Diarrhoeal disease is a major cause of infant mortality in this and other developing countries. The assessment of the degree of dehydration in these children is often based on subjective findings alone. These have been shown to be inaccurate as an assessment of the degree of dehydration. Whole-body impedance (WBI) is a method of measuring total body water which is used to assess body composition. This WBI technology, which operates at a single frequency, has been applied to the assessment of dehydration in children with diarrhoeal disease. The normal range of WBI was determined on a group of normally hydrated children and was found to have a mean of 746 Ω, a standard deviation of 85 Ω and 95 % confidence interval for the mean from 720 Ω to 772 Ω. WBI did not depend on age, mass, height or sex. The WBI of a group of children dehydrated from infantile gastroenteritis was measured both before and after rehydration. The dehydrated group had a mean WBI on admission of 1089 Ω and a standard deviation of 149 Ω with a 95 % confidence interval for the mean from 950 Ω to 1109 Ω. This value was significantly greater than that of the normal group. The WBI of the dehydrated group after rehydration was not significantly different from the normal group. In addition a variable frequency bioimpedance analyser was designed and tested. It was found to have an error of less than 1 % over the frequency range 1 to 100 kHz. The device was evaluated on 11 normal and dehydrated children. Four dehydrated children were tested before and after rehydration and this data was compared to a standard electrical model for WBI. It was found that the model could represent the measured data over this frequency range. The extracellular resistive element of the model was mainly responsible for the changes seen during rehydration, suggesting that dehydration in gastroenteritis is mainly due to fluid loss from the ECF compartment.

The increasing use of piezoelectric material in the last decade has led to the new discovery that piezoelectric devices may be used not only as sensors or actuators individually, but also as a sensor and actuator at the same time. This bi-directional phenomenon greatly expands the utility of piezoelectric devices, especially in the area of smart material systems and structures, such as structural dynamic measurement analysis, structural damage detection, active structural vibration and acoustic control, etc. Presented in this thesis is a new electromechanical approach for structural dynamic analysis. It uses PZT patches bonded on structures as active piezoelectric sensors, and acquires the structural information by measuring the electric admittance of the sensors. Because of the electromechanical coupling, the electric admittance is mechanically modulated by the structural dynamics through the piezoelectric effect. The structural dynamic characteristics can then be extracted using a mathematical model governing the interaction of PZT actuators and structures. In this thesis, a multi-input, multi-output mathematical model is derived based on the one-dimensional constitutive law of the PZT and the mechanical impedance approach. The model yields explicit expressions of structural mechanical mobility in terms of the measured electric admittance. Applications of the approach in smart structures are presented in the area of mechanical frequency response function extraction, structural modal analysis, and structural health monitoring. As a general issue related to the application of PZT sensor-actuators in smart structures, the energy conversion efficiency of PZT actuators has also been experimentally investigated. / Master of Science

Orientador : Vicente Lopes Júnior / Banca: João Carlos Mendes Carvalho / Banca: Carlos Roberto Minussi / Resumo: A proposta deste trabalho é a obtenção de uma metodologia robusta para identificação de falhas estruturais combinando as vantagens de duas metodologias, que não são baseadas em modelos matemáticos, ou seja: impedância elétrica obtida com atuador e sensor piezocerâmico(materiais inteligentes) e redes neurais artificiais. O termo materiais inteligentes (smart materials) conhecido também por material ativo é dado a uma classe de material que exibe propriedades não encontradas em materiais convencionais. Alguns destes materiais são: compostos de materiais piezelétricos, eletrorresistivo e magnetorresistivo, fluidos e sólidos electro-reológicos, e outros. Uma das principais características do PZT (Titanato Zirconato de Chumbo), que permite utilizá-lo como sensor e atuador, é o efeito piezelétrico, ou seja, a aplicação de um campo elétrico resulta em deformação do material (efeito inverso), enquanto, a aplicação de tensão mecânica resulta no surgimento