Assessment of Tooth Structure using an Alternative Electrical Bioimpedance Spectroscopy Method

In the past few years bioimpedance has been used in many applications in dentistry, such as estimating the length of root canals and the physical properties of enamel. Despite the significant number of studies using bioimpedance to investigate the dental structure, many of them use only the real component of bioimpedance, i.e., the resistance, disregarding the information provided by the imaginary one, i.e., the reactance. Moreover, in different studies that investigate both parts of bioimpedance, the data are obtained by using single frequency or multifrequency methods based on sinusoidal sweep. The aim of this study was to investigate the use of an alternative bioimpedance spectroscopy (BIS) method based on step response in the assessment of tooth structure. To test the feasibility of the studied method we performed in vitro experiments that considered the successive removal of enamel layers of 22 healthy teeth, the accomplishment of the BIS method, and the estimate of bioimpedance parameter that were associated with the changes in the tooth structure. To deal with the variability of bioimpedance parameters a dental health index (DHI) is proposed. The findings include the behavior of bioimpedance parameters of intact teeth, as well as those associated with the successive removal of the enamel layer, and indicate that DHI is sensitive enough to detect changes of the enamel layer. The results point to the feasibility of the studied BIS method in evaluating tooth structure and that it might be used to assess dental health.

Nos últimos anos a bioimpedância tem sido usada em aplicações odontológicas tais como estimativas de profundidade do canal radicular e na investigação de propriedades do esmalte. Apesar do número significativo de estudos usando a técnica de bioimpedância para avaliar a estrutura dental, muitos trabalhos usam somente a componente real da bioimpedância, isto é, a resistência; desprezando a informação fornecida pela parte imaginária, isto é, a reatância. Além disso, em diversos trabalhos que investigam ambas as partes da bioimpedância, os dados são, geralmente, obtidos por métodos monofrequenciais ou multifrequenciais baseados na varredura senoidal. O objetivo deste estudo foi investigar o uso de um método alternativo de espectroscopia de bioimpedância (BIS) baseado na resposta de corrente a um degrau de tensão na avaliação da estrutura do dente. Para testar a viabilidade do método alternativo realizamos experimentos in vitro que consideraram a remoção da camada de esmalte de 22 dentes hígidos, a aplicação do método BIS e a estimativa de parâmetros de bioimpedância que foram associados às mudanças na estrutura do dente. Para enfrentar o problema da variabilidade dos parâmetros de bioimpedância um índice de saúde dental (DHI) é proposto. Os resultados incluem o comportamento dos parâmetros de bioimpedância de dentes hígidos, assim como aqueles associados às sucessivas remoções da camada de esmalte; indicando que o DHI é sensível para detectar mudanças na camada de esmalte. Os achados apontam para a viabilidade do método de BIS estudado na avaliação da estrutura do dente e que ele poderia ser usado para quantificação da saúde dental.

Algoritmo de reconstrução de imagens para um sistema de Tomografia por Impedância Elétrica (TIE) baseado em configuração multiterminais / Image reconstruction algorithm for a multiterminal-based Electrical Impedance Tomography (EIT) system

INTRODUÇÃO: A Tomografia por Impedância Elétrica (TIE) é um método de imageamento de baixo custo, não invasivo, portátil e livre de radiacão ionizante, que é capaz de mapear a distribuicão das propriedades elétricas de tecidos biológicos. Apesar da baixa resolucão das imagens reconstruídas, quando comparadas a outras técnicas de imageamento tomográfico, tem-se observado uma série de aplicacões clínicas nas quais a EIT é utilizada para monitorar a atividade de determinados tecidos do corpo humano. A maioria dos sistemas de EIT comerciais tem sido pautada no paradigma originalmente proposto de uma configuracão multiportas. Este trabalho apresenta um algoritmo de reconstrucão de imagem para um sistema alternativo de EIT que usa uma configuracão multiterminais. MÉTODOS: O algoritmo é baseado na associacão entre o plano tomográfico do volume condutor e um sistema eletrostático análogo. Para avaliar o algoritmo, imagens de EIT foram reconstruídas a partir de dados obtidos experimentalmente em tanque com solucão salina, sendo as mesmas quantificadas por meio de métricas estabelecidas para este propósito. RESULTADOS: Quantitativamente, as imagens reconstruídas com o algoritmo proposto apresentaram um erro de posicão de ±10%, resolucão e deformacão decrescentes do centro para a borda e oscilacão em torno de 60% do meio. CONCLUSÃO: Uma vez que o algoritmo não possui nenhum processo de filtragem, os resultados foram considerados satisfatórios e encorajadores para trabalhos futuros visando melhorias.

