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.

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 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 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.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-09-20T13:03:02Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação_Versão_Digital_REIGA.pdf: 3705889 bytes, checksum: 551e1d47969ce5d1aa92cdb311f41304 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-20T13:03:02Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação_Versão_Digital_REIGA.pdf: 3705889 bytes, checksum: 551e1d47969ce5d1aa92cdb311f41304 (MD5) Previous issue date: 2016-02-23 / CAPES / A Tomografia por Impedância Elétrica (TIE) é uma técnica que visa reconstruir imagens do interior de um corpo de forma não-invasiva e não-destrutiva. Com base na aplicação de corrente elétrica e na medição dos potenciais de borda do corpo, feita através de eletrodos, um algoritmo de reconstrução de imagens de TIE gera o mapa de condutividade elétrica do interior deste corpo. Diversos métodos são aplicados para gerar imagens de TIE, porém ainda são geradas imagens de contorno suave. Isto acontece devido à natureza matemática do problema de reconstrução da TIE como um problema mal-posto e mal-condicionado. Isto significa que não existe uma distribuição de condutividade interna exata para uma determinada distribuição de potenciais de borda. A TIE é governada matematicamente pela equação de Poisson e a geração da imagem envolve a resolução iterativa de um problema direto, que trata da obtenção dos potenciais de borda a partir de uma distribuição interna de condutividade. O problema direto, neste trabalho, foi aplicado através do Método dos Elementos Finitos. Desta forma, é possível aplicar técnicas de busca e otimização que objetivam minimizar o erro médio quadrático relativo (função objetivo) entre os potenciais de borda mensurados no corpo (imagem ouro) e os potencias gerados pela resolução do problema direto de um candidato à solução. Assim, o objetivo deste trabalho foi construir uma ferramenta computacional baseada em algoritmos de busca e otimização híbridos, com destaque para a Evolução Diferencial, a fim de reconstruir imagens de TIE. Para efeitos de comparação também foram utilizados para gerar imagens de TIE: Algoritmos Genéticos, Otimização por Enxame de Partículas e Recozimento Simulado. As simulações foram feitas no EIDORS, uma ferramenta usada em MatLab/ GNU Octave com código aberto voltada para a comunidade de TIE. Os experimentos foram feitos utilizando três diferentes configurações de imagens ouro (fantomas). As análises foram feitas de duas formas, sendo elas, qualitativa: na forma de o quão as imagens geradas pela técnica de otimização são parecidas com seu respectivo fantoma; quantitativa: tempo computacional, através da evolução do erro relativo calculado pela função objetivo do melhor candidato à solução ao longo do tempo de reconstrução das imagens de TIE; e custo computacional, através da avaliação da evolução do erro relativo ao longo da quantidade de cálculos da função objetivo pelo algoritmo. Foram gerados resultados para Algoritmos Genéticos, cinco versões clássicas de Evolução Diferencial, versão modificada de Evolução Diferencial, Otimização por Enxame de Partículas, Recozimento Simulado e três novas técnicas híbridas baseadas em Evolução Diferencial propostas neste trabalho. De acordo com os resultados obtidos, vemos que todas as técnicas híbridas foram eficientes para resolução do problema da TIE, obtendo bons resultados qualitativos e quantitativos desde 50 iterações destes algoritmos. Porém, merece destacar o rendimento do algoritmo obtido pela hibridização da Evolução Diferencial e Recozimento Simulado por ser a técnica aqui proposta mais promissora na reconstrução de imagens de TIE, onde mostrou ser mais rápida e menos custosa computacionalmente do que as outras técnicas propostas. Os resultados desta pesquisa geraram diversas contribuições na forma de artigos publicados em eventos nacionais e internacionais. / Electrical Impedance Tomography (EIT) is a technique that aim to reconstruct images of the interior of a body in a non-invasive and non-destructive form. Based on the application of the electrical current and on the measurement of the body’s edge electrical potential, made through of electrodes, an EIT image reconstruction algorithm generates the conductivity distribution map of this body’s interior. Several methods are applied to generate EIT images; however, they are still generated smooth contour images. This is due of the mathematical nature of EIT reconstruction problem as an ill-posed and ill-conditioned problem. Thus, there is not an exact internal conductivity distribution for one determinate edge potential distribution. The EIT is ruled mathematically