Modelagem e Instrumentação em
Tomografia por Impedância Elétrica
Grupo de pesquisa da Universidade Federal do ABC.
A Tomografia por Impedância Elétrica
A Tomografia por Impedância Elétrica (TIE) é uma técnica de obtenção de imagens que consiste na determinação de um mapa de distribuição de impeditividades (ou condutividades) em um determinado volume a partir de medições elétricas em sua superfície.
Apesar de ainda pouco utilizada na rotina médica, a TIE possui grande potencial nessa área. A impedância de um tecido depende de várias características celulares, tais como o tamanho das células, sua orientação, a espessura de suas membranas e quantidade de água dentro e fora das células. Existem diversos trabalhos utilizando TIE em aplicações clínicas com diferentes níveis de sucesso. Uma das aplicações clínicas mais validadas da TIE é o monitoramento da função gastrointestinal. Alimentos ou líquidos de condutividade conhecida podem ser usados como contraste para medir não só a velocidade de esvaziamento gástrico como também a motilidade gástrica. Outra aplicação comum da TIE é o monitoramento da função pulmonar, incluindo a geração de imagens de ventilação e perfusão pulmonares, a investigação de embolia pulmonar, derrames e efeitos da ventilação mecânica. Além dessas aplicações, podem-se citar ainda o monitoramento do sistema circulatório e a detecção de câncer de mama. O monitoramento da atividade cerebral também aparece entre as aplicações promissoras da TIE, uma vez que durante uma isquemia cerebral a impedância do tecido cerebral aumenta em até 100%.
Saiba maisAtualmente, a TIE é aplicada em diversas áreas. Através da TIE é possível obter imagens em concreto para detecção de fissuras tanto em geometrias cilíndricas quanto em superfícies planas. Alguns grupos estudam o problema de domínios sem limites na área da geofísica, tendo como aplicações a geração de imagens de vulcões ativos, a otimização de projetos geológicos de perfuração, investigações arqueológicas, exploração hidrogeológica e investigações ambientais. Na área industrial, são geradas imagens tridimensionais de escoamento de fluidos. Outras aplicações nessa área incluem a monitoração de fluidos miscíveis, processos de transporte de massa, misturadores, separadores e reatores químicos.
Na área de bioimpedância, suas principais vantagens em relação a outras técnicas de imagem são o baixo custo, a inexistência de perigos conhecidos relacionados ao seu uso mesmo em monitoramentos a longo prazo, a elevada resolução temporal e a possibilidade de caracterizar tecidos através de medições espectrais. A sua principal desvantagem é a baixa resolução espacial quando comparada a outras técnicas de imagem.
Existem diversas configurações de equipamentos de TIE utilizadas para a coleta de dados. A configuração mais usada injeta correntes elétricas alternadas e mede potenciais, mas também é possível impor potenciais elétricos e medir correntes. Em ambos os casos, a frequência da corrente injetada ou do potencial imposto pode variar entre dezenas de Hz a alguns MHz, sendo que alguns grupos trabalham em múltiplas frequências.
A principal classificação das imagens obtidas através da TIE se refere ao modo como é estimada a propriedade física de interesse. Nas imagens absolutas, os valores obtidos se referem aos valores dessa propriedade. Já nas imagens de diferenças, coloquialmente chamadas de relativas, os valores obtidos indicam variações dos valores dessa propriedade em relação a uma referência não nula.
Uma variável que tem grande influência na complexidade do equipamento é o número de eletrodos, que geralmente varia entre 8 e 128. Além disso, existem três modos de se realizar as medidas. No caso de medidas diferenciais, estas são geralmente feitas entre pares de eletrodos adjacentes ou pulando-se um número fixo de eletrodos. Nos equipamentos pseudo-diferenciais, um eletrodo é utilizado como referência para as demais medidas. No terceiro caso, chamado de absoluto ou single-ended, todas as medidas são flutuantes.
