[pt] A Tomografia por Coerência Óptica (OCT) vem sendo utilizada desde a década de 1990 em diversas áreas do campo biomédico, uma biópsia óptica com importantes perspectivas como ferramenta diagnóstica para caracterização quantitativa de estruturas teciduais.No presente trabalho é realizado estudo dos parâmetros para avaliação de conformidade dos equipamentos optoeletrônicos para aplicação biomédica como Laser, IPL(Luz Pulsada Intensa) e OCT, objetivando a identificação dos itens cuja avaliação é necessária como requisito em futura norma específica para equipamentos de Tomografia por Coerência Óptica. Além dos parâmetros metrológicos requeridos na norma particular para equipamentos a Laser, e alguns dos parâmetros da norma para IPL, foram identificados outros parâmetros metrológicos específicos para avaliação de equipamentos de OCT, considerando sua aplicação biomédica, como comprimento de coerência, resolução axial e resolução transversal. Considerando a possibilidade de elaboração futura de norma específica para OCT, para alguns dos parâmetros identificados, recomendou-se o requisito de medição e, para outros, somente a inclusão da informação nos documentos acompanhantes. Dentre os parâmetros cujo requisito de medição foi recomendado para equipamentos de OCT são: potência da emissão eletromagnética, comprimento de onda central, concentricidade entre os feixes de trabalho e de mira, diâmetro e divergência do feixe de trabalho, duração de um pulso, número de pulsos em um trem de pulsos e irradiância espectral. / [en] Optical Coherence Tomography has been proving to be an efficient diagnostics technique for imaging in vivo tissues, an optical biopsy with important perspectives as a diagnostics tool for quantitative characterization of tissue structures.The present work studies the parameters conformity evaluation of optoelectronics equipment for biomedical applications like Laser, IPL (Intense Pulsed Light), and OCT, targeting the identification of items which are necessary as a requirement to develop a future specific standard for Optical Coherence Tomography equipments. Beside the metrological parameters required by the particular standard for Laser and IPL equipment, specific parameters necessary for OCT’s evaluation have been identified, regarding its biomedical application. For some parameters identified, measurement requisite has been recommended, and for others, only the information on the accompanying documents. Among the parameters required for measurement, highlights for: electromagnetic emission power, measurement uncertainty of incident power, coherence length, work beam diameter and divergence, pulse duration and spectral irradiance.

[pt] Este trabalho propõe um novo algoritmo de segmentação baseado em crescimento de regiões para detecção de nódulos pulmonares em imagens de tomografia computadorizada. Para decidir, em cada iteração, se dois objetos adjacentes são fundidos em um único objeto, o algoritmo de segmentação calcula um índice de heterogeneidade baseada em múltiplos critérios. Entretanto, o algoritmo de segmentação depende de alguns parâmetros os quais foram encontrados utilizando algoritmo genético. Resultados experimentais mostraram que o método é robusto e promissor (chegando a uma sensibilidade de 80,9 % com 0,23 falsos positivos por exame). Além disso, indicam que o método proposto é capaz de fornecer um bom suporte para o diagnóstico do especialista. / [en] This study proposes a novel segmentation algorithm for lung nodules detection in thorax computed tomography (CT). In order to decide, at each iteration, whether two adjacent objects should be merged or not, a region growing procedure calculates a heterogeneity growth based on multiple criteria. However, segmentation algorithm depends on some parameters which were found by genetic algorithm. Results produced by the proposed segmentation were closely consistent with the reference segments provided manually by an expert physician. The detection itself achieved 80,9% sensitivity with 0,23 false positive per slice which indicates that the proposed method is able to provide a good suggestion for the specialist. Results indicate the potential of proposed segmentation method and encourage a further investigation aiming at improving its accuracy.

