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- Non-invasive wearable sensing system for sleep disorder monitoringPublication . Alberto, Mauro Cruz; Ruano, M. GraçaThis Master Thesis introduced a proposal of a remote sensory system for the detection of sleep disorders in geriatric outpatients. Although the most accurate solution would be an in-depth study in a sleep clinic, it is not a realistic environment for the elderly. The objective is that the patient stays at home, and without changing their daily routines, the clinicians get objective information in order to make a correct diagnosis of the sleep disorders. Sleep disorders are often classified as medical disorders corresponding to modifications on the sleep patterns and the amount of these modifications increase with age. However, regularly, these illnesses are undiagnosed, since is hard for the patients to explain the symptoms to the doctor. To achieve the proposed objective, we studied the polysomnography bio-signals that could be used to accurate reflect the sleep disorders occurrences. We designed a Body Sensor Network (BSN) to be divided into both movement assessment (Accelerometer and Gyroscope) and biomedical signals (EMG, ECG, PPG, GSR) evaluation. These signals, reflecting both breathing and cardiac activities, are processed by a specifically developed algorithm. The reduction of the number of sensors was also envisaged, and it was decided to use 3 biomedical sensors instead of the minimum of 22 sensors used by polysomnography. Thus, to offer better visualization of the recorded signals a software interface was developed to include the processing and visualization of the signals. To identify the sleep stage and apnea state, we settled an algorithm that processes both ECG and EMG. To validate this algorithm, it was decided to use two sources of data: PhysioNet data base containing ECG and EMG signals and data recorded by our BSN on volunteers. With this work, we were able to build a BSN capable of detecting a set of sleep disorders, without using any invasive method. The network provides reliable data, and using the developed interface, it helps elderly health providers to carry out an in-depth analysis of the information and to better identify sleep disorders.
- Smart augmented reality application for enhanced museum experiencePublication . Pereira, João André Rosa; Rodrigues, J. M .F.Museums’ collections can be almost endless, with countless objects, making it challenging to choose which ones to visit and appreciate. When a user enters a museum he usually encounters a guide or a predefined route to aid him, which more often than not is not suitable for his necessities and preferences. This dissertation focus on developing a mobile augmented reality framework and intelligent multiplatform application, that can be used as a museum guide and navigation helper. The work was divided into 3 main modules: (a) an intelligent routing system, (b) an adaptive user interface, and (c) an image recognition and augmented reality framework. Also presented is the integration of the above modules in an application. The first module, (a) intelligent routing system module, poses a solution for a "typical" museum problem. Museums routes do not take into account the physical, moral or psychological limitations of a user and/or their preferences. It resembles the traveling salesman problem where a route is calculated, only visiting once each point of interest, diminishing as much as possible the "walking" time, and extending the time spent admiring the museum’s objects. An Ant Colony Optimization algorithm was used to handle the calculations and compute an optimal walk, rendering the user’s preferences and limitations. This problem was formulated as a multi-criteria optimization problem. Also focusing on adapting the application for the user, (b) an adaptive user interface was developed, which adapts the application’s user interface on-thefly, according to the user’s preferences and conditions. This module is built upon a modular card system which is divided into structure and contents. It relies on a modular system in the sense that a complex interface can be divided into simpler and more manageable sub-modules, which can be used in other parts of the application or even in a completely different one. On an ideal application, each user would have a distinct interface/structure and contents. Nonetheless, different users could share the same interface structure only modifying the contents. The adaptive user interface is capable of (as the name implies) adapting itself to the user, either by changing both its structure and contents or only the contents displayed to the user. Regarding the augmented reality module (c), a mobile image recognition and tracking framework (MIRAR) was developed. The purpose of this framework is to recognize and track the innumerous objects of the museum in a mobile device. This framework is a marker-based augmented reality framework and even though the recognition happens on the client (mobile device) a server is required to keep the packaged markers accessible for the clients. These markers are preprocessed in the server and grouped by section. As the user navigates through the museum, an indoor beacon location system calculates his current position that is transmitted to the server which, in turn, sends the correct markers for that section to the mobile device. Finally, the integration of the above modules is presented in an alpha version of a mobile application, as well as tests and results for each module.
