Departamento de Engenharia Electromecânica
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Browsing Departamento de Engenharia Electromecânica by Field of Science and Technology (FOS) "Engenharia e Tecnologia::Bioengenharia"
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- Análise da resposta de um sistema de terapêutica assistida para Doença Pulmonar Obstrutiva CrónicaPublication . Rodrigues, Joana Filipa Lopes; Gaspar, Pedro Miguel de Figueiredo Dinis OliveiraA Doença Pulmonar Obstrutiva Crónica, adiante designada DPOC, é uma das principais causas de morbilidade crónica, de perda de qualidade de vida e de mortalidade em todo o mundo, sendo atualmente considerada a sexta maior causa de morte a nível mundial. A intervenção médica atual visa melhorar os sintomas e a qualidade de vida dos doentes, além de tentar travar a progressão da doença. Nas situações mais graves, quando há insuficiência respiratória crónica, pode ser necessária a utilização de oxigénio de forma contínua. Os dispositivos de terapêutica atualmente existentes não conseguem fazer uma monitorização contínua e personalizada para as necessidades de cada paciente. A falta de conhecimento da dosagem de oxigénio que deve ser administrado não conduz à obtenção de resultados clínicos ideais nem ao controlo sustentado dos sintomas, pelo que é de enorme relevância a adoção e o desenvolvimento de metodologias que permitam a dosagem exata de oxigénio a cada instante, de modo a prevenir o agravamento das sequelas da DPOC. Nesta dissertação é realizada uma análise da resposta de um sistema de terapêutica assistida para DPOC. O objetivo deste sistema reside no ajuste da pressão alveolar, PA, em diferentes estádios da DPOC face à pressão de entrada, Pao. Pretende-se assim obter os valores que possam ser impostos no sistema de controlo de um dispositivo de terapêutica assistida da DPOC para adequar a pressão ambiente às necessidades de ventilação do paciente. Chegou-se à conclusão que a forma mais eficaz de conseguir esse ajuste é através da utilização de um controlador proporcional derivativo na malha de realimentação, para valores de Kd=0.83 e para valores de Kp muito próximos de zero, conseguindo assim verificar-se uma estabilização dentro dos parâmetros adequados da pressão alveolar.
- Análise do Sinal Eletroencefalográfico e dos Índices de Conforto Térmico: Caso PráticoPublication . Marques, Ana Catarina Silva; Pires, Luis Carlos Carvalho; Gouveia, Ana Isabel Antunes Dias RodriguesO conforto térmico é definido como uma condição mental que expressa a satisfação com as condições térmicas e que é avaliada de forma subjetiva pelo indivíduo. A sensação de conforto térmico depende de alguns parâmetros como a temperatura do ar, temperatura média radiante, velocidade do ar e humidade relativa. No entanto, quando estes parâmetros atingem valores extremos para o ser humano podem acarretar problemas fisiológicos, torna-se assim pertinente avaliar de que forma é que o conforto térmico influencia o sinal eletroencefalográfico (EEG), a frequência cardíaca e a variabilidade da frequência cardíaca (VFC). Neste sentido, o presente estudo tem como objetivo analisar e relacionar a resposta eletroencefalográfica, a frequência cardíaca e a variabilidade da frequência cardíaca (VFC), e os índices de conforto térmico, nomeadamente o índice PMV (Predicted Mean Vote), PPD (Predicted Percentage Dissatisfied) e WBGT (Wet Bulb Globe Temperature), assim como analisar as respostas fisiológicas à aclimatação. Desta forma, adotou-se uma metodologia de ensaio que consistiu na realização de duas sessões com ambientes térmicos diferentes, uma com um ambiente quente e outra com um ambiente confortável, que contaram com a participação de cinco voluntários. Os resultados do presente estudo indicam que as condições térmicas, caracterizadas através dos índices de conforto térmico calculados neste estudo, como sejam os índices de PMV, PPD e WBGT, tiveram alguma influência na amplitude do EEG, na frequência cardíaca e na VFC. Verificou-se que amplitudes mais elevadas das ondas Alfa, Beta e Gama, e das métricas cognitivas Engagement e Attention Control foram predominantes na sessão em que os índices de conforto térmico indicavam um ambiente térmico confortável. O mesmo aconteceu com a variabilidade da frequência cardíaca. No que diz respeito à amplitude da onda Delta, e à frequência cardíaca, estas apresentaram valores superiores quando os índices de PMV, PPD e WBGT indicaram desconforto, correspondendo, neste caso, a um ambiente quente. Em relação à atividade da onda Teta e da métrica cognitiva Mental Attentiveness, não se conseguiu observar uma relação com os índices de conforto térmico. Quanto à aclimatação, confirmou-se que foi diferente nos dois ambientes e a resposta à aclimatação foi mais oscilatória no ambiente confortável. Espera-se assim, que este projeto, possa contribuir para o conhecimento e compreensão do tema em estudo, e ainda incentivar a continuação de trabalhos nesta área.