[pt] Várias modalidades de tomografia já foram desenvolvidas para aplicações na área médica. São exemplos a tomografia de raio-x, tomografia de ressonância magnética, que são técnicas usadas rotineiramente no ambiente clínico, e a tomografia de impedância elétrica ainda considerada como uma técnica em pesquisa. Com a utilização do dispositivo de detecção magnética SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) a partir da década de setenta tornou- se possível realizar medida dos fracos campos magnéticos produzidos pelo corpo humano com uma razão sinal/ruído antes não alcançada. A susceptibilidade magnética é uma propriedade física da matéria, incluindo os tecidos biológicos, de interagir com o campo magnético aplicado. Uma técnica para reconstruir a distribuição tridimensional de susceptibilidade magnética de um corpo a partir da medida da perturbação magnética foi estudada e aprimorada. Foram realizadas simulações para avaliar a qualidade da reconstrução a partir das projeções em diferentes arranjos geométricos na presença de ruído e foi efetuada a reconstrução tomográfica a partir de medidas experimentais com amostras de acrílico. Esta modalidade de tomografia embora apresente severa limitação de resolução espacial representa uma nova fonte de informação sobre o interior do corpo com promissoras aplicações na área biomédica e de ensaios não destrutivos. / [en] Several modalities of tomography have been developed for medical applications. Some example are x-ray tomography, positron emission tomography and magnetic resonance imaging which are used routinely in the clinical enviroment and electricall impedance tomography, still considered a research technique. During the seventies, measurements of the weak fields produced by the human body with unprecendet signal to noise ratio were made possible with the use of SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Device). Magnetic susceptibility is a physical property of the matter including biological tissues to interact with an applied magnetic field. A technique to reconstruct three-dimensional susceptibity distribuition from measurements of the pertubartion of the magnetic field was studied and improved. Simulations to reconstruct the three-dimensional susceptibility distribution of a body from the measurement in the presence of noise were carried out and the tomographic reconstruction from the measurement in the presence of noise were carried out and the tomographic reconstruction from experimental measurement in the presence of noise were carried out and the tomographic reconstruction from experimental measurements with acrylic samples performed. Although this new modality of tomography presents severe spatial resolution limitation, it represents a new source of informatio from the interior of body with promising applications in the biomedical field and nondestrutive evaluations.

[pt] Esta dissertação apresenta o desenvolvimento e os resultados deste projeto de mestrado, cujo objetivo, de caráter multidisciplinar, foi desenvolver uma metodologia e uma ferramenta para segmentação do fígado, seus vasos e subregiões a partir de imagens de tomografia computadorizada da região abdominal, utilizando procedimentos de segmentação automática de imagens e visualização tridimensional de dados. A metodologia sugerida segmenta primeiramente o fígado, utilizando uma abordagem de modelos deformáveis implícitos, chamada level sets, estimando os seus parâmetros através do uso de algoritmos genéticos. Inicialmente, o contorno do fígado é manualmente definido em um tomo como solução inicial, e então o método segmenta automaticamente o fígado em todos os outros tomos, sequencialmente. Os vasos e nódulos do fígado são então identificados utilizando um modelo de mistura de funções proporcionais a gaussianas, e um método de segmentação de crescimento de regiões por histerese. As veias hepáticas e portas são classificadas dentro do conjunto de vasos, e utilizadas em uma modelagem matemática que finalmente divide o fígado em oito sub-regiões de Couinaud. Esta metodologia foi testada em 20 diferentes exames e utilizando cinco diferentes medidas de performance, e os resultados obtidos confirmam o potencial do método. Casos com baixo desempenho são apresentados para promover desenvolvimentos futuros. / [en] This dissertation presents the development and results of this M.Sc project, whose multidisciplinary objective, was to develop a methodology and a tool to segment the liver, its vessels and subregions from abdominal computed tomography images, using procedures of automatic image segmentation and visualization of three-dimensional data. The suggested methodology segments initially the liver, using an approach based on implicit deformable models, called level sets, estimating its parameters using genetic algorithms. Initially, the liver boundary is manually set in one slice an initial solution, and then the method automatically segments the liver in all other slices, sequentially. Then the vessels and nodules of the liver are identified using both a model of mixture of functions proportional to Gaussians, and a segmentation method called region growing that uses hysteresis information. The hepatic and portal veins are classified within the set of vessels, and used in a mathematical modeling that eventually divides the liver into the eight subregions of Couinaud. The methodology was tested to segment the liver using 20 different exams and five different measures of performance, and the results obtained confirm the potential of the method. The cases in which the method presented a poor performance are also discussed in order to instigate further research.

