Atualmente existem diversos métodos e equipamentos disponíveis no mercado para análise da biomecânica do movimento humano. No entanto, mesmo uma equipe multidisciplinar, dispondo de um laboratório completo de análise do movimento, pode falhar na identificação de quais grupos musculares estão sendo recrutados durante um exercício. Sobretudo quando a musculatura de interesse é profunda. O objetivo desta tese é propor formas de detectar a contração muscular através da Tomografia por Impedância Elétrica (TIE). Um modelo de elementos finitos de condução elétrica é utilizado para resolver o problema inverso através do algoritmo de Newton-Raphson de forma a obter as imagens de TIE. Um novo modelo de eletrodo e o método de erro de discretização da malha são introduzidos como forma de melhorar as imagens de TIE. Além disso, a variabilidade da impeditividade de tecidos musculo-esqueléticos é medida experimentalmente, in vivo tanto em repouso quanto em exercício. Os resultados mostram que o sangue tem um papel importante nas mudanças de impeditividade e que as variações medidas durante as contrações musculares parecem estar relacionadas à taxa de contração do movimento. As imagens de TIE, obtidas in vivo de um voluntário, apresentam um aumento de resistividade durante a contração muscular. / Presently, there are several methods and equipment available in the market for the biomechanical analysis of human movement. However, even a well trained multidisciplinary team, equipped with a complete motion analysis laboratory, may fail to identify which muscle groups are being recruited during an exercise. Specially when deep muscles are being considered. The main objective of this work is to propose forms to detect muscle contraction from Electrical Impedance Tomography (EIT) images. A finite element electrical conduction model is used to solve an inverse problem with Newton-Raphson algorithm in order to produce EIT images. A new electrode model is proposed and the mesh discretization error method is implemented to improve EIT images. Additionally the variability of impeditivity of musculo-skeletal tissues is measured experimentally in vivo both at rest and during exercise. The results show that blood has an important role in muscle impeditivity changes and that resistivity variations during muscle contractions seem to be related to movement contraction rate. The EIT images, obtained in vivo from a volunteer, show an increase of resistivity during muscle contraction.

A Tomografia por Impedância Elétrica (TIE) aplica-se no monitoramento contínuo e detecção de alterações pulmonares sérias. Principalmente no ambiente das unidades de terapia intensiva (UTI) para a avaliação das condições do paciente em estado crítico submetido à ventilação artificial sem que seja necessário retirar o paciente da UTI e dos diferentes instrumentos de assistência à vida. A técnica permite estimar alterações de impedância nos pulmões. O objetivo deste trabalho é diminuir o erro numérico num algoritmo desenvolvido para TIE, utilizando o Filtro Estendido de Kalman. Especificamente, esse algoritmo aplica-se na a obtenção de imagens dos pulmões do corpo humano. Para realizar tal objetivo foram projetados phantoms compostos por um recipiente circular com solução salina, dentro do qual é colado um objeto cilíndrico de vidro e 32 eletrodos localizados no contorno do recipiente. Foi desenvolvido um algoritmo em linguagem C, utilizando a técnica de Filtro Estendido de Kalman para estimação de parâmetros de um modelo de elementos finitos. Foram implementados o procedimento de renumeração da malha de elementos finitos, com o objetivo de obter uma matriz de condutividade de banda, e o procedimento de melhoramento iterativo da solução para diminuir o erro numérico de soluções de sistemas lineares. Foram comparados dois algoritmos, um utilizando matriz de condutividade esparsa Alg Esparsa e outro com matriz de condutividade de banda limitada, obtida por renumeração da malha, e aplicando refinamento iterativo na solução de sistemas lineares, Alg RRI. Obtiveram-se melhores estimativas de impedância e uma melhor estabilidade do algoritmo do Filtro de Kalman com o algoritmo Alg RRI. O erro numérico na inversa da matriz de condutividade e o erro numérico na matriz de sensibilidade são significativamente menores quando se utiliza renumeração da malha e refinamento iterativo da solução de sistemas lineares. A redução de erro numérico nestas matrizes leva a melhores imagens. / The Electrical Impedance Tomography (EIT) is applied for the continuing monitoring and detection of serious pulmonar change. It may be used in intensive care units for the evaluation of patient condition in critical state submitted to artificial ventilation. It is not necessary to leave the intensive care unit and disconnect life assist devices. This technique allow estimation of impedance distribution on a cross section of the thorax. The main of this work is the reduction of numerical error in the Kalman Filter for EIT image estimation. Specifically, this algorithm may be applied for estimating lunge impedance distribution. To obtain this objective a phantom was developed. It is constituted by a cilindrical container with saline solution, a glass object is glued to the container, and 32 electrodes attached to the container wall. An algorithm in C language, using the Extended Kalman Filter technique was developed, it is a parameter estimation procedure. Mesh renumbering, to obtain a band limited conductivity matrix and the iterative improvement of the solution of linear systems were implemented. The estimation of impedance distribution was performed. Two different algorithms were considered. One algorithm uses a sparse conductivity matrix, Alg sparse. Another algorithm uses a band limited conductivity matrix and iterative refinement of the solution of linear systems, Alg RRI. Better impedance estimation and better stability of Kalman Filter algorithm was obtained using Alg RRI. The numerical error on the inverse of the conductivity matrix and the numerical error on the sensitivity matrix were smaller on algorithm Alg RRI. The numerical error reduction on the conductivity matrix and on the sensitivity matrix produced better images.