by Poisson’s equations, and the image generation involves an iterative resolution of a direct problem, that treats the obtainment of the edge potentials through of an internal distribution of conductivity. The direct problem, in this dissertation, was applied through of Finite Elements Method. Thereby, is possible to apply search and optimization techniques that aim to minimize the mean square error relative (objective function) between the edge potentials measured in the body (gold image) and the potential generated by the resolution of the direct problem of a solution candidate. Thus, the goal of this work was to construct a computational tool based in hybrid search and optimization algorithms, highlighting the Differential Evolution, in order to reconstruct EIT images. For comparison, it was also used to generate EIT images: Genetic Algorithm, Particle Optimization Swarm and Simulated Annealing. The simulations were made in EIDORS, a tool used in MatLab/GNU Octave open source toward the TIE community. The experiments were performed using three different configurations of gold images (phantoms). The analyzes were done in two ways, as follows, qualitative: in the form of how the images generated by the optimization technique are similar to their respective phantom; quantitative: computational time, by the evolution of the relative error calculated for the objective function of the best candidate to the solution over time the EIT images reconstruction; and computational cost, by evaluating the evolution of the relative error over the amount of calculations of the objective functions by the algorithm. Results were generated for Genetic Algorithms, five classical versions of Differential Evolution, modified version of the Differential Evolution, Particle Optimization Swarm, Simulated Annealing and three new hybrid techniques based in Differential Evolution proposed in this work. According to the results obtained, we see that all hybrid techniques were efficient in solving the EIT problem, getting good qualitative and quantitative results from 50 iterations of these algorithms. Nevertheless, it deserves highlight the algorithm performance obtained by hybridization of Differential Evolution and Simulated Annealing to be the most promising technique here proposed to reconstruct EIT images, which proved to be faster and less expensive computationally than other proposed techniques. The results of this research generate several contributions in the form of published paper in national and international events.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-09-20T13:21:46Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação_Versão_Digital_REIGA.pdf: 3705889 bytes, checksum: 551e1d47969ce5d1aa92cdb311f41304 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-20T13:21:46Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação_Versão_Digital_REIGA.pdf: 3705889 bytes, checksum: 551e1d47969ce5d1aa92cdb311f41304 (MD5) Previous issue date: 2016-02-23 / CAPES / A Tomografia por Impedância Elétrica (TIE) é uma técnica que visa reconstruir imagens do interior de um corpo de forma não-invasiva e não-destrutiva. Com base na aplicação de corrente elétrica e na medição dos potenciais de borda do corpo, feita através de eletrodos, um algoritmo de reconstrução de imagens de TIE gera o mapa de condutividade elétrica do interior deste corpo. Diversos métodos são aplicados para gerar imagens de TIE, porém ainda são geradas imagens de contorno suave. Isto acontece devido à natureza matemática do problema de reconstrução da TIE como um problema mal-posto e mal-condicionado. Isto significa que não existe uma distribuição de condutividade interna exata para uma determinada distribuição de potenciais de borda. A TIE é governada matematicamente pela equação de Poisson e a geração da imagem envolve a resolução iterativa de um problema direto, que trata da obtenção dos potenciais de borda a partir de uma distribuição interna de condutividade. O problema direto, neste trabalho, foi aplicado através do Método dos Elementos Finitos. Desta forma, é possível aplicar técnicas de busca e otimização que objetivam minimizar o erro médio quadrático relativo (função objetivo) entre os potenciais de borda mensurados no corpo (imagem ouro) e os potencias gerados pela resolução do problema direto de um candidato à solução. Assim, o objetivo deste trabalho foi construir uma ferramenta computacional baseada em algoritmos de busca e otimização híbridos, com destaque para a Evolução Diferencial, a fim de reconstruir imagens de TIE. Para efeitos de comparação também foram utilizados para gerar imagens de TIE: Algoritmos Genéticos, Otimização por Enxame de Partículas e Recozimento Simulado. As simulações foram feitas no EIDORS, uma ferramenta usada em MatLab/ GNU Octave com código aberto voltada para a