[pt] Esta tese apresenta o desenvolvimento e os resultados deste projeto de doutorado, cujo objetivo, de caráter multidisciplinar, foi desenvolver uma metodologia e uma ferramenta para segmentação de redes vasculares a partir de imagens de tomografia computadorizada, utilizando procedimentos de segmentação automática de imagens e visualização tridimensional de dados. A metodologia sugerida segmenta a rede vascular iterativamente utilizando um único ponto de partida. A abordagem utiliza um modelo de amostragem cônico composto de várias camadas esféricas concêntricas ordenadas. Cada ponto amostrado é avaliado utilizando-se uma medida de vascularidade proposta nesta tese, que busca identificar pontos que pertencem a vasos. Um grafo dirigido é então construído com os pontos selecionados e analisado para que se encontre localmente cadeias de pontos conectados que compõem pedaços de ramos da rede vascular. Cada segmento da rede vascular gera uma nova semente a partir da qual uma nova amostragem é realizada e desta forma o procedimento iterativo se repete até que toda a estrutura vascular seja segmentada. A metodologia foi testada utilizando-se imagens sintéticas e reais. Dentre as imagens reais foram segmentadas estruturas vasculares coronárias, carótidas, hepáticas, pulmonares além de uma rede de fibras nervosas do sistema olfativo. Também foram extraídas as topologias das redes vasculares. A avaliação foi quando possível quantitativa, embora este tipo de dado muito raramente ofereça uma segmentação de referência, e nestes casos a avaliação foi qualitativa e visual. Os resultados obtidos confirmam o potencial do método e indicam direções para promover desenvolvimentos futuros. / [en] This thesis presents the development and results of this PhD project, which objective, multidisciplinary, was to develop a methodology and a tool for segmenting vascular networks from CT images, using automatic segmentation procedures and visualization of three-dimensional images data. The suggested methodology tracks a vascular network iteratively using a single starting point. The approach uses a conical sampling model composed of multiple concentric and ordered spherical layers. Each sampled point is evaluated using a measurement of vascularity proposed in this thesis, which seeks to identify points that belong to vessels. A directed graph is then built with the selected points and analyzed to find chains of connected points that make up pieces of branches of the vascular network. Each vascular segment found generates a new seed from which a new sampling is performed, and in this way the iterative procedure is repeated until the entire vascular structure is segmented. The methodology was tested using synthetic and real images. Among the real images several different vascular structures were segmented, such as coronary, carotid, hepatic, pulmonary and even a network of nerve fibers in the olfactory system. Vascular network topologies were also identified. The evaluation was quantitative where possible, although this type of data rarely provides a segmentation of reference, and apart from these cases the assessment was qualitative and visual. The results confirm the potential of the method and suggest directions for further developments.

[pt] A injeção de água é o método de recuperação secundário mais utilizado no mundo. Mesmo em situações em que esse método não é o mais adequado, a facilidade de implantação e os menores custos comparativos impõem esse método como a opção selecionada. Em campos de óleo pesado, a razão de mobilidade desfavorável e as heterogeneidades de reservatório precipitam a formação de digitações viscosas e altos valores de saturação residual de óleo, levando a baixos fatores finais de recuperação. Os poços produtores desses campos produzem com altas frações de água muito rapidamente. O tratamento da água produzida é o principal custo operacional desses campos. O uso de emulsões diluídas de óleo em água foi avaliado como método de controle de mobilidade. Foi desenvolvido um extenso programa experimental em sandpacks de areia de sílica e plugs de arenito (Berea e Bentheimer) de forma a comparar as recuperações finais de óleo, perfis de pressão de injeção e razões água-óleo acumuladas nos casos de injeção de água, injeção de surfactantes e macroemulsões. Todos os meios porosos ensaiados foram saturados com petróleo cru originário da Bacia de Campos (20 graus API). Um estudo paramétrico foi feito de forma a identificar a influência da vazão de injeção, distribuição de tamanhos de gotas de óleo emulsionadas, concentração de óleo e permeabilidade no desempenho das emulsões injetadas. O programa foi complementado com um ensaio 3D (arenito Castlegate na configuração um quarto de five-spot) onde o fluido injetado foi dopado com Iodeto de Potássio para permitir melhor visualização da modificação de saturações de óleo e água com um tomógrafo de raios X. Os resultados obtidos indicaram ganhos na produção de óleo e redução da razão água-óleo acumulada. A possibilidade de preparar as emulsões óleo-água a serem injetadas a partir da água produzida pelo próprio campo traz um grande ganho ambiental ao se reduzir o descarte superficial de água oleosa. O efluente se transforma em um recurso. / [en] Water injection is the most used secondary recovery method in the world. This option is generally chosen even