Este trabalho apresenta um procedimento para medir a condutividade de tecidos biológicos do tórax de suínos in vivo. Este procedimento permitirá um aumento da resolução em imagens de TIE, por descrever a probabilidade de ocorrência deste tipo de imagens em uma população. A TIE é uma técnica, recentemente desenvolvida, de obtenção de imagens médicas e de monitoração de tecidos biológicos. Dados os potenciais elétricos medidos no contorno e as correntes injetadas num corpo, esta técnica estima a distribuição de condutividade em seu interior. Os dados experimentais de condutividade em tecidos de tórax de suínos são utilizados para compor um atlas anatômico, que é utilizado como uma regularização do problema inverso da TIE. Tecidos biológicos conduzem eletricidade e suas propriedades elétricas como condutividade e permitividade podem sofrer alterações em função do estado fisiológico. Determinados estados do tecido biológico estão associados a variações de estrutura física ou de composição iônica e podem estar acompanhados de mudanças nas propriedades elétricas passivas. Estas mudanças de propriedades elétricas podem constituir imagens médicas funcionais. Os animais utilizados para a realização dos ensaios têm peso entre 25 e 30 kg. As medições serão realizadas utilizando-se um analisador de impedância e um condutivímetro experimental com 125 kHz de frequência. / This paper presents a procedure for measuring conductivity in biological tissues of swine chests in vivo. This will allow an increase of resolution in images of EIT, describing the probability of occurrence in such images in a population sample. The EIT is a recently developed technique for obtaining medical images and monitoring biological tissues. Given the measured electrical potentials in a body boundary and current injected inside it, this technique estimates the distribution of conductivity inside such body. The experimental conductivity data in tissues of swine chests are used to compose an anatomical atlas, used as a regularization of EIT inverse problem. Biological tissues are conductive and their electrical properties, like conductivity and permittivity, may change depending on the physiological state. Certain biological tissue states are associated with changes in physical structure or ionic composition and may be dependent by changes in tissues passive electrical properties. These changes in electrical properties can be functional medical images. The animals used for the experiments have weight between 25 and 30 kg. These measurements are performed using an impedance analyzer and an experimental conductivimeter with 125 kHz of frequency.

