Nos últimos anos, as tecnologias de prototipagem rápida vem sendo amplamente utilizadas em aplicações na área de saúde, como ferramentas de auxílio na simulação e planejamento cirúrgico, bem como no projeto de implantes personalizados. Este trabalho fornece uma contribuição ao projeto destes implantes nas áreas de cranioplastia e buco-maxila. Baseado em sistemas CAD e nas tecnologias de prototipagem rápida são aplicadas diferentes alternativas para a geração adequada dos modelos médicos, ou biomodelos. Para aplicações em cranioplastias é proposto e implementado algoritmo para ajuste das bordas, permitindo dessa forma o correto ajuste do implante. Os resultados obtidos são aplicados diretamente em estudos de casos reais conduzindo a excelentes resultados e validando o procedimento proposto. / In the last years, the technologies of rapid prototyping have been widely used in medical applications, as supporting tools in the simulation and surgical planning, as well as in the design of customized implants. This work gives a contribution to the design of these implants in the cranioplasty and buco-maxila areas. Based on CAD systems and in the technologies of rapid prototyping, different alternatives are tested for the design of these modes, generically called as biomodels. For cranioplasty applications an algorithm is proposed and implemented for borders adjustment. The obtained results are directly applied in real case studies yielding to excellent results and validating the proposed procedure.

Nos últimos anos, as tecnologias de prototipagem rápida vem sendo amplamente utilizadas em aplicações na área de saúde, como ferramentas de auxílio na simulação e planejamento cirúrgico, bem como no projeto de implantes personalizados. Este trabalho fornece uma contribuição ao projeto destes implantes nas áreas de cranioplastia e buco-maxila. Baseado em sistemas CAD e nas tecnologias de prototipagem rápida são aplicadas diferentes alternativas para a geração adequada dos modelos médicos, ou biomodelos. Para aplicações em cranioplastias é proposto e implementado algoritmo para ajuste das bordas, permitindo dessa forma o correto ajuste do implante. Os resultados obtidos são aplicados diretamente em estudos de casos reais conduzindo a excelentes resultados e validando o procedimento proposto. / In the last years, the technologies of rapid prototyping have been widely used in medical applications, as supporting tools in the simulation and surgical planning, as well as in the design of customized implants. This work gives a contribution to the design of these implants in the cranioplasty and buco-maxila areas. Based on CAD systems and in the technologies of rapid prototyping, different alternatives are tested for the design of these modes, generically called as biomodels. For cranioplasty applications an algorithm is proposed and implemented for borders adjustment. The obtained results are directly applied in real case studies yielding to excellent results and validating the proposed procedure.

Objetivo: Validar a proposta de cálculo do volume de seios maxilares, utilizando-se de imagens trans-axiais geradas por meio de tomografia computadorizada por feixe cônico, analisando as mesmas em software para edição de imagens, e comparando os volumes aferidos, com os obtidos por meio de molde dos seios maxilares com silicone de condensação fluido. Métodos: Foram utilizados 05 crânios secos com osteotomia axial, pertencentes ao acervo do Laboratório de Anatomia da Universidade Cidade de São Paulo, de modo que se pudesse observar os seios maxilares em vista superior, totalizando 6 sítios. Os sítios foram moldados com silicone de condensação flúido por meio da injeção do mesmo com uma seringa para elastômero, e modelos dos seios maxilares foram confeccionados por meio da imersão dos moldes de silicone em gesso. Os modelos de gesso foram hidratados e preenchidos com água até que se atingisse a altura de 10mm e esse volume de água foi removido por meio de uma pipeta graduada na qual pôde-se fazer a leitura do volume. A amostra foi então submetida a tomografia computadorizada por feixe cônico, para posterior reformatação em cortes trans-axiais, que foram analisados no software Photoshop CS3 Extended® e o cálculo do volume foi feito com auxílio do software Excel®. Resultados: Os dados obtidos pelos dois métodos foram comparados estatisticamente por meio de gráficos de perfis individuais, diagrama de dispersão (Bussab e Morettin), coeficiente de correlação intraclasse (Fleiss) e gráfico de Bland-Altman. Após análise dos métodos estatísticos se observou reprodutibilidade de ambos os métodos e forte correlação entre os mesmos. Conclusão: Os cortes trans-axiais da maxila, obtidos por meio da tomografia computadorizada por feixe cônico, podem ser utilizados para cálculo dos volumes de seios maxilares, quando da análise dos mesmos em software Photoshop CS3 Extended®, fornecendo valores de volume próximos e estatisticamente compatíveis aos obtidos por meio do molde dos seios maxilares com silicone de condensação (padrão ouro), de maneira sistematizada e de fácil reprodução. / Purpose: To validate the proposal for measurement of maxillary sinus