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Dissertações |
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SERGIO FORCELLINI
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Construção e avaliação de fonte de corrente bipolar para Tomografia de impedância elétrica
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Orientador : FERNANDO SILVA DE MOURA
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Data: 31/01/2020
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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. A impedância de saída da fonte de corrente depende apenas da relação entre os resistores internos de 10kΩ do AD8250, os quais são resistores precisos. A intensidade da corrente de saída é ajustada pelo ganho do amplificador de instrumentação via estrapes e através de um resistor externo. As fontes de corrente apresentam duas entradas, permitindo a aplicação de dois sinais de frequências diferentes, sem a necessidade de um somador de sinais. Por fim, como o ganho do conjunto amplificador de instrumentação, multiplexador e cabo coaxial de saída dependem da frequência, propõe-se a utilização de uma rede RC em paralelo no lugar do resistor de ajuste de ganho para compensar a queda do ganho com a frequência e melhorar a impedância de saída e resposta de corrente com relação ao aumento de frequência e de carga
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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. A impedância de saída da fonte de corrente depende apenas da relação entre os resistores internos de 10kΩ do AD8250, os quais são resistores precisos. A intensidade da corrente de saída é ajustada pelo ganho do amplificador de instrumentação via estrapes e através de um resistor externo. As fontes de corrente apresentam duas entradas, permitindo a aplicação de dois sinais de frequências diferentes, sem a necessidade de um somador de sinais. Por fim, como o ganho do conjunto amplificador de instrumentação, multiplexador e cabo coaxial de saída dependem da frequência, propõe-se a utilização de uma rede RC em paralelo no lugar do resistor de ajuste de ganho para compensar a queda do ganho com a frequência e melhorar a impedância de saída e resposta de corrente com relação ao aumento de frequência e de carga
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LUCAS SANTÂNA DA SILVA
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EFEITO DA VELOCIDADE E DO ENVELHECIMENTO NA POTÊNCIA MECÂNICA DO COMPLEXO TORNOZELO E PÉ DURANTE O ANDAR
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Orientador : REGINALDO KISHO FUKUCHI
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Data: 17/02/2020
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O envelhecimento está associado com alterações estruturais e funcionais do pé que, por sua vez, podem explicar as alterações observadas nas potências da extremidade distal dos membros inferiores. Estas potências têm sido obtidas pela abordagem da dinâmica inversa onde os segmentos, incluindo os pés, são considerados corpos rígidos. Entretanto o pé sofre deformações durante o andar, e adotá-lo como rígido é uma limitação metodológica que restringe o entendimento sobre a função desempenhada pelo pé na marcha. Recentemente, foram propostos métodos mais completos para quantificar a potência mecânica do complexo tornozelo e pé, entretanto, estes estudos tiveram enfoque na população jovem saudável, não sendo possível identificar a aplicação destes métodos para entender a marcha nos idosos. Uma outra limitação dos estudos anteriores que compararam a marcha de jovens e idosos é a falta de controle da velocidade do andar mesmo que esta variável seja considerada confusora pela literatura. Tendo isso em vista, esse estudo visa comparar as potências mecânicas do tornozelo e pé por meio de uma abordagem mais completa em adultos jovens e idosos durante o andar no solo em diferentes velocidades. Para investigar o efeito da idade e da velocidade na potência do complexo tornozelo e pé, os dados cinéticos e cinemáticos de 39 sujeitos (23 jovens e 16 idosos) foram obtidos de um conjunto de dados públicos previamente publicado. Os resultados revelaram um efeito significativo da velocidade nas potências do tornozelo e pé. Por outro lado, o fator idade não apresentou efeito significativo para nenhuma das variáveis dependentes do estudo e não contribuiu significativamente, comparado à velocidade apenas, para explicar as mudanças na variável dependente.
