Development of procedures for the design, optimization and manufacturing of customized orthopaedic and trauma implants: Geometrical/anatomical modelling from 3D medical imaging

Tese de Doutoramento (Programa Doutoral em Engenharia Biomédica)The introduction of imaging techniques in 1970 is one of the most relevant historical milestones in modern medicine. Medical imaging techniques have dramatically changed our understanding of the Human anatomy and physiology. The ability to non-invasively extract visual information allowed, not only the three-dimensional representation of the internal organs and musculo-skeletal system, but also the simulation of surgical procedures, the execution of computer aided surgeries, the development of more accurate biomechanical models, the development of custom-made implants, among others. The combination of the most advanced medical imaging systems with the most advanced CAD and CAM techniques, may allow the development of custom-made implants that meet patient-speci c traits. The geometrical and functional optimization of these devices may increase implant life-expectancy, especially in patients with marked deviations from the anatomical standards. In the implant customization protocol from medical image data, there are several steps that need to be followed in a sequential way, namely: Medical Image Processing and Recovering; Accurate Image Segmentation and 3D Surface Model Generation; Geometrical Customization based on CAD and CAE techniques; FEA Optimization of the Implant Geometry; and Manufacturing using CAD-CAM Technologies. This work aims to develop the necessary procedures for custom implant development from medical image data. This includes the extraction of highly accurate three-dimensional representation of the musculo-skeletal system from the Computed Tomography imaging, and the development of customized implants, given the speci c requirements of the target anatomy, and the applicable best practices found in the literature. A two-step segmentation protocol is proposed. In the rst step the region of interest is pre-segmented in order to obtain a good approximation to the desired geometry. Next, a fully automatic segmentation re nement is applied to obtain a more accurate representation of the target domain. The re nement step is composed by several sub-steps, more precisely, the recovery of the original image, considering the limiting resolution of the imaging system; image cropping; image interpolation; and segmentation re nement over the up-sampled domain. Highly accurate segmentations of the target domain were obtained with the proposed pipeline. The limiting factor to the accurate description of the domain accuracy is the image acquisition process, rather the following image processing, segmentation and surface meshing steps. The new segmentation pipeline was used in the development of three tailor-made implants, namely, a tibial nailing system, a mandibular implant, and a Total Hip Replacement system. Implants optimization is carried with Finite Element Analysis, considering the critical loading conditions that may be applied to each implant in working conditions. The new tibial nailing system is able of sustaining critical loads without implant failure; the new mandibular endoprosthesis that allows the recovery of the natural stress and strain elds observed in intact mandibles; and the Total Hip Replacement system that showed comparable strain shielding levels as commercially available stems. In summary, in the present thesis the necessary procedures for custom implant design are investigated, and new algorithms proposed. The guidelines for the characterization of the image acquisition, image processing, image segmentation and 3D reconstruction are presented and discussed. This new image processing pipeline is applied and validated in the development of the three abovementioned customized implants, for di erent medical applications and that satisfy speci c anatomical needs.Um dos principais marcos da história moderna da medicina e a introdução da imagem médica, em meados da década de 1970. As tecnologias de imagem permitiram aumentar e potenciar o nosso conhecimento acerca da anatomia e fisiologia do corpo