Desenvolvimento de um pupilômetro dinâmico policromático

Abstract

Diagnósticos na área da saúde humana e veterinária são processos complexos que fundamentam decisões importantes a serem tomadas. Estes diagnósticos buscam resultados cada vez mais objetivos, rápidos, pouco invasivos e de menor custo. Empresas tem investido significativamente em pesquisas de métodos pouco invasivos e confiáveis para a medição de glicemia, entre outros equipamentos de monitoramento adequados às tecnologias de telemedicina, por exemplo. No início do século passado, pesquisadores aprofundaram a pesquisa sobre a reação da pupila a estímulos luminosos e sua relação com diversos sinais vitais. O reflexo pupilar está ligado ao sistema nervoso autônomo, que é responsável pelo controle das funções involuntárias do corpo e é dividido em duas partes: o sistema simpático, que controla a dilatação da pupila (midríase), e o sistema parassimpático, que controla a contração da pupila (miose). Além do reflexo à luz, o sistema nervoso autônomo tem relação com o funcionamento de diversas partes do corpo. Isto possibilita que estes estudos sirvam para o diagnóstico das mais diversas relações do corpo humano. No entanto, o estudo da resposta pupilar a estímulos periódicos não é bem estabelecido, devido à dificuldade de sua medição e limitações dos equipamentos existentes. Esta tese pretende avançar nesse campo, investigando as possibilidades de um protótipo (sistema de medição) idealizado dentro dos conceitos da metrologia óptica e da visão computacional. O protótipo é versátil, permitindo a aplicação de estímulos luminosos diversos, pulsos únicos e periódicos, com variadas formas de onda, cores e intensidade, registrando a variação da área da pupila em um gráfico no domínio do tempo, chamadas de curvas pupilográficas. Para verificar sua funcionalidade, foram extraídos parâmetros já conhecidos da literatura científica para testes com pulsos únicos e explorados novos parâmetros para testes com estímulos luminosos pulsados. Diversas combinações de ensaios foram realizadas, variando a cor, a frequência e a forma de onda dentro de limites previamente estabelecidos. Os dados brutos e processados foram organizados em uma base de dados. Estes dados consistem em vídeos do reflexo pupilar aos estímulos luminosos, capturados sob iluminação infravermelha com uma câmera DSLR adaptada para imagens infravermelhas e equipada com lente macro e filtros. O processamento gerou um conjunto de pontos sobre a borda pupilar, permitindo a obtenção da área da pupila para cada fotograma, e correlacionando com as dimensões da íris, permitindo uma comparação entre os resultados e finalmente compondo a curva pupilográfica. Com estes resultados, foi possível obter a resposta em frequência, atenuação e atraso de fase, os quais podem subsidiar futuras pesquisas na área médica, possibilitando a correlação com diversas atividades biológicas e permitindo avanços em diagnósticos mais eficientes, rápidos e de baixo custo.

Abstract: The diagnosis in human and veterinary health is quite complicated and plays a crucial role in decision-making. These diagnoses aim to provide objective, fast, minimally invasive, and cost-effective results. Companies have invested significantly in researching methods to measure blood glucose levels and other monitoring equipment suitable for telemedicine technologies. In the early 1900s, researchers began studying the pupil's reaction to light stimuli and its connection to vital signs. The pupillary reflex is linked to the autonomic nervous system, which controls the body's involuntary functions and has two parts: the sympathetic system, responsible for pupil dilation (mydriasis), and the parasympathetic system, responsible for pupil contraction (miosis). The autonomic nervous system is connected to the functioning of various parts of the body, including the light reflex. This connection allows these studies to be used for diagnosing a wide range of human body functions. However, the study of the pupillary response to periodic stimuli is not well established due to the difficulty of its measurement and the limitations of existing equipment. This thesis aims to advance this issue by investigating the potential of a prototype designed within the concepts of optical metrology and computer vision. This prototype should be versatile, allowing for the application of various light stimuli, both unique and periodic pulses, with different colors, waveforms and intensities. It will record the variation of the pupil area in a time-domain graph, known as a pupillographic curve. To verify its functionality, we extracted known parameters from scientific literature for single pulse tests, and explored new parameters for tests with periodic light stimuli. We conducted various tests with different combinations of light color, waveforms and frequency within established limits. The raw and processed data were stored in a database. The data consists of videos showing the pupillary reflex to light stimuli, captured under infrared illumination with a DSLR camera modified for infrared images and equipped with a macro lens and filters. The processing generated a point cloud on the pupillary edge, allowing us to determine the pupil area for each frame and correlate it with the iris dimensions. This correlation enabled us to compare the results, ultimately forming the pupillographic curve. With these results, we were able to obtain the frequency response, attenuation, and phase delay, which can contribute to future research in the medical field. This enables correlation with various biological activities and allows for advancements in more efficient, rapid, and cost-effective diagnostics.