Kit eletrônico de apoio didático para a disciplina de sistemas de controle

Monografia (graduação)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, Curso de Engenharia Eletrônica, 2014.O presente Trabalho de Conclusão de Curso - TCC, tem por objetivo o desenvolvimento de um kit eletrônico didático de baixo custo a ser utilizado por professores e estudantes para a analise de conceitos e prática experimental na área de controle. Através da implementação de um servossistema, de um controlador PID e com o auxilio do Matlab, pretende-se explorar conceitos tais como estabilidade, critérios de desempenho em regime permanente e transitório gráficos de Bode, LGR, métodos de sintonia de controladores PID, dentre outros.The present final work aims to development a low cost electronic kit to be used by teachers and students to verify concepts and experimental practices in control area. By observing a servo system, a PID control and with Matlab, intends to explore concepts related to control system course, e.g., stability study, Bode graphics, PID controller tuning, and others

Modelagem Bond Graph e controlador discreto de um equipamento médico assistencial de ablação por radiofrequência

Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2022.A Ablação por Radiofrequência (ARF) é uma técnica cirúrgica moderna utilizada como primeira opção de tratamento em pacientes com câncer hepático em estágio inicial de desenvolvimento. A redução do tempo de internação e a redução de complicações pós-cirúrgicas são vantagens que se destacam nessa técnica, entre outras. O procedimento possui limitações, dentre as quais elencamos três: 1) quando aplicada em tumores maiores do que 3 cm ela não responde adequadamente, sendo o tamanho do tumor o maior fator de recorrência da técnica; 2) apresenta protocolos de aplicação de energia genéricos que nem sempre levam em conta a subjetividade de cada paciente e 3) não há uma padronização na descrição do comportamento dinâmico da resposta do tecido submetido a ablação, por exemplo, qual a impedância inicial do procedimento, qual impedância mínima, critério de finalização do procedimento, entre outros. Estas lacunas são os principais pontos abordados neste trabalho. Esta tese tem como objetivo obter indicadores paramétricos do comportamento da curva de impedância e a proposição de um controlador discreto para um equipamento de ARF. Isso permitirá aperfeiçoar o protocolo de aplicação e, consequentemente, ampliar o volume de dano térmico e diminuir a irregularidade na formação do volume de coagulação, o qual é o volume de células que realmente sofrem morte celular. Este trabalho contribui com os benefícios em se evidenciar a zona de carbonização na divulgação de dados experimentais com fins na expansão do dano térmico. A curva de impedância foi obtida para 5 cenários ex-vivo e, a partir deles, 7 parâmetros foram identificados na curva. Destes parâmetros, 3 índices de desempenho são derivados: um parâmetro que avalia a assimetria da curva; um segundo para avaliar o quanto a impedância decai com o tempo e um terceiro que avalia o quanto a impedância eleva-se a partir do ponto mínimo. O processo de desenvolvimento do controlador digital foi realizado por meio da obtenção de um modelo contínuo da planta do equipamento de ARF pela técnica Bond Graph e, em seguida, desenvolveu-se um controlador contínuo e seu equivalente discreto para o controle otimizado da potência do gerador. Os parâmetros e índices propostos apresentaram similaridades entre os grupos experimentais avaliados e fornecem uma forma alternativa para a descrição do comportamento da curva de impedância em diversos cenários de aplicação de RFA. O desenvolvimento de um controlador digital proporcionou melhoras no desempenho do equipamento com uma redução significativa do sobressinal e rastreio do sinal de referência. Esta melhoria propicia um controle adequado da homogeneidade do volume e alcance da margem de segurança do processo, tornando-o mais seguro. Com a obtenção do controlador discreto e a parametrização da curva de impedância pode-se minimizar as lacunas existentes no procedimento de RFA.Radiofrequency Ablation (RFA) is a modern surgical technique used as the first treatment option in patients with liver cancer at an early stage of development. Among others, the reduction in hospital stay and postoperative complications are the main advantages of this technique. The procedure has its limitations, among which we list three: 1) it does not respond adequately when applied to tumors larger than 3 cm, with tumor size being the greatest factor for recurrence of the technique; 2) it presents generic energy application protocols that do not always take into account the subjectivity of each patient and 3) there is no standardization in the description of the dynamic behavior of the tissue submitted to ablation, such as, for example, the initial impedance of the procedure, minimum impedance, procedure completion criterion, among others. These research gaps are the main points addressed in this work. This thesis aims at determining parametric indicators of the impedance curve behavior and proposing a discrete controller for an RFA equipment. This will allow to improve the application protocol and consequently, increase the volume of thermal damage and decrease the irregularity in the formation of the clotting volume, which is the volume that actually undergo cell death. This work contributes to the identification of the carbonization zone in the dissemination of experimental data on thermal damage. The impedance curve was obtained for five ex-vivo scenarios and, from them, seven parameters were identified in the curve. From these, three performance indices are derived: one that evaluates the asymmetry of the curve; a second that evaluates how much the impedance decays with time, and a third that evaluates how much the impedance rises from the minimum point. The digital controller was generated by obtaining a continuous model of the RFA equipment plant through the Bond Graph technique and subsequently, a continuous controller and its discrete equivalent were developed for the optimized control of the generator power. The parameters and indices proposed present similarities between the experimental groups evaluated and provide an alternative way to describe the behavior of the impedance curve in different RFA application scenarios. The development of a digital controller contributed to improve the equipment performance with a significant reduction in the overshoot and tracking of the reference signal. This improvement provides adequate control of volume homogeneity and facilitates attainment of the process’ safety margin, making it safer. Through the discrete controller and the parameterization of the impedance curve, the gaps in the RFA procedure can be minimized

