Dissertations / Theses on the topic 'Resonant inversion'

Les séismes de grande magnitude (MW &gt; 7) et les tsunamis associés induisent des perturbations qui peuvent être détectées dans l’atmosphère et l’ionosphère à partir des mesures TEC (contenu total en électron). Dans cette thèse, J’étudie la possibilité d’utiliser ce signal ionosphérique afin de compléter le système de surveillance et d’alerte aux tsunamis. Ainsi, j’étudie le couplage entre la Terre solide, l’océan, l’atmosphère. Je démontre en particulier que seule la fréquence à 1.5 mHz entre les modes de tsunami et les modes de gravité atmosphériques peut être détectée via l’ionosphère et met en évidence que l’efficacité du couplage océan/atmosphère est sensible à la profondeur de l’océan et l’heure locale. Ces développements ont permis de réaliser la modélisation complète de la signature ionosphérique de 3 tsunamis d’amplitude 2, 3 et 60 cm en plein océan : respectivement le tsunami d’Haida Gwaii en 2012 et le tsunami des Kouriles en 2006 en champ lointain et le tsunami de Tohoku 2011 en champ plus proche. Enfin, nous avons démontré que l’amplitude crête à crête de la hauteur du tsunami inversée reconstruit avec moins de 20 % d’erreur l’amplitude mesurée par une bouée DART dans ces trois cas<br>Large earthquake (MW &gt; 7) and tsunamis are known to induce perturbations which can be detected in the atmosphere and ionosphere using total electron content (TEC) measurements. In this thesis, I first investigated on the possibility of using these ionospheric signals in order to complete the tsunami monitoring and warning system. Thus, I study the coupling between the solid Earth, the ocean, the atmosphere. I demonstrate that only the resonance at 1.5 mHz between the tsunami modes and the atmospheric gravity modes can be detected through ionosphere and highlight the fact that the efficiency of the coupling ocean/atmosphere is sensitive to ocean depth and local time. These developments enables the complete modelling of the ionospheric signature of 3 tsunami with an amplitude of 2, 3 and 60cm in deep ocean: the 2012 Haida Gwaii and the 2006 Kuril tsunami in far field and the 2011 Tohoku tsunami in closer field respectively. Finally, we demonstrated that the peak-to- peak amplitude of the height of the inverted tsunami reconstructs with less than 20% error the amplitude measured by a DART buoy in these three cases

Magnetic resonance-based electric properties tomography (MREPT) is a recent quantitative imaging technique that could provide useful additional information to the results of magnetic resonance imaging (MRI) examinations. Precisely, MREPT is a collective name that gathers all the techniques that elaborate the radiofrequency (RF) magnetic field B1 generated and measured by a MRI scanner in order to map the electric properties inside a human body. The range of uses of MREPT in clinical oncology, patient-specific treatment planning and MRI safety motivates the increasing scientific interest in its development. The main advantage of MREPT with respect to other techniques for electric properties imaging is the knowledge of the input field inside the examined body, which guarantees the possibility of achieving high-resolution. On the other hand, MREPT techniques rely on just the incomplete information that MRI scanners can measure of the RF magnetic field, typically limited to the transmit sensitivity B1+. In this thesis, the state of art is described in detail by analysing the whole bibliography of MREPT, started few years ago but already rich of contents. With reference to the advantages and drawbacks of each technique proposed for MREPT, the particular implementation based on the contrast source inversion method is selected as the most promising approach for MRI safety applications and is denoted by the symbol csiEPT. Motivated by this observation, a substantial part of the thesis is devoted to a thoroughly study of csiEPT. Precisely, a generalised framework based on a functional point of view is proposed for its implementation. In this way, it is possible to adapt csiEPT to various physical situations. In particular, an original formulation, specifically developed to take into account the effects of the conductive shield always employed in RF coils, shows how an accurate modelling of the measurement system leads to more precise estimations of the electric properties. In addition, a preliminary study for the uncertainty assessment of csiEPT, an imperative requirement in order to make the method reliable for in vivo applications, is performed. The uncertainty propagation through csiEPT is studied using the Monte Carlo method as prescribed by the Supplement 1 to GUM (Guide to the expression of Uncertainty in Measurement). The robustness of the method when measurements are performed by multi-channel TEM coils for parallel transmission confirms the eligibility of csiEPT for MRI safety applications.

Magnetic Resonance Elastography (MRE) is an emerging medical imaging modality that allows quantification of the mechanical properties of biological tissues in vivo. MRE typically involves time-harmonic tissue excitation followed by the displacement measurements within the tissue obtained by phase-contrast Magnetic Resonance Imaging (MRI) techniques. MRE is believed to have great potential in the detection of wide variety of pathologies, diseases and cancer formations, especially tumors. This thesis concentrates on a thorough assessment and full rheological evaluation of the Rayleigh damping (RD) material model applied to MRE. The feasibility of the RD model to accurately reconstruct viscoelastic and damping properties was assessed. The goal is to obtain accurate quantitative estimates of the mechanical properties for the in vivo healthy brain via the subzone optimization based nonlinear image reconstruction algorithm. The RD model allows reconstruction of not only stiffness distribution of the tissue, but also energy attenuation mechanisms proportionally related to both elastic and inertial effects. The latter allows calculation of the concomitant damping properties of the material. The initial hypothesis behind this research is that accurate reconstruction of the Rayleigh damping parameters may bring additional diagnostic potential with regards to differentiation of various tissue types and more accurate characterisation of certain pathological diseases based on different energy absorbing mechanisms. Therefore, the RD model offers reconstruction of three additional material properties that might be of clinical diagnostic merit and can enhance characterisation of cancer tumors within the brain. A pneumatic-based actuator was specifically developed for in vivo human brain MRE experiments. Performance of the actuator was investigated and the results showed that the actuator produces average displacement in the range of 300 µmicrons and is well suited for generation of shear waves if applied to the human head. Unique features of the the actuator are patient comfort and safety, MRI compatibility, flexible design and good displacement characteristics. In this research, a 3D finite element (FE) subzone-based non-linear reconstruction algorithm using the RD material model has been applied and rigorously assessed to investigate the performance of elastographic based reconstruction to accurately recover mechanical properties and a concomitant damping behaviour of the material. A number of experiments were performed on a variety of homogenous and heterogeneous tissue-simulating damping phantoms comprising a set of materials that mimic range of mechanical properties expected in the brain. The result showed consistent effect of a poor reconstruction accuracy of the RD parameters which suggested the nonidentifiable nature of the RD model. A structural model identifiability analysis further supported the nonidentifiabilty of the RD parameters at a single frequency. Therefore, two approaches were developed to overcome the fundamental identifiability issue. The first one involved application of multiple frequencies over a broad range. The second one was based on parametrisation techniques, where one of the damping parameters was globally defined throughout the reconstruction domain allowing reconstruction of the two remaining parameters. Based on the findings of this research, multi-frequency (MF) elastography was performed on the tissue-simulating phantoms to investigate improvement of the elastographic reconstruction accuracy. Dispersion characteristics of the materials as well as RD changes across different frequencies in various materials were also studied. Simultaneous multi-frequency inversion was undertaken where two models were evaluated: a zero-order model and a power-law model. Furthermore, parametric-based RD reconstruction was carried out to evaluate enhancement of accurate identification of the reconstructed parameters. The results showed that parametric-based RD reconstruction, compared to MF-based RD results, allowed better material characterisation on the reconstructed shear modulus image. Also, significant improvement in material differentiation on the remaining damping parameter image was also observed if the fixed damping parameter was adjusted appropriately. In application to in vivo brain imaging, six repetitive MRE examinations of the in vivo healthy brain demonstrated promising ability of the RD MRE to resolve local variations in mechanical properties of different brain tissue types. Preliminary results to date show that reconstructed real shear modulus and overall damping levels correlate well with the brain anatomical features. Quantified shear stiffness estimates for white and gray matter were found to be 3 kPa and 2.1 kPa, respectively. Due to the non-identifiability of the model at a single frequency, reconstructed RD based parameters limit any physical meaning. Therefore, MF-based and parametric-based cerebral RD elastography was also performed.

