{"id":843,"date":"2017-11-30T18:00:58","date_gmt":"2017-11-30T20:00:58","guid":{"rendered":"http:\/\/insights.certi.org.br\/?p=843"},"modified":"2025-08-13T18:55:04","modified_gmt":"2025-08-13T21:55:04","slug":"processamento-de-sinais-e-imagens-biomedicos","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/certi.org.br\/blog\/processamento-de-sinais-e-imagens-biomedicos\/","title":{"rendered":"Processamento de Sinais e Imagens Biom\u00e9dicos"},"content":{"rendered":"

Na s\u00e9rie de artigos sobre Processamento Digital de Sinais (PDS) no blog Insights apresentamos inicialmente uma vis\u00e3o panor\u00e2mica<\/a> desta \u00e1rea de compet\u00eancia da CERTI e, posteriormente, focalizamos mais especificamente as aplica\u00e7\u00f5es em agricultura digital<\/a>. No primeiro artigo j\u00e1 hav\u00edamos mencionado o papel importante que o PDS exerce na \u00e1rea da sa\u00fade digital e agora vamos explorar mais detalhadamente as aplica\u00e7\u00f5es biom\u00e9dicas desta tecnologia.<\/p>\n

Para come\u00e7ar, um pouco de hist\u00f3ria!<\/h2>\n

Considera-se que o primeiro cientista a medir uma corrente bioel\u00e9trica foi o italiano Carlo Matteucci, que em 1838 registrou correntes geradas por contra\u00e7\u00f5es musculares. Outros pioneiros dos experimentos em bioeletromagnetismo foram o fisiologista alem\u00e3o Emil du Bois-Reymond, que em 1842 conseguiu detectar a passagem de corrente el\u00e9trica em nervos, o neurofisiologista ingl\u00eas Richard Caton, que em 1875 registrou tens\u00f5es geradas pela atividade cerebral, e o pesquisador tamb\u00e9m ingl\u00eas Augustus Waller, que em 1887 usou eletrodos afixados ao peito para registrar as tens\u00f5es geradas pela atividade card\u00edaca. Embora n\u00e3o seja baseada em bioeletromagnetismo, a descoberta dos raios X em 1895 pelo f\u00edsico e engenheiro mec\u00e2nico alem\u00e3o Wilhelm R\u00f6ntgen \u00e9 outro importante marco dos prim\u00f3rdios da tecnologia m\u00e9dica moderna. Estas descobertas cient\u00edficas levaram posteriormente ao desenvolvimento dos primeiros \u00a0equipamentos eletrom\u00e9dicos anal\u00f3gicos para aux\u00edlio ao diagn\u00f3stico: apenas um ano ap\u00f3s a descoberta de R\u00f6ntgen as empresas Siemens e General Electric j\u00e1 comercializavam aparelhos de raios X; em seguida foram apresentados o eletrocardi\u00f3grafo em 1903 pelo pesquisador holand\u00eas Willem Einthoven, o eletroencefal\u00f3grafo em 1924 pelo psiquiatra alem\u00e3o Hans Berger e o eletromi\u00f3grafo em 1942 pelo canadense Herbert Jasper. Mais tarde, j\u00e1 na d\u00e9cada de 1960, surgiram os primeiros equipamentos de ultrassonografia anal\u00f3gica, capazes de formar imagens a partir dos ecos gerados pelas varia\u00e7\u00f5es de imped\u00e2ncia ac\u00fastica em estruturas anat\u00f4micas internas.<\/p>\n