- Análise e otimização de sistemas com geradores termoelétricos para aproveitamento da energia do corpo humanoPublication . Barradas, Inês Isabel Ferreira; Calado, Maria do Rosário Alves; Fermeiro, João Bernardo LopesAtualmente, a captação de energia através do corpo humano está-se a tornar um meio popular em termos de alimentação de dispositivos portáteis wearable. Os wearables estão a ser cada vez mais utilizados em diferentes aplicações relacionadas com a saúde graças à disponibilidade que existe presencialmente ao acesso a tecnologias miniaturizadas. Ao integrar o processamento de dados nos wearable, é possível captar uma panóplia de variáveis associadas à saúde e segurança dos seres humanos. Infelizmente, a capacidade e o tamanho da bateria determinam o tempo de operação dos wearables, limitando assim a sua aplicabilidade para a monitorização a longo prazo. Entre todas as tecnologias usadas para captar energia de fontes ambientais, recuperar a energia associada ao calor produzido pelo corpo humano através de geradores termoelétricos é uma opção interessante em termos de energia, que é o foco deste projeto dissertativo. Será feita uma análise e otimização de sistemas com geradores termoelétricos para aproveitamento da energia do corpo humano, através de simulação de um circuito com geradores termoelétricos em série ligado a um circuito boost com um MPPT integrado. O sistema será caracterizado do ponto de vista de disponibilização de energia, em função do número de geradores termoelétricos, gradientes de temperatura e valores de resistência de carga.
- Atribuição de propriedades somatosensoriais a uma prótese de membro superiorPublication . Fonseca, Gonçalo Pereira da; Silva, Abílio Manuel Pereira da; Pereira, João Pedro NunesO funcionamento do sistema sensorial humano é baseado num conjunto de biossensores localizados na nossa pele que permitem detetar estímulos como temperatura, pressão, rugosidade, etc. Este sistema de recolha de informação, através de mecanorreceptores, termorreceptores, entre outros, usa como meio de transmissão nervos e tratos sensitivos que, em conjunto com os recetores, formam o nosso sistema somatossensorial. Ao existir a perda ou amputação de um membro, um dos problemas encontrados a longo prazo, para lá da obvia falta do membro, será a síndrome do membro fantasma, que resulta de um funcionamento anormal do sistema nervoso para tentar compensar a perda do membro. Uma das soluções base para substituir as funcionalidades perdidas ao nível físico é o uso de uma prótese. Neste assunto, existem várias dificuldades, nomeadamente ao nível adaptativo da prótese com corpo e vice-versa, mas também devido às limitações ainda existentes a nível funcional das próteses atualmente disponíveis. Neste sentido torna-se crucial aperfeiçoar as próteses não só ao nível do seu funcionamento como também na possibilidade de lhes conferir propriedades mais semelhantes ao membro original, sendo neste caso, a sensibilidade uma propriedade. No âmbito desta dissertação, os objetivos principais são a fabricação da prótese, e da luva sensorial e as suas instrumentações, conferindo a uma prótese de mão a possibilidade de detetar informação associada à sensibilidade ao toque e que a mesma a consiga transmitir ao utilizador de uma forma o mais semelhante possível ao membro original. Para tal, acoplou-se à superfície da prótese um sistema composto por sensores piezoresistivos ligados a um processador (Arduino), que no seu conjunto, irão replicar os biossensores e nervos do antebraço. Obteve-se um sistema que permite ao utilizador alguma sensibilidade, ou seja, transformar o input recebido num output o qual consiga ser detetado e traduzido pelo sistema nervoso.
