FCT: DF - Dissertações de Mestrado
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- DESENVOLVIMENTO DE NANO-IMUNOSENSO- RES PARA DETEÇÃO EM MEIOS COMPLEXOS DA PROTEÍNA STANNIOCALCINA-1 ASSOCIADA AO CANCRO DA PRÓSTATAPublication . Klajman, Marcella Machado Vieira; Raposo, Maria; Canário, AdelinoO cancro de próstata (PCa) é um dos tumores mais comuns entre os homens, sendo uma das principais causas de morbidade e mortalidade, o que leva a que exista a necessidade de diagnosticar a doença no seu estágio inicial, e, portanto, ao desenvolvimento de sensores eficazes de baixo custo que permitam o diagnóstico com exatidão. A Stanniocalcina-1 (STC-1) é uma glicoproteína originalmente descoberta nos corpúsculos de Stannius em peixes. Em mamíferos, a STC-1 contribui para processos como a regulação do cálcio, estresse oxidativo e atividades anti-inflamatórias. Estudos em humanos indicaram que a expressão aumentada de STC-1 e STC-2 está associada ao desenvolvimento e/ou progressão de diferentes tipos de tumores malignos, sugerindo o seu potencial como marcadores tumorais. O propósito deste trabalho é o desenvolvimento de um protótipo de um sistema sensorial baseado em nanosensores capaz de detetar a proteína stanniocalcina-1 (STC-1) num meio complexo, como a urina, visando a sua aplicação no diagnóstico do cancro da próstata. Para tal, foram preparados nanosensores baseados em filmes finos de polielectrólitos, proteína A, albumina sérica bovina (BSA) e anticorpos de STC-1, depositados sobre suportes sólidos com elétrodos interdigitados. A deteção da presença e da concentração da STC-1 em urina sintética dopada com esta glicoproteína em diferentes concentrações foi obtida por espectroscopia de impedância e os sinais elétricos obtidos foram analisados por métodos matemáticos, como análise de componentes principais. Os ensaios de dessorção mostraram que os recobrimentos (PAH/PSS)10 e (PEI/PSS)10 apresentaram maior estabilidade em urina sintética. Entre eles, o sensor (PAH/PSS)₅/PAH/ProA/BSA/AntiC destacou-se pelo melhor desempenho na discriminação das concentrações de STC1, evidenciado por uma relação linear entre o PC1 e o logaritmo da con- centração da proteína, com resolução estimada de 8,245×10⁻⁸ mg/mL e sensibilidade de (7±1) ×105. A análise estatística por PCA confirmou a consistência dos resultados, com as duas primeiras componentes principais (PC1 e PC2) a explicarem mais de 99% da variância em todos os sensores. Assim, espera-se que os resultados aqui obtidos contribuam para o desenvolvimento de uma técnica auxiliar no diagnóstico precoce do cancro da próstata, capaz de identificar alterações metabólicas específicas associadas à doença, complementando os métodos convencionais e promovendo uma abordagem mais precisa e menos invasiva para o acompanhamento clínico.
- 3D model of cellular spheroids as a tool for studying the radiosensitization potential of gold coated nanodiamondsPublication . Oliveira, Duarte Manuel Barrocas Machado de; Pinheiro, Teresa; Cruz, JoãoCancer is one of the leading causes of mortality worldwide, highlighting the need for more effective therapeutic approaches. The use of nanoparticles as radiosensitizers has become very important in radiotherapy, aiming to amplify radiation-induced effects while minimising damage to healthy tissues. However, the mechanisms governing nanoparticle penetration within tumours remain poorly understood. In this context, the development of three-dimensional (3D) cellular spheroid models that mimic the tumour microenvi- ronment can provide valuable insights into nanoparticle uptake and their potential as radiosensitisers in radiotherapy. In this study, A549 lung cancer cells were used to generate spheroids in agarose- based moulds. To best replicate the tumour microenvironment, four different culture media were tested, and spheroid formation was assessed through morphological pa- rameters over a seven-day growth protocol. Nuclear microscopy techniques applied to spheroid cryosections allowed evaluation of ND@Au uptake, while immunofluorescence microscopy was used to analyse biological effects, including reactive oxygen species (ROS) production and lipid metabolism, to assess the radiosensitising potential of ND@Au in combination with X-ray and γ-ray irradiation. Culture media with richer nutritional composition promoted greater cell prolifer- ation, resulting in larger spheroids with enhanced cell–cell and cell–extracellular ma- trix interactions, thereby providing a better replication of the tumour microenvironment. ND@Au preferentially accumulated in the peripheral regions of spheroids, with restricted uptake in the inner regions due to the high density and compactness of the core. ND@Au demonstrated radiosensitising effects when combined with radiotherapy, with greater efficacy observed under irradiation with a clinical LINAC X-ray beam.