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O envelhecimento está associado com alterações estruturais e funcionais do pé que, por sua vez, podem explicar as alterações observadas nas potências da extremidade distal dos membros inferiores. Estas potências têm sido obtidas pela abordagem da dinâmica inversa onde os segmentos, incluindo os pés, são considerados corpos rígidos. Entretanto o pé sofre deformações durante o andar, e adotá-lo como rígido é uma limitação metodológica que restringe o entendimento sobre a função desempenhada pelo pé na marcha. Recentemente, foram propostos métodos mais completos para quantificar a potência mecânica do complexo tornozelo e pé, entretanto, estes estudos tiveram enfoque na população jovem saudável, não sendo possível identificar a aplicação destes métodos para entender a marcha nos idosos. Uma outra limitação dos estudos anteriores que compararam a marcha de jovens e idosos é a falta de controle da velocidade do andar mesmo que esta variável seja considerada confusora pela literatura. Tendo isso em vista, esse estudo visa comparar as potências mecânicas do tornozelo e pé por meio de uma abordagem mais completa em adultos jovens e idosos durante o andar no solo em diferentes velocidades. Para investigar o efeito da idade e da velocidade na potência do complexo tornozelo e pé, os dados cinéticos e cinemáticos de 39 sujeitos (23 jovens e 16 idosos) foram obtidos de um conjunto de dados públicos previamente publicado. Os resultados revelaram um efeito significativo da velocidade nas potências do tornozelo e pé. Por outro lado, o fator idade não apresentou efeito significativo para nenhuma das variáveis dependentes do estudo e não contribuiu significativamente, comparado à velocidade apenas, para explicar as mudanças na variável dependente.
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JAQUELINE MARTINS BADANAI
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AVALIAÇÃO DOS EFEITOS DE EXTRATOS DE LANTANA CAMARA E LANTANA TRIFOLIA EM CULTURAS CELULARES
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Orientador : CHRISTIANE BERTACHINI LOMBELLO
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Data: 19/02/2020
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A imensa diversidade de espécies vegetais na fauna e flora brasileira, cada vez mais vem despertando a atenção de pesquisadores em busca de novos estudos no setor. Os potenciais farmacológicos e terapêuticos encontrados nas espécies inspiram a busca por novos produtos à base das plantas. Dessa forma o presente estudo objetivou estudar a família Verbenaceae, selecionando duas espécies da família: Lantana Camara e Lantana Trifolia. Ambas as plantas possuem características fitoterápicas. Assim sendo, optamos por trabalhar com as folhas e caules a fim de analisar a ação in vitro dos respectivos extratos. Através do processo de trituração obtivemos as amostras vegetais para produção de extratos aquosos, etanólicos e metanólicos das duas espécies citadas. Esse processo foi escolhido para permitir que tanto as folhas como os caules apresentem maior superfície, e consequentemente maior interação, quando expostos aos solventes. As amostras trituradas foram mantidas em solvente por 24 horas. Posteriormente a esse processo realizamos a filtragem e congelamento das soluções obtidas. Para os extratos de meio aquoso realizamos o processo de liofilização, a fim de remover a água, enquanto que para os solventes orgânicos (etanol e metanol) realizamos o processo de rotaevaporação, que permite a evaporação destes solventes. Os materiais resultantes deste preparo foram diluídos em tampão fosfato para a obtenção dos extratos a serem usados sem concentrações de 25, 50, 75 e 100 µg/mL. Foram realizados ensaios qualitativos e quantitativos para avaliação da citotoxicidade in vitro dos extratos, e viabilidade celular. Foi utilizada a linhagem Vero, mantida com meio HAM-F10 suplementado com soro fetal bovino, em temperatura de 37ºC, e em atmosfera com 5% de CO2, a partir de metodologias e ensaios padronizados, contribuindo para a determinação de potencial terapêutico e possíveis aplicações para a regeneração de tecidos. A avaliação in vitro revelou sinais de citotoxicidade dos extratos, concentração e solvente dependente.