- Brain activity on encoding different textures EEG signal acquisition with ExoAtlet®Publication . Ramos, Júlia da Silva; Vieira, André Ferreira Costa; Pais-Vieira, Miguel SantosPowered exoskeletons play a crucial role in the rehabilitation field improving the quality of life for those who need them. Thus, being a major contribution for patients integration into society, providing them with more autonomy and freedom. In spite of these positive outcomes, a thorough description of the brain correlates connected to exoskeleton control is still needed. For instance, the perception of different pavement textures when wearing an exoskeleton is probably going to cause changes in cerebral activity, which could impact both sensory encoding and Brain-Computer Interface (BCI) control. Therefore, the main goal of this work is to describe the brain activity response to different textured pavements using ExoAtlet ® powered exoskeleton. In order to measure, process, analyze and classify the impact of different textures on neurophysiological rhythms, 4-minute signals were recorded by Electroencephalogram (EEG) with a 16-channel cap (actiCAP by Brain Products). Each of the three experimental subjects was instructed to walk in place on four different types of pavement (flat, carpet, foam, and rubber circles) with and without the exoskeleton, for a total of eight different experimental conditions. A counterbalanced design was applied, and informed consent was obtained from participants (Committee for Health Sciences of the Universidade Católica Portuguesa - 99/2022). Additionally, four machine learning methods, Support Vector Machine (SVM), K-Nearest Neighbors (KNN), Linear Discriminant Analysis (LDA), and Artificial Neural Network (ANN), were selected in order to analyze three distinct classification problems. This study found that there were changes associated with the delta frequency band for electrodes C3 and C4, and when comparing the classifiers performance, LDA presented the best accuracy across the three classification problems involving all subjects. Thereby, this work concludes that the results are consistent with the hypothesis that sensory processing of pavement textures during exoskeleton control induces neural changes and delta variations of the C3 and C4 electrodes. Additionally, LDA demonstrated the best performance across the three classifications of subject-independent problems.
- Desenho e desenvolvimento de sistemas inovadores de transporte de ADN plasmídicoPublication . Gomes, Fábio André Franco; Costa, Diana Rita Barata; Sousa, Ângela Maria Almeida deAo longo dos últimos anos, algumas terapias, como a quimioterapia, braquiterapia, imunoterapia ou radioterapia, tornaram-se o tratamento convencional para certas doenças devido à sua eficácia, no entanto, mostraram ser muito invasivas, citotóxicas e pouco seletivas. Mesmo com a exposição conjunta e continuada destes tratamentos, os mesmos não demonstram eficácia suficiente para curar tais doenças, sendo usados de forma paliativa. Com o desenvolvimento da Ciência dos materiais e rápido progresso da nanotecnologia, a utilização de materiais nanométricos na entrega de genes por aplicações de terapia génica mudaram o atual paradigma da terapêutica, uma vez que esta terapia possibilita a inserção de material genético em células e tecidos alvo de um indivíduo, de forma mais direcionada e menos citotóxica. Neste sentido, o desenvolvimento de vetores de entrega de material genético seguros, seletivos, biocompatíveis e fáceis de produzir surge como uma estratégia adequada para fins terapêuticos. Entre os vetores virais e sintéticos, estes últimos, nomeadamente os de base polimérica, apresentam características promissoras para serem explorados com vista à sua aplicação em contexto clínico. O núcleo e a mitocôndria das células eucarióticas animais possuem genoma próprio e o funcionamento de ambos os organelos está interligado. Diversas doenças humanas estão associadas a mutações que ocorrem num ou em ambos os organelos. A terapia génica nuclear tem sido amplamente investigada nas últimas décadas e evoluiu consideravelmente com vários ensaios clínicos em curso. Contrariamente, a terapia génica mitocondrial é uma área, até ao momento, pouco estudada com apenas alguns resultados publicados internacionalmente. Estes trabalhos têm demonstrado o potencial efeito terapêutico da criação de vetores adequados à entrega de ADN mitocondrial a mitocôndrias. Assim, neste trabalho foram desenvolvidos sistemas de transporte de ADN plasmídico (pADN), com capacidade de direcionamento a organelos celulares específicos, tendo como objetivo final restaurar o normal funcionamento celular. Para tal, fez-se a complexação de pADN com o polímero polietilenamina (PEI) e PEI associado ao agente espaçador poli (etileno glicol) (PEG) e modificado com o composto trifenilfosfónio (TPP) que possui afinidade mitocondrial (PEI-PEG-TPP) a fim de formular nanopartículas biocompatíveis, com propriedades de tamanho, carga superficial e morfologia adequadas aos processos de captação e internalização celular. Deste modo, pretendeu-se desenvolver vetores com capacidade de direcionamento ao núcleo e mitocôndria das células, respetivamente. O seu potencial efeito terapêutico foi investigado, foi feita a otimização das propriedades destes vetores a fim de melhorar a sua performance de transfeção celular in vitro e assim promover avanços significativos no desenvolvimento de sistemas de entrega direcionada de pADN com efeito terapêutico. Também foi avaliada a citotoxicidade dos sistemas. Os resultados demonstram uma variação nas caraterísticas das nanopartículas formuladas, quer ao nível do tamanho, carga à superfície ou citotoxicidade induzida, consoante o sistema formulado. Foi possível a formulação de poliplexos biocompatíveis, com boa capacidade de incorporação de pADN e entrega eficaz às células.