- Reproducibility study of tumor extracted features in [18F]FDG and [68Ga]Ga-PSMA PET/CT imagesPublication . Alfaiate, Mónica Fernandes Candeias; Oliveira, Francisco; Vigário, RicardoThis retrospective study aims to evaluate the reproducibility of radiomic features extracted from lesions identified in [18F]-fluorodeoxyglucose ([18F]FDG) and [68Ga]Ga-prostate-specific membrane antigen ([68Ga]Ga-PSMA) positron emission tomography/computed tomography (PET/CT) images in a real- world scenario. Two datasets were included. The first contained 45 oncology patients who underwent two con- secutive whole-body [18F]FDG PET/CT scans on two different equipment. The second dataset contained 50 prostate cancer patients who underwent two consecutive whole-body [68Ga]Ga-PSMA PET/CT scans on the same equipment. For both datasets, the patients were injected only once, and the acquisition protocols were in accordance with European Association of Nuclear Medicine Research Ltd. (EARL1) standards. All visible lesions were identified by an experienced nuclear medicine physician and then segmented with a semi-automatic algorithm. For lesion characterization, 106 radiomic features were extracted (14 shape-based, 17 first-order, and 75 gray-level (texture)). Texture features were extracted only for lesions with a volume of at least 64 voxels (4.096 cm³). Reproducibility was assessed both at lesion- and patient-level. The intraclass correlation coefficient (ICC) for absolute agreement, mean rel- ative differences (RD), and absolute RD (|RD|) were used as reproducibility measures. In the lesion-based analysis, for [18F]FDG, 258 lesions were delineated, with only 93 lesions meeting the minimum volume for the texture analysis. Shape and first-order features demonstrated pre- dominantly excellent to good reproducibility (0.75 ≤ ICC). Whereas, texture features showed great var- iability in agreement results. For [68Ga]Ga-PSMA, 236 lesions were identified, with 92 lesions meeting the minimum volume for the texture analysis. Shape-based features mostly showed good reproducibil- ity. First-order features ranged generally from excellent to moderate reproducibility (0.5 ≤ ICC). Texture features displayed the widest variability, with fewer achieving high reproducibility. In the patient-based analysis, in [18F]FDG and [68Ga]Ga-PSMA, all features (metabolic tumor volume, total lesion glycoly- sis/total lesion PSMA, maximum standardized uptake value, and mean standardized uptake value) showed excellent or good reproducibility. In conclusion, shape-based and first-order features should be prioritized for follow-up and pre- dictive studies, compared to textural features. In addition to being more reproducible, shape and first- order features can be computed in small lesions, contrary to texture features.
- 3D Motion Analysis in Autism Quantification, Imitation Performance Analysis, and CharacterizationPublication . Pereira, Lara Filipa dos Santos; Paulo, João; Vigário, RicardoAutism is typically characterized by deficits in social communication and interaction. However, with increasing awareness of motor impairments and difficulties in imitation abilities, it has become clear that the mechanisms underlying these difficulties and their implications remain poorly explored. Motivated by this research opportunity, the goal of this work is to study motion-based data to characterize and classify autism. Focus is given to the detection of distinguishable movement patterns during imitation of naturalistic tasks. For this purpose, this work involved: motion-based feature extraction, identification of the most effective machine learning approaches for capturing group distinction, and interpretability of results to identify the specific body regions exhibiting the most pronounced motor differences. This work leverages the Move4AS dataset, containing 14 autistic and 20 neurotypi- cal individuals performing four naturalistic tasks of varying complexity and emotional valence. By combining quantitative motion analysis with machine learning approaches, it was possible to demonstrate that motion contains discriminative information to support group differentiation. Particularly, the progression from emotional walking to dancing movements imitation demonstrates a hierarchical shift in motor patterns, characterized by increased motor involvement as the task becomes more complex. The results suggest that understanding motor differences in autism requires frame- works that can account for alternative processing architectures rather than deficit-based models, which poses relevant theoretical and clinical implications.