Humano. A capacidade de obter informação imagiológica de forma não invasiva permitiu, não são a representação tridimensional de órgãos e do sistema músculo-esquelético, mas também a simulação de procedimentos cirúrgicos, a realização de cirurgias assistidas por computador, a criação de modelos biomecânicos mais realistas, a criação de implantes personalizados, entre outros. A conjugação dos sistemas mais avançados de imagem medica com as técnicas mais avançadas de modelação e maquinagem, pode permitir o desenvolvimento de implantes personalizados mais otimizados, que vão de encontro as especificidades de cada paciente. Por sua vez, a otimização geométrica e biomecânica destes dispositivos pode permitir, quer o aumento da sua longevidade, quer o tratamento de pessoas com estruturas anatómicas que se afastam dos padrões normais. O processo de modelação de implantes a partir da imagem medica passa por um conjunto de procedimentos a adotar, sequencialmente, ate ao produto final, a saber: Processamento e Recuperação de Imagem; Segmentação de Imagem e Reconstrução tridimensional da Região de Interesse; Modelação Geométrica do Implante; Simulação Numérica para a Otimização da Geometria; a Maquinagem do Implante. Este trabalho visa o desenvolvimento dos procedimentos necessários para a criação de implantes personalizados a partir da imagem medica, englobando a extração de modelos ósseos geométricos rigorosos a partir de imagens de Tomografia Computorizada e, a partir desses modelos, desenvolver implantes personalizados baseados nas melhores praticas existentes na literatura e que satisfaçam as especificidades da anatomia do paciente. Assim, apresenta-se e discute-se um novo procedimento de segmentação em dois passos. No primeiro e feita uma pre-segmentação que visa obter uma aproximação iniciala região de interesse. De seguida, um procedimento de refinamento da segmentação totalmente automático e aplicada a segmentação inicial para obter uma descrição mais precisa do domínio de interesse. O processo de refinamento da segmentação e constituído por vários procedimentos, designadamente: recuperação da imagem original, tendo em consideração a resolução limitante do sistema de imagem; o recorte da imagem na vizinhança da região pre-segmentada; a interpolação da região de interesse; e o refinamento da segmentação aplicando a técnica de segmentação Level-Sets sobre o domínio interpolado. O procedimento de segmentação permitiu extrair modelos extremamente precisos a partir da informação imagiológica. Os resultados revelam que o fator limitante a descrição do domínio e o processo de aquisição de imagem, em detrimento dos diversos passos de processamento subsequentes. O novo protocolo de segmentação foi utilizado no desenvolvimento de três implantes personalizados, a saber: um sistema de fixação interna para a tíbia; um implante mandibular; e um sistema para a Reconstrução Total da articulação da Anca. A otimização do comportamento mecânico dos implantes foi feita utilizado o Método dos Elementos Finitos, tendo em conta os carregamentos críticos a que estes podem estar sujeitos durante a sua vida útil. O sistema de fixação interna para a tíbia e capaz de suportar os carregamentos críticos, sem que a sua integridade mecânica seja comprometida; o implante mandibular permite recuperar os campos de tensão e deformação observados em mandíbulas intactas; e a Prótese Total da Anca apresenta níveis de strain shielding ao longo do fémur proximal comparáveis com os níveis observados em dispositivos comercialmente disponíveis. Em suma, nesta tese de Doutoramento são investigados e propostos novos procedimentos para o projeto de implantes feitos por medida. São apresentadas e discutidas as linhas orientadoras para a caracterização precisa do sistema de aquisição de imagem, para o processamento de imagem, para a segmentação, e para a reconstrução 3D das estruturas anatómicas a partir da imagem medica. Este conjunto de linhas orientadoras é aplicado e validado no desenvolvimento de três implantes personalizados, citados anteriormente, para aplicações médicas distintas e que satisfazem as necessidades anatómicas específicas de cada paciente.Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT

The potential role of variations in juvenile hip geometry on the development of Legg-Calvé-Perthes disease: a biomechanical investigation

© 2018 Informa UK Limited, trading as Taylor & Francis Group Legg-Calvé-Perthes disease (LCP) is one of the most poorly understood diseases in paediatric orthopaedics. One common trait of LCP is the marked morphological difference between healthy and pathological hips, early deviations of which (i.e. prior to disease onset) have been suggested to lead to the overload and collapse of the epiphysis. Here, the impact of common variations in geometry is investigated with a finite element model of a juvenile femur under single leg standing and landing. Here, the impact of typical variations in geometry is investigated with a finite element model of a juvenile femur under single leg standing and landing. The variations appear to have only a limited effect on the stress distribution in the femoral epiphysis even during high impact activities. This suggests that, for this individual at least, they would be unlikely to cause epiphyseal overload and collapse, even in the presence of a skeletally immature epiphysis

Selection process of sustainable indicators for the Algarve Region—OBSERVE Project

The selection of indicators for the Observatory of Sustainability of the Algarve Region for Tourism (OBSERVE), poses challenges, namely which indicators are relevant to stakeholders and how to assure that information is available. To support the selection of the environmental, sociocultural, economic and institutional indicators, an engagement process was designed and applied, which included meetings with stakeholders, a workshop and an online survey. The results showed that both workshop and online surveys reflected, in general, similar opinions, thus allowing the selecting of the sustainable development indicators for the Algarve region. Additionally, the results showed that nearly 75% of the indicators can be obtained from national statistics and, therefore, can be used on the OBSERVE project, assuring a quick flow of information. As limitations, it is important to mention that the other 25% will need further development, in order to provide data for indicators, like carbon management and client satisfaction. With this approach, the observatory will survey and evaluate the sustainable development of the region (status and trends), based on indicators that answer to the strategic needs of system's main users, with social and economic implications, i.e., public institutions, economic agents, tourists, local communities and residents.ALG-01-0246-FEDER-027503info:eu-repo/semantics/publishedVersio

As especificidades da formação de professores da educação profissional

A presente comunicação objetiva apresentar uma abordagem dos modelos de formação de professores e das propostas de desenvolvimento profissional defendidas por diversos autores. Apresenta uma retrospectiva da expansão da educação profissional e tecnológica, seus reflexos nas políticas públicas na legislação brasileira de preparação de docentes para lecionar em cursos técnicos e tecnológicos e influências advindas da interligação com a indústria brasileira. As questões pedagógicas e o preparo dos professores da educação técnica/tecnológica passaram por modificações dando maior peso aos interesses das políticas governamentais, aos interesses dos estabelecimentos de ensino e relegando para segundo plano as dimensões dos docente

Physical and physiological quality of Jatropha curcas L. seeds at different maturity stages using image analysis

Aim of study: To assess the potential of automated X-ray image analysis to evaluate the physical characteristics of Jatropha curcas seeds, and to relate the parameters obtained with the physiological quality of the seeds harvested at different maturity stages.Area of study: Experimental area of Agronomy Department, Federal University of Viçosa (UFV), Brazil.Material and methods: The fruits were harvested from 20 plants, based on the external skin color (green, yellow, brownish-yellow and brown). The study was performed by automated and visual analysis of radiographic images of the seeds, in which measurements of tissue integrity, density and seed filling were performed. Seed dry matter, germination and seedling growth were also analysed.Main results: Variables obtained through automated analysis of radiographic images correlated significantly with all physiological variables (r > 0.9), as well as visual image evaluations (r > 0.75). The seeds extracted from green fruits presented lower tissue integrity and lower physiological quality. Radiographic analysis was efficient for monitoring J. curcas seed quality at different maturity stages. Morpho-anatomical parameters obtained from X-ray analysis were highly correlated with seed physiological attributes.Research highlights: It is important to develop and improve methodologies based on lower-cost techniques, such as X-ray analysis. In this context, we verified that X-ray images can be used for monitoring J. curcas seed filling and maturation. Radiographic images of seeds can be analyzed automatically with ImageJ software. Internal morphology and physical characteristics of seeds have relationship with their physiological quality

Predominance of Leishmania (Leishmania) amazonensis DNA in Lutzomyia longipalpis sand flies (Diptera: Psychodidae) from an endemic area for leishmaniasis in Northeastern Brazil

Leishmaniasis is a serious public health concern in the Northeastern region of Brazil, where the sand fly fauna is well studied, although few species have been identified as competent vectors. The detection of Leishmania spp. parasites in wild-caught sand flies could help sanitary authorities draw strategies to avoid the transmission of the parasites and, therefore, the incidence of leishmaniases. We detected Leishmania DNA in wild-caught sand flies and correlated that data with aspects of sand fly ecology in the Caxias municipality, Maranhao State, Brazil. The sand flies were sampled in the peridomicile (open areas in the vicinity of human residences) and intradomicile (inside the residences) from July/2019 to March/2020. Leishmania DNA was detected in females, targeting a fragment of the Internal Transcribed Spacer (ITS1) from ribosomal DNA. Among the fourteen species of sand flies identified, five (Lutzomyia longipalpis, Nyssomyia whitmani, Evandromyia evandroi, Micropygomyia trinidadensis, and Micropygomyia quinquefer) harbored DNA of Leishmania (Leishmania) amazonensis. The most abundant species in rural (Ny. whitmani: 35.2% and Ev. evandroi: 32.4%) and urban areas (Lu. longipalpis: 89.8%) are the permissive vectors of L. (L.) amazonensis, especially Ny. whitmani, a known vector of causative agents of cutaneous leishmaniasis. Although Lu. longipalpis is the vector of L. (L.) infantum, which was not detected in this study, its permissiveness for the transmission of L. (L.) amazonensis has been reported. We suspect that visceral leishmaniasis and cutaneous leishmaniasis are caused by L. (L.) amazonensis, and the transmission may be occurring through Lu. longipalpis, at least in the urban area

