Grupo MALTA conquista 4º lugar no desafio mRALE/ Foto: Divulgação
O laboratório de pesquisa MALTA (Machine Learning Theory and Application Lab) da Escola Politécnica da PUCRS, coordenado pelo professor Rodrigo Coelho Barros, e que faz parte do Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, ganhou mais um prêmio internacional: o laboratório conquistou o 4º lugar no prestigiado desafio mRALE do Medical Imaging and Data Resource Center (MIDRC), na temática “Inteligência Artificial para Predição da Severidade de COVID-19 em Radiografias de Tórax”. A conquista rendeu ao MALTA um prêmio em dinheiro de 5 mil dólares e destacou sua liderança e inovação nas áreas de inteligência artificial e processamento de imagens médicas.
Organizado pelo MIDRC, o desafio mRALE contou com financiamento do National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB) e teve como sede a Universidade de Chicago. O esforço é uma colaboração entre entidades de renome, como o American College of Radiology (ACR), a Radiological Society of North America (RSNA) e a American Association of Physicists in Medicine (AAPM).
“É um resultado impressionante e que me enche de orgulho. O MALTA foi a única instituição latino-americana a ser premiada, solidificando sua posição como um centro de excelência na pesquisa de inteligência artificial e imagens médicas. Diversos alunos do grupo de pesquisa possuem formação em física médica na própria PUCRS, o que reforça a qualidade de formação da instituição”, diz Barros.
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A equipe do laboratório que disputou a competição foi formada por sete membros: professor Rodrigo Coelho Barros (coordenador), o professor Lucas Silveira Kupssinskü (vice coordenador), professor Otavio Parraga, os doutorandos Christian Mattjie e Rafaela C. Ravazio, o mestrando Luis Vinicius de Moura e o graduando Adilson Medronha.
Não é a primeira vez que o laboratório chama a atenção da comunidade científica internacional. Anteriormente, o professor Rodrigo, juntamente com Luis Vinicius de Moura e Christian Mattjie, foi premiado com o Melhor Artigo em 2020 por sua pesquisa inovadora intitulada “Uma Abordagem Inovadora para Diferenciar Pneumonia da COVID-19 em Raios-X de Tórax”, apresentada na 20ª Conferência Internacional de Bioinformática e Bioengenharia da IEEE.
Estudos feitos no laboratório buscam avanços tecnológicos na área de imagens médicas/ Foto: Divulgação
Christian Mattjie, que é graduado em Física e possui mestrado em Gerontologia Biomédica. Ele realiza sua pesquisa de doutorado, que está direcionada à identificação de subtipos da doença de Parkinson usando aprendizado de máquina não supervisionado e análise de dados biológicos. Ele se dedica a esse estudo paralelamente à sua participação no MALTA – que tem como um de seus principais focos de pesquisa a saúde e prima pela inovação e aplicação prática de modelos de redes neurais em problemas reais. “Nosso trabalho busca não apenas avançar o estado da arte tecnológico, mas também promover a equidade (fairness) e o bem-estar social através da ciência de dados”, destaca ele.
Alguns dos estudos mais recentes do laboratório incluem dois trabalhos aceitos no 23º IEEE International Conference on Bioinformatics and Bioengineering (BIBE). O primeiro, intitulado “Zero-shot performance of the Segment Anything Model (SAM) in 2D medical imaging”, oferece uma avaliação abrangente e diretrizes práticas para a implementação deste modelo em imagens médicas bidimensionais. O segundo, “Radiomics for predicting oxygen necessity in COVID-19 patients using longitudinal lung computed tomography”, investiga o potencial da radiômica na previsão da necessidade de oxigenação em pacientes com COVID-19, utilizando uma abordagem longitudinal em tomografias computadorizadas de pulmão.
Além deste, um marco significativo para o MALTA foi a aprovação de um trabalho para apresentação oral no renomado SPIE Medical Imaging 2024, como explica Christian:
“O estudo ‘Semi-supervised learning for mRALE score prediction in COVID-19 chest radiograph’ detalha a metodologia inovadora que nos levou ao quarto lugar na competição mRALE. Este reconhecimento é uma testemunha do nosso compromisso com a pesquisa de vanguarda e da relevância do nosso trabalho no cenário internacional.”
Para ele, as pesquisas realizadas pelo laboratório são cruciais na dimensão científica, pois o objetivo constante do MALTA é estreitar a relação entre tecnologia de ponta e aplicabilidade prática em contextos que beneficiem a sociedade.
“Através do desenvolvimento e aprimoramento de modelos de machine learning e deep learning, estamos contribuindo para o aumento da precisão diagnóstica, facilitando a identificação e classificação de doenças a partir de imagens e dados médicos. Isso não apenas eleva o patamar das pesquisas na área de inteligência artificial aplicada à saúde, mas também tem um impacto direto na qualidade e na eficiência do atendimento clínico, o que pode salvar vidas e otimizar recursos em sistemas de saúde já sobrecarregados”, afirma o doutorando.