in situations where it is not the most efficient alternative to recover the oil due to its comparative simple implementation and lower operational costs. In heavy oilfields, the unfavorable mobility ratio between injection and displaced fluids in addition to reservoir heterogeneities cause water fingering phenomenon, high residual oil saturation and consequently poor final oil recoveries. Producer wells start to produce high water cuts very soon. Produced water treatment for surface disposal is the main operational cost in these oilfields. The use of diluted oil-in-water macroemulsions was evaluated as a mobility control method for these cases. An extensive experimental program was performed using silica sandpacks and sandstone plugs (Berea and Bentheimer) in order to evaluate final oil recovery factors, cumulative water-oil ratio and pressure behavior, comparing water injection, surfactant solution injection and oil-in-water injection. All porous media were saturated with crude oil from Campos Basin (20 degrees API). A parametric study was performed to identify the effect of injection rate, oil droplets size distributions, emulsion oil concentration and permeability level in emulsion injection performance. The experimental program was completed by an X-Ray computerized tomography monitored experiment in a Castlegate sandstone block (1/4 five-spot configuration). This block was submitted to an alternate water/emulsion/water injection. All injection fluids were doped with Potassium Iodide in order to better visualize oil and water saturations changes during this experiment. The results obtained have indicated final oil recovery improvement and cumulative water/oil reduction. The possibility, after some treatment, to prepare diluted oil-in-water emulsions using produced water from the oilfield brings the additional environmental benefit to emulsion injection. It would be a way to convert an effluent in a resource with clear environmental advantages.

[pt] Segundo relatórios da Organização Mundial da Saúde, as doenças cardiovasculares são a principal causa de óbitos em nível mundial. Podem, porém, ser controladas mediante diagnóstico e tratamento adequados. Nesse contexto, as ferramentas tecnológicas de auxílio ao diagnóstico são importantes para redução do número de óbitos causados por este tipo de doenças. Esta dissertação avalia aos métodos de otimização: Differential Evolution, Generalized Pattern Search, Mesh Adaptive Direct Search e Nelder-Mead Algorithm, aplicados na busca dos parâmetros que modelam a estrutura dos vasos sanguíneos a fim de melhorar os resultados e tempo de processamento da segmentação da árvore vascular em imagens médicas, conforme proposto em (Oliveira, 2013). Neste trabalho, são apresentados conceitos anatômicos e as características das imagens usadas neste estudo. São ainda descritos os métodos de otimização avaliados e a metodologia da segmentação da árvore vascular cujos parâmetros se deseja otimizar. Com essa base, se formula a metodologia de avaliação destes métodos através de uma análise quantitativa, que é produto da formulação de um teste de hipóteses da diferença entre a avaliação média em combinação pareada. Este teste avalia o desempenho dos métodos de otimização quando são aplicados em amostras aleatoriamente escolhidas em cada um dos exames de tomografia computadorizada que pertencem ao banco de dados composto por imagens: sintéticas, coronárias, hepáticas e de fibras nervosas do sistema olfativo. Conforme aos resultados do teste de hipótese, o método de otimização com o melhor desempenho, em acurácia e custo computacional, é escolhido e as conclusões deste trabalho são elaboradas assim como também as propostas de trabalhos futuros nesta mesma linha de pesquisa. / [en] According to the World Health Organization reports, cardiovascular diseases are the worldwide leading cause of death. However, they can be controlled using proper diagnosis tools and treatments. In this way, the diagnosis assisted technological tools are important to reduce the number of deaths caused by this type of diseases. This dissertation assess optimization methods (Differential Evolution, Generalized Pattern Search, Mesh Adaptive Direct Search, Nelder-Mead Algortihm) applied in the search of parameters that model blood vessels structures in order to improve the results and processing time of a vascular tree segmentation method in medical images, as proposed in (Oliveira, 2013). In this work, anatomical concepts and the characteristics of the images used in this study are presented. The optimization methods assessed and the methodology for the segmentation of the vascular tree, whose parameters are to be optimized, are described. Based on that, the procedure to assess different optimization methods is formulated through a quantitative analysis using a hypothesis test formulation of difference between paired means. This test evaluates the performance of the optimization methods using randomly chosen samples in a computerized tomography exams database composed by synthetic, coronary, hepatic and nervous fiber of the olfactory system images. According to the hypothesis test results, the optimization method with the best performance, both in accuracy and computational cost, is selected and the conclusions of this work are elaborated as well as the proposals for further research.