Nos tecidos biológicos, o fluxo de corrente se dá na forma de fluxo iônico, enquanto que no sistema de medição o fluxo de corrente é elétrico. A transdução entre o fluxo iônico e o elétrico apresenta uma impedância significativa. Essa impedância é chamada de impedância de contato. A queda de potencial devido à impedância de contato é proporcional à corrente que atravessa o eletrodo. Assim, podemos ou não utilizar os mesmos eletrodos para medição do potencial e para injeção de corrente. Em um sistema de medição bipolar, o mesmo par de eletrodos é utilizado tanto para injeção de corrente elétrica quanto para medição de potencial, fazendo com que a impedância de contato afete as medidas de potencial nesses eletrodos. De modo a diminuir o efeito da impedância de contato nas medidas, alguns equipamentos utilizam um sistema de medição tetrapolar, descrito originalmente na década de 1960. Nos sistemas tetrapolares, a injeção de corrente e a medição de potencial são feitos por pares de eletrodos distintos. Neste caso, os eletrodos usados na injeção e na medição são geralmente circulares e concêntricos, de modo que o eletrodo interno é usado para injeção de corrente e o externo para realizar a medição.
Trabalhos orientados
A seguir são apresentados os principais trabalhos, incluindo trabalhos de iniciação científica, trabalhos de graduação (trabalhos de conclusão de curso) e dissertações de mestrado.
Os trabalhos orientados por mim neste grupo de pesquisa são focados em três grandes áreas: Modelagem, Instrumentação e Ferramentas Clíncias. Clique no tema desejado para ver os respectivos trabalhos de cada área:
Construção de um atlas anatômico para a Tomografia de Impedância Elétrica na avaliação de Acidentes Vasculares Cerebrais.
Dissertação de mestrado (coorientação - 2020)
Autor: Leonardo Alves Ferreira
Neste trabalho, foi objetivado o cálculo e a avaliação de um atlas anatômico 3D da cabeça humana para ser utilizado no método de regularização do algoritmo de reconstrução de imagens da TIE.
Baixe aquiDesenvolvimento de algoritmo para estimativa do contorno do domínio em Tomografia por Impedância Elétrica.
Dissertação de mestrado
Autor: Raul da Cunha Costa
Este trabalho tem por objetivo desenvolver um algoritmo para estimar o contorno do domínio e calcular a imagem de resistividade utilizando o modelo completo de eletrodo e o algoritmo Gauss-Newton generalizado com regularização de Tikhonov.
Modelo compartimental para simulação de medidas de débito cardíaco em tomografia por impedância elétrica com uso de contraste.
Trabalho de Graduação / TCC (2017)
Autora: Olivia Ariane Bianchi
O presente trabalho visa a construção de um modelo compartimental do tórax capaz de mensurar a variação da quantidade e da concentração de sal no sangue ao longo do tempo, após aplicação de uma solução hipertônica de cloreto de sódio como contraste. A partir da segmentação do sistema circulatório em pequenos compartimentos, três diferentes opções do modelo foram criadas.
Baixe aquiDesenvolvimento de um canal independente de medida de bioimpedância.
Trabalho de Graduação / TCC (2020)
Autor: Pedro Silva Megale
Este trabalho visa desenvolver um protótipo de um canal de medição para Tomografia por Impedância Elétrica com digitalização do sinal no próprio eletrodo, diminuindo as interferências que degradam o sinal medido e potencializando, assim, a eficácia da técnica.
Baixe aquiDesenvolvimento de canal de medição para tomografia por impedância elétrica.
Trabalho de Graduação / TCC (2019)
Autor: Lucas Zuccarello Oliveira
Este trabalho visa desenvolver um protótipo de um canal de medição para Tomografia por Impedância Elétrica capaz de obter, através de circuitos analógicos, a amplitude e fase de cada medida, de modo a possibilitar um sistema capaz de trabalhar com um número elevado de canais, um aumentando a quantidade de informação disponível e potencializando, assim, a eficácia da técnica.
Baixe aquiDesenvolvimento de uma balança de bioimpedância.
Trabalho de Graduação / TCC (2017)
Autora: Mariana de Campos
Este projeto tem como principal objetivo o desenvolvimento de uma balança de bioimpedância capaz de estimar a composição do corpo humano, indicando porcentagens aproximadas de gordura, massa muscular e volume de água a partir damedição da impedância elétrica do corpo.
Baixe aquiEstudo e desenvolvimento de eletrodos independentes de tomógrafos por impedância elétrica.
Trabalho de Graduação / TCC (2017)
Autora: Flavia Rodrigues Gabriel
Este trabalho propõe uma abordagem de um canal de medições independentes para TIE. Essa abordagem visa a diminuição do custo computacional envolvido na utilização de eletrodos simples que concentram o processamento dos dados de todos os eletrodos em apenas um processador central. O canal de medições independentes proposto é responsável pelo tratamento de dados inicial, utilizando apenas componentes eletrônicos, para que as informações de amplitude e fase sejam transmitidas para o processador central.
Baixe aquiAvaliação de uma fonte de corrente monopolar tipo Howland com conversor de impedância negativa para aplicações em bioimpedância.
Trabalho de Graduação / TCC (2016)
Autora: Catharine De Vita Graves
Uma solução para melhorar a resolução é a utilização de uma fonte de corrente precisa, com alta impedância de saída. O uso de um circuito conversor de impedância negativa (NIC, em inglês) na fonte de corrente aumenta a sua precisão, pois esse circuito é capaz de criar uma impedância negativa equivalente à que se deseja anular. Neste trabalho foi elaborada a avaliação e melhoramento de uma fonte de corrente controlada por tensão tipo Howland, com e sem o uso do NIC, para o uso em aplicações de bioimpedância.
Baixe aquiDesenvolvimento de uma fonte de corrente controlada por microprocessador para aplicação na tomografia por impedância elétrica.
Iniciação Científica (2016)
Autor: Samuel Freire Alkmin
Este projeto visa o desenvolvimento de uma fonte de corrente controlada por um microprocessador para implementação juntamente a um sistema de TIE com o intuito de proporcionar um fornecimento de corrente preciso e passível de controle programável. Além da aplicação voltada para a TIE, esta fonte de corrente proposta também pode ser empregada no desenvolvimento de condutivímetros, equipamentos eletro-médicos de medição da percentagem de gordura, como também, na análise da ventilação e perfusão pulmonar através da impedância transtorácica.
Baixe aquiEstudo de imagens de tomografia por impedância elétrica durante o recrutamento alveolar.
Trabalho de Graduação / TCC
Autora: Gislaine Bugliani da Silva
Este trabalho tem como objetivo estimar o potencial de recrutamento alveolar através das informações fornecidas pelas imagens por tomografia por impedância elétrica obtidas durante as manobras de recrutamento alveolar.
Quantificação do potencial de recrutamento alveolar por Tomografia de Impedância Elétrica.
Trabalho de Graduação / TCC (2017)
Autor: Gabriel Espolito Turco
O objetivo do trabalho é estimar o potencial de recrutamento alveolar por imagens obtidas a partir de Tomografia de Impedância Elétrica, utilizando métodos de ajustes de curvas teóricas para os dados obtidos, bem como métodos de avaliação dessa curva teórica obtida para indicar se a MRA aplicada no pulmão ainda está tornando unidades não funcionais em unida- des funcionais.
Baixe aquiOutros trabalhos do grupo
A seguir são apresentados outros trabalhos nesta área, desenvolvidos na UFABC, orientados pelos professores Olavo Luppi Silva e Fernando Silva de Moura.
Construção e avaliação de fonte de corrente bipolar para Tomografia de Impedância Elétrica.
Dissertação de mestrado (2020)
Autor: Sergio Forcellini
Neste trabalho é proposta a construção de fontes de corrente monopolar e bipolar para utilização em tomógrafo de impedância elétrica, cujo elemento amplificador principal é um amplificador de instrumentação (part number AD8250) da Analog Devices na configuração de buffer de corrente. Estas fontes são estáveis e de fácil calibração, pois aproveitam os resistores internos do amplificador AD8250.
Baixe aquiDesenvolvimento de um modelo dinâmico da circulação cerebral para Tomografia por Impedância Elétrica.
Dissertação de mestrado (2019)
Autor: Roberto Gutierrez Beraldo
Este trabalho parte da hipótese de que as mudanças de resistividade na cabeça podem ser detectadas pela Tomografia por Impedância Elétrica, seja como decorrência da característica pulsátil do sangue nas artérias ou de condições patológicas como a presença de uma região isquêmica ou de uma região hemorrágica no cérebro. Para tal fim, foi desenvolvido um modelo dinâmico da circulação cerebral capaz de retratar as variações de resistividades nas artérias dentro de um ciclo cardíaco.