BACKGROUND: The abnormal signal intensity in cardiac T₂-weighted images is associated with various pathologies including myocardial edema. However, the assessment of pathologies based on signal intensity is affected by the acquisition parameters and the sensitivities of the receiver coils. T₂ mapping has been proposed to overcome limitations of T₂-weighted imaging, but most methods are limited in spatial and/or temporal resolution. Here we present and evaluate a double inversion recovery radial fast spin-echo (DIR-RADFSE) technique that yields data with high spatiotemporal resolution for cardiac T₂ mapping. METHODS: DIR-RADFSE data were collected at 1.5 T on phantoms and subjects with echo train length (ETL) = 16, receiver bandwidth (BW) = +/-32 kHz, TR = 1RR, matrix size = 256 x 256. Since only 16 views per echo time (TE) are collected, two algorithms designed to reconstruct highly undersampled radial data were used to generate images for 16 time points: the Echo-Sharing (ES) and the CUrve Reconstruction via pca-based Linearization with Indirect Echo compensation (CURLIE) algorithm. T₂ maps were generated via least-squares fitting or the Slice-resolved Extended Phase Graph (SEPG) model fitting. The CURLIE-SEPG algorithm accounts for the effect of indirect echoes. The algorithms were compared based on reproducibility, using Bland-Altman analysis on data from 7 healthy volunteers, and T₂ accuracy (against a single-echo spin-echo technique) using phantoms. RESULTS: Both reconstruction algorithms generated in vivo images with high spatiotemporal resolution and showed good reproducibility. Mean T₂ difference between repeated measures and the coefficient of repeatability were 0.58 ms and 2.97 for ES and 0.09 ms and 4.85 for CURLIE-SEPG. In vivo T₂ estimates from ES were higher than those from CURLIE-SEPG. In phantoms, CURLIE-SEPG yielded more accurate T₂s compared to reference values (error was 7.5-13.9% for ES and 0.6-2.1% for CURLIE-SEPG), consistent with the fact that CURLIE-SEPG compensates for the effects of indirect echoes. The potential of T₂ mapping with CURLIE-SEPG is demonstrated in two subjects with known heart disease. Elevated T₂ values were observed in areas of suspected pathology. CONCLUSIONS: DIR-RADFSE yielded TE images with high spatiotemporal resolution. Two algorithms for generating T₂ maps from highly undersampled data were evaluated in terms of accuracy and reproducibility. Results showed that CURLIE-SEPG yields T₂ estimates that are reproducible and more accurate than ES.

Made available in DSpace on 2016-08-17T14:52:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTACAO_MARCEL SOARES LIMA.pdf: 17818100 bytes, checksum: 95b36384b873fd5da81040a537b53ec1 (MD5) Previous issue date: 2015-02-20<br>With advancement of power electronics and the wide range of applications involving single-phase inverter voltage, current controllers has gained great prominence, because they control the flow of energy supplied to the grid or to a load and compensate some quality energy problems. For this, various techniques for controlling power has been studied in order to meet the robustness characteristics, accuracy and speed of response. In addition, another important characteristic, which has been adopted for accurately determining the choice of the current driver is the possibility of eliminating disturbances in specific frequency, such as those caused by harmonicas of the fundamental signal. This paper presents the study, analysis and resonant controller design. Since this controller is equivalent to adding two PI controllers synchronously, a positive sequence and negative sequence other, implemented in the stationary frame of reference, we will investigate the possible resonance structures of controlling synchronous equivalent to PI controllers, and vector classic and the advantages and disadvantages of each. The analyses of resonant controllers are held in the continuous domain and then the drivers are implemented in discrete domain, taking into account the computational delay. It is also performed the analysis and design of strategies for controlling resonant with and without a delay compensator. Finally, experimental tests will be performed to confirm the analyzes in this paper.<br>Com o avanço da eletrônica de potência e a vasta gama de aplicações que envolvem os inversores monofásicos de tensão, os controladores de corrente têm ganhado grande destaque, pois controlam o fluxo de energia fornecida à rede elétrica ou a uma carga e compensam alguns problemas de qualidade de energia. Para isso, diversas técnicas de controladores de corrente têm sido estudadas com o intuito de atender as características de robustez, precisão e rapidez na resposta. Além disso, outra característica importante, e que tem sido rigorosamente adotada para determinar a escolha dos controladores de corrente, é a possibilidade de eliminar distúrbios em frequências específicas, como por exemplo, aqueles causados por harmônicas do sinal fundamental. Esta dissertação apresenta o estudo, análise e projeto do controlador ressonante. Uma vez que este controlador é equivalente à adição de dois controladores PI síncronos, um de sequência positiva e outro de sequência negativa, implementados no referencial estacionário, serão investigados as possíveis estruturas dos controladores ressonantes equivalentes aos controladores PI síncronos, clássico e vetorial, bem como as vantagens e desvantagens de cada um. As análises dos controladores ressonantes são realizadas no dominio contínuo e, posteriormente, os controladores são implementados no dominio discreto, levando em consideração o atraso computacional. Também é realizada a análise e projeto das estratégias de controladores ressonantes com e sem um compensador de atraso. Por fim, serão realizados ensaios experimentais para confirmar as análises realizadas no decorrer deste trabalho.

Baseado em uma seqüência já conhecida de Multislice Spin Echo convencional, implementamos uma seqüência do tipo Modified Driven Equilibrium Fourier Transform (MDEFT) adiabática multislice em um sistema de 2T e um de microimagens (9.4T). Essa metodologia utiliza, como pulso de inversão, um pulso de RF com modulação em amplitude e freqüência, conhecido por pulso adiabático. Dessa forma, os tempos de inversão são iguais para todos os planos selecionados, resultando num contraste por T1 uniformemente distribuído ao longo dos mesmos. O uso de um único e longo pulso adiabático de inversão tem, ainda, a vantagem de utilizar uma potência de pico menor para operar da mesma forma que um grupo de m pulsos convencionais. Utilizamos pulsos cujas modulações correspondentes de fase e freqüência foram calculadas com base nas condições de “Offset Independent Adiabaticity” (OIA) e a real eficiência dos mesmos foi avaliada através de simulações e experimentalmente. Para realização dos testes da metodologia desenvolvemos e caracterizamos dois “phantoms”, cujas imagens demonstram a aplicabilidade da metodologia nos dois sistemas utilizados.<br>Based on the conventional Multislice Spin Echo pulse sequence, we implemented an adiabatic multislice Modified Driven Equilibrium Fourier Transform (MDEFT) pulse sequence on a 2T and a 9.4T microimaging system. This methodology uses, as inversion pulse, an amplitude and frequency modulated RF pulse, known as adiabatic pulse. In that way, the inversion times are the same for all slices, resulting in an evenly distributed T1 contrast. A single and long adiabatic inversion pulse has in addition the advantage of using a reduced peak power to perform in the same way as the group of m conventional pulses. We used pulses whose corresponding phase and frequency modulations were based on Offset Independent Adiabaticity and their real efficiency were evaluated both through simulations and experimentally. To test the methodology, we developed and characterized two phantoms, whose images demonstrate the applicability of the methodology in the two mentioned systems.

On developpe par simulation informatique une etude theorique, qui conduit a proposer des relations mathematiques simples permettant de fixer le choix des parametres experimentaux en fonction des temps de relaxation longitudinale, transversale, de la densite des spins de l'eau tissulaire dans le but d'optimiser le contraste des images. Utilisation de substances paramagnetiques en tant qu'agent de contraste

