Automatic modeling of pectus excavatum corrective prosthesis using artificial neural networks

Pectus excavatum is the most common deformity of the thorax. Pre-operative diagnosis usually includes Computed Tomography (CT) to successfully employ a thoracic prosthesis for anterior chest wall remodeling. Aiming at the elimination of radiation exposure, this paper presents a novel methodology for the replacement of CT by a 3D laser scanner (radiation-free) for prosthesis modeling. The complete elimination of CT is based on an accurate determination of ribs position and prosthesis placement region through skin surface points. The developed solution resorts to a normalized and combined outcome of an artificial neural network (ANN) set. Each ANN model was trained with data vectors from 165 male patients and using soft tissue thicknesses (STT) comprising information from the skin and rib cage (automatically determined by image processing algorithms). Tests revealed that ribs position for prosthesis placement and modeling can be estimated with an average error of 5.0 ± 3.6 mm. One also showed that the ANN performance can be improved by introducing a manually determined initial STT value in the ANN normalization procedure (average error of 2.82 ± 0.76 mm). Such error range is well below current prosthesis manual modeling (approximately 11 mm), which can provide a valuable and radiation-free procedure for prosthesis personalization.

Automatic prebent customized prosthesis for pectus excavatum minimally invasive surgery correction

Pectus excavatum is the most common deformity of the thorax. A minimally invasive surgical correction is commonly carried out to remodel the anterior chest wall by using an intrathoracic convex prosthesis in the substernal position. The process of prosthesis modeling and bending still remains an area of improvement. The authors developed a new system, i3DExcavatum, which can automatically model and bend the bar preoperatively based on a thoracic CT scan. This article presents a comparison between automatic and manual bending. The i3DExcavatum was used to personalize prostheses for 41 patients who underwent pectus excavatum surgical correction between 2007 and 2012. Regarding the anatomical variations, the soft-tissue thicknesses external to the ribs show that both symmetric and asymmetric patients always have asymmetric variations, by comparing the patients’ sides. It highlighted that the prosthesis bar should be modeled according to each patient’s rib positions and dimensions. The average differences between the skin and costal line curvature lengths were 84 ± 4 mm and 96 ± 11 mm, for male and female patients, respectively. On the other hand, the i3DExcavatum ensured a smooth curvature of the surgical prosthesis and was capable of predicting and simulating a virtual shape and size of the bar for asymmetric and symmetric patients. In conclusion, the i3DExcavatum allows preoperative personalization according to the thoracic morphology of each patient. It reduces surgery time and minimizes the margin error introduced by the manually bent bar, which only uses a template that copies the chest wall curvature.

Assessment of 3D scanners for modeling pectus carinatum corrective bar

Pectus Carinatum (PC) is a chest deformity consisting on the anterior protrusion of the sternum and adjacent costal cartilages. Non-operative corrections, such as the orthotic compression brace, require previous information of the patient chest surface, to improve the overall brace fit. This paper focuses on the validation of the Kinect scanner for the modelling of an orthotic compression brace for the correction of Pectus Carinatum. To this extent, a phantom chest wall surface was acquired using two scanner systems – Kinect and Polhemus FastSCAN – and compared through CT. The results show a RMS error of 3.25mm between the CT data and the surface mesh from the Kinect sensor and 1.5mm from the FastSCAN sensor.

Automatic modeling of an orthotic bracing for nonoperative correction of pectus carinatum

Pectus Carinatum is a deformity of the chest wall, characterized by an anterior protrusion of the sternum, often corrected surgically due to cosmetic motivation. This work presents an alternative approach to the current open surgery option, proposing a novel technique based on a personalized orthosis. Two different processes for the orthosis’ personalization are presented. One based on a 3D laser scan of the patient chest, followed by the reconstruction of the thoracic wall mesh using a radial basis function, and a second one, based on a computer tomography scan followed by a neighbouring cells algorithm. The axial position where the orthosis is to be located is automatically calculated using a Ray-Triangle intersection method, whose outcome is input to a pseudo Kochenek interpolating spline method to define the orthosis curvature. Results show that no significant differences exist between the patient chest physiognomy and the curvature angle and size of the orthosis, allowing a better cosmetic outcome and less initial discomfort.

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.

Contributo para a validação de uma estratégia de diagnóstico do risco de LMELT: empresas de triagem de resíduos orgânicos

Mestrado em Segurança e Higiene no Trabalho.