de um campo elétrico (efeito direto). Estas características associadas ao conceito de impedância elétrica e ao conceito de falha métrica permitem a localização e o monitoramento da falha. Esta técnica utiliza altas freqüências e excita os modos locais, proporcionando, assim, o monitoramento de qualquer mudança da impedância mecânica estrutural na região de influência do PZT. Redes neurais artificiais (RNA) fazem parte de um amplo conceito chamado inteligência artificial. Redes neurais têm sua base associada ao funcionamento do cérebro humano, que após treinamento possuem a capacidade de "aprender". Esta ciência é objeto de estudo em diversos centros de pesquisa e, embora já tenha grande aplicabilidade, o sucesso de sua utilização depende do caso em que está sendo aplicada e de certa sutileza do projetista, uma vez que o processo ainda é empírico e teorias ainda... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo). / Abstract: The proposal of this work is the obtaining of a robust methodology for identification of structural faults combining the advantages of two methodologies, which are not based on mathematical models. The methodology applies electric impedance technique, obtained with actuator and sensor piezoceramic (smart materials), and artificial neural networks. The term "smart materials" is given for a material class that not exhibits properties found in conventional materials. Some of these materials are: composed of piezoelectric material, electrostrictive and magnetostrictive, electrorheological fluids and solids shape memory alloys, and others. One of the main characteristics of PZT (Lead Zirconate Titanate), that allows to use it as sensor and actuator, is the piezoelectric effect, where the application of an electric field results in deformation of the material (inverse effect), while the application of mechanical tension results in the appearance of an electric field (direct effect). These characteristics associated to the concept of electric impedance and the concept of metric fault allow the location and the monitoring of the fault. This technique uses high frequencies and low voltage and it excites local modes, providing, the monitoring of any change on the structural mechanical impedance in the area of influence of the PZT. Artificial Neural Networks (ANN) are part of a wide concept called artificial intelligence. Neural networks has its base associated to the operation of the human brain, that after training possess the capacity "to learn". This science is a study object in several research centers and, although it already has great application. The success of its use depends of the case and planner's certain keenness, once the process is still empiric and theories are still being formulated. Several conceptions of neural networks... (Complete abstract, click electronic address below). / Mestre

A adesão de plaquetas nas paredes dos vasos sanguíneos e subsequente agregação são eventos cruciais tanto na hemorragia e quanto na trombose. A hiperagregação (agregação excessiva) das plaquetas pode causar a formação de um trombo e a posterior oclusão dos vasos sanguíneos levando a um processo isquêmico. A terapia antiplaquetária com ácido acetilsalicílico reduz em até 25% o risco de infartos do miocárdio não-fatais, acidentes vasculares cerebrais isquêmicos ou mortes de causa vascular em pacientes de alto risco, independentemente do sexo ou idade. Para avaliar laboratorialmente a eficácia dessa terapêutica, o método mais utilizado é o teste de agregação plaquetária, que pode ser feito em duas metodologias, a turbidimétrica e a por impedância elétrica. Com esse cenário, o objetivo do estudo é comparar essas duas metodologias para a monitorização do tratamento. Para isso foram utilizadas amostras de sangue de 30 pacientes adultos (média de 42 anos) de ambos os sexos que fazem uso regular do fármaco e analisadas através das duas metodologias, tendo seus resultados analisados e comparados. Os resultados do estudo mostraram pouca diferença estatística significante (p<0,05) entre os dois métodos nos principais agentes estimulantes, indicando que o método de impedância elétrica pode ser utilizado em rotina laboratorial em substituição, ou em complementação, com a metodologia turbidimétrica para monitorar a terapia antiplaquetária a base de ácido acetilsalicílico / The adhesion of platelets in the blood vessel wall and subsequent aggregation are crucial events in both bleeding and thrombosis. The hyperaggregation (excessive aggregation) of platelets can cause the formation of a thrombus and subsequent occlusion of blood vessels leading to an ischemic process. Antiplatelet therapy with acetylsalicylic acyd reduces by 25% the risk of myocardial