Este trabalho consiste em realizar um estudo detalhado das vantagens e desvantagens da utilização do FDM (Filter Diagonalization Method) para a análise de dados obtidos pela sequência de Precessão Livre no Estado Estacionário (Steady State Free Precession - SSFP) para aquisição rápida de espectros de Ressonância Magnética Nuclear (RMN). No caso de RMN de baixa resolução, o procedimento de aquisição rápida, SSFP, é uma poderosa ferramenta para melhorar a relação sinal/ruído, apresentando muitas aplicações práticas. Apesar desse sucesso em baixa resolução, a SSFP não é rotineiramente utilizada para aplicações em RMN de alta resolução, provavelmente devido ao (1) artefatos provenientes do truncamento do sinal e (2) as anomalias causadas pela mistura do FID com o eco dos sinais. Existem na literatura inúmeras possíveis técnicas para suprimir este tipo de problemas, porém, nenhuma delas é capaz de realmente eliminar as anomalias geradas devido ao procedimento de aquisição rápida da SSFP. O FDM é um método paramétrico não-linear para fitar sinais no domínio do tempo. Seu objetivo fundamental é resolver o Problema da Inversão Harmônica, HIP, tornando-se robusto e adequado para a análise espectral de sinais no domínio do tempo nos casos onde a Transformada de Fourier falha. Neste trabalho, demonstramos que o FDM pode ser implementado para análises de sinais SSFP, com mais eficiência que os obtidos pelos procedimentos padrões de TF. A temperatura ambiente, espectros de RMN 13C de amostras de brucina, obtidos com tempo entre pulsos de 100ms, podem ser reproduzidos com boa relação sinal/ruído e alta resolução por meio do FDM. A limitação da análise por FDM é mais relevante nos casos de espectros com alta densidade de picos em uma determinada região espectral. Nestes casos, o curto período de observação do sinal na janela do tempo impõe uma série de limitações na resolução obtida pelo FDM.<br>This work consists in a detailed study of the advantages and disadvantages of the use of the Filter Diagonalization Method, FDM, for data analysis in Steady State Free Precession, SSFP, technique, usually employed to implement fast acquisition of Nuclear Magnetic Resonance, NMR, spectra. In the case of low resolution NMR using fast acquisition procedures, SSFP is a powerful tool to improve signal-to-noise ratio, presenting several important practical applications. Despite its success in the low resolution regime, SSFP is not a routine technique for high resolution applications, so far, mainly because of (1) truncation artifacts and (2) the intrinsic anomalies caused by admixture of free-induction-decay and echo signals. The literature reports many possible techniques to solve such kind of problems, but, none of them is capable to really eliminate the generated spectra anomalies caused by the fast acquisition procedure used in SSFP. FDM is a parametric method for non-liner fitting performed in the time domain. Its main goal is to solve the Harmonic Inversion Problem, HIP, making it robust and suitable for spectral analysis of time signals in the cases where the Fourier Transform, FT, technique fail. In this work we demonstrate that FDM can be used to implement the analysis of the SSFP data, with more efficiency than that achieve by appropriated FT procedures. Room temperature 13C NMR spectra of brucine samples, obtained from pulse sequences with 100 ms repetition time, can be reproduced with good signal-to-noise ratio and high resolution by means of the FDM. The limitation of the FDM analysis is more relevant in the case of spectra with a high density of peaks in a limited spectral frequency region. In these cases, the reduced short observation time window imposes serious limitation to the resolution achieved by the FDM.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior<br>Este trabalho apresenta a proposta e análise de um Inversor Ponte Completa Bidirecional (IPCB) aplicado a microrredes CC (corrente contínua) no que tange ao seu desempenho na injeção de potência ativa na rede em corrente alternada (CA) e à regulação da tensão no barramento CC diante das inerentes intermitências observadas em geradores fotovoltaicos, as quais não devem provocar distúrbios nas cargas conectadas à Microrrede CC. A estratégia de controle digital é implementada a partir de um DSP (Digital Signal Processor) contando com um controlador do tipo Proporcional Ressonante (P+Res) aliado a um controle corretor de componentes harmônicas de ordem 3, 5 e 7 da corrente imposta na rede elétrica para os dois modos de operação do sistema, o que possibilita a adequação da qualidade de energia às normas internacionais IEEE 1547 (injeção) e IEC 61.000-3-2 (retificação). Por fim, faz-se a análise qualitativa e quantitativa do sistema proposto contendo ainda as especificações de projeto além dos resultados de simulação e experimentais obtidos com a construção de um protótipo de 2,2 kWp.<br>This work presents the proposal and analysis of a Bidirectional Full-Bridge Inverter (BFBI) applied to DC (direct current) microgrids in terms to its performance in active power injection into the AC (alternating current) grid and DC bus voltage regulation front of the inherent intermittences observed in photovoltaic generators, which should not cause disturbances in the dc loads. The digital control strategy is implemented from a DSP (Digital Signal Processor) with Proportional Resonant (P + Res) controller combined with 3th, 5th and 7th Harmonic Correction in the current imposed on the grid for the two modes of operation, which enables the adjustment in power quality to IEEE 1547 (injection) and IEC 61.000-3-2 (rectification) international standards. Finally, this work present the qualitative and quantitative analysis of the proposed system, still containing the design specifications, simulation and experimental results obtained with the construction of a 2.2 kWp prototype.<br>Dissertação (Mestrado)

Dans cette thèse nous avons utilisé des méthodes de systèmes dynamiques et des simulations numériques pour étudier les mécanismes d'oscillations d'épilepsie associés à des concentrations d’ions dynamiques et au comportement bimodal des cellules Purkinje du cervelet. Le propos général de ce travail est l'interaction entre les propriétés intrinsèques des neurones simple et la structure d'entrée synaptique contrôlant l'excitabilité neuronale. Dans la première partie de la thèse nous avons développé un modèle de transition de crise épileptique dans le lobe temporal du cerveau. Plus précisément nous nous sommes concentrés sur le rôle du cotransporteur KCC2, qui est responsable de la maintenance du potassium extracellulaire et du chlorure intracellulaire dans les neurones. Des données expérimentales récentes ont montré que cette molécule est absente dans un groupe significatif de cellules pyramidales dans le tissue neuronal de patients épileptiques suggérant son rôle épileptogène. Nous avons trouvé que l'addition d’une quantité critique de cellules pyramidale KCC2 déficient au réseau de subiculum, avec une connectivité réaliste, peut provoquer la génération d’oscillations pathologiques, similaire aux oscillations enregistrées dans des tranches de cerveau épileptogène humaines. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons étudié le rôle du bruit synaptique dans les cellules de Purkinje. Nous avons étudié l'effet de l'inhibition de la génération du potentiel d’action provoquée par injection de courant de bruit, un phénomène connu comme résonance stochastique inverse (RSI). Cet effet a déjà été trouvé dans des modèles neuronaux, et nous avons fournis sa première validation expérimentale. Nous avons trouvé que les cellules de Purkinje dans des tranches de cerveau peuvent être efficacement inhibées par des injectionsde bruit de courant. Cet effet est bien reproduit par le modèle phénoménologique adapté pour différentes cellules. En utilisant des méthodes de la théorie de l'information, nous avons montré que RSI prend en charge une transmission efficace de l'information des cellules de Purkinje simples suggérant son rôle pour les calculs du cervelet<br>In this thesis we used dynamical systems methods and numericalsimulations to study the mechanisms of epileptic oscillations associated with ionconcentration changes and cerebellar Purkinje cell bimodal behavior. The general issue in this work is the interplay between single neuron intrinsicproperties and synaptic input structure controlling the neuronal excitability. In the first part of this thesis we focused on the role of the cellular intrinsicproperties, their control over the cellular excitability and their response to thesynaptic inputs. Specifically we asked the question how the cellular changes ininhibitory synaptic function might lead to the pathological neural activity. We developed a model of seizure initiation in temporal lobe epilepsy. Specifically we focused on the role of KCC2 cotransporter that is responsible for maintaining the baseline extracellular potassium and intracellular chloride levels in neurons. Recent experimental data has shown that this cotransporter is absent in the significant group of pyramidal cells in epileptic patients suggesting its epileptogenic role. We found that addition of the critical amount of KCC2-deficient pyramidal cells to the realistic subiculum network can switch the neural activity from normal to epileptic oscillations qualitatively reproducing the activity recorded in human epileptogenic brain slices. In the second part of this thesis we studied how synaptic noise might control the Purkinje cell excitability. We investigated the effect of spike inhibition caused by noise current injection, so-called inverse stochastic resonance (ISR). This effect has been previously found in single neuron models while we provided its first experimental evidence. We found that Purkinje cells in brain slices could be efficiently inhibited by current noise injections. This effect is well reproduced by the phenomenological model fitted for different cells. Using methods of information theory we showed that ISR supports an efficient information transmission of single Purkinje cells suggesting its role for cerebellar computations