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A imensa diversidade de espécies vegetais na fauna e flora brasileira, cada vez mais vem despertando a atenção de pesquisadores em busca de novos estudos no setor. Os potenciais farmacológicos e terapêuticos encontrados nas espécies inspiram a busca por novos produtos à base das plantas. Dessa forma o presente estudo objetivou estudar a família Verbenaceae, selecionando duas espécies da família: Lantana Camara e Lantana Trifolia. Ambas as plantas possuem características fitoterápicas. Assim sendo, optamos por trabalhar com as folhas e caules a fim de analisar a ação in vitro dos respectivos extratos. Através do processo de trituração obtivemos as amostras vegetais para produção de extratos aquosos, etanólicos e metanólicos das duas espécies citadas. Esse processo foi escolhido para permitir que tanto as folhas como os caules apresentem maior superfície, e consequentemente maior interação, quando expostos aos solventes. As amostras trituradas foram mantidas em solvente por 24 horas. Posteriormente a esse processo realizamos a filtragem e congelamento das soluções obtidas. Para os extratos de meio aquoso realizamos o processo de liofilização, a fim de remover a água, enquanto que para os solventes orgânicos (etanol e metanol) realizamos o processo de rotaevaporação, que permite a evaporação destes solventes. Os materiais resultantes deste preparo foram diluídos em tampão fosfato para a obtenção dos extratos a serem usados sem concentrações de 25, 50, 75 e 100 µg/mL. Foram realizados ensaios qualitativos e quantitativos para avaliação da citotoxicidade in vitro dos extratos, e viabilidade celular. Foi utilizada a linhagem Vero, mantida com meio HAM-F10 suplementado com soro fetal bovino, em temperatura de 37ºC, e em atmosfera com 5% de CO2, a partir de metodologias e ensaios padronizados, contribuindo para a determinação de potencial terapêutico e possíveis aplicações para a regeneração de tecidos. A avaliação in vitro revelou sinais de citotoxicidade dos extratos, concentração e solvente dependente.
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JÉSSICA ANDRADE TRINDADE JACINTO
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DESENVOLVIMENTO DE STENT POLIMÉRICO BIORREABSORVÍVEL DE RÁPIDA EXPANSÃO POR BALÃO
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Orientador : SONIA MARIA MALMONGE
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Data: 06/03/2020
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A coarctação de aorta é uma doença cardiovascular congênita que pode levar ao óbito por dificuldades respiratórias e de bombeamento sanguíneo — sendo o caso pediátrico o mais crítico. Um dos tratamentos possíveis utiliza a implantação de stent na região fibrosa da aorta descendente, com possível reimplantação ao longo do tempo. O objetivo deste trabalho foi desenvolver protótipos de stents biorreabsorvíveis de rápida expansão por balão para aplicação em coarctação de aorta. Foi realizada a caracterização do poli(l-ácido láctico) (PLLA) e poli(dl-ácido láctico) (PLDLA) para escolha do material mais adequado ao protótipo, avaliando resultados de TGA, DSC, microscopia ótica e de luz polarizada, MEV e resistência à tração.A geometria do stent foi modelada e simulada utilizando os softwares Abaqus® e MATLAB. O PLLA apresentou melhores propriedades mecânicas e térmicas e foi selecionado para a impressão 3D da geometria obtida. Foi desenvolvido o protocolo de avalição dos protótipos, incluindo ensaio de recuo elástico e de complacência. Os resultados indicam que o stent desenvolvido neste trabalho pode apresentar melhor aplicabilidade clínica do que os disponíveis no mercado atual.
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A coarctação de aorta é uma doença cardiovascular congênita que pode levar ao óbito por dificuldades respiratórias e de bombeamento sanguíneo — sendo o caso pediátrico o mais crítico. Um dos tratamentos possíveis utiliza a implantação de stent na região fibrosa da aorta descendente, com possível reimplantação ao longo do tempo. O objetivo deste trabalho foi desenvolver protótipos de stents biorreabsorvíveis de rápida expansão por balão para aplicação em coarctação de aorta. Foi realizada a caracterização do poli(l-ácido láctico) (PLLA) e poli(dl-ácido láctico) (PLDLA) para escolha do material mais adequado ao protótipo, avaliando resultados de TGA, DSC, microscopia ótica e de luz polarizada, MEV e resistência à tração.A geometria do stent foi modelada e simulada utilizando os softwares Abaqus® e MATLAB. O PLLA apresentou melhores propriedades mecânicas e térmicas e foi selecionado para a impressão 3D da geometria obtida. Foi desenvolvido o protocolo de avalição dos protótipos, incluindo ensaio de recuo elástico e de complacência. Os resultados indicam que o stent desenvolvido neste trabalho pode apresentar melhor aplicabilidade clínica do que os disponíveis no mercado atual.