- Design and characterization of Ta and Sr ion doped tricalcium phosphate bioceramicPublication . Costa, Gabriel Flor Alves Rodrigues Barreira da; Silva, Abílio Manuel Pereira da; Winiecki, Mariusz; Fernandes, Natanael Filipe FerreiraWith the aging population, challenges in bone regeneration are becoming more frequent, creating the need for effective alternatives that improve well-being. A common solution is the use of metallic materials, such as titanium and stainless steel, in orthopedic and dental implants. However, these materials, despite their mechanical and biological qualities, can undergo ionic exchange (corrosion) and cause adverse reactions in tissues, such as metallosis. To mitigate these problems, the use of ceramics, such as tricalcium phosphate (TCP), has been explored as a substitute or metallic coating. TCP is valued for its bioactive, osteoinductive, and resorbable properties, facilitating osteoconduction. Doping TCP with metallic ions, such as strontium and tantalum, is an enhancement that promotes the function of osteoblasts, inhibits bone resorption, and increases mechanical strength and biocompatibility. In this work, samples of TCP doped with tantalum, strontium, and both were developed to evaluate their performance as bone substitutes and coatings. The characterization of the bioceramics demonstrates that the compositions exhibit promising properties. The incorporation of Sr alone significantly enhances the mechanical strength, increasing it from 7.6 MPa to 12.9 MPa. Additionally, the combined incorporation of Ta and Sr increases porosity from 24% to 34%, while maintaining cell viability close to 100% across all compositions. Furthermore, it is confirmed that all compositions are suitable for producing bioceramic coatings on titanium substrates.
- Development of cationic polymeric nanoparticles for plasmid DNA vaccine deliveryPublication . Nunes, Renato Pereira; Sousa, Ângela Maria Almeida de; Simaite, AivaCancer is the second most prevalent cause of death in the world and does not yet have a universal cure. Human papillomavirus (HPV) is among the main carcinogenic pathogens and its infection is related to several cancers, such as cervical and oropharyngeal cancers. Cervical cancer is the 4th largest cause of cancer in women worldwide. Nowadays it is considered one of the most common public health issue, principally in middle-aged women group, especially in less developed countries. The two major infectious papillomavirus genotypes are HPV16 and HPV18, and they are considered to be the most oncogenic and responsible for more than 70% of cervical cancers. Among the HPV virus oncoproteins the E7 oncoprotein inhibits the activity of the retinoblastoma protein (pRb), leading to a deregulation of the cell cycle and consequent uncontrolled growth of cells. Vaccination is considered to be the greatest contribution to global public health interventions of the latest centuries. The evolution and consequent contribution of vaccines are responsible for an impressive increase in general life expectancy. However, the current vaccines against the HPV do not have a therapeutic effect when the patient is already infected. This means that the vaccine can only prevent the infection by the HPV, but cannot treat or revert cancers induced by pre-existing and persistent HPV infections. In this way, DNA vaccines can be a promising solution for the effective treatment of HPV-infected individuals, since they can induce preventive and therapeutic immune responses. In order to be effective, the naked DNA needs to be internalized into the eukaryotic cell nucleus without degradation and the target gene expression is also dependent on the non-degradation of the DNA molecule. However, the internalization efficiency is low, due to the repulsion of the DNA by the membrane. Intramuscular delivery is one of the main routes for DNA vaccine administration. Nevertheless, it requires large amounts of the DNA administered and external stimulation to encourage the internalization of the DNA into the eukaryotic cells. In this work, we consider biocompatible drug delivery systems that can protect, carry and help the cellular internalization of DNA vaccines. This can lead to alternative and less invasive administration routes, such as intranasal administration. In this context, Chitosan (CS) polyplexes using sodium tripolyphosphate (TPP) as a crosslinker were designed and prepared using the ionotropic gelation method. Several parameters that may affect the systems formulation were investigated, including different TPP and CS volumes and concentrations, DNA concentrations, flow