volume, using cross-sectional images generated by cone beam computed tomography, which were analyzed with an image editor software, and comparing the estimated volumes with those obtained through impression with fluid condensation silicone. Methods: Five dry skulls axially osteotomized, from the São Paulo University City Anatomy Laboratory, were used to allow an upper view of the maxillary sinuses, totaling 6 sites. The sites were molded com fluid condensation silicone injected with an elastomer syringe, and maxillary sinus models were produced by immersing the silicone mold into plaster. The plaster casts were hydrated and fulfilled with water reaching 10 mm height, which was removed with a graduated pipette to determine the water volume. The sample underwent cone beam computed tomography and the images were reformatted to produce cross-sectional views, which were analyzed with Photoshop CS3 Extended®, and the volume was calculated using Excel®. Results: Data obtained by both methods were statistically compared based on individual profile graphic, dispersion diagram (Bussab and Morettin), intraclass correlation coefficient (Fleiss) and Bland-Altman plot. After being analyzed, the two statistical methods showed reproducibility and strong correlation. Conclusion: Cross-sectional views generated by cone beam computed tomography and analyzed with Photoshop CS3 Extended® are useful to calculate the maxillary sinus volume, in order to help in planning the maxillary sinus floor elevation surgery.

Objetivo: Validar a proposta de cálculo do volume de seios maxilares, utilizando-se de imagens trans-axiais geradas por meio de tomografia computadorizada por feixe cônico, analisando as mesmas em software para edição de imagens, e comparando os volumes aferidos, com os obtidos por meio de molde dos seios maxilares com silicone de condensação fluido. Métodos: Foram utilizados 05 crânios secos com osteotomia axial, pertencentes ao acervo do Laboratório de Anatomia da Universidade Cidade de São Paulo, de modo que se pudesse observar os seios maxilares em vista superior, totalizando 6 sítios. Os sítios foram moldados com silicone de condensação flúido por meio da injeção do mesmo com uma seringa para elastômero, e modelos dos seios maxilares foram confeccionados por meio da imersão dos moldes de silicone em gesso. Os modelos de gesso foram hidratados e preenchidos com água até que se atingisse a altura de 10mm e esse volume de água foi removido por meio de uma pipeta graduada na qual pôde-se fazer a leitura do volume. A amostra foi então submetida a tomografia computadorizada por feixe cônico, para posterior reformatação em cortes trans-axiais, que foram analisados no software Photoshop CS3 Extended® e o cálculo do volume foi feito com auxílio do software Excel®. Resultados: Os dados obtidos pelos dois métodos foram comparados estatisticamente por meio de gráficos de perfis individuais, diagrama de dispersão (Bussab e Morettin), coeficiente de correlação intraclasse (Fleiss) e gráfico de Bland-Altman. Após análise dos métodos estatísticos se observou reprodutibilidade de ambos os métodos e forte correlação entre os mesmos. Conclusão: Os cortes trans-axiais da maxila, obtidos por meio da tomografia computadorizada por feixe cônico, podem ser utilizados para cálculo dos volumes de seios maxilares, quando da análise dos mesmos em software Photoshop CS3 Extended®, fornecendo valores de volume próximos e estatisticamente compatíveis aos obtidos por meio do molde dos seios maxilares com silicone de condensação (padrão ouro), de maneira sistematizada e de fácil reprodução. / Purpose: To validate the proposal for measurement of maxillary sinus volume, using cross-sectional images generated by cone beam computed tomography, which were analyzed with an image editor software, and comparing the estimated volumes with those obtained through impression with fluid condensation silicone. Methods: Five dry skulls axially osteotomized, from the São Paulo University City Anatomy Laboratory, were used to allow an upper view of the maxillary sinuses, totaling 6 sites. The sites were molded com fluid condensation silicone injected with an elastomer syringe, and maxillary sinus models were produced by immersing the silicone mold into plaster. The plaster casts were hydrated and fulfilled with water reaching 10 mm height, which was removed with a graduated pipette to determine the water volume. The sample underwent cone beam computed tomography and the images were reformatted to produce cross-sectional views, which were analyzed with Photoshop CS3 Extended®, and the volume was calculated using Excel®. Results: Data obtained by both methods were statistically compared based on individual profile graphic, dispersion diagram (Bussab and Morettin), intraclass correlation coefficient (Fleiss) and Bland-Altman plot. After being analyzed, the two statistical methods showed reproducibility and strong correlation. Conclusion: Cross-sectional views generated by cone beam computed tomography and analyzed with Photoshop CS3 Extended® are useful to calculate the maxillary sinus volume, in order to help in planning the maxillary sinus floor elevation surgery.