INTRODUCTION: Electrical Impedance Tomography (EIT) is a low cost, non-invasive, portable and free of ionizing radiation method for imaging the distribution of the electric properties of biological tissues. Despite the low resolution of the reconstructed images when compared with other tomographic techniques, there is a range of clinical applications in which the EIT has been used to monitor the activity of certain body tissues. Most of commercial EIT systems are based on the original paradigm defined as a multiport configuration. This paper presents an algorithm developed to reconstruct images for an alternative multiterminal-based EIT system. METHODS: The algorithm is based on the association between the tomographic plane of the conductor volume and an analogous electrostatic system. To evaluate the algorithm, EIT images were reconstructed using data obtained experimentally in a saline solution tank, which were quantified by some metrics established for this purpose. RESULTS: Quantitatively, EIT images reconstructed by the proposed algorithm presented a position error around ±10%, resolution and shape deformation decreasing from center to the edge, and ringing around 60% of the medium. CONCLUSION: Taking into account that no filtering was used in the algorithm, the results can be considered satisfactory and encourage future works aiming further improvement.

Influência de parâmetros da estimulação elétrica funcional na contração concêntrica do quadríceps / Influence of functional electrical stimulation parameters in quadriceps concentric contraction

INTRODUÇÃO: Sistemas de estimulacão elétrica funcional (FES) são usados na pràtica clínica para o fortalecimento muscular, assim como para a recuperacão e preservacão funcional dos músculos enfraquecidos. Porém, uma das dificuldades encontradas na sua aplicacão é a falta de padrões adequados para a realizacão de um movimento pré-estabelecido, uma vez que os parâmetros da estimulacão (frequência, intensidade de corrente e duracão do pulso) são variados heuristicamente. O presente trabalho investigou a influência dos paraêmetros da FES usada no estabelecimento da posicão angular e forca produzida na extensão de joelho. MÉTODOS: O procedimento experimental foi dividido em duas fases chamadas Fase I e Fase II. A amostra total do estudo foi composta por 41 voluntàrios saudàveis de ambos os sexos (27 na Fase I e 14 na Fase II). Durante a Fase I cada voluntàrio foi estimulado com 18 combinacões diferentes de parâmetros para a FES, com o objetivo de determinar um modelo capaz de prever o movimento realizado para cada padrão de estimulacão. RESULTADOS: As diferentes duracões de pulso aplicadas não resultaram em alteracões significativas nos movimentos produzidos. Dentre os valores de frequência investigados, 50 Hz foi escolhida para a Fase II, por ter apresentado maior diferenca estatisticamente significativa para os valores de intensidade de corrente avaliados. Durante a Fase II, a intensidade de corrente da FES foi ajustada segundo um modelo linear estabelecido durante a primeira fase e que considerou características antropométricas dos sujeitos; encontrando-se um coeficiente de correlação r = 0,798 entre o ângulo pré-estabelecido e o ângulo alcancado. CONCLUSÃO: Este trabalho apresenta um modelo para a determinação de parâmetros de FES que permitem estabelecer variações angulares da articulação do joelho associadas à eletroestimulação. Considerando a frequência e a duração de pulsos constantes, se estima, usando uma equação de primeira ordem ...

