Skip navigation
Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.unb.br/handle/10482/40324
Files in This Item:
File Description SizeFormat 
2020_GuilhermeTarcisioLeal.pdf9,52 MBAdobe PDFView/Open
Title: Método baseado em filtro analógico Wavelet para modulação e decomposição adaptativa da bioimpedância elétrica torácica em componentes cardíaco e respiratório
Authors: Leal, Guilherme Tarcísio
Orientador(es):: Haddad, Sandro Augusto Pavlik
Assunto:: Bioimpedância elétrica torácica
Gerador de corrente senoidal
Filtro analógico Wavelet
Marcapasso
Issue Date: 26-Mar-2021
Citation: LEAL, Guilherme Tarcísio. Método baseado em filtro analógico Wavelet para modulação e decomposição adaptativa da bioimpedância elétrica torácica em componentes cardíaco e respiratório. xxii, 98 f., il. 2020. Dissertação (Mestrado em Engenharia Biomédica)–Universidade de Brasília, Brasília, 2020.
Abstract: As doenças cardiovasculares são a principal causa de morte entre seres humanos nos últimos anos sendo responsáveis por 50% delas em países desenvolvidos de acordo com a Sociedade Europeia de Cardiologia. No Brasil corresponde a 30% dos óbitos registrados, conforme a Sociedade Brasileira de Cardiologia. Esses números são a principal preocupação da medicina moderna considerando que, de acordo com a Organização Mundial da Saúde, 80% das doenças cardíacas prematuras são evitáveis. O coração de uma pessoa saudável é capaz de variar a frequência dos batimentos, de acordo com a demanda metabólica do seu corpo. Quando isso não é possível um marcapasso cardíaco implantável é usado para regularizar a atividade cardíaca de maneira induzida. Com isso, um sensor para indicar ao marcapasso a demanda metabólica tornou-se necessário. Os estudos realizados na última década mostraram que a bioimpedância elétrica torácica (TEB) é uma eficiente variável fisiológica para essa tarefa. O processo de aquisição da TEB em marcapassos, é porém, bastante complexo; principalmente por envolver processos de modulação num ambiente fisiológico em que existem outros sinais presentes que dificultam a separação da TEB. Com a evolução da microeletrônica, o projeto de sistema do marcapasso também sofreu alterações; sugiram novos estudos propondo diferentes sinais de modulação e outros métodos de separação da TEB e os resultados se mostraram promissores. Apesar disso, apenas alguns sinais de modulação e poucos filtros analógicos foram testados em sistemas para marcapasso devido especialmente às severas limitações de consumo de energia que um dispositivo implantável impõe. Por outro lado, houve avanços nas pesquisas envolvendo o filtro analógico wavelet (FAW), mostrando que esse elemento pode ser implementado com baixo consumo de energia, compatível com sistemas implantáveis. Nesse contexto, observando os estudos prévios que indicam que o uso do FAW pode reduzir o consumo de energia do sistema de medição da TEB em marcapasso artificiais, formula-se seguinte hipótese científica: partindo das evidencias (estudos prévios) que o uso do FAW pode ser implementado em ultra-baixo consumo de energia, este estudo busca desvendar se a hipótese de que o uso do filtro para compor um sistema de medição da TEB em marcapasso implantável, em substituição a outros dispositivos que tem maior consumo de energia (como os conversores digital para analógico e os filtros digitais) pode melhorar, ou pelo menos manter a acurácia na medição da TEB e de suas componentes cardíacas e respiratórias. Para verificar esta hipótese, são propostos dois novos subsistemas baseados no FAW, para serem aplicados no sistema de medição da TEB em marcapassos cardíacos implantáveis, sendo eles: 1) Gerador de corrente senoidal para modulação da TEB; 2)Decompositor da TEB em suas componentes