A digitaliza\u00e7\u00e3o dos equipamentos eletrom\u00e9dicos<\/h2>\n

O processamento digital de sinais biom\u00e9dicos teve in\u00edcio quando os computadores tornaram-se mais dispon\u00edveis para a comunidade cient\u00edfica ap\u00f3s a Segunda Guerra Mundial. No final dos anos 50 pesquisadores da George Washington University e do Massachusetts Institute of Technology<\/em> (MIT) publicaram os primeiros algoritmos para an\u00e1lise de eletrocardiogramas e eletroencefalogramas, respectivamente. Tamb\u00e9m naquela \u00e9poca imagens m\u00e9dicas come\u00e7aram a ser digitalizadas e processadas por computador para an\u00e1lise morfol\u00f3gica celular e para contagem autom\u00e1tica de culturas bacterianas. Em linhas gerais, o processamento de sinais e imagens biom\u00e9dicos consiste na aplica\u00e7\u00e3o de algoritmos, principalmente para execu\u00e7\u00e3o de opera\u00e7\u00f5es matem\u00e1ticas, a dados biol\u00f3gicos e m\u00e9dicos, em geral coletados de um paciente por meio de sensores. Tipicamente, os dados s\u00e3o primeiro submetidos a opera\u00e7\u00f5es de pr\u00e9-processamento, tais como a filtragem digital para redu\u00e7\u00e3o do n\u00edvel de ru\u00eddo, e em seguida, s\u00e3o aplicados algoritmos para extra\u00e7\u00e3o de par\u00e2metros relevantes para o diagn\u00f3stico m\u00e9dico. No caso de eletrocardiogramas, por exemplo, os par\u00e2metros podem ser os intervalos temporais entre determinados pontos da forma de onda, a dimens\u00e3o fractal do sinal ou a energia dos coeficientes de wavelets em uma determinada escala. O \u00faltimo passo \u00e9 a identifica\u00e7\u00e3o de padr\u00f5es e\/ou a classifica\u00e7\u00e3o das medi\u00e7\u00f5es dos par\u00e2metros em classes que correspondem a condi\u00e7\u00f5es consideradas normais e anormais. Usando novamente o caso dos eletrocardiogramas, as classes de condi\u00e7\u00f5es anormais podem corresponder a infarto do mioc\u00e1rdio, taquicardia, extrass\u00edstole e outras arritmias, por exemplo.<\/p>\n

Na d\u00e9cada de 1970, os processadores embarcados viabilizaram o surgimento de vers\u00f5es digitais dos equipamentos eletrom\u00e9dicos anal\u00f3gicos desenvolvidos na primeira metade do s\u00e9culo, realizando em tempo real muitas das an\u00e1lises que anteriormente s\u00f3 eram poss\u00edveis mediante o p\u00f3s-processamento dos sinais em computadores de grande porte, e armazenando os dados coletados de forma mais eficiente e pr\u00e1tica do que nos antigos gr\u00e1ficos em rolos de papel. Al\u00e9m dos eletrocardi\u00f3grafos, eletroencefal\u00f3grafos e eletromi\u00f3grafos, v\u00e1rios outros equipamentos eletrom\u00e9dicos digitais derivados de antecessores anal\u00f3gicos fazem amplo uso de PDS, como os esfignoman\u00f4metros (para medi\u00e7\u00e3o da press\u00e3o arterial), ox\u00edmetros (concentra\u00e7\u00e3o de oxig\u00eanio no sangue), fotopletism\u00f3grafos (ritmo card\u00edaco, por meios \u00f3pticos), eletroocul\u00f3grafos (movimentos oculares), eletroretin\u00f3grafos (resposta da retina a est\u00edmulos luminosos) e espir\u00f4metros (capacidade pulmonar). H\u00e1 tamb\u00e9m os monitores de par\u00e2metros vitais, que combinam as fun\u00e7\u00f5es de dois ou mais destes aparelhos. O PDS tamb\u00e9m desempenha um papel fundamental na tecnologia m\u00e9dica assistiva, como nos aparelhos auditivos digitais, implantes cocleares, sintetizadores de voz e outros.<\/p>\n

\"Monitor
Monitor de par\u00e2metros vitais<\/figcaption><\/figure>\n

A revolu\u00e7\u00e3o da imagiologia m\u00e9dica digital<\/h2>\n

Atualmente, equipamentos para o diagn\u00f3stico assistido por imagens s\u00e3o uma das principais aplica\u00e7\u00f5es do PDS na \u00e1rea da sa\u00fade. Dentre estes, os aparelhos de radiografia digital e os de ultrassonografia digital derivam de precursores anal\u00f3gicos, tendo por\u00e9m desempenho muito superior. V\u00e1rios outros aparelhos, no entanto, n\u00e3o possuem antecessores anal\u00f3gicos, tendo surgido apenas gra\u00e7as ao advento do PDS, que pode ser considerado, portanto, sua tecnologia viabilizadora. Como mencionado no primeiro artigo desta s\u00e9rie, o princ\u00edpio comum a v\u00e1rios destes equipamentos \u00e9 o de usar as informa\u00e7\u00f5es parciais contidas em sinais uni- ou bidimensionais para compor sinais de dimens\u00f5es superiores, tendo por base uma t\u00e9cnica denominada tomografia computadorizada e outras dela derivadas. O nome vem do grego tomos + graph\u014d<\/em> = \u00a0desenho de se\u00e7\u00e3o, pois tipicamente o resultado do processamento \u00e9 uma imagem representando a densidade dos tecidos ou outra propriedade fisiol\u00f3gica de uma se\u00e7\u00e3o planar do corpo do paciente, sem a superposi\u00e7\u00e3o de imagens que ocorre na radiografia convencional. Desenvolvida inicialmente nas d\u00e9cadas de 1960 e 1970, esta tecnologia provocou uma verdadeira revolu\u00e7\u00e3o na imagiologia m\u00e9dica. Dentre os pesquisadores respons\u00e1veis pelo seu desenvolvimento destacam-se Allan Cormack e Godfrey Hounsfeld, cujo trabalho pioneiro foi reconhecido com o Pr\u00eamio Nobel de Medicina de 1979.<\/p>\n