INTRODUCTION: Functional electrical stimulation (FES) is used in clinical practice for muscle strengthening, as well as for functional recovery and preservation of weakened muscles. However, one of the problems in clinical application is the lack of adequate standards for determining the attainment of a predetermined movement, since the stimulation parameters are often adjusted heuristically. The present study investigated the influence of some parameters (frequency, current intensity and pulse duration) of the FES used to establish the joint angle and force produced in knee extension. METHODS: The experimental procedure was divided in two phases (Phase I and Phase II). The total sample included 41 healthy volunteers of both sexes (27 and 14 in Phase I and Phase II). During Phase I 18 profiles of FES were applied in the quadriceps muscle of subjects, changing the above-mentioned FES parameters. RESULTS: It was observed that the pulse duration of the electrical stimulation pulse did not exhibit significant relevance in the evoked movements. Among the discrete values of frequency investigated, the stimulation at 50 Hz was selected because it showed higher statistical significant difference considering the values of current intensity measured. During the Phase II, devoted to place the knee joint angle in a pre-determined value, the current intensity of the FES was adjusted according to the linear model established during the Phase I, which considered anthropometric characteristics of the subjects. In this Phase we found a correlation coefficient r = 0,798 between the pre-determined angle and the reached one. CONCLUSION: This paper presents a model for the determination of FES parameters for establishing angular variations of the knee associated with electrical stimulation. Considering frequency and pulse duration constants we estimate, using a first order equation and correlation coefficient of 0.72, the current intensity dependent of desired angle variation.

Controle automático da ventilação mecânica para minimizar a lesão pulmonar induzida pela ventilação / Automatic control of the mechanical ventilation for minimizing the ventilation induced lung injury

O ajuste de parâmetros dos ventiladores mecânicos pulmonares para evitar a reabertura cíclica de unidades alveolares e pequenas vias aéreas, assim como a hiperdistensão dos septos alveolares, tem sido motivo de atenção nos últimos anos. Este trabalho utiliza um modelo de lesão pulmonar aguda (ALI) em suínos para testar um controlador de ventiladores em malha fechada baseado em regras e modelos discutidos na literatura. Utiliza-se um modelo polinomial da cursa pressão-volume do sistema respiratório para o ajuste da pressão positiva ao final da expiração (PEEP), visando evitar a reabertura cíclica de unidades alveolares, e o ajuste do volume corrente, visando evitar a hiperdistensão pulmonar. Um índice de hiperdistensão baseado na identificação de uma elastância não linear para o sistema respiratório permite o uso do controlador com qualquer forma de onda de ventilação constrolada. Os resultados do controlador proposto foram confrontados com resultados obtidos na ventilação de um grupo controle, manualmente ventilados com base nas mesmas premissas. Como resultado, o controlador automático obteve valores de PEEP dentro da faixa de valores obtidos no grupo controle, porém com menor dispersão. O índice de hiperdistensão calculado ficou abaixo do limiar de hiperdistensão em 5 dos 6 animais do grupo ventilado automaticamente, e em 3 dos 6 animais ventilados do grupo controle. O controlador se comportou de forma estável e os resultados recomendam seu uso em ALI.

Mínimos quadrados aplicados à identificaçäo de parâmetros da mecânica respiratória: identificaçäo de mecânica respiratória pelo método de mínimos quadrados / Mean square applied to identify the mechanics respiratory parameters: identification the respiratory mechanics by Mean square method

A técnica de mínimos quadrados aplicada à identificação da mecânica do sistema respiratório (SR) baseado num modelo unicompartimental simples é discutida neste trabalho. Os resultados mostram que apenas o PEEP (pressão positiva ao fim da expiração) é sempre bem identificado. Em alguns casos, a complacência dinâmica também pode ser bem determinada. O método pode se prestar bem para a monitorização contínua do PEEP e da evolução do quadro clínico.