Orientadores: Eduardo Tavares Costa, Marco Antonio Gutierrez, Wilson Mathias Jr / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-05T12:34:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lopes_MardenLeonardi_D.pdf: 14437359 bytes, checksum: 8c588b472c6179cb808b688687aacf5b (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Embora alguns equipamentos atuais de imagem por ultra-som. ofereçam ferramentas específicas para estudos de Ecocardíografi a por Contraste de Microbolhas (ECM) e apesar do potencial comprovado da técnica para a análise quantitativa da perfusão miocárdica, seu uso se restringe praticamente à interpretação qualitativa (visual) das imagens clínicas. Este fato é normalmente atribuído à inexistência de métodos de quantificação rápidos, e ao mesmo tempo robustos, para utilização direta na rotina clínica. Os métodos propostos na literatura e alguns softwares, disponibilizados recentemente no mercado requerem, quantificações offlim, principalmente devido à falta ou ineficiência das ferramentas para alinhamento das imagens da seqüência de ECM e para colocação de regiões de interesse (ROls). O objetivo desta tese foi o desenvolvimento de um método rápido e de fácil utilização para quantificação setni-automática da perfusão miocárdica por ECM, cora ênfase na automatização do alinhamento das imagens e da colocação de ROls. Para o alinhamento (translação e rotação) foram desenvolvidos dois algoritmos baseados em Templaíe Matching, técnicas de busca rápida e correlação. A colocação de ROls é feita de forma automática e padronizada a partir de um contorno da parede miocárdica desenhado pelo usuário. Foi implementado um programa para quantificação em ECM com base no método desenvolvido e este protótipo foi testado com 30 seqüências de ECM (570 imagens). Testes quantitativos demostraram precisão média no processo de alinhamento de 1 pixel (para translação) e 1 grau (para rotação), com exatidão aproximada de ± 1 pixel e de± i grau. Testes qualitativos indicaram colocação ótima das ROls em cerca de 67% das seqüências analisadas. De forma gerai, os resultados de quantificação foram equivalentes aos de um processo com alinhamento automático e ajuste manual de ojfsets remanescentes, ou mesmo aos de um processo com alinhamento de quadros totalmente manual. A variabilidade intra-observador verificada foi pequena e estatisticamente insignificante. O tempo de processamento do protótipo baseado no método desenvolvido foi aproximadamente 50% menor que o cie um processo de quantificação equivalente com ajuste manual dos quadros pré-alinhados / Abstract: Although some current commercial ultrasound machines incorporate tools for Myocardial Contrast Echocardiography (MCE) and the technique has a great potential for quantitative analysis of myocardial perfusion, its use is pratically restricted to qualitative (visual) interpretation of clinical data. This is due to the lack of fast and robust quantification systems to be used in the clinical practice. Quantification methods found in the literature and some commercial softwares now available demand extra time for offline quantification, mainly due to the lack or inefficiency of images alignment and regions of interest (ROIs) placement. The objective of this thesis was the development of a fast, easy-to-use semi-automatic method for perfusion quantification in MCE, emphasizing the automatization of images alignment and of the placement of regions of interest. To align images (translation and rotation) we have developed two algorithms based on template matching, fast search algorithms and correlation. ROPs placement over myocardium wall is automatic and standardized and starts with the user drawing the myocardium borders. It has been implemented a software for MCE quantification based on the developed method and this prototype was tested with thirty MCE sequences (570 images). Quantitative tests have shown mean precision of 1 pixel (translation) and 1 degree (rotation) in the alignment process, and accuracy around ± 1 pixel and ± 1 degree. Qualitative tests have shown optimal placement of ROIs over myocardium in about 67% of tested sequences. In general, quantification results have shown that the method performance is similar to a quantification process with automatic alignment and manual adjustment of remaining shifts (translation and rotation), or also to a process with a full manual alignment of frames. Intra-observer variability was small and statiscally insignificant. The computational time of