infarctions, non-fatal strokes or deaths from vascular causes in patients at high risk, regardless of sex or age. To laboratory evaluation of the effectiveness of this therapy, the method most used is the platelet aggregation test, which can be done in two methods, the turbidimetric and electrical impedance. With this scenario, the objective of the study is to compare these two methodologies for monitoring the treatment. For such purpose, blood samples from 30 adult patients (mean 42 years) of both sexes who make regular use of the drug was analyzed using the two methodologies, and their results was analyzed and compared. The studys results showed little difference statistically significant (p <0.05) between the two methods with the main stimulant agents, indicating that the method of electrical impedance can be used in routine laboratory instead or complementing the methodology of turbidimetric for monitor antiplatelet therapy by acetylsalicylic acyd

Introdução: Pneumotórax é uma complicação comum em pacientes sob ventilação mecânica. Se não reconhecido, tende a aumentar de volume e pode levar ao colapso cardiovascular. Os métodos utilizados para seu diagnóstico caracterizam-se por baixa sensibilidade (radiografia) ou envolvem transporte potencialmente arriscado à tomografia de raios X. A tomografia de impedância elétrica (TIE) é um método não invasivo que permite monitorização da ventilação em tempo real. O método é baseado na construção da imagem de uma seção transversal das condutividades torácicas através de eletrodos dispostos ao redor do tórax. A TIE correlaciona-se muito bem com as alterações regionais do conteúdo de ar dentro do tórax. Por ter baixo custo, não ser invasiva e ter alta sensibilidade às alterações da ventilação e aeração pulmonar, a TIE é um método promissor para a detecção de pneumotóraces em situações de alto risco. Os objetivos deste estudo foram: 1) caracterizar as alterações na TIE relacionadas ao aparecimento de pneumotórax; 2) desenvolver um algoritmo para detecção automática de pneumotóraces e 3) avaliar prospectivamente a sensibilidade e especificidade deste algoritmo. Métodos: Foram realizados experimentos em 39 porcos (peso médio 31,0 Kg ± 3,2 desvios-padrão). Os animais foram sedados e submetidos à ventilação mecânica. Os dados de TIE foram adquiridos através de um tomógrafo de impedância desenvolvido por nosso grupo (Laboratório de Pneumologia Experimental, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo e Dixtal Biomédica Ltda., São Paulo, Brasil), capaz de produzir 50 imagens relativas por segundo. Um primeiro grupo de dez animais foi submetido à drenagem torácica com indução progressiva de pneumotórax através do dreno (de 0 a 500 mL). No grupo seguinte, induzimos lesão pulmonar através de lavagem com salina em oito animais e os submetemos a mudanças progressivas de PEEP. Essas duas primeiras etapas foram utilizadas para a construção de um detector automático de pneumotórax baseado na TIE que foi testado prospectivamente em outros 21 animais. Resultados: A TIE apresenta alterações bem definidas relacionadas ao surgimento de pneumotórax, caracterizadas por aumento da impedância média e diminuição da amplitude da impedância concentrados no quadrante de interesse. Por outro lado, os achados na TIE durante mudanças bruscas de PEEP se distribuíram homogeneamente nos quatro quadrantes. A TIE apresentou alterações significativas mesmo com os menores volumes de ar injetados (20 mL), enquanto as demais variáveis monitorizadas foram pouco sensíveis ao surgimento do pneumotórax. A pressão arterial teve uma pequena queda com volumes superiores a 500 mL, e a pressão parcial de oxigênio arterial diminuiu somente com volumes maiores que 100 mL. Na fase prospectiva do protocolo, a TIE mostrou sensibilidade de 100% e especificidade de 95% para a detecção de pneumotóraces. A localização do pneumotórax foi identificada corretamente em todos os casos. Conclusão: A TIE apresenta alterações reprodutíveis relacionadas ao aparecimento de ar no espaço pleural caracterizadas por aumento da impedância média e diminuição da amplitude de impedância. Foi possível criar um algoritmo baseado nessas alterações capaz de detectar precoce e precisamente pneumotóraces em situações de risco. O processo de detecção é automático e em tempo real. / Introduction: Pneumothorax is a frequent complication during mechanical ventilation. Electrical impedance tomography (EIT) is a noninvasive tool that allows real-time imaging of regional ventilation. The purpose of this study was to: 1) identify characteristic changes in the EIT signals associated with pneumothoraces; 2) develop and fine-tune an algorithm for their automatic detection; and 3) prospectively evaluate this