- Sistema de simulação de sinais de ECG e de fluxo sanguíneo em válvula aórticaPublication . Costa, Helder David; Ruano, M. GraçaO coração depende do desempenho correto das suas quatro válvulas. Por vezes, estas podem estar sujeitas a diversos distúrbios como o estreitamento de uma das válvulas. A estenose aórtica, valvulopatia fulcro da investigação realizada, é o estreitamento do canal da válvula aórtica que impossibilita a sua abertura plena, impedindo, desta forma, que o fluxo sanguíneo normal se direcione do ventrículo esquerdo para a artéria aorta. Como o sangue passa por um orifício da válvula aórtica mais reduzido, a velocidade do fluxo no ponto estenótico aumenta. Para estimar esta velocidade de fluxo sanguíneo e categorizar a gravidade de estenose aórtica recorre-se à instrumentação de ultrassom Doppler. Durante a intervenção clínica o paciente está a ser monitorizado por um ecógrafo em paralelo com o registo da atividade eléctrica do coração - o electrocardiograma. A sincronização do sinal de electrocardiograma com o espectro Doppler é essencial para análise clínica e, deste modo, a existência de uma aplicação computacional de fluxo sanguíneo em válvula aórtica normal e com valvulopatia é de extrema relevância para o aperfeiçoamento de técnicas de quantificação automática de fluxo sanguíneo. Este trabalho visa o desenvolvimento de um sistema computacional que permite a simulação e visualização de sinais de fluxo sanguíneo na válvula aórtica, isto é, as curvas de velocidade sanguínea associadas a curvas de electrocardiograma, podendo-se simular fluxos normais bem como estenóticos. Atendendo que a estenose aórtica pode ser classificada pela determinação do gradiente de pressão, introduziu-se ao trabalho desenvolvido, curvas de simulação da variação de pressão da artéria aorta e do ventrículo esquerdo por intermédio de um modelo especificamente desenvolvido para o efeito – o modelo V3. Estas curvas de pressão estão sincronizadas com as outras duas curvas simuladas – curva de velocidade de fluxo sanguíneo e a curva de electrocardiograma. A validação das simulações, efetuada com base na verificação dos pontos teóricos relevantes que caraterizam as curvas de velocidade de fluxo sanguíneo e do electrocardiograma, demonstrou que o modelo de simulação reproduz eficazmente o sinal real. De referir ainda que, para facilitar o uso do simulador como ferramenta didática na área de saúde, os algoritmos de simulação foram enquadrados numa aplicação software de interface amigável com o utilizador. Sugere-se a implementação experimental da simulação de fluxo sanguíneo em válvula aórtica para posteriores trabalhos comparando com o presente modelo analítico.
- Otimização de algoritmo de redução de ruído para sistema de avaliação de fluxo sanguíneo em artéria coronáriaPublication . Mihai, Valeriu; Ruano, M. GraçaA ecografia assume-se como uma ferramenta de diagnóstico clínico de patologias cardiovasculares que utiliza as propriedades dos sinais de ultrassom Doppler. É frequentemente usada pelo facto de ser um meio económica, não invasiva e não ionizante. Os sinais de ultrassom Doppler são representados em forma de espectrograma o qual é afetado pela presença do ruído de tipo speckle, adicionando detalhes espúrios, afetando assim o contraste e o diagnóstico. Por isso, torna-se vital a pesquisa de metodologias de redução, e se possível, eliminação desse tipo de ruído. O objetivo desta tese de dissertação é desenvolver uma ferramenta computacional que possibilite a filtragem eficiente dos sinais Doppler de fluxo sanguíneo. As técnicas de filtragem abordadas nesta tese são a transformada de wavelet e a matching pursuit, em particular Batch-OMP, que vão ser comparadas com a técnica desenvolvida anteriormente sobre a mesma orientação denominada de NCTECH. A comparação destas técnicas é baseada na sua aplicação em sinais Doppler de fluxo sanguíneo simulados e em sinais Doppler de fluxo sanguíneo reais provenientes da artéria coronária. Para cada técnica foram testados vários tipos de parametrização para avaliar os que produziriam melhor desempenho. Aos sinais Doppler de ultrassom simulados foram adicionados vários níveis de ruído com o objetivo de possibilitar uma avaliação quantitativa do desempenho dos métodos de remoção de ruído, mediante o cálculo de métricas de qualidade. As métricas de qualidade consideradas foram as que permitiam quantificar a melhoria ocorrida ao nível da distorção do sinal, da preservação dos contornos e da melhoria do contraste. O sinal livre de ruído speckle foi usado como padrão de referência na comparação. Depois de inúmeros testes, verificou-se que o ruído speckle era reduzido em 34 dB a 11 dB conforme o nível de ruído era de 30 dB ou 5 dB respetivamente, quando o método de Batch-OMP era aplicado ao sinal. Estes valores de remoção de ruído são francamente melhores que os restantes métodos, em particular o NCTECH para o qual, perante os mesmos níveis de ruído se obtiveram remoções na gama de 32 dB a 9 dB. Nos casos onde não é possível garantir a origem nem a quantidade de ruído contido nos sinais, como é o caso dos sinais diretamente colhidos de pacientes, é usado como avaliador qualitativo a análise visual. A eficácia da metodologia de remoção de ruído desenvolvida e identificada com melhor performance na remoção de ruído de sinais simulados, foi validada em sinais clínicos de fluxo sanguíneo com origem em artéria descendente anterior e artéria marginal obtusa. Foi feita uma análise visual do espectro e, adicionalmente, do contorno do espectro após aplicação da referida metodologia. A metodologia proposta permitiu constatar a melhoria na nitidez do espectro e do contorno do espectro, proporcionando o melhor equilíbrio entre suavização e preservação da informação útil em comparação com as outras técnicas testadas. O algoritmo de remoção de ruído speckle proposto é constituído por três componentes: o pré-processamento; o Batch-OMP; e o pós-processamento. O pré-processamento consiste em criar o dicionário paramétrico de Gabor que contém ondas que se adaptam às estruturas locais do sinal e alem disso é calculado o valor do critério de paragem. A componente Batch-OMP consiste num algoritmo iterativo que calcula a representação esparsa do sinal usando o dicionário criado, permitindo assim obter o sinal aproximado livre de ruído. A parte do pós-processamento consiste em aproximar o sinal pós aplicação do algoritmo Batch-OMP e o sinal de entrada.