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http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/21874
Tipo do documento: | Tese |
Título: | Estimulação cerebral profunda: análise térmica via métodos bayesianos |
Autor: | Pereira, Caroline Ribeiro |
Primeiro orientador: | Abreu, Luiz Alberto da Silva |
Segundo orientador: | Knupp, Diego Campos |
Primeiro membro da banca: | Stutz, Leonardo Tavares |
Segundo membro da banca: | Costa, José Mir Justino da |
Terceiro membro da banca: | Costa Junior, José Martim |
Quarto membro da banca: | Souza, Grazione de |
Resumo: | A técnica de estimulação cerebral profunda (do inglês, Deep Brain Stimulation - DBS), um procedimento neurocirúrgico empregado no tratamento de sintomas motores, é caracterizada pelo uso de eletrodos de estimulação que recebem pulsos elétricos. Dependendo do potencial elétrico aplicado, esses pulsos podem ocasionar um aumento de temperatura nas regiões adjacentes à aplicação elétrica. Nesse sentido, aprimorar a precisão da análise térmica, levando em conta as incertezas nos parâmetros físico-matemáticos, e realizar a estimativa de parâmetros desconhecidos são medidas cruciais para prevenir danos térmicos ou aquecimento excessivo decorrente do uso do eletrodo. Esse trabalho trata da aplicação de abordagens bayesianas, por meio de simulação computacional, com o objetivo de analisar o campo de temperaturas em um cérebro com eletrodo DBS. A equação clássica de biotransferência de calor foi empregada para modelar a transferência de calor no tecido, considerando que o aquecimento devido aos pulsos elétricos provenientes do eletrodo é representado por um termo fonte que simboliza o campo elétrico gerado pelo potencial aplicado. A solução do problema direto associado foi obtida utilizando as abordagens numéricas de elementos finitos e diferenças finitas. A análise do campo de temperaturas e a estimativa de parâmetros foram realizadas por meio de problemas inversos, via inferência bayesiana, com a aplicação de filtros de partículas e do método de Monte Carlo com Cadeias de Markov. Nas simulações computacionais realizadas, considerou-se os efeitos produzidos por medições de temperaturas simulada obtidas por meio de um sensor localizado dentro do eletrodo cerebral. Os resultados obtidos, considerando essas medições simuladas, contendo diferentes níveis de ruído, demonstraram boas estimativas de parâmetros e de variáveis de estado. A metodologia apresentada leva em consideração ainda as incertezas associadas aos parâmetros termo-físicos e aos modelos, mostrando-se promissora para reduzir o risco de lesões relacionadas à técnica de estimulação cerebral profunda. |
Abstract: | The Deep Brain Stimulation (DBS) technique, a neurosurgical procedure commonly employed in the treatment of motor symptoms, is characterized by the use of stimulation leads that receive electrical pulses. Depending on the electrical potential applied, these pulses can cause an increase in temperature in regions adjacent to the electrical application. In this context, enhancing the accuracy of thermal analysis, considering uncertainties in the physical-mathematical parameters, and performing the estimation of unknown parameters are crucial measures to prevent thermal damage or excessive heating resulting from the use of the leads. This work concentrates on the application of Bayesian approaches through computational simulation to analyze the temperature field in a brain with a DBS lead. The classical equation of bioheat transfer in tissues was employed to model heat transfer in the tissue, considering that the heating due to electrical pulses from the lead is represented by a source term symbolizing the electric field generated by the applied potential. The solution to the associated direct problem in this physical-mathematical problem was obtained using numerical approaches such as finite element and finite difference methods. The analysis of the temperature field and parameter estimation were carried out through inverse problems, employing Bayesian inference with the application of particle filters and the Markov Chain Monte Carlo method. In the computational simulations performed, the effects produced by simulated temperature measurements obtained through a sensor located within the brain lead were considered. The results obtained, considering these simulated measurements with varying noise levels, demonstrated accurate estimations of parameters and state variables. The presented methodology also takes into account uncertainties associated with thermophysical parameters and models, proving promising for reducing the risk of injuries related to the DBS technique. |
Palavras-chave: | Estimulação cerebral profunda Biotransferência de calor Problemas inversos Filtros de partículas Cérebro - Estimulação Análise térmica Transferência de calor – Modelos matemáticos Temperatura – Medição – Métodos de simulação Teoria bayesiana de decisão estatística Deep brain stimulation Bioheat transfer Inverse problems Particle filters |
Área(s) do CNPq: | ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Instituição: | Universidade do Estado do Rio de Janeiro |
Sigla da instituição: | UERJ |
Departamento: | Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto Politécnico |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional |
Citação: | PEREIRA, Caroline Ribeiro. Estimulação cerebral profunda: análise térmica via métodos bayesianos. 2024. 158 f. Tese (Doutorado em Modelagem Computacional) - Instituto Politécnico, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Nova Friburgo, 2024. |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
URI: | http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/21874 |
Data de defesa: | 6-Fev-2024 |
Aparece nas coleções: | Doutorado em Modelagem Computacional |
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Termo - Caroline Ribeiro Pereira - 2024.pdf | 342,74 kB | Adobe PDF | Baixar/Abrir Pré-Visualizar Solictar uma cópia | |
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