Tese de mestrado. Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto

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Neste trabalho, a mineração de regras de associação é utilizada para dar suporte a dois tipos de sistemas médicos: os sistemas de busca por conteúdo em imagens (Content-based Image Retrieval - CBIR) e os sistemas de auxílio ao diagnóstico (Computer Aided Diagnosis - CAD). Na busca por conteúdo, regras de associação são empregadas para reduzir a dimensionalidade dos vetores de características que representam as imagens e para diminuir o ``gap semântico\'\', que existe entre as características de baixo nível das imagens e seu significado semântico. O algoritmo StARMiner (Statistical Association Rule Miner) foi desenvolvido para associar características de baixo nível das imagens com o seu significado semântico, sendo também utilizado para realizar seleção de características em bases de imagens médicas, melhorando a precisão dos sistemas CBIR. Para dar suporte aos sistemas CAD, o método IDEA (Image Diagnosis Enhancement through Association rules) foi desenvolvido. Nesse método regras de associação são empregadas para sugerir uma segunda opinião ou diagnóstico preliminar de uma nova imagem para o radiologista. A segunda opinião automaticamente gerada pelo método pode acelerar o processo de diagnóstico de uma imagem ou reforçar uma hipótese, trazendo ao especialista médico um apoio estatístico da situação sendo analisada. Dois novos algoritmos foram propostos: um para pré-processar as características de baixo nível das imagens médicas e, o outro, para propor diagnósticos baseados em regras de associação. Vários experimentos foram realizados para validar os métodos desenvolvidos. Os experimentos realizados indicam que o uso de regras de associação pode contribuir para melhorar a busca por conteúdo e o diagnóstico de imagens médicas, consistindo numa poderosa ferramenta para descoberta de padrões em sistemas médicos / In this work we take advantage of association rule mining to support two types of medical systems: the Content-based Image Retrieval (CBIR) and the Computer-Aided Diagnosis (CAD) systems. For content-based retrieval, association rules are employed to reduce the dimensionality of the feature vectors that represent the images and to diminish the semantic gap that exists between low-level features and its high-level semantical meaning. The StARMiner (Statistical Association Rule Miner) algorithm was developed to associate low-level features with their semantical meaning. StARMiner is also employed to perform feature selection in medical image datasets, improving the precision of CBIR systems. To improve CAD systems, we developed the IDEA (Image Diagnosis Enhancement through Association rules) method. Association rules are employed to suggest a second opinion to the radiologist or a preliminary diagnosis of a new image. A second opinion automatically obtained can accelerate the process of diagnosing or strengthen a hypothesis, giving to the physician a statistical support to the decision making process. Two new algorithms are developed to support the IDEA method: to pre-process low-level features and to propose a diagnosis based on association rules. We performed several experiments to validate the developed methods. The results indicate that association rules can be successfully applied to improve CBIR and CAD systems, empowering the arsenal of techniques to support medical image analysis in medical systems

Orientador: Luiz Carlos Vulcano / Coorientador: Luiz Eduardo Naresse / Banca: Marcos Jun Watanabe / Banca: Érika Veruska Paiva Ortolan / Resumo: A Cromoendoscopia é definida como a aplicação tópica de corantes aquosos na mucosa do trato gastrointestinal. Estes corantes evidenciam alterações precoces ou discretas que passariam despercebidas ao exame convencional, permitindo assim a coleta de tecido alterado ou o acompanhamento de doenças pré existentes. Na Medicina Veterinária, não foram encontrados trabalhos que tenham utilizado esta técnica, mas há muitas situações em que ela pode ser empregada como a pesquisa ou o acompanhamento de: esofagites (como esôfago de Barrett em humanos), lesões gástricas erosivas ou polipóides e lesões duodenais. Utilizando os corantes escolhidos, este trabalho teve como objetivos: demonstrar a aplicação da cromoendoscopia em cães e confirmar sua eficácia quanto à identificação e delimitação de lesões no trato digestório superior destes animais; descrever vantagens e desvantagens da cromoendoscopia no direcionamento e aquisição de amostras de biópsia do trato digestório superior de cães; e correlacionar os achados endoscópicos pré e pós aplicação da técnica com os resultados histopatológicos. O estudo utilizou 10 cães adultos provenientes do Canil Municipal de Botucatu, do Canil da UNESP FMVZ Botucatu e da rotina do Hospital Veterinário da UNESP FMVZ Botucatu. Todos os animais realizaram endoscopia digestiva alta (EDA) seguida de Cromoendoscopia (CRE) e coleta de biópsia da mucosa esofágica, gástrica e duodenal, quando acessível. As biópsias foram enviadas para exame histopatológico e identificação de presença ou ausência de lesão no material coletado. Os resultados demonstraram concordância importante na cromoendoscopia (CRE) de esôfago com acurácia de 83,33%. Concordância moderada na endoscopia convencional (E.C.) de esôfago e na CRE de fundo, corpo e antro piloro com acurácia de... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract:Chromoendoscopy is defined as the topical application of aqueous dye mucosa of the gastrointestinal tract. These dyes show early changes or mild they go unnoticed to the conventional examination, allowing the collection of tissue changes or monitoring pre-existing diseases. In Veterinary Medicine, there were no studies that have used this technique , but there are many situations in which it can be employed as research or monitoring esophagitis (such as humans Barrett's esophagus), erosive or polypoid gastric lesions and duodenal injuries . Using the colors chosen, this work was objectives: to demonstrate the technique of chromoendoscopy in dogs and evaluate its effectiveness as the identification and delineation of chronic or early lesions, often unapparent, in the upper digestive tract these animals; describe advantages and disadvantages of chromoendoscopy in targeting and acquisition of biopsy specimens of the upper digestive tract of dogs, and correlate the endoscopic findings before and after technique application with the histopathologic results. The study used 10 adult dogs from the Botucatu Municipal Kennel, UNESP kennel FMVZ Botucatu and routine FMVZ Veterinary Hospital of UNESP Botucatu. Every animals performed upper endoscopy (EGD) followed by Chromoendoscopy (CRE) and collecting biopsy of the esophageal mucosa, gastric and duodenal when available. Biopsies were sent for examination and identification of pathological presence or absence of lesions in the material collected. The results showed chromoendoscopy (CRE) important concordance of the esophagus with an accuracy of 83.33%. Moderate concordance in conventional endoscopy (CE) of the esophagus and CRE fundus, body and pyloric antrum with an accuracy of 83.33%, 70%, 70% e 70% respectively. Reasonable concordance in CRE... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Neste trabalho, a mineração de regras de associação é utilizada para dar suporte a dois tipos de sistemas médicos: os sistemas de busca por conteúdo em imagens (Content-based Image Retrieval - CBIR) e os sistemas de auxílio ao diagnóstico (Computer Aided Diagnosis - CAD). Na busca por conteúdo, regras de associação são empregadas para reduzir a dimensionalidade dos vetores de características que representam as imagens e para diminuir o ``gap semântico\'\', que existe entre as características de baixo nível das imagens e seu significado semântico. O algoritmo StARMiner (Statistical Association Rule Miner) foi desenvolvido para associar características de baixo nível das imagens com o seu significado semântico, sendo também utilizado para realizar seleção de características em bases de imagens médicas, melhorando a precisão dos sistemas CBIR. Para dar suporte aos sistemas CAD, o método IDEA (Image Diagnosis Enhancement through Association rules) foi desenvolvido. Nesse método regras de associação são empregadas para sugerir uma segunda opinião ou diagnóstico preliminar de uma nova imagem para o radiologista. A segunda opinião automaticamente gerada pelo método pode acelerar o processo de diagnóstico de uma imagem ou reforçar uma hipótese, trazendo ao especialista médico um apoio estatístico da situação sendo analisada. Dois novos algoritmos foram propostos: um para pré-processar as características de baixo nível das imagens médicas e, o outro, para propor diagnósticos baseados em regras de associação. Vários experimentos foram realizados para validar os métodos desenvolvidos. Os experimentos realizados indicam que o uso de regras de associação pode contribuir para melhorar a busca por conteúdo e o diagnóstico de imagens médicas, consistindo numa poderosa ferramenta para descoberta de padrões em sistemas médicos / In this work we take advantage of association rule mining to support two types of medical systems: the Content-based Image Retrieval (CBIR) and the Computer-Aided Diagnosis (CAD) systems. For content-based retrieval, association rules are employed to reduce the dimensionality of the feature vectors that represent the images and to diminish the semantic