Neuronavigation and transcranial magnetic stimulation (TMS) are valuable tools in clinical and research environment. Neuronavigation provides visual guidance of a given instrument during procedures of neurological interventions, relative to anatomic images. In turn, TMS allows the non-invasive study of cortical brain function and to treat several neurological disorders. Despite the well-accepted importance of both techniques, high-cost of neuronavigation systems and limited spatial accuracy of TMS in targeting brain structures, limit their applications. Therefore, the aim of this thesis was to i) develop an open-source, free neuronavigation software, ii) study a possible combination of neuronavigation and 3D printing for surgical planning, and iii) construct a multi-channel TMS coil with electronic control of electric field (E-field) orientation. In the first part, we developed and characterized a neuronavigation software compatible with multiple spatial tracking devices, the InVesalius Navigator. The created co-registration algorithm enabled tracking position and orientation of instruments with an intuitive graphical interface. Measured accuracy was similar to that of commercial systems. In the second part, we created 3D printed models from patients with neurological disorders and assessed the errors of localizing anatomical landmarks during neuronavigation. Localization errors were below 3 mm, considered acceptable for clinical applications. Finally, in the last part, we combined a set of two thin, overlapping coils to allow electronic control of the E-field orientation and investigated how the motor evoked responses depend on the stimulus orientation. The developed coil enabled the stimulation of the motor cortex with high angular resolution. Motor responses showed the highest amplitude and lowest latency with E-field approximately perpendicular to the central sulcus. In summary, this thesis provides new methods to improve spatial accuracy of techniques to brain interventions. / A neuronavegação e a estimulação magnética transcraniana (EMT ou TMS, do termo em inglês transcranial magnetic stimulation) têm sido apresentadas como ferramentas valiosas em aplicações clínicas e de pesquisa. A neuronavegação possibilita a localização de instrumentos em relação a imagens anatômicas durante procedimentos de intervenção neurológica. Por sua vez, a EMT permite o estudo não invasivo da função cerebral e o tratamento de doenças neurológicas. Apesar da importância de ambas as técnicas, o alto custo dos sistemas de neuronavegação e a reduzida precisão espacial da EMT em ativar estruturas cerebrais limitam suas aplicações. Sendo assim, o objetivo desta tese foi: i) desenvolver um software de neuronavegação gratuito e de código aberto, ii) estudar a combinação entre neuronavegação e impressão 3D para planejamento cirúrgico, e iii) construir uma bobina de EMT multicanal com controle eletrônico da orientação do campo elétrico (CE). Na primeira parte, desenvolvemos e caracterizamos um software de neuronavegação compatível com vários rastreadores espaciais, o InVesalius Navigator. O algoritmo criado possibilitou o rastreamento de instrumentos por uma interface gráfica intuitiva. A precisão medida foi semelhante à de sistemas comerciais. Na segunda parte, imprimimos modelos 3D de pacientes com patologias neurológicas e avaliamos os erros de localização de marcos anatômicos durante a neuronavegação. Os erros de localização foram inferiores a 3 mm, considerados aceitáveis para aplicações clínicas. Por fim, na última parte, combinamos duas bobinas sobrepostas para controlar eletronicamente a orientação do CE, e investigamos como as respostas motoras evocadas dependem da orientação da corrente. A bobina desenvolvida possibilitou estimular o córtex motor com alta resolução angular. As respostas motoras apresentaram maior amplitude e menor latência para orientação do CE aproximadamente perpendicular ao sulco central. Em suma, esta tese fornece novos métodos para melhorar a precisão espacial de técnicas de intervenção com o cérebro.

