Modelagem computacional e estimativa de propriedade óptica via inferência Bayesiana com aplicações em processos que envolvam hipertermia e ablação térmica

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Ventura, Ingrid Mabel
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
Texto Completo: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/16502
Resumo: This work presents a computational analysis to estimate the effective attenuation coefficient of biological tissues. This coefficient is an optical property of materials and can vary from person to person in the same type of tissue and depending on the environmental conditions. Thus, an individualized knowledge of this property is important to adequately plan the thermal therapies when a laser is applied as heat source. Considering this relevance, this study used the classical bioheat transfer equation to model mathematically the bioheat transfer in a biological tissue heated by a continuous laser with a Gaussian beam. The direct problem was solved by the Generalized Integral Transform Technique with partial transformation scheme, and this solution was verified against the purely numerical solutions obtained with the software COMSOL Multiphysics® and by others methods. These solutions reveal an excellent graphical and numerical agreement. In the inverse analysis, the Bayesian inference is applied using the Markov chain Monte Carlo method performed with Metropolis-Hastings algorithm considering simulated temperature measurements to estimate the effective attenuation coefficient of the human prostate in simulated hyperthermia and ablation therapies. In all considered situations, the attenuation coefficient is accurately estimated and the uncertainties related to others parameters presented in the physical-mathematical model was quantified by applying the Bayesian framework.
id UERJ_fae8acdaac035c37e04b8c5663a39174
oai_identifier_str oai:www.bdtd.uerj.br:1/16502
network_acronym_str UERJ
network_name_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
repository_id_str 2903
spelling Abreu, Luiz Alberto da Silvahttp://lattes.cnpq.br/2157391120883842Loiola, Bruna Rafaellahttp://lattes.cnpq.br/2686322044242498Knupp, Diego Camposhttp://lattes.cnpq.br/1743826010794846Varon, Leonardo Antonio Bermeohttp://lattes.cnpq.br/4417772166132737http://lattes.cnpq.br/0635761970404280Ventura, Ingrid Mabel2021-08-24T21:33:52Z2021-05-14VENTURA, Ingrid Mabel. Modelagem computacional e estimativa de propriedade óptica via inferência Bayesiana com aplicações em processos que envolvam hipertermia e ablação térmica. 2021. 134 f. Dissertação (Mestrado em Modelagem Computacional) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Nova Friburgo, 2021.http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/16502This work presents a computational analysis to estimate the effective attenuation coefficient of biological tissues. This coefficient is an optical property of materials and can vary from person to person in the same type of tissue and depending on the environmental conditions. Thus, an individualized knowledge of this property is important to adequately plan the thermal therapies when a laser is applied as heat source. Considering this relevance, this study used the classical bioheat transfer equation to model mathematically the bioheat transfer in a biological tissue heated by a continuous laser with a Gaussian beam. The direct problem was solved by the Generalized Integral Transform Technique with partial transformation scheme, and this solution was verified against the purely numerical solutions obtained with the software COMSOL Multiphysics® and by others methods. These solutions reveal an excellent graphical and numerical agreement. In the inverse analysis, the Bayesian inference is applied using the Markov chain Monte Carlo method performed with Metropolis-Hastings algorithm considering simulated temperature measurements to estimate the effective attenuation coefficient of the human prostate in simulated hyperthermia and ablation therapies. In all considered situations, the attenuation coefficient is accurately estimated and the uncertainties related to others parameters presented in the physical-mathematical model was quantified by applying the Bayesian framework.Este trabalho apresenta um procedimento computacional para realização de estimativas do coeficiente de atenuação efetivo de tecidos biológicos. Esse coeficiente é uma propriedade óptica dos materiais e pode variar de pessoa para pessoa em um mesmo tipo de tecido. Desse modo, ter conhecimento individual dessa propriedade proporciona um adequado planejamento para os tratamentos térmicos a laser utilizados na área da saúde. Na estimativa de parâmetros realizada, a equação clássica de biotransferência de calor foi empregada na modelagem matemática do problema físico proposto, sendo considerado um laser de feixe Gaussiano como fonte de calor externa. A técnica da Transformada Integral Generalizada, em uma abordagem de transformação parcial, foi aplicada na solução do problema direto e verificada com soluções puramente numéricas obtidas com o software COMSOL Multiphysics® e via outros métodos, apresentando boa concordância