gap that exists between low-level features and its high-level semantical meaning. The StARMiner (Statistical Association Rule Miner) algorithm was developed to associate low-level features with their semantical meaning. StARMiner is also employed to perform feature selection in medical image datasets, improving the precision of CBIR systems. To improve CAD systems, we developed the IDEA (Image Diagnosis Enhancement through Association rules) method. Association rules are employed to suggest a second opinion to the radiologist or a preliminary diagnosis of a new image. A second opinion automatically obtained can accelerate the process of diagnosing or strengthen a hypothesis, giving to the physician a statistical support to the decision making process. Two new algorithms are developed to support the IDEA method: to pre-process low-level features and to propose a diagnosis based on association rules. We performed several experiments to validate the developed methods. The results indicate that association rules can be successfully applied to improve CBIR and CAD systems, empowering the arsenal of techniques to support medical image analysis in medical systems

[ES] El interés en desarrollar biosensores de alta sensibilidad para identificar y cuantificar una amplia gama de moléculas ha aumentado notablemente durante las últimas décadas en numerosos campos de aplicación. Entre ellos probablemente el más demandado sea el diagnóstico médico, el cual ha sido impulsado por el descubrimiento de nuevos biomarcadores de enfermedades, tales como los miRNAs. No obstante, la mayoría de las técnicas existentes para realizar la detección requieren el uso de marcadores debido a la falta de sensibilidad para detectar analitos en bajas concentraciones. Las estructuras ópticas basadas en campo evanescente, donde la luz es usada para transformar interacciones bioquímicas en variaciones de las señales ópticas, constituyen una interesante alternativa para el desarrollo de este tipo de biosensores sin la necesidad de utilizar marcadores (label-free). Concretamente las estructuras fotónicas integradas en tecnología Silicon On Insulator exhiben alta sensibilidad, bajo límite de detección y alto nivel de multiplexación en aplicaciones de detección, especialmente cuando se utilizan materiales y procesos basados en silicio y compatibles con CMOS. En esta Tesis Doctoral se muestra el desarrollo de un biosensor fotónico integrado label-free para la detección de oligonucleótidos, y más concretamente biomarcadores de cáncer miRNAs. Este biosensor está basado en la combinación de estructuras de band gap fotónico y la inmovilización de sondas de tipo molecular beacon sobre su superficie. La combinación de sendos elementos de transducción y bioreconomiento ha proporcionado una elevada sensibilidad en la detección de oligonucleótidos manteniendo un footprint por debajo de 100 µm2. El uso de este biosensor fotónico ha permitido también estudiar experimentalmente una novedosa técnica de amplificación de detección. Esta técnica explota el cambio conformacional sufrido por la sonda molecular beacon tras la hibridación con su oligonucleótido complementario, permitiendo alejar una partícula/molécula de la superficie del sensor, lo cual podría ser utilizado para amplificar la respuesta de detección del sensor. Finalmente se propone una estrategia de regeneración en línea de los biosensores nanofotónicos desarrollados mediante una estrategia química basada en el uso de formamida. Esta estrategia no solo permite ahorrar tiempo sino que también reduce la variación entre las medidas obtenidas en experimentos diferentes, siendo especialmente útil cuando se testean niveles similares de analito. / [CA] L'interés en desenvolupar biosensors d'alta sensibilitat per a identificar i quantificar una àmplia gamma de molècules ha augmentat notablement durant les últimes dècades en nombrosos camps d'aplicació. Entre ells probablement el més demandat siga el diagnòstic mèdic, el qual ha sigut impulsat pel descobriment de nous biomarcadors de malalties, com ara els miRNAs. No obstant això, la majoria de les tècniques existents per a realitzar la detecció requereixen l'ús de marcadors a causa de la falta de sensibilitat per a detectar anàlits en baixes concentracions. Les estructures òptiques basades en camp evanescent, on la llum és usada per a transformar interaccions bioquímiques en variacions dels senyals òptics, constitueixen una interessant alternativa per al desenvolupament d'aquesta tipus de biosensors sense la necessitat d'utilitzar marcadors (label-free). Concretament les estructures fotòniques integrades en tecnologia Silicon On Insulator exhibeixen alta sensibilitat, baix límit de detecció i alt nivell de multiplexació en aplicacions de