- TeleRehaSync: plataforma integradora de dados de dispositivos wearable e sistemas optoeletrónicosPublication . Silva, Mariana Pereira da; Pereira, Carla; Quaresma, CláudiaA telereabilitação tem vindo a ganhar relevância como complemento às terapias convencio- nais, permitindo que os pacientes realizem exercícios remotamente. Contudo, as soluções atu- ais enfrentam uma limitação crítica: a escassez de medidas quantitativas para monitorizar o desempenho e apoiar a decisão clínica, o que compromete a avaliação da evolução do paciente. Para colmatar esta lacuna, foi desenvolvida a TeleRehaSync, uma plataforma que com- bina dados qualitativos e quantitativos, adaptada a diferentes perfis de utilizador. Pode ser utilizada em telereabilitação, através da monitorização remota com dados fisiológicos e cine- máticos recolhidos pela t-shirt Hexoskin, um dispositivo wearable, mas também como comple- mento à avaliação presencial, integrando simultaneamente dados da Hexoskin e de um sistema optoeletrónico. A plataforma permite gerir registos de administradores, profissionais de saúde e pacientes, criar planos de tratamento personalizados com exercícios incorporados, arquivar e editar perfis, bem como recolher métricas de desempenho e feedback dos pacientes. Para demonstrar o funcionamento da plataforma foi conduzido um estudo experimental com recurso à Hexoskin e ao sistema de captura de movimento Qualisys. Os dados cinemáticos adquiridos com o Qualisys foram processados no Visual3D, através de um modelo biomecâ- nico. Posteriormente, todos os dados recolhidos foram sincronizados e integrados na plata- forma, evidenciando a sua capacidade de combinar diferentes fontes de informação. A TeleRehaSync apresenta, assim, potencial de aplicação tanto na telereabilitação como em contexto clínico presencial, promovendo uma prática de reabilitação mais personalizada e sustentada em métricas objetivas.
- Análise do Movimento de Preensão: Estudo Cinemático e EletromiográficoPublication . Marques, Beatriz Brás; Quaresma, Cláudia; Pereira, CarlaA mão humana é um sistema complexo, essencial para a execução das Atividades da Vida Diária, cuja eficácia depende da coordenação precisa entre músculos e articulações. Apesar da sua relevância funcional, o conhecimento integrado dos mecanismos que sustentam diferentes tipos de preensão permanece limitado, condicionando o desenvolvimento de estratégias de reabilitação e de dispositivos capazes de reproduzir fielmente a destreza manual. O presente estudo foi realizado em 28 indivíduos saudáveis, através de uma abordagem integrada que combina análises cinemáticas e eletromiográficas para caracterizar a preensão global, bidigital e tridigital. A recolha de dados recorreu a sistemas optoeletrónicos e a sensores de eletromiografia de superfície, permitindo a avaliação detalhada dos padrões de ativação muscular e dos movimentos articulares, complementada por modelos biomecânicos dos dedos da mão. Os resultados evidenciam o papel central do polegar em todas as preensões, com ativação coordenada de músculos agonistas e estabilizadores, garantindo precisão, estabilidade e controlo do movimento. A ativação muscular precede consistentemente os picos de movimento articular, indicando a presença de mecanismos antecipatórios de coordenação, enquanto as diferenças entre sexos refletem variações na consistência temporal, na amplitude do movimento articular e nos padrões de ativação muscular. Estes padrões demonstram a capacidade adaptativa da mão na hierarquização funcional dos dedos em resposta às exigências da tarefa. O estudo fornece bases sólidas para o planeamento de intervenções clínicas, a otimização da avaliação funcional e o desenvolvimento de tecnologias que promovam a recuperação ou o aprimoramento da destreza manual.
