This research studies a Transcutaneous Energy Transfer (TET) system which uses electromagnetic fields to transfer power from outside the body to an artificial organ (AO) in the body. It works like a high frequency transformer whereas the skin is part of the magnetic coupling between the primary (external) and secondary (internal) coils. Thus, the external coil (transmitter), which is excited by an oscillator circuit that transforms the continuous (DC) voltage to high-frequency alternating (AC) voltage, transfers energy to an internal system (receiver) containing a coil associated with a rectifier-regulator circuit to supply power to the AO and an internal rechargeable battery. Due to the diversity of research areas in TET systems, this thesis focused mainly on the TET coils, exploring few aspects of the electronic circuits which directly affect the proper design of the coils. Simulations of different configurations of coils (with different magnetic material types and different core geometrical dimensions) and different electrical parameters were performed via Finite Element Method (FEM) applications. Analyses of the results of these simulations with and without serial resonant capacitors (SRCs) observed the behavior of the coils considering the efficiency, regulation, specific absorption rate (SAR) and current density induced in the skin. These results also facilitated an optimization procedure using Kriging method without the need for new simulations via FEM. In parallel with the optimization procedure, different physical prototypes were created and tested to validate the simulations and explore the behavior of the coils. The temperature increase of the coils and the threshold limits of the electronic circuits were observed, suggesting new optimization strategies. Since the computation of the temperature is too complicated, the temperature rise was indirectly considered in this research by the use of a factor called thermo factor, which represents the relationship between the dissipated power and the area of the coil. Moreover, since the AO requires a constant power, the load of the TET system was modeled as a variable resistance. This thesis proposed an algorithm to compute this value of the variable resistance directly in the FEM simulations. Thus, another optimization procedure was proposed with the new mentioned strategy by directly interacting with the FEM application. In this second case, homogenization methods were used to simplify the mesh without neglecting eddy current, proximity and skin effects, thus allowing accurate simulations of coils with thicker wire gauges and at higher frequencies. In the end, the results of both simulations were briefly discussed to evaluate configurations eligible for construction or assembly. / Esse trabalho estuda um sistema de transferência de energia transcutâneo (TET) que, tal qual um transformador de alta freqüência, usa campos eletromagnéticos para transferir potência de fora do corpo a um órgão artificial dentro do corpo. Assim, a pele passa a ser parte do acoplamento magnético entre o primário (bobina externa) e o secundário (bobina interna). Dessa forma, a bobina externa (transmissor) é excitada por um circuito oscilador, gerando corrente alternada de alta freqüência e transfere energia ao sistema secundário interno (receptor) que contém uma bobina associada a um circuito retificador seguido de amplificadores e reguladores para alimentar o órgão artificial e/ou uma bateria recarregável interna. Devido à diversidade de áreas para pesquisar, esta tese teve as bobinas de TET como objetivo principal, explorando alguns aspectos dos circuitos eletrônicos que afetam diretamente o projeto adequado das bobinas. Simulações de diferentes configurações de bobinas (com diferentes tipos de material magnético e diferentes dimensões geométricas dos núcleos) e diferentes parâmetros elétricos foram realizados através de softwares de Método dos Elementos Finitos (FEM). Essas análises com e sem capacitores de ressonância série (SRCs) observaram o comportamento das bobinas considerando o rendimento, a regulação, a taxa de absorção específica (SAR) e densidade de corrente induzida na pele. Os resultados dessas simulações também facilitou um procedimento de otimização usando o método de Kriging, sem a necessidade de novas simulações via FEM. Em paralelo com o processo de optimização, diferentes protótipos físicos foram criados e testados para validar as simulações e explorar o comportamento das bobinas. O aumento da temperatura nas bobinas e os limites dos circuitos eletrônicos foram observados, sugerindo novas estratégias de otimização. Uma vez que o cálculo da temperatura é demasiado complicado, esta pesquisa sugere o uso de um fator, aqui denominado \"fator térmico\", para indiretamente considerar esse aumento de temperatura. Além disso, uma vez que o AO requer uma potência constante, a carga do transformador de TET foi modelada como uma resistência variável. Esta tese propõe um algoritmo para calcular este valor de resistência variável diretamente nas simulações com FEM. Assim, foi proposto um outro procedimento de otimização com a nova estratégia mencionada, interagindo diretamente com a aplicação de FEM. Neste segundo caso, os métodos de homogeneização foram utilizados para simplificar a malha sem ignorar correntes de Foucault, e os efeitos pelicular e de proximidade, permitindo simulações precisas de bobinas com fios mais grossos e em frequências mais altas. Os resultados de ambas as simulações foram discutidos brevemente no final para avaliar configurações elegíveis para serem montadas.