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CAROLINA PARENTE
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Desenvolvimento de um hidrogel à base de gelatina para uso como arcabouço em engenharia tecidual de miocárdio
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Orientador : SONIA MARIA MALMONGE
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Data: 13/03/2020
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A Engenharia Tecidual de Miocárdio (ETM) tem como objetivo fornecer uma alternativa às pessoas acometidas por doenças cardíacas que dependem, essencialmente, de técnicas invasivas e, nem sempre, efetivas no tratamento. As doenças cardíacas representam uma das maiores causas de morte no mundo. A ETM abrange um conjunto de técnicas e conhecimentos para regeneração do músculo cardíaco, empregando materiais naturais ou sintéticos com o uso, ou não, de células. Este trabalho teve como objetivo a escolha da matéria prima à base de colágeno para produção de hidrogéis na forma de filmes, bem como a escolha de um método e um agente reticulante eficientes. Como matéria prima foi utilizado gelatina. Como agente reticulante foi utilizado (1-cloridrato de etil-3- (3-dimetilaminopropil) carbodiimida) (EDC). Os filmes foram produzidos utilizando como solvente etanol e solução salina tamponada com fosfato (PBS). Para a reticulação com EDC, foram utilizadas as técnicas de reticulação por
solução e por imersão. Os filmes foram caracterizados para verificação de suas propriedades e reticulação. Foram caracterizados através de microscopia eletrônica de varredura (MEV), Espectroscopia de Infra-vermelho com Transformada de Fourrier (FTIR), capacidade de intumescimento, por calorimetria diferencial de varredura (DSC) e ensaio mecânico. Foi produzida amostra de arcabouço fibroso empregando a técnica de eletrofiação com reticulação por imersão, uma vez que foi comprovado a eficiência da reticulação de filmes por este método.
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A Engenharia Tecidual de Miocárdio (ETM) tem como objetivo fornecer uma alternativa às pessoas acometidas por doenças cardíacas que dependem, essencialmente, de técnicas invasivas e, nem sempre, efetivas no tratamento. As doenças cardíacas representam uma das maiores causas de morte no mundo. A ETM abrange um conjunto de técnicas e conhecimentos para regeneração do músculo cardíaco, empregando materiais naturais ou sintéticos com o uso, ou não, de células. Este trabalho teve como objetivo a escolha da matéria prima à base de colágeno para produção de hidrogéis na forma de filmes, bem como a escolha de um método e um agente reticulante eficientes. Como matéria prima foi utilizado gelatina. Como agente reticulante foi utilizado (1-cloridrato de etil-3- (3-dimetilaminopropil) carbodiimida) (EDC). Os filmes foram produzidos utilizando como solvente etanol e solução salina tamponada com fosfato (PBS). Para a reticulação com EDC, foram utilizadas as técnicas de reticulação por
solução e por imersão. Os filmes foram caracterizados para verificação de suas propriedades e reticulação. Foram caracterizados através de microscopia eletrônica de varredura (MEV), Espectroscopia de Infra-vermelho com Transformada de Fourrier (FTIR), capacidade de intumescimento, por calorimetria diferencial de varredura (DSC) e ensaio mecânico. Foi produzida amostra de arcabouço fibroso empregando a técnica de eletrofiação com reticulação por imersão, uma vez que foi comprovado a eficiência da reticulação de filmes por este método.
