Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/44705
ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-5901-7980
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Avanços na monitoração da saturação de oxigênio em tecidos biológicos e vigilância do SARS-CoV-2: integração da imagem no domínio da frequência espacial com rede neural artificial
Alternate title (s): Advances in monitoring oxygen saturation in biological tissues and surveillance of SARS-CoV-2: integration of spatial frequency domain imaging with artificial neural network
Author: Alves, Guilherme Henrique Sousa
First Advisor: Monte, Adamo Ferreira Gomes do
First coorientator: Cunha, Diego Merigue da
First member of the Committee: Guerra, José de los Santos
Second member of the Committee: Souza, Fabrício Macedo de
Third member of the Committee: Cruz Junior, Luismar Barbosa da
Summary: A doença infecciosa coronavírus 2019 (COVID-19), causada pela Síndrome Respiratória Aguda Grave (SARS, do inglês Severe Acute Respiratory Syndrome) Coronavírus 2 (CoV-2), também conhecida como SARS-CoV-2, pode variar de assintomática a graves problemas respiratórios e falência múltipla de órgãos. A complexidade e rápida evolução da doença, muitas vezes sem sinais perceptíveis inicialmente, destacam a necessidade de monitoramento rigoroso e intervenção precoce. Dentre as possíveis abordagens, a visualização da oxigenação em grandes áreas de tecido pode melhorar significativamente o manejo dos pacientes em cuidados intensivos. A técnica de Imagem no Domínio da Frequência Espacial (SFDI, do inglês Spatial Frequency Domain Imaging) tem se mostrado promissora para a medição das propriedades ópticas de tecidos biológicos, oferecendo medições rápidas e precisas em grandes áreas, possibilitando esse tipo de monitoramento. Neste estudo, desenvolvemos uma técnica que combina SFDI com Rede Neural Artificial (RNA) para determinar concentrações de oxihemoglobina (Coxi), desoxihemoglobina (Cdeoxi) e saturação de oxigênio (SpO2) em tecidos biológicos. Utilizando fantomas ópticos feitos de matriz de polidimetilsiloxano (PDMS), dióxido de titânio (TiO2) como agente espalhador, e tinta nanquim como agente absorvedor, avaliamos suas propriedades ópticas com as técnicas de Inverse Adding-Doubling (IAD) e SFDI para validar e calibrar o dispositivo óptico SFDI. Para a aplicação da técnica IAD, utilizamos uma esfera integradora acoplada a um espectrômetro para medir o espectro da luz transmitida e refletida difusamente. Imagens SFDI foram obtidas projetando padrões de luz bidimensionais com diferentes frequências espaciais na amostra e analisando os efeitos de espalhamento e absorção nos valores de refletância difusa (Rd) capturados por uma câmera. Usando um algoritmo em MATLAB, criamos mapas espaciais de absorção e espalhamento de luz na superfície das amostras. A utilização da RNA permitiu determinar diretamente as concentrações de oxi e desoxihemoglobina a partir das imagens SFDI, sem a necessidade de medir coeficientes de absorção em diferentes comprimentos de onda. O modelo apresentou correlações de 0,997 e 0,982 para as concentrações de oxi e desoxihemoglobina, respectivamente, com erros médios de 0,98% e 0,99%. Em um estudo in vivo, a técnica demonstrou viabilidade na obtenção de imagens funcionais da concentração de oxihemoglobina, desoxihemoglobina e saturação de oxigênio. A imagem de oxigenação ofereceu medições quantitativas em tecidos de formato irregular, sem contato direto e com resposta rápida. Embora promissora, a técnica enfrenta limitações, incluindo a necessidade de processamento posterior das imagens e a falta de medidas tridimensionais dos perfis do tecido, que limitam a precisão. Abordar essas limitações será crucial para adaptar a técnica a aplicações mais precisas e aumentar sua sensibilidade a diferentes condições experimentais.
Abstract: The infectious disease coronavirus 2019 (COVID-19), caused by Severe Acute Respiratory Syndrome (SARS) Coronavirus 2 (CoV-2), also known as SARS-CoV-2, can range from asymptomatic to severe respiratory problems and multiple organ failure. The complexity and rapid progression of the disease, often without noticeable signs, highlight the need for close monitoring and early intervention. Among the possible approaches, visualization of oxygenation in large tissue areas can significantly improve the management of patients in intensive care. The Spatial Frequency Domain Imaging (SFDI) technique has shown promise for measuring the optical properties of biological tissues, offering rapid and accurate measurements over large areas and enabling this type of monitoring. In this study, we developed a technique that combines SFDI with Artificial Neural Network (ANN) to determine oxyhemoglobin (Coxy), deoxyhemoglobin (Cdeoxy), and oxygen saturation (SpO2) concentrations in biological tissues. Using optical phantoms made of polydimethylsiloxane (PDMS) matrix, titanium dioxide (TiO2) as scattering agent, and India ink as absorbing agent, we evaluated their optical properties with the Inverse Adding-Doubling (IAD) and SFDI techniques to validate and calibrate the SFDI optical device. To apply the IAD technique, we used an integrating sphere coupled to a spectrometer to measure the spectrum of transmitted and diffusely reflected light. SFDI images were obtained by projecting two-dimensional light patterns with different spatial frequencies onto the sample and analyzing the effects of scattering and absorption on the diffuse reflectance (Rd) values captured by a camera. Using a MATLAB algorithm, we created spatial maps of light absorption and scattering on the surface of the samples. The use of ANN allowed us to directly determine the concentrations of oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin from the SFDI images, without the need to measure absorption coefficients at different wavelengths. The model showed correlations of 0.997 and 0.982 for the concentrations of oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin, respectively, with average errors of 0.98% and 0.99%. In an in vivo study, the technique demonstrated feasibility in obtaining functional images of the concentrations of oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, and oxygen saturation. Oxygenation imaging provided quantitative measurements in irregularly shaped tissues, without direct contact and with a fast response. Although promising, the technique faces limitations, including the need for post-processing of the images and the lack of three-dimensional measurements of the tissue profiles, which limit accuracy. Addressing these limitations will be crucial to adapt the technique to more precise applications and to increase its sensitivity to different experimental conditions.
Keywords: COVID-19
Imagem no Domínio da Frequência Espacial
Spatial Frequency Domain Imaging
Fantomas
Phantoms
Tecido biológico
Biological tissue
Espalhamento de luz
Light scattering
Absorção de luz
Light absorption
Rede Neural Artificial
Artificial Neural Network
Saturação de oxigênio
Oxygen saturation
Física
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Subject: Física
COVID-19, Pandemia de, 2020-2023
Tecidos (Anatomia e fisiologia)
Oxigênio ativo no organismo
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Física
Quote: ALVES, Guilherme Henrique Avanços na monitoração da saturação de oxigênio em tecidos biológicos e vigilância do SARS-CoV-2: integração da imagem no domínio da frequência espacial com rede neural artificial. 2024. 161 f. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.22.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.22
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/44705
Date of defense: 12-Dec-2024
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 3. Saúde e bem-estar - Assegurar uma vida saudável e promover o bem-estar para todos, em todas as idades.
Appears in Collections:TESE - Física

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