A influência do contexto familiar no aparecimento de dor espinal em crianças do concelho da Maia

A dor espinal em crianças e jovens constitui um problema cujas dimensões e prevalência tem vindo aumentar nas últimas décadas. Esta problemática parece ser tanto mais significativa se for tido em consideração que os episódios de dor espinal na idade escolar se perpetuam e estão relacionados com os que acontecem na idade adulta. Desta forma, os investigadores alertam para a necessidade de identificar potenciais factores de risco para o desenvolvimento de dor espinal em crianças e jovens de idade escolar. Assim, o presente estudo pretende identificar qual a importância assumida pelo contexto familiar na presença de queixas dolorosas espinais nas crianças em idade escolar do concelho da Maia. A amostra é constituída pelos pais de 1017 crianças do 1º ciclo do Ensino Básico do Concelho da Maia que foram avaliadas relativamente à postura, numa fase anterior do estudo. Desta população constituiu amostra 636 pais que concordaram participar no estudo, tendo obtido resposta de 226, obtendo uma percentagem de adesão de 35,5%. Para a obtenção dos dados qualitativos foi utilizado um método de amostragem estratégica de forma a seleccionar dez pais representativos de todas as categorias possíveis (pais com e sem dor e filhos com e sem dor). Esta amostra foi seleccionada tendo em conta os dados obtidos no questionário Parental Pain e Questionário de Bournemouth, sendo, posteriormente aplicado uma entrevista não estruturada. Os principais resultados obtidos permitiram concluir que o contexto tem uma influência determinante na criança com dor. De acordo com os dados extraídos das entrevistas, os comportamentos de manifestação de dor por parte das crianças podem ser um reflexo de comportamentos apreendidos através da observação do comportamento dos adultos e, consequentemente mimetizados, opinião esta igualmente expressa por alguns dos pais. Mas nem sempre os pais apontam a mimetização como causa para a dor referida pelos filhos, referindo igualmente o transporte da mochila, as posturas assumidas no dia-a-dia, o mobiliário escolar e as actividades de lazer realizadas pelas crianças.

A disfunção redox espinhal na dor neuropática

As espécies reativas de oxigénio (ROS) estão envolvidas no desenvolvimento de dor neuropática. No entanto, a aplicação clínica de moléculas antioxidantes no tratamento desta patologia tem demonstrado pouca eficácia. A inibição da NADPH oxidase (NOX), uma das principais fontes de ROS, poderá ser uma boa estratégia terapêutica. O nosso grupo verificou que a apocinina (inibidor da NOX) melhora parcialmente os sintomas de dor neuropática e a disfunção redox espinhal no modelo SNI (spared nerve injury). De forma a melhorar este efeito terapêutico, o presente estudo insere-se num projeto maior, que visa identificar as isoformas da NOX envolvidas na fisiopatologia da doença e avaliar o efeito da administração de inibidores específicos para essas isoformas. Assim, propusemo-nos a avaliar a disfunção redox espinhal em fases precoces dador neuropática periférica induzida pelo modelo SNI no Rato, relacionando-a com os comportamentos de dor demonstrados pelos animais. Foram constituídos três grupos experimentais: SNI, sham e naïve, com subgrupos testados e sacrificados aos dias 1, 3, 7 e 14 após a cirurgia. Avaliou-se a sensibilidade mecânica (vonFrey e pinprick) e ao frio (acetona) dos animais, sacrificaram-se e recolheram-se as medulas espinhais para análise imunohistoquímica, com marcadores de dano oxidativo no DNA e de dano nitrosativo. Ao contrário dos animais sham, que demonstraram um comportamento muito próximo dos naïve, os animais SNI desenvolveram alodínia mecânica e ao frio e hiperalgesia mecânica na pata ipsilateral. No entanto, o dano oxidativo no corno dorsal ipsilateral da medula espinhal apresentou-se idêntico nos grupos SNI e sham ao longo dos 14 dias de estudo, não havendo também diferenças entre os cornos ipsi e contralateral à lesão nervosa. É possível que o desenvolvimento de dor neuropática nos animais SNI não se faça acompanhar de disfunção redox espinhal, pelo menos até aos 14 dias pós indução. O facto de a lesão nervosa no modelo SNI se localizar numa porção distal do ciático, ao contrário de outros modelos em que o stresse oxidativo espinhal foi já descrito, poderia explicar essas diferenças. Em todo o caso, considerando que os resultados comportamentais obtidos indicam que as cirurgias SNI e sham causam diferentes níveis de sensibilização nos animais, parece-nos fulcral prolongar os tempos de neuropatia, e executar uma avaliação do estado redox com outros marcadores, de forma a elucidar se, de facto, existem ROS envolvidas nesta sensibilização e, em caso positivo, poder identificar essas espécies, bem como as suas fontes.