Submitted by Sara Ribeiro (sara.ribeiro@ucb.br) on 2018-09-17T13:44:16Z No. of bitstreams: 1 PollyannaAyubDissertacao2018.pdf: 1758469 bytes, checksum: d2688a9966cb1580d8d1dc969b3bccfa (MD5) / Approved for entry into archive by Sara Ribeiro (sara.ribeiro@ucb.br) on 2018-09-17T13:44:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 PollyannaAyubDissertacao2018.pdf: 1758469 bytes, checksum: d2688a9966cb1580d8d1dc969b3bccfa (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-17T13:44:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PollyannaAyubDissertacao2018.pdf: 1758469 bytes, checksum: d2688a9966cb1580d8d1dc969b3bccfa (MD5) Previous issue date: 2018-06-26 / Objective: to compare distinct bioimpedances (BIAs) in front of the gold standard for body composition in elderly women, verifying the existence of a correlation between the methods and the necessity or not of using a previous protocol of hydration. Methods: a cross-sectional, descriptive and comparative study with 83 elderly women aged 60 years or older attending the Center for the Cohabitation of the Elderly at the Catholic University of Brasília. In order to determine the body composition, we used x - ray Absorptiometry (DXA), InBody 120 and Biodynamics 310e, with and without hydration protocol. Results: Bioimpedance only showed no difference with and without protocol (p = 0.70). Among the age groups there was no difference in fat percentage (p = 0.44) and fat free lean mass (p = 0.22). In the total sample, Bioimpedances underestimate the percentage of body fat and underestimate lean fat free mass compared to DXA. According to nutritional status by the InBody 120, the percentage of fat in the elderly women with low weight, eutrophic and obese were equal to the DXA and fat-free lean mass in obese women. Conclusion: BIA is an instrument capable of measuring body composition in elderly women in front of DXA, but it is necessary to verify the accuracy of the equipment, since both the measurement of the body composition and the performance or not of the hydration protocol will exist differences in the results, independent of the hydration protocol or not. / Objetivo: Determinar o nível de concordância entre dois equipamentos de bioimpedâncias elétricas frente ao padrão-ouro Absorciometria por dupla emissão de Raios – x (DXA), na avaliação da composição corporal em idosas; conferir, pelo método DXA, se existe alteração na composição corporal por faixa etária – 60 a 64, 65 a 69 e 70 anos ou mais e verificar se existe diferença, utilizando-se o método de bioimpedância, na Porcentagem de Gordura Corporal (%GC), Massa Magra Livre de Gordura (MMLG) e Taxa de Metabolismo Basal (TBM), quando o protocolo de hidratação é realizado ou não. Métodos: estudo transversal, descritivo e comparativo com 83 idosas de 60 anos ou mais que frequentam o Centro de Convivência do Idoso da Universidade Católica de Brasília. Para determinar a avaliação da composição corporal utilizou-se os equipamentos (DXA), InBody 120 e Biodynamics 310e, com e sem protocolo de hidratação. Resultados: apenas na BIA 120 não houve diferença com e sem protocolo (p=0,70). Entre as faixas etárias não houve diferença na porcentagem de gordura (p=0,44) e massa magra livre de gordura (p= 0,22). Na amostra total, as Bioimpedâncias subestimam a porcentagem de gordura corporal e subestimam massa magra livre de gordura em comparação à DXA. De acordo com estado nutricional pelo IMC a InBody 120, o percentual de gordura nas idosas com baixo peso, eutróficas e obesas foram iguais à DXA e a massa magra livre de gordura em obesas. Conclusão: a BIA é um equipamento apto a mensurar a composição corporal em idosas em frente à DXA, porém é necessário verificar a precisão do equipamento, pois tanto na mensuração da composição corporal quanto na realização ou não do protocolo de hidratação existirão diferenças nos resultados, independente do protocolo de hidratação ou não.

Introdução: O ângulo de fase (AF), derivado da análise de bioimpedância elétrica (BIA), tem sido interpretado como indicador de integridade da membrana celular; e a dinamometria manual têm sido usados como indicadores de prognóstico em algumas situações clínicas. Objetivos: avaliar o comportamento do AF e da dinamometria manual em pacientes submetidos à cirurgia cardíaca e associá-los com EuroSCORE e desfechos clínicos. Métodos: Estudo de coorte prospectivo com 50 pacientes submetidos à cirurgia cardíaca, com idade ≥18 anos, entre janeiro de 2015 e outubro de 2015. O AF e a dinamometria manual foram aferidos em três momentos: pré-operatório, pré-alta hospitalar e três meses após à cirurgia. Também foram coletadas as seguintes variáveis: tempo de circulação extracorpórea (CEC), isquemia, ventilação mecânica (VM), tempo de internação na Unidade de Terapia Intensiva (UTI) e tempo de internação hospitalar após à cirurgia e foi calculado o EuroSCORE. Resultados: Os pacientes foram de predominância do sexo masculino 32 (64%) com idade média de 62,8 ± 10,2 anos, tempo de estadia na UTI de 3 dias (2 – 23), tempo de internação pré-operatória de 7 (5 – 61) dias e EuroSCORE 4 (0 – 10) dias. Houve redução do AF, com diferença entre o período pré-operatório e os dois momentos de avaliação no pós-operatório (p<0,001). Quando a dinamometria manual foi avaliada ao longo do tempo foi observada uma redução entre o préoperatório e a pré-alta hospitalar (p<0,001) e recuperação dessa nos três meses após à cirurgia (p<0,001). A VM e o EuroSCORE tiveram correlação inversa com o AF e a dinamometria manual nos três momentos. A correlação do AF no período pré-operatório do EuroScore p=0,007 e o segundo e o terceiro momento p<0,001, e para os três momentos da VM (p<0,001), respectivamente. Já a correlação da dinamometria manual no primeiro e no segundo momento com o EuroSCORE e a VM p <0,001 e no terceiro momento p=0,010 e p=0,018, respectivamente. Conclusões: O AF e a dinamometria manual parecem estar associados ao tempo de VM, tempo de internação na UTI e tempo de internação no pós-operatório em pacientes submetidos à cirurgia cardíaca. / Background and aims: The phase angle (PA), derived from bioelectrical impedance analysis (BIA), have been interpreted as cell membrane integrity indicator; and the handgrip strength (HGS) have been used as prognostic indicators in some clinical situations. This study aims to evaluate the PA and HGS behavior in patients undergoing cardiac surgery and associate these with clinical outcomes and prognostic. Methods: Cohort prospective study of consecutive recruited patients undergoing cardiac surgery aged ≥18 years. The PA and HGS were measured at three set points: preoperatively, hospital predischarge and three months after surgery. Were also collected: time of cardiopulmonary bypass (CPB), ischemia, mechanical ventilation (MV), length of stay (LOS) in Intensive Care Unit (ICU) and LOS after surgery and calculated the EuroSCORE. Results: A decrease in PA was observed between the preoperative and the two postoperative stages (p<0.001). When the HGS was evaluated over time was seen a reduction between preoperative and predischarge (p<0.001) and a recovery in three months after surgery (p<0.001). The MV and EuroSCORE had an inverse association with PA and HGS in three stages. PA correlation in the first stage of the EuroSCORE p=0.007 and the second and third stage p<0.001, and for the three stages of MV (p<0.001), respectively. In HGS correlation in the first and second stage of the EuroSCORE and MV p<0,001 and in the third stage p=0.010 and p=0.018, respectively. Conclusion: PA and HGS appears to be related to MV time, LOS in ICU and LOS after surgery in patients undergoing cardiac surgery.