- Automatização de um porta-amostras para uma câmara de reações nuclearesPublication . Oliveira, Inês Lança de; Fonseca, Maria Micaela; Cruz, JoãoNeste trabalho é desenvolvido um sistema de automatização de um novo porta- amostras para a câmara de reações nucleares do acelerador Tandem de 3 MV do Campus Tecnológico e Nuclear do Instituto Superior Técnico (CTN/IST). Neste sistema, o novo porta-amostras, com capacidade para 12 alvos igualmente distribuídos por 3 faces, é mo- vimentado verticalmente até 50.8 mm com recurso a um linear feedthrough e em 360º com uma plataforma rotacional. Estes componentes são automatizados com recurso a dois motores de passo comandados por um arduino. Uma interface desenvolvida em Python permite ao utilizador controlar a movimentação do porta-amostras remotamente com uma precisão estimada de 0.1 mm na vertical e 0.3º angularmente. Adicionalmente, construiu-se e montou-se na câmara uma gaiola de Faraday para o novo porta-amostras que permitirá coletar os eletrões secundários emitidos pelo alvo. O sistema desenvolvido será testado na câmara de reações nucleares posteriormente a este projeto devido à necessidade de se fabricar uma nova tampa para a mesma com o design adequado para o novo sistema de automatização. Contudo, é proposto um conjunto de amostras que permitirão efetuar testes de carga à nova gaiola de Faraday e verificar a reprodutibilidade de resultados do novo sistema. Foi feito um conjunto de simulações com os programas SIMNRA e ERYA-Bulk tendo em conta as condições experimentais atuais na câmara de reações nucleares. Os resultados esperados são apresentados para uso futuro na testagem da câmara de reações nucleares melhorada. Os laboratórios de aceleradores de partículas de pequenas e médias dimensões, como o CTN/IST, são espaços de excelência para a aplicação de técnicas analíticas de feixe de iões (técnicas IBA), requisitadas pelas mais diversas áreas do conhecimento como medicina, conservação e restauro, astrofísica, caraterização de materiais, entre outras. A eficiência dos equipamentos disponibilizados aos investigadores é determinante para a disponibilidade de tempo de feixe. Neste contexto, a melhoria das linhas dos aceleradores e a automatização do processo experimental são exploradas sempre que possível.
- REDUÇÃO DA ATIVIDADE ADMINISTRADA ATRAVÉS DA MELHORIA DA QUALIDADE DA IMAGEM EM CINTIGRAFIA PEDIÁTRICAPublication . Arsénio, Marta Sofia Rocha; Mota, Ana; Vigário, RicardoO objetivo deste estudo foi reduzir a atividade administrada em imagens de cintigrafia renal pediátrica por meio da aplicação de técnicas de melhoria de qualidade da mesma. As imagens obtidas após a administração do radiofármaco 99mTc-mercaptoacetiltriglicina (99mTc-MAG3) foram submetidas a diferentes processos de redução de ruído. A redução da atividade administrada foi simulada através da soma parcial dos dados das imagens originais (100 %, 75 %, 50 %, e 25 %). Para melhorar a qualidade das imagens, foram aplicadas quatro redes neuronais (DnCNN, UDnCNN, DUDnCNN, e AttnGAN) e um Filtro de minimização da variação total (TVmin) aos dados. A qualidade das imagens foi avaliada através da Razão Sinal- Ruído (SNR) dos rins e do Índice de Similaridade Estrutural Multiescala (MS-SSIM), comparando a preservação dos detalhes com a redução do ruído. Imagens simuladas com menor atividade administrada (25 % dos dados) apresentam níveis mais altos de ruído. O uso do filtro TVmin e da rede UDnCNN resultou em melhorias significativas na qualidade das imagens. A rede UDnCNN destacou-se pelo seu equilíbrio eficaz entre a redução de ruído e a preservação dos detalhes estruturais. Além disso, a combinação do filtro TVmin com a rede UDnCNN demonstrou ser promissora devido ao seu tempo de teste mais rápido. A análise dos tempos de treino e teste revelou que a combinação dessas técnicas oferece um bom equilíbrio entre a qualidade da imagem e a eficiência de processamento. A abordagem integrada pode permitir a aquisição de imagens com atividades administradas reduzidas (cerca de 50 %) sem comprometer a qualidade, representando um avanço significativo na redução de radiação administrada aos pacientes. Este estudo demonstra que a integração de técnicas avançadas de processamento de imagem e redes neuronais pode melhorar significativamente a qualidade das imagens de cintigrafia renal, permitindo a aquisição de imagens de alta qualidade com atividades administradas menores de radiação, beneficiando a população pediátrica.
