Desarrollo de un software en MATLAB para la simulación de campo ultrasónico

The study of the acoustic field generated by an ultrasonic transducer is fundamental to its construction and characterization, because it defines how it will behave before being built. It also defines whether it is feasible or not, for the application to which it was designed. It can also lead to modifications to the project so it behaves as expected. In this work, a software was implemented in MATLAB®, for computational simulation of acoustic fields generated by ultrasonic transducers of different configurations. Two models were used, Zemanek and Stepanishen. Transducers with focus and apodization and transmission medium with attenuation may also be simulated. For the simulation of Zemanek’s model, the mathematical method of discretization was used. The Stepanishen’s model used an analytical solution for the impulse response. The developed programs were aggregated into a computer package, named FSIM, and a graphic interface was created. The user can choose among some of the transducer configurations and simulation parameters already implemented. FSIM has a modular architecture and allows further simulation modules to be added. The simulations were validated comparing results to those previously published in classical papers from Zemanek, and from Lockwood and Willete, in addition to prior results from research studies conducted at the Biomedical Engineering Department of the School of Electrical and Computing Engineering at the Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP).El estudio del campo acústico generado por un transductor ultrasónico es fundamental para su construcción y caracterización, ya que define cómo se comportará antes de ser construido. También define si realmente es factible para la aplicación a la que fue diseñado, y también puede sugerir modificaciones al proyecto, para que se comporte como se espera. En este trabajo un software fue implementado en MATLAB®, para la simulación computacional de los campos acústicos generados por los transductores ultrasónicos de diferentes configuraciones. Dos modelos fueran usados, Zemanek y Stepanishen. Transductores con el enfoque y apodización y medios con atenuación también pueden ser simulados. Para la simulación del modelo de Zemanek, se utilizó el método matemático de discretización y para el modelo de Stepanishen, se empleó una solución analítica para la respuesta impulsiva. Los programas desarrollados fueron agregados en un paquete computacional, llamado FSIM, y una interfaz gráfica fue creada. El usuario puede elegir entre algunas configuraciones del transductor y parámetros de simulación ya implementados; FSIM tiene una arquitectura modular y permite que otros módulos de simulación sean añadidos. Las simulaciones fueron validadas comparando resultados obtenidos previamente por otros trabajos de investigación del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación de la UNICAMP y por los artículos clásicos de Zemanek y Lockwood y Willette

Advances and perspectives of mechanomyography

INTRODUCTION: The evaluation of muscular tissue condition can be accomplished with mechanomyography (MMG), a technique that registers intramuscular mechanical waves produced during a fiber's contraction and stretching that are sensed or interfaced on the skin surface. OBJECTIVE: Considering the scope of MMG measurements and recent advances involving the technique, the goal of this paper is to discuss mechanomyography updates and discuss its applications and potential future applications. METHODS: Forty-three MMG studies were published between the years of 1987 and 2013. RESULTS: MMG sensors are developed with different technologies such as condenser microphones, accelerometers, laser-based instruments, etc. Experimental protocols that are described in scientific publications typically investigated the condition of the vastus lateralis muscle and used sensors built with accelerometers, third and fourth order Butterworth filters, 5-100Hz frequency bandpass, signal analysis using Root Mean Square (RMS) (temporal), Median Frequency (MDF) and Mean Power Frequency (MPF) (spectral) features, with epochs of 1 s. CONCLUSION: Mechanomyographic responses obtained in isometric contractions differ from those observed during dynamic contractions in both passive and functional electrical stimulation evoked movements. In the near future, MMG features applied to biofeedback closed-loop systems will help people with disabilities, such as spinal cord injury or limb amputation because they may improve both neural and myoelectric prosthetic control. Muscular tissue assessment is a new application area enabled by MMG; it can be useful in evaluating the muscular tonus in anesthetic blockade or in pathologies such as myotonic dystrophy, chronic obstructive pulmonary disease, and disorders including dysphagia, myalgia and spastic hypertonia. New research becomes necessary to improve the efficiency of MMG systems and increase their application in rehabilitation, clinical and other health areas304384401CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQFINANCIADORA DE ESTUDOS E PROJETOS - FINEPsem informaçã