CAPES; CNPq; Fundação Araucária<br>A operação de unidades de geração distribuída (UGDs) é um assunto relativamente novo no cenário energético brasileiro. A conexão destas unidades à rede, bem como sua desconexão vêm sendo abordadas em pesquisas recentes em todo o mundo. É necessário que a energia elétrica entregue à rede e à carga tenha certos níveis de qualidade para que o consumidor seja devidamente atendido até mesmo em situações de contingência. Outro cuidado necessário é com relação aos sistemas de controle envolvidos, para que operem sem degradar a qualidade de energia. Neste sentido, este trabalho propõe a análise da estabilidade e da qualidade de energia no ponto de conexão de uma unidade de geração distribuída à rede e a carga ou apenas à carga, sendo ambas situações através de filtro LCL (indutivo-capacitivo-indutivo). Este tipo de filtro possui uma impedância caracterizada por um pico de ressonância próximo a sua frequência de corte. É necessário que este pico seja amortecido para que o sistema não seja levado à instabilidade. Nesta dissertação são propostos alguns casos para análise. Estes casos se diferem pela variável controlada, pela forma de operação do sistema e pela técnica não amortecimento utilizada. No caso do inversor conectado à rede e à carga, são analisados os casos em que a corrente do primeiro ou do segundo indutor de filtro é a variável controlada. Já para o caso em que o inversor está apenas alimentando a carga local, a variável controlada é a tensão no capacitor do filtro LCL. Todos estes casos são avaliados operando sem amortecimento nenhum da ressonância, com amortecimento passivo ou com amortecimento ativo. Além disso, para estes cenários há ainda a variação nos parâmetros da carga RL(resistiva-indutiva) a fim de verificar qual é a influência da variação da carga na estabilidade do sistema e na qualidade de energia no ponto de conexão. As análises de estabilidade são realizadas através de diagramas de Bode e mapas de polos e zeros do sistema. A análise da qualidade da energia realiza-se por meio de resultados experimentais obtidos em uma bancada experimental. Verifica-se através dos resultados que em termos de qualidade de energia não existem alterações significativas controlando-se diferentes variáveis no modo conectado. Além disso, constata-se também que outros fatores, além da variável controlada, do tipo de técnica utilizada para amortecimento e da frequência crítica influenciam na instabilidade ou não do sistema devido à ressonância. Através das análises, observa-se também que um controlador PI (proporcional-integral) bem ajustado pode oferecer robustez ao sistema frente às variações de parâmetros da carga e consequentes variações nas variáveis controladas. Nota-se também que para o caso ilhado, as DHTi e DHTv (Distorções Harmônicas Totais de Corrente e de Tensão) são baixas, fornecendo energia com boa qualidade para a carga local alimentada pelo sistema.<br>The operation of distributed generation units (DGUs) is a relatively recent issue in the Brazilian energetic scenario. The connection of these units to the grid, as their disconnection are being approached in recent researches worldwide. It is necessary that the electrial power delivered to the grid and to the power has some levels of quality so the consumer may be well attended even in contingence situations. Another necessary caution is related to the control systems involved, so they operate without degrade the power quality. At this point, this work proposes the stability and power quality analysis in the point connection of a distributed generation unit to the grid and to the load or just to the load, both situations through LCL (inductive-capacitive-inductive) filter. This kind of filter has an impedance that is characterized by resonance peak near to its cut-off frequency. It is necessary to damp this peak in order that the sytem is not lead to instability. In this Master Thesis, some cases are proposed to be analyzed. These cases differ one from another because of the controlled variable, by the kind of operation of the system and by the damping technique that is used. In the case of the grid and load-tied inverter, the analyzed cases are those in which the first or second filter inductor current is the controlled variable. For the case in which the inverter is just feeding the local load, the controlled variable is the LCL filter capacitor voltage. All of these cases are evaluated by operating with none resonace damping, passive damping or active damping. Beyond this, for these scenarios, there is the parameters variation of the RL (resistive-inductive) load in order to check which is the influence of the load variations in the system stability and in the power quality at the connection point. The stability analysis are performed through Bode diagrams and pole-zero maps of the system. The power quality analysis is carried out by means of experimental results obtained in an experimental bench. It is verified through the results that in terms of power quality, there is not significantly changes by controlling different variables in the grid-tied mode. Furthermore, other factors, beyond the controlled variable, the kind of damping technique and the criticak frequency influence in the instability of the system due to the resonance. Through the analysis, it is oberserved that a well-adjusted PI (proporcional-integral) controller may offer robustness to the system under load parameter variations and consquent controlled variable variations. It is also noted that for the stand-alone case, the THDi and the THDv (Total Harmonic Distortions of Current and Voltage) are low, providing good power to the local load fed by the system.

Orientador: Dr. José L. Azcue Puma<br>Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2016.<br>Este trabalho apresenta o estudo, modelagem e projeto de um sistema de conversão de energia para a conexão de um módulo fotovoltaico com a rede elétrica. Nesta pesquisa são abordados três conversores para adequar a energia gerada por um painel fotovoltaico e conectá-la à rede elétrica. O primeiro conversor é um Boost intercalado de dois níveis encarregado de implementar o MPPT (Maximum Power Point Tracking), o segundo conversor é um Ressonante LLC que realiza o isolamento galvânico e o terceiro conversor é um inversor em ponte completa que mantém a tensão de barramento em um valor determinado e realiza a conversão de corrente contínua para corrente alternada. Os três conversores são projetados, calculando os elementos passivos que os compõem e simulando os circuitos obtidos. Também, é realizada a modelagem dos conversores e o projeto dos controladores utilizando a análise de pequenos sinais. Os resultados de simulação são apresentados utilizando os softwares PSIM e MATLAB. Na parte experimental são verificados os dois primeiros conversores usando o kit High Voltage Isolated Solar MPPT fabricado pela Texas Instruments.<br>This work presents the study, modeling and design of a photovoltaic conversion system for the connection of a photovoltaic module with the grid. In this research three converters are approached to adequate the generated energy for a photovoltaic panel and to transfer the energy to the grid. The first converter is an interleaved two-level boost responsible for implementing the MPPT (Maximum Power Point Tracking) the second converter is a Resonant LLC that performs galvanic isolation and the third converter is a complete bridge inverter that keeps the bus voltage at a certain value and performs the conversion of continuos current to alternating current. The three converters are designed, calculating the passive elements that compose them and simulating the obtained circuits. Also, the modeling of the inverters and the design of the controllers are performed using small signal analysis. Simulation results are presented using the PSIM and MATLAB software. In the experimental part the first two inverters are verified using the High Voltage Isolated Solar MPPT kit manufactured by Texas Instruments.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:54:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JeanPD_TESE.pdf: 2551926 bytes, checksum: 0cea6096dad85829234a17d89574bd1e (MD5) Previous issue date: 2010-07-15<br>This work describes the study, the analysis, the project methodology and the constructive details of a high frequency DC/AC resonant series converter using sequential commutation techniques for the excitation of an inductive coupled thermal plasma torch. The aim of this thesis is to show the new modulation technique potentialities and to present a technological option for the high-frequency electronic power converters development. The resonant converter operates at 50 kW output power under a 400 kHz frequency and it is constituted by inverter cells using ultra-fast IGBT devices. In order to minimize the turn-off losses, the inverter cells operates in a ZVS mode referred by a modified PLL loop that maintains this condition stable, despite the load variations. The sequential pulse gating command strategy used it allows to operate the IGBT devices on its maximum power limits using the derating and destressing current scheme, as well as it propitiates a frequency multiplication of the inverters set. The output converter is connected to a series resonant circuit constituted by the applicator ICTP torch, a compensation capacitor and an impedance matching RF transformer. At the final, are presented the experimental results and the many tests achieved in laboratory as form to validate the proposed new technique<br>Este trabalho descreve o estudo, a an?lise, a metodologia de projeto e os detalhes de constru??o de um conversor ressonante CC/CA de alta freq??ncia usando t?cnicas de comuta??o seq?encial (sequential pulse gating), para a excita??o de uma tocha indutiva a plasma t?rmico. Esta tese objetiva mostrar a potencialidade desta nova t?cnica de modula??o e apresentar uma alternativa tecnol?gica para o projeto de conversores eletr?nicos de pot?ncia em altas freq??ncias. O conversor ressonante opera na freq??ncia nominal de 400 kHz, com pot?ncia de 50 kW, e ? constitu?do por c?lulas inversoras empregando chaves IGBTs de comuta??o r?pida. Para minimizar as perdas de comuta??o no corte, as c?lulas ressonantes operam no modo de chaveamento suave ZVS, referenciado por uma malha PLL modificada que mant?m esta condi??o est?vel apesar das varia??es de carga. A estrat?gia de comando por comuta??o seq?encial permite operar os dispositivos IGBTs no seu limite superior de pot?ncia usando as propriedades de redu??o (derating) e de al?vio (destressing) de corrente, assim como propicia um efeito de multiplica??o na freq??ncia final do conjunto de inversores. A sa?da do conversor ? conectada a um circuito ressonante s?rie formado pelo aplicador da tocha ICTP e um capacitor de compensa??o, por interm?dio de um transformador RF de adapta??o de imped?ncias. No final, s?o apresentados resultados experimentais e ensaios conduzidos em laborat?rio como forma de validar a nova t?cnica proposta

This thesis introduces a workflow to accomplish invasion-consistent Nuclear Magnetic Resonance (NMR) measurement interpretations. Magnetic resonance measurements are affected by mud-filtrate invasion because the radial depth of investigation (DOI) of NMR logging tools is very shallow (approximately 1 to 4 inches). This characteristic indicates that identification of in-situ fluid saturations from NMR measurements is uncertain. Calculation of fluid saturations from apparent electrical resistivities and nuclear logs does not guarantee a precise estimation of the fluid distributions. Free water in the reservoir displaced by oil based mud (OBM) poses more challenges in the estimation of in-situ fluid saturations. To mitigate this ambiguity, I construct layer-by-layer static and dynamic reservoir models. The common stratigraphic framework (CSF) proposed by Voss et al. (2009) was used to construct the earth model. Appraisal of static petrophysical properties is based on the iterative adjustments to minimize the discrepancy between available well logs and their numerical simulations. Evaluation of dynamic petrophysical properties can be achieved with the simulation of mud-filtrate invasion. This simulation can assess accurate fluid saturations at specific radial distances. In addition, numerically simulated apparent resistivity and nuclear logs are in agreement with measured logs. Algorithms are also developed to cross-validate NMR measurements based on the assumption of spherically shaped water-wet pores. The algorithms need all petrophysical parameters and fluid saturations yielded from the dynamic model as inputs. Various NMR parameter changes were tested to validate this algorithm. Examples of NMR responses include wettability change and kerogen contained in nano-scale pores. For the field case examples, two 15 meter-thick depth intervals in oil- and gas-bearing siliciclastic formations were selected. Two-dimensional (2D) NMR simulations were performed with petrophysical parameters provided from the numerical simulation of mud-filtrate invasion. The 2D NMR maps are more favorable in fluid typing than conventional NMR T₂ distributions because they contrast fluid diffusion coefficient. Comparisons of simulation results to inversion results confirm the validity of the workflow introduced in this thesis for the quantification of virgin reservoir fluids and mud-filtrate saturations. Finally, forward modeling and inversion processes are applied to 2D NMR data. The reconstructed echo decay sequences are more advantageous than raw measurements because of their higher signal to noise ratio (SNR). Linear inversion using these echo decay sequences provides proton density distribution functions of D-T₂ and T₁-T₂ maps. Application of inversion to the two field cases measured from two different radial depths verifies the validity of the NMR interpretations.<br>text