comunidade de TIE. Os experimentos foram feitos utilizando três diferentes configurações de imagens ouro (fantomas). As análises foram feitas de duas formas, sendo elas, qualitativa: na forma de o quão as imagens geradas pela técnica de otimização são parecidas com seu respectivo fantoma; quantitativa: tempo computacional, através da evolução do erro relativo calculado pela função objetivo do melhor candidato à solução ao longo do tempo de reconstrução das imagens de TIE; e custo computacional, através da avaliação da evolução do erro relativo ao longo da quantidade de cálculos da função objetivo pelo algoritmo. Foram gerados resultados para Algoritmos Genéticos, cinco versões clássicas de Evolução Diferencial, versão modificada de Evolução Diferencial, Otimização por Enxame de Partículas, Recozimento Simulado e três novas técnicas híbridas baseadas em Evolução Diferencial propostas neste trabalho. De acordo com os resultados obtidos, vemos que todas as técnicas híbridas foram eficientes para resolução do problema da TIE, obtendo bons resultados qualitativos e quantitativos desde 50 iterações destes algoritmos. Porém, merece destacar o rendimento do algoritmo obtido pela hibridização da Evolução Diferencial e Recozimento Simulado por ser a técnica aqui proposta mais promissora na reconstrução de imagens de TIE, onde mostrou ser mais rápida e menos custosa computacionalmente do que as outras técnicas propostas. Os resultados desta pesquisa geraram diversas contribuições na forma de artigos publicados em eventos nacionais e internacionais. / Electrical Impedance Tomography (EIT) is a technique that aim to reconstruct images of the interior of a body in a non-invasive and non-destructive form. Based on the application of the electrical current and on the measurement of the body’s edge electrical potential, made through of electrodes, an EIT image reconstruction algorithm generates the conductivity distribution map of this body’s interior. Several methods are applied to generate EIT images; however, they are still generated smooth contour images. This is due of the mathematical nature of EIT reconstruction problem as an ill-posed and ill-conditioned problem. Thus, there is not an exact internal conductivity distribution for one determinate edge potential distribution. The EIT is ruled mathematically by Poisson’s equations, and the image generation involves an iterative resolution of a direct problem, that treats the obtainment of the edge potentials through of an internal distribution of conductivity. The direct problem, in this dissertation, was applied through of Finite Elements Method. Thereby, is possible to apply search and optimization techniques that aim to minimize the mean square error relative (objective function) between the edge potentials measured in the body (gold image) and the potential generated by the resolution of the direct problem of a solution candidate. Thus, the goal of this work was to construct a computational tool based in hybrid search and optimization algorithms, highlighting the Differential Evolution, in order to reconstruct EIT images. For comparison, it was also used to generate EIT images: Genetic Algorithm, Particle Optimization Swarm and Simulated Annealing. The simulations were made in EIDORS, a tool used in MatLab/GNU Octave open source toward the TIE community. The experiments were performed using three different configurations of gold images (phantoms). The analyzes were done in two ways, as follows, qualitative: in the form of how the images generated by the optimization technique are similar to their respective phantom; quantitative: computational time, by the evolution of the relative error calculated for the objective function of the best candidate to the solution over time the EIT images reconstruction; and computational cost, by evaluating the evolution of the relative error over the amount of calculations of the objective functions by the algorithm. Results were generated for Genetic Algorithms, five classical versions of Differential Evolution, modified version of the Differential Evolution, Particle Optimization Swarm, Simulated Annealing and three new hybrid techniques based in Differential Evolution proposed in this work. According to the results obtained, we see that all hybrid techniques were efficient in solving the EIT problem, getting good qualitative and quantitative results from 50 iterations of these algorithms. Nevertheless, it deserves highlight the algorithm performance obtained by hybridization of Differential Evolution and Simulated Annealing to be the most promising technique here proposed to reconstruct EIT images, which proved to be faster and less expensive computationally than other proposed techniques. The results of this research generate several contributions in the form of published paper in national and international events.