gráfica e numérica. Na solução do problema inverso foi aplicada a inferência Bayesiana pelo método de Monte Carlo via cadeia de Markov por meio do algoritmo Metropolis-Hastings para estimar o coeficiente de atenuação efetivo para a próstata humana em casos de hipertermia e ablação a laser utilizando medidas sintéticas de temperatura. Nas situações simuladas foi possível estimar corretamente o coeficiente óptico, além de contabilizar as incertezas presentes nos parâmetros de interesse do modelo físico-matemático.Submitted by Pâmela CTC/E (pamela.flegr@uerj.br) on 2021-08-24T21:33:52Z No. of bitstreams: 1 Dissertação - Ingrid Mabel Ventura - 2021 - Completa.pdf: 6170769 bytes, checksum: 8524b4eb5c258bcdc661fbdbdccb35ec (MD5)Made available in DSpace on 2021-08-24T21:33:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação - Ingrid Mabel Ventura - 2021 - Completa.pdf: 6170769 bytes, checksum: 8524b4eb5c258bcdc661fbdbdccb35ec (MD5) Previous issue date: 2021-05-14Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESapplication/pdfporUniversidade do Estado do Rio de JaneiroPrograma de Pós-Graduação em Modelagem ComputacionalUERJBrasilCentro de Tecnologia e Ciências::Instituto PolitécnicoFundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro - FAPERJEffective attenuation coefficientBioheat transferInverse problemsBayesian inferenceTratamento térmicoTestes de estimaçãoTransferência de calorModelos matemáticosProblemas inversos (Equações diferenciais)Modelagem computacionalCoeficiente de atenuação efetivoBiotransferência de calorProblemas inversosInferência BayesianaENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTEModelagem computacional e estimativa de propriedade óptica via inferência Bayesiana com aplicações em processos que envolvam hipertermia e ablação térmicaComputational modeling and optical property estimation by Bayesian inference for hyperthermia and ablation proceduresinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJinstname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)instacron:UERJORIGINALDissertação - Ingrid Mabel Ventura - 2021 - Completa.pdfDissertação - Ingrid Mabel Ventura - 2021 - Completa.pdfapplication/pdf6170769http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/16502/2/Disserta%C3%A7%C3%A3o+-+Ingrid+Mabel+Ventura+-+2021+-+Completa.pdf8524b4eb5c258bcdc661fbdbdccb35ecMD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82123http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/16502/1/license.txte5502652da718045d7fcd832b79fca29MD511/165022024-02-27 15:26:35.702oai:www.bdtd.uerj.br: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Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.bdtd.uerj.br/PUBhttps://www.bdtd.uerj.br:8443/oai/requestbdtd.suporte@uerj.bropendoar:29032024-02-27T18:26:35Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)false
dc.title.por.fl_str_mv Modelagem computacional e estimativa de propriedade óptica via inferência Bayesiana com aplicações em processos que envolvam hipertermia e ablação térmica
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv Computational modeling and optical property estimation by Bayesian inference for hyperthermia and ablation procedures
title Modelagem computacional e estimativa de propriedade óptica via inferência Bayesiana com aplicações em processos que envolvam hipertermia e ablação térmica
spellingShingle Modelagem computacional e estimativa de propriedade óptica via inferência Bayesiana com aplicações em processos que envolvam hipertermia e ablação térmica
Ventura, Ingrid Mabel
Effective attenuation coefficient
Bioheat transfer
Inverse problems
Bayesian inference
Tratamento térmico
Testes de estimação
Transferência de calor
Modelos matemáticos
Problemas inversos (Equações diferenciais)
Modelagem computacional
Coeficiente de atenuação efetivo
Biotransferência de calor
Problemas inversos
Inferência Bayesiana
ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE
title_short Modelagem computacional e estimativa de propriedade óptica via inferência Bayesiana com aplicações em processos que envolvam hipertermia e ablação térmica
title_full Modelagem computacional e estimativa de propriedade óptica via inferência Bayesiana com aplicações em processos que envolvam hipertermia e ablação térmica
title_fullStr Modelagem computacional e estimativa de propriedade óptica via inferência Bayesiana com aplicações em processos que envolvam hipertermia e ablação térmica
title_full_unstemmed Modelagem computacional e estimativa de propriedade óptica via inferência Bayesiana com aplicações em processos que envolvam hipertermia e ablação térmica
title_sort Modelagem computacional e estimativa de propriedade óptica via inferência Bayesiana com aplicações em processos que envolvam hipertermia e ablação térmica
author Ventura, Ingrid Mabel
author_facet Ventura, Ingrid Mabel
author_role author
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Abreu, Luiz Alberto da Silva
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/2157391120883842
dc.contributor.advisor2.fl_str_mv Loiola, Bruna Rafaella
dc.contributor.advisor2Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/2686322044242498
dc.contributor.referee1.fl_str_mv Knupp, Diego Campos