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DANIEL MARTINS ALVES
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INTERFACE PARA AVALIAÇÃO DA CONECTIVIDADE FUNCIONAL DINÂMICA EM TEMPO DE EXECUÇÃO UTILIZANDO MÉTRICAS DE GRAFOS
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Orientador : DIOGO COUTINHO SORIANO
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Data: 14/05/2020
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A teoria dos grafos vem sendo extensivamente utilizada para descrever a relação entre objetos ou elementos em diferentes contextos. Recentemente, estratégias que transformam séries temporais em grafos atraíram atenção de pesquisadores, principalmente pela possibilidade de caracterizar processos (e.g. estados fisiológicos) por meio de suas medidas clássicas (grau, centralidade de autovetor, etc). A neurociência destaca-se entre os principais nichos de aplicação, dado que as interações das regiões corticais na distribuição espaço-temporal das atividades cerebrais pode ser representada por um grafo, sendo o estudo do conectoma a chave para funcionalmente tentar compreender diversas patologias cerebrais. Entre os tipos de conectividade cerebral, a conectividade funcional dinâmica destaca-se por fornecer informações relevantes sobre o curso temporal das medidas de grafos obtidas da similaridade estatística observada entre diferentes regiões, ganhando particular importância no desenvolvimento de sistemas BCI (interface cérebro-máquina, do inglês, brain-computer interface), onde aspectos dinâmicos da atividade cerebral são utilizados para controlar dispositivos externos em tempo de execução. Tendo isso por motivação, o objetivo deste trabalho é representar graficamente a conectividade funcional dinâmica em tempo de execução através de grafos variantes no tempo visando analisar padrões de EEG coletados no contexto de sistemas BCI durante a execução motora. Para atingir esses objetivos foi desenvolvido um serviço web na tecnologia Node.js, que captura os sinais de EEG vindos do headset do OpenBCI, uma plataforma de baixo custo para amplificação de biopotenciais, e os disponibiliza em uma rede de computadores. Também foi criada uma interface na linguagem Java utilizando a ferramenta GraphStream, a qual transforma os sinais de EEG advindos do OpenBCI em grafos, de acordo com diversos parâmetros de construção, que podem ser atualizados em tempo de execução.
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A teoria dos grafos vem sendo extensivamente utilizada para descrever a relação entre objetos ou elementos em diferentes contextos. Recentemente, estratégias que transformam séries temporais em grafos atraíram atenção de pesquisadores, principalmente pela possibilidade de caracterizar processos (e.g. estados fisiológicos) por meio de suas medidas clássicas (grau, centralidade de autovetor, etc). A neurociência destaca-se entre os principais nichos de aplicação, dado que as interações das regiões corticais na distribuição espaço-temporal das atividades cerebrais pode ser representada por um grafo, sendo o estudo do conectoma a chave para funcionalmente tentar compreender diversas patologias cerebrais. Entre os tipos de conectividade cerebral, a conectividade funcional dinâmica destaca-se por fornecer informações relevantes sobre o curso temporal das medidas de grafos obtidas da similaridade estatística observada entre diferentes regiões, ganhando particular importância no desenvolvimento de sistemas BCI (interface cérebro-máquina, do inglês, brain-computer interface), onde aspectos dinâmicos da atividade cerebral são utilizados para controlar dispositivos externos em tempo de execução. Tendo isso por motivação, o objetivo deste trabalho é representar graficamente a conectividade funcional dinâmica em tempo de execução através de grafos variantes no tempo visando analisar padrões de EEG coletados no contexto de sistemas BCI durante a execução motora. Para atingir esses objetivos foi desenvolvido um serviço web na tecnologia Node.js, que captura os sinais de EEG vindos do headset do OpenBCI, uma plataforma de baixo custo para amplificação de biopotenciais, e os disponibiliza em uma rede de computadores. Também foi criada uma interface na linguagem Java utilizando a ferramenta GraphStream, a qual transforma os sinais de EEG advindos do OpenBCI em grafos, de acordo com diversos parâmetros de construção, que podem ser atualizados em tempo de execução.
