Aplicação do método de impedância eletromecânica na detecção da queima no processo de retificação plana

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Membranas de biocelulose como substrato para o crescimento de nanofios de ZnO: síntese e aplicação

Pós-graduação em Química - IQ

Membranas de biocelulose como substrato para o crescimento de nanofios de ZnO: síntese e aplicação

Pós-graduação em Química - IQ

A direct D-bar reconstruction algorithm for recovering a complex conductivity in 2D

A direct reconstruction algorithm for complex conductivities in W-2,W-infinity(Omega), where Omega is a bounded, simply connected Lipschitz domain in R-2, is presented. The framework is based on the uniqueness proof by Francini (2000 Inverse Problems 6 107-19), but equations relating the Dirichlet-to-Neumann to the scattering transform and the exponentially growing solutions are not present in that work, and are derived here. The algorithm constitutes the first D-bar method for the reconstruction of conductivities and permittivities in two dimensions. Reconstructions of numerically simulated chest phantoms with discontinuities at the organ boundaries are included.

Whither lung EIT: Where are we, where do we want to go and what do we need to get there?

Breathing moves volumes of electrically insulating air into and out of the lungs, producing conductivity changes which can be seen by electrical impedance tomography (EIT). It has thus been apparent, since the early days of EIT research, that imaging of ventilation could become a key clinical application of EIT. In this paper, we review the current state and future prospects for lung EIT, by a synthesis of the presentations of the authors at the 'special lung sessions' of the annual biomedical EIT conferences in 2009-2011. We argue that lung EIT research has arrived at an important transition. It is now clear that valid and reproducible physiological information is available from EIT lung images. We must now ask the question: How can these data be used to help improve patient outcomes? To answer this question, we develop a classification of possible clinical scenarios in which EIT could play an important role, and we identify clinical and experimental research programmes and engineering developments required to turn EIT into a clinically useful tool for lung monitoring.

Self-assembled films from chitosan and poly(vinyl sulfonic acid) on Nafion® for direct methanol fuel cell

Chitosan/poly(vinyl sulfonic acid) (PVS) films have been prepared on Nafion® membranes by the layer-by-layer (LbL) method for use in direct methanol fuel cell (DMFC). Computational methods and Fourier transform infrared (FTIR) spectra suggest that an ionic pair is formed between the sulfonic group of PVS and the protonated amine group of chitosan, thereby promoting the growth of LbL films on the Nafion® membrane as well as partial blocking of methanol. Chronopotentiometry and potential linear scanning experiments have been carried out for investigation of methanol crossover through the Nafion® and chitosan/PVS/Nafion® membranes in a diaphragm diffusion cell. On the basis of electrical impedance measurements, the values of proton resistance of the Nafion® and chitosan/PVS/Nafion® membranes are close due to the small thickness of the LbL film. Thus, it is expected an improved DMFC performance once the additional resistance of the self-assembled film is negligible compared to the result associated with the decrease in the crossover effect.

Die Faktorisierungsmethode für die elektrische Impedanztomographie im Halbraum

In der vorliegenden Arbeit wird die Faktorisierungsmethode zur Erkennung von Inhomogenitäten der Leitfähigkeit in der elektrischen Impedanztomographie auf unbeschränkten Gebieten - speziell der Halbebene bzw. dem Halbraum - untersucht. Als Lösungsräume für das direkte Problem, d.h. die Bestimmung des elektrischen Potentials zu vorgegebener Leitfähigkeit und zu vorgegebenem Randstrom, führen wir gewichtete Sobolev-Räume ein. In diesen wird die Existenz von schwachen Lösungen des direkten Problems gezeigt und die Gültigkeit einer Integraldarstellung für die Lösung der Laplace-Gleichung, die man bei homogener Leitfähigkeit erhält, bewiesen. Mittels der Faktorisierungsmethode geben wir eine explizite Charakterisierung von Einschlüssen an, die gegenüber dem Hintergrund eine sprunghaft erhöhte oder erniedrigte Leitfähigkeit haben. Damit ist zugleich für diese Klasse von Leitfähigkeiten die eindeutige Rekonstruierbarkeit der Einschlüsse bei Kenntnis der lokalen Neumann-Dirichlet-Abbildung gezeigt. Die mittels der Faktorisierungsmethode erhaltene Charakterisierung der Einschlüsse haben wir in ein numerisches Verfahren umgesetzt und sowohl im zwei- als auch im dreidimensionalen Fall mit simulierten, teilweise gestörten Daten getestet. Im Gegensatz zu anderen bekannten Rekonstruktionsverfahren benötigt das hier vorgestellte keine Vorabinformation über Anzahl und Form der Einschlüsse und hat als nicht-iteratives Verfahren einen vergleichsweise geringen Rechenaufwand.