rate speed addition of TPP/DNA/pDNA solution. These nanocarriers were characterized in terms of size, surface charge, encapsulation efficiency, morphology, stability and cellular viability exploring two different cell lines. Ultimately, the verification of cell internalization and consequent target gene expression encoded in the DNA vaccine was also verified by reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and reverse transcription-quantitative real-time. The results showed that the variation of parameters allowed to overcome an ordinary challenge regarding the CS systems achieving monodisperse nanoparticles (NPs) with good size, bellow 200 nm and encapsulation efficiency higher than 60%. The nanoparticles analyzed by scanning electron microscopy (SEM) present spherical or oval shapes in nano sizes. Stability studies demonstrated that the polyplexes are able to protect encapsulated DNA from serine proteases, trypsin, DMEM-F12 medium supplemented with 10% of fetal bovine serum, and Dulbecco´s Modified Eagle´s Medium with High Glucose (DMEM-HG) supplemented with 10% not inactivated fetal bovine serum. Resazurin assay showed that the systems are biocompatible supporting that no cytotoxicity is induced. In addition, the PCR and RT-qPCR results showed that produced nanoparticles have the desired and intended effect, showing that they are suitable for cell uptake, internalization, and gene expression. In conclusion, the presented results revealed that the CS-TPP-pDNA polyplexes are suitable as a good nanocarrier for plasmid DNA vaccine delivery.
- Epileptic seizure prediction using machine learning techniquesPublication . Salvador, Carolina Duarte; Santos, Nuno Manuel Garcia dos; Felizardo, Virginie dos Santos; Pourvahab, MehranEpileptic seizures affect about 1% of the world’s population, thus making it the fourth most common neurological disease, this disease is considered a neurological disorder characterized by the abnormal activity of the brain. Part of the population suffering from this disease is unable to avail themselves of any treatment, as this treatment has no beneficial effect on the patient. One of the main concerns associated with this disease is the damage caused by uncontrollable seizures. This damage affects not only the patient himself but also the people around him. With this situation in mind, the goal of this thesis is, through methods of Machine Learning, to create an algorithm that can predict epileptic seizures before they occur. To predict these seizures, the electroencephalogram (EEG) will be employed, since it is the most commonly used method for diagnosing epilepsy. Of the total 23 channels available, only 8 will be used, due to their location. When a seizure occurs, besides the visible changes in the EEG signal, at the moment of the seizure, the alterations before and after the epileptic seizure are also noticeable. These stages have been named in the literature: • Preictal: the moment before the epileptic seizure; • Ictal: the moment of the seizure; • Postictal: the moment after the seizure; • Interictal: space of time between seizures. The goal of the predictive algorithm will be to classify the different classes and study different classification problems by using supervised learning techniques, more precisely a classifier. By performing this classification when indications are detected that a possible epileptic seizure will occur, the patient will then be warned so that he can prepare for the seizure.
- Is there any correlation between voice and human ovulation?Publication . Santos, Sofia Martins Silva; Pombo, Nuno Gonçalo Coelho Costa; Garcia, Nuno; Staric, Kristina DrusanyThis dissertation describes the problems of the current methods of ovulation detection and reviews scientific papers that support the connection between voice and ovulation. For this study´s approach it was necessary to develop an initial application to collect audio data. This mobile application has been distributed to women (test participants) so that they would record a predefined phrase, daily, during the ovulation cycle for a period of two months. After the collection, the data, will be treated and analyzed to establish if there is indeed any correlation between voice variation and ovulation. If the results obtained confirm the authenticity of the published data, it will be possible to develop an application based on this information in a future project. If the authenticity of the published data does not occur, a more indepth study and analysis of the data must be done in order to establish any relation between the voice variation and ovulation cycle.