Desenvolvimento e aplicação de técnicas matemáticas de modelagem, instrumentação e análise em sistemas biomédicos

Trabalho de Conclusão de Curso (graduação)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, Engenharia Eletrônica, 2019.A metodologia proposta nesse trabalho de conclusão de curso foi a incorporação de três grandes resultados desenvolvidos pelas autoras, em conjunto com outros autores. O primeiro artigo é a proposta de um modelo matemático utilizando a técnica de modelagem gráfica Bond Graph para o diagnóstico e tratamento do olho humano com retinopatia diabética. A validação da modelagem foi realizada no software MATLAB○R , onde foram utilizados diferentes sinais de entrada (função degrau, função impulso) para simulação do comportamento dinâmico do olho com e sem o uso de bio lente de látex natural. Além disso a sensibilidade do sistema foi analisada com o uso do método de controle orgânico. Os resultados das simulações validaram o modelo proposto para o olho saudável e as alterações causadas pela retinopatia diabética. Por fim os autores concluíram que o uso da bio lente é eficaz no tratamento da retinopatia diabética. O segundo estudo trata do desenvolvimento de dispositivo de baixo custo para aquisição de sinal eletromiográfico. A técnica utilizada para aquisição do sinal foi a eletromiografia de superfície com eletrodos na disposição bipolar. O sinal aquisitado passou pelos processos de amplificação, filtragem, amostragem e normalização. O estudo apontou como principal problema na aquisição a contaminação do sinal por ruídos do ambiente e artefatos mecânicos. O obtivo do estudo foi alcançado com a construção de um dispositivo de baixo custo capaz de capturar sinais com baixo nível de contaminação por ruídos. O último estudo apresentado nesse tralho refere-se a instrumentação eletrônica de uma muleta Lofstrand. Na metodologia proposta foram posicionados sensores (magnetômetro, giroscópio, acelerômetro e FSR) na muleta para medir a força aplicada sobre ela pelo usuário e o ângulo entre a muleta e um eixo de origem. A principal contribuição do trabalho foi possibilitar a aquisição dessas variáveis durante o uso da muleta para avaliação da marcha do seu usuário. O objeto deste TCC foi aplicar os conhecimentos adquiridos ao longo dos anos de formação em três cenários de sistemas biomédicos.The methodology proposed in this course conclusion paper was the incorporation of three major results developed by the authors, together with other authors. The first article is the proposal of a mathematical model using the Bond Graph technique for the diagnosis and treatment of the human eye with diabetic retinopathy. Modeling validation was performed using the MATLAB○R software, where different input signals (step function, impulse function) were used to simulate the dynamic behavior of the eye with and without the use of natural latex bio lens. In addition, the system sensitivity was analyzed using the organic control method. The results of the simulations validated the proposed model for the healthy eye and the changes caused by diabetic retinopathy. Finally, the authors concluded that the use of bio lens is effective in the treatment of diabetic retinopathy. The second study deals with the development of a low cost device for electromyographic signal acquisition. The technique used for signal acquisition was surface electromyography with electrodes in the bipolar array. The acquired signal went through the amplification, filtering, sampling and normalization processes. The study pointed as the main problem in the acquisition of signal contamination by environmental noise and mechanical artifacts. The study was achieved by building a low-cost device capable of capturing signals with low noise contamination. The last study presented in this section refers to the electronic instrumentation of a crutch Lofstrand. In the proposed methodology sensors (magnetometer, gyroscope, accelerometer and FSR) were positioned in the crutch to measure the force applied on it by the user and the angle between the crutch and an axis of origin. The main contribution of the work was to enable the acquisition of these variables during the use of the crutch to assess its user’s gait. The object of this TCC was to apply the knowledge acquired over the years of training in three scenarios of biomedical systems

Fault detection filter and fault accommodation controller design for uncertain systems

Model-based Fault Detection (FD) and Fault Accommodation (FA) approaches have been applied in a variety of cases. We propose several techniques to include uncertainties in the design process. First, we focus on the design of the Fault Detection Filter (FDF) and Fault Accommodation Controller (FAC) for Markovian Jump Linear Systems (MJLS). The MJLS framework allows us to include the network behavior (packet loss) during the design of the FDF and FAC.Second, we propose an FDF and FAC design for the MJLS, under the assumption that the Markov chain mode is not directly accessible. Since we are using the MJLS framework to model the network behavior, the assumption that the network state is not instantly accessible is useful because from a practical standpoint this is a truthful assumption. Third, from the results presented for the MJLS framework, we provided follow-up results using Lur'e Markov Jump System. This is compelling since on some occasions the non-linear behavior cannot be ignored. Therefore, applying the Lur'e MJS framework allows us to consider the same assumptions from MJLS, but now adds the non-linearities. Fourth, we propose the design Gain-Scheduled FDF and FAC for Linear Parameter Varying (LPV) systems, under the assumption that the schedule parameter is not directly acquired. We assume that the schedule parameter is subject to additive noise. This imprecision is included during the design, using change of variables and multi-simplex techniques. Finally, throughout the thesis, we provide some numerical examples to illustrate the viability of the proposed approaches

Signed Bond Graph for multiple faults diagnosis

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