Dada a dificuldade de avaliação das imagens mamográficas no rastreamento do câncer de mama e a necessidade de precisão diagnóstica, tornou-se estimulante a luta pelo desenvolvimento de ferramentas computacionais que auxiliam esse processo, denominadas de esquemas de Computer-aided detection/diagnosis (CADe/CADx). Apresenta-se como um desafio para a comunidade científica a padronização dos critérios de avaliação destes esquemas a partir de bancos de imagens amplos e diversificados que representem casos tanto de benignidade quanto os de malignidade. Considerando este aspecto, o presente trabalho consiste no desenvolvimento de um objeto simulador (phantom) de mama capaz de gerar diversos padrões de imagens obtidos pela variação aleatória de tamanho, forma, contraste e distribuição de lesões. Para garantir imagens mais realistas, o phantom foi confeccionado em camadas compostas por filme de PVC submerso em parafina gel em uma distribuição não uniforme. Essa distribuição permite simular regiões heterogeneamente densas, de acordo com a concentração do material. A estimativa da densidade percentual da mama simulada foi obtida com a ajuda do software LIBRA®, para gerar imagens nas quatro categorias de classificação de densidades BI-RADS®. Os nódulos foram simulados usando dois modelos tridimensionais impressos em 3D, um para lesões circunscritas e outro para espiculadas. Para as microcalcificações, foi utilizada a hidroxiapatita granulada distribuída em quatro clusters que representam casos comumente encontrados em mamas reais. Alternativamente, uma ferramenta computacional foi desenvolvida para a inserção das lesões nas imagens, de acordo com a localização e intensidade escolhidas. As características do phantom foram estudadas comparando os coeficientes de atenuação dos materiais utilizados e dos tecidos mamários. Também textura e ruído das imagens do phantom foram comparados em relação aos das imagens clínicas. A partir da base de imagens formada, um protótipo de esquema CADx foi avaliado. Os resultados foram analisados estatisticamente a partir de curvas ROC e comparados com os obtidos nos testes realizados com imagens clínicas. Concluiu-se que o phantom desenvolvido neste trabalho permitiu gerar um padrão de imagem próximo ao obtido em mamografias reais e apropriado ao suprimento da base de imagens para validação dos sistemas CADx. / The need for diagnostic accuracy in breast cancer screening has motivated the use of computational schemes known as computer-aided detection/diagnosis (CAD/CADx). However, standardization of the evaluation criteria regarding these schemes is still a challenge, since they depend on the access to large and diversified image databases representing both benign and malignant cases. With this feature in view, this work aimed at the development of a structured breast phantom able to generate many images patterns achieved not only by the variation of size, shape, contrast but also by mainly the distribution of simulated lesions. To guarantee the realism of the images, the phantom was made in layers composed by PVC film submerged in paraffin gel with a non-uniform distribution. Such distribution allowed simulating more or less dense regions, according to the material concentration. The percent density estimative of the simulated breast was determined with the LIBRA® software, resulting in the four categories of BIRADS® density classification. Nodules were simulated using two 3D printed models, one for circumscribed and another for spiculated lesions. For simulating microcalcifications, granulated hydroxyapatite was used distributed in four clusters. Alternatively, a computational tool was developed for the insertion of lesions into the images, according to the location and intensity chosen. Phantom characteristics were studied comparing attenuation coefficients of the materials used and breast tissues. The texture and noise of the phantom images were also compared in relation to the clinical ones. From the image database created, a CADx system was evaluated considering its modules of nodule classification and detection of microcalcifications. The results were analyzed statistically from ROC curves and compared with those usually obtained in clinical imaging tests. We concluded that the phantom developed in this work allowed to generate an image pattern similar to that obtained in real mammograms and suitable for supplying an image database to be used as a ground truth for CAD and CADx schemes validation/evaluation.

