Measurements of adequacy of anesthesia and level of consciousness during surgery and intensive care

The adequacy of anesthesia has been studied since the introduction of balanced general anesthesia. Commercial monitors based on electroencephalographic (EEG) signal analysis have been available for monitoring the hypnotic component of anesthesia from the beginning of the 1990s. Monitors measuring the depth of anesthesia assess the cortical function of the brain, and have gained acceptance during surgical anesthesia with most of the anesthetic agents used. However, due to frequent artifacts, they are considered unsuitable for monitoring consciousness in intensive care patients. The assessment of analgesia is one of the cornerstones of general anesthesia. Prolonged surgical stress may lead to increased morbidity and delayed postoperative recovery. However, no validated monitoring method is currently available for evaluating analgesia during general anesthesia. Awareness during anesthesia is caused by an inadequate level of hypnosis. This rare but severe complication of general anesthesia may lead to marked emotional stress and possibly posttraumatic stress disorder. In the present series of studies, the incidence of awareness and recall during outpatient anesthesia was evaluated and compared with that of in inpatient anesthesia. A total of 1500 outpatients and 2343 inpatients underwent a structured interview. Clear intraoperative recollections were rare the incidence being 0.07% in outpatients and 0.13% in inpatients. No significant differences emerged between outpatients and inpatients. However, significantly smaller doses of sevoflurane were administered to outpatients with awareness than those without recollections (p<0.05). EEG artifacts in 16 brain-dead organ donors were evaluated during organ harvest surgery in a prospective, open, nonselective study. The source of the frontotemporal biosignals in brain-dead subjects was studied, and the resistance of bispectral index (BIS) and Entropy to the signal artifacts was compared. The hypothesis was that in brain-dead subjects, most of the biosignals recorded from the forehead would consist of artifacts. The original EEG was recorded and State Entropy (SE), Response Entropy (RE), and BIS were calculated and monitored during solid organ harvest. SE differed from zero (inactive EEG) in 28%, RE in 29%, and BIS in 68% of the total recording time (p<0.0001 for all). The median values during the operation were SE 0.0, RE 0.0, and BIS 3.0. In four of the 16 organ donors, EEG was not inactive, and unphysiologically distributed, nonreactive rhythmic theta activity was present in the original EEG signal. After the results from subjects with persistent residual EEG activity were excluded, SE, RE, and BIS differed from zero in 17%, 18%, and 62% of the recorded time, respectively (p<0.0001 for all). Due to various artifacts, the highest readings in all indices were recorded without neuromuscular blockade. The main sources of artifacts were electrocauterization, electromyography (EMG), 50-Hz artifact, handling of the donor, ballistocardiography, and electrocardiography. In a prospective, randomized study of 26 patients, the ability of Surgical Stress Index (SSI) to differentiate patients with two clinically different analgesic levels during shoulder surgery was evaluated. SSI values were lower in patients with an interscalene brachial plexus block than in patients without an additional plexus block. In all patients, anesthesia was maintained with desflurane, the concentration of which was targeted to maintain SE at 50. Increased blood pressure or heart rate (HR), movement, and coughing were considered signs of intraoperative nociception and treated with alfentanil. Photoplethysmographic waveforms were collected from the contralateral arm to the operated side, and SSI was calculated offline. Two minutes after skin incision, SSI was not increased in the brachial plexus block group and was lower (38 ± 13) than in the control group (58 ± 13, p<0.005). Among the controls, one minute prior to alfentanil administration, SSI value was higher than during periods of adequate antinociception, 59 ± 11 vs. 39 ± 12 (p<0.01). The total cumulative need for alfentanil was higher in controls (2.7 ± 1.2 mg) than in the brachial plexus block group (1.6 ± 0.5 mg, p=0.008). Tetanic stimulation to the ulnar region of the hand increased SSI significantly only among patients with a brachial plexus block not covering the site of stimulation. Prognostic value of EEG-derived indices was evaluated and compared with Transcranial Doppler Ultrasonography (TCD), serum neuron-specific enolase (NSE) and S-100B after cardiac arrest. Thirty patients resuscitated from out-of-hospital arrest and treated with induced mild hypothermia for 24 h were included. Original EEG signal was recorded, and burst suppression ratio (BSR), RE, SE, and wavelet subband entropy (WSE) were calculated. Neurological outcome during the six-month period after arrest was assessed with the Glasgow-Pittsburgh Cerebral Performance Categories (CPC). Twenty patients had a CPC of 1-2, one patient had a CPC of 3, and nine patients died (CPC 5). BSR, RE, and SE differed between good (CPC 1-2) and poor (CPC 3-5) outcome groups (p=0.011, p=0.011, p=0.008, respectively) during the first 24 h after arrest. WSE was borderline higher in the good outcome group between 24 and 48 h after arrest (p=0.050). All patients with status epilepticus died, and their WSE values were lower (p=0.022). S-100B was lower in the good outcome group upon arrival at the intensive care unit (p=0.010). After hypothermia treatment, NSE and S-100B values were lower (p=0.002 for both) in the good outcome group. The pulsatile index was also lower in the good outcome group (p=0.004). In conclusion, the incidence of awareness in outpatient anesthesia did not differ from that in inpatient anesthesia. Outpatients are not at increased risk for intraoperative awareness relative to inpatients undergoing general anesthesia. SE, RE, and BIS showed non-zero values that normally indicate cortical neuronal function, but were in these subjects mostly due to artifacts after clinical brain death diagnosis. Entropy was more resistant to artifacts than BIS. During general anesthesia and surgery, SSI values were lower in patients with interscalene brachial plexus block covering the sites of nociceptive stimuli. In detecting nociceptive stimuli, SSI performed better than HR, blood pressure, or RE. BSR, RE, and SE differed between the good and poor neurological outcome groups during the first 24 h after cardiac arrest, and they may be an aid in differentiating patients with good neurological outcomes from those with poor outcomes after out-of-hospital cardiac arrest.