detecció, especialment quan s'utilitzen materials i processos basats en silici i compatibles amb CMOS. En aquesta Tesi Doctoral es mostra el desenvolupament d'un biosensor fotònic integrat label-free per a la detecció d'oligonucleòtids, i més concretament biomarcadors de càncer miRNAs. Aquest biosensor està basat en la combinació d'estructures de band gap fotònic i la immobilització de sondes de tipus molecular beacon sobre la seua superfície. La combinació d'ambdós elements de transducció i bioreconeixement ha proporcionat una elevada sensibilitat en la detecció d'oligonucleòtids mantenint un footprint per davall de 100 µm². L'ús d'aquest biosensor fotònic ha permés també estudiar experimentalment una nova tècnica d'amplificació de detecció. Aquesta tècnica explota el canvi conformacional patit per la sonda molecular beacon després de la hibridació amb el seu oligonucleòtid complementari, permetent allunyar una partícula/molècula de la superfície del sensor, la qual cosa podria ser utilitzada per amplificar la resposta de detecció del sensor. Finalment es proposa una estratègia de regeneració en línia dels biosensors nanofotònics desenvolupats mitjançant una estratègia química basada en l'ús de formamida. Aquesta estratègia no sols permet estalviar temps sinó que també redueix la variació entre les mesures obtingudes en experiments diferents, sent especialment útil quan es testen nivells similars d'anàlit. / [EN] The interest in developing highly sensitive biosensors to identify and quantify a wide range of molecules has remarkably been increasing during the last decades in numerous application fields. Among them, medical diagnosis is probably the most demanded, which has been driven by the discovery of new biomarkers of diseases, such as miRNAs. However, most of the existing techniques to perform the detection require the use of labels due to the lack of sensitivity to detect analytes at low concentrations. Evanescent-wave optical structures, where light is used to transduce biochemical interactions into variations of the optical signals, are an interesting alternative for the development of this type of biosensors allowing a label-free detection. Specifically, the planar integrated photonic structures based on Silicon On Insulator technology exhibit an extremely high sensitivity, a low detection limit and a high level of multiplexing in detection applications, especially when using materials and processes based on silicon and being CMOS compatible. This PhD Thesis is focused on the development of label-free integrated photonic biosensors for the detection of oligonucleotides, and more specifically miRNA cancer biomarkers. This biosensor is based on the combination of photonic band gap structures and the immobilization of molecular beacon probes on its surface. The combination of both transduction and biorecognition elements has provided a very high sensitivity towards the detection of target oligonucleotides while keeping a sensor footprint below 100 µm2. The use of this photonic biosensor also allowed the experimental study of a novel detection amplification technique. This technique exploits the conformational change suffered by the molecular beacon probe after hybridization with its complementary oligonucleotide, allowing the displacement of a particle/molecule away from the sensor surface, what might be used for amplifying the sensor's detection response. Finally, an online regeneration strategy for nanophotonic biosensors developed through a chemical strategy based on the use of formamide is proposed. This strategy not only saves time but also reduces the variation between measurements obtained in different experiments, being especially useful when testing similar levels of analyte. / Ruiz Tórtola, Á. (2021). Desarrollo de biosensores nanofotónicos de alta sensibilidad para la detección de biomarcadores microRNA en aplicaciones de diagnóstico médico [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172631

Made available in DSpace on 2016-04-26T20:30:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Analucia Graziano.pdf: 1612461 bytes, checksum: 2ce241b7ad11213fb8d13755502b9632 (MD5) Previous issue date: 2010-05-27 / In line with the idea of rule of law and consequent incompatibility with the irresponsibility of its members, the vast expansion of the area of liability is accompanied by the growing interest of society to find solutions that make effective compensation for damage. It forms new doctrine, concerned with protecting the citizens most vulnerable and helpless. It turns out that the increasing number of complaints begins to disrupt society in general, to increase the financial cost for the professional and the patient because of the increase especially in the application of