algorithm for its sensitivity and specificity in detecting pneumothoraces in real time. Methods: prospective controlled laboratory animal investigation. Setting: Experimental Pulmonology Laboratory of the University of Sao Paulo. Subjects: 39 anesthetized mechanically ventilated supine pigs (31.0 ± 3.2Kg, mean ± standard deviation). Interventions: In a first group of 18 animals monitored by EIT, we either injected progressive amounts of air (from 20 up to 500 mL) through chest tubes, or we applied large PEEP increments to simulate extreme lung overdistension. This first data set was used to calibrate an EIT-based pneumothorax detection algorithm. Subsequently, we evaluated the real-time performance of the detection algorithm in 21 additional animals (with normal or pre-injured lungs), submitted to multiple ventilatory interventions or traumatic punctures of the lung. Results: primary EIT relative images were acquired on-line (50 images/second) and processed according to a few imaging-analysis routines running automatically and in parallel. Pneumothoraces as small as 20mL could be detected with a sensitivity of 100% and specificity 95% and easily distinguished from parenchymal overdistension induced by PEEP or recruiting maneuvers. Their location was correctly identified in all cases, with a total delay of only 3 respiratory cycles. Conclusion: We created an EIT-based algorithm capable of detecting early signs of pneumothoraces in high-risk situations, which also identifies its location. It requires that the pneumothorax occurs or enlarges at least minimally during the monitoring period. Such detection was operator-free and in quasi real-time, opening opportunities for improving patient safety during mechanical ventilation.

Introdução: Pneumotórax é uma complicação comum em pacientes sob ventilação mecânica. Se não reconhecido, tende a aumentar de volume e pode levar ao colapso cardiovascular. Os métodos utilizados para seu diagnóstico caracterizam-se por baixa sensibilidade (radiografia) ou envolvem transporte potencialmente arriscado à tomografia de raios X. A tomografia de impedância elétrica (TIE) é um método não invasivo que permite monitorização da ventilação em tempo real. O método é baseado na construção da imagem de uma seção transversal das condutividades torácicas através de eletrodos dispostos ao redor do tórax. A TIE correlaciona-se muito bem com as alterações regionais do conteúdo de ar dentro do tórax. Por ter baixo custo, não ser invasiva e ter alta sensibilidade às alterações da ventilação e aeração pulmonar, a TIE é um método promissor para a detecção de pneumotóraces em situações de alto risco. Os objetivos deste estudo foram: 1) caracterizar as alterações na TIE relacionadas ao aparecimento de pneumotórax; 2) desenvolver um algoritmo para detecção automática de pneumotóraces e 3) avaliar prospectivamente a sensibilidade e especificidade deste algoritmo. Métodos: Foram realizados experimentos em 39 porcos (peso médio 31,0 Kg ± 3,2 desvios-padrão). Os animais foram sedados e submetidos à ventilação mecânica. Os dados de TIE foram adquiridos através de um tomógrafo de impedância desenvolvido por nosso grupo (Laboratório de Pneumologia Experimental, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo e Dixtal Biomédica Ltda., São Paulo, Brasil), capaz de produzir 50 imagens relativas por segundo. Um primeiro grupo de dez animais foi submetido à drenagem torácica com indução progressiva de pneumotórax através do dreno (de 0 a 500 mL). No grupo seguinte, induzimos lesão pulmonar através de lavagem com salina em oito animais e os submetemos a mudanças progressivas de PEEP. Essas duas primeiras etapas foram utilizadas para a construção de um detector automático de pneumotórax baseado na TIE que foi testado prospectivamente em outros 21 animais. Resultados: A TIE apresenta alterações bem definidas relacionadas ao surgimento de pneumotórax, caracterizadas por aumento da impedância média e diminuição da amplitude da impedância concentrados no quadrante de interesse. Por outro lado, os achados na TIE durante mudanças bruscas de PEEP se distribuíram homogeneamente nos quatro quadrantes. A TIE apresentou alterações significativas mesmo com os menores volumes de ar injetados (20 mL), enquanto as demais variáveis monitorizadas foram pouco sensíveis ao surgimento do pneumotórax. A pressão arterial teve uma pequena queda com volumes superiores a 500 mL, e a pressão parcial de oxigênio arterial diminuiu somente com volumes maiores que 100 mL. Na fase prospectiva do protocolo, a TIE mostrou sensibilidade de 100% e especificidade de 95% para a detecção de pneumotóraces. A localização do pneumotórax foi identificada corretamente em todos os casos. Conclusão: A TIE