Parallel modeling of the electric field distribution in the brain

The term "Brain Imaging" identi�es a set of techniques to analyze the structure and/or functional behavior of the brain in normal and/or pathological situations. These techniques are largely used in the study of brain activity. In addition to clinical usage, analysis of brain activity is gaining popularity in others recent �fields, i.e. Brain Computer Interfaces (BCI) and the study of cognitive processes. In this context, usage of classical solutions (e.g. f MRI, PET-CT) could be unfeasible, due to their low temporal resolution, high cost and limited portability. For these reasons alternative low cost techniques are object of research, typically based on simple recording hardware and on intensive data elaboration process. Typical examples are ElectroEncephaloGraphy (EEG) and Electrical Impedance Tomography (EIT), where electric potential at the patient's scalp is recorded by high impedance electrodes. In EEG potentials are directly generated from neuronal activity, while in EIT by the injection of small currents at the scalp. To retrieve meaningful insights on brain activity from measurements, EIT and EEG relies on detailed knowledge of the underlying electrical properties of the body. This is obtained from numerical models of the electric �field distribution therein. The inhomogeneous and anisotropic electric properties of human tissues make accurate modeling and simulation very challenging, leading to a tradeo�ff between physical accuracy and technical feasibility, which currently severely limits the capabilities of these techniques. Moreover elaboration of data recorded requires usage of regularization techniques computationally intensive, which influences the application with heavy temporal constraints (such as BCI). This work focuses on the parallel implementation of a work-flow for EEG and EIT data processing. The resulting software is accelerated using multi-core GPUs, in order to provide solution in reasonable times and address requirements of real-time BCI systems, without over-simplifying the complexity and accuracy of the head models.

Heterogeneous multicore systems for signal processing

This thesis explores the capabilities of heterogeneous multi-core systems, based on multiple Graphics Processing Units (GPUs) in a standard desktop framework. Multi-GPU accelerated desk side computers are an appealing alternative to other high performance computing (HPC) systems: being composed of commodity hardware components fabricated in large quantities, their price-performance ratio is unparalleled in the world of high performance computing. Essentially bringing “supercomputing to the masses”, this opens up new possibilities for application fields where investing in HPC resources had been considered unfeasible before. One of these is the field of bioelectrical imaging, a class of medical imaging technologies that occupy a low-cost niche next to million-dollar systems like functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI). In the scope of this work, several computational challenges encountered in bioelectrical imaging are tackled with this new kind of computing resource, striving to help these methods approach their true potential. Specifically, the following main contributions were made: Firstly, a novel dual-GPU implementation of parallel triangular matrix inversion (TMI) is presented, addressing an crucial kernel in computation of multi-mesh head models of encephalographic (EEG) source localization. This includes not only a highly efficient implementation of the routine itself achieving excellent speedups versus an optimized CPU implementation, but also a novel GPU-friendly compressed storage scheme for triangular matrices. Secondly, a scalable multi-GPU solver for non-hermitian linear systems was implemented. It is integrated into a simulation environment for electrical impedance tomography (EIT) that requires frequent solution of complex systems with millions of unknowns, a task that this solution can perform within seconds. In terms of computational throughput, it outperforms not only an highly optimized multi-CPU reference, but related GPU-based work as well. Finally, a GPU-accelerated graphical EEG real-time source localization software was implemented. Thanks to acceleration, it can meet real-time requirements in unpreceeded anatomical detail running more complex localization algorithms. Additionally, a novel implementation to extract anatomical priors from static Magnetic Resonance (MR) scansions has been included.