MALTA realiza pesquisas de relevância tanto científica quanto social/ Foto: Divulgação
A dimensão social também é abarcada pelas pesquisas do MALTA, pois vão além do escopo médico. O grupo também desenvolve um trabalho de desenvolvimento de bancos de dados de LIBRAS (Língua Brasileira de Sinais) e modelos de tradução a fim de facilitar a comunicação e inclusão de pessoas surdas. Tal projeto, também coordenado pelo professor Rodrigo, foi o único da América Latina a receber financiamento do Google através do Award for Inclusion Research (AIR), no final de 2022. “Estes projetos não apenas melhoram a acessibilidade e a qualidade de vida da comunidade surda, mas também promovem a conscientização e a importância da inclusão em todos os aspectos da sociedade”, acrescenta Christian.
Ele afirma que receber a premiação do MIDRC é uma experiência gratificante e motivadora para toda a equipe do MALTA, sendo um reconhecimento do trabalho árduo, da dedicação e da inovação empregados nas pesquisas.
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“O prêmio reflete não apenas o potencial individual de cada membro da equipe, mas também a força colaborativa de um grupo que está profundamente comprometido com a excelência científica. Para a Escola Politécnica e a PUCRS, este prêmio é uma vitrine de prestígio internacional que ressalta a capacidade da nossa instituição em produzir pesquisas de alto impacto. Demonstra que estamos no mesmo nível de competitividade que outras instituições renomadas globalmente, capazes de inovar, contribuir e liderar em campos desafiadores e altamente técnicos como o de inteligência artificial aplicada à saúde”.
Com esse novo reconhecimento, o laboratório MALTA tem planos ambiciosos para expandir ainda mais seu escopo de pesquisa. O prêmio de 5 mil dólares será investido em novas iniciativas que prometem trazer avanços significativos para o campo da inteligência artificial aplicada à medicina, beneficiando não apenas a comunidade científica, mas a sociedade em geral. Segundo Christian, o principal foco desses investimentos será a atualização e expansão das máquinas de alto desempenho, essencial para as demandas computacionais das pesquisas em deep learning.
Urge, no contexto das pesquisas do MALTA, a necessidade de um hardware robusto para processar e analisar grandes quantidades de dados médicos – logo, o plano é adquirir e aprimorar servidores com GPUs avançadas e capacidades de processamento acelerado. Isso não só permitirá a realização de cálculos complexos com maior eficiência, mas também reduzirá significativamente o tempo necessário para a execução de algoritmos intensivos e o treinamento de modelos de inteligência artificial.
“Este investimento reforça o nosso compromisso em permanecer na vanguarda da pesquisa científica e contribuir para o avanço da medicina diagnóstica, ao mesmo tempo em que consolidamos a posição da PUCRS como uma instituição de pesquisa de excelência, capaz de gerar impacto real na sociedade e na comunidade científica global”, pontua.
Com o avanço do novo coronavírus, estudos interdisciplinares se tornaram cada vez mais necessários. Dentre os diversos campos da ciência envolvidos nesta tarefa, a Física tem contribuído com conhecimentos e técnicas que permitem modelar, medir e prever o comportamento dos sistemas biológicos causadores da doença. “Um exemplo dessa contribuição é que a estrutura molecular do vírus SARS-CoV-2 foi determinada através de uma análise de cristalografia por raios X e de microscopia eletrônica. Outro ponto importante, é os medicamentos e as vacinas que podem combater a Covid-19 devem ser previamente simulados computacionalmente e, na fase de produção, investigados usando as técnicas físicas de microscopia eletrônica, difração e espalhamento de raios X”, explica a professora Ana Maria Marques, relatando os experimentos realizados por diversos grupos de pesquisa descritos na revista Physics Today, publicada neste mês.
A professora Michele Andrade, docente da Escola Politécnica, ainda destaca que a física é fundamental para a compreensão da extensão do contágio do coronavírus, pois trabalha diretamente nas simulações da dispersão de gotículas liberadas nos espirros e o nível de proteção de máscaras. “As simulações da física das partículas mostram que as gotículas maiores não viajam por uma distância longa por serem mais pesadas, mas as gotículas menores formam uma espécie de ‘nuvem gasosa’ que acaba se movimentando pelo ambiente e pode permanecer suspensa por várias horas”, salienta Michele.
A física também está presente nos hospitais que recebem os pacientes com sintomas da Covid-19, como dificuldade respiratória. De acordo com a professora Ana Maria, coordenadora do Grupo de Pesquisa em Imagens Médicas (NIMed), as técnicas de diagnóstico por imagem utilizando raios X são essenciais para a avaliação da gravidade do quadro dos pacientes. “As imagens da radiografia e da tomografia computadorizada mostram a extensão das áreas afetadas pela inflamação no pulmão devido a contaminação pelo novo coronavírus. A medicina nuclear também contribui para o diagnóstico, através da cintilografia de perfusão pulmonar, um exame que possibilita visualizar a extensão da perda de troca gasosa entre o sangue e o pulmão, auxiliando na avaliação da gravidade da doença”, ressalta a professora.
