Modelagem térmica e elétrica de tecido hepático em resposta a um sinal de radiofrequência para tratamento de carcinoma hepático por ablação

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2018.Nesta tese propõe-se uma modelagem para a resposta térmica e elétrica de um sistema de ablação térmica por radiofrequência. O sistema é constituído por um gerador de radiofrequência, um eletrodo tipo guarda-chuva e uma região de tecido hepático submetida a um sinal degrau de potencial elétrico. São considerados modelos preliminares baseados em circuitos elétricos de 1a e 2a ordem e equações de transferência de biocalor. Com base nestes modelos, avalia-se uma correlação entre os atributos caraterísticos da resposta temporal da temperatura e o volume de ablação. Em particular, o fenômeno de roll-off é estudado para propor uma forma de se estimar seu instante de ocorrência e assim o correspondente volume total de tecido queimado. A modelagem sugere um nova técnica cirúrgica, em que é feito um procedimento operatório inicial para avaliação das caraterísticas elétricas individuais do fígado do paciente. Em seguida aplica-se uma sugestão de protocolo, potência do sinal a ser aplicado e duração do procedimento de ablação, dado um volume de queima desejado definido pelas imagens médicas e os parâmetros individuais obtidos na etapa anterior. A técnica cirúrgica proposta contrasta com as técnicas atuais da literatura, as quais usam valores médios estatísticos das características elétricas de uma população, e é embasada em estudo teórico baseado em simulação computacional. Testes preliminares em cenário experimental ex-vivo e in-vivo foram realizados para estudo de viabilidade.This thesis proposes a model for the thermoelectric response of a thermal ablation system by radiofrequency. The system consists of a radiofrequency generator, an umbrella type electrode and a region of hepatic tissue submitted to an electric potential step signal. We considered preliminary models based on electrical circuits of first and second order and bio-heat transfer equations. We avaliated a correlation between the characteristic attributes of the temperature response and the volume of ablation. In particular, we studied the roll-off phenomenon, and we proposed a way of estimating its instant of occurrence and thus the corresponding total volume of a target tissue. The modeling suggests a new surgical technique, where an initial operative procedure is performed for evaluate the individual electrical characteristics of the liver of patient. After, the system proposes a protocol suggestion, power of the signal to be applied and duration of the ablation procedure for a target firing volume, defined by the medical images. The proposed surgical technique contrasted with current literature techniques which use statistical mean values of the electrical characteristics of a population and based on a theoretical study based on computer simulation. Preliminary tests in ex-vivo and in-vivo experimental setting performed for a feasibility study

Analysis of the movement of food bolus : a comparison between a healthy esophagus and a chagasic megaesophagus

Objetivo: estudar a dinâmica do comportamento do esôfago humano quando afetado por doença de Chagas e propor um controlador orgânico para auxiliar no aperistaltismo do órgão. Métodos: um modelo de massa, mola e amortecedor foi proposto para modelar o deslocamento do bolo alimentar no esôfago durante a ação peristáltica. Foram utilizados parâmetros da literatura para simular o megaesôfago chagásico e o saudável. Resultados: foram analisadas as curvas de velocidade e deslocamento de ambos os modelos e identificou-se as diferenças dinâmicas entre o órgão saudável e um doente. O deslocamento de alimentos em um tipo de Chagas megaesófago II (3 centímetros de dilatação) é apenas 11,84% do deslocamento num esófago saudável. Conclusão: a doença de chagas gera uma velocidade próxima de zero e um alto amortecimento na curva de descida do alimento que devido ao peristaltismo o deslocamento que não pode retornar ao seu estado inicial, o que comprova a retenção do bolo alimentar. Com o sistema de controle orgânico proposto obteve-se uma aproximação das curvas a um comportamento dinâmico próximo do modelo do órgão saudável, minimizando a retenção do alimento.Objective: to study the dynamics of the human esophagus behavior when affected by Chagas disease. Methods: a mass-spring-damper model was proposed to model the food through the esophagus during peristaltic action. After that, parameters were recalculated to simulate a chagasic megaesophagus. Results: the velocity and displacement curves from both models were analyzed and the dynamic differences between the healthy organ and the ill one, identified. According to the results obtained, the food displacement in a chagasic megaesophagus type II (3 centimeters dilated) is just 11.84% of the displacement in a healthy esophagus. Conclusion: Chagas disease generates a velocity close to zero and a high dampering in the downwards curve of the bolus whose displacement cannot return to its initial state, due to aperistalses, which proves the food bolus retention. With the introduction of the proposed organic control system, an approximation of the curves that remained with dynamic behavior close to the model of the healthy organ was obtained, minimizing the retention of the food

Analysis of the movement of food bolus : a comparison between a healthy esophagus and a chagasic megaesophagus

Objetivo: estudar a dinâmica do comportamento do esôfago humano quando afetado por doença de Chagas e propor um controlador orgânico para auxiliar no aperistaltismo do órgão. Métodos: um modelo de massa, mola e amortecedor foi proposto para modelar o deslocamento do bolo alimentar no esôfago durante a ação peristáltica. Foram utilizados parâmetros da literatura para simular o megaesôfago chagásico e o saudável. Resultados: foram analisadas as curvas de velocidade e deslocamento de ambos os modelos e identificou-se as diferenças dinâmicas entre o órgão saudável e um doente. O deslocamento de alimentos em um tipo de Chagas megaesófago II (3 centímetros de dilatação) é apenas 11,84% do deslocamento num esófago saudável. Conclusão: a doença de chagas gera uma velocidade próxima de zero e um alto amortecimento na curva de descida do alimento que devido ao peristaltismo o deslocamento que não pode retornar ao seu estado inicial, o que comprova a retenção do bolo alimentar. Com o sistema de controle orgânico proposto obteve-se uma aproximação das curvas a um comportamento dinâmico próximo do modelo do órgão saudável, minimizando a retenção do alimento.Objective: to study the dynamics of the human esophagus behavior when affected by Chagas disease. Methods: a mass-spring-damper model was proposed to model the food through the esophagus during peristaltic action. After that, parameters were recalculated to simulate a chagasic megaesophagus. Results: the velocity and displacement curves from both models were analyzed and the dynamic differences between the healthy organ and the ill one, identified. According to the results obtained, the food displacement in a chagasic megaesophagus type II (3 centimeters dilated) is just 11.84% of the displacement in a healthy esophagus. Conclusion: Chagas disease generates a velocity close to zero and a high dampering in the downwards curve of the bolus whose displacement cannot return to its initial state, due to aperistalses, which proves the food bolus retention. With the introduction of the proposed organic control system, an approximation of the curves that remained with dynamic behavior close to the model of the healthy organ was obtained, minimizing the retention of the food