Identificação de sistemas aplicados à ablação por radiofrequência (RFA) no caso do carcinoma hepatocelular (CHC) em equipamento médico assistencial nacional

A identificação de sistemas introduz ferramentas que permitem modelar sistemas ou processos com base em dados de entrada e saída obtidos a partir da observação de sistemas reais. Ela pode ser aplicada no desenvolvimento de equipamentos, plantas industriais, fenômenos biológicos, projetos de sistemas de monitoração e controle, dentre outros. A identificação nos fornece a obtenção de um modelo matemático que representa o processo sob algum aspecto. Um modelo pode descrever um sistema por completo ou apenas propriedades de interesse de acordo com a aplicação desejada. Este capítulo traz uma breve revisão de conceitos relacionados à identificação de sistemas e uma aplicação prática no procedimento de Ablação por Radiofrequência (ARF) para o tratamento de Carcinoma Hepatocelular (CHC) e sua importância na otimização e melhoramento da técnica em equipamento produzido pela Universidade de Brasília para o Sistema Único de Saúde sob a denominação de SOFIA (Software of Intense Ablation).The identification of systems offers tools which allow systems and processes’ modeling upon the input and output data, as gathered from the observation of real systems. It may, thus, be applied to the design of devices, industrial facilities, biological phenomena, monitoring and control systems, and other numerous applications. Identification of systems provides a mathematical model which represents the process through a certain aspect. A model can describe either a system as a whole or solely specific features of interest, according to the application. This chapter briefly reviews key concepts related to the identification of systems and introduces a practical application in the radiofrequency ablation procedure (RFA), aimed at the treatment of the hepatocellular carcinoma (HCC). It is meant to highlight its importance in the optimization and improvement of such technique, by means of the SOFIA (Software of Intense Ablation) device, developed by the University of Brasília for the Brazilian Unified Health System (SUS)

The use of radiofrequency for hepatocellular carcinoma ablation : an update review and perspectives

The World Health Organization classifies liver cancer among the five types of cancer with highest death rates in the world. Among the current methods available for the treatment of liver cancer, there is the resection of hepatic tissue and the radiofrequency ablation of the tumor. Even though resection presents the best results, only 10% to 15% of the affected patients may eligible for this procedure. On the other hand, the radiofrequency ablation encompasses a larger scope of patients and provides a non-invasive method when compared to resection. There is research with sufficient evidence to allow the transposition of this concept to new technological paradigms, which would yield a more effective ablation process, i.e.: generating enough volumetric necrosis for complete regression of the tumor, leading to a high survival rate of patients. These technological paradigms encompass aspects of operability, innovation and of theoretical framework. In terms of operability, there is the use of better imaging sources to aid the healthcare professional in the positioning of electrodes; in terms of innovation, there are new technologies such as the use of optical fiber microsensors and metallic magnetic nanoparticles to increase the efficiency of the process; in terms of theoretical framework, there is the development of more precise mathematical models that would expand the possibilities of application and increase its effectiveness. These new challenges are new possibilities that may reshape the concept and the use of radiofrequency ablation as it is currently known

Parametric evaluation of impedance curve in radiofrequency ablation : a quantitative description of the asymmetry and dynamic variation of impedance in bovine ex vivo model