On the fundamentals of coherence theory

In the thesis I study various quantum coherence phenomena and create some of the foundations for a systematic coherence theory. So far, the approach to quantum coherence in science has been purely phenomenological. In my thesis I try to answer the question what quantum coherence is and how it should be approached within the framework of physics, the metatheory of physics and the terminology related to them. It is worth noticing that quantum coherence is a conserved quantity that can be exactly defined. I propose a way to define quantum coherence mathematically from the density matrix of the system. Degenerate quantum gases, i.e., Bose condensates and ultracold Fermi systems, form a good laboratory to study coherence, since their entropy is small and coherence is large, and thus they possess strong coherence phenomena. Concerning coherence phenomena in degenerate quantum gases, I concentrate in my thesis mainly on collective association from atoms to molecules, Rabi oscillations and decoherence. It appears that collective association and oscillations do not depend on the spin-statistics of particles. Moreover, I study the logical features of decoherence in closed systems via a simple spin-model. I argue that decoherence is a valid concept also in systems with a possibility to experience recoherence, i.e., Poincaré recurrences. Metatheoretically this is a remarkable result, since it justifies quantum cosmology: to study the whole universe (i.e., physical reality) purely quantum physically is meaningful and valid science, in which decoherence explains why the quantum physical universe appears to cosmologists and other scientists very classical-like. The study of the logical structure of closed systems also reveals that complex enough closed (physical) systems obey a principle that is similar to Gödel's incompleteness theorem of logic. According to the theorem it is impossible to describe completely a closed system within the system, and the inside and outside descriptions of the system can be remarkably different. Via understanding this feature it may be possible to comprehend coarse-graining better and to define uniquely the mutual entanglement of quantum systems.

Enfoque de los Modelos de Ruptura Dieléctrica desde la Termodinámica Estadística

Resumen: El modelado del proceso de ruptura dieléctrica de aislantes sometidos a un campo eléctrico intenso es importante para el desarrollo de nuevos materiales en las industrias eléctrica y electrónica. Información experimental generada en el laboratorio muestra que el proceso de ruptura dieléctrica involucra la transferencia de energía con la consecuente acumulación progresiva de carga y daño en el material. Ésta, produce finalmente la ruptura macroscópica, creando un camino conductor que inutiliza al material aislante. A partir de experimentos de simulación se han calculado los parámetros característicos (dos y tres parámetros) de la función de distribución de fallas (distribución de Weibull), para distintas familias de árboles. También se ha estudiado la relación intrínseca entre las distintas familias de árboles, mediante una distribución generalizada de Weibull con un índice entrópico q. Este índice q es representativo de la estructura fractal de los distintos árboles.

Estudo do efeito magnetocalórico em sistemas magnéticos com terras raras

O efeito magnetocalórico, base da refrigeração magnética, é caracterizado por duas quantidades: a variação isotérmica da entropia (ΔST) e a variação adiabática da temperatura (ΔTS); que são obtidas sob variações na intensidade de um campo magnético aplicado. Em sistemas que apresentam anisotropia magnética, pode‐se definir o efeito magnetocalórico anisotrópico, o qual, por definição, é calculado sob variações na direção de aplicação de um campo magnético cuja intensidade mantém‐se fixa, e é caracterizado por duas quantidades: a variação anisotrópico‐isotérmica da entropia (ΔSan) e a variação anisotrópico‐adiabática da temperatura (ΔTan). O efeito magnetocalórico e o efeito magnetocalórico anisotrópico foram estudados nos compostos intermetálicos formados por terras e outros materiais não magnéticos: RNi2, RNi5, RZn e Gd1‐nPrnAl2. Os cálculos foram feitos partindo de hamiltonianos modelo que incluem as interações de troca, Zeeman, de campo cristalino e quadrupolar.

Complex systems in quantum technologies

124 p.

Caracterização de imagens de microtomografia de raios X baseada em descritores de textura

A microtomografia computadorizada (computed microtomography - μCT) permite uma análise não destrutiva de amostras, além de possibilitar sua reutilização. A μCT permite também a reconstrução de objetos tridimensionais a partir de suas seções transversais que são obtidas interceptando a amostra através de planos paralelos. Equipamentos de μCT oferecem ao usuário diversas opções de configurações que alteram a qualidade das imagens obtidas afetando, dessa forma, o resultado esperado. Nesta tese foi realizada a caracterização e análise de imagens de μCT geradas pelo microtomógrafo SkyScan1174 Compact Micro-CT. A base desta caracterização é o processamento de imagens. Foram aplicadas técnicas de realce (brilho, saturação, equalização do histograma e filtro de mediana) nas imagens originais gerando novas imagens e em seguida a quantificação de ambos os conjuntos, utilizando descritores de textura (probabilidade máxima, momento de diferença, momento inverso de diferença, entropia e uniformidade). Os resultados mostram que, comparadas às originais, as imagens que passaram por técnicas de realce apresentaram melhoras quando gerados seus modelos tridimensionais.

Estudo do efeito magnetocalórico nos compostos da série Gd1-xDyxAl2

Nesta dissertação, foram investigadas as propriedades magnéticas e magnetocalóricas nos compostos intermetálicos de terras-raras Gd1-xDyxAl2 (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75 e 1.00) usando abordagens teórica e experimental. Do ponto de vista teórico, a série Gd1-xDyxAl2 foi descrita através de um modelo para o hamiltoniano magnético, incluindo o efeito Zeeman, interação de troca e a anisotropia de campo elétrico cristalino. As entropias da rede e eletrônica foram consideradas nas aproximações de Debye e de gás de elétrons livres, respectivamente. A parte experimental inclui a preparação do material, sua caracterização e medidas das quantidades magnéticas e magnetocalóricas. Os resultados experimentais e os cálculos teóricos da variação adiabática da temperatura (ΔTad) e da variação isotérmica da entropia (ΔS T), sob variações de campo magnético ao longo da direção de fácil magnetização, estão de bom acordo. O efeito da aplicação do campo magnético ao longo de uma direção de difícil magnetização foi estudado e as componentes da magnetização em função da temperatura foram investigadas. Também foi observado que a temperatura de reorientação de spin, TR, diminui quando a intensidade do campo magnético aumenta. Além disso, as concentrações molares ótimas de um material híbrido formado pelos compostos Gd1-xDyxAl2 (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75 e 1.00) foram simuladas usando um método numérico de matriz proposto por Smaili e Chahine. O compósito apresenta um bom intervalo de temperatura para um refrigerador magnético de 60 até 170 K.

Investigação do efeito magnetocalórico convencional e anisotrópico no sistema Er(1-y)Ho(y)N

O efeito magnetocalórico, base da refrigeração magnética, é caracterizado por duas quantidades: a variação isotérmica da entropia (ΔST) e a variação adiabática da temperatura (ΔTad) as quais podem ser obtidas sob variações na intensidade de um campo magnético aplicado. Em sistemas que apresentam anisotropia magnética, pode‐se definir o efeito magnetocalórico anisotrópico, o qual, por definição, é calculado através da variação na direção de aplicação de um campo magnético cuja intensidade se mantém fixa. Nos materiais de nosso interesse, o efeito magnetocalórico é estudado teoricamente partindo de um hamiltoniano modelo que leva em conta a rede magnética (que pode ser composta por diversas sub-redes magnéticas acopladas), rede cristalina e a dinâmica dos elétrons de condução. No hamiltoniano magnético são consideradas as interações de troca, Zeeman e campo cristalino (esta ultima responsável pela anisotropia magnética). Recentemente, estudamos o efeito magnetocalórico convencional e o efeito magnetocalórico anisotrópico nos compostos mononitretos com terras-raras, a saber: Ho(y)Er(1-y)N para as concentrações y= 0,1,0.5 e 0.75. Comparações entre nossos resultados teóricos e os dados experimentais para o EMC foram bastante satisfatórias [3,9]. Além disso, diversas predições teóricas como a existência de uma fase ferrimagnética no sistema Ho(y)Er(1-y)N (para a concentração y=0.5) e reorientações de spin nas sub-redes do Ho e Er foram feitas [25].