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VICTOR GONÇALVES MARQUES
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Characterization of atrial fibrillation in body surface potential mapping systems: a clinical-computational study
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Orientador : JOAO LOURES SALINET JUNIOR
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Data: 15/05/2020
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Introduction: Atrial fibrillation (AF) is the sustained cardiac arrhythmia most common in clinical practice, affecting between 1 and 2% of the world population. In the last decades, basic and clinical research has made great progress in improving the diagnosis and treatment of AF, and its mechanism has been gradually elucidated, but not fully understood. Invasive electrophysiological studies are the most straightforward approach to identifying regions maintaining AF. However, this strategy is technically complex, demanding a large amount of time, resources and with risks for the patients, motivating the development of non-invasive methods, such as body surface potential mapping (BSPM) and electrocardiographic imaging (ECGi). Among these techniques, BSPM is the simplest approach, demanding relatively simple hardware and software to analyse the signals, and yielding relevant clinical results, which can be of use both in early diagnosis and follow-up, being an important auxiliary tool.
Objective: The main objective of this study is to propose a robust approach for frequency analysis in AF BSPM signals allowing the development of more realistic maps related to the AF pathophysiology and automatically classify this arrhythmia noninvasively to closely related supraventricular atrial arrhythmias (atrial tachycardia - AT, atrial flutter – AFL).
Methods: in this study 567 BSPM leads from realistic 3D computer model of atria arrhythmias (4 ectopic activity - AT, 4 macro-reentrant mechanism - AFL and 11 functional reentry – AF) and 67 BSPM leads from 12 AF patients (9 paroxysmal and 3 persistent) were considered for analysis. The analysis consisted of generating 3D maps of dominant frequency (DF), phase and singularity points. DF maps of the atrial driving frequencies were estimated non-invasively by combining activation detection and DF in Welch periodograms, with a spatial mask to avoid harmonics, and compared with a proposed developed wavelet transform-based method. The robustness of proposed method was tested in different protocols (increasing levels of noise and harmonics presence). Phase maps were obtained applying Hilbert transform on signals filtered around the driver frequency (±1Hz) and the spatiotemporal distribution of phase singularity points (SPs) was analyzed using histograms (heatmaps) and connecting SPs along time (filaments). The impact of reducing the number of leads to realistic clinical scenario set of electrodes (252 to 16) was quantified using similarity measures and statistical tests. Three classifiers (least squares, k-nearest neighbors and random forests) were applied to distinguish automatically the arrhythmias (AT, AFL and AF) based on features extracted from frequency and phase analyses.
Results: analysis of BSPM signals undergoing AF showed that the wavelet-based proposed method outperformed the worldwide Welch approach both in models (correct HDF detection 81.82% vs 45.45%, respectively) and patients (75.00% vs 66.67%). The method was more robust to white Gaussian noise and harmonics and presented more consistent results in lead layouts with low spatial resolution (64 and 32 leads). Moreover, frequency and phase analyses revealed distinct behaviour between AF and other two arrhythmias (AT and AFL). Driver mechanism frequencies were estimated with the highest DF on the torso ignoring 6% of the highest DF values to avoid small harmonic regions, resulting in errors of 12.5 ± 4.8%, 5.21 ± 6.25%, and 9.94 ± 7.16% for AT, AFL and AF, respectively. These frequencies were reflected in a smaller portion of the torso for AF than AT or AFL (p<0.05), having a spatial correlation to the atrial position of the arrhythmic drivers. Filament durations were shorter in AF (p<0.05), followed by AT and AFL. Average rotation frequency from the filaments was similar to the estimated driver frequency. SP clusters in heatmaps were smaller in AFL than AF but had higher density (p<0.01); AT presented intermediate values (p>0.05). No significant differences were found in features extracted from frequency or phase analyses along the different leads’ layouts (252 to 16 leads), despite a loss in sensitivity and precision in SP detection. These features resulted in a automatic classification between AF, AFL and AT with a balanced accuracy of 87.94% using a random forest classifier (40 trees, depth 2).
Conclusion: through a pipeline of signal processing techniques, AF characteristics estimation were improved and more related with the AF pathophysiology. Frequency and phase domains showed intrinsic personalized characteristics across the AT, AFL and AF. The behavior of the arrhythmias could be detected even with low spatial resolution BSPM layouts and were enough for distinguishing automatically the different mechanisms.