Dada a dificuldade de avaliação das imagens mamográficas no rastreamento do câncer de mama e a necessidade de precisão diagnóstica, tornou-se estimulante a luta pelo desenvolvimento de ferramentas computacionais que auxiliam esse processo, denominadas de esquemas de Computer-aided detection/diagnosis (CADe/CADx). Apresenta-se como um desafio para a comunidade científica a padronização dos critérios de avaliação destes esquemas a partir de bancos de imagens amplos e diversificados que representem casos tanto de benignidade quanto os de malignidade. Considerando este aspecto, o presente trabalho consiste no desenvolvimento de um objeto simulador (phantom) de mama capaz de gerar diversos padrões de imagens obtidos pela variação aleatória de tamanho, forma, contraste e distribuição de lesões. Para garantir imagens mais realistas, o phantom foi confeccionado em camadas compostas por filme de PVC submerso em parafina gel em uma distribuição não uniforme. Essa distribuição permite simular regiões heterogeneamente densas, de acordo com a concentração do material. A estimativa da densidade percentual da mama simulada foi obtida com a ajuda do software LIBRA®, para gerar imagens nas quatro categorias de classificação de densidades BI-RADS®. Os nódulos foram simulados usando dois modelos tridimensionais impressos em 3D, um para lesões circunscritas e outro para espiculadas. Para as microcalcificações, foi utilizada a hidroxiapatita granulada distribuída em quatro clusters que representam casos comumente encontrados em mamas reais. Alternativamente, uma ferramenta computacional foi desenvolvida para a inserção das lesões nas imagens, de acordo com a localização e intensidade escolhidas. As características do phantom foram estudadas comparando os coeficientes de atenuação dos materiais utilizados e dos tecidos mamários. Também textura e ruído das imagens do phantom foram comparados em relação aos das imagens clínicas. A partir da base de imagens formada, um protótipo de esquema CADx foi avaliado. Os resultados foram analisados estatisticamente a partir de curvas ROC e comparados com os obtidos nos testes realizados com imagens clínicas. Concluiu-se que o phantom desenvolvido neste trabalho permitiu gerar um padrão de imagem próximo ao obtido em mamografias reais e apropriado ao suprimento da base de imagens para validação dos sistemas CADx. / The need for diagnostic accuracy in breast cancer screening has motivated the use of computational schemes known as computer-aided detection/diagnosis (CAD/CADx). However, standardization of the evaluation criteria regarding these schemes is still a challenge, since they depend on the access to large and diversified image databases representing both benign and malignant cases. With this feature in view, this work aimed at the development of a structured breast phantom able to generate many images patterns achieved not only by the variation of size, shape, contrast but also by mainly the distribution of simulated lesions. To guarantee the realism of the images, the phantom was made in layers composed by PVC film submerged in paraffin gel with a non-uniform distribution. Such distribution allowed simulating more or less dense regions, according to the material concentration. The percent density estimative of the simulated breast was determined with the LIBRA® software, resulting in the four categories of BIRADS® density classification. Nodules were simulated using two 3D printed models, one for circumscribed and another for spiculated lesions. For simulating microcalcifications, granulated hydroxyapatite was used distributed in four clusters. Alternatively, a computational tool was developed for the insertion of lesions into the images, according to the location and intensity chosen. Phantom characteristics were studied comparing attenuation coefficients of the materials used and breast tissues. The texture and noise of the phantom images were also compared in relation to the clinical ones. From the image database created, a CADx system was evaluated considering its modules of nodule classification and detection of microcalcifications. The results were analyzed statistically from ROC curves and compared with those usually obtained in clinical imaging tests. We concluded that the phantom developed in this work allowed to generate an image pattern similar to that obtained in real mammograms and suitable for supplying an image database to be used as a ground truth for CAD and CADx schemes validation/evaluation.

Os simuladores que empregam técnicas de Realidade Virtual são alternativas vantajosas às formas tradicionais de ensino e treinamento médico. Esses simuladores apresentam requisitos específicos, tais como: interação em tempo real e modelos realistas para representar órgãos e tecidos. Além disso, devem possuir comportamentos físicos suficientemente parecidos com os reais e gerar feedbacks dos procedimentos que estejam sendo simulados. Essas características exigem esforços de programação para o desenvolvimento de técnicas de interação e visualização 3D, além de estudos dos tecidos humanos, incluindo o comportamento físico dos órgãos e tecidos e o estudo das leis da Física envolvidas neste processo. O tema central desta pesquisa é a simulação de procedimentos de punção, sendo que nesse tipo de aplicações são necessários tanto o realismo visual como também o háptico, a fim de proporcionar ao usuário sensações parecidas com as encontradas nos procedimentos reais. Os métodos que utilizam parâmetros físicos são os mais utilizados alcançar o realismo exigido na interação háptica. No entanto, esses métodos deixam a desejar no que diz respeito à interação em tempo real. Dessa forma, o