This research studies a Transcutaneous Energy Transfer (TET) system which uses electromagnetic fields to transfer power from outside the body to an artificial organ (AO) in the body. It works like a high frequency transformer whereas the skin is part of the magnetic coupling between the primary (external) and secondary (internal) coils. Thus, the external coil (transmitter), which is excited by an oscillator circuit that transforms the continuous (DC) voltage to high-frequency alternating (AC) voltage, transfers energy to an internal system (receiver) containing a coil associated with a rectifier-regulator circuit to supply power to the AO and an internal rechargeable battery. Due to the diversity of research areas in TET systems, this thesis focused mainly on the TET coils, exploring few aspects of the electronic circuits which directly affect the proper design of the coils. Simulations of different configurations of coils (with different magnetic material types and different core geometrical dimensions) and different electrical parameters were performed via Finite Element Method (FEM) applications. Analyses of the results of these simulations with and without serial resonant capacitors (SRCs) observed the behavior of the coils considering the efficiency, regulation, specific absorption rate (SAR) and current density induced in the skin. These results also facilitated an optimization procedure using Kriging method without the need for new simulations via FEM. In parallel with the optimization procedure, different physical prototypes were created and tested to validate the simulations and explore the behavior of the coils. The temperature increase of the coils and the threshold limits of the electronic circuits were observed, suggesting new optimization strategies. Since the computation of the temperature is too complicated, the temperature rise was indirectly considered in this research by the use of a factor called thermo factor, which represents the relationship between the dissipated power and the area of the coil. Moreover, since the AO requires a constant power, the load of the TET system was modeled as a variable resistance. This thesis proposed an algorithm to compute this value of the variable resistance directly in the FEM simulations. Thus, another optimization procedure was proposed with the new mentioned strategy by directly interacting with the FEM application. In this second case, homogenization methods were used to simplify the mesh without neglecting eddy current, proximity and skin effects, thus allowing accurate simulations of coils with thicker wire gauges and at higher frequencies. In the end, the results of both simulations were briefly discussed to evaluate configurations eligible for construction or assembly. / Esse trabalho estuda um sistema de transferência de energia transcutâneo (TET) que, tal qual um transformador de alta freqüência, usa campos eletromagnéticos para transferir potência de fora do corpo a um órgão artificial dentro do corpo. Assim, a pele passa a ser parte do acoplamento magnético entre o primário (bobina externa) e o secundário (bobina interna). Dessa forma, a bobina externa (transmissor) é excitada por um circuito oscilador, gerando corrente alternada de alta freqüência e transfere energia ao sistema secundário interno (receptor) que contém uma bobina associada a um circuito retificador seguido de amplificadores e reguladores para alimentar o órgão artificial e/ou uma bateria recarregável interna. Devido à diversidade de áreas para pesquisar, esta tese teve as bobinas de TET como objetivo principal, explorando alguns aspectos dos circuitos eletrônicos que afetam diretamente o projeto adequado das bobinas. Simulações de diferentes configurações de bobinas (com diferentes tipos de material magnético e diferentes dimensões geométricas dos núcleos) e diferentes parâmetros elétricos foram realizados através de softwares de Método dos Elementos Finitos (FEM). Essas análises com e sem capacitores de ressonância série (SRCs) observaram o comportamento das bobinas considerando o rendimento, a regulação, a taxa de absorção específica (SAR) e densidade de corrente induzida na pele. Os resultados dessas simulações também facilitou um procedimento de otimização usando o método de Kriging, sem a necessidade de novas simulações via FEM. Em paralelo com o processo de optimização, diferentes protótipos físicos foram criados e testados para validar as simulações e explorar o comportamento das bobinas. O aumento da temperatura nas bobinas e os limites dos circuitos eletrônicos foram observados, sugerindo novas estratégias de otimização. Uma vez que o cálculo da temperatura é demasiado complicado, esta pesquisa sugere o uso de um fator, aqui denominado \"fator térmico\", para indiretamente considerar esse aumento de temperatura. Além disso, uma vez que o AO requer uma potência constante, a carga do transformador de TET foi modelada como uma resistência variável. Esta tese propõe um algoritmo para calcular este valor de resistência variável diretamente nas simulações com FEM. Assim, foi proposto um outro procedimento de otimização com a nova estratégia mencionada, interagindo diretamente com a aplicação de FEM. Neste segundo caso, os métodos de homogeneização foram utilizados para simplificar a malha sem ignorar correntes de Foucault, e os efeitos pelicular e de proximidade, permitindo simulações precisas de bobinas com fios mais grossos e em frequências mais altas. Os resultados de ambas as simulações foram discutidos brevemente no final para avaliar configurações elegíveis para serem montadas.