A Tomografia por Impedância Elétrica (TIE) aplica-se no monitoramento contínuo e detecção de alterações pulmonares sérias. Principalmente no ambiente das unidades de terapia intensiva (UTI) para a avaliação das condições do paciente em estado crítico submetido à ventilação artificial sem que seja necessário retirar o paciente da UTI e dos diferentes instrumentos de assistência à vida. A técnica permite estimar alterações de impedância nos pulmões. O objetivo deste trabalho é diminuir o erro numérico num algoritmo desenvolvido para TIE, utilizando o Filtro Estendido de Kalman. Especificamente, esse algoritmo aplica-se na a obtenção de imagens dos pulmões do corpo humano. Para realizar tal objetivo foram projetados phantoms compostos por um recipiente circular com solução salina, dentro do qual é colado um objeto cilíndrico de vidro e 32 eletrodos localizados no contorno do recipiente. Foi desenvolvido um algoritmo em linguagem C, utilizando a técnica de Filtro Estendido de Kalman para estimação de parâmetros de um modelo de elementos finitos. Foram implementados o procedimento de renumeração da malha de elementos finitos, com o objetivo de obter uma matriz de condutividade de banda, e o procedimento de melhoramento iterativo da solução para diminuir o erro numérico de soluções de sistemas lineares. Foram comparados dois algoritmos, um utilizando matriz de condutividade esparsa Alg Esparsa e outro com matriz de condutividade de banda limitada, obtida por renumeração da malha, e aplicando refinamento iterativo na solução de sistemas lineares, Alg RRI. Obtiveram-se melhores estimativas de impedância e uma melhor estabilidade do algoritmo do Filtro de Kalman com o algoritmo Alg RRI. O erro numérico na inversa da matriz de condutividade e o erro numérico na matriz de sensibilidade são significativamente menores quando se utiliza renumeração da malha e refinamento iterativo da solução de sistemas lineares. A redução de erro numérico nestas matrizes leva a melhores imagens. / The Electrical Impedance Tomography (EIT) is applied for the continuing monitoring and detection of serious pulmonar change. It may be used in intensive care units for the evaluation of patient condition in critical state submitted to artificial ventilation. It is not necessary to leave the intensive care unit and disconnect life assist devices. This technique allow estimation of impedance distribution on a cross section of the thorax. The main of this work is the reduction of numerical error in the Kalman Filter for EIT image estimation. Specifically, this algorithm may be applied for estimating lunge impedance distribution. To obtain this objective a phantom was developed. It is constituted by a cilindrical container with saline solution, a glass object is glued to the container, and 32 electrodes attached to the container wall. An algorithm in C language, using the Extended Kalman Filter technique was developed, it is a parameter estimation procedure. Mesh renumbering, to obtain a band limited conductivity matrix and the iterative improvement of the solution of linear systems were implemented. The estimation of impedance distribution was performed. Two different algorithms were considered. One algorithm uses a sparse conductivity matrix, Alg sparse. Another algorithm uses a band limited conductivity matrix and iterative refinement of the solution of linear systems, Alg RRI. Better impedance estimation and better stability of Kalman Filter algorithm was obtained using Alg RRI. The numerical error on the inverse of the conductivity matrix and the numerical error on the sensitivity matrix were smaller on algorithm Alg RRI. The numerical error reduction on the conductivity matrix and on the sensitivity matrix produced better images.