- Estudo dos sistemas simpático e parassimpático através da modelação de dados de pupilometriaPublication . Silva, Bernardo José Gervásio Canelas da; Quintão, Carla; Vieira, PedroRecebendo inervação do Sistema Nervoso Autónomo Simpático (SNAS) e do Sistema Nervoso Autónomo Parassimpático (SNAP), a abertura da íris, a pupila, é regulada por estes dois sistemas e, por isso, fornece informações que poderão ser relevantes do ponto de vista clínico [1]. Nomeadamente, permite obter informações sobre o estado de consciência de um indivíduo, ou servir como diagnóstico de certas doenças neurodegenerativas, como são os casos das doenças de Parkinson ou de Alzheimer [2], [3]. Tendo em conta a relevância clínica dos sistemas simpático e parassimpático, pretende-se primeiramente estudar as frequências do seu normal funcionamento, com o intuito de vir a compreender quais as alterações observadas em situações patológicas. Neste trabalho, estudou-se a influência de um estímulo frio sobre as dinâmicas da pupila e do coração, numa amostra de 10 indivíduos. Pela literatura [4], este tipo de estímulos evidencia a atividade simpática sendo, pois, possível separar a ação dos dois sistemas, que, muitas vezes, atuam em simultâneo. Utilizou-se um pupilómetro de alta resolução para adquirir os dados de pupilometria, e estudou-se a variabilidade da frequência cardíaca (VFC) dos indivíduos, com base no seu espectrograma. À semelhança do que acontece na análise do eletrocardiograma (ECG), supõe-se que possa haver uma frequência própria do funcionamento da pupila. Adquiriu-se o sinal que representa a variação da área da pupila ao longo do tempo. O cálculo da energia das componentes extraídas desse sinal com a ferramenta matemática Singular Spectrum Analysis, análise de espectro singular (SSA) permitiu concluir acerca da atividade do Sistema Nervoso Autónomo (SNA). Os resultados embora pouco conclusivos no que respeita à banda de frequências que caracteriza o normal funcionamento do SNA, com base nos dados da pupilometria, permitem concluir que existe um aumento na energia das altas frequências depois da resposta ao estímulo frio, o que vai ao encontro do que se esperava obter, tendo em conta a bibliografia referente à atividade cardíaca.
- Enhancing Epilepsy Surgery: Generating Synthetic Multi-channel iEEG Data with GANs for Improved Tissue IdentificationPublication . Marques, Beatriz dos Santos; Gamboa, Hugo; Silva, LuísIn epileptic surgery, the scarcity of available invasive electroencephalogram data impairs the development of accurate classification models able to distinguish between healthy and injured brain tissue. Synthetic data has been proposed as a solution. However, the majority of research has focused on synthetic single-channel EEG signals, with a lack of consensus on the quality metrics employed, as the majority focus on the performance improvement of classifiers. The present work proposes a novel hybrid architecture capable of generating synthetic multi-channel intra-operative electrocorticogram (ioECoG) signals. Its backbone is a Deep Convolutional Wasserstein Generative Adversarial Network with Gradient Penalty (DCwGAN-GP). The hierarchical Transformer-based critic extracts features, across time and space, from local segmented windows of the input, and captures the existing rela- tionships across the windows on a global level, reflecting the natural spatio-temporal dependencies of brain activity in the generated signals. The quality of the synthetic data is first audited at a sparse level, on the domains of Fidelity, Diversity and Privacy. The results indicate that existing dependencies of real data, and their variability, were captured, confirmed by a coverage score of 0.919. Some disparities in signal dynamics were observed, suggesting some difficulty in modelling long-term activity and individual patterns. The existing spatio-temporal inter-channel behaviours were evaluated by two new proposed metrics, demonstrating the similarity between the two distributions, confirming the preservation of the natural dependencies. This study generated realistic synthetic multi-channel ioECoG signals displaying interconnectivity patterns of real data, a stepping stone in the development of reliable synthetic datasets for the improvement of robust classifier models that can accurately identify epileptogenic tissue.