Earthquakes are among the most costly, devastating and deadly natural hazards. The extent of the seismic hazard is often influenced by factors like the source location and site characteristics, while the susceptibility of assets is influenced by the population density, building design, infrastructure and urban planning. A comprehensive knowledge of the nature of source and local geology enables the establishment of an effective urban planning that takes into account the potential seismic hazard, which in turn may reduce the degree of vulnerability. The first probabilistic seismic hazard assessment (PSHA) incorporating the effects of local site characteristic for the island of Sulawesi in Indonesia has been conducted. Most of the island, with the exception of South Sulawesi, is undergoing rapid deformation. This leads to high hazard in most regions (such that PGA > 0.4g at 500 year return period including site effects) and extremely high hazard (like PGA > 0.8 g at 500 year return period) along fast-slipping crustal fault. On the other hand, a distant site relative to fault might suffer higher ground motion if that site is composed of soft soil. This research has proven that incorporating near-surface physical properties, in this case is represented by VS30, surface geology contribute significantly to ground motions, consequently, responsible for potential building damage. The PSHA study that took place in Sulawesi took us move further, investigate the effect of deep structure on seismic waves. Jakarta was chosen for its location sitting on less known deep sediment basin and economic and political importances. A dense portable-seismic-broadband network, comprising 96 stations, has been operated within four months covering the Jakarta. The seismic network sampled broadband seismic-noise mostly originating from ocean waves and anthropogenic activity. We used Horizontal-toVertical Spectral Ratio (HVSR) measurements of the ambient seismic noise to estimate the fundamental-mode Rayleigh wave ellipticity curves, which were used to infer the seismic velocity structure of the Jakarta Basin. By mapping and modeling the spatial variation of low-frequency (0.124{0.249 Hz) HVSR peaks, this study reveals variations in the depth to the Miocene basement. To map these velocity profiles of unknown complexity, we employ a Transdimensional-Bayesian framework for the inversion of HVSR curves for 1D profiles of velocity and density beneath each station. The inverted velocity profiles show a sudden change of basement depth from 400 to 1350 m along N-S profile through the center of the city, with an otherwise gentle increase in basin depth from south to north. Seismic wave modelings are conducted afterward and shows that for very deep basin of Jakarta, available ground motion prediction equation (GMPE) is less sufficient in capturing the effect of basin geometry on seismic waves. Earrthquake scenario modeling using SPECFEM2D is performed to comprehend the effect of deep basin on ground motions. This modeling reveals that the city may experience high peak ground velocity (PGV) during large megathrust earthquake. The complexity of the basin is responsible for magnifying ground motions observed in the basin.

This thesis is focused on automatic detection of white matter lesions (WML) in Fluid Attenuation Inversion Recovery (FLAIR) Magnetic Resonance Images (MRI) of the brain. There is growing interest within the medical community regarding WML, since the total WML volume per patient (lesion load) was shown to be related to future stroke as well as carotid disease. Manual segmentation of WML is time consuming, labourious, observer-dependent and error prone. Automatic WML segmentation algorithms can be used instead since they give way to lesion load computation in a quantitative, efficient, reproducible and reliable manner. FLAIR MRI are affected by at least two types of degradations, including additive noise and the partial volume averaging (PVA) artifact, which affect the accuracy of automated algorithms. Model-based methods that rely on Gaussian distributions have been extensively used to handle these two distortions, but are not applicable to FLAIR with WML. The distribution of noise in multicoil FLAIR MRI is non-Gaussian and the presence of WML modifies tissue distributions in a manner that is difficult to model. To this end, the current thesis presents a novel way to model PVA artifacts in the presence of noise. The method is a generalized and adaptive approach, that was applied to a variety of MRI weightings (with and without pathology) for robust PVA quantification and tissue segmentation. No a priori assumptions are needed regarding class distributions and no training samples or initialization parameters are required. Segmentation experiments were completed using simulated and real FLAIR MRI. Simulated images were generated with noise and PVA distortions using realistic brain and pathology models. Real images were obtained from Sunnybrook Health Sciences Centre and WML ground truth was generated through a manual segmentation experiment. The average DSC was found to be 0.99 and 0.83 for simulated and real images, respectively. A lesion load study was performed that examined interhemispheric WML volume for each patient. To show the generalized nature of the approach, the proposed technique was also employed on pathology-free T1 and T2 MRI. Validation studies show the proposed framework is classifying PVA robustly and tissue classes are segmented with good results.