In regions where chloride-based deicing salts are applied to bridge decks, corrosion of the interior steel reinforcement is a major problem. Vertical electrical impedance (VEI) is an effective measurement technique to quantitatively assess the cover protection on bridges against aggressive chemical penetration of reinforced concrete. In its current form, traditional vertical electrical impedance is time-consuming and destructive because a direct connection to the reinforcing steel is required to provide a ground reference. A new method using a large-area electrode (LAE) permits VEI measurement without a direct electrical connection to the steel reinforcement. The LAE creates a nondestructive, semi-direct, low impedance connection between the measurement electronics and the reinforcing steel. In this work, numerical simulations are performed on common electrode arrangements to demonstrate the effectiveness of the LAE when significant variations in concrete conductivity exist. Physical experiments of a large-area electrode are carried out in the laboratory and field to validate the numerical simulations and to provide additional comparisons with the traditional tapped steel reinforcement method. The results of this study are a set of important design considerations for VEI utilizing a LAE to connect to the underlying rebar. Using these design considerations, the large-area electrode method was validated using both an analytical and a finite-element model, laboratory experiments, and field experiments on two bridges in Utah. The validation results indicate the LAE can replace the direct connection to the reinforcing steel. As a result of this work, a multichannel VEI scanner which uses the LAE method was built which can provide VEI information for bridge engineers and managers to better rehabilitate deteriorating reinforced concrete.

Abstract not available

<p>The recognition that supportive mechanical ventilation can also damage the lung, the so called ventilation induced lung injury (VILI), has revived the more than 40 year long debate on the optimal level of PEEP to be used. It is established that the prevention of VILI improves patient outcome and that PEEP exerts protective effects by preventing unstable diseased alveoli from collapsing. Therefore, the term “open lung PEEP” (OL-PEEP) has been introduced as the end-expiratory pressure that keeps the lung open after its collapse has been eliminated by an active lung recruitment manoeuvre. The determination of such an optimal level of PEEP under clinical circumstances is difficult and remains to be investigated.</p><p>The aim of this study was to investigate the usefulness of breath by breath monitoring of dynamic compliance (Cdyn) as a clinical means to identify OL-PEEP at the bedside and to demonstrate the improvement in lung function resulting from its application.</p><p>In a porcine lung lavage model of acute lung injury PEEP at maximum Cdyn during a decremental PEEP trial after full lung recruitment was related to the onset of lung collapse and OL-PEEP could be found 2 cmH₂O above this level Ventilation at OL-PEEP was associated with improved gas exchange, efficiency of ventilation, lung mechanics and less than 5% collapse on CT scans. In addition, dead space, especially its portion related to alveolar gas changed characteristically during recruitment, PEEP titration and collapse thereby helping to identify OL-PEEP.</p><p>The beneficial effects of OL-PEEP on lung function and mechanics was demonstrated in a porcine model of VILI. OL-PEEP improved lung function and mechanics when compared to lower or higher levels prior to or after lung recruitment. By using electrical impedance tomography it could be shown that PEEPs within the range of 14 to 22 cmH₂O resulted in a similar redistribution of both ventilation and perfusion to the dorsal regions of the lung. OL-PEEP resulted in the best regional and global matching of ventilation and perfusion explaining the drastic improvements in gas exchange. Also regional compliance was greatly improved in the lower half of the lung as compared to all other situations.</p><p>In ARDS patients OL-PEEP could be identified applying the same protocol. The physiological changes described could now be reproduced and maintained during a four hours study ventilation period in real patients at four study centres.</p><p>In conclusion, the usefulness of dynamic compliance for identifying open lung PEEP during a decremental PEEP trial was demonstrated under experimental and clinical conditions. This PEEP should then be used as an essential part of any lung protective ventilation strategy. The impact of ventilating ARDS patients according to the principles described in these studies on outcome are currently being evaluated in an international randomized controlled trial.</p>

This thesis documents research, methods, and results to satisfy the requirements for the M.S. degree in Electrical Engineering at the University of Tennessee. This thesis explores two primary steps for proper classification of impedance spectra: data dimension reduction and effectiveness of similarity/dissimilarity measure comparison in classification. To understand the data characteristics and classification thresholds, a circuit model analysis for simulation and unclassifiable determination is studied. The research is conducted using previously collected data of complex valued impedance measurements taken from 1844 similar devices. The results show a classification system capable of proper classification of 99% of data samples with well-separated data and approximately 85% using the full range of data available to this research.