cardíaca (ZC) e respiratória (ZR). O primeiro sistema proposto, o Gerador de Corrente Senoidal, consiste em usar o filtro analógico wavelet para eliminar os harmônicos de uma onda quadrada, deixando somente um tom, com intuito de criar um sinal com características senoidais. A partir disso, produzir métricas de desempenho – como a Distorção Harmônica Total (THD) e a Faixa Dinâmica Livre de Espúrios (SFDR) - para validar a proposta frente a outros trabalhos. Em outra análise, o sinal proposto é aplicado em um sistema de Detecção Módulo e Fase (MPD) para recuperar a TEB e avaliar a acurácia do sistema. O resultado obtido é comparado com outros estudos publicados. O segundo método apresentado, o Decompositor da TEB, se trata de um sistema que separa o sinal da TEB em suas componentes cardíaca e respiratória. O sinal da TEB utilizado neste estudo é gerado a partir de um Sintetizador de Sinal da Bioimpedância (BISS). O processo de decomposição tem com elemento principal o FAW, que é inserido num arranjo de realimentação cruzada com outro filtro passa baixo do tipo butteworth, em que os sinais cardíaco e respiratório são separados por meio da combinação de filtragem no domínio do tempo e da frequência. Alguns testes qualitativos da separação da TEB são mostrados, em que as frequências analisadas são típicas de usuários de marcapasso. O sistema do Decompositor da TEB também é avaliado junto a arquitetura geral apresentada, envolvendo o Gerador de Corrente Senoidal e o sistema de detecção MPD. A métrica de desempenho, aplicada para revelar a acurácia, foi a Raiz do Erro Quadrático Médio (RMSE). Os resultados mostram que o sinal senoidal apresentado tem uma amplitude de pico de 10 mμA a uma frequência de 10 kHz. Sua análise espectral mostra uma THD de 1,4% e uma SFDR 36,7 dB, esses resultados se mostraram promissores em comparação com o estado da arte de sinais de modulação da TEB em marcapasso, já que os melhores resultados publicados haviam sido com o pseudo-seno que teve 2,3% de THD e 32,8 dB de SFDR. Além disso, a acurácia obtida pelo sinal senoidal aplicado na modulação da TEB em um sistema do tipo MPD foi de 0,11 ΩRMS, para valores de impedância na faixa de 100 Ω até 3300 Ω. Esse resultado mostra que a precisão encontrada nesse estudo foi equivalente ao estado da arte de sistema de medição da TEB em marcapasso, sendo que o melhor resultado publicado, foi pseudo-seno que obteve uma acurácia de até 0,13 Ω. Já o sistema de decomposição da TEB, conseguiu separar os componentes ZC e ZR em diferentes frequências, sendo elas valores típicos de usuários de marcapasso. Uma análise qualitativa dos resultados da decomposição da TEB, comparando com as publicações do estado da arte, indica que os resultados são pelo menos equivalentes ao estado da arte. Em outra análise o decompositor proposto tem a vantagem de não utilizar componentes digitais, o que abre espaço para possibilidade de ser utilizado em sistema implantáveis sem comprometer o consumo de energia. Adicionalmente o estudo apresenta uma acurácia da decomposição da TEB, em que ZC ficou entre 22,8 mΩRMS até 92,7 mΩRMS e para ZR foi de 27,3 mΩRMS á 74,7 mΩRMS. Portanto, os resultados encontrados permitem concluir que houve avanço no conhecimento científico, demonstrado pela descrição de uma nova tecnologia para modulação e decomposição da TEB, onde os seus parâmetros de desempenho para o sistema de medição da TEB foram revelados pela primeira vez. Além disso, os resultados deixam um caminho promissor para que novas investigações possam ser realizadas: tanto na continuidade deste trabalho com a implementação de circuitos integrados quanto fazendo a transferência de conhecimento para outras áreas, como a de dispositivos vestíveis e telecomunicações.