Influência da reorientação de spin nas propriedades termomagnéticas dos compostos da série Ho1-yGdyAl2

Neste trabalho foram estudadas as propriedades estruturais e termomagnéticas dos pseudobinários Ho1-yGdyAl2, através de abordagens experimentais e teóricas. A parte experimental envolveu a preparação de cinco amostras, com as concentrações y = 0, 0,25, 0,5, 0,75 e 1, assim como medidas de magnetização, calor especifico e da variação adiabática da temperatura. Na parte teórica usamos um hamiltoniano modelo que leva em consideração a interação dos íons com o campo magnético aplicado, com o campo elétrico cristalino e a troca entre os íons magnéticos. A entropia da rede foi considerada na aproximação de Debye e a entropia eletrônica na aproximação do gás de elétrons livres. A influência das reorientações de spin, espontâneas e induzidas pelo campo magnético, na magnetização e no calor especifico foram investigadas sistematicamente tanto a partir de dados experimentais quanto teoricamente. Também obtemos resultados teóricos para a variação de entropia e variação adiabática da temperatura alterando a intensidade ou a direção do campo magnético.

Análise matemática de soluções descontínuas de leis de conservação hiperbólicas e resoluções numéricas para a captura de ondas de choque em escoamentos multifásicos em meios porosos

O processo de recuperação secundária de petróleo é comumente realizado com a injeção de água ou gás no reservatório a fim de manter a pressão necessária para sua extração. Para que o investimento seja viável, os gastos com a extração precisam ser menores do que o retorno financeiro obtido com a produção de petróleo. Objetivando-se estudar possíveis cenários para o processo de exploração, costuma-se utilizar simulações dos processos de extração. As equações que modelam esse processo de recuperação são de caráter hiperbólico e não lineares, as quais podem ser interpretadas como Leis de Conservação, cujas soluções são complexas por suas naturezas descontínuas. Essas descontinuidades ou saltos são conhecidas como ondas de choque. Neste trabalho foi abordada uma análise matemática para os fenômenos oriundos de leis de conservação, para em seguida utilizá-la no entendimento do referido problema. Foram estudadas soluções fracas que, fisicamente, podem ser interpretadas como ondas de choque ou rarefação, então, para que fossem distinguidas as fisicamente admissíveis, foi considerado o princípio de entropia, nas suas diversas formas. As simulações foram realizadas nos âmbitos dos escoamentos bifásicos e trifásicos, em que os fluidos são imiscíveis e os efeitos gravitacionais e difusivos, devido à pressão capilar, foram desprezados. Inicialmente, foi feito um estudo comparativo de resoluções numéricas na captura de ondas de choque em escoamento bifásico água-óleo. Neste estudo destacam-se o método Composto LWLF-k, o esquema NonStandard e a introdução da nova função de renormalização para o esquema NonStandard, onde obteve resultados satisfatórios, principalmente em regiões onde a viscosidade do óleo é muito maior do que a viscosidade da água. No escoamento bidimensional, um novo método é proposto, partindo de uma generalização do esquema NonStandard unidimensional. Por fim, é feita uma adaptação dos métodos LWLF-4 e NonStandard para a simulação em escoamentos trifásicos em domínios unidimensional. O esquema NonStandard foi considerado mais eficiente nos problemas abordados, uma vez que sua versão bidimensional mostrou-se satisfatória na captura de ondas de choque em escoamentos bifásicos em meios porosos.

Carbono: arte, ciência e as impurezas do tempo

Esta dissertação enfoca uma série de trabalhos artísticos desenvolvidos antes e durante o período do mestrado, como Sumi, Infiltração e Carbono, que utilizam a fotografia, o vídeo, a instalação, o desenho, a frotagem e a escultura como meios de produção. A partir das obras desenvolveu-se uma discussão teórica acerca de algumas das relações possíveis entre a arte e a ciência, enquanto esferas produtoras de conhecimento. O embate entre o homem e a natureza, através da filosofia, da ciência e da arte, é objeto de estudo, além das especificidades do átomo Carbono, em especial suas estruturas macroscópicas os materiais e suas transformações ao longo do tempo. A instabilidade, a entropia, o fluxo, os paradigmas e as diversas concepções de Tempo são alguns dos temas tratados nesta pesquisa, que utilizou como base os escritos e as obras de artistas, cientistas, filósofos e pesquisadores da arte e da ciência