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2017-02-15T13:58:43Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação_Caio_Morais_UFPE_biblccs_v4_07.pdf: 2958381 bytes, checksum: 1504e0cbe3d131daab3b28990bf82f6d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-15T13:58:43Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação_Caio_Morais_UFPE_biblccs_v4_07.pdf: 2958381 bytes, checksum: 1504e0cbe3d131daab3b28990bf82f6d (MD5) Previous issue date: 2015-03-06 / FACEPE / A sobrevivência de pacientes com lesões no sistema nervoso central é geralmente acompanhada de sequelas físicas e mentais, que favorecem a restrição prolongada ao leito, e podem prejudicar a função pulmonar. As técnicas de Breath stacking (BS) e Pressão Expiratória Positiva nas Vias Aéreas (EPAP) têm sido usadas como rotina terapêutica para evitar o surgimento de complicações respiratórias. No entanto, existe uma lacuna na descrição fisiológica dessas técnicas e no efeito sobre a expansão pulmonar (ganho de aeração) em pacientes não cooperativos com restrição prolongada ao leito. Esta dissertação apresenta dois artigos originais. O primeiro foi um estudo fisiológico que objetivou descrever o comportamento da distribuição do fluxo de ar dentro dos pulmões, através da tomografia de impedância elétrica (TIE), durante as técnicas de BS e EPAP em 10 pacientes não cooperativos e em 10 indivíduos saudáveis. Foi observada a transferência do fluxo de ar entre as regiões ventral e dorsal durante as técnicas apenas no grupo de pacientes não cooperativos. Os períodos com a inversão da direção do fluxo aéreo ocorreram na ausência de variações significativas do volume corrente, sugerindo a existência do fenômeno “pendelluft”. O segundo estudo foi um ensaio clínico randomizado do tipo crossover que comparou o efeito agudo do BS e do EPAP na aeração pulmonar regional através da TIE, e a duração do efeito terapêutico de expansão pulmonar. Observou-se que a aeração do pulmão aumentou significativamente em comparação com os valores basais durante a EPAP e BS (ANOVA two-way e teste post hoc de Sidak, p <0,001). No entanto, os efeitos sobre a expansão de pulmão foram mantidos durante um curto período de tempo, 4,6 ± 3,7 minutos e 2,3 ± 2,0 minutos para EPAP e BS, respectivamente. Concluímos que durante as técnicas BS e EPAP houve a presença do fenômeno “pendelluft” no grupo de pacientes não cooperativos. Essas técnicas geraram mudanças significativas nos volumes pulmonares, contudo, não duráveis. A existência de contração abdominal pode ter minimizado o efeito de expansão pulmonar proposto por estas técnicas. / The survival of patients with lesions in the central nervous system is usually accompanied by physical and mental sequelae. These impairments favor the prolonged restriction to the bed, which may contribute with changes in respiratory function. Breath Stacking (BS) and Expiratory Positive Airway Pressure (EPAP) have been used as a prophylaxis routine to prevent respiratory complications. However, there is a gap in the physiological description and in the effect on lung aeration in non-cooperative patients with prolonged bed rest. This master's thesis presents two articles. The first was a physiological study that aimed to describe the physiological behavior of airflow displacement into the lung, using electrical impedance tomography (EIT), during BS and EPAP techniques in 10 non-cooperative patients and in 10 health subjects. It was observed an airflow shift between ventral and dorsal regions during BS and EPAP techniques in the non-cooperative group. The ventilatory tracings showed that all periods with reversing of the airflow direction occurred in the absence of significant variations in VT and flow, suggesting the existence of pendelluft phenomenon. The second study was a randomized crossover study trial that compared the acute effect of BS and EPAP on the regional lung aeration by EIT, measured the duration of the therapeutic effect of lung expansion and evaluated the influence of these techniques on cardiorespiratory system. It was observed that lung aeration increased significantly in comparison with baseline during EPAP and BS (2-way ANOVA and Sidak post hoc, all P < 0.001). However, the effects on lung expansion were kept for a short time, 4.6 ± 3.7 minutes and 2.3 ± 2.0 minutes for EPAP and BS, respectively. There were no clinically significant differences on cardiorespiratory variables. We conclude that there was a presence of the pendelluft phenomenon during BS and EPAP in non-cooperative patients, and these techniques generated a significant change on lung volumes, but not durable. The existence of expiratory muscle contraction may have minimized the effect of lung expansion proposed by these techniques.

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.