A marcha: a influência do Gerador de Padrão Central

A marcha é influenciada por um conjunto de factores que resultam da interacção e organização própria de sistemas neurais e mecânicos, entre os quais, da dinâmica músculo-esquelética, da modulação pelos centros nervosos superiores, pela modulação aferente e é, também, assumida como sendo controlada pelo Gerador de Padrão Central (GPC), que se define como um programa central baseado num circuito espinal geneticamente determinado, capaz de produzir um ritmo associado a cada marcha. Apresenta-se como objectivo deste trabalho abordar quais os modelos explicativos para o funcionamento do GPC e qual a evidência científica, que continua a ter muitas divergências.

A marcha: a influência do Gerador de Padrão Central

A marcha é influenciada por um conjunto de factores que resultam da interacção e organização própria de sistemas neurais e mecânicos, entre os quais, da dinâmica músculo-esquelética, da modulação pelos centros nervosos superiores, pela modulação aferente e é, também, assumida como sendo controlada pelo Gerador de Padrão Central (GPC), que se define como um programa central baseado num circuito espinal geneticamente determinado, capaz de produzir um ritmo associado a cada marcha. Apresenta-se como objectivo deste trabalho abordar quais os modelos explicativos para o funcionamento do GPC e qual a evidência científica, que continua a ter muitas divergências.

Análise dos parâmetros de qualidade das imagens de verificação em radioterapia aplicada a patologias de cabeça e pescoço

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde - Área de especialização: Terapia com Radiações.

Utilidade dos estudos de condução nervosa e respostas-F do nervo peronial na radiculopatia de L5 e a sua correlação com o grau de gravidade avaliada eletromiograficamente

As radiculopatias lombares referem-se a um processo patológico envolvendo as raízes nervosas espinais, causando sintomas radiculares ao nível dos membros inferiores. As respostas-F são ondas tardias que advêm de descargas recorrentes de neurónios motores despolarizados antidromicamente, que podem ser úteis na avaliação de lesões radiculares. Com o objetivo de avaliar a utilidade dos estudos de condução nervosa e respostas- F do nervo peronial no diagnóstico de radiculopatia de L5 e a sua correlação com o seu grau de gravidade, foram estudados 47 sujeitos que padeciam de radiculopatia de L5 e foram comparados com um grupo de controlo, constituído por 28 sujeitos saudáveis. Foram estudadas as amplitudes do PAMC do nervo peronial profundo, do PANS do peronial superficial, bem como as latências mínima, média e máxima, cronodispersão e persistência das Respostas-F. Foi realizada ainda uma avaliação eletromiográfica, com o intuito de classificar o acometimento da raiz em termos de gravidade. Registaram-se diferenças significativas entre os dois grupos na amplitude do PAMC do peronial profundo (p<0,0001), na F-mínima, F-média, F-máxima e cronodispersão (p<0,0001), e ainda na persistência (p 0,014). Todos estes parâmetros também se correlacionaram significativamente com o grau de gravidade da radiculopatia, sendo as latências das ondas-F e a cronodispersão progressivamente maiores nos sujeitos com um grau de afeção mais grave, e a persistência e a amplitude dos estudos de condução motora mais baixas. O fator que se evidenciou mais sensível no diagnóstico desta patologia foi a latência-máxima das ondas-F, 31,25%, e o menos sensível a persistência, apenas alterada em 9,34% dos indivíduos. Tendo em consideração todos os parâmetros avaliados nas respostas-F atingiu-se uma sensibilidade global desta técnica de 42,19%. Com esta investigação concluímos que os estudos de condução nervosa e as respostas-F poderão ser úteis como complemento na avaliação das radiculopatias lombares, apresentando uma sensibilidade considerável para esta patologia. Não se deve limitar o estudo desta técnica à avaliação das latências mínima das ondas-F, mas incluir sempre todos os outros parâmetros, aumentando assim a sua sensibilidade. Estas técnicas deverão ser incluídas no estudo das radiculopatias de L5.