objetivo desta pesquisa foi desenvolver um novo método para simular a deformação de objetos tridimensionais que representam órgãos humanos. De forma que sejam alcançados o realismo visual, o realismo háptico e a interação em tempo real, com um custo computacional aceitável. O método desenvolvido consiste na divisão dos objetos tridimensionais em camadas, a fim de simular o volume e também a heterogeneidade dos órgãos humanos. O número de camadas e a atribuição de parâmetros físicos podem ser definidos de acordo com os diferentes tecidos que compõem o órgão humano e respectivos comportamentos que se pretenda simular. O método foi desenvolvido depois de conduzida uma Revisão Sistemática para levantamento dos métodos utilizados em aplicações para treinamento médico e respectivos níveis de realismo visual e háptico oferecidos. Para demonstrar e testar o funcionamento do método foi criado um simulador genérico de procedimentos de punção, no qual podem ser configurados o número de camadas, os parâmetros visco-elásticos, e assim permitir a avaliação do desempenho e o realismo das simulações. Como exemplo de aplicação o método foi aplicado em um simulador de punção de mama, cuja qualidade foi avaliada por médicos especialistas. Os protótipos foram criados no Laboratório de Tecnologias Interativas da Escola Politécnica da USP (Interlab), a partir de um Framework desenvolvido pelo Laboratório de Aplicações de Informática em Saúde da Escola de Artes Ciências e Humanidades da USP (LApIS). / Simulators that employ Virtual Reality techniques can prove to be an advantageous alternative to the traditional forms of medical learning and training. These simulators have specific requirements, such as real-time interaction and realistic models representing organs and tissues. Moreover, they should possess physical behavior similar enough to real life and generate feedback from procedures being simulated. These characteristics require programming efforts for the development of 3D visualization and interaction techniques, as well as studies of human tissue, including the physical behavior of organs and tissues and the study of the laws of Physics involved in this process. The main theme of this research is the simulation of puncture procedures. This type of application requires a realistic rendering of both visual and haptic traits in order to provide the user with sensations similar to those found in real procedures. Methods which employ physical parameters are more widely used to achieve the realism required in haptic interaction. However, these methods present shortcomings regarding real-time interaction. Thus, the aim of this research was to develop a new method to simulate the deformity of tridimensional objects that represent human organs and to achieve visual realism, haptic realism, and real-time interaction, with acceptable computational costs. The method developed in this study consists in dividing tridimensional objects into layers in order to simulate volume as well as heterogeneity of human organs. The number of layers and the attribution of physical parameters can be defined according to different tissues that compose the human organ and respective behaviors that one wishes to simulate. The method was developed after a systematic review to assess the methods employed in applications for medical training and their respective levels of visual and haptic realism. In order to demonstrate and to test how the method operates, we created a generic simulator of puncture procedures, which can be configured with any combination of layers of tissue and its viscoelastic parameters, allowing for the assessment of simulation performance and realism. As an example, the method was applied to a breast biopsy simulator whose quality was evaluated by specialist doctors. The prototypes were created in the Interactive Technology Laboratory (Interlab) of the Engineering School of the University of São Paulo, from a framework developed by the Laboratory of Computer Applications for Health Care (LApIS) of the School of Arts, Science and Humanities of the University of São Paulo.

Os simuladores que empregam técnicas de Realidade Virtual são alternativas vantajosas às formas tradicionais de ensino e treinamento médico. Esses simuladores apresentam requisitos específicos, tais como: interação em tempo real e modelos realistas para representar órgãos e tecidos. Além disso, devem possuir comportamentos físicos suficientemente parecidos com os reais e gerar feedbacks dos procedimentos que estejam sendo simulados. Essas características exigem esforços de programação para o desenvolvimento de técnicas de interação e visualização 3D, além de estudos dos tecidos humanos, incluindo o comportamento físico dos órgãos e tecidos e o estudo das leis da Física envolvidas neste processo. O tema central desta pesquisa é a simulação de procedimentos de punção, sendo que nesse tipo de aplicações são necessários tanto o realismo visual como também o háptico, a fim de proporcionar ao usuário sensações parecidas com as encontradas nos procedimentos reais. Os métodos que utilizam parâmetros físicos são os mais utilizados alcançar o realismo exigido na interação háptica. No entanto, esses métodos deixam a desejar no que diz respeito à interação em tempo real. Dessa forma, o objetivo desta pesquisa foi desenvolver um novo método para simular a deformação de objetos tridimensionais que representam órgãos humanos. De forma que sejam alcançados o realismo visual, o realismo háptico e a interação em tempo real, com um custo computacional aceitável. O método desenvolvido consiste na divisão dos objetos tridimensionais em camadas, a fim de simular o volume e