Photofixierung von Lipidmembranen aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen

Ziel war Herstellung und Charakterisierung festkörperunterstützter Membransysteme aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen, mit elektrischen Eigenschaften, die denen der Schwarzfilmmembranen entsprechen. Um diese Eigenschaften mit impedanzspektroskopischen Techniken messen zu können, ist die Präparation der Membranen auf Goldfilmen notwendig. Eine direkte Verankerung der Glykolipopolymermoleküle (GLP) auf der Goldoberfläche ist nicht möglich, daher werden die untersuchten GLP mit Hilfe von photoreaktiven Molekülen kovalent auf der Goldoberfläche immobilisiert. Untersuchten Abstandhalter waren Thio-Polyethylenglykol und eine Mischung zweier Alkanthiole, bestehend aus 1-Thiohexanol und Bis-(Aminododecyl)-disulfid. Thio-PEG-Monoschichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken, weil die Moleküle auf der Oberfläche sehr unterschiedliche Konformationen annehmen können, die eine regelmässige Anordnung erschweren. Langmuir-Blodgett Übertrag sowie die durchgeführte photochemische Fixierung der GLP-Moleküle auf Thio-PEG Schichten führte zu Eigenschaften, die auf den Aufbau einer Lipidmonolage hinweisen. Diese stellte jedoch im Bereich der Lipidmoleküle keine geschlossene Schicht dar. Es kommen als Abstandhaltermoleküle für die Photofunktionalisierung nur Moleküle in Frage, die aufgrund ihrer Eigenschaften eine regelmässige Anordnung auf der Goldoberfläche anstreben. Diese Voraussetzung erfüllt am besten die Gruppe der Alkanthiole. Terminal funktionalisierte Alkanthiole müssen jedoch mit nicht oder anderweitig funktionalisierten Alkanthiolen verdünnt assembliert werden, um weitergehende Funktionalisierungen einzugehen. Die untersuchten GLP lassen sich aufgrund ihrer amphiphilen Struktur an der Wasser-Luft Grenzfläche vororientieren. In allen Fällen gelingt auch der Langmuir-Blodgett Übertrag der komprimierten Schicht, sowie, nach der für die Anbindung notwendigen Trocknung, die photochemisch kovalente Fixierung der Monoschicht durch Bestrahlung mit UV-Licht. Damit konnte erstmals die photochemisch kovalente Fixierung von GLPs auf der Goldoberfläche gezeigt werden. Untersuchungen erfolgten an einem Copolymer sowie zwei unterschiedlichen Homopolymermolekülen. Der unterschiedliche molekulare Aufbau der GLP spiegelt sich in ihrem Verhalten an der Wasser-Luft Grenzfläche sowie in den Eigenschaften der gebildeten Monoschichten wieder. Die Copolymer-Schichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken. Auch die EIS-Daten sind schlecht reproduzierbar. Dies ist auf die molekulare Struktur des Copolymers zurückzuführen. Gänzlich unterschiedlich verhalten sich die Homopolymere. Aufgrund ihrer Struktur lassen sie sich zu dichten Schichten komprimieren. Messungen der Fluoreszenzerholung nach Photobleichung (FRAP) zeigen homogene aber nicht fluide Schichten. Die photochemisch kovalente Fixierung des Moleküls auf der Goldoberfläche konnte durch SPR- sowie EIS-Messungen nachgewiesen werden. Die EIS-Messungen zeigen Werte, die sich in Bereichen der idealen Modellmembran bewegen. Der erfolgreiche Einbau von Valinomycin konnte bestätigt werden. FRAP Untersuchungen zeigten die Bildung homogener Schichten. Diese sind jedoch im Bereich der proximalen Lipidschicht nicht fluide. Um die Fluidität in Anlehnung an die Eigenschaften der natürlichen Membranen zu erhöhen, wurden die photochemisch kovalent fixierten Anker-Glykolipopolymer-Moleküle durch Mischung mit freien Lipiden lateral verdünnt. Auch die kovalente Fixierung der GLP-Bausteine innerhalb gemischten Schichten konnte erfolgreich demonstriert werden. Die Schichten zeigten sich jedoch, mit Ausnahme der Schichten aus 50mol% Homopolymer und 50mol% Lipid, inhomogen. Nach Photobleichung durch den Laserblitz kam es nur bei den 50mol%:50mol% -Schichten (Ho: Lipid) zur Erholung der Fluoreszenz, was auf das Vorliegen von beweglichen Lipidmolekülen innerhalb der Membran schliessen lässt. Der Versuch der Inkorporation von Valinomycin gelang ebenfalls. Alle genannten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die molekulare Architektur der hergestellten Schichten durch die unterschiedlichen Längendimensionen des Homopolymer-Moleküls einerseits, sowie des Lipids andererseits nicht für alle Mischungsverhältnisse ausreichend stabil ist. Die für die kovalente Fixierung erforderliche Trocknung der Schicht führt zu einer deutlichen Verminderung des Wassergehaltes des Systems und einer daraus resultierenden starken Destabilisierung der aufgebauten Schichten. Insgesamt gesehen stellt somit die photochemische Fixierung der glykosidischen Homopolymer-Membranen ein vielversprechendes Modellsystem dar.