Abstract: Cardiovascular diseases are the leading cause of death among human beings in recent years, representing 50% of them in developed countries, according to the European Society of Cardiology. In Brazil, it corresponds to 30% of registered deaths according to the Brazilian Society of Cardiology. These figures are the main concern of modern medicine considering that, according to the World Health Organization, 80% of premature heart diseases are preventable. The heart of a healthy person is able to vary the frequency of the beats, according to the metabolic demand of his body. When this is not possible, an implantable cardiac pacemaker is used to regulate cardiac activity in an induced way. With that, a sensor was necessary to indicate the metabolic demand to the pacemaker. Studies carried out in the last decade have shown that thoracic electrical bioimpedance (TEB) is an efficient physiological variable for this task. However, the TEB acquisition process, in pacemakers, is quite complex; Mainly, because it involves modulation processes in a physiological environment, in which there are other signs present, which make it difficult to separate TEB. With the evolution of microelectronics, the design of the pacemaker system has also changed; New studies suggest different signs of modulation and other methods to separate TEB, and the results have shown promise. Despite this, only a few modulation signals and few analog filters have been tested in pacemaker systems, especially due to the severe limitations on power consumption imposed by an implantable device. On the other hand, advances have been made in research with analog wavelet filters, showing that this element can be implemented with low energy consumption, compatible with implantable systems. In this context, observing previous studies that indicate that the use of FAW can reduce the energy consumption of the TEB measurement system in artificial pacemakers, the following scientific hypothesis is formulated: based on the evidence (previous studies) that the use of FAW can To be implemented in ultra low energy consumption, this study seeks to discover if the filter can compose a TEB measurement system in an implantable pacemaker, replacing other devices that have higher energy consumption (such as DAC and digital filters), and more In addition, the Verification of its use can improve or at least maintain accuracy in the measurement of TEB and its breakdown into cardiac and respiratory components. To verify this hypothesis, two new subsystems based on FAW are proposed, to be applied in a TEB implantable cardiac pacemaker measurement system, being: 1) Sinusoidal current generator to modulate TEB; 2) TEB signal decomposer into cardiac ZC and respiratory ZR components. The first proposed system, a sinusoidal current generator, consists of using the analog wavelet filter to eliminate the harmonics of a square wave, leaving only one tone, to create a signal with sinusoidal characteristics. From there, generate performance metrics, such as Total Harmonic Distortion (THD) and Spurious Free Dynamic Range (SFDR), to validate your proposition against other work. In another analysis, the proposed signal is applied in a Module and Phase Detection (MPD) system to retrieve the TEB and evaluate the accuracy of the system. The result obtained is compared with other published studies. The second method presented, the TEB decomposer, is a system that separates the TEB signal into its cardiac and respiratory components. The processed TEB signal is generated from a bioimpedance signal synthesizer (BISS). The decomposition process has as its main element the analog wavelet filter, which is inserted in a cross-feedback arrangement, where the cardiac and respiratory signals are separated by the combination: filtering in the time and frequency domain. Some qualitative evidence of TEB separation is shown, adjusted to the typical rates of pacemaker users. The system is also evaluated with the general architecture presented, which involves the sinusoidal current generator and the MPD detection system. The performance metric, applied to reveal precision, was the root mean square error (RMSE). The results show that the presented sinusoidal signal has a maximum amplitude of 10 mμA at a frequency of 10 kHz. Their spectral analysis shows a THD of 1.4% and an SFDR of 36.7 dB, these results were promising compared with state-of-the-art of TEB modulation signals in pacemakers, since the best published results had been with the pseudo-sinus which had 2.3% THD and 32.8 dB SFDR. Furthermore, the precision obtained by the sinusoidal signal applied in the TEB modulation in an MPD type system was 0.11 ΩRMS, for impedance values in the range from 100 Ω to 3300 Ω. This result shows that the precision found in this study was equivalent to the latest generation TEB measurement system in pacemakers, with the best published result, the pseudo-sinus obtained up to 0.13 ΩRMS. The TEB decomposition system, for its part, was able to separate the ZC and ZR components at different frequencies, being typical values for pacemaker users. A qualitative analysis of the TEB decomposition results, comparing it with state-of-the-art publications, indicates that the results are at least equivalent to the state of the art, however, the main advantage of not using digital components, which opens space for the possibility of being used in implantable systems without compromising energy consumption. Also, the study has a precision of ZC between 22.8 mΩRMS up to 92.7 mΩRMS and for ZR it was 27.3 mΩRMS to 74.7 mΩRMS. Therefore, the results found allow us to conclude that there was an advance in scientific knowledge, demonstrated by the description of a new technology for modulation and decomposition of TEB, in which its performance parameters were revealed for the first time for the measurement system of TEB. In addition, the results leave a promising path for further research to be carried out: both in the continuity of this work with the implementation of integrated circuits and in the transfer of knowledge to other areas, such as wearables and telecommunications.
Description: Dissertação (Mestrado em Engenharia Biomédica)–Programa de pós-graduação em Engenharia Biomédica, Universidade de Brasília, Brasília, 2020.
Licença:: A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
Appears in Collections:FGA - Mestrado em Engenharia Biomédica

Show full item record Recommend this item " class="statisticsLink btn btn-primary" href="/handle/10482/40324/statistics">



Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.