Métrica vertebral-automático: desenvolvimento e construção de um sistema de posicionamento X/Z, com motores passo a passo

Dissertação apresentada no Departamento de Física na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia BiomédicaA presente dissertação insere-se num projecto de desenvolvimento de um sistema inovador na área da saúde. O projecto Métrica Vertebral – Automático, resulta da necessidade de evoluir o actual Métrica Vertebral. O Métrica Vertebral – Automático foi desenvolvido para automatizar a recolha das coordenadas, e a representação tridimensional da coluna vertebral. Nesta dissertação projectou-se e construiu-se todo o sistema mecânico e electrónico que permitiu posicionar um conjunto de instrumentos, nas duas coordenadas X (horizontal) e Z (vertical). Foram usados motores passo a passo, para permitir um posicionamento rigoroso (inferior a 0,2 mm), mesas lineares e calhas com correias para deslocar o posicionador com uma amplitude de 2000 mm na vertical (Z) e 300 mm na horizontal (X). A velocidade máxima conseguida na direcção vertical foi de 250 mm/s, enquanto que na direcção horizontal foi de aproximadamente 100 mm/s. Utilizaram-se uma mesa linear e uma calha com correia do fabricante IGUS™, e motores passo a passo híbridos, do fabricante Lin Engineering™. A electrónica de controlo foi desenvolvida e construída, bem como todas as peças de suporte e acoplamento mecânico. O sistema apresentou o comportamento esperado, conseguindo-se uma resolução no posicionamento superior à dos requisitos técnicos, e uma boa integração na globalidade do projecto Métrica Vertebral – Automático

Métrica Vertebral: Alterações biomecânicas da coluna vertebral em indivíduos com Espondilite Anquilosante

A análise das alterações biomecânicas da coluna vertebral na posição ortostática é extremamente relevante para delinear estratégias de intervenção direccionadas para a problemática de cada pessoa. Porém, esta análise tem sido travada pela inexistência de metodologias não invasivas que façam a análise global da coluna vertebral. Neste contexto, foi desenvolvido o Métrica Vertebral, um instrumento, de carácter não invasivo, que permite a análise global da coluna vertebral, na posição ortostática, através da identificação automática da posição tridimensional do vértice de cada apófise espinhosa, aferindo sobre as alterações biomecânicas da coluna vertebral. A Espondilite Anquilosante é uma doença reumática crónica, de etiologia desconhecida, que afecta a vida pessoal e profissional do indivíduo, diminuindo, significativamente, a sua qualidade de vida. É caracterizada, principalmente, por raquialgias e alterações da biomecânica da coluna vertebral. Recorrendo ao Métrica Vertebral, este projecto teve como objectivos principais: identificar e analisar os factores relacionados com as alterações da biomecânica da coluna vertebral em doentes com Espondilite Anquilosante; desenvolver uma interface clínica adaptada à patologia e com uma forte componente de visualização da coluna vertebral; criar uma base de dados para registo dos parâmetros analisados através da interface clínica, incluindo os dados obtidos pelo Métrica Vertebral. Esta dissertação esteve integrada num projecto mais abrangente, aceite pela comissão de ética do Centro Hospitalar de Lisboa Ocidental e contou com uma amostra de catorze indivíduos. De maneira a analisar e relacionar informação, foram preenchidos questionários e adquiridas nove aquisições, com o Métrica Vertebral, por indivíduo. A análise dos dados obtidos, demonstrou a existência de uma oscilação ântero-posterior da posição de equilíbrio e uma rectificação da cifose dorsal e da lordose lombar. Os dados demonstraram ainda, que os indivíduos possuíam uma boa capacidade funcional e mobilidade axial, não tendo sinais de uma doença muito activa

Development of a tracking system using invisible markers for association football