Action potential: from excitation to neural adaptation

INTRODUCTION: The action potential (AP) arises due to a disturbance of the resting state of the cell membrane with consequent flow of ions across the membrane and ion concentration changes in intra and extra cellular space. OBJECTIVES: This article aims to summarize the scientific knowledge accumulated to date on the action potential and neural adaptation in the process of applying a constant stimulus. MATERIALS AND METHODS: This is a literature review on the bases Springer, ScienceDirect, PubMed, IEEE Xplore, Google Scholar, Capes Periodicals Portal as well as books on the topic. The selected preferred language was English with the keywords: action potential; adaptation, accommodation; rheobase; chronaxy; nerve impulse. We conducted a search of articles with a wide time window from 1931 to 2010 and books from 1791 to 2007. RESULTS: In the selected studies was extracted information about the following topics: action potential and its stages; nerve conduction; rheobase; chronaxie, accommodation, and adaptation. CONCLUSION: A stimulus that creates AP, if applied consistently, can reduce the frequency of depolarization as a function of time and, consequently, to adapt the cell. The time it takes the cell in the absence of stimuli, to recover its original frequency, is defined as a disadaptation.INTRODUÇÃO: O potencial de ação (PA) origina-se graças a uma perturbação do estado de repouso da membrana celular, com consequente fluxo de íons, por meio da membrana e alteração da concentração iônica nos meios intra e extracelular. OBJETIVOS: Sintetizar o conhecimento científico acumulado até o presente sobre o potencial de ação neural e o seu processo de adaptação sob aplicação de um estímulo constante. MATERIAIS E MÉTODOS: Busca realizada nas bases Springer, ScienceDirect, PubMed, IEEE Xplore, Google Acadêmico, Portal de Periódicos da Capes, além de livros referentes ao assunto. O idioma de preferência selecionado foi o inglês, com as keywords: action potential; adaptation; accommodation; rheobase; chronaxy; nerve impulse. Efetuou-se a procura de artigos com uma janela de tempo de 1931 a 2010 e livros de 1791 a 2007. RESULTADOS: Dos trabalhos selecionados, foram extraídas informações a respeito dos seguintes tópicos: potencial de ação e suas fases; condução nervosa; reobase; cronaxia; acomodação; e adaptação neuronal. CONCLUSÃO: Um estímulo que crie PA, se aplicado de maneira constante, pode reduzir a frequência de despolarizações em função do tempo e, consequentemente, adaptar a célula. O tempo que a célula demora, na ausência de estímulos, para recuperar sua frequência original é definido como desadaptação.535547Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES

Efeitos da polarização não-uniforme de ceramicas piezoeletricas no campo de Transdutores de ultra-Som

Orientador: Eduardo Tavares CostaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de ComputaçãoResumo: O objetivo da apodização (polarização não-uniforme) foi obter discos de cerâmicas piezoelétricas que vibrassem mais intensamente na região central do que na região periférica, para produzir transdutores de ultra-som com campos em que a contribuição das ondas de borda fosse mínima, reduzindo os efeitos da difração. Um programa para implementar o Método de Elementos Finitos (MEF) foi usado para simular o campo elétrico de polarização de um disco de cerâmica, formatado por eletrodo esférico. Procurou-se determinar o melhor valor do raio do eletrodo para o processo de apodização, a distribuição dos vetores de campo elétrico no interior da cerâmica e descrever a intensidade do campo elétrico de apodização por uma equação polinomial. O MEF também foi usado para simular o comportamento vibracional dos discos de cerâmica apodizados. Os resultados deste trabalho demonstraram que é possível modificar a polarização da cerâmica usando um eletrodo esférico encostado na face superior do disco cerâmico, cujo eletrodo depositado original foi previamente removido. Discos de PZT5A foram apodizados e usados na montagem de transdutores de ultra-som. Também foram montados transdutores com cerâmicas polarizadas uniformemente, para comparar o desempenho destes com os apodizados. O mapeamento do campo acústico dos transdutores construídos mostrou que os campos gerados pelos transdutores apodizados atingem distâncias maiores a partir da face do transdutor, em relação aos transdutores não-apodizados, devido à menor contribuição das ondas de borda, que reduz os efeitos da difração acústicaAbstract: The objective of apodization (non uniform polarization) was to obtain piezoelectric ceramic discs that would vibrate more intensively in the central region than in the edge, to produce ultrasound transducers with acoustic fields where the contributions of the edge waves were minimal, reducing diffraction effects. A program to implement the Finite Element Method (FEM) was used to simulate the electrical polarization field for a ceramic disc. A spherical electrode formatted this electrical field. We tried to determine the best radius of the electrode for the apodization process, the distribution of the electrical field vectors inside the ceramic disc, and to describe the intensity of the apodized electrical field by a polynomial equation. FEM was also used to simulate the vibrational behavior of apodized ceramic discs. The results of this work have shown that it is possible to modify the polarization using a spherical electrode touching the superior face of the ceramic disc, which previous electrode was removed. PZT5A ceramic discs were apodized and used to construct ultrasound transducers. It has also been constructed ultrasound transducers with conventional ceramic discs, in order to compare their performance to that of apodized transducers. The mapping of the acoustic fields of the constructed transducers has shown that the fields generated by the apodized transducers have extended range from the transducer face, compared to that of the non-apodized transducers, due to the lesser contributions of the edges waves reducing the acoustical diffraction effectsDoutoradoDoutor em Engenharia Elétric