A influência do ultra-som terapêutico na transmissão transcutânea (sonoforese) do diclofenaco sódico como gel tópico (Voltaren Emulgel) foi investigada em 14 voluntários humanos sadios (dez mulheres, quatro homens; 26,4 anos de idade, 62 Kg de peso corporal e 1,7 m de altura, em média). Foi realizada irradiação ultra-sônica prévia da pele (modo contínuo, 1 MHz de freqüência, intensidade de 0,5 W/centímetro quadrado) por 5 minutos em duas áreas de 225 centímetros quadrados (15 x 15 cm) de cada lado da região dorsal dos voluntários usando um gel comum para acoplamento do cabeçote, com subseqüente aplicação do gel de diclofenaco (2,5 g) em cada uma das áreas pré-determinadas e deixado por três horas. Os mesmos voluntários participaram desse procedimento duas vezes com um mês de intervalo, em média, sendo que na segunda vez com o equipamento desligado (procedimento placebo), para controle. Amostras de sangue (3 ml) foram coletadas de veias do antebraço imediatamente antes e com 60, 120 e 180 minutos do procedimento, para análise da massa plasmática do diclofenaco, por meio da cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). Os resultados demonstraram que a massa plasmática do diclofenaco estava significativamente mais elevada (p=0,01) aos 60 e 120 minutos após a irradiação com o ultra-som do que após o procedimento placebo. Dentro das condições em que este estudo foi realizado, os resultados permitem concluir que a irradiação prévia da pele com ultra-som terapêutico facilita a penetração transcutânea de diclofenaco sódico na forma de gel tópico / The influence of therapeutic ultrasound on the transdermal transmission (sonophoresis) of sodium diclofenac as a gel of topic application (Voltaren Emulgel) was investigated in 14 human healthy volunteers (ten women, four men, 26,4 years of age, 62 Kg of body weight and 1,7 m of height on average). Therapeutic ultrasound (continuous mode, 1 MHz frequency, 0,5 W/square centimeter) was applied for 5 minutes on two 225 square centimeters (15 x 15 cm) areas on each side of the dorsum of the volunteers using ultrasound transmission gel as a coupling agent. Following ultrasonic irradiation, the gel was removed and gloves were used to apply 2,5 g on each two defined areas. The same volunteers participated in procedures twice at one-month interval on average, however the second time with the equipment turned off (sham procedure) for control. Blood samples (3 ml) were withdrawn from forearm veins, near the elbow flexure, immediately before and at 60, 120 and 180 minutes from the procedure, for analysis of the plasmatic diclofenac mass by means of high performance liquid chromatography (HPLC). The results showed that the plasmatic diclofenac mass was significantly higher (p=0,01) at 60 and 120 minutes following the ultrasound irradiation than the sham procedure. The results presented in this study support that therapeutic ultrasound applied prior to application of sodium diclofenac gel does lead to enhanced penetration of the drug across the skin under the conditions of the investigation

A proposta deste estudo foi comparar a eficácia de tratamento da aplicação tópica de hidrocortisona, do ultra-som terapêutico e da fonoforese no processo de reparo do tendão de Aquiles (tendo calcaneus) de ratos, após tenotomia. O grupo controle foi definido como tenotomizados com simulação da aplicação sônica e tendões não tenotomizados. Os dois grupos tratados com ultra-som terapêutico foram no modo pulsado. A irradiação do ultra-som terapêutico foi realizada na freqüência de 1 MHz e uma intensidade de 0.5 Watts por centímetro ao quadrado (SATA), por cinco minutos cada sessão. No 13° dia de pós-operatório, os tendões foram removidos e analisados por meio da microscopia de luz polarizada, com o propósito de investigar e medir a organização das fibras de colágeno, por meio da birrefringência. Os resultados demonstraram que o grupo tratado com a aplicação tópica de hidrocortisona apresentou valores estatísticos similares ao grupo que recebeu simulação sônica, indicando que não houve penetração da hidrocortisona e que