Tese de mestrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiações em Diagnóstico e Terapia), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012<br>The term “Elastography‖” unifies biomechanics with imaging sciences and was driven by the well-documented effectiveness of palpation as a diagnostic technique for detecting cancer and other diseases. Notoriously, during the last decade Magnetic Resonance Elastography (MRE) has emerged as the most accurate imaging modality to non-invasively assess the rheological properties of tissue. Using a phase-contrast MRI technique together with an external mechanical actuation device, it is possible to detect propagating shear waves inside the human body. Viscoelastic properties can then be extracted by applying inversion methods to the acquired phase data. Due to the richness and significance of the data, and in spite of enduring challenges related to the complexity of the computations involved, MRE attracted strong interest and is now a thriving area of research. The computations necessary to calculate maps of viscoelastic tissue properties are indeed substantial and are generally done on remote computers after completion of experiments. The need for higher flexibility in large scale clinical studies led to the development, in the current project, of an automated toolbox for real time MRE data processing implemented within the scanner environment. The most commonly used direct inversion methods, Algebraic Helmholtz Inversion (AHI) and Local Frequency Estimation, show considerable performance differences under similar initial conditions. Assumptions underlying such algorithms were studied by comparing noise sensitivity and resolution on synthetic, phantom and in vivo brain datasets. Finally, a clinical application of the AHI approach was performed on brain and abdominal data from healthy individuals. The ensuing values of brain viscoelasticity suggest higher stiffness in white matter compared to grey matter. Preliminary results also show a pronounced age-related decrease in brain stiffness and viscosity. The liver, kidney and spleen were assessed with abdominal MRE and the results support a statistically significant higher stiffness in the spleen compared to liver and kidney.<br>A rigidez e viscosidade são das propriedades mecânicas intrínsecas dos tecidos com maior relevância fisiopatológica. Segundo as fontes conhecidas, desde 400 a.C., a palpação tem sido o método mais utilizado como primeira fonte de avaliação médica, de forma a detectar pequenas massas ou tumores em tecidos moles. No entanto, a experiência profissional do médico e a própria localização da massa têm um grande impacto na qualidade do diagnóstico efectuado. Sabendo que o módulo de elasticidade possui uma variabilidade nos tecidos moles superior à de outras propriedades físicas, como a absorção de raios X ou o tempo de relaxamento em ressonância magnética nuclear, e que a ressonância magnética é das técnicas que, até à data, foi capaz de produzir imagens com maior qualidade e resolução espacial, surgiu uma forte motivação para unificar a biomecânica com a imagiologia por ressonância magnética. Deste modo, a Elastografia por Ressonância Magnética (MRE, do inglês “Magnetic Resonance Elastography‖” apareceu em meados dos anos 90 do século passado, permitindo avaliar e medir com um elevado grau de exactidão as propriedades reológicas dos tecidos, de modo não invasivo. Utilizando uma técnica de contraste de fase em MRI, em conjunto com um dispositivo dinâmico de oscilação mecânica, a MRE mostra um potencial muito grande para detectar a propagação de ondas mecânicas no corpo humano, com uma precisão da ordem de grandeza dos mícrons. Posteriormente à aquisição das chamadas “imagens de fase”, o processamento de imagem, através da aplicação de algoritmos de inversão, permite quantificar o comportamento reológico do meio. Esta nova modalidade de diagnóstico deu até hoje lugar a um conjunto de estudos pré-clínicos que permitiram a investigação das condições mecânicas associadas a alterações fisiológicas e patológicas, em tecidos nos quais esta abordagem nunca tinha sido possível. Éntre esses tecidos, é de destacar o caso do cérebro, um órgão onde a palpação ou aplicação de elastrografia convencional, associada a ultrassons, é inviável devido à presença da caixa craniana. Podem-se, assim, enumerar alguns estudos empreendidos com esta técnica até hoje, de inquestionável impacto científico e clínico: a fibrose hepática, o envelhecimento do cérebro, a esclerose múltipla, a hidrocefalia e os tumores cerebrais. Uma das áreas que actualmente atrai maior interesse consiste na correcta quantificação da viscoelasticidade a partir dos dados adquiridos no scanner. Tendo como base premissas diferentes, muitos algoritmos foram propostos para inverter a equação de ondas, calculando parâmetros relevantes a partir da simples propagação das ondas nos tecidos. Os métodos mais intuitivos designam-se por métodos directos, sendo os mais comuns a Inversão Algébrica da equação de Helmholtz (AHI, do inglês “Algebraic Helmholtz Inversion‖” e a Estimação da Frequência Local (LFE, do inglês “Local Frequency Estimation‖”. O primeiro tem por base uma origem matemática, realizando a inversão local em cada ponto da matriz da imagem segundo a equação de Helmholtz. A técnica de LFE, por outro lado, resolve o problema através de métodos de processamento, onde a aplicação de uma cadeia de filtros permite extrair a frequência espacial local das ondas de shear, estando esta relacionada com o módulo da elasticidade através de uma simples relação algébrica. Neste contexto, a tese apresentada prende-se com os métodos de análise de imagem em MRE, nomeadamente tanto no estudo como no desenvolvimento de técnicas que permitem uma avaliação das propriedades dinâmicas do meio, com precisão, exactidão e flexibilidade. Um dos problemas da baixa aplicabilidade da técnica de MRE a grandes estudos clínicos é, de facto, a falta de flexibilidade na obtenção de mapas de elasticidade. O volume de cálculos necessários para a construção desses mapas é muito grande, e por isso esses cálculos são geralmente efectuados em computadores independentes, depois de terminada a etapa da aquisição dos dados. Desta forma, o primeiro projecto consistiu no desenvolvimento de uma toolbox que permitisse o processamento de imagem em tempo real, embutido no proprio scanner. Assim, aquando da aquisição de uma experiência de elastografia, será possível obter não só a disposição espacial e intensidade da propagação das ondas mecânicas, mas também um mapa adicional correspondente à elasticidade do tecido, directamente na sala de controlo. Para este efeito, foi desenvolvido um algoritmo de reconstrução codificado num ambiente compatível com o sistema de computação de scanners da Siemens. Depois de várias fases de avaliação, desenvolvimento, debugging e validação do algoritmo, tanto offline como inline em simuladores, foram realizados testes no próprio scanner em fantomas e no cérebro de um voluntário saudável, utilizando várias frequências de oscilação. Desta forma, pôde-se verificar o sucesso global da toolbox implementada. Ainda assim, será necessária uma fase de optimização no sentido de criar uma toolbox de uso mais familiar e melhorar o algoritmo em si, corrigindo alguns problemas da versão actual. Os dois algoritmos de reconstrução mais utilizados a nível clínico, AHI e LFE, anteriormente apresentados e contextualizados, revelam um desempenho surpreendentemente diferente, sob condições iniciais idênticas e não obstante os princípios físicos subjacentes serem semelhantes. Estas inconsistências reflectem-se numa vasta gama de valores para o módulo de elasticidade verificados na literatura. Por conseguinte, foi efectuado um estudo para testar a qualidade das reconstruções em termos de sensibilidade, resolução espacial e eficácia na reconstrução em fantomas gerados sinteticamente, onde ruído, atenuação, ondas de compressão e padrões de interferência foram adicionados a uma equação de ondas básica. Para avaliar o desempenho dos algoritmos em dados de MRE extraídos do scanner, utilizaram-se jogos de dados obtidos com fantomas de gel sem e com inclusões de elasticidade dissemelhante entre regiões, assim como dados cerebrais de indivíduos saudáveis. Em geral, os resultados demonstram que o método LFE é mais eficaz em condições ideais, mas carece de precisão na análise de imagens sintéticas com artefactos tal como em dados reais. Isto é devido essencialmente a uma filtragem excessiva, assim como ao facto de o algoritmo não considerar a atenuação como uma premissa do modelo. Pelo contrário, os mapas obtidos pelo método AHI são mais nítidos mas são altamente susceptíveis a ruído. Mais se concluiu, que certas metodologias que antecedem a inversão são de extrema importância, destacando-se o processo de filtragem espacial. Finalmente, a medição das propriedades físicas dos fantomas através de reometria convencional permitiu verificar uma disparidade nas duas técnicas, podendo levar à conclusão de que as reconstruções obtidas em MRE são sobrestimadas. No entanto, deve ser efectuada uma análise mais profunda em condições experimentais tão idênticas quanto possível, para que se possam confirmar estes efeitos. O método AHI foi escolhido para estudar o cérebro de nove indivíduos saudáveis com idades compreendidas entre os 19 e os 62 anos. Neste estudo foram identificadas diferenças significativas, tanto na elasticidade como na viscosidade da matéria branca e cinzenta em todos os indivíduos, constatando-se que a última é a menos rígida. Além disso, um modelo linear regressivo foi ajustado aos valores obtidos com o método AHI tendo em conta a idade do sujeito, de forma a verificar tendências relativas esta variável.Resultados preliminares evidenciam uma distribuição linear com um declive negativo indicativo de um decréscimo pronunciado da elasticidade do tecido cerebral com a idade: a percentagem de decréscimo anual previsto foi de 0,75%. Apesar de não ser estatisticamente significativo, foram ainda identificadas pequenas diferenças nas taxas de decréscimo da elasticidade e viscosidade da matéria branca e cinzenta. No entanto, os resultados obtidos fazem parte de um estudo em curso e, como tal, será necessário testar um amostra superior para confirmar os resultados mencionados, assim como métodos mais sofisticados para analisar os dados. Por fim, realizou-se um estudo sobre as propriedades viscoelásticas de tecidos do abdómen. Sendo a sequência utilizada baseada em “Echo Planar Imaging” (EPI), as inomogeneidades do campo magnético e artefactos de ghosting são mais pronunciados na aquisição de imagem em tecidos moles no abdómen. Foi necessário assim, numa primeira fase, optimizar o protocolo de aquisição: o uso de bandas de saturação para suprimir o tecido adiposo, ajustes no “Field of View”, o uso de técnicas de shimming e aquisição de imagem apenas durante apneia expiratória. O dispositivo que permite a distribuição de propagação das ondas nos tecidos também foi explorado, de forma a obter uma propagação uniforme com elevada amplitude ao longo da totalidade do corte. A aquisição de dados de cinco voluntários saudáveis permitiu avaliar três tecidos com níveis de elasticidade distintos: o fígado, os rins e o baço. As principais conclusões retiradas indicam que o fígado e rins apresentam uma elasticidade menor que o baço, sob o modelo linear de tensão-deformação no qual se baseia o método AHI. Ainda assim, todo o processo de optimização está longe de se dar por concluído, pretendendo-se obter uma reprodutibilidade entre experiências com um protocolo de implementação expedito para ser possível aumentar a quantidade de dados e fazer uma análise estatística com um nível de confiança superior. Em conclusão, a técnica de MRE mostra um enorme potencial para detectar alterações na elasticidade dos tecidos através de pequenas deformações periódicas induzidas durante a aquisição de imagem numa ressonância magnética. A tese apresentada aborda pontos importantes relativos à fase do processamento e análise de dados, contribuindo para a evolução da MRE no sentido da aceitação desta técnica em ambiente clínico. Soluções concretas para uma análise rápida a tempo real foram dadas através do desenvolvimento da toolbox. Numa outra perspectiva, foram estudados nesta tese aspectos técnicos relevantes relativos aos algoritmos de inversão, críticos para a obtenção de um processamento profundo e correcto dos dados obtidos. Por fim, os trabalhos desta tese resultaram na identificação e reconhecimento de diferenças entre a viscoelasticidade dos tecidos, medida in vivo, a um nível pré-clínico, deixa em aberto todo um conjunto de ideias para estudos inovadores na área da biomecânica aplicada ao ser humano em conjunção com imagiologia.