dc.contributor.referee1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/1743826010794846
dc.contributor.referee2.fl_str_mv Varon, Leonardo Antonio Bermeo
dc.contributor.referee2Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/4417772166132737
dc.contributor.authorLattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/0635761970404280
dc.contributor.author.fl_str_mv Ventura, Ingrid Mabel
contributor_str_mv Abreu, Luiz Alberto da Silva
Loiola, Bruna Rafaella
Knupp, Diego Campos
Varon, Leonardo Antonio Bermeo
dc.subject.eng.fl_str_mv Effective attenuation coefficient
Bioheat transfer
Inverse problems
Bayesian inference
topic Effective attenuation coefficient
Bioheat transfer
Inverse problems
Bayesian inference
Tratamento térmico
Testes de estimação
Transferência de calor
Modelos matemáticos
Problemas inversos (Equações diferenciais)
Modelagem computacional
Coeficiente de atenuação efetivo
Biotransferência de calor
Problemas inversos
Inferência Bayesiana
ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE
dc.subject.por.fl_str_mv Tratamento térmico
Testes de estimação
Transferência de calor
Modelos matemáticos
Problemas inversos (Equações diferenciais)
Modelagem computacional
Coeficiente de atenuação efetivo
Biotransferência de calor
Problemas inversos
Inferência Bayesiana
dc.subject.cnpq.fl_str_mv ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE
description This work presents a computational analysis to estimate the effective attenuation coefficient of biological tissues. This coefficient is an optical property of materials and can vary from person to person in the same type of tissue and depending on the environmental conditions. Thus, an individualized knowledge of this property is important to adequately plan the thermal therapies when a laser is applied as heat source. Considering this relevance, this study used the classical bioheat transfer equation to model mathematically the bioheat transfer in a biological tissue heated by a continuous laser with a Gaussian beam. The direct problem was solved by the Generalized Integral Transform Technique with partial transformation scheme, and this solution was verified against the purely numerical solutions obtained with the software COMSOL Multiphysics® and by others methods. These solutions reveal an excellent graphical and numerical agreement. In the inverse analysis, the Bayesian inference is applied using the Markov chain Monte Carlo method performed with Metropolis-Hastings algorithm considering simulated temperature measurements to estimate the effective attenuation coefficient of the human prostate in simulated hyperthermia and ablation therapies. In all considered situations, the attenuation coefficient is accurately estimated and the uncertainties related to others parameters presented in the physical-mathematical model was quantified by applying the Bayesian framework.
publishDate 2021
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2021-08-24T21:33:52Z
dc.date.issued.fl_str_mv 2021-05-14
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv VENTURA, Ingrid Mabel. Modelagem computacional e estimativa de propriedade óptica via inferência Bayesiana com aplicações em processos que envolvam hipertermia e ablação térmica. 2021. 134 f. Dissertação (Mestrado em Modelagem Computacional) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Nova Friburgo, 2021.
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/16502
identifier_str_mv VENTURA, Ingrid Mabel. Modelagem computacional e estimativa de propriedade óptica via inferência Bayesiana com aplicações em processos que envolvam hipertermia e ablação térmica. 2021. 134 f. Dissertação (Mestrado em Modelagem Computacional) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Nova Friburgo, 2021.
url http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/16502
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.relation.por.fl_str_mv Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro - FAPERJ
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade do Estado do Rio de Janeiro
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional
dc.publisher.initials.fl_str_mv UERJ
dc.publisher.country.fl_str_mv Brasil
dc.publisher.department.fl_str_mv Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto Politécnico
publisher.none.fl_str_mv Universidade do Estado do Rio de Janeiro
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
instname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)
instacron:UERJ
instname_str Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)
instacron_str UERJ
institution UERJ
reponame_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
collection Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
bitstream.url.fl_str_mv http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/16502/2/Disserta%C3%A7%C3%A3o+-+Ingrid+Mabel+Ventura+-+2021+-+Completa.pdf
http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/16502/1/license.txt
bitstream.checksum.fl_str_mv 8524b4eb5c258bcdc661fbdbdccb35ec
e5502652da718045d7fcd832b79fca29
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)
repository.mail.fl_str_mv bdtd.suporte@uerj.br
_version_ 1792352345630179328