Instrumento portátil para aquisição, digitalização e processamento de imagens a ser aplicado na avaliação do sistema de equilíbrio humano

Este trabalho descreve um novo instrumento de análise do equilíbrio humano para o estudo da fisiologia do sistema vestibular, apoio ao diagnóstico, evolução do paciente no processo adaptativo de fisioterapia e transtornos do sistema vestibular. Várias técnicas utilizadas para avaliar o equilíbrio são subjetivas, imprecisas e invasivas. Neste trabalho foi desenvolvido um equipamento para medir objetivamente o equilíbrio humano de modo não invasivo e com precisão adequada. As metas deste trabalho foram: (1) Aperfeiçoar as técnicas de processamento de imagens, (2) Reduzir os custos de produção do equipamento, (3) Facilitar sua mobilidade, (4) Desenvolver uma arquitetura de software robusta, escalável e de fácil manutenção. O sistema vestibular localiza-se no ouvido interno, sendo responsável pela manutenção do equilíbrio. O sistema vestibular é principalmente composto por uma rede de tubos chamados canais semicirculares, os quais são estimulados por movimentos seletivos da cabeça. Através do reflexo vestíbulo-motor, são induzidos movimentos oculares correspondentes ao movimento de cabeça realizado.As imagens dos movimentos oculares foram adquiridas por câmeras de vídeo, sob iluminação infravermelha. As câmeras foram adaptadas em um óculos com isolamento de luz externa desenvolvido para propiciar este trabalho. As imagens das câmeras são digitalizadas por uma placa de captura externa e processadas em tempo real por um algoritmo desenvolvido para, quadro a quadro, localizar o centro da pupila. A localização do centro da pupila em resposta ao estímulo vestíbuloocular é representada graficamente, para interpretação pelo médico especialista. Os testes realizados comprovam a eficiência e robustez do algoritmo no cálculo de centro de pupila nas suas mais diversas variações. Os testes abrangem as mais diversas variações da pupila e distorções elípticas oculares com o adicional de reflexos ocasionados por fontes de iluminação. Todos os testes obtiveram erro, desprezível, comprovando assim sua eficiência e cumprindo o seu objetivo.This thesis describes a new human balance analysis instrument for studies on the physiology of the vestibular system, support for diagnostics, patient evolution in treatment and in the adaptation process of physiotherapy and vestibular disorders. Various techniques used to evaluate balance are subjective, imprecise and invasive. In the present work, a device has been developed to objectively measure human balance in a non-invasive manner with adequate precision. The objectives of this thesis were: (1) to improve image processing techniques, (2) to reduce equipment production costs, (3) to facilitate portability, (4) to develop a robust, scalable and easily maintained software architecture. The vestibular system is located in the inner ear, and it is responsible for maintaining balance. The vestibular system is composed mainly of a network of tubes called semicircular canals, which are stimulated by selective head movements. Through vestibular-motor reflexes, eye movements are induced which correspond to head movement.The images of the eye movements are acquired by video cameras, under infrared illumination. The cameras are mounted to glasses isolated from external light developed for the purposes of this research. The camera images are digitalized by an external capture card and processed in real time by an algorithm developed to, frame by frame, locate the center of the pupil. The location of the center of the pupil in response to the vestibulo-ocular stimulus is plotted into a graph, to then be interpreted by a medical specialist. The tests carried out prove the efficiency and robustness of the algorithm in calculating the center of the pupil with a broad range of variations. The tests include a number of variations of the pupil and elliptical eye distortions with additional reflections occasioned by sources of illumination. All tests had a negligible error, thus proving their efficiency and meeting their objective