Introdução: As estratégias ventilatórias protetoras têm contribuído para a redução da letalidade da Síndrome do Desconforto Respiratório Agudo (SDRA), mas ainda está em debate qual, entre as diversas existentes, é a mais eficaz. A estratégia ARDSNet, muito utilizada na prática clínica, prioriza a redução do volume corrente para minimizar a hiperdistensão. As estratégias Open Lung Approach (OLA), além de procurarem reduzir a hiperdistensão, buscam minimizar o colapso pulmonar para evitar a atelectasia cíclica. Os métodos para ajuste da PEEP ideal nas estratégias OLA apresentam imperfeições: difícil implementação, não permitem avaliação regional do pulmão ou não podem ser realizados a beira leito. Uma estratégia OLA guiada por Tomografia de Impedância Elétrica (TIE) que permite a avaliação regional pulmonar de modo contínuo e a beira leito pode trazer benefícios. Objetivo: Comparar os efeitos fisiológicos (imagem, mecânica e trocas gasosas) ao longo de 42 h entre duas estratégias ventilatórias protetoras em um modelo suíno de SDRA (estratégia ARDSNET X estratégia guiada por TIE: (PEEPTIE). Comparar a mecânica pulmonar e troca gasosa nas duas estratégias ao final das 42 h de ventilação, em uma mesma condição de ventilação, para avaliar efeitos duradouros das estratégias sobre o parênquima pulmonar. Métodos: Sete porcos foram submetidos a ventilação mecânica por 42 horas em cada uma das duas estratégias. A lesão pulmonary foi induzida com lavagem de solução fisiológica associada a ventilação lesiva. No grupo PEEPTIE, a PEEP foi ajustada pela TIE após manobra de recrutamento, mantendo o pulmão com o mínimo de colapso menor que 5%), enquanto que na estratégia ARDSNet era ajustada através da tabela PEEPxFiO2. O volume corrente foi mantido entre 4-6ml/Kg em ambas estratégias, com a pressão de platô menor que 30 cmH2O. Resultados: Oxigenação e mecânica pulmonary eram semelhantes em ambos os grupos após a lesão pulmonar. Durante as 42h de protocolo, a troca gasosa foi significativamente maior no grupo PEEPTIE quando comparado ao grupo ARDSNet tanto no início (p< 0.01) quanto ao final do protocolo(p< 0.01). A PEEP inicial não foi diferente nas duas estratégias (p= 0.14), mas foi significantemente maior no grupo PEEPTIE (p< 0.01) em grande parte do período de 42 h e também ao final. Não houve diferença na pressão de platô entre os grupos (p=0.05). O delta de pressão foi significativamente maior no grupo ARDSNet no começo (p= 0.03) e ao final do protocolo (p= 0.00). Atelectasia cíclica (p < 0.01) e a porcentagem de tecido não-aerado (p= 0.029) foram significativamente maiores no grupo ARDSNet. Ao final do protocolo, nos mesmos ajuste de ventilação, a complacência pulmonar global (p=0.021) e regional (p= 0.002) foram significativamente maiores no grupo PEEPTIE, bem como a troca gasosa (p= 0.048). Conclusões: a estratégia PEEPTIE, quando comparada a estratégia ARDSNet determinou melhor oxigenação, menor grau de colapso e de atelectasia cíclica, além de melhor mecânica pulmonar, tanto global, quanto regional. Esta melhora foi mantida ao final das 42 horas, quando os dois grupos eram ventilados com os mesmos ajustes, sugerindo que a estratégia PEEPTIE determinou menor dano pulmonar / Introduction: Protective ventilatory strategies have contributed for the reduction in Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS) mortality, but so far there is still debate which strategy is more effective. The ARDSNet strategy, used widely in the clinical practice, emphasizes in tidal volume reduction to minimize hiperdistension. The Open Lung Approach (OLA), besides the reduction of hiperdistension, emphasizes reduction of lung collapse to avoid tidal recruitment. The methods to adjust ideal PEEP in the OLA strategies have some imperfections: difficult implementation, do not allow regional lung evaluation or cant be performed at the bedside. The OLA strategy guided by Electrical Impedance Tomography (EIT) which allows a continuous and regional lung evaluation can bring benefits. Objective: Compare physiological effects (image, mechanics and gas exchange) during a period of 42 hours between two protective ventilatory strategies in an ARDS suine model (ARDSNet strategy x strategy guided by EIT PEEPTIE). Compare lung mechanics and gas exchange in both strategies at the end of 42 hours of ventilation, in the same ventilation condition, to evaluate the strategies longtime effects on lung parenchyma. Methods: Seven suines were submitted to mechanical ventilation for 42 hours in each ventilator strategy. Lung injury was induced by saline lavage associated to injurious mechanical ventilation. In the PEEPTIE arm, PEEP was selected by the electrical impedance tomography after a recruitment maneuver, trying to keep lung collapse at minimum, while the ARDSnet group followed a PEEPxFiO2 