Projeto e construção de um estimulador optico alternador e reversor de padrões para potencial evocado

Orientador : Wang BinsengDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia EletricaResumo: O potencial evocado visual (PEV) é uma resposta elétrica provocada por estimulação visual da retina e registrada no escalpo sobre a região occipital do córtex. Como índice objetivo da experiência visual. é utilizado clinicamente para avaliar a função visual. requerendo pouca cooperação do paciente e auxiliando no prognóstico e diagn6stico de distúrbios visuais. Dois tipos gerais de estímulos visuaIs são usados para provocar PEV: estímulos não-padronizados do tipo nflashesn de luz e estímulos padronizados. i.e.. padrões 6pticos ricos em bordas de contraste. tais como xadrez e barras. Os estímulos padronizados podem ser apresentados alternadamente com quadros pretos (luminância variável) ou reversivamente. i.e.. com os elementos pretos e brancos alternando de cor (luminância constante). Um estimulador programável com padrões ópticos foi construído com um microprocessador de 8 bits (8085). decodificadores. buffers, RAM (2114). EPROM (2716), controlador de vídeo (8275) e uma interface paralela (8255) para comunicação com o usuário através do painel de controle. Os padrões ópticos gerados são apresentados na tela de um televisor comum em preto-e-branco modificado. Nas chaves do painel de controle. selecionam-se as características de estimulação: - tipo de estímulo: xadrex, barras horizontais e verticais; - número de elementos: xadrez - lxl. 2x2. 4x4, 8x8. 16x16. 30x30. 40x40 e 80x80; modo de estimulação: alternado ou reversivo; - frequência de estimulação: 0.5. 1.0 1.5. 2.0. 3.0, 3.75. 5.0. 6.0. 7.5 e 15 estímulos/s; e - campo visual: completo. Às medidas de bancada e os resultados dos testes experimentais demonstraram o bom desempenho do prot6tipo em provocar PEV. Posteriormente, o prot6tipo será testado e utilizado no Hospital de Clínicas da UNICAMP, em conhunto com o Sistema Inteorado para Potencial Evocado em desenvolvimentoAbstract: Visual evoked potential (VEP) is a cortical response elicited by optical stimulation of the retina recorded on the scalp in the occipital region. It- can.be( used as an objective index of visual experience in studies of human visual system, requirino little patient cooperation and without involvement of subjective judgement. Two kinds of stimuli have been used to elicit VEP: non-patterned stimuli, i.e.. ligth flashes and patterned stimuli. l.e.. optical patterns such as checkerboards or vertical bars. Patterned stimuli can be presented either alternating patterns with black frames (non-constant luminance) or reversing black elements to white and vlce-versa (constant luminance). A programmable optical-pattern stimulator for VEP was built with an 8-bit microprocessor (8085) . decoders, RAM (2114) . EPROM (2716). a video controller (8275), and a parallel interface (8255). The patterned stimuli generated are presented to patient on the screen of a 16-inch black-and-white TV set. Five switches on the front panel are available for selection of the stimulation parameters: - patterns: checkerboard. horizontal bars, and vertical bars; - number of elements: checkerboard - lx1, 2x2, 4x4, 8x8. 16x16, 30x30. 40x40 and 80x80; bars - 1, 2, 4, 8, 16, 30, 40 and 80; - stimulation mode: alternating or rever sal; - stimulation rate: 0.5, 1.0. 1.5. 2.0, 3.0 3.75, 5.0, 6.0, 7.5 and 15 stimuli/s; and - visual field: full. The bench tests and the experimental results have confirmed the Qood performance of the prototype. Further work will be done towards clinical assesment of the optical stimulator in conjunction with the inteQrated system for evoked potential (currently, beinQ developed) at the University Hospital of CampinasMestradoMestre em Engenharia Elétric

