhidos no último piso do edifício. Posteriormente , optou-se por uma das fracções para o aprofundamento da análise e avaliação de implementação de sistemas domóticos de contolo de abertura/e fecho de dispositivos de oclusão de vãos para controlo dos ganhos solares e abertura e fecho dos vãos envidraçados para controlar as cargas térmicas por ventilação. Neste intuito, desenvolveu-se um modelo 3D com recurso ao software DesignBuilder, Energy Plus, em diferentes zonas climáticas, em regime dinâmico, por forma a contabilizar a diferença entre os fatores que não são quantificados através da análise feita pelo RCCTE. Após uma análise com as permissas incluídas no RCCTE (ventilação e factor solar), é imposto no DesignBuilder alguns aspetos da domótica, como a abertura/fecho de persianas/janelas obtendo-se para cada situação as perdas e ganhos através de cada elemento (envidraçados, necessidades de aquecimento e arrefecimento). Foi ainda elaborado um pequeno estudo da viabilidade económica da implementação de um sistema domótico.

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

Simulação e controlo de veículos autónomos terrestres

A implementação e venda de robôs autónomos tem sido um sector que nos últimos anos tem adquirido cada vez mais quota no mercado, nomeadamente no sector militar, agrícola e da vigilância. Como tal, tem sido também de grande importância a capacidade de implementar e testar robôs por parte das entidades que os fabricam. Uma das formas que tem garantido o sucesso do desenvolvimento de robôs é a simulação prévia dos mesmos antes que estes passem a fase de produção. Sendo assim, o LSA como entidade de desenvolvimento de robôs autónomos, tem necessidade de adquirir um sistema que simule os robôs em desenvolvimento. O trabalho desta tese consiste na realização de um sistema que simule robôs autónomos terrestres de forma que se possa observar o comportamento da cinemática, dinânica e hardware dos robôs em ambiente 3D. Esta aplicação de simulação pode mais tarde ser utilizada pelo laboratório para testar missões, validar alterações de estrutura, sensores, etc. Para além disso, com recurso ao simulador Player/Stage/Gazebo testar o robô LINCE e implementar algoritmos de controlo para o mesmo. Os algoritmos de controlo implementados baseiam-se em primitivas de controlo básico para serem utilizadas pelo sistema de navegação e gerar trajectórias complexas. Os algoritmos desenvolvidos nesta tese baseiam-se nas equações cinemáticas do veículo estudado. Estes algoritmos depois de testados no simulador, poderão ser colocados no Hardware do robô. Desta forma consegue-se desenvolver algoritmos para determinado robô sem que este esteja operacional.

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.

Caracterização e modelação de fissuras em edifícios utilizando 3D laser scanning, com vista à sua reabilitação

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

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.

Helical tomotherapy versus 3D conformal radiotherapy in dosimetric planning for patients with localized prostate cancer

Radiotherapy is one of the therapeutics selected for localized prostate cancer, in cases where the tumour is confined to the prostate, penetrates the prostatic capsule or has reached the seminal vesicles (T1 to T3 stages). The radiation therapy can be administered through various modalities, being historically used the 3D conformal radiotherapy (3DCRT). Other modality of radiation administration is the intensity modulated radiotherapy (IMRT), that allows an increase of the total dose through modulation of the treatment beams, enabling a reduction in toxicity. One way to administer IMRT is through helical tomotherapy (TH). With this study we intent to analyze the advantages of helical tomotherapy when compared with 3DCRT, by evaluating the doses in the organs at risk (OAR) and planning target volumes (PTV).

Utilização de Sensores e dos Sentidos Humanos no apoio à transição do Concreto para o Abstrato

Apresentam-se e analisam-se os contributos de 4 estudos de caso para a compreensão do potencial da utilização sinérgica dos sentidos e de sensores no apoio à transição do pensamento concreto para o abstrato, em contextos de ensino experimental das ciências no 1º e 2º ciclo do ensino básico. Recolheram-se e analisaram-se evidências de desenvolvimento da abstração sobre tópicos de considerável complexidade, como os de biodiversidade, ser vivo, temperatura e frequência cardíaca.

Desenvolvimento de uma plataforma optoelectrónica para caracterização de sensores de posição flexíveis

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia dos Materiais, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia