A Tomografia de Impedância Elétrica (TIE) é um método de imagem que está sendo desenvolvido para uso em medicina, especialmente na terapia intensiva. Visando uma melhoria da resolução anatômica das imagens de TIE, foi desenvolvido um modelo fuzzy que leva em consideração a alta resolução temporal e as informações funcionais, contidas nos sinais de perfusão pulmonar e ventilação pulmonar. Foram elaborados três modelos fuzzy: modelagem fuzzy do mapa cardíaco, do mapa de ventilação pulmonar e do mapa de perfusão pulmonar. Um mapa comparativo de ventilação e perfusão foi gerado através de uma segmentação das imagens, segundo notas de corte sobre os valores dos pixels. As imagens de perfusão fuzzy foram comparadas com as imagens de perfusão obtidas pelo método de injeção de uma solução hipertônica, considerada como padrão-ouro das imagens de perfusão. O desempenho do modelo foi avaliado através da análise das imagens de TIE obtidas em experimentos animais com treze porcos. Os animais foram submetidos a diferentes condições fisiológicas através de lesão pulmonar, recrutamento pulmonar e intubação seletiva. O modelo global foi capaz de identificar a região cardíaca e pulmonar em todos os porcos, independentemente das condições fisiológicas a que foram submetidos. Os resultados foram bastante expressivos tanto em termos qualitativos (a imagem obtida pelo modelo foi bastante similar a da tomografia computadorizada) quanto em termos quantitativos (a área média da curva ROC foi de 0,84). Os resultados do estudo poderão servir de base para o desenvolvimento de ferramentas clínicas, baseadas em TIE, para diagnósticos de algumas patologias e situações críticas, tais como distúrbio entre ventilação e perfusão, pneumotórax e tromboembolismo pulmonar. / Electrical Impedance Tomography (EIT) is an image method that has been developed for use in medicine, specially in critical care medicine. Aiming at improving the anatomical resolution of EIT images a fuzzy model was developed based on EIT high temporal resolution and the functional information contained in the pulmonary perfusion and ventilation signals. Fuzzy models were elaborated for heart map modeling, ventilation and perfusion map modeling. Image segmentation was performed using a threshold method and a ventilation/perfusion map was generated. Fuzzy EIT perfusion map was compared with the hypertonic saline injection method, considered as the gold-standard for EIT perfusion image. The model performance was evaluated through analysis of EIT images obtained from animal experiment with thirteen pigs. The animals were submitted to different physiological conditions, such as ventilation induced lung injury, selective intubations and lung recruitment maneuver. The global model was able to identify both the cardiac and pulmonary regions in all animals. The results were expressive for both qualitative (the image obtained by the model was very similar to that of the CT-scan) and quantitative (the ROC curve area average was 0.84) analysis. These achievements could serve as the base to develop EIT diagnosis system for some critical diseases, such as ventilation to perfusion mismatch, pneumothorax and pulmonary thromboembolism.

A tomografia por impedância elétrica é uma modalidade de imageamento médico recente, com diversas vantagens sobre as demais modalidades já consolidadas. O recozimento simulado é um algoritmo que apresentada qualidade de solução, mesmo com a utilização de uma regularização simples e sem informação a priori. Entretanto, existe a necessidade de reduzir o tempo de processamento. Este trabalho avança nessa direção, com a apresentação de um método de reconstrução que utiliza o recozimento simulado e paralelização massiva em GPU. A paralelização das operações matriciais em GPU é explicada, com uma estratégia de agendamento de threads que permite a paralelização efetiva de algoritmos, até então, considerados não paralelizáveis. Técnicas para sua aceleração são discutidas, como a heurística de fora para dentro. É proposta uma nova representação de matrizes esparsas voltada para as características da arquitetura CUDA, visando um melhor acesso à memória global do dispositivo e melhor utilização das threads. Esta nova representação de matriz mostrou-se vantajosa em relação aos formatos mais utilizados. Em seguida, a paralelização massiva do problema inverso da TIE, utilizando recozimento simulado, é estudada, com uma proposta de abordagem híbrida com paralelização tanto em CPU quanto GPU. Os resultados obtidos para a paralelização do problema inverso são superiores aos do problema direto. A GPU satura em aproximadamente 7.000 nós, a partir do qual o ganho em desempenho é de aproximadamente 5 vezes. A utilização de GPUs é viável para a reconstrução de imagens de tomografia por impedância elétrica. / Electrical impedance tomography is a new medical imaging modality with remarkable advatanges over other stablished modalities. Simulated annealing is an algorithm that renders quality solutions despite the use of simple regularization methods and the absence of a priori information. However, it remains the need to reduce its processing time. This work takes a step in this direction, presenting a method for the reconstruction of EIT images using simulated annealing and GPU parallelization. The parallelization of matrix operations in GPU is explained, with a thread scheduling strategy that allows the effective parallelization of not-yet effectively parallelized algorithms. There are strategies for improving its performance, such as the presented outside-in heuristic. It is proposed a new sparse matrix representation focused on the CUDA architecture characteristics, with improved global memory access patterns and thread efficiency. This new matrix representation showed several advantages over the most common formats. The massive parallelization of the TIE\'s inverse problem using simulated annealing is studied, with a proposed hybrid approach that uses parallelization in both CPU and GPU. Results showed that the performance gain for the inverse problem is higher than the one obtained for the forward problem. The GPU device saturates with meshes of size of approximately 7,000 nodes, with a performance gain around 5 times faster than serial implementations. GPU parallelization may be used for the reconstruction of electrical impedance tomography images.

A Tomografia de Impedância Elétrica (TIE) é uma técnica relativamente nova e que tem se mostrado bastante promissora na obtenção de imagens do interior de um corpo explorando as diferenças entre as propriedades elétricas (condutividade e permissividade) dos diferentes materiais que o constituem. A técnica se baseia na aplicação de um perfil de potencial elétrico ou de corrente elétrica no contorno da seção do corpo e na medição da resposta. A partir da relação entre os dados da excitação e da resposta, estima-se a distribuição de condutividade no interior do domínio, o que pode ser traduzido, computacionalmente, como uma imagem dessa seção. Apesar de promissora, a TIE ainda apresenta dificuldades, principalmente no que se refere à resolução da imagem e ao elevado tempo computacional necessário para sua reconstrução. A reconstrução de uma imagem na TIE é uma tarefa realizada em duas etapas: primeiro deve-se resolver o problema direto, que se resume na determinação dos potencias elétricos no interior do domínio e das respostas no contorno a partir dos dados da excitação; segundo, deve-se resolver o problema inverso, que é a determinação da condutividade dos pontos internos do domínio a partir da relação entre os dados de excitação e resposta no contorno. Dependendo do método utilizado para a resolução do problema inverso, deve-se resolver o problema direto iterativamente inúmeras vezes, onerando computacionalmente o processo. Esse trabalho se propõe a aplicar o Método dos Elementos de Contorno (MEC) como técnica de resolução numérica do problema direto. A vantagem é que o MEC requer apenas a discretização do contorno e não de todo o domínio, como ocorre com os outros métodos. Essa redução na dimensão do problema diminui consideravelmente o tamanho do sistema linear a ser resolvido a cada resolução do problema direto, o que pode reduzir satisfatoriamente o tempo computacional empregado na reconstrução de cada imagem. Para isso, foi implementado um programa em linguagem C que resolve o problema direto da TIE, especificamente para um domínio bidimensional, utilizando o MEC. O programa, a princípio, aceita formas genéricas de geometria do domínio e de condições de contorno. Foram realizados testes com domínios quadrado e circular e com diferentes tipos e valores para as condições de contorno. Os resultados obtidos foram comparados tanto com resultados analíticos como obtidos na literatura e foram bastante satisfatórios. / The Electrical Impedance Tomography (EIT) is a quite new technique and has proved to be promising in obtaining inner body images exploring the differences between electric qualities (conductivity and permissity) of different materials that constitute it. The technique is based on applying an electric potential profile or electric current on the boundary of the body section and by measuring the response. From the relation of data of excitement and response, the distribution of conductivity in the interior of the dominion is assessed, what may be translated, computationally, as an image of that section. Although being promising, the EIT still presents difficulties, especially regarding image definition and the long time taken to its reconstruction. A EIT image reconstruction is a task done in two phases: first, one must solve the direct problem which is basically the determination of electrical potentials in the interior of the dominion and the responses on the boundary from the excitation data; second, the inverse problem must be solved, which is the determination of conductivity of the inner points of the dominion from the relation between the excitation data and the response on the boundary. Depending on the method used to solve the inverse problem, the direct problem must be iterative solved countless times, burdening the process computationally. This work has the purpose of applying the Boundary Element Method (BEM) as numeric resolution technique of the direct problem. The advantage is that the BEM requires only the discretization of the boundary and not of the whole dominion, as it occurs with the other methods. This decrease in the problem dimension reduces the size of the linear system to be solved at each resolution of the direct problem, what may reduce satisfactory the computational time employed on the reconstruction of each image. For that, a C language program was implemented, which solves the direct problem of the EIT, particularly for a two dimensional dominion, using the BEM. The program, at first, accepts generic forms of the dominion geometry and of boundary conditions. Tests were performed with square and circular and with different types and values for the boundaries conditions. The obtained results were compared to analytic results as well as the ones obtained from literature and were quite satisfactory.

La neuromodulation offre une possibilité de traitement pour des pathologies pharmoco-resistantes. Dans ce domaine, l'émergence de matrices d'électrodes à l'échelle microscopique ouvre la voie à des interfaces neurales sélectives. Cependant, leur fonctionnalité est réduite par le manque d'information sur l'anatomie fonctionnelle du nerf ciblé. L'objectif global de ce projet de thèse est d'explorer les possibilités d'imager un nerf de manière non-invasive par tomographie d'impédance électrique (EIT). Modalité d'imagerie des tissus mous, l'EIT déduit des cartes de conductivité à partir de mesures sur la frontière du domaine étudié. Une plateforme expérimentale a été mise en place et a permis de valider les développements des méthodes numériques effectués pour la prédiction des données et l'estimation des paramètres. Des tests in vivo ont été réalisés dans le contexte de la stimulation du nerf vague et du nerf sciatique. Des spécifications pour de futures expériences ont été déduites, avec l'utilisation d'électrodes plus robustes comprenant un plus grand nombre de contacts par section. / Neuromodulation offers treatments for drug resistant pathologies. In this field, the emergence of micro-scale multi-electrode arrays paves the way for selective neural interfaces. But they suffer from the lack of information on the nerve functional anatomy. The global aim of this PhD project is to explore the possibilities of imaging the inside of a nerve in a non-invasive way through electrical impedance tomography (EIT). As a soft-field imaging modality, EIT infers conductivity maps from boundary measurements. An experimental platform was built and allowed the validation of numerical methods developed for data prediction and parameter estimation. In vivo tests were performed in the context of vagus and sciatic nerve stimulation. Specifications were deduced for future experiments, with more reliable electrodes, embedding a higher number of contacts per cross-section.

A Síndrome do Desconforto Respiratório Agudo (SDRA) cursa com insuficiência respiratória e necessidade de ventilação mecânica invasiva (VMI). A mortalidade desta síndrome é elevada, mas pode ser reduzida com o uso de estratégias protetoras de ventilação mecânica que usam baixo de volume corrente (VC), geralmente 6ml/Kg ou menos, para minimizar a lesão causada pelo ventilador. Algumas destas estratégias de ventilação protetora utilizam valores elevados de PEEP que podem produzir instabilidade hemodinâmica. O objetivo deste estudo foi comparar, em um modelo experimental suíno de SDRA, os efeitos hemodinâmicos causados por duas estratégias de ventilação mecânica protetora: uma que utiliza PEEP ajustado pela Tomografia de Impedância Elétrica (OLA) e a outra, a mais comumente utilizada na prática clínica (ARDSNET), em que a PEEP é ajustada através de uma tabela. Foram utilizados 17 animais após randomização (8 no grupo OLA; 9 no grupo ARDSNET) que foram ventilados por 42 horas. As variáveis foram analisadas utilizando ANOVA de medidas repetidas. Antes da radomização, os grupos não apresentavam diferenças nos parâmetros hemodinâmicos e respiratórios. Considerando o período de 42 horas de estudo: 1) o grupo OLA utilizou valores maiores de PEEP, obteve uma melhor oxigenação, mas com valores de PaCO2 mais elevado; não houve diferença entre os grupos para o platô de pressão, mas o delta de pressão foi menor no grupo OLA o que pode minimizar o risco de lesão pulmonar induzida pelo ventilador; 2) o grupo OLA apresentou valores de índice cardíaco (IC) menores durante o estudo, mas não houve um comprometimento aos órgãos alvos conforme pode ser constatado pelos valores normais do lactato arterial e pelos valores de saturação do sangue venoso misto maiores do que no grupo ARDSNET; 3) pela análise de regressão múltipla pode se observar que o aumento da PEEP esteve associado com aumento da pressão média de artéria pulmonar (PMAP), mas redução do IC e da pressão arterial média, enquanto que o aumento da PaCO2 esteve associado com um aumento da PMAP e do IC. Concluímos que uma estratégia ventilatória protetora para SDRA cujo ajuste de PEEP é guiado por TIE, quando comparada com outra estratégia protetora comumente utilizada na prática clínica por um período de 42 horas, determina uso de valores maiores de PEEP, o que melhora a oxigenação e minimiza o delta de pressão, mas causa redução do IC que não resulta em isquemia tecidual. / The Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS) is associated with respiratory failure and need for invasive mechanical ventilation (IMV). The mortality of this syndrome is high, but can be reduced with the use of protective strategies of mechanical ventilation using low tidal volume (VT), usually 6ml/Kg or less, to minimize the damage caused by the ventilator. Some of these strategies of protective ventilation use high levels of PEEP that can produce hemodynamic instability. The aim of this study was to compare, in an experimental pig model of ARDS, the hemodynamic effects caused by two strategies of protective ventilation: one strategy adjusts PEEP values using Electrical Impedance Tomography (EIT-OLA) and the other, the most commonly used in clinical practice (ARDSNET), in which PEEP is adjusted through a table. Seventeen animals were randomized (8 in OLA group; 9 in ARDSNET group) that were ventilated for 42 hours. The variables were analyzed using repeated measures ANOVA. Before randomization, the groups had no difference in hemodynamic and respiratory parameters. Considering the period of 42 hours of study: 1) OLA group used higher values of PEEP, had a better oxygenation but with higher values of PaCO2; there was no difference between groups for the plateau pressure, but the delta pressure was lower in OLA group which can minimize the risk for ventilator-induced lung injury; 2) the OLA group showed lower values of cardiac index (CI) during the study, but there was no damage to target organs as showed by normal blood lactate values and values of mixed venous blood saturation greater than in ARDSNET; 3) multiple regression analysis revealed that, increasing PEEP was associated with increasing in mean pulmonary artery pressure (MPAP), but reduction CI and mean arterial pressure, while increasing in PaCO2 was associated with an increase in MPAP and CI. We conclude that a protective ventilatory strategy for ARDS whose setting of PEEP is guided by EIT, when compared with other protective strategy commonly used in clinical practice for a period of 42 hours requires the use of higher values of PEEP, which improves oxygenation and minimizes delta pressure, but causes reduction of CI that does not result in tissue ischemia.

Durante a triagem do pericárdio bovino, utilizado em válvulas cardíacas artificiais, procura-se determinar a direção das fibras de colágeno e identificar regiões mais homogêneas. Estas características influenciam o comportamento mecânico e a durabilidade destas válvulas. Neste contexto, a tomografia de impedância elétrica (TIE) poderia ser utilizada como ferramenta para avaliar o pericárdio, a partir da estimação da direção média das fibras e da identificação das regiões mais homogêneas. O objetivo deste trabalho é investigar a possibilidade de utilização da técnica de TIE para análise e seleção de pericárdios, melhorando os critérios de seleção deste tecido. Com este propósito, foi desenvolvido um reservatório, para acondicionamento do pericárdio e coleta de dados, e implementado um algoritmo de Gauss-Newton para estimar a distribuição de resistividade no tecido. Para regularização do problema inverso mal-posto foi desenvolvido e utilizado um prior baseado em amostras. E para avaliar o desempenho do reservatório e do algoritmo de imagem, fantomas e testes in vitro foram realizados. Detectou-se um furo de 2.0 mm de raio provocado no tecido. Portanto, os experimentos mostraram que é possível detectar imperfeições no pericárdio utilizando a técnica de TIE. No entanto, a necessidade de aperfeiçoamento dos eletrodos, fonte de corrente, reservatório e algoritmo (malhas e priors) esta clara se o objetivo final for a seleção de pericárdios para válvulas cardíaca artificiais. / During the selection of bovine pericardium for use in artificial heart valves, one of the goals is to determine the direction of the collagen fibers and to identify more homogeneous regions. These characteristics influence the mechanical behavior and the durability of these valves. In this context, the electrical impedance tomography (EIT) could be employed as a tool to evaluate the pericardium, from the estimation of the mean fiber direction and the identification of homogeneous regions. The objective of this work is to investigate the possibility of using EIT technique for analysis and selection of pericardium, improving the selection criteria of this tissue. With this purpose in mind, it was developed a test bench, to accommodate the pericardium and to collect data, and it was implemented a Gauss-Newton based algorithm to estimate the resistivity distribution map of this tissue. For regularizing this ill-posed problem, it was developed and applied a priormodels sample-based. And for quality evaluation of the test bench and of the image algorithm, phantom experiments and in vitro tests were performed. It was detected a hole of 2.0 mm radius at the tissue. Therefore, the experiments showed that it is possible to detect defects on pericardium using EIT technique. However, the need of improvements on electrodes, current source, test bench and algorithm (meshes and priors) is clear if the final aim is the selection of pericardium for artificial heart valves.

A Tomografia por Impedância Elétrica tem como objetivo estimar a distribuição de impedância elétrica dentro de uma região a partir de medidas de potencial elétrico coletadas apenas em seu contorno externo quando corrente elétrica é imposta neste mesmo contorno. Uma das aplicações para esta tecnologia é o monitoramento das condições pulmonares de pacientes em Unidades de Tratamento Intensivo. Dentre vários algoritmos, destacam-se os filtros de Kalman que abordam o problema de estimação sob o ponto de vista probabilístico, procurando encontrar a distribuição de probabilidade do estado condicionada à realização das medidas. Para que estes filtros possam ser utilizados, um modelo de evolução temporal do sistema sendo observado deve ser adotado. Esta tese propõe o uso de um modelo de evolução para a variação de volume de ar nos pulmões durante a respiração de um paciente sob ventilação artificial. Este modelo é utilizado no unscented Kalman filter, uma extensão não linear do filtro de Kalman. Tal modelo é ajustado em paralelo à estimação do estado, utilizando um esquema dual de estimação. Um algoritmo de segmentação de imagem é proposto para identificar as regiões pulmonares nas imagens estimadas e assim utilizar o modelo de evolução. Com o intuito de melhorar as estimativas, o método do erro de aproximação é utilizado no modelo de observação para mitigar os erros de modelagem e informação a priori é adicionada na solução do problema inverso mal-posto. O método é avaliado através de simulações numéricas e ensaio experimental coletado em um voluntário. Os resultados mostram que o método proposto melhora as estimativas feitas pelo filtro de Kalman, propiciando a visualização de imagens absolutas, dinâmicas e com bom nível de contraste entre os tecidos e órgãos internos. / Electrical impedance tomography estimates the electrical impedance distribution within a region given a set of electrical potential measurements acquired along its boundary at the same time that electrical currents are imposed on the same boundary. One of the applications of this technology is lung monitoring of patients in Intensive Care Units. One class of algorithms employed for the estimation are the Kalman filters which deal with the estimation problem in a probabilistic framework, looking for the probability density function of the state conditioned to the acquired measurements. In order to use such filters, an evolution models of the system must be employed. This thesis proposes an evolution model of the variation of air in the lungs of patients under artificial ventilation. This model is used on the Unscented Kalman Filter, a nonlinear extension of the Kalman filter. This model is adjusted in parallel to the state estimation, in a dual estimation scheme. An image segmentation algorithm is proposed for identifying the lungs in the images. In order to improve the estimate, the approximation error method is employed for mitigating the observation model errors and prior information is added for the solution of the ill-posed inverse problem. The method is evaluated with numerical simulations and with experimental data of a volunteer. The results show that the proposed method increases the quality of the estimates, allowing the visualization of absolute and dynamic images, with good level of contrast between the tissues and internal organs.

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The diploma thesis with name “Monitoring the Impact of Simulated Rainfall on Soil with Flushing Water by EIS Method” deals with the problems of soil degradation due to salinization and sodification in consequence of infiltration of flushing waters from roads during winter maintenance. This experiment was realized in laboratories of the Institute of water structures of the Faculty of Civil engineering at Brno University of Technology and researched the influence of simulated rainfall on degraded soil by method of electrical impedance spectrometry (EIS). The thesis follows the solution of projects in international EUREKA program.

A Tomografia de Impedância Elétrica (TIE) é uma técnica relativamente nova e que tem se mostrado bastante promissora na obtenção de imagens do interior de um corpo explorando as diferenças entre as propriedades elétricas (condutividade e permissividade) dos diferentes materiais que o constituem. A técnica se baseia na aplicação de um perfil de potencial elétrico ou de corrente elétrica no contorno da seção do corpo e na medição da resposta. A partir da relação entre os dados da excitação e da resposta, estima-se a distribuição de condutividade no interior do domínio, o que pode ser traduzido, computacionalmente, como uma imagem dessa seção. Apesar de promissora, a TIE ainda apresenta dificuldades, principalmente no que se refere à resolução da imagem e ao elevado tempo computacional necessário para sua reconstrução. A reconstrução de uma imagem na TIE é uma tarefa realizada em duas etapas: primeiro deve-se resolver o problema direto, que se resume na determinação dos potencias elétricos no interior do domínio e das respostas no contorno a partir dos dados da excitação; segundo, deve-se resolver o problema inverso, que é a determinação da condutividade dos pontos internos do domínio a partir da relação entre os dados de excitação e resposta no contorno. Dependendo do método utilizado para a resolução do problema inverso, deve-se resolver o problema direto iterativamente inúmeras vezes, onerando computacionalmente o processo. Esse trabalho se propõe a aplicar o Método dos Elementos de Contorno (MEC) como técnica de resolução numérica do problema direto. A vantagem é que o MEC requer apenas a discretização do contorno e não de todo o domínio, como ocorre com os outros métodos. Essa redução na dimensão do problema diminui consideravelmente o tamanho do sistema linear a ser resolvido a cada resolução do problema direto, o que pode reduzir satisfatoriamente o tempo computacional empregado na reconstrução de cada imagem. Para isso, foi implementado um programa em linguagem C que resolve o problema direto da TIE, especificamente para um domínio bidimensional, utilizando o MEC. O programa, a princípio, aceita formas genéricas de geometria do domínio e de condições de contorno. Foram realizados testes com domínios quadrado e circular e com diferentes tipos e valores para as condições de contorno. Os resultados obtidos foram comparados tanto com resultados analíticos como obtidos na literatura e foram bastante satisfatórios. / The Electrical Impedance Tomography (EIT) is a quite new technique and has proved to be promising in obtaining inner body images exploring the differences between electric qualities (conductivity and permissity) of different materials that constitute it. The technique is based on applying an electric potential profile or electric current on the boundary of the body section and by measuring the response. From the relation of data of excitement and response, the distribution of conductivity in the interior of the dominion is assessed, what may be translated, computationally, as an image of that section. Although being promising, the EIT still presents difficulties, especially regarding image definition and the long time taken to its reconstruction. A EIT image reconstruction is a task done in two phases: first, one must solve the direct problem which is basically the determination of electrical potentials in the interior of the dominion and the responses on the boundary from the excitation data; second, the inverse problem must be solved, which is the determination of conductivity of the inner points of the dominion from the relation between the excitation data and the response on the boundary. Depending on the method used to solve the inverse problem, the direct problem must be iterative solved countless times, burdening the process computationally. This work has the purpose of applying the Boundary Element Method (BEM) as numeric resolution technique of the direct problem. The advantage is that the BEM requires only the discretization of the boundary and not of the whole dominion, as it occurs with the other methods. This decrease in the problem dimension reduces the size of the linear system to be solved at each resolution of the direct problem, what may reduce satisfactory the computational time employed on the reconstruction of each image. For that, a C language program was implemented, which solves the direct problem of the EIT, particularly for a two dimensional dominion, using the BEM. The program, at first, accepts generic forms of the dominion geometry and of boundary conditions. Tests were performed with square and circular and with different types and values for the boundaries conditions. The obtained results were compared to analytic results as well as the ones obtained from literature and were quite satisfactory.