as moléculas de colágeno responderam a estimulação ultra-sônica. Tal fato acontece provavelmente originado pelo efeito piezoelétrico que o ultra-som causa no tecido. O tratamento com fonoforese demonstrou ser o método mais eficiente, devido a maior birrefringência, revelando melhor organização e agregação das fibras de colágeno. Esses achados permitem concluir que o ultra-som terapêutico estimula a aceleração do processo de reparo tecidual e induz a penetração transcutânea da hidrocortisona a 10% numa concentração terapêutica / The purpose of this study was to compare the treatment efficacy of topic hydrocortisone appliance, therapeutic ultrasound and phonophoresis on the rats’ Achilles tendon (tendo calcaneus) repair process after tenotomy. The control group was designed in tenotomized with sham sonic application and non-tenotomized tendons. The two treated groups with therapeutic ultrasound was made in a pulsed mode. The irradiation of therapeutic ultrasound was performed at a frequency of 1 MHz and an intensity of 0.5 Watts for square centimeter (SATA), for five minutes each session. On the 13 th postoperative day, the tendons were removed and analyzed using the polarized light microscopy, with the purpose to detect and measure the organization of collagen fibers through birefringence. The results showed that the treated group with the hydrocortisone topic appliance showed similar statistician values of group that received sham sonic treatment, indicating that not have delivery transdermal and that the molecule of collagen respond to the ultrasonic stimulation. This fact occurs probably by piezoelectric effect originated by ultrasound on the tissue. The treatment with phonophoresis demonstrated being the method more efficient, due the high birefringence, revealing the best organization and aggregation of collagen fibers. These findings allow conclude that the therapeutic ultrasound stimulate the acceleration of tissue repair process and induce the transdermal delivery of hydrocortisone 10% in a therapeutic concentration

A influência do ultra-som terapêutico na transmissão transcutânea (sonoforese) do diclofenaco sódico como gel tópico (Voltaren Emulgel) foi investigada em 14 voluntários humanos sadios (dez mulheres, quatro homens; 26,4 anos de idade, 62 Kg de peso corporal e 1,7 m de altura, em média). Foi realizada irradiação ultra-sônica prévia da pele (modo contínuo, 1 MHz de freqüência, intensidade de 0,5 W/centímetro quadrado) por 5 minutos em duas áreas de 225 centímetros quadrados (15 x 15 cm) de cada lado da região dorsal dos voluntários usando um gel comum para acoplamento do cabeçote, com subseqüente aplicação do gel de diclofenaco (2,5 g) em cada uma das áreas pré-determinadas e deixado por três horas. Os mesmos voluntários participaram desse procedimento duas vezes com um mês de intervalo, em média, sendo que na segunda vez com o equipamento desligado (procedimento placebo), para controle. Amostras de sangue (3 ml) foram coletadas de veias do antebraço imediatamente antes e com 60, 120 e 180 minutos do procedimento, para análise da massa plasmática do diclofenaco, por meio da cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). Os resultados demonstraram que a massa plasmática do diclofenaco estava significativamente mais elevada (p=0,01) aos 60 e 120 minutos após a irradiação com o ultra-som do que após o procedimento placebo. Dentro das condições em que este estudo foi realizado, os resultados permitem concluir que a irradiação prévia da pele com ultra-som terapêutico facilita a penetração transcutânea de diclofenaco sódico na forma de gel tópico / The influence of therapeutic ultrasound on the transdermal transmission (sonophoresis) of sodium diclofenac as a gel of topic application (Voltaren Emulgel) was investigated in 14 human healthy volunteers (ten women, four men, 26,4 years of age, 62 Kg of body weight and 1,7 m of height on average). Therapeutic ultrasound (continuous mode, 1 MHz frequency, 0,5 W/square centimeter) was applied for 5 minutes on two 225 square centimeters (15 x 15 cm) areas on each side of the