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Introduction: Atrial fibrillation (AF) is the sustained cardiac arrhythmia most common in clinical practice, affecting between 1 and 2% of the world population. In the last decades, basic and clinical research has made great progress in improving the diagnosis and treatment of AF, and its mechanism has been gradually elucidated, but not fully understood. Invasive electrophysiological studies are the most straightforward approach to identifying regions maintaining AF. However, this strategy is technically complex, demanding a large amount of time, resources and with risks for the patients, motivating the development of non-invasive methods, such as body surface potential mapping (BSPM) and electrocardiographic imaging (ECGi). Among these techniques, BSPM is the simplest approach, demanding relatively simple hardware and software to analyse the signals, and yielding relevant clinical results, which can be of use both in early diagnosis and follow-up, being an important auxiliary tool.
Objective: The main objective of this study is to propose a robust approach for frequency analysis in AF BSPM signals allowing the development of more realistic maps related to the AF pathophysiology and automatically classify this arrhythmia noninvasively to closely related supraventricular atrial arrhythmias (atrial tachycardia - AT, atrial flutter – AFL).
Methods: in this study 567 BSPM leads from realistic 3D computer model of atria arrhythmias (4 ectopic activity - AT, 4 macro-reentrant mechanism - AFL and 11 functional reentry – AF) and 67 BSPM leads from 12 AF patients (9 paroxysmal and 3 persistent) were considered for analysis. The analysis consisted of generating 3D maps of dominant frequency (DF), phase and singularity points. DF maps of the atrial driving frequencies were estimated non-invasively by combining activation detection and DF in Welch periodograms, with a spatial mask to avoid harmonics, and compared with a proposed developed wavelet transform-based method. The robustness of proposed method was tested in different protocols (increasing levels of noise and harmonics presence). Phase maps were obtained applying Hilbert transform on signals filtered around the driver frequency (±1Hz) and the spatiotemporal distribution of phase singularity points (SPs) was analyzed using histograms (heatmaps) and connecting SPs along time (filaments). The impact of reducing the number of leads to realistic clinical scenario set of electrodes (252 to 16) was quantified using similarity measures and statistical tests. Three classifiers (least squares, k-nearest neighbors and random forests) were applied to distinguish automatically the arrhythmias (AT, AFL and AF) based on features extracted from frequency and phase analyses.
Results: analysis of BSPM signals undergoing AF showed that the wavelet-based proposed method outperformed the worldwide Welch approach both in models (correct HDF detection 81.82% vs 45.45%, respectively) and patients (75.00% vs 66.67%). The method was more robust to white Gaussian noise and harmonics and presented more consistent results in lead layouts with low spatial resolution (64 and 32 leads). Moreover, frequency and phase analyses revealed distinct behaviour between AF and other two arrhythmias (AT and AFL). Driver mechanism frequencies were estimated with the highest DF on the torso ignoring 6% of the highest DF values to avoid small harmonic regions, resulting in errors of 12.5 ± 4.8%, 5.21 ± 6.25%, and 9.94 ± 7.16% for AT, AFL and AF, respectively. These frequencies were reflected in a smaller portion of the torso for AF than AT or AFL (p<0.05), having a spatial correlation to the atrial position of the arrhythmic drivers. Filament durations were shorter in AF (p<0.05), followed by AT and AFL. Average rotation frequency from the filaments was similar to the estimated driver frequency. SP clusters in heatmaps were smaller in AFL than AF but had higher density (p<0.01); AT presented intermediate values (p>0.05). No significant differences were found in features extracted from frequency or phase analyses along the different leads’ layouts (252 to 16 leads), despite a loss in sensitivity and precision in SP detection. These features resulted in a automatic classification between AF, AFL and AT with a balanced accuracy of 87.94% using a random forest classifier (40 trees, depth 2).
Conclusion: through a pipeline of signal processing techniques, AF characteristics estimation were improved and more related with the AF pathophysiology. Frequency and phase domains showed intrinsic personalized characteristics across the AT, AFL and AF. The behavior of the arrhythmias could be detected even with low spatial resolution BSPM layouts and were enough for distinguishing automatically the different mechanisms.
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