Entwicklung und Tests von Algorithmen für die Impedanztomographie

Die Elektrische Impedanztomographie soll als kostengünstige und nebenwirkungsfreie Tomographiemethode in der medizinischen Diagnostik, z. B. in der Mammographie dienen. Mit der EIT läßt sich Krebsgewebe von gesundem Gewebe unterscheiden, da es eine signifikant erhöhte Leitfähigkeit aufweist. Damit kann die EIT als Ergänzung zu den klassischen Diagnoseverfahren dienen. So ist z.B. bei jungen Frauen mit einem dichteren Fettgewebe die Identifizierung eines Mammakarzinoms mit der Röntgentomographie nicht immer möglich. Ziel dieser Arbeit war es, einen Prototypen für die Impedanztomographie zu entwickeln und mögliche Anwendungen zu testen. Der Tomograph ist in Zusammenarbeit mit Dr. K.H.Georgi gebaut worden. Der Tomograph erlaubt es niederohmige, Wechselströme an Elektroden auf der Körperoberfläche einzuspeisen. Die Potentiale können an diesen Elektroden programmierbar vorgegeben werden. Weitere hochohmige Elektroden dienen zur Potentialmessung. Um den Hautwiderstand zu überbrücken, werden Wechselstromfrequenzen von 20-100 kHz eingesetzt. Mit der Möglichkeit der Messung von Strom und Potential auf unterschiedlichen Elektroden kann man das Problem des nur ungenau bekannten Hautwiderstandes umgehen. Prinzipiell ist es mit dem Mainzer EIT System möglich, 100 Messungen in der Sekunde durchzuführen. Auf der Basis von mit dem Mainzer EIT gewonnenen Daten sollten unterschiedliche Rekonstruktionsalgorithmen getestet und weiterentwickelt werden. In der Vergangenheit sind verschiedene Rekonstruktionsalgorithmen für das mathematisch schlecht gestellte EIT Problem betrachtet worden. Sie beruhen im Wesentlichen auf zwei Strategien: Die Linearisierung und iterative Lösung des Problems und Gebietserkennungsmethoden. Die iterativen Verfahren wurden von mir dahingehend modifiziert, dass Leitfähigkeitserhöhungen und Leitfähigkeitserniedrigungen gleichberechtigt behandelt werden können. Für den modifizierten Algorithmus wurden zwei verschiedene Rekonstruktionsalgorithmen programmiert und mit synthetischen Daten getestet. Zum einen die Rekonstruktion über die approximative Inverse, zum anderen eine Rekonstruktion mit einer Diskretisierung. Speziell für die Rekonstruktion mittels Diskretisierung wurde eine Methode entwickelt, mit der zusätzliche Informationen in der Rekonstruktion berücksichtigt werden können, was zu einer Verbesserung der Rekonstruktion beiträgt. Der Gebietserkennungsalgorithmus kann diese Zusatzinformationen liefern. In der Arbeit wurde ein neueres Verfahren für die Gebietserkennung derart modifiziert, dass eine Rekonstruktion auch für getrennte Strom- und Spannungselektroden möglich wurde. Mit Hilfe von Differenzdaten lassen sich ausgezeichnete Rekonstruktionen erzielen. Für die medizinischen Anwendungen sind aber Absolutmessungen nötig, d.h. ohne Leermessung. Der erwartende Effekt einer Inhomogenität in der Leitfähigkeit ist sehr klein und als Differenz zweier grosser Zahlen sehr schwierig zu bestimmen. Die entwickelten Algorithmen kommen auch gut mit Absolutdaten zurecht.

Analog Signal Acquisition and Conditioning for Near-Field Capacitive Communication and Active Combined EEG-EIT Monitoring