apresenta alterações reprodutíveis relacionadas ao aparecimento de ar no espaço pleural caracterizadas por aumento da impedância média e diminuição da amplitude de impedância. Foi possível criar um algoritmo baseado nessas alterações capaz de detectar precoce e precisamente pneumotóraces em situações de risco. O processo de detecção é automático e em tempo real. / Introduction: Pneumothorax is a frequent complication during mechanical ventilation. Electrical impedance tomography (EIT) is a noninvasive tool that allows real-time imaging of regional ventilation. The purpose of this study was to: 1) identify characteristic changes in the EIT signals associated with pneumothoraces; 2) develop and fine-tune an algorithm for their automatic detection; and 3) prospectively evaluate this algorithm for its sensitivity and specificity in detecting pneumothoraces in real time. Methods: prospective controlled laboratory animal investigation. Setting: Experimental Pulmonology Laboratory of the University of Sao Paulo. Subjects: 39 anesthetized mechanically ventilated supine pigs (31.0 ± 3.2Kg, mean ± standard deviation). Interventions: In a first group of 18 animals monitored by EIT, we either injected progressive amounts of air (from 20 up to 500 mL) through chest tubes, or we applied large PEEP increments to simulate extreme lung overdistension. This first data set was used to calibrate an EIT-based pneumothorax detection algorithm. Subsequently, we evaluated the real-time performance of the detection algorithm in 21 additional animals (with normal or pre-injured lungs), submitted to multiple ventilatory interventions or traumatic punctures of the lung. Results: primary EIT relative images were acquired on-line (50 images/second) and processed according to a few imaging-analysis routines running automatically and in parallel. Pneumothoraces as small as 20mL could be detected with a sensitivity of 100% and specificity 95% and easily distinguished from parenchymal overdistension induced by PEEP or recruiting maneuvers. Their location was correctly identified in all cases, with a total delay of only 3 respiratory cycles. Conclusion: We created an EIT-based algorithm capable of detecting early signs of pneumothoraces in high-risk situations, which also identifies its location. It requires that the pneumothorax occurs or enlarges at least minimally during the monitoring period. Such detection was operator-free and in quasi real-time, opening opportunities for improving patient safety during mechanical ventilation.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karol inst., 2004. / Härtill 5 uppsatser.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:24:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004-03-22Bitstream added on 2014-06-13T18:21:16Z : No. of bitstreams: 1 tebaldi_a_me_ilha.pdf: 2161680 bytes, checksum: 3d261c29fd3aac533dd79cedd2e48b90 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / A tecnologia de materiais inteligentes se tornou uma área de crescente interesse para o desenvolvimento de estruturas que podem incorporar atuadores e sensores capazes de detectar falhas. Extensivas investigações têm sido focadas na tecnologia que integra materiais inteligentes no monitoramento das condições de sistemas. Vários estudos têm sido realizados na área de identificação de sistemas mecânicos e há uma tendência de introduzir otimização em projetos de monitoramento de sinais que permitirá automatização do processo e caracterização de falhas para sistemas complexos. O problema de identificação de variáveis ou detecção de falhas em sistemas mecânicos é uma classe de problemas inversos e, portanto, não apresenta uma solução única. O problema inverso consiste em determinar as causas baseando-se na observação dos efeitos. Nos problemas inversos os parâmetros de falha (comprimento de trinca e/ou localização) podem ser calculados no domínio da freqüência ou do tempo. A metodologia proposta neste trabalho utiliza dados no domínio da freqüência, e utiliza, em uma primeira etapa, o método da impedância elétrica para se determinar a localização das falhas. Numa segunda etapa é realizada a quantificação da intensidade de falhas, usando algoritmos genéticos. Algoritmos genéticos (AG) são processos de otimização baseados nos princípios de evolução natural. Um AG simula um processo de adaptação em uma população inicial de indivíduos através de operadores genéticos artificiais em cada geração. Em condições de otimização, cada indivíduo da população é codificado em um cromossomo, que representa uma solução genérica para o problema, enquanto a adaptação individual é avaliada por uma função de aptidão. / Smart material technology has become an area of increasing interest for the