Mestrado em Treino DesportivoNowadays in association football, obtaining information such as position and movements of the players is of great interest to coaches due to the potential to relate performance to tactics and to assist in planning training programs. Over the last decade, technological advances in this area included the introduction of more sophisticated systems that are being used in elite association football; however, the development of a fully automated system is still needed. The aim of this study is to contribute to the development of a non-intrusive, automatic, tracking system, using a marker invisible to humans. We select a marker that absorbs in the infrared region (IR) of the electromagnetic spectrum (Epolight 1110) and prepared solutions containing the marker. We tested the solutions in fabric samples to assess the tones of gray, as well as the resistance of the marker to water. T-shirts were soaked in the solutions created, and were used by football players in a 1vs2 in situ task where we proceeded to the tracking. The findings showed that this approach is a valid possibility to discriminate and track players. We concluded that it is possible to use IR markers to distinguish different players and, with the appropriate computer graphics’ algorithms, to automatically track the players.Actualmente no futebol, a obtenção de informações como posição e movimentos dos jogadores é de grande interesse por parte dos técnicos devido ao potencial para relacionar o desempenho à táctica e ajudar na elaboração dos programas de treino. Durante a última década, avanços tecnológicos nesta área incluíram a introdução de sistemas mais sofisticados que estão a ser utilizados no futebol de elite; no entanto, o desenvolvimento de um sistema totalmente automatizado ainda é necessário. O objectivo deste estudo é contribuir para o desenvolvimento de um sistema de tracking não-intrusivo, automático, usando um marcador invisível para os seres humanos. Seleccionámos um marcador que absorve na região do infravermelho (IV) do espectro electromagnético (Epolight 1110) e preparámos soluções contendo o marcador. Testámos as soluções em amostras de tecido para avaliar os tons de cinzento, assim como a resistência do marcador à água. Foram embebidas T-shirts com as soluções criadas, que foram usadas por jogadores de futebol numa situação in situ de 1vs2 onde se procedeu ao tracking dos mesmos. Os resultados mostraram que esta abordagem é válida para discriminar e acompanhar os jogadores. Concluímos que é possível usar marcadores IV para distinguir diferentes jogadores e, com algoritmos de computação gráfica adequados, é possível monitorizar automaticamente os jogadores

Evaluation of mechanical load in the musculoskeletal system : development of experimental and modeling methodologies for the study of the effect of exercise in human models

Doutoramento em Motricidade Humana, na especialidade de BiomecânicaA major concern of Biomechanics research is the evaluation of the mechanical load and power that the human body develops and endorses when performing high to moderate sport activities. With the purpose of increasing performance and reducing the risk of injury, substantial advances were accomplished to pursuit this goal, either on the laboratory techniques as well as modelling and simulation. Traditionally, the main focus was the assessment of kinematics, kinetics and electromyography data to describe the main mechanics and neuromuscular behaviour, when performing a certain movement. The use of methodologies that enable the quantification of the effect of a particular joint moment of force in the entire body or the contribution of an individual muscle force to accelerate the centre of mass of the body is quite relevant in biomechanical analysis. This is particularly important when dealing with explosive movements such as those that occur in sports activities, or in the clinical field when dealing with abnormal movement. At the same time, the advances in imaging technology allows us the use of some of those techniques to gather subject-specific information, particularly the muscle architectural parameters that are crucial to the production of force, such as muscle volume, muscle physiological cross-section area and muscle pennation angle. In the course of this dissertation, we investigated the use and/or combination of different methodologies to study the effect of mechanical load in the lower limb musculoskeletal system during a cyclic stretch-shortening exercise. We aimed at using an integrated approach to better characterize the behaviour of the musculoskeletal system when subjected to this type of mechanical load.RESUMO: Uma das principais preocupações da investigação em Biomecânica é a avaliação da carga mecânica que o corpo desenvolve e que consegue suportar quando realiza ações desportivas com nível de desempenho de moderado a elevado. Com o objetivo de melhorar a performance mas reduzindo o risco de lesão, têm sido realizados avanços significativos quer nas técnicas laboratoriais e equipamentos, quer nas técnicas de modelação e simulação. A investigação tradicional em biomecânica tem o seu foco na avaliação da cinemática, cinética e função neuromuscular para descrever a mecânica do corpo e o comportamento neuromuscular, durante a execução de um determinado movimento. No entanto, a utilização de metodologias que permitam a quantificação do efeito de um determinado momento de força articular em todos os segmentos corporais ou a contribuição de um momento de força muscular individual na aceleração do centro de massa do corpo é bastante relevante na análise biomecânica. Isto é particularmente importante quando se lida com movimentos explosivos, tais como os que ocorrem em actividades desportivas, ou no âmbito clínico quando se tratam de condições não normais ou patológicas. Ao mesmo tempo, os avanços na tecnologia de imagem permitem a utilização de algumas destas técnicas para recolher informações específicas do sujeito, nomeadamente no que diz respeito aos parâmetros arquitectónicos do músculo, que são cruciais para a produção da força, tal como o volume muscular, a área de secção transversal fisiológica ou o ângulo de penação. No decurso deste trabalho, foi investigada a utilização e/ou combinação de diferentes metodologias para estudar o efeito da carga mecânica no sistema musculo-esquelético do membro inferior durante um exercício de alongamento-encurtamento realizado de forma cíclica. O principal objetivo foi utilizar uma abordagem integrada para melhor caracterizar o comportamento do sistema músculo-esquelético, quando submetido a este tipo de carga mecânica.FCT - Fundação para a Ciência e a Tecnologi