Radiofrequency ablation (RFA) is a treatment for liver tumors with advantages over the traditional treatment of surgical resection. This procedure has the shortest recovery time in early stage tumors. The objective of this study is to parameterize the impedance curve of the RFA procedure in an ex vivo model by defining seven parameters (t1/2, tminimum, tend, Zinitial, Z1/2, Zminimum and Zend). Based on these parameters, three performance indices are defined: one to identify the magnitude of impedance curve asymmetry (δ), one Drop ratio (DR) describing the percentage of impedance decrease until the minimum impedance point is reached, and Ascent Ratio (AR) describing the magnitude of increase in impedance from the minimum impedance point to its maximum point. Fifty ablations were performed in a bovine ex vivo model to measure and evaluate the proposed parameters and performance index. The results show that the groups had an average δ of 29.02%, DR of 22.41%, and AR of 545.33% for RFA without the use of saline or deionized solutions. The saline solution and deionized water-cooled groups indicated the correlation of performance indices δ, DR, and AR with the obtained final ablation volume. Therefore, by controlling these parameters and indices, lower recurrence is achieved

Computational Analysis of Pulsed Radiofrequency Ablation in Treating Chronic Pain

In this paper, a parametric study has been conducted to evaluate the effects of frequency and duration of the short burst pulses during pulsed radiofrequency ablation (RFA) in treating chronic pain. Affecting the brain and nervous system, this disease remains one of the major challenges in neuroscience and clinical practice. A two-dimensional axisymmetric RFA model has been developed in which a single needle radiofrequency electrode has been inserted. A finite-element-based coupled thermo-electric analysis has been carried out utilizing the simplified Maxwell’s equations and the Pennes bioheat transfer equation to compute the electric field and temperature distributions within the computational domain. Comparative studies have been carried out between the continuous and pulsed RFA to highlight the significance of pulsed RFA in chronic pain treatment. The frequencies and durations of short burst RF pulses have been varied from 1 Hz to 10 Hz and from 10 ms to 50 ms, respectively. Such values are most commonly applied in clinical practices for mitigation of chronic pain. By reporting such critical input characteristics as temperature distributions for different frequencies and durations of the RF pulses, this computational study aims at providing the first-hand accurate quantitative information to the clinicians on possible consequences in those cases where these characteristics are varied during the pulsed RFA procedure. The results demonstrate that the efficacy of pulsed RFA is significantly dependent on the duration and frequency of the RF pulses

Roll off displacement in hepatic radiofrequency ablation by impedance control

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2017.O procedimento de Ablação por Radiofrequência ( ARF ) é uma alternativa minimamente invasiva para tumores situados no coração, pulmão, ossos ou, em particular, no fígado. A ARF proporciona o aquecimento do tecido cancerígeno por meio da aplicação de uma corrente alternada aplicada ao tumor. O uso de ARF é recomendada apenas para tumores menores de 3 cm devido ao aumento da taxa de recorrência do tumor e da taxa de progressão local as quais estão associadas ao diâmetro do tumor. A obtenção de volumes de necrose maiores do que 3 cm é de difícil obtenção por causa, principalmente, da perfusão sanguínea que atua como elemento dissipativo e do Roll off que é o súbito aumento da impedância do tecido ocasionada ao se atingir a carbonização celular. Ao se atingir o Roll off, a energia entregue ao tumor é interrompida provocando volumes de necrose menores. Dessa forma, pesquisas visando o aumento do volume mediante a utilização de diferentes geometrias de eletrodos ou a associação de injeção de soluções químicas tem sido propostas. Entretanto, tornam o processo mais invasivo e diminui a vantagem da ARF como procedimento minimamente invasivo. Este trabalho traz uma abordagem para a expansão do volume de necrose por meio do deslocamento temporal de ocorrência do Roll off mediante a infusão refrigerada de solução salina e água deionizada a 5∘C e 23∘C para avaliar a influência da temperatura dos líquidos durante a ARF em peças de fígado bovino ex vivo. Os resultados obtidos foram utilizados para se propor um modelo matemático da ocorrência do Roll off por meio de identificação de sistemas. Os resultados mostram que a terapia combinada de ARF e solução salina à baixa temperatura (5∘C) favorece a ampliação do tempo de ocorrência do Roll off e consequentemente a obtenção de volumes maiores de necrose em experimentos ex vivo. Um modelo Box-Jenkins e um modelo no espaço de estados de predição de ocorrência do Roll off foram obtidos podendo ser incorporados em equipamentos de ARF como estratégia de controle.The radiofrequency ablation procedure is a minimally invasive alternative for tumors located in the heart, lungs, bones, or in particular, the liver. The RFA heats the cancerous tissue through the application of an alternating current applied to the tumor. The RFA is recommended solely for tumors less than 3 cm of diameter in size, due to the tumor’s recurrence rate and the local progression rate which are associated with the tumor’s diameter. Obtaining necrosis volumes greater than 3 cm is rather difficult, mainly due to blood perfusion that acts as a dissipative element and due to the Roll off, which is the sudden increase of the tissue’s impedance after reaching cellular carbonization. By reaching the Roll off, the energy given to the tumor ceases, leading to smaller necrosis volumes. Accordingly, research aiming to increase this volume through different electrode geometries or association of chemical saline solutions have been proposed. However, they make the process more invasive and thus lower the advantage of the RFA as a minimally invasive process over other procedures. The present work brings an approach for the expansion of the necrosis volume by the temporal displacement of the Roll off through the refrigerated infusion of saline solution and deionized water at 5∘C and 23∘C, to evaluate the temperature influence of the liquids during the RFA in ex vivo bovine liver pieces. The collected results were used to propose a mathematical model of the Roll off occurence, through system identification. The results show that the combined therapy of RFA and saline solution at low temperature (5∘C) favors the broadening of the Roll off occurence time period and consequently the obtention of greater necrosis volumes in ex vivo experiments as well. A Box-Jenkins model and a model in the Roll off prediction space states were obtained, allowing their incorporation to RFA equipments as a control strategy