The work of the present thesis is focused on the implementation of microelectronic voltage sensing devices, with the purpose of transmitting and extracting analog information between devices of different nature at short distances or upon contact. Initally, chip-to-chip communication has been studied, and circuitry for 3D capacitive coupling has been implemented. Such circuits allow the communication between dies fabricated in different technologies. Due to their novelty, they are not standardized and currently not supported by standard CAD tools. In order to overcome such burden, a novel approach for the characterization of such communicating links has been proposed. This results in shorter design times and increased accuracy. Communication between an integrated circuit (IC) and a probe card has been extensively studied as well. Today wafer probing is a costly test procedure with many drawbacks, which could be overcome by a different communication approach such as capacitive coupling. For this reason wireless wafer probing has been investigated as an alternative approach to standard on-contact wafer probing. Interfaces between integrated circuits and biological systems have also been investigated. Active electrodes for simultaneous electroencephalography (EEG) and electrical impedance tomography (EIT) have been implemented for the first time in a 0.35 um process. Number of wires has been minimized by sharing the analog outputs and supply on a single wire, thus implementing electrodes that require only 4 wires for their operation. Minimization of wires reduces the cable weight and thus limits the patient's discomfort. The physical channel for communication between an IC and a biological medium is represented by the electrode itself. As this is a very crucial point for biopotential acquisitions, large efforts have been carried in order to investigate the different electrode technologies and geometries and an electromagnetic model is presented in order to characterize the properties of the electrode to skin interface.

Ottimizzazione e validazione di un protocollo di acquisizione dati per un sistema di impedenziometria

Il seguente progetto di tesi si basa sull’ottimizzazione del protocollo impiegato da un impedenziometro per l’analisi spettrale della pelle, con l’obiettivo di individuare la presenza di un tumore. Il lavoro è poi proseguito con la validazione dello strumento per mezzo di un lavoro di misura su resistenze semplici e impedenze complesse.

Influence of fluid and volume state on PaO(2) oscillations in mechanically ventilated pigs

ABSTRACT Varying pulmonary shunt fractions during the respiratory cycle cause oxygen oscillations during mechanical ventilation. In artificially damaged lungs, cyclical recruitment of atelectasis is responsible for varying shunt according to published evidence. We introduce a complimentary hypothesis that cyclically varying shunt in healthy lungs is caused by cyclical redistribution of pulmonary perfusion. Administration of crystalloid or colloid infusions would decrease oxygen oscillations if our hypothesis was right. Therefore, n = 14 mechanically ventilated healthy pigs were investigated in 2 groups: crystalloid (fluid) versus no-fluid administration. Additional volume interventions (colloid infusion, blood withdrawal) were carried out in each pig. Intra-aortal PaO(2) oscillations were recorded using fluorescence quenching technique. Phase shift of oxygen oscillations during altered inspiratory to expiratory (I:E) ventilation ratio and electrical impedance tomography (EIT) served as control methods to exclude that recruitment of atelectasis is responsible for oxygen oscillations. In hypovolemia relevant oxygen oscillations could be recorded. Fluid and volume state changed PaO(2) oscillations according to our hypothesis. Fluid administration led to a mean decline of 105.3 mmHg of the PaO(2) oscillations amplitude (P < 0.001). The difference of the amplitudes between colloid administration and blood withdrawal was 62.4 mmHg in pigs not having received fluids (P = 0.0059). Fluid and volume state also changed the oscillation phase during altered I:E ratio. EIT excluded changes of regional ventilation (i.e., recruitment of atelectasis) to be responsible for these oscillations. In healthy pigs, cyclical redistribution of pulmonary perfusion can explain the size of respiratory-dependent PaO(2) oscillations.

Influence of end-expiratory level and tidal volume on gravitational ventilation distribution during tidal breathing in healthy adults

Our understanding of regional filling of the lung and regional ventilation distribution is based on studies using stepwise inhalation of radiolabelled tracer gases, magnetic resonance imaging and positron emission tomography. We aimed to investigate whether these differences in ventilation distribution at different end-expiratory levels (EELs) and tidal volumes (V (T)s) held also true during tidal breathing. Electrical impedance tomography (EIT) measurements were performed in ten healthy adults in the right lateral position. Five different EELs with four different V (T)s at each EEL were tested in random order, resulting in 19 combinations. There were no measurements for the combination of the highest EEL/highest V (T). EEL and V (T) were controlled by visual feedback based on airflow. The fraction of ventilation directed to different slices of the lung (VENT(RL1)-VENT(RL8)) and the rate of the regional filling of each slice versus the total lung were analysed. With increasing EEL but normal tidal volume, ventilation was preferentially distributed to the dependent lung and the filling of the right and left lung was more homogeneous. With increasing V (T) and maintained normal EEL (FRC), ventilation was preferentially distributed to the dependent lung and regional filling became more inhomogeneous (p < 0.05). We could demonstrate that regional and temporal ventilation distribution during tidal breathing was highly influenced by EEL and V (T).