Concepção de um aparelho de medição 3D da coluna vertebral: Desenvolvimento de um software de detecção de apófises espinhosas e cálculo da distância ântero-posterior

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia BiomédicaA presente tese de dissertação tem como objectivo principal construir um equipamento semi-automático e não invasivo de detecção da posição do vértice das apófises espinhosas. Os dados recolhidos desta detecção serão utilizados numa análise tridimensional da coluna vertebral, na posição vertical. Este projecto apresenta-se como uma evolução ao Métrica Vertebral, onde se pretende automatizar e reduzir o tempo de aquisição de dados. Devido à complexidade na construção deste equipamento, o projecto foi dividido em três projectos individuais: Movimento e controlo mecânico; Construção de um componente de medição de distâncias sem contacto; Modelação matemática e interface com o utilizador. Nesta dissertação será abordado o tema “Construção de um componente de medição de distâncias sem contacto”, tendo sido criado um software, que utiliza uma câmara de vídeo axial e um laser não axial para detectar pontos previamente marcados nas apófises espinhosas dos indivíduos a estudar. Depois de detectados os pontos por processamento de imagem, o software calcula as suas coordenadas e dá instruções aos posicionadores mecânicos para que a marca do laser se sobreponha ao ponto. Nestas condições é calculada a terceira coordenada do vértice da apófise espinhosa e são guardadas as suas coordenadas espaciais. Com este equipamento conseguiu-se medir distâncias entre os 0,2 mm até 75 mm com um erro máximo absoluto de 1,3 mm na distância ântero-posterior, 0,6 mm na coordenada horizontal e 0,4 mm na coordenada vertical. A limitação dos 75 mm refere-se ao limite da profundidade de foco da lente usada, sendo o limite máximo de medição teórico de 190 mm. Uma aquisição demora cerca de 2 minutos, podendo este tempo ser melhorado se for alterada a linguagem de programação. Contudo com este equipamento pode realizar-se várias aquisições rapidamente, o que permite um estudo dinâmico da postura.A presente dissertação foi desenvolvida com a colaboração da empresa NGNS – Ingenious Solution

Métrica vertebral: avaliação da omoplata

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia BiomédicaO Métrica Vertebral é um dispositivo inovador que visa a avaliação global da coluna vertebral. Trata-se de um instrumento não-invasivo e semiautomático, cuja base em processamento de imagem permite a medição da posição espacial de cada apófise espinhosa na posição ortostática. É ainda possível reconstruir a coluna através de uma interface gráfica desenvolvida para esse fim. Composto por uma câmara de vídeo e um díodo laser, este aparelho, em termos de instrumentação, executa movimentos ao longo de duas calhas, uma vertical e outra horizontal, controlados por software, de forma a fazer uma leitura por varrimento da pele do paciente em busca de pontos previamente marcados por palpação. Com vista à melhor representação possível das omoplatas, foram escolhidas três referências ósseos para marcação, antes da aquisição, e posterior detecção. A adaptação do software original para a pesquisa e detecção das referências escapulares constituiu o principal objectivo deste trabalho. O objectivo secundário passou pela definição de protocolos de aquisição que permitissem o estudo conjunto da coluna vertebral e das omoplatas, de forma a possibilitar uma melhor identificação e prevenção de patologias ao nível do ombro. A pesquisa das referências escapulares acabou por diferir bastante da relativa às apófises espinhosas, o que suscitou alterações em grande parte dos algoritmos desenvolvidos até à data, sobretudo ao nível de toda a sequência de processos na aquisição das omoplatas. Foi ainda desenvolvida uma interface muito simplista que permite ao utilizador seleccionar que tipo de medição pretende realizar. Relativamente aos resultados obtidos, considera-se que se atingiram os objectivos estabelecidos com sucesso, na medida em que é agora possível conhecer a posição e a orientação das omoplatas e, sobretudo, associá-las à aquisição da coluna vertebral, ou seja, possibilitou-se o estudo da relação existente entre a curvatura da coluna vertebral e a posição das omoplatas