the prototype based on the developed method was around 50% less than the computational time of a similar quantification process with manual adjustments of pre-aligned frames / Doutorado / Engenharia Biomedica / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Eduardo Tavares Costa, Rosana Almada Bassani / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-20T23:52:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Coiado_OliviaCampos_D.pdf: 1523563 bytes, checksum: 0c49e56163206a06aa60778d17bb44bc (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Nos últimos anos, o uso do ultrassom em diagnóstico e terapia vem crescendo e novas técnicas vêm sendo aprimoradas e desenvolvidas para novos tipos de aplicações, como por exemplo, em tratamento alternativo de insuficiência cardíaca. O objetivo deste trabalho foi investigar efeitos biológicos (in vitro e in vivo) em decorrência de exposição do coração de ratos a ondas ultrassônicas (frequência central 1 MHz), a fim de identificar padrões de estimulação que possam ser deletérios ou que possam ser usados terapeuticamente para distúrbios do ritmo cardíaco. Nos experimentos in vitro 7 corações isolados perfundidos de ratas, foram estimulados por 30 s com bursts de intensidade variando entre 0,6 até 8,00 W. Foi observado efeito cronotrópico negativo (sem efeito inotrópico) mais consistente (15-20%) na frequência de estimulação de 3 Hz e intensidades entre 0,62 até 5,54 W, porém este efeito foi transitório e não dependeu do duty cycle utilizado. Observaram-se arritmias na presença do ultrassom, mas não houve variação significativa de temperatura. Nos experimentos in vivo foram utilizadas 20 ratas, os corações foram estimulados por 10 s com bursts de 2-3 MPa. Os experimentos in vivo foram divididos em 5 grupos cada um composto de 5 animais: 1) preliminar; 2) controle ultrassom; 3) ultrassom; 4) controle vagotomizado e 5) ultrassom vagotomizado. No grupo preliminar dos experimentos observou-se o efeito cronotrópico negativo do ultrassom (redução de ~7 % da frequência cardíaca basal logo após a aplicação do ultrassom), relatado previamente. Para os demais grupos, em que se tentou determinar uma possível variação na pressão arterial e a influência do sistema parassimpático sobre o efeito cronotrópico negativo, não foram observadas variações significativas das variáveis estudadas. Estudos adicionais são necessários para esclarecimento dos efeitos da aplicação do ultrassom de alta potência sobre o coração de ratos / Abstract: In recent years, the use of ultrasound in diagnosis and therapy is increasing and new techniques have been improved and developed for new applications as, for instance, in alternative treatment of heart failure. The goal of this study was to investigate the biological effects (in vitro and in vivo) on rat heart of ultrasound waves (1 MHz center frequency) in order to identify stimulatory patterns that may be damaging or that may be used therapeutically for heart rhythm disturbances. In the in vitro experiments, 7 isolated perfused rat hearts, were stimulated with ultrasound bursts for 30 s and intensity ranging from 0.6 to 8 W. Negative chronotropic effect was observed (without inotropic effect) more consistently (15-20%) at the stimulatory frequency of 3 Hz with intensities of 0.62 to 5.54 W but this effect was transient and not dependent on the duty cycle used. We observed arrhythmia in the presence of ultrasound, but no significant variation in temperature. In the in vivo experiments 20 rat hearts were stimulated for 10 s with ultrasound bursts of 2-3 MPa. The experiments were divided into five groups each consisting of 5 animals: 1) preliminary, 2) ultrasound control, 3) ultrasound, 4) vagotomy, control and 5) vagotomy, ultrasound. The preliminary group of experiments, we observed the negative chronotropic effect of ultrasound (~ 7% decrease in heart rate immediately after application of ultrasound), previously reported. In the other groups, in which we have tried to determine the possible variation in blood pressure and the influence of the parasympathetic system on the negative chronotropic effect, there were no significant changes in the variables studied. Additional studies are needed to clarify the effects of high power ultrasound application on rat heart / Doutorado / Engenharia Biomedica / Doutora em Engenharia Elétrica

Orientador: Eduardo Tavares Costa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-11T02:41:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Zanella_FabioPieroni_M.pdf: 8365446 bytes, checksum: c1fa57572fdaf7e48b08a6a5fb58a524 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: O ultra-som na medicina tem passado por enorme evolução nas últimas décadas e ocupado posição de destaque cada vez maior como ferramenta para terapia e diagnóstico. Isso é devido principalmente ao fato de que os equipamentos de diagnóstico por ultra-som são de relativo baixo custo, o ultra-som é uma radiação não-ionizante e permite realização de exame por método não-invasivo e as imagens são geradas e visualizadas em tempo real. Na geração de imagens deste tipo, é comum a utilização de transdutores matriciais. Entretanto, o Brasil apresenta defasagem tecnológica com respeito à construção destes transdutores e à eletrônica envolvida em sua operação. O objetivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de circuitos eletrônicos com 12 canais de geração e de recepção de ondas ultra-sônicas para operação com transdutor matricial linear. O sistema é capaz de excitar transdutores piezoelétricos e receber ecos ultra-sônicos na faixa de 0,5 a 30 MHz e tem seus circuitos de recepção protegidos contra a alta tensão dos pulsos gerados para a excitação do transdutor. Os disparos dos elementos do transdutor e o tempo de corte dos sinais nos circuitos de recepção, para evitar receber sinais indesejáveis referentes ao período inicial de oscilação do transdutor, são controlados via circuito com microcontrolador PIC 16F877 que, juntamente com o programa de controle, foram desenvolvidos para conectar o sistema a um microcomputador. Os 12 canais foram caracterizados eletricamente e verificou-se seu funcionamento utilizando um transdutor piezoelétrico linear de 12 elementos com 1 MHz de freqüência central, especialmente desenvolvido para este trabalho. Os resultados mostraram que o sistema funciona adequadamente, gerando imagem de um phantom construído em nosso laboratório / Abstract: Ultrasound in medicine has gone through great evolution in the last few decades and has occupied important position as a tool for therapy and diagnosis. This is due to the ultrasound equipment be of relatively low-cost, ultrasound is a non-ionizing radiation, is a non-invasive imaging method, and the images are created and seen in real time. It is common the use of transducer arrays in order to generate this kind of image. There is a lack of know how in Brazil relative to the construction of these transducers and the involved electronics in their operation. The objective of this work was the development of a multi-purpose 12 channel pulser/receiver electronic circuitry to operate with linear transducer arrays. The system is able to fire ultrasound piezoelectric transducers and to receive ultrasound echo signals in the range 0.5-30 MHz. The system has reception circuits with protection against high voltage pulses. The firing of transducer elements and cutting time of the reception circuits, to avoid unwanted signals of natural initial transducer oscillations, can be controlled via PIC 16F877 hardware and software designed to connect the system to a microcomputer. The electrical characteristics of the 12 channel pulser/receiver and its use in firing a specially constructed 1 MHz 12 element PZT transducer array has been carried out and the images of a specially constructed phantom showed that it can be used in laboratory conditions / Mestrado / Engenharia Biomedica / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientadores: Eduardo Tavares Cost, Marden Leonardi Lopes / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-11T20:29:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ferreira_LeticiaAlves_M.pdf: 5085906 bytes, checksum: 14376ec37e81ed3a052c5ee7d1858799 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Os scanners ultra-sônicos atuais oferecem ferramentas específicas para estudos de Ecocardiografia do Miocárdio por Contraste de Microbolhas (ECM) e apesar do potencial comprovado para a análise quantitativa não invasiva da perfusão miocárdica, seu uso se restringe praticamente à interpretação qualitativa (visual) das imagens clínicas. O objetivo desta tese foi desenvolver e criar uma aplicação stand-alone multiplataforma baseada nos algoritmos criados por Lopes (2005) e implementados em seu protótipo MCEToolRS. A aplicação proposta, denominada JMCETool, tem como principais características ser de fácil utilização e não comprometer a precisão, exatidão e robustez nos processos que envolvem a quantificação da perfusão miocárdica. Assim como no protótipo desenvolvido, os principais algoritmos do processo de quantificação são: o alinhamento automático baseado em Template Matching, técnicas de busca rápida e correlação; a colocação automática das ROIS sobre a parede do miocárdio; e a quantificação da perfusão miocárdica. Entre as diferenças do protótipo desenvolvido em Matlab® e da aplicação desenvolvida em Java, destacam-se a criação de uma interface mais amigável ao usuário, a implantação de uma arquitetura de software, melhor tratamento de exceções e uma nova forma de correção manual do alinhamento das imagens. A aplicação foi testada com 15 seqüências de ECM (288 imagens), sendo 14 seqüências provenientes de estudos com animais e uma proveniente de estudos com humanos. Os resultados obtidos são comparáveis aos obtidos por Lopes (2005), testes quantitativos demonstraram precisão média no processo de alinhamento de 1 pixel (para translação) e 1 grau (para rotação), com exatidão aproximada de ± 1 pixel e de ± 1 grau. / Abstract: Current commercial ultrasound scanners incorporate tools for Myocardial Contrast Echocardiography (MCE) and techniques which have a great potential for non-invasive quantitative myocardial perfusion analysis, although its use is practically restricted to qualitative (visual) reading of clinical data. The objective of this thesis was to create a new easy-to-use multiplatform standalone application for quantification of myocardium perfusion in a MCE sequence of images based on the algorithms developed by Lopes (2005) and their implementation, the prototype, called MCEToolRS. The main objective of the proposed application, called JMCETool, is the execution of these algorithms with no loss of precision, accuracy and robustness of the quantification process, compared to the first prototype. The main algorithms of the quantification process are: the automatic alignment, based on Template Matching, fast search algorithms and correlation; the automatic ROI's placement over the myocardium wall; and the quantification of myocardium perfusion. Among other features, compared to the prototype, the application JMCETool handles the algorithms exceptions and has a more user-friendly interface, including changes in the interface for manual alignment. Fifteen MCE sequences (288 images) were used during the application trials. Fourteen out of fifteen sequences belong to studies with animals (dogs) and only one belongs to studies with humans. Performance tests demonstrated that our results were similar to those of Lopes (2005), Quantitative tests have shown mean precision of 1 pixel (translation) and 1 degree (rotation) in the alignment process, and accuracy around ± 1 pixel and ± 1 degree. / Mestrado / Engenharia Biomedica / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientadores: Eduardo Tavares Costa, Rosana Almada Bassani / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-19T01:08:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Buiochi_ElaineBelassiano_D.pdf: 9610613 bytes, checksum: 5fefa9e6cf5eaf8478c002d7ab57dc23 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: No ultrassom diagnóstico faz-se uso de ondas acústicas de baixa intensidade para investigar os tecidos biológicos, sendo uma técnica não invasiva. Ondas ultrassônicas de maior intensidade podem alterar as características do tecido, e isto é de interesse para aplicações terapêuticas, nas quais a ocorrência de efeitos biológicos é, até certo ponto, desejável. Com relação à cardiologia, o uso do ultrassom diagnóstico é bem estabelecido, enquanto há um potencial inexplorado para aplicações terapêuticas. Soma-se a isso o fato de que os tratamentos disponíveis para as arritmias com estimulação elétrica são limitados por sérias complicações, incluindo infecção sistêmica, choques desnecessários, potencial para pró-arritmia, falha em estimular e, até mesmo, morte. O ultrassom pode se mostrar uma alternativa atraente à estimulação elétrica, porém há poucos estudos sobre a possibilidade de aplicação do ultrassom para o tratamento de arritmias. O objetivo deste estudo foi desenvolver transdutores ultrassônicos de potência e usá-los para investigar conjuntos de parâmetros acústicos capazes de interferir na atividade cardíaca, sem provocar danos teciduais, buscando possíveis aplicações terapêuticas do ultrassom em cardiologia. Os parâmetros acústicos variados foram frequência de ressonância, modo de operação, frequência de repetição de pulso, e pressão de saída. Dois dos sete transdutores construídos