Um novo gerador central de padrões de locomoção para geração de trajectórias em tempo real de robôs quadrúpedes

Neste trabalho estuda-se a geração de trajectórias em tempo real de um robô quadrúpede. As trajectórias podem dividir-se em duas componentes: rítmica e discreta. A componente rítmica das trajectórias é modelada por uma rede de oito osciladores acoplados, com simetria 4 2 Z  Z . Cada oscilador é modelado matematicamente por um sistema de Equações Diferenciais Ordinárias. A referida rede foi proposta por Golubitsky, Stewart, Buono e Collins (1999, 2000), para gerar os passos locomotores de animais quadrúpedes. O trabalho constitui a primeira aplicação desta rede à geração de trajectórias de robôs quadrúpedes. A derivação deste modelo baseia-se na biologia, onde se crê que Geradores Centrais de Padrões de locomoção (CPGs), constituídos por redes neuronais, geram os ritmos associados aos passos locomotores dos animais. O modelo proposto gera soluções periódicas identificadas com os padrões locomotores quadrúpedes, como o andar, o saltar, o galopar, entre outros. A componente discreta das trajectórias dos robôs usa-se para ajustar a parte rítmica das trajectórias. Este tipo de abordagem é útil no controlo da locomoção em terrenos irregulares, em locomoção guiada (por exemplo, mover as pernas enquanto desempenha tarefas discretas para colocar as pernas em localizações específicas) e em percussão. Simulou-se numericamente o modelo de CPG usando o oscilador de Hopf para modelar a parte rítmica do movimento e um modelo inspirado no modelo VITE para modelar a parte discreta do movimento. Variou-se o parâmetro g e mediram-se a amplitude e a frequência das soluções periódicas identificadas com o passo locomotor quadrúpede Trot, para variação deste parâmetro. A parte discreta foi inserida na parte rítmica de duas formas distintas: (a) como um offset, (b) somada às equações que geram a parte rítmica. Os resultados obtidos para o caso (a), revelam que a amplitude e a frequência se mantêm constantes em função de g. Os resultados obtidos para o caso (b) revelam que a amplitude e a frequência aumentam até um determinado valor de g e depois diminuem à medida que o g aumenta, numa curva quase sinusoidal. A variação da amplitude das soluções periódicas traduz-se numa variação directamente proporcional na extensão do movimento do robô. A velocidade da locomoção do robô varia com a frequência das soluções periódicas, que são identificadas com passos locomotores quadrúpedes.

Efeitos da sobrecarga das mochilas escolares nas alterações posturais e de equilíbrio

Mestrado em Fisioterapia

Endothelialization of chitosan porous conduits via immobilization of a recombinant fibronectin fragment (rhFNIII7–10)

The present study aimed to develop a pre-endothelialized chitosan (CH) porous hollowed scaffold for application in spinal cord regenerative therapies. CH conduits with different degrees of acetylation (DA; 4% and 15%) were prepared, characterized (microstructure, porosity and water uptake) and functionalized with a recombinant fragment of human fibronectin (rhFNIII7–10). Immobilized rhFNIII7–10 was characterized in terms of amount (125I-radiolabelling), exposure of cell-binding domains (immunofluorescence) and ability to mediate endothelial cell (EC) adhesion and cytoskeletal rearrangement. Functionalized conduits revealed a linear increase in immobilized rhFNIII7–10 with rhFNIII7–10 concentration, and, for the same concentration, higher amounts of rhFNIII7–10 on DA 4% compared with DA 15%. Moreover, rhFNIII7–10 concentrations as low as 5 and 20 lgml 1 in the coupling reaction were shown to provide DA 4% and 15% scaffolds, respectively, with levels of exposed cell-binding domains exceeding those observed on the control (DA 4% scaffolds incubated in a 20 lgml 1 human fibronectin solution). These grafting conditions proved to be effective in mediating EC adhesion/cytoskeletal organization on CH with DA 4% and 15%, without affecting the endothelial angiogenic potential. rhFNIII7–10 grafting to CH could be a strategy of particular interest in tissue engineering applications requiring the use of endothelialized porous matrices with tunable degradation rates.