development of structures that are able to incorporate actuator and sensor capabilities for fault detection. Extensive investigations have been focused on integrating smart material technology into health monitoring systems. Several studies have been accomplished in the area of identification of mechanical systems and there is a tendency of introducing optimization in projects of signals monitoring, which would allow automation in the process and characterization of faults, even for complex systems. The problem of variables identification or damage detection in mechanical systems is a class of inverse problem and, therefore, it doesn't present a unique solution. The inverse problem consists in determining the causes based on some observation of their effects. In inverse problems the damaged parameters (crack length and/or location) can be calculated in frequency or time domain. The proposal methodology is based on frequency domain, and it uses, in a first stage, the method of electric impedance to determine the location of the faults. Later on takes place the quantification of the fault intensities, in a second stage, by using genetic algorithms. Genetic algorithms (GA) are optimization processes based on principles of natural evolution. A GA simulates an adaptation process taking an initial population of individuals and applying artificial genetic operators in each generation. In optimization conditions, each individual of the population is coded in a string or chromosomes, which represents a trial solution for a certain problem, while the individual adaptation is evaluated through a fitness function.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:42:42Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:02:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 05232.pdf: 6473842 bytes, checksum: 88d593005dc2c79ae422916e7fcaf0d9 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

A adesão de plaquetas nas paredes dos vasos sanguíneos e subsequente agregação são eventos cruciais tanto na hemorragia e quanto na trombose. A hiperagregação (agregação excessiva) das plaquetas pode causar a formação de um trombo e a posterior oclusão dos vasos sanguíneos levando a um processo isquêmico. A terapia antiplaquetária com ácido acetilsalicílico reduz em até 25% o risco de infartos do miocárdio não-fatais, acidentes vasculares cerebrais isquêmicos ou mortes de causa vascular em pacientes de alto risco, independentemente do sexo ou idade. Para avaliar laboratorialmente a eficácia dessa terapêutica, o método mais utilizado é o teste de agregação plaquetária, que pode ser feito em duas metodologias, a turbidimétrica e a por impedância elétrica. Com esse cenário, o objetivo do estudo é comparar essas duas metodologias para a monitorização do tratamento. Para isso foram utilizadas amostras de sangue de 30 pacientes adultos (média de 42 anos) de ambos os sexos que fazem uso regular do fármaco e analisadas através das duas metodologias, tendo seus resultados analisados e comparados. Os resultados do estudo mostraram pouca diferença estatística significante (p<0,05) entre os dois métodos nos principais agentes estimulantes, indicando que o método de impedância elétrica pode ser utilizado em rotina laboratorial em substituição, ou em complementação, com a metodologia turbidimétrica para monitorar a terapia antiplaquetária a base de ácido acetilsalicílico / The adhesion of platelets in the blood vessel wall and subsequent aggregation are crucial events in both bleeding and thrombosis. The hyperaggregation (excessive aggregation) of platelets can cause the formation of a thrombus and subsequent occlusion of blood vessels leading to an ischemic process. Antiplatelet therapy with acetylsalicylic acyd reduces by 25% the risk of myocardial infarctions, non-fatal strokes or deaths from vascular causes in patients at high risk, regardless of sex or age. To laboratory evaluation of the effectiveness of this therapy, the method most used is the platelet aggregation test, which can be done in two methods, the turbidimetric and electrical impedance. With this scenario, the objective of the study is to compare these two methodologies for monitoring the treatment. For such purpose, blood samples from 30 adult patients (mean 42 years) of both sexes who make regular use of the drug was analyzed using the two methodologies, and their results was analyzed and compared. The studys results showed little difference statistically significant (p <0.05) between the two methods with the main stimulant agents, indicating that the method of electrical impedance can be used in routine laboratory instead or complementing the methodology of turbidimetric for monitor antiplatelet therapy by acetylsalicylic acyd