more sophisticated laboratory tests and refusal to higher-risk procedures, contributing to a consolidation of defensive medicine. The aim of this paper is to provide measures to prevent the questioning of the patient-consumer for the health services used by it. Are brought to bear upon some criteria such as time, sensitivity and specificity of diagnostic method for identification of medical errors. The consent form is also shown as a measure capable of preventing the questions, eliminating or reducing some complications related to relationship conflict or miscommunication between doctor and patient. In the context of public institutions to private, is necessary a detailed analysis of the legal systems adopted. So rich, the issue is not limited to the material aspect, so deals some specific procedural rules, which directly influence the demand indemnification, as the burden of proof. Case law and doctrine and comparative national basis and reap the practical utility of each issue discussed / Em consonância com a idéia de Estado de direito e consequente incompatibilidade com a irresponsabilidade dos seus membros, a grande expansão da área da responsabilidade civil é acompanhada do crescente interesse da sociedade em buscar soluções que tornam efetiva a reparação do dano. Forma-se nova doutrina, preocupada com a proteção aos cidadãos mais frágeis e desamparados. Ocorre que o crescente número de queixas começa perturbar a sociedade em geral, por aumentar o custo financeiro para o profissional e para o paciente em razão especialmente do aumento no pedido de exames complementares mais sofisticados e recusa em procedimentos de maior risco, contribuindo para uma consolidação de uma medicina defensiva. O objetivo do presente trabalho é fornecer medidas capazes de prevenir os questionamentos do paciente-consumidor, relativos aos serviços de saúde utilizados por ele. São trazidos à baila alguns critérios como tempo, sensibilidade e especificidade do método de diagnóstico para a identificação do erro médico. O termo de consentimento esclarecido é também apontado como medida capaz de prevenir os questionamentos, eliminando ou reduzindo algumas causas ligadas a conflitos de relacionamento ou de falha de comunicação entre médico e paciente. No âmbito das instituições públicas a privadas, se faz necessária uma minuciosa análise sobre os regimes jurídicos adotados. De tão rico, o tema não se esgota no aspecto material, por isso pincela algumas particularidades processuais, que diretamente influenciam as demandas indenizatórias, tal como o ônus da prova. O estudo de mecanismos alternativos de recomposição dos acidentes médicos ajuda, também, a compreender melhor que a simples decisão de criar novas hipóteses de responsabilidade objetiva ou adotar um sistema alternativo de solidariedade nacional deve levar em conta a sua viabilidade em termos práticos, e não apenas teórico. Da jurisprudência e doutrina nacional comparada colhe-se o fundamento e a utilidade prática de cada questão discutida

O objetivo desse estudo é o desenvolvimento de um sistema especialista em um ambiente hospitalar para apoiar o diagnóstico médico de pacientes críticos com suspeita de Sepse em unidades de terapia intensiva. Como objetivos específicos, a plataforma desenvolvida emitirá alerta após o processamento em tempo real de todas as informações conforme protocolo de sepse da unidade referente a cada paciente como: exames laboratoriais, monitoramentos, integração com o prontuário eletrônico, indicando assim ao médico quais pacientes necessitam de prioridade naquele momento. Os pacientes serão classificados de acordo as informações processadas acima e identificados no sistema com as cores: vermelho (risco eminente), amarelo (médio risco), verde (baixo risco). Tais informações não devem ser tomadas como únicas, mas como técnica auxiliar e principalmente necessárias para as organizações hospitalares que buscam melhorias de desempenho através de soluções integradas orientadas a eventos. Com base na epidemiologia e um estudo longitudinal, o estudo se ocupa a avaliar o sistema desenvolvido identificando através de gráficos e indicadores as seguintes informações: tempo de tratamento na unidade, tempo de decisão do médico, tempo de iniciação com antibiótico, tempo médio de resultados laboratoriais, altas clínicas e mortalidade. Serão utilizadas no estudo duas amostras de grupo de pacientes adultos maiores de 18 anos em uma unidade de terapia intensiva com suspeita de sepse que chegam à Rede Pública de Saúde, comparando através de um estudo epidemiológico longitudinal, pacientes que passaram pela unidade nos três meses com o sistema implantado e outra amostra com pacientes nos três meses anteriores ao sistema. / The aim of this study is to develop