Baixe aquiSistema de Aquisição de dados para uso em Miografia por Impedância Elétrica.
Trabalho de Graduação / TCC (2017)
Autor: Victor Gonçalves Marques
O presente projeto desenvolveu um sistema de aquisição de oito canais voltado para MIE, realizando aquisição de potenciais em até 8 canais simultâneos com precisão de 16 bits. A estimulação do músculo é gerada por uma fonte de corrente regulada por tensão, que é multiplexada para as direções longitudinal e transversal às fibras musculares.
Baixe aquiAvaliação de atividade muscular do bíceps braquial por miografia de impedância elétrica.
Dissertação de mestrado (2017)
Autora: Lais Yuriko Morimoto Lah
Nos estudos realizados sobre o corpo humano e seus segmentos, observa-se a capacidade dos mesmos de responder aos sinais externos. Tais repostas podem ser avaliadas a partir de diferentes métodos existentes que são capazes de analisar e caracterizar o tecido muscular. Entre os métodos disponíveis para esta análise, encontra-se a chamada miografia de impedância elétrica (MIE), um método não invasivo capaz de realizar a análise da resposta do tecido muscular a partir da relação entre a alteração da impedância elétrica e as alterações fisiológicas e morfológicas ocorridas no mesmo.
Baixe aquiDesenvolvimento de fonte de corrente controlada por microprocessador para aplicação na tomografia por impedância elétrica.
Trabalho de Graduação / TCC (2016)
Autor: Samuel Freire Alkmin
Este projeto visa o desenvolvimento de uma fonte de corrente controlada por um microprocessador para implementação juntamente a um sistema de TIE com o intuito de proporcionar um fornecimento de corrente preciso e passível de controle programável.
Baixe aquiImplementação do Problema Inverso com Variáveis Complexas pelo Método Gauss–Newton Aplicado à Tomografia por Impedância Elétrica.
Iniciação Científica (2017)
Autor: André Juan Ferreira Martins de Moraes
O projeto consistiu de extensa revisão bibliográfica, que cobriu tópicos matemáticos e fı́sicos que dão base à formulação dos problemas associados à TIE, bem como os métodos e técnicas especı́ficos ao seu contexto. Neste relatório, conceitos centrais são apresentados, bem como detalhes da implementação do algoritmo. Foram obtidas imagens de distribuição de impeditividade a partir da medidas simuladas pelo fantoma numérico, cuja análise é apresentada.
Baixe aquiTrabalhos externos
A seguir são apresentados trabalhos nesta área desenvovidos fora da UFABC.
Arquitetura de aquisição de sinais para tomografia por impedância elétrica.
Dissertação de mestrado (EPUSP - 2016)
Autor: André Luis dos Santos
Este trabalho propõe uma arquitetura de Tomografia por Impedância Elétrica aberta para aquisição, transferência e armazenamento de sinais. A arquitetura proposta compreende unidades de medição e processamento de sinais, chamadas Canais de Medição.
Baixe aquiDesenvolvimento de algoritmo de imagens absolutas de tomografia por impedância elétrica para uso clínico.
Tese de doutorado (EPUSP - 2013)
Autor: Erick Dario León Bueno de Camargo
O objetivo principal deste trabalho é propor o uso de informação estatística fisiológica e anatômica da distribuição de resistividades dos tecidos do tórax, também chamada de atlas anatômico, em conjunto com o filtro Gaussiano como métodos de regularização.
Baixe aquiEstimação não linear de estado através do unscented Kalman filter na tomografia por impedância elétrica.
Tese de doutorado (EPUSP - 2013)
Autor: Fernando Silva de Moura
Esta tese propõe o uso de um modelo de evolução para a variação de volume de ar nos pulmões durante a respiração de um paciente sob ventilação artificial. Este modelo é utilizado no unscented Kalman filter, uma extensão não linear do filtro de Kalman.
Baixe aquiDetecção da contração muscular através da tomografia de impedância elétrica.
Tese de doutorado (EPUSP - 2013)
Autor: Olavo Luppi Silva
O objetivo desta tese é propor formas de detectar a contração muscular através da Tomografia por Impedância Elétrica (TIE). Um modelo de elementos finitos de condução elétrica é utilizado para resolver o problema inverso através do algoritmo de Newton-Raphson de forma a obter as imagens de TIE.
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