[pt] Invisibilidade sempre mexeu com a imaginação de crianças e adultos. Quem nunca imaginou ser capaz de tornar-se invisível em certas ocasiões? Recentemente essa ideia da ficção científica tomou forma na vida real, e um dos objetivos do presente texto é explicar de uma maneira acessível as principais ideias físicas e matemáticas por trás do conceito de invisibilidade. Pedimos do leitor somente uma modesta familiaridade com Cálculo Vetorial, Séries de Fourier e Álgebra Linear. O objetivo da capa de invisibilidade é tornar um objeto não detectável por meio de energia eletromagnética. A capa é fisicamente realizada por um metamaterial especialmente projetado para redirecionar certas ondas eletromagnéticas irradiadas sobre o objeto. Nesta exposição, usaremos como exemplo a tomografia de impedância elétrica (TIE) como método de detecção e explicaremos como criar uma capa invisível à TIE. Cabe ressaltar que o processamento de imagem através da TIE diz respeito a um problema inverso e, no contexto das equações diferenciais, esse problema envolve, a partir de determinadas simplificações, a equação de Laplace com condições de contorno. Despretensiosamente, optamos pelo caso bidimensional para facilitar a exposição das idéias principais, embora todos os nossos resultados possam ser generalizados em 3 dimensões. / [en] Invisibility has always instigated children and adult s imagination. Who never thought of occasionally being able to turn yourself invisible? Recently, this science fiction idea has taken shape in real life, and one of the objectives of this text is explain the main physical and mathematical ideas behind the invisibility concept, on a comprehensible way. We only require the reader has a modest familiarity with Vectorial Calculus, Fourier Series and Linear Algebra. Invisibility cloak aims to turn an object imperceptible to electromagnetic energy detection. The cloak is made of an especially projected metamaterial that redirects certain electromagnetic waves irradiated over the object. Here we will take as an example electrical impedance tomography (EIT) as a detection method and we will explain how to create an invisible cloak for EIT. It is worth mentioning that image processing through EIT is an inverse problem. Thereby, in the context of differential equations, this problem involves a few simplifications in the Laplace s problem with contours conditions. Unpretentiously, we chose the two-dimensional case to simplify the exposition of the main ideas, although all of our results may be generalized in three-dimensional case.

[pt] Com o objetivo de demonstrar as possibilidades oferecidas pelas tecnologias tridimensionais, no entendimento das doenças cardíacas e testar tratamentos inovadores, o presente estudo obteve imagens da região torácica de um paciente utilizando tomografia computadorizada multi-fatias. Essas imagens foram tratadas, para selecionar apenas a região de interesse, obtendo-se um modelo tridimensional digital da aorta torácica e tóraco-abdominal. A partir daí, foram confeccionados uma serie de modelos físicos, com a utilização da manufatura aditiva, e testados com diversos materiais para simular a estrutura elástica deste vaso. Após a construção dos modelos físicos, as imagens obtidas foram processadas e renderizadas e um modelo de simulação virtual foi criado para testar procedimentos minimamente invasivo. O uso de imagens da Tomografia Computadorizada, transformadas em modelos matemáticos virtuais e posteriormente em representação física, através da tecnologia aditiva, expande as possibilidades didáticas do ensino medico e possibilitam simular práticas e procedimentos cardiológicos minimamente invasivos. / [en] In order to demonstrate the possibilities provided by three-dimensional technologies, to understand disease states and test innovative treatments, this study obtained images of the thoracic region of a patient using multi-slice Computerized Tomography (CT). These images were handled to select only the region of interest, obtaining a three-dimensional digital model of thoraco-abdominal and thoracic aorta. Thereafter, a series of physical models were made using additive manufacturing and thoroughly tested on materials to simulate the elastic structure of the vessel. After building up physical models, the images were processed and rendered, and a virtual simulation model was created to test minimally invasive procedures. The CT s images transformed into virtual mathematical models and later in physical representation, by additive technology, expand educational opportunities and enable simulation of minimally invasive cardiological procedure.

