Técnicas de aquisição e processamento digital para caracterização de estertores pulmonares

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Speranza, Carlos Gontarski
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/215948
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2020.
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spelling Técnicas de aquisição e processamento digital para caracterização de estertores pulmonaresEngenharia elétricaSons respiratóriosProcessamento de sinais biomédicosTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2020.Este trabalho propõe técnicas de aquisição e processamento digital de sinais para uma melhor caracterização de estertores pulmonares. Apesar destes sons respiratórios adventícios (anormais) ocorrerem em diversas doenças cardiorrespiratórias, sua utilização em diagnóstico é comprometida devido às distorções sofridas pelo sinal no percurso desde a sua geração, no interior dos pulmões, até a sua captação na superfície do tórax. As principais causas dessas distorções são a superposição de sons respiratórios normais (SRN), a presença de filtros eletrônicos nos sistemas de aquisição e a atenuação não-uniforme do tórax. Estes fatores comprometem a estimação do índice Two-Cycle Duration (2CD), atualmente utilizado para identificar tipos de estertores. Um novo índice menos suscetível aos dois primeiros fatores interferentes, denominado 2CDIF (obtido a partir da frequência instantânea - FI - do estertor), é proposto neste trabalho. Este índice é estimado através da pseudo distribuição discreta de Wigner-Ville (DPWD), ferramenta mais adequada para análise de sinais não-estacionários do que a realizada no domínio do tempo para o cálculo do 2CD. Para compensar a inevitável convolução entre o sinal original do estertor e a resposta ao impulso do tórax, foi proposto equalização cega baseada em autovalores (EVA), em conjunto com o critério da máxima esparsidade. Adicionalmente, foi desenvolvido um novo sistema de aquisição de estertores para investigar o uso de 2 canais analógicos na captação de componentes de frequência muito atenuadas pelo tórax. As propostas foram avaliadas com estertores simulados (por permitir comparação a parâmetros de referência não modificados pelo percurso) e com estertores reais (obtidos de bancos de dados e sons amostrados de pacientes do Hospital Universitário da UFSC). Foram também realizados experimentos em 8 voluntários com diferentes índices de massa corporal (portanto, diferentes níveis de atenuação); nestes, estertores simulados foram aplicados no sistema respiratório (via boca) e captados no tórax. Os resultados mostraram que o 2CDIF é muito menos suscetível às distorções na forma de onda dos estertores; erros percentuais absolutos médios deste índice foram muito inferiores aos obtidos para 2CD. Os experimentos com voluntários mostraram que a alteração morfológica dos estertores (e em consequência, dos índices) causada pela atenuação torácica pode ser recuperada pelo equalizador EVA com o critério da máxima esparsidade. A equalização de estertores reais apontou a presença de componentes de frequências maiores do que os anteriormente relatados na literatura. No entanto, a aquisição de estertores através do sistema com 2 canais analógicos não possibilita afirmar se há melhorias em relação ao sistema de aquisição usual de um único canal; investigações adicionais fazem-se necessárias. Concluindo, os métodos propostos contribuem para medir parâmetros dos estertores pulmonares menos impactados por sons interferentes, pelas diferentes características físicas dos pacientes e por especificações de sistema de aquisição. O emprego destas técnicas deve contribuir para que sons respiratórios venham a ser objetivamente utilizados no diagnóstico e acompanhamento de enfermidades cardiorrespiratórias.Abstract: This work proposes acquisition and digital signal processing techniques for a better characterization of pulmonary crackles. Although these adventitious (abnormal) breathing sounds occur in several cardiorespiratory diseases, their use in diagnostic is compromised by distortions suffered by the signal on the path from its generation inside the lungs to its capture on the chest surface. The main causes of these distortions are the overlapping of normal breath sounds (NBS), the presence of electronic filters in the acquisition systems and the non-uniform attenuation of the chest. These factors compromise the estimation of the Two-Cycle Duration (2CD) index, currently used to identify types of crackles. A new index less susceptible to the first two interfering factors, called 2CDIF (obtained from the instantaneous frequency ? IF - of the crackles), is proposed in this work. This index is estimated through the Discrete Pseudo Wigner-Ville Distribution (DPWD), a better tool for non-stationary signal analysis than the time domain used for the 2CD calculation. To compensate the inevitable convolution between the original crackle signal and the chest impulse response, eigenvector approach (EVA) blind equalization was proposed, together with the maximum sparsity criterion. In addition, a new system for crackle acquisition was developed to investigate the use of two analog channels to capture frequency components attenuated by the chest. The proposals were evaluated with simulated crackles (for allowing comparison with reference parameters not modified by the path) and with actual crackles (obtained from databases and sampled sounds of patients from the Hospital Universitário of UFSC). Experiments were also performed on 8 volunteers with different body mass indexes (therefore different attenuation levels); in these, simulated crackles were applied to the respiratory system (via the mouth) and captured in the chest wall. The results showed that 2CDIF is much less susceptible to crackle waveform distortions; Mean Absolute Percentage Errors of this index were much lower than those obtained for 2CD. Experiments with volunteers showed the morphological alteration of the crackles (and, consequently, the indices) caused by thoracic attenuation; also show their recovery by the EVA equalizer with the criterion of maximum sparsity. The equalization of actual crackles indicated the presence of higher frequency components than those previously reported in the literature. However, the acquisition of crackles by the system with two analog channels does not make it possible to state that there are improvements compared to the usual single channel acquisition system; further investigations are needed. In conclusion, the proposed methods contribute to measure parameters of the pulmonary crackles less impacted by interfering sounds, the different physical characteristics of the patients and the acquisition system specifications. The use of these techniques should contribute so that respiratory sounds can be objectively used in the diagnosis and monitoring of cardiorespiratory diseases.Moraes, RaimesUniversidade Federal de Santa CatarinaSperanza, Carlos Gontarski2020-10-21T21:23:53Z2020-10-21T21:23:53Z2020info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis129 p.| il., gráfs.application/pdf370162https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/215948porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2020-10-21T21:23:53Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/215948Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732020-10-21T21:23:53Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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