Efeito da anisotropia sobre as propriedades magnetocalóricas de compostos metálicos: um estudo sistemático

O efeito magnetocalórico, i.e., o aquecimento e/ou resfriamento de um material magnético sob variação do campo magnético aplicado é a base da refrigeração magnética.O efeito magnetocalórico é caracterizado pela variação da entropia em um processo isotérmico (O efeito magnetocalórico, i.e., o aquecimento e/ou resfriamento de um material magnético sob variação do campo magnético aplicado é a base da refrigeração magnética. O efeito magnetocalórico é caracterizado pela variação da entropia em um processo isotérmico (ΔSiso) e pela variação da temperatura em um processo adiabático ΔTad.Apesar dos inúmeros trabalhos experimentais e teóricos publicados nessa área, muitos aspectos desse efeito ainda não são bem compreendidos.Nesse trabalho discutimos os efeitos da anisotropia sobre as propriedades magnetocalóricas de um sistema de momentos magnéticos localizados. Para essa finalidade, utilizamos um modelo de spins interagentes com um termo de anisotropia uniaxial do tipo DS2 z , onde D é um parâmetro. Nesse modelo, em que o eixo z é a direção de fácil magnetização, a magnitude do parâmetro de anisotropia e a direção do campo magnético aplicado têm um papel fundamental no comportamento das grandezas magnetocalóricas ΔSiso e ΔTad. Realizamos um estudo sistemático para um sistema com J = 1 aplicando o campo magnético em diferentes direções. Os resultados mostram que, quando o campo magnético é aplicado ao longo da direção z, as grandezas magnetocalóricas apresentam o comportamento normal (valores positivos de ΔTad e valores negativos de ΔSiso para ΔB > 0). Quando o campo magnético é aplicado em uma direção diferente do eixo z, as grandezas magnetocalóricas podem apresentar o comportamento inverso (valores negativos de ΔTad e valores positivos de ΔSiso para ΔB > 0) ou o comportamento anômalo (troca de sinal nas curvas de ΔTad e ΔSiso). Resultados equivalentes também foram obtidos para um sistema com J = 7=2.

O efeito magnetocalórico na série Gd(1-y)Pr(y)Ni2

Em geral, o efeito magnetocalórico (EMC) é caracterizado pela variação adiabática da temperatura (ΔTad) e a variação isotérmica da entropia (ΔST) sob variações do campo magnético. Devido as aplicações tecnológicas do EMC na refrigeração magnética, que não apresentam efeitos perigosos para o meio ambiente e tem o potencial para reduzir o consumo de energia, os estudos sobre o EMC tem crescido ao longo dos anos . Neste trabalho, estudamos as propriedades magnéticas e magnetocalóricos da série Gd (1-Y) Pr (Y) Ni2 com Y = 0; 0,25; 0,5; 0,75 e 1 A série dos compostos RNi2 compostos cristalizam na fase de Laves cúbico C15, o que torna o Campo Elétrico Cristalino cúbico um quadro adequado para descrever a anisotropia magnética sobre estes compostos . Além do modelo hamiltoniano inclui contribuições do efeito Zeeman e as interações de troca indireta entre Gd-Gd, Gd-Pr e íons Pr-Pr. Vale a pena notar que o GdNi2 apresenta um arranjo ferromagnético com temperatura de transição de cerca de 78 K e o composto PrNi2 é paramagnético. Os potenciais magnetocalóricos foram calculados e comparados com os dados experimentais. Além disso, investigamos a influência da direção do campo magnético sobre as quantidades magnéticas e no EMC investigada.

Análise preliminar de um processo para identificação e alinhamento de seqüências homólogas para proteínas com estrutura resolvida.

O objetivo deste trabalho é apresentar e fazer uma avaliação preliminar de um processo alternativo, denominado Sequences Homologue to the Query (Structure-having) Sequence-SH2Q, para elaboração de alinhamentos múltiplos semelhantes à aqueles relatados no HSSP. O processo aqui apresentado baseia-se em programas de domínio público para busca em bases de dados de sequências -Blast (Altschul et al., 1990, 1997) e para alinhamento múltiplo de sequências -ClustalW (Thompson et al., 1994) O critério para avaliação do mesmo é o grau de similaridade entre as medidas de Entropia Relativa, quando comparadas com os mesmos valores relatados pelo HSSP.

Análise do grau de conservação de resíduos em proteínas com estrutura 3D resolvida utilizando o SMS.

HSSP e entropia relativa. Módulos do SMS para análise de conservação. Discussão e trabalhos futuros.