[pt] Os Ensaios Não-Destrutivos são técnicas utilizadas na inspeção de materiais e equipamentos sem dano a integridade física, podendo ser executados nas etapas de pós-fabricação, montagem, operação e manutenção. São utilizados pela indústria como ferramenta de controle e garantia da qualidade de materiais, produtos e processos. Esta pesquisa teve como objetivo identificar trincas e estimar o seu comprimento em corpos de prova de aço DIN 42CrMo4, adotando diferentes técnicas de END. Os corpos de prova foram de um eixo virabrequim de um motor Diesel, utilizado como unidades geradora em usinas termoelétricas, que falhou por fadiga de baixo ciclo. Os corpos de prova foram projetados de acordo com as normas ASTM E1820, ASTM E1290 e ISO 15653, bem como adotando sugestões de inspetores de ultrassom quanto a uma geometria que otimizasse a eficiência das medições. Subsequente ao trincamento dos corpos de prova em fadiga, os mesmos foram inspecionados com o emprego das técnicas de Radiografia Digital (RD), Ultrassom Phased Array (UT-PA), métodos Pulso-Eco (PE) e Time os Flight Diffraction (TfOD), e Tomografia Computadorizada (TC). Em sequência, os corpos de prova foram fraturados com o uso de uma carga em flexão e nitrogênio liquido, o que permitiu a medição real dos comprimentos das trincas. As técnicas de UTPA, RD e TC indicaram tamanhos de trincas próximos entre si. Nos métodos de PE e ToFD, de UT-PA, se observou que a indicação das trincas sofre influência da distancia entre o cabeçote do equipamento e a posição da trinca. Em trincas menores, essa influência é mais acentuada, levando a uma medição errônea do comprimento da trinca. A técnica de RD apresentou um bom resultado da medida lateral da trinca, porem foi necessário um processamento digital da imagem para obtenção de melhores resultados, explicado devido a sensibilidade do ensaio à geometria do corpo de prova e da densidade do material utilizado. Já a TC apresentou imagens melhores e medidas de trinca similares se comparada com a RD, o que pode influenciar em outros tipos/dimensões de defeitos. Em compensação, sofre mais influencia do volume de material presente no entorno do defeito, o que impossibilitou a detecção de defeitos em algumas amostras. / [en] Non-Destructive Testing (NDT) are techniques applied to materials and equipment inspection without integrity degradation and can be performed in the post-manufacture, assembly, operation and maintenance stages. Those techniques are used by the industry to control a guarantee the quality of materials, products and processes. The aim of this research was to identify cracks and estimate their length on DIN 42CrMo4 steel specimens adopting different NDT techniques. The material to the test specimen was taken from a crankshaft of a Diesel engine, utilized as generating units in thermoelectric power plant, which has failed due to low cycle fatigue. The test specimen were designed according to ASTM E1820, ASTM E1290 and ISO 15653 standards, as well as suggestions made by NDT inspectors for a geometry that optimized the efficiency of the measurement. Subsequent to the fatigue induced crack on the specimens, they were inspected using, Digital Radiography (RD), Phased Array Ultrasound (UT-PA), Pulse-Echo (PE) and Time of Flight Diffraction (ToFD) methods, and Digital Tomography (TC). The specimens were then fractured with a bending load and liquid nitrogen, which allowed the measurement of the real crack length. UT-PA, PE and ToFD, and RD techniques showed a closer estimate crack size among then. It was observed that both UT-PA methods, PE and ToFD, presented an influence of the distance between the equipment head and the crack position, on the crack measurement. This was more pronounced in smaller cracks, leading to an erroneous measurement of the crack length. The RD technique presented a good a good result of lateral crack length, but a good digital image processing was necessary to obtain these results, explained by the sensitivity of the test to the geometry to the geometry of the specimen and to the material density. TC presented better imaging and similar lateral crack lengths when compared to RD, which could influence the detection of other types/dimensions of defects. In contrast, it is more influenced by the volume of material around the object, which made it impossible to detect defects in some samples.