Roll off displacement in hepatic radiofrequency ablation by impedance control

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2017.O procedimento de Ablação por Radiofrequência ( ARF ) é uma alternativa minimamente invasiva para tumores situados no coração, pulmão, ossos ou, em particular, no fígado. A ARF proporciona o aquecimento do tecido cancerígeno por meio da aplicação de uma corrente alternada aplicada ao tumor. O uso de ARF é recomendada apenas para tumores menores de 3 cm devido ao aumento da taxa de recorrência do tumor e da taxa de progressão local as quais estão associadas ao diâmetro do tumor. A obtenção de volumes de necrose maiores do que 3 cm é de difícil obtenção por causa, principalmente, da perfusão sanguínea que atua como elemento dissipativo e do Roll off que é o súbito aumento da impedância do tecido ocasionada ao se atingir a carbonização celular. Ao se atingir o Roll off, a energia entregue ao tumor é interrompida provocando volumes de necrose menores. Dessa forma, pesquisas visando o aumento do volume mediante a utilização de diferentes geometrias de eletrodos ou a associação de injeção de soluções químicas tem sido propostas. Entretanto, tornam o processo mais invasivo e diminui a vantagem da ARF como procedimento minimamente invasivo. Este trabalho traz uma abordagem para a expansão do volume de necrose por meio do deslocamento temporal de ocorrência do Roll off mediante a infusão refrigerada de solução salina e água deionizada a 5∘C e 23∘C para avaliar a influência da temperatura dos líquidos durante a ARF em peças de fígado bovino ex vivo. Os resultados obtidos foram utilizados para se propor um modelo matemático da ocorrência do Roll off por meio de identificação de sistemas. Os resultados mostram que a terapia combinada de ARF e solução salina à baixa temperatura (5∘C) favorece a ampliação do tempo de ocorrência do Roll off e consequentemente a obtenção de volumes maiores de necrose em experimentos ex vivo. Um modelo Box-Jenkins e um modelo no espaço de estados de predição de ocorrência do Roll off foram obtidos podendo ser incorporados em equipamentos de ARF como estratégia de controle.The radiofrequency ablation procedure is a minimally invasive alternative for tumors located in the heart, lungs, bones, or in particular, the liver. The RFA heats the cancerous tissue through the application of an alternating current applied to the tumor. The RFA is recommended solely for tumors less than 3 cm of diameter in size, due to the tumor’s recurrence rate and the local progression rate which are associated with the tumor’s diameter. Obtaining necrosis volumes greater than 3 cm is rather difficult, mainly due to blood perfusion that acts as a dissipative element and due to the Roll off, which is the sudden increase of the tissue’s impedance after reaching cellular carbonization. By reaching the Roll off, the energy given to the tumor ceases, leading to smaller necrosis volumes. Accordingly, research aiming to increase this volume through different electrode geometries or association of chemical saline solutions have been proposed. However, they make the process more invasive and thus lower the advantage of the RFA as a minimally invasive process over other procedures. The present work brings an approach for the expansion of the necrosis volume by the temporal displacement of the Roll off through the refrigerated infusion of saline solution and deionized water at 5∘C and 23∘C, to evaluate the temperature influence of the liquids during the RFA in ex vivo bovine liver pieces. The collected results were used to propose a mathematical model of the Roll off occurence, through system identification. The results show that the combined therapy of RFA and saline solution at low temperature (5∘C) favors the broadening of the Roll off occurence time period and consequently the obtention of greater necrosis volumes in ex vivo experiments as well. A Box-Jenkins model and a model in the Roll off prediction space states were obtained, allowing their incorporation to RFA equipments as a control strategy