table. Tidal volume of 4-6ml/kg was maintained in both strategies, with a plateau pressure not higher than 30 cmH2O. Results: Oxygenation and lung mechanics were equally impaired in both arms after injury. During the 42 hours of protocol, gas exchange was significantly higher in the PEEPTIE arm as compared to the ARDSNet arm in the beginning (p< 0.01) and at the end of the protocol (p< 0.01). PEEP at the beginning of the protocol was similar between groups (p= 0.14), but at most part of the protocol and at the end, PEEP was significantly higher in the PEEPTIE arm (p< 0.01).There were no difference in plateau pressure (p=0.06). Driving pressure was significantly higher in the ARDSNet arm at the beginning (p= 0.03) and at the end (p= 0.00). Tidal recruitment was significantly higher in the ARDSNet arm (p < 0.01), and a higher percentage of non-aerated lung tissue (p= 0.029). At the end of the protocol, global lung compliance was significantly higher in the PEEPTIE arm (p=0.021), as for regional lung compliance (p= 0.002) and gas exchange (p= 0.048). Conclusion: The PEEPTIE strategy when compared to the ARDSNet strategy determined better gas exchange, lower percentage of collapse and tidal recruitment, besides better lung mechanics (global and regional). This improvement was maintained at the end of the 42 hours, when both groups were ventilated with the same parameters, suggesting that the PEEPTIE strategy determined less lung injury

Pour soutenir la demande en denrées alimentaires d’une population mondiale croissante, les rendements des productions en céréales, notamment du blé, doivent être améliorés par sélection végétale. À cause du changement climatique et de l’épuisement des ressources fossiles, les systèmes racinaires des futures variétés de blé devront être adaptés aux épisodes de sécheresse et aux sols peu fertiles. Il est donc crucial de développer des outils de mesure de traits racinaires au champ répondant aux exigences de la sélection variétale. Ainsi, la pertinence des minirhizotrons et de l’impédance électrique des plantes a été évaluée en essai agronomique sur des variétés de blé, conçu pour obtenir un panel varié d’enracinement. Nous avons montré que les minirhizotrons fournissent une quantification dynamique et pertinente de la longueur de racines profondes, qui jouent rôle majeur dans les rendements obtenus en conditions pluviales. Malgré une sous-estimation de la partie superficielle des systèmes racinaires, la conversion volumétrique des données issues des minirhizotrons basée sur une profondeur de champ, et à l’aide de prélèvements pour les horizons de surface, a permis une estimation du ratio de masse racinaire sur masse aérienne.À travers une étude méthodologique en laboratoire, nous avons déterminé le montage optimal de mesure d’impédance électrique sur des plants de blé. Son application au champ montre que la qualité de l’estimation diminue au cours de la croissance et dépend de l’humidité du sol.Nous avons montré que l’impédance des plants de blé est décrite par un modèle de condensateur plan, les tissus végétaux formant un diélectrique imparfait. Ainsi, la réactance est un prédicteur de la masse racinaire, uniquement dans les couches superficielles et sèches du sol. / Ensuring the food supply of an increasing world population could be achieved by improvingcrop yields through plant breeding. Due to the climate change and the rarefaction of fossilresources, the root systems of the future wheat cultivars should be adapted to low soilmoisture and low soil fertility. Developing tools for in situ root traits measurements fulfilling the high through put requirement of modern breeding is crucial. For this purpose, anagronomic trial was conducted on wheat cultivars to evaluate the relevance of minirhizotrons and plant electrical impedance on assessing varied rooting architecture.We showed that minirhizotrons provide dynamic and relevant quantifications of deep rootlengths, which was a key factor in crop yield under rainfed conditions. In spite ofunderestimated lengths in the shallow part of the root systems, a volumetric conversion ofminirhizotron data using a depth-of-field criterion, coupled with auger sampling for surfacelayers, allowed fairly estimation root to shoot ratio at different growth stages.We determined the optimal setup of plant impedance measurements by a methodological study performed under laboratory conditions. The application of this optimal set up to an in situ survey showed that the quality of the predictions decreased at later growth stages andunder low soil wetness. The plant impedance was described by an imperfect parallel-platecapacitor mode, where plant tissues acted as the separating medium. Consequently, electrical reactance is a root biomass sensor, but only in surface soil layers at low water content.