Na tomografia computadorizada (tamb\u00e9m chamada de tomografia computadorizada axial) a imagem \u00e9 formada a partir de sinais de raios X captados por sensores unidimensionais dispostos em volta do corpo do paciente. Uma tecnologia semelhante \u00e9 utilizada nos aparelhos de resson\u00e2ncia magn\u00e9tica (conhecida pela sigla MRI, do ingl\u00eas magnetic resonance imaging<\/em>), que utilizam campos magn\u00e9ticos e ondas de r\u00e1dio em lugar dos raios X, evitando a exposi\u00e7\u00e3o do paciente \u00e0 radia\u00e7\u00e3o ionizante e seus poss\u00edveis efeitos nocivos. Embora a resson\u00e2ncia magn\u00e9tica seja, em geral, prefer\u00edvel, a tomografia computadorizada \u00e9 mais indicada para determinados tipos de exames e continua sendo usada hoje em dia. Outras tecnologias derivadas da tomografia computadorizada s\u00e3o a tomografia por emiss\u00e3o de p\u00f3sitrons (conhecida pela sigla PET, do ingl\u00eas positron emission tomography<\/em>), usada para observar processos metab\u00f3licos corporais, a resson\u00e2ncia magn\u00e9tica de difus\u00e3o, usada para obter informa\u00e7\u00f5es do sistema nervoso, tais como modelos tridimensionais das conex\u00f5es neurais no c\u00e9rebro, a tomografia \u00f3ptica, a resson\u00e2ncia magn\u00e9tica funcional, a angiotomografia e outras.<\/p>\n

\"imagem
imagem de resson\u00e2ncia magn\u00e9tica<\/figcaption><\/figure>\n

Levando o laborat\u00f3rio at\u00e9 o paciente<\/h2>\n

O processamento digital de sinais e imagens tamb\u00e9m \u00e9 uma tecnologia-chave para o desenvolvimento de aparelhos eletrom\u00e9dicos que permitem fazer an\u00e1lises cl\u00ednicas de forma r\u00e1pida e descentralizada. S\u00e3o aparelhos feitos para realiza\u00e7\u00e3o de testes in vitro<\/em> no ponto de atendimento ao paciente (em ingl\u00eas, point of care<\/em>), tais como consult\u00f3rios m\u00e9dicos, postos de sa\u00fade, ou mesmo em ambul\u00e2ncias, resid\u00eancias ou locais atendidos por agentes comunit\u00e1rios de sa\u00fade. Evita-se, assim, que o paciente tenha que deslocar-se at\u00e9 um laborat\u00f3rio de an\u00e1lises cl\u00ednicas ou que amostras biol\u00f3gicas coletadas devam ser enviadas a um laborat\u00f3rio para a realiza\u00e7\u00e3o do exame. Isto traz ineg\u00e1veis benef\u00edcios: o m\u00e9dico pode completar o diagn\u00f3stico e prescrever o tratamento durante a consulta; o agente comunit\u00e1rio de sa\u00fade pode realizar prontamente a triagem e o encaminhamento de pacientes para tratamento; em certos casos, o pr\u00f3prio paciente pode controlar de forma mais precisa seu tratamento, como acontece, por exemplo, com diab\u00e9ticos que utilizam testes para medi\u00e7\u00e3o do n\u00edvel de glicose no sangue. Estes aparelhos podem ser muito \u00fateis at\u00e9 no ambiente hospitalar, onde, mesmo havendo a disponibilidade de um laborat\u00f3rio de an\u00e1lises cl\u00ednicas, a obten\u00e7\u00e3o mais r\u00e1pida do resultado na pr\u00f3pria UTI ou sala de emerg\u00eancia pode ser decisiva em situa\u00e7\u00f5es cr\u00edticas, como, por exemplo, no tratamento da sepse, em que a probabilidade de sobreviv\u00eancia do paciente diminui a cada hora de demora na identifica\u00e7\u00e3o dos agentes infecciosos.<\/p>\n