Sustainable competitiveness of tourism in the Algarve region. Critical stakeholders’ perception of the supply sector

The Algarve region, located in the south of Portugal, is a well-known tourism destination that seeks to be sustainable and competitive. The local administration looks to establish a collaborative network, where stakeholders take a crucial role. The research aims to appeal to the accommodations and food services stakeholders to have a shared vision of the issues and priorities related to sustainable tourism development. Their perception is a critical factor in making decisions regarding the region’s competitiveness. Algarve’s two major and leading associations of the tourism supply sector AIHSA and AHETA were invited to participate in the study. Based on the responses of an online questionnaire, an artificial intelligence algorithm was applied to the data to identify the common and divergent aspects. The conceptual model developed is based on a simplified model of psychological ownership. The results highlight a convergent perspective regarding sustainability challenges, namely, natural resources and biodiversity, safety, and supply chain. However, hotels and restaurants do not reflect the same perception regarding sustainability initiatives, e-tourism, or free internet access. These divergences are essential results since they indicated which issues require local authorities’ priority intervention.Operational Program CRESC ALGARVE 2020 (ALG-01-0246-FEDER-027503)info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Concepções de ensino de docentes da educação técnica e tecnológica

O presente trabalho tem como finalidade compreender as concepções de ensino de docentes da educaçãotécnica e tecnológica e contribuir para o desenvolvimento individual e coletivo dos professoresdessa área de ensino. Neste sentido, a partir de um estudo de caso em uma instituição brasileira,é utilizado o inquérito por questionário Teaching Perspectives Inventory - TPI, desenvolvido por Pratte Collins (2010) sobre as perspectivas de ensino. É também ensaiada uma aproximação conceitualentre o modelo desses autores e os diversos modelos de desenvolvimento profissional apresentadospor Unruh e Turner, Katz e Gregorc nos anos de 1970; Feinian e Floclen, Sikes, Burke e Alii, Vomk eHuberman nos anos de 1980; passando por Bolam, Leithwood, Gonçalves e Fessles nos anos de 1990,Formosinho no ano de 2000 e Garcia em 2009.A docência em instituições universitárias no século XXI requerem conexão entre os conhecimentosdas matérias específicas, inserindo os alunos no mundo laboral e as concepções didático/pedagógicasfacilitando o aprendizado, não só para a prestação de exames, mas para a formação do indivíduovisando prepará-lo ao convívio coletivo do universo onde estão inseridos.A análise do levantamento dos dados estatísticos, feita através do Statistical Package for Social Science-SPSS, evidenciou que os professores apresentam uma concepção do ensino multireferencial e queesta decorre das multifunções necessárias, no contexto contemporâneo, ao desempenho de sua profissão,reivindicando uma formação voltada para o domínio de práticas pedagógicas associadas aosconhecimentos específicos da matéria que lecionam

PSICOLOGIA NO AMBIENTE ESCOLAR: DIÁLOGOS SOBRE A RELAÇÃO PROFESSOR-ALUNO NO PROCESSO EDUCATIVO

A Psicologia é a ciência que estuda o comportamento e os seus processos mentais onde estão presentes sentimentos, pensamentos e razão, sendo assim uma área importante para o progresso de estudos inerentes ao comportamento humano e sua evolução mental. Tendo em vista que a Psicologia aborda temas relacionados ao desenvolvimento de aspectos essenciais para o entendimento do desenvolvimento psíquico dos seres humanos, ela vem como ferramenta auxiliar importante para um maior planejamento pedagógico nas escolas brasileiras