Alterações biomecânicas da coluna vertebral durante a gravidez

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Doutor no Ramo da Engenharia Biomédica,Especialidade BiomecânicaO principal objectivo da presente tese foi responder a um conjunto de interrogações acerca do impacto da gravidez na biomecânica da coluna vertebral. Para colmatar lacunas ao nível da análise integrada deste tipo de alterações, procedeu-se à construção, teste e validação de um equipamento não-invasivo - Métrica Vertebral – que avalia a coluna vertebral de forma global e quantitativa. Através da sua aplicação é possível identificar a posição 3D do vértice das apófises espinhosas e assim obter uma imagem sistematizada das características biomecânicas da coluna vertebral. Para analisar os dados recolhidos por este dispositivo inovador, foi desenvolvido e validado um modelo matemático, capaz de estimar a amplitude dos ângulos da lordose cervical,cifose dorsal e lordose lombar, numa amostra de 49 mulheres ao longo de 4 momentos da gravidez Para identificar variáveis eventualmente responsáveis pelas alterações dos ângulos e daposição x, y e z do vértice das apófises espinhosas, aplicou-se um conjunto de instrumentos de avaliação dos quais destacamos o questionário de medição do desempenho ocupacional NIH Activity Record que foi traduzido e adaptado para a população portuguesa no âmbito do presente trabalho. Os resultados alcançados com o Métrica Vertebral não se limitam a confirmar as hipóteses formuladas no inicio da investigação como revelam perspectivas inovadoras sobre alguns conceitos predefinidos. Desta forma, abre caminho para futuras abordagens numa óptica de prevenção em saúde pública. Apresenta-se como um instrumento com diferentes aplicações sobretudo nas áreas da ortopedia, neurocirurgia, pediatria e reabilitação. Foi feito o pedido de Registo Nacional (PT 103990) e Internacional (PCT/IB2009/005018) bem como a publicação no European Patent Bulletin de 22-12-2010 - 2010/51, sob o nº. 2263531, como medida de protecção da patente.Fundação para a Ciência e Tecnologia - SFRH/BD/44042/200

Métrica vertebral: processamento optimizado de imagem

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia BiomédicaA presente dissertação dá continuidade ao desenvolvimento de um sistema inovador na área da saúde - o Métrica Vertebral. Este sistema não invasivo detecta, de forma semi-automática, a posição espacial do vértice das apófises espinhosas, para posterior análise da coluna vertebral na posição ortostática. O equipamento (estrutura e software) que constitui o Métrica Vertebral, cuja base de funcionamento é uma câmara de vídeo e um díodo laser, já havia sido desenvolvido, no entanto, ainda não estava adequado para ser aplicado em indivíduos. Tal era devido ao facto de o marcador utilizado para assinalar a projecção cutânea do vértice das apófises espinhosas não ser o mais indicado e, além disso, a velocidade de processamento dos algoritmos ser baixa. O principal objectivo desta dissertação é adaptar o software a um novo marcador que permita adquirir dados em pessoas. Para atingir esta finalidade, foi necessário encontrar um bom marcador para as apófises (com características especificas que possibilitam um processamento de imagem mais rápido) e adaptar os algoritmos de identificação dos pontos e da marca do díodo laser a este novo marcador. O ajuste dos algoritmos compreendeu a correcção do brilho da imagem, a definição de algoritmos de threshold automático e a aplicação de funções próprias do MatLAB®, que eliminam artefactos nas imagens. Estas etapas foram optimizadas, pelo que se obtiveram processamentos mais rápidos e, consequentemente, foi possível aumentar a velocidade ascendente do equipamento para 4,62mm/s (anteriormente, era igual a 3,44mm/s). No final, realizaram-se testes em dez indivíduos: nove caucasianos e um mestiço. Para cada indivíduo, efectuaram-se três aquisições, com o intuito de comparar os dados obtidos em cada uma delas. Após realizar o tratamento de dados, obteve-se uma eficácia de detecção de, aproximadamente, 97.27%

Comparative evaluation of the tridimensional spine position measured with a new instrument (Vertebral Metrics) and an optoelectronic system of stereophotogrammetry

We designed and built a non-invasive instrument, called Vertebral Metrics, to measure the x, y, and z positions of each spinous process of the spine on a standing position. In the present study, we perform a comparative evaluation of Vertebral Metrics, by comparing the results obtained from this instrument with those from a validated optoelectronic system of stereophotogrammetry, with 10 infrared cameras. The sample was composed of 11 women aged between 14 and 39 years. After marking the various points on the spinal column, from the first cervical vertebra to the first sacral vertebra, they were measured first with the new instrument (Vertebral Metrics) and then by means of the optoelectronics system. Afterwards, the results were subjected to a thorough comparison. The statistical comparison of the results was performed using an ANOVA model with three factors (Instrument, Subject, and Vertebra) for the intervertebral distance