dorsum of the volunteers using ultrasound transmission gel as a coupling agent. Following ultrasonic irradiation, the gel was removed and gloves were used to apply 2,5 g on each two defined areas. The same volunteers participated in procedures twice at one-month interval on average, however the second time with the equipment turned off (sham procedure) for control. Blood samples (3 ml) were withdrawn from forearm veins, near the elbow flexure, immediately before and at 60, 120 and 180 minutes from the procedure, for analysis of the plasmatic diclofenac mass by means of high performance liquid chromatography (HPLC). The results showed that the plasmatic diclofenac mass was significantly higher (p=0,01) at 60 and 120 minutes following the ultrasound irradiation than the sham procedure. The results presented in this study support that therapeutic ultrasound applied prior to application of sodium diclofenac gel does lead to enhanced penetration of the drug across the skin under the conditions of the investigation

A proposta deste estudo foi comparar a eficácia de tratamento da aplicação tópica de hidrocortisona, do ultra-som terapêutico e da fonoforese no processo de reparo do tendão de Aquiles (tendo calcaneus) de ratos, após tenotomia. O grupo controle foi definido como tenotomizados com simulação da aplicação sônica e tendões não tenotomizados. Os dois grupos tratados com ultra-som terapêutico foram no modo pulsado. A irradiação do ultra-som terapêutico foi realizada na freqüência de 1 MHz e uma intensidade de 0.5 Watts por centímetro ao quadrado (SATA), por cinco minutos cada sessão. No 13° dia de pós-operatório, os tendões foram removidos e analisados por meio da microscopia de luz polarizada, com o propósito de investigar e medir a organização das fibras de colágeno, por meio da birrefringência. Os resultados demonstraram que o grupo tratado com a aplicação tópica de hidrocortisona apresentou valores estatísticos similares ao grupo que recebeu simulação sônica, indicando que não houve penetração da hidrocortisona e que as moléculas de colágeno responderam a estimulação ultra-sônica. Tal fato acontece provavelmente originado pelo efeito piezoelétrico que o ultra-som causa no tecido. O tratamento com fonoforese demonstrou ser o método mais eficiente, devido a maior birrefringência, revelando melhor organização e agregação das fibras de colágeno. Esses achados permitem concluir que o ultra-som terapêutico estimula a aceleração do processo de reparo tecidual e induz a penetração transcutânea da hidrocortisona a 10% numa concentração terapêutica / The purpose of this study was to compare the treatment efficacy of topic hydrocortisone appliance, therapeutic ultrasound and phonophoresis on the rats’ Achilles tendon (tendo calcaneus) repair process after tenotomy. The control group was designed in tenotomized with sham sonic application and non-tenotomized tendons. The two treated groups with therapeutic ultrasound was made in a pulsed mode. The irradiation of therapeutic ultrasound was performed at a frequency of 1 MHz and an intensity of 0.5 Watts for square centimeter (SATA), for five minutes each session. On the 13 th postoperative day, the tendons were removed and analyzed using the polarized light microscopy, with the purpose to detect and measure the organization of collagen fibers through birefringence. The results showed that the treated group with the hydrocortisone topic appliance showed similar statistician values of group that received sham sonic treatment, indicating that not have delivery transdermal and that the molecule of collagen respond to the ultrasonic stimulation. This fact occurs probably by piezoelectric effect originated by ultrasound on the tissue. The treatment with phonophoresis demonstrated being the method more efficient, due the high birefringence, revealing the best organization and aggregation of collagen fibers. These findings allow conclude that the therapeutic ultrasound stimulate the acceleration of tissue repair process and induce the transdermal delivery of hydrocortisone 10% in a therapeutic concentration