[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] 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] 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.