an expert system in a hospital environment to support the medical diagnosis of critically ill patients with suspected sepsis in intensive care units. The specific objectives, the developed platform will issue warning after real-time processing of all information as unit sepsis protocol for each patient as laboratory tests, monitoring, integration with electronic medical records, thus indicating to the physician which patients need priority at that time. Patients will be classified according the information processed above and identified in the system with the colors: red (imminent risk), yellow (medium risk), green (low risk). Such information should not be taken as single, but as a technical assistant and mainly needed for hospital organizations seeking performance improvements through integrated solutions oriented events. Based on the epidemiology and a longitudinal study, the study is concerned to evaluate the system developed by identifying through graphs and indicators the following information: the unit treatment time, doctor\'s decision time, start time antibiotic, average time results laboratory, clinical and high mortality. Will be used to study two largest group of adult patients samples of 18 years in an intensive care unit with suspected sepsis arriving to the Public Health Network, comparing through a longitudinal epidemiological study, patients who had the unit in the three months to the implanted system and another sample of patients in the three months prior to the system.

O objetivo desse estudo é o desenvolvimento de um sistema especialista em um ambiente hospitalar para apoiar o diagnóstico médico de pacientes críticos com suspeita de Sepse em unidades de terapia intensiva. Como objetivos específicos, a plataforma desenvolvida emitirá alerta após o processamento em tempo real de todas as informações conforme protocolo de sepse da unidade referente a cada paciente como: exames laboratoriais, monitoramentos, integração com o prontuário eletrônico, indicando assim ao médico quais pacientes necessitam de prioridade naquele momento. Os pacientes serão classificados de acordo as informações processadas acima e identificados no sistema com as cores: vermelho (risco eminente), amarelo (médio risco), verde (baixo risco). Tais informações não devem ser tomadas como únicas, mas como técnica auxiliar e principalmente necessárias para as organizações hospitalares que buscam melhorias de desempenho através de soluções integradas orientadas a eventos. Com base na epidemiologia e um estudo longitudinal, o estudo se ocupa a avaliar o sistema desenvolvido identificando através de gráficos e indicadores as seguintes informações: tempo de tratamento na unidade, tempo de decisão do médico, tempo de iniciação com antibiótico, tempo médio de resultados laboratoriais, altas clínicas e mortalidade. Serão utilizadas no estudo duas amostras de grupo de pacientes adultos maiores de 18 anos em uma unidade de terapia intensiva com suspeita de sepse que chegam à Rede Pública de Saúde, comparando através de um estudo epidemiológico longitudinal, pacientes que passaram pela unidade nos três meses com o sistema implantado e outra amostra com pacientes nos três meses anteriores ao sistema. / The aim of this study is to develop an expert system in a hospital environment to support the medical diagnosis of critically ill patients with suspected sepsis in intensive care units. The specific objectives, the developed platform will issue warning after real-time processing of all information as unit sepsis protocol for each patient as laboratory tests, monitoring, integration with electronic medical records, thus indicating to the physician which patients need priority at that time. Patients will be classified according the information processed above and identified in the system with the colors: red (imminent risk), yellow (medium risk), green (low risk). Such information should not be taken as single, but as a technical assistant and mainly needed for hospital organizations seeking performance improvements through integrated solutions oriented events. Based on the epidemiology and a longitudinal study, the study is concerned to evaluate the system developed by identifying through graphs and indicators the following information: the unit treatment time, doctor\'s decision time, start time antibiotic, average time results laboratory, clinical and high mortality. Will be used to study two largest group of adult patients samples of 18 years in an intensive care unit with suspected sepsis arriving to the Public Health Network, comparing through a longitudinal epidemiological study, patients who had the unit in the three months to the implanted system and another sample of patients in the three months prior to the system.