Submitted by Rosivalda Pereira (mrs.pereira@ufma.br) on 2017-08-14T20:25:49Z No. of bitstreams: 1 JoaoDallyson.pdf: 6621483 bytes, checksum: 19e928fa3d5789994cc1db5d829e0575 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-14T20:25:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JoaoDallyson.pdf: 6621483 bytes, checksum: 19e928fa3d5789994cc1db5d829e0575 (MD5) Previous issue date: 2013-07-05 / Strabismus is a condition that affects approximately 4% of the population causing aesthetic problems, reversible at any age, and irreversible sensory changes that modify the mechanism of vision. The Hirschberg test is one of the types of existing tests to detect such a condition. Detection Systems and computeraided diagnosis are being used with some success in helping health professionals. However, in spite of the increasing routine use of high-tech technologies, the diagnosis and therapy in ophthalmology is not a reality within the strabismus subspecialty. Thus, this thesis aims to present a methodology to detect and automatically diagnose and propose the plan of strabismus surgery through digital images. To do this, the study is organized in seven steps: (1) face segmentation; (2) eye region detection; (3) eyes location; (4) limbus and brilliance location; (5) detection, (6) diagnosis and (7) surgical planning of strabismus. The effectiveness of the study in the indication of the diagnosis and surgical plan was evaluated by the mean diference between the results provided by the methodology and the original indication of the expert. Patients were evaluated for eye positions: PPO, INFRA, SUPRA, DEXTRO and LEVO. The method was 88% accurate in identifying esotropias (ET), 100% in exotropias (XT), 80.33% in hipertropias (HT) and 83.33% in hipotropias (HoT). The overall average error in diagnosis was 5:6 and 3:83 for horizontal and vertical desviations, respectivelly. In planning surgeries of medial rectus muscles the average error was 0.6 mm for recession, and 0.9 mm for ressection. For lateral rectus muscles, the average error was 0.8 mm for recession, and 1 mm for resection. / O estrabismo é uma patologia que afeta cerca de 4% da população, provocando problemas estéticos (reversíveis a qualquer idade) e alterações sensoriais irreversíveis, modi cando o mecanismo da visão. O teste de Hirschberg é um dos tipos de exames existentes para detectar tal patologia. Sistemas de Detecção e Diagnóstico auxiliados por computador estão sendo usados com relativo sucesso no auxílio aos pro fissionais de saúde. No entanto, o emprego rotineiro de recursos de alta tecnologia no auxílio diagnóstico e terapêutico em oftalmologia não é uma realidade dentro da subespecialidade estrabismo. Sendo assim, o presente trabalho tem como objetivo apresentar uma metodologia para detectar e diagnosticar automaticamente, além de propor o plano cirúrgico do estrabismo por meio de imagens digitais. Para tanto, o estudo está organizado em sete estágios: (1) segmentação da face; (2) detecção da região dos olhos; (3) localização dos olhos; (4) localização do limbo e do brilho; (5) detecção; (6) diagnóstico e (7) planejamento cirúrgico do estrabismo. A e ficácia do estudo na indicação do diagnóstico e do plano cirúrgico foi avaliada pela m édia da diferença entre os resultados fornecidos pela metodologia e as indicações originais do especialista. Os pacientes foram avaliados nas posições do olhar: PPO, INFRA, SUPRA, DEXTRO e LEVO. O método obteve acuracia de 88% na identi cação de esotropias (ET), 100% nas exotropias (XT), 80,33% nas hipertropias (HT) e 83,33% nas hipotropias (HoT). O erro médio global na realização do diagnóstico foi de 5:6 e 3:83 para desvios horizontais e verticais, respectivamente. No planejamento de cirurgias de músculos retos mediais obteve-se erro médio de 0,6 mm para recuo, e 0,9 mm para ressecção. Para os músculos retos laterais, o erro médio foi de 0,8 mm para recuo e 1 mm para ressecção.