também a heterogeneidade dos órgãos humanos. O número de camadas e a atribuição de parâmetros físicos podem ser definidos de acordo com os diferentes tecidos que compõem o órgão humano e respectivos comportamentos que se pretenda simular. O método foi desenvolvido depois de conduzida uma Revisão Sistemática para levantamento dos métodos utilizados em aplicações para treinamento médico e respectivos níveis de realismo visual e háptico oferecidos. Para demonstrar e testar o funcionamento do método foi criado um simulador genérico de procedimentos de punção, no qual podem ser configurados o número de camadas, os parâmetros visco-elásticos, e assim permitir a avaliação do desempenho e o realismo das simulações. Como exemplo de aplicação o método foi aplicado em um simulador de punção de mama, cuja qualidade foi avaliada por médicos especialistas. Os protótipos foram criados no Laboratório de Tecnologias Interativas da Escola Politécnica da USP (Interlab), a partir de um Framework desenvolvido pelo Laboratório de Aplicações de Informática em Saúde da Escola de Artes Ciências e Humanidades da USP (LApIS). / Simulators that employ Virtual Reality techniques can prove to be an advantageous alternative to the traditional forms of medical learning and training. These simulators have specific requirements, such as real-time interaction and realistic models representing organs and tissues. Moreover, they should possess physical behavior similar enough to real life and generate feedback from procedures being simulated. These characteristics require programming efforts for the development of 3D visualization and interaction techniques, as well as studies of human tissue, including the physical behavior of organs and tissues and the study of the laws of Physics involved in this process. The main theme of this research is the simulation of puncture procedures. This type of application requires a realistic rendering of both visual and haptic traits in order to provide the user with sensations similar to those found in real procedures. Methods which employ physical parameters are more widely used to achieve the realism required in haptic interaction. However, these methods present shortcomings regarding real-time interaction. Thus, the aim of this research was to develop a new method to simulate the deformity of tridimensional objects that represent human organs and to achieve visual realism, haptic realism, and real-time interaction, with acceptable computational costs. The method developed in this study consists in dividing tridimensional objects into layers in order to simulate volume as well as heterogeneity of human organs. The number of layers and the attribution of physical parameters can be defined according to different tissues that compose the human organ and respective behaviors that one wishes to simulate. The method was developed after a systematic review to assess the methods employed in applications for medical training and their respective levels of visual and haptic realism. In order to demonstrate and to test how the method operates, we created a generic simulator of puncture procedures, which can be configured with any combination of layers of tissue and its viscoelastic parameters, allowing for the assessment of simulation performance and realism. As an example, the method was applied to a breast biopsy simulator whose quality was evaluated by specialist doctors. The prototypes were created in the Interactive Technology Laboratory (Interlab) of the Engineering School of the University of São Paulo, from a framework developed by the Laboratory of Computer Applications for Health Care (LApIS) of the School of Arts, Science and Humanities of the University of São Paulo.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-07-10T17:54:50Z No. of bitstreams: 1 JAMILSON RAMOS CAMPOS - DISSERTAÇÃO PPGMAT 2006..pdf: 6748825 bytes, checksum: 592fc0c2a05c38766aae5d672c3c4708 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-10T17:54:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JAMILSON RAMOS CAMPOS - DISSERTAÇÃO PPGMAT 2006..pdf: 6748825 bytes, checksum: 592fc0c2a05c38766aae5d672c3c4708 (MD5) Previous issue date: 2006-12 / Este trabalho apresenta um estudo de dois modelos computacionais deformáveis aplicados à simulação de tecidos, ambos modelos de mecânica de partículas fisicamente embasados, contemplando algoritmos, um para cada modelo, para o tratamento de colisões. Estudamos um modelos de malha retangular (clássico e pouco robusto) e um baseado em malha triangular (moderno e robusto) através da implementação, simulações e uma análise qualitativa simples entre os resultados visuais obtidos com ambos. Nenhum destes modelos apresenta relações entre deformações tangenciais e normais e portanto, não geram rugas e/ou dobras espontaneamente. Para torná-los mais realísticos, em nossa implementação, propomos o uso de uma força de acoplamento entre as deformações tangenciais normais. / This work presents a study of two deformable computational models applied to the simulation of cloths, both physically based models of particle mechanics, contemplating one per model, collision treatment algorithms. We study a rectangular grid model (classic and not very robust one) and a triangular mesh based model (modern and robust one) throught implementation, simulations and a simple qualitative analysis between visual results reached with them. Neither of these models presents a relationship with tangent and normal deformations therefore don't build folds and/or wrinkles spontaneously. to turn then more realistic, in our implementation, we propose to make use of a coupling force between tangent and normal deformations.