Discrete and Continuous spatial encoding methods are described with details of understanding principles and practical implications. Step by step experimental op- timization procedure of these methods to achieve slice selection are also discussed. In the subsequent chapters we use these methods for different applications. Spin-lattice relaxation parameters of NMR active nuclei provide valuable infor- mation on molecular dynamics. Single scan selective excitation methods of mea- surement of T1 result in significant reduction of time compared to the standard inversion recovery method and are attractive tools of applications in `Real time' NMR investigations of biological and chemical processes. It is shown here that the addition of the gradient echo following the selective excitation not only significantly improves the S/N ratio, but also makes GESSIR a versatile pulse sequence. Using this sequence, T1 values ranging from 2 s to 56 s have been measured with accuracy comparable to the standard IR experiment. This indicates that it is possible to utilize GESSIR for a wide range of molecules containing protons and hetero nuclei with medium to long T1 relaxation times as a routine NMR technique. The utility of the technique for studying other relaxation parameters has also been demonstrated. It may be mentioned that for measurement of relaxation parameters routinely, a few well-chosen points are enough. A fine selection of large number of experimental points could be useful when high accuracy is required or Chapter 3. GESSIR 91 for applications where certain property of the system investigated is changing in a continuous manner spatially and requires large number of slices to be selected as discussed in the next chapter. The long duration of time-honored two dimensional experiments is reduced to fraction of seconds by employing the ultrafast encoding experiments. Main com- plications in making the UF experiments available for routine use were the limited spectral widths and resolution in both UF and conventional dimensions. Various developments have been made in the path of improvements in increasing the spectral width in UF dimension. Of these, two experimental methods that are already proposed, namely the folding of peaks into the observable spectral window and the interleaved acquisition which doubles the spectral widths in both dimensions. The integration of covariance processing with ultrafast technique yields better correlated spectrum with considerable improvement in resolution. The effectiveness of the new processing is demonstrated for UF COSY experiments which can be easily extended to other ultrafast homonuclear experiments like TOCSY, NOESY as well as multi dimensions. The proposed processing method is an initial step to work on improving resolutions of UF data and making the ease of applicability of ultrafast spectroscopy as a routine multidimensional NMR. At the same time of this work W. Qui et.al [268] proposed a processing method based on covariance and pattern recognition for improving resolutions of spatially encoded data. They used pattern recognition algorithm also for avoiding the artifacts due to very low resolution data available with the UF experiment. They implemented the method UF TOCSY spectra and shown resolution improvement with the covariance pro- cessing for relatively more number of detection gradients which is many times hardware limited. Our method of covariance data processing is essentially same as that of Qui, less number of acquisition gradients were used in our processing, linear prediction and apodization concepts were utilized and the artifacts arise due mismatch of datas with positive and negative acquisition gradients are minimized by shifting one the data. In conclusion new methods of processing/the combination of various processing methods of the ultrafast data have the scope of improving the quality of ultrafast NMR spectra.

Discrete and Continuous spatial encoding methods are described with details of understanding principles and practical implications. Step by step experimental op- timization procedure of these methods to achieve slice selection are also discussed. In the subsequent chapters we use these methods for different applications. Spin-lattice relaxation parameters of NMR active nuclei provide valuable infor- mation on molecular dynamics. Single scan selective excitation methods of mea- surement of T1 result in significant reduction of time compared to the standard inversion recovery method and are attractive tools of applications in `Real time' NMR investigations of biological and chemical processes. It is shown here that the addition of the gradient echo following the selective excitation not only significantly improves the S/N ratio, but also makes GESSIR a versatile pulse sequence. Using this sequence, T1 values ranging from 2 s to 56 s have been measured with accuracy comparable to the standard IR experiment. This indicates that it is possible to utilize GESSIR for a wide range of molecules containing protons and hetero nuclei with medium to long T1 relaxation times as a routine NMR technique. The utility of the technique for studying other relaxation parameters has also been demonstrated. It may be mentioned that for measurement of relaxation parameters routinely, a few well-chosen points are enough. A fine selection of large number of experimental points could be useful when high accuracy is required or Chapter 3. GESSIR 91 for applications where certain property of the system investigated is changing in a continuous manner spatially and requires large number of slices to be selected as discussed in the next chapter. The long duration of time-honored two dimensional experiments is reduced to fraction of seconds by employing the ultrafast encoding experiments. Main com- plications in making the UF experiments available for routine use were the limited spectral widths and resolution in both UF and conventional dimensions. Various developments have been made in the path of improvements in increasing the spectral width in UF dimension. Of these, two experimental methods that are already proposed, namely the folding of peaks into the observable spectral window and the interleaved acquisition which doubles the spectral widths in both dimensions. The integration of covariance processing with ultrafast technique yields better correlated spectrum with considerable improvement in resolution. The effectiveness of the new processing is demonstrated for UF COSY experiments which can be easily extended to other ultrafast homonuclear experiments like TOCSY, NOESY as well as multi dimensions. The proposed processing method is an initial step to work on improving resolutions of UF data and making the ease of applicability of ultrafast spectroscopy as a routine multidimensional NMR. At the same time of this work W. Qui et.al [268] proposed a processing method based on covariance and pattern recognition for improving resolutions of spatially encoded data. They used pattern recognition algorithm also for avoiding the artifacts due to very low resolution data available with the UF experiment. They implemented the method UF TOCSY spectra and shown resolution improvement with the covariance pro- cessing for relatively more number of detection gradients which is many times hardware limited. Our method of covariance data processing is essentially same as that of Qui, less number of acquisition gradients were used in our processing, linear prediction and apodization concepts were utilized and the artifacts arise due mismatch of datas with positive and negative acquisition gradients are minimized by shifting one the data. In conclusion new methods of processing/the combination of various processing methods of the ultrafast data have the scope of improving the quality of ultrafast NMR spectra.