Físicos médicos Daniela Estácio, Diego Teixeira e Mayara Prata, que atuam no serviço de Radioterapia do Hospital São Lucas, realizando testes de controle de qualidade / Foto: Arquivo Pessoal
A Física Médica é um campo da física aplicada altamente interdisciplinar, que combina os conhecimentos da física, matemática e computação, com a biologia, anatomia e fisiologia para solucionar problemas relacionados à saúde e à medicina. No combate à Covid-19, os físicos médicos estão integrados na equipe de saúde, atuando diretamente no diagnóstico e tratamento de pacientes.
Além de garantirem a qualidade dos equipamentos envolvidos no diagnóstico por imagem, eles atuam no desenvolvimento de sistemas computacionais de comunicação, processamento e análise digital de imagens. “Estes sistemas apoiam o médico no diagnóstico e possibilitam uma avaliação mais exata da condição de saúde do paciente e da extensão da doença, sendo útil para tomada de decisões em relação ao tratamento. Adicionalmente, os físicos médicos atuam no apoio à qualidade da telerradiologia, que é um braço da telemedicina”, comenta a professora Michele Andrade.
Segundo ela, na telerradiologia, exames de imagem realizados em áreas rurais ou mesmo em hospitais podem ser enviados e analisados remotamente por vários médicos. Além disso, a rápida disseminação do coronavírus amplificou o valor das ferramentas de telerradiologia, pois permitem que o médico radiologista trabalhe fora do hospital e isso reduz o risco de contágio desse profissional da saúde.
Já no ambiente hospitalar, os físicos médicos atuam nas áreas de diagnóstico por imagem e na radioterapia. “Na área de diagnóstico por imagem, a função do físico médico é garantir que as imagens produzidas pelos equipamentos de radiografia, tomografia computadorizada, medicina nuclear, ressonância magnética e ultrassom tenham qualidade e confiabilidade para um diagnóstico confiável e seguro para os pacientes e para a equipe técnica. Na radioterapia, o físico médico é responsável por planejar, em conjunto com o médico, a melhor forma de tratar pacientes com câncer, utilizando feixes de radiação emitidos por aceleradores lineares, para destruir células malignas e preservar as células saudáveis”, resume a professora Ana Maria Marques, como pode ser visto em mais detalhes na Associação Brasileira de Física Médica.
Configuração geral da rede neural artificial utilizada para realizar a classificação dos casos de Covid-19 e outras doenças, a partir das imagens de radiografia de tórax / Imagem: Medicom
Uma das pesquisas desenvolvidas no Laboratório de Computação em Imagens Médicas (Medicom) da PUCRS vem utilizando métodos de inteligência artificial para identificar padrões e analisar a extensão do comprometimento dos pulmões durante a Covid-19. A pesquisa, que conta com uma equipe interdisciplinar de físicos, cientistas da computação e médicos, está desenvolvendo algoritmos que pretendem auxiliar o diagnóstico por meio da diferenciação das imagens de raios X da Covid-19 e de outras doenças, além de possibilitar a identificação de características nas imagens que estejam relacionadas com a maior probabilidade de agravamento da doença.
A professora Ana Maria, coordenadora do Medicom, destaca que os resultados iniciais demonstraram uma alta porcentagem de sensibilidade. “Os primeiros resultados, utilizando redes neurais artificiais na diferenciação da Covid-19 de outros tipos de doenças respiratórias com base em imagens de radiografia de tórax de bancos de dados públicos, apresentaram uma sensibilidade de 95%”, relata. A pesquisa está sendo realizada em cooperação com o Laboratório de Engenharia Biomédica da Universidade Federal de Uberlândia. A coordenadora do laboratório ainda comenta que a pesquisa segue com novas fases. “Imagens estão sendo coletadas para ampliar a base de dados em melhorar o desempenho da rede neural. Adicionalmente, a investigação com as imagens de tomografia computadorizada está em andamento”, destaca Ana Maria.
No curso de graduação em Física Bacharelado: Física Médica, os estudantes desenvolvem competências para a formação de um profissional com perfil interdisciplinar. O curso oferece uma base sólida em física e matemática e conhecimentos específicos e práticos nas áreas aplicadas, como radiologia, medicina nuclear, radioterapia e proteção radiológica.
A graduação habilita os estudantes para atuar em instituições de saúde, como hospitais e clínicas, indústria, centros de pesquisa e órgãos públicos. Assim como na formação médica, após a graduação, os físicos médicos podem realizar uma residência multiprofissional de dois anos em hospitais credenciados, como no Hospital São Lucas, escolhendo uma das três áreas de atuação: medicina nuclear, radiodiagnóstico e radioterapia.
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