Recentemente, a conhecida Funda\u00e7\u00e3o XPRIZE realizou uma competi\u00e7\u00e3o tecnol\u00f3gica para o desenvolvimento experimental de um aparelho port\u00e1til para diagn\u00f3stico de 12 doen\u00e7as e aquisi\u00e7\u00e3o de cinco sinais vitais em tempo real, denominado Tricorder (em alus\u00e3o a um aparelho usado em uma s\u00e9rie televisiva de fic\u00e7\u00e3o cient\u00edfica). A import\u00e2ncia do desenvolvimento de aparelhos para diagn\u00f3stico no ponto de atendimento \u00e9 atestada por sua escolha como objeto desta competi\u00e7\u00e3o da Funda\u00e7\u00e3o XPRIZE, cujos outros desafios recentes incluem o envio de uma sonda espacial \u00e0 lua por uma entidade privada e a redu\u00e7\u00e3o do tempo e custo necess\u00e1rios para a realiza\u00e7\u00e3o do sequenciamento do genoma humano.<\/p>\n

Como exemplo desta aplica\u00e7\u00e3o do PDS podemos citar o projeto PodiTrodi (Technology Platform for Point of Care Diagnostics for Tropical Diseases<\/em>), no qual um cons\u00f3rcio de 13 institui\u00e7\u00f5es brasileiras e europeias, entre elas a Funda\u00e7\u00e3o CERTI, o CTI, a Unicamp, a Funda\u00e7\u00e3o Oswaldo Cruz (Fiocruz)\/Insituto de Biologia Molecular do Paran\u00e1 (IBMP) e o Instituto Fraunhofer ENAS, desenvolveram o prot\u00f3tipo de um aparelho para diagn\u00f3stico da doen\u00e7a de Chagas no ponto de atendimento. O aparelho realiza um imunoensaio combinado com um teste de \u00e1cidos nucleicos por rea\u00e7\u00e3o em cadeia da polimerase (em ingl\u00eas polymerase chain reaction<\/em> \u2014 PCR) em um cartucho microflu\u00eddico descart\u00e1vel, de forma a detectar a presen\u00e7a do parasita Trypanosoma cruzi<\/em> tanto na fase de infec\u00e7\u00e3o aguda inicial quanto na fase cr\u00f4nica da doen\u00e7a.[1] Um sistema de vis\u00e3o computacional embarcado captura e analisa imagens das c\u00e2maras reagentes do cartucho, fornecendo automaticamente o resultado do teste. Outro exemplo de projeto nesta \u00e1rea \u00e9 a coopera\u00e7\u00e3o entre CERTI, UFSC, MIT e Fiocruz\/IBMP para desenvolvimento de uma plataforma de microscopia embarcada baseada em holografia digital em linha.[2] Por n\u00e3o necessitar de lentes, esta plataforma \u00e9 robusta, leve e compacta, o que a torna particularmente atraente para o uso em aparelhos port\u00e1teis para diagn\u00f3stico no ponto de atendimento.<\/p>\n

Para Saber Mais<\/h3>\n

Cobra, D. T. e Costa, A. D. T., Tecnologia para diagn\u00f3stico no ponto de atendimento. Revista Polyteck, n\u00ba 14, outubro de 2015, pp. 3-6.<\/p>\n

Najarian, K. e Splinter, R., Biomedical Signal and Image Processing, 2nd Ed. CRC Press, Boca Raton, FL, USA, 2012.<\/p>\n

Nebeker, F., Golden Accomplishments in Biomedical Engineering. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, Vol. 21, No. 3, pp. 17-47, May-Jun 2002.<\/p>\n

Sobieranski, A. C. et al., Portable Lensless Wide-field Microscopy Imaging based on Digital In-line Holography and Multi-Frame Pixel Super-Resolution, Light: Science & Applications, Vol. 4, e346, Oct. 2015.<\/p>\n

[1] Processo CNPq N\u00ba 590.032\/2011-9 e FP7 N\u00ba 287.770<\/p>\n

[2] Processo CNPq N\u00ba 551.967\/2011-0<\/p>\n\n\n

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