se mostraram mais eficientes e, portanto, foram calibrados e usados nos experimentos biológicos. Em experimentos preliminares realizados em corações isolados de ratos Wistar, foi observada geração esporádica de arritmia usando-se o transdutor de 65 kHz, e aumento da frequência espontânea, acompanhada por redução da força de contração do miocárdio, usando-se o transdutor de 1MHz em exposição contínua prolongada. Em estudos in vivo, dez ratos Sprague-Dawley foram anestesiados com isoflurano e expostos a uma seqüência terapêutica de ultrassom, e outros cinco ratos foram usados como grupo controle. A estimulação ultrassônica consistiu de bursts de 1MHz, ciclo de trabalho de 1%, pico de pressão negativa de 3MPa (ISPTA=3W/cm2), e freqüência de repetição de pulso variável e decrescente. O ultrassom transtorácico exerceu efeito cronotrópico negativo, uma vez que foi capaz de reduzir a freqüência cardíaca em 19% logo ao final do período de estimulação. Os efeitos duraram, no mínimo, 15 minutos, sem aparente prejuízo hemodinâmico, que foi monitorado principalmente por meio da medição da fração de ejeção. Trata-se de um fenômeno promissor para o tratamento de taquiarritmias. O regime de exposição utilizado excluiu efeitos térmicos, de forma que o efeito observado foi provavelmente resultante de mecanismos não-térmicos, possivelmente da força da radiação. A variação na frequência de repetição de pulso parece ter sido a chave para a indução do efeito em questão, uma vez que experimentos realizados com frequências de repetição constantes não resultaram em tal efeito / Abstract: Diagnostic ultrasound consists of application of low intensity acoustic waves to noninvasively investigate biological tissues. Higher ultrasound intensities may alter tissue characteristics, and this is of interest for therapeutic applications, when the occurrence of bioeffects is - to a certain extent - desirable. The use of diagnostic ultrasound in Cardiology is well established, although there is an unexplored potential for therapeutic applications. The currently available treatments of arrhythmias by electrical stimulation are limited by serious complications, including systemic infection, inappropriate shock delivery, proarrhythmia, failure to pace and to defibrillate, and even death. Ultrasound can be an interesting alternative for electrical stimulation, but there are only a few studies that investigate the possibility of applying ultrasound for treating arrhythmias. The objective of this study was to develop power ultrasonic transducers to be applied to the investigation of sets of acoustical parameters able to interfere with the cardiac activity without causing tissue damage, thus aiming at potential therapeutic applications of ultrasound in cardiology. The acoustical parameters investigated were resonance frequency, operation mode, pulse repetition frequency, and output pressure. The two most efficient out of the seven transducers built were calibrated and used in biological experiments. In preliminary experiments conducted on isolated hearts from Wistar rats, arrhythmia was esporadically observed at the onset of ultrasound application using the 65kHz transducer, whereas an increase in spontanous beating rate accompanied by a reduction in the force developed by the myocardium occurred during continuous, prolonged exposure using the 1MHz transducer. In in vivo studies, ten Sprague-Dawley rats were anesthetized with isoflurane and exposed to a sequence of therapeutic ultrasound, and other five rats were used as a control group. The ultrasonic stimulation consisted of 1-MHz bursts of 1% duty cycle, 3 MPa peak negative pressure (ISPTA=3W/cm2), and decreasingly variable pulse repetition frequencies. Transthoracic ultrasound application was able to promote a negative chronotropic effect, decreasing the heart rate by 19% just after stimulation ceased. The effect lasted at least 15 minutes, without apparent alteration of pumping function, which was monitored mainly by evaluation of the ejection fraction. This phenomenon is promising for treating tachyarrhythmias. The insonification scheme used in this study excluded thermal effects, so the observed effect seems to have resulted from nonthermal mechanisms, possibly from radiation force. The variation in the pulse repetition frequency seems to be the key element for induction of the described effect, because the latter was not observed for constant repetition rates / Doutorado / Engenharia Biomedica / Doutor em Engenharia Elétrica