3D reconstruction of symmetric objects from point clouds using parametric models of superquadrics for robotic vision

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2013.Uma das aplicações de sistemas de visão robótica em intensa pesquisa atualmente é a reconstrução 3D de objetos a partir de nuvens de pontos para realizar o reconhecimento e localização desses objetos. Este trabalho tem como objetivo desenvolver um método para reconstruir objetos sólidos representados por nuvem de pontos utilizando um modelo paramétrico de superquádricas com o fim de usar em sistemas de visão robótica. A metodologia implementada consiste em obter 5 superelipsoides geradas artificialmente mais 4 objetos reais com nuvem de pontos extraída usando uma câmera comercial com sensor de profundidade - o Kinect®. A partir da nuvem de pontos de objetos simétricos que possam ter descrição matemática por superquádricas foram utilizados algoritmos especialmente desenvolvidos para a identificação dos onze parâmetros que descrevem tamanho, posição, rotação e forma que caracterizem o objeto-alvo. Por ultimo, a tarefa de minimizar a função implícita da superquádrica com o algoritmo iterativo de Levenberg-Marquardt até chegar aos verdadeiros parâmetros e construir o modelo tridimensional do objeto-alvo. A análise dos resultados se fez de duas formas. Primeiramente, foi feita a avaliação de cada etapa do algoritmo através da comparação dos resultados obtidos com os resultados esperados. Neste caso, o resultados demonstraram um erro padrão assintótico de 1% para cada parâmetro, o que favorece a validação da metodologia. Em seguida, foram usadas nuvens de pontos de objetos reais, cuja análise experimental demonstrou resultados do vetor de parâmetros característicos do objeto com valor de erro padrão assintótico para cada parâmetro também menor do que 1% . Os resultados também puderam ser avaliados graficamente, mostrando a aproximação dos pontos estimados com os pontos das imagens reais durante as iterações. Os resultados desta pesquisa demonstraram não só a eficácia do método com nuvens de pontos simuladas, mas também sua adequação à nuvem de pontos de objetos reais, onde se incluem ruído, erros de calibração do sistema de aquisição e descrição do objeto. ______________________________________________________________________________________ ABSTRACTOne of the applications of robotic vision systems intensively researched today is the 3D reconstruction of objects from point clouds to achieve the recognition and location of these objects. This work aims at developing a method to reconstruct solid objects represented by point clouds using a parametric model of superquadrics in order to use in robot vision systems. The implemented methodology makes use of 5 synthetic superelipsoids and 4 real objects with point clouds extracted by using a commercial camera with a depth sensor – The Microsoft Kinect®. With point clouds of symmetrical objects that may have mathematical description for superquadrics, algorithms were developed to identify the eleven parameters that describe size, position, rotation and shape that characterize the target object. Finally, the task of minimizing the implicit function of the superquadric by using the iterative algorithm of Levenberg-Marquardt to get the true parameters and to construct the 3D model of the target object. The analysis was carried out in two ways. First, each step of the algorithm was assessed by comparing the results with the expected results. In this case, the results showed an average error of 1% for each parameter, which promotes the validation methodology. Then, point clouds were used from real objects, whose experimental analysis demonstrated results for the characteristic parameter vector with mean square errors for each parameter also less than 1%. The results also could be evaluated graphically, showing the approach of the estimated points to the points of the actual images during the iterations. These results demonstrate not only the effectiveness of the method with simulated point clouds, but also its suitability for point clouds of real objects, which include noise, calibration errors of the acquisition system and object description

Análise do deslocamento do bolo alimentar: comparação entre o esôfago saudável e modelo de megaesôfago chagásico

RESUMO Objetivo: estudar a dinâmica do comportamento do esôfago humano quando afetado por doença de Chagas e propor um controlador orgânico para auxiliar no aperistaltismo do órgão. Métodos: um modelo de massa, mola e amortecedor foi proposto para modelar o deslocamento do bolo alimentar no esôfago durante a ação peristáltica. Foram utilizados parâmetros da literatura para simular o megaesôfago chagásico e o saudável. Resultados: foram analisadas as curvas de velocidade e deslocamento de ambos os modelos e identificou-se as diferenças dinâmicas entre o órgão saudável e um doente. O deslocamento de alimentos em um tipo de Chagas megaesófago II (3 centímetros de dilatação) é apenas 11,84% do deslocamento num esófago saudável. Conclusão: a doença de chagas gera uma velocidade próxima de zero e um alto amortecimento na curva de descida do alimento que devido ao peristaltismo o deslocamento que não pode retornar ao seu estado inicial, o que comprova a retenção do bolo alimentar. Com o sistema de controle orgânico proposto obteve-se uma aproximação das curvas a um comportamento dinâmico próximo do modelo do órgão saudável, minimizando a retenção do alimento