Modelos computacionais para simulações de tomografia por impedância elétrica e sua aplicação no problema de determinação da fração de ejeção cardíaca

• Main Author: Ribeiro, Marcos Henrique Fonseca
• Other Authors: Barra, Luis Paulo da Silva
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) 2017
• Subjects: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA; Modelagem computacional; Método de Levenberg-Marquardt; Tomografia por impedância elétrica decomposição por valores singulares; Mecânica cardíaca; Iterated Local Search; Splines; Computational Modeling; Levenberg-Marquardt Method; Electrical Impedance Tomography; Singular Values Decomposition; Cardiac Mechanics
• Online Access: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/4509

Submitted by Renata Lopes ([e-mail]) on 2017-05-15T14:59:59Z No. of bitstreams: 1 marcoshenriquefonsecaribeiro.pdf: 12873424 bytes, checksum: 2b2b91fd2a9726856a0486afa760fe2c (MD5) === Approved for entry into archive by Adriana Oliveira ([e-mail]) on 2017-05-17T16:01:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 marcoshenriquefonsecaribeiro.pdf: 12873424 bytes, checksum: 2b2b91fd2a9726856a0486afa760fe2c (MD5) === Made available in DSpace on 2017-05-17T16:01:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 marcoshenriquefonsecaribeiro.pdf: 12873424 bytes, checksum: 2b2b91fd2a9726856a0486afa760fe2c (MD5) Previous issue date: 2016-10-03 === A Tomografia por Impedância Elétrica (TIE) consiste em uma técnica onde imagens são construídas a partir da injeção de uma corrente elétrica em determinado meios, seguida da leitura de valores de potencial elétrico em pontos do contorno externo de tal domínio. Desta maneira, conhecendo-se ou estimando-se a condutividade elétrica de regiões internas ao meio, pode-se inferir aspectos geométricos da composição do mesmo. Trabalhos na literatura aplicam esta técnica ao contexto de obtenção de imagens do tórax humano, com objetivo de estimar a geometria das cavidades cardíacas de um determinado paciente. O objetivo final de estudo deste trabalho, dentro do contexto de aplicação da TIE à obtenção de cavidades cardíacas, é propor uma metodologia para a estimação da Fração de Ejeção Cardíaca, ou simplesmente Fração de Ejeção (FE), que consiste em medir o percentual de volume de sangue expulso dos ventrículos ao final de um ciclo de batimento do coração. Este trabalho visa evoluir outros trabalhos já existentes que modelam o problema acima descrito como sendo um problema inverso, de otimização, onde se pretende minimizar a diferença entre valores de potencial elétrico medidos e valores simulados por modelos computacionais. A evolução se dá em níveis diferentes. No primeiro nível, é feito um avanço sobre as técnicas de otimização para a resolução do problema inverso, em sua formulaçãobidimensional. Paratal, épropostaumametaheurísticaqueauxiliamétodosde buscanaobtençãodevaloresmaisacurados. Estametaheurísticaéapresentadaemversões sequencial e paralela. São apresentados resultados computacionais de testes realizados para este primeiro nível. Em um segundo nível, é feita a modelagem em três dimensões das mesmas abordagens já encontradas na literatura, que, para a aplicação específica da determinação da FE, até então estão limitadas a modelos bidimensionais. Assim, todo o problema é revisto para uma nova proposta de modelagem, que inclui a criação de modelos geométricos tridimensionais para as regiões de interesse do problema. Como principal contribuição do trabalho neste segundo nível, encontra-se um esquema de parametrização das malhas de polígonos que modelam ventrículos do coração, de forma que se tenha uma maneira compacta de representar as mesmas e, ao mesmo tempo, diminuindo o custo computacional do método de otimização por meio de drástica redução do número de variáveis do problema. Por fim, também é realizado um estudo preliminar da sensibilidade da técnica à presença de ruídos nos dados de entrada. === The Electrical Impedance Tomography (EIT) consists in a technique where images are constructed from the measurements of the electrical potential in some points on the external boundary of some specific domain, caused by the injection of an electrical current in such domain. This way, knowing or estimating the electrical conductivity of some regions inside the domain, geometric aspects of the composition of that domain can be inferred. Works in literature apply this technique to the context of obtaining images from the human thorax, with the objective of estimating the geometry of some cardiac cavities of a specific patient. The final goal of this work, inside the context of the obtention of cardiac cavities, is to propose a methodology for estimating the Cardiac Ejection Fraction, orsimplyEjectionFraction(EF),whichconsistsinmeasuringthepercentualofthevolume of blood expelled from the ventricles at the end of a heart beat cicle. This work intends to evolute previous works, that models the above mentioned problem as an inverse problem, an optimization problem, where the intention is to minimize the difference between the values of measured electrical potentials and the values obtained through simulation using computational models. This evolution occurs in different levels. In the first level, is performedanimprovementoverthepre-existentoptimizationtechniquesforthesolutionof theinverseproblem,inatwodimensionalversion. Forthis,isproposedametaheuristicthat assistssearchmethodstowardstheobtentionofmoreaccuratedvalues. Suchmetaheuristic is presented in sequential and parallel versions. Computational results for performed tests for this level are presented. In a second level, a three dimensional modeling of the same approaches found in literature is done. Those approaches, for the specific application of determining the EF, are so far limited to two dimensional models. Therefore, the whole problem is reviewed in order to propose a new model, which includes the creation of three dimensional geometric models for the regions of interest of the problem. As the main contribution of this work in that second level, there is a parameterization schema of the polygon meshes that model heart ventricles, so that it provides a compact way of representing such meshes, and, at the same time, a way of reducing the computational cost of the optimization method by means of a drastic reduction of the number of variables of the problem. Finally, a preliminary study of the sensibility of the technique to the presence of noise in the input data is also performed.