Neuronavigation and transcranial magnetic stimulation (TMS) are valuable tools in clinical and research environment. Neuronavigation provides visual guidance of a given instrument during procedures of neurological interventions, relative to anatomic images. In turn, TMS allows the non-invasive study of cortical brain function and to treat several neurological disorders. Despite the well-accepted importance of both techniques, high-cost of neuronavigation systems and limited spatial accuracy of TMS in targeting brain structures, limit their applications. Therefore, the aim of this thesis was to i) develop an open-source, free neuronavigation software, ii) study a possible combination of neuronavigation and 3D printing for surgical planning, and iii) construct a multi-channel TMS coil with electronic control of electric field (E-field) orientation. In the first part, we developed and characterized a neuronavigation software compatible with multiple spatial tracking devices, the InVesalius Navigator. The created co-registration algorithm enabled tracking position and orientation of instruments with an intuitive graphical interface. Measured accuracy was similar to that of commercial systems. In the second part, we created 3D printed models from patients with neurological disorders and assessed the errors of localizing anatomical landmarks during neuronavigation. Localization errors were below 3 mm, considered acceptable for clinical applications. Finally, in the last part, we combined a set of two thin, overlapping coils to allow electronic control of the E-field orientation and investigated how the motor evoked responses depend on the stimulus orientation. The developed coil enabled the stimulation of the motor cortex with high angular resolution. Motor responses showed the highest amplitude and lowest latency with E-field approximately perpendicular to the central sulcus. In summary, this thesis provides new methods to improve spatial accuracy of techniques to brain interventions. / A neuronavegação e a estimulação magnética transcraniana (EMT ou TMS, do termo em inglês transcranial magnetic stimulation) têm sido apresentadas como ferramentas valiosas em aplicações clínicas e de pesquisa. A neuronavegação possibilita a localização de instrumentos em relação a imagens anatômicas durante procedimentos de intervenção neurológica. Por sua vez, a EMT permite o estudo não invasivo da função cerebral e o tratamento de doenças neurológicas. Apesar da importância de ambas as técnicas, o alto custo dos sistemas de neuronavegação e a reduzida precisão espacial da EMT em ativar estruturas cerebrais limitam suas aplicações. Sendo assim, o objetivo desta tese foi: i) desenvolver um software de neuronavegação gratuito e de código aberto, ii) estudar a combinação entre neuronavegação e impressão 3D para planejamento cirúrgico, e iii) construir uma bobina de EMT multicanal com controle eletrônico da orientação do campo elétrico (CE). Na primeira parte, desenvolvemos e caracterizamos um software de neuronavegação compatível com vários rastreadores espaciais, o InVesalius Navigator. O algoritmo criado possibilitou o rastreamento de instrumentos por uma interface gráfica intuitiva. A precisão medida foi semelhante à de sistemas comerciais. Na segunda parte, imprimimos modelos 3D de pacientes com patologias neurológicas e avaliamos os erros de localização de marcos anatômicos durante a neuronavegação. Os erros de localização foram inferiores a 3 mm, considerados aceitáveis para aplicações clínicas. Por fim, na última parte, combinamos duas bobinas sobrepostas para controlar eletronicamente a orientação do CE, e investigamos como as respostas motoras evocadas dependem da orientação da corrente. A bobina desenvolvida possibilitou estimular o córtex motor com alta resolução angular. As respostas motoras apresentaram maior amplitude e menor latência para orientação do CE aproximadamente perpendicular ao sulco central. Em suma, esta tese fornece novos métodos para melhorar a precisão espacial de técnicas de intervenção com o cérebro.