Development of a matlab environment software for simulation of ultrasonic field

The study of the acoustic field generated by an ultrasonic transducer is fundamental to its construction and characterization, because it defines how it will behave before being built. It also defines whether it is feasible or not, for the application to which it was designed. It can also lead to modifications to the project so it behaves as expected. In this work, a software was implemented in MATLAB®, for computational simulation of acoustic fields generated by ultrasonic transducers of different configurations. Two models were used, Zemanek and Stepanishen. Transducers with focus and apodization and transmission medium with attenuation may also be simulated. For the simulation of Zemanek's model, the mathematical method of discretization was used. The Stepanishen's model used an analytical solution for the impulse response. The developed programs were aggregated into a computer package, named FSIM, and a graphic interface was created. The user can choose among some of the transducer configurations and simulation parameters already implemented. FSIM has a modular architecture and allows further simulation modules to be added. The simulations were validated comparing results to those previously published in classical papers from Zemanek, and from Lockwood and Willete, in addition to prior results from research studies conducted at the Biomedical Engineering Department of the School of Electrical and Computing Engineering at the Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP).El estudio del campo acústico generado por un transductor ultrasónico es fundamental para su construcción y caracterización, ya que define cómo se comportará antes de ser construido. También define si realmente es factible para la aplicación a la que fue diseñado, y también puede sugerir modificaciones al proyecto, para que se comporte como se espera. En este trabajo un software fue implementado en MATLAB®, para la simulación computacional de los campos acústicos generados por los transductores ultrasónicos de diferentes configuraciones. Dos modelos fueran usados, Zemanek y Stepanishen. Transductores con el enfoque y apodización y medios con atenuación también pueden ser simulados. Para la simulación del modelo de Zemanek, se utilizó el método matemático de discretización y para el modelo de Stepanishen, se empleó una solución analítica para la respuesta impulsiva. Los programas desarrollados fueron agregados en un paquete computacional, llamado FSIM, y una interfaz gráfica fue creada. El usuario puede elegir entre algunas configuraciones del transductor y parámetros de simulación ya implementados; FSIM tiene una arquitectura modular y permite que otros módulos de simulación sean añadidos. Las simulaciones fueron validadas comparando resultados obtenidos previamente por otros trabajos de investigación del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación de la UNICAMP y por los artículos clásicos de Zemanek y Lockwood y Willette

Relationship between peak and mean amplitudes of the stimulating output voltage for functional control of the knee by spinal cord patients and healthy volunteers

INTRODUCTION: Functional electrical stimulation (FES) may evoke movements in people with movement impairments due to neurological lesion. The mean value of electrical current or voltage during FES depends on the stimulatory profile parameters. To investigate the relationship between peak and mean amplitudes of the stimulator output voltage while causing a knee extension angle change from 90º to 40º to choose the best and safest profile to be applied in people who have suffered a spinal cord injury. METHODS: Healthy (N = 10) volunteers and those with spinal cord injuries (N = 10) participated in this study. Each FES profile (P1, P2, P3 and P4) had 1-kHz pulses (100 µs or 200 µs on and 900 µs or 800 µs off) with burst frequencies of 50 Hz (3 ms on and 17 ms off) or 70 Hz (3 ms on and 11 ms off) and peak amplitudes set between 53-125V for healthy volunteers and 68-198 V for volunteers with spinal cord injury. RESULTS: The highest mean amplitude were obtained using a FES profile with active/total pulse period of 200 us/1000 us and burst frequency of 3ms/14ms. The best results of mean amplitude were observed using a FES profile duty cycle of 10% for pulses (100 µs/1000 µs) and 15% for bursts (3 ms/20 ms). CONCLUSION: The FES profile (100 µs - 50 Hz) seems to be the most suitable for both groups, inasmuch as it presents smaller mean amplitudes and peak amplitudes similar to other FES profiles.144152Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES

Potencial de ação: do estímulo à adaptação neural

Introdução: O potencial de ação (PA) origina-se graças a uma perturbação do estado de repouso da membrana celular, com consequente fluxo de íons, por meio da membrana e alteração da concentração iônica nos meios intra e extracelular. Objetivos: Sintetizar o conhecimento científico acumulado até o presente sobre o potencial de ação neural e o seu processo de adaptação sob aplicação de um estímulo constante. Materiais e métodos: Busca realizada nas bases Springer, ScienceDirect, PubMed, IEEE Xplore, Google Acadêmico, Portal de Periódicos da Capes, além de livros referentes ao assunto. O idioma de preferência selecionado foi o inglês, com as keywords: action potential; adaptation; accommodation; rheobase; chronaxy; nerve impulse. Efetuou-se a procura de artigos com uma janela de tempo de 1931 a 2010 e livros de 1791 a 2007. Resultados: Dos trabalhos selecionados, foram extraídas informações a respeito dos seguintes tópicos: potencial de ação e suas fases; condução nervosa; reobase; cronaxia; acomodação; e adaptação neuronal. Conclusão: Um estímulo que crie PA, se aplicado de maneira constante, pode reduzir a frequência de despolarizações em função do tempo e, consequentemente, adaptar a célula. O tempo que a célula demora, na ausência de estímulos, para recuperar sua frequência original é definido como desadaptação