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013<br>DE-MRI (do inglês delayed enhancement magnetic resonance imaging) consiste numa técnica de imagiologia de ressonância magnética (MRI do inglês Magnetic Resonance Imaging) com especial aplicação em patologias cardíacas. Nos últimos anos, as técnicas de imagiologia de ressonância magnética tem desempenhado um importante papel no diagnóstico e prognóstico médico. Características vantajosas tais como uma elevada resolução espacial, ausência de radiação ionizante e múltiplas aplicações impulsionaram o seu uso alargado a várias áreas da medicina moderna. DE-MRI foi inicialmente desenvolvido para diagnóstico e avaliação de enfartes do miocárdio (vulgarmente denominado ataque de coração). No entanto, a aplicação a doenças isquémicas não é exclusiva, sendo que recentes estudos demonstraram a sua utilidade no diagnóstico de outras patologias cardíacas tais como metástases cardíacas, infecções virais e condições genéticas. DE-MRI consiste geralmente na aquisição de imagens com ponderação em T1 utilizando uma sequência IR (do inglês inversion recovery) após injeção de um agente de contraste. Tal como o nome indica delayed enhancement distingue-se das técnicas imagiológicas de contraste usuais uma vez que o momento de aquisição é atrasado por um determinado período de tempo (geralmente entre 10 a 20 min) após injeção do agente de contraste. O agente de contraste mais frequente em DE-MRI é um composto à base de gadolíneo (Gd) chamado DTPA-Gd (do inglês diethylene-triamine-penta-acid gadolinium). O gadolíneo puro apresenta fortes características paramagnéticas, magnetizando-se quando sob o efeito de um campo magnético exterior, sendo por isso natural a sua utilização como agente de contraste em MRI. A utilização de um agente de contraste permite obter contraste de sinal entre determinados tecidos através de um efeito de redução dos tempos de relaxação T1 dos protões circundantes. No entanto, é um composto altamente bio-tóxico e instável, sendo necessária a sua quelação com o composto DTPA para o tornar seguro em aplicações médicas. Contudo, essa quelação leva a que as moléculas de Gd apresente um elevado tamanho molecular, tendo por isso tendência a acumular em tecidos que sofreram enfarte (tecido necrótico) uma vez que estes possuem um alargado espaço extracelular em oposição ao miocárdio saudável. Devido a esta distribuição distinta do agente de contraste pelos tecidos cardíacos é possível obter o contraste de sinal entre o miocárdio que sofreu enfarte e o saudável. Isto porque aquando o momento de aquisição, após o período de atraso, o agente de contraste já terá sido eliminado dos tecidos saudáveis mas ainda permanece em elevadas concentrações nos tecidos que sofreram enfarte. Assim, a presença do Gd em maior concentração nestes tecidos irá reduzir o tempo de relaxação T1, reflectindo-se numa elevada intensidade de sinal em imagens com ponderação T1. Resumindo, numa imagem com ponderação T1, o miocárdio que sofreu enfarte irá apresentar elevada intensidade de sinal (tom claro na imagem) comparando com baixa intensidade de sinal (tom escuro na imagem) do miocárdio saudável. De forma a auxiliar a distinção de sinal entre os dois tecidos, uma sequência de gradientes IR é geralmente utilizada. Uma sequência IR consiste na aplicação de um impulso de radiofrequência de 180º despoletado por cada onda R na leitura electrocardiográfica (ECG) do paciente. Inicialmente, a magnetização longitudinal (Mz) possui um valor inicial denominado Mz0. Com a aplicação do impulso de inversão, o vector soma Mz é rodado em 180o convertendo Mz0 em _Mz0. Após o impulso de inversão, a magnetização longitudinal irá então recuperar de _Mz0 a Mz0. O tempo de inversão (TI) caracteriza o período de tempo entre a aplicação do impulso de inversão e o momento de aquisição. O TI é selecionado de forma a coincidir com o ponto nulo de determinado tecido (usualmente o miocárdio saudável) permitindo anular o sinal desse mesmo tecido. Resumindo, enquanto que por um lado a distribuição diferenciada do agente de contraste permite aumentar a intensidade de sinal do miocárdio que sofreu enfarte, a aplicação da sequência IR permite anular o sinal do miocárdio saudável. A juncão de ambos leva à obtenção do melhor contraste de sinal entre os dois tecidos. Uma vez que DE-MRI desempenha um importante papel na avaliação de doenças cardíacas, a procura por uma melhoria na qualidade de imagem e ausência de artefactos, tem impulsionado vários projectos de investigação nos últimos anos. Algumas limitações inerentes à técnica ainda permanecem por solucionar. Tratando-se de uma técnica cardiac triggered, irregularidades no batimento cardíaco influenciam directamente o comportamento da magnetização longitudinal e consequente sinal adquirido. Esta irregularidade do sinal adquirido leva ao aparecimento de artefactos na imagem final quando reconstruída. Este projecto consistiu em avaliar de que forma irregularidades no batimento cardíaco influenciam o sinal adquirido e consequente aparecimento de artefactos na imagem final. Assim como posterior desenvolvimento e teste de um novo método de redução de artefactos das imagens em pacientes com um batimento cardíaco irregular. Diversos métodos de redução de artefactos através da otimização do TI têm sido apresentados na comunidade científica. Estes pretendem diminuir a dispersão do sinal do miocárdio saudável através de otimização do TI para cada intervalo cardíaco. No entanto, a otimização do TI é dependente de T1 e a minimização de variações do sinal do miocárdio saudável pode gerar artefactos devido ao sinal proveniente dos restantes tecidos que não foram corrigidos. O método de correção sugerido nesta dissertação procura eliminar esse factor e otimizar dinamicamente o TI tendo em conta simultaneamente o sinal de vários tecidos. O projecto consistiu primeiramente na construção de um ambiente de simulação numérica e posterior implementação em scanner clínico 3T utilizando fantomas experimentais. O ambiente de simulação encontra-se dividido em várias funções modulares. Uma primeira função permite obter um registo simulado de ECG, representando o nosso paciente virtual, podendo simular diferentes intervalos de tempo entre picos R com um determinado desvio-padrão (10%,20%...etc.) da média de batimento cardíaco. De seguida, uma segunda função calcula a intensidade de sinal ao longo de cada janela de aquisição tendo em consideração diversos parâmetros iniciais. Sendo os principais: TI, TR (tempo de repetição), TE (tempo de eco), o sinal de ECG e o factor de aquisição. O factor de aquisição (N) permite definir o número de pontos do espaço-K adquiridos por cada janela de aquisição. Uma terceira função modular simula a aquisição de imagens 2D utilizando como input: um fantoma virtual, a intensidade de sinal previamente calculada e uma trajetória de aquisição no espaço-K. O fantoma virtual utilizado pretende representar um corte de curto eixo do ventrículo esquerdo com três tecidos presentes: miocárdio que sofreu enfarte, massa de sangue no interior do ventrículo e miocárdio saudável. De seguida, cada ponto de intensidade do sinal de cada vez pré-calculado através do T1 do tecido correspondente é atribuido à máscara do tecido correspondente no fantoma virtual. Após soma das três máscaras de intensidade (três tecidos)e aplicação de uma transformada de Fourier (FFT), o espaço-K final é obtido. Posteriormente, a trajetória de aquisição do espaço-K é utilizada de forma a re-organizar a ordem em que este é preenchido. Por último, após transformação do espaço K através de uma transformada inversa de Fourier (IFFT) (do inglês Inverse Fast Fourier Transform), obtém-se a imagem final reconstruida. A quarta função modular aplica o método de correção de artefactos por otimização do TI. O principal objectivo consiste em determinar o TI ótimo (TIopt) que corresponde à minimização de variações do sinal (SSEtotal) dos vários tecidos considerados: SSEtotal = W * SSEmyocardium +(1-W) * SSEblood. Onde W é o factor que permite contra-balançar a correção dando mais ponderação a artefactos originários do sangue (W<0.5) ou do miocárdio saudável (W>0.5). Por último, o método proposto foi implementado em scanner clínico Philips 3T utilizando fantomas de gel de forma a representar os três tipos de tecidos (miocárdio que sofreu enfarte, sangue e miocárdio saudável). Para aquisição dos dados em scanner, os mesmos parâmetros de aquisição e sinal de ECG previamente calculados no ambiente de simulação, foram utilizados. Resultados obtidos com a simulação numérica confirmaram que um batimento cardíaco irregular afecta directamente o comportamento do sinal adquirido. Por exemplo para 50% de variação do batimento cardíaco, o sinal do miocárdio saudável apresentou mais de 85% de dispersão em relação ao valor médio enquanto que o sangue revelou quase 30% de desvio. Verificou-se também que irregularidades do batimento cardíaco levam a maiores desvios de intensidade do sinal do miocárdio saudável e do sangue. Para além disso, a simulação de imagens 2D revelou o aparecimento de artefactos com intensidade crescente de acordo com a intensidade de variação do batimento cardíaco. Implementação do método de otimização do TI foi executada com sucesso e revelou resultados positivos. Medições do nível geral de artefactos da imagem simulada para diferentes valores de W, permitiram concluir que o valor ótimo de W corresponde a 0,4. Para uma situação de 50% de variação do batimento cardíaco e utilizando o método de correção com W=0,4, verificou-se uma diminuição na variação do sinal do miocárdio saudável de 90 % para aproximadamente 25% e no sinal do sangue de 20% para menos de 10%. Tal como esperado, uma redução na variação de intensidade do sinal reflectiu-se na diminuição da quantidade de artefactos na imagem final. Assim, verificou-se uma redução de 70% dos artefactos comparando com uma imagem não corrigida. Correspondendo 20 e 30 % mais comparando com corrigir apenas um tecido de cada vez, sangue e miocárdio saudável respectivamente. Resultados similares foram obtidos nos dados experimentais adquiridos no scanner, com similar redução do nível de artefactos na imagem final. Medição do nível de artefactos nas imagens 2D dos fantomas experimentais levaram à conclusão que o método permitiu reduzir ainda mais o nível de artefactos comparando com os dados simulados. Com o método de otimização do TI a W=0.4, a imagem apresentou uma redução de mais de 40% comparando com uma correção de apenas o miocárdio saudável. Resumindo, os resultados experimentais foram coincidentes com os resultados simulados e parecem suportar a conclusão que a otimização do TI tendo em conta múltiplos tecidos reduz com sucesso a quantidade de artefactos em imagens DE. No entanto, o estudo apresenta algumas limitações. Os valores de T1 dos fantomas experimentais foram determinados através de uma sequência Look-Locker. No entanto, alguns resultados obtidos sugeriram que a errada estimação dos valores de T1 poderá ter ocorrido, o que levou ao desvio nos resultados obtidos. Aspectos como variar a média do batimento cardíaco para valores inferiores ou superiores, teste diferentes trajetórias de aquisição do espaço-K, novo teste dos valores de T1 dos fantomas, assim como determinação dos parâmetros de aquisição para imagens in-vivo são importantes aspectos a considerar em estudos futuros. Em conclusão, este estudo contribuiu positivamente para um conhecimento mais alargado em termos da diminuição de artefactos imagens DE-MRI. Concluiu-se que uma abordagem à otimização de TI onde múltiplos tecidos são considerados apresenta vantagens relativamente à abordagem em que apenas a contribuição do miocárdio saudável é tida em conta.<br>Delayed Enhancement Magnetic Resonance Imaging (DE-MRI) is a widely used imaging tool in the assessment of ischemic pathologies, crucial in distinguishing between infarcted and healthy myocardium [1]. Usually, T1 weighted images are acquired using an Electrocardiogram (ECG) triggered Inversion Recovery (IR) sequence after contrast agent injection which allows to increase signal contrast between the two tissues. Since DE-MRI is cardiac triggered, heart rate (HR) irregularities directly affect signal behavior. When HR varies, the time for the longitudinal magnetization (Mz) to recover is different for each cycle which leads to a different amount of magnetization available for acquisition. This irregular signal intensity can cause strong image artefacts. Therefore, the purpose of this study was to develop a novel acquisition approach to compensate for HR variations using a multi-tissue model. Optimal Inversion Time (TI) values for each cycle were obtained by minimizing Mz variations of the healthy myocardium (SSEmyocardium) and blood (SSEblood): SSEtotal = W * SSEmyocardium + (1-W) *SSEblood. The weighting (W) allows to correct more strongly for artefacts from blood (W < 0.5) or myocardium (W>0.5) to achieve the best image quality possible. Simulations were performed to study signal behavior and test the proposed multitissue correction approach. In addition, the method was also implemented on a 3T scanner and phantom experiments verified the simulated results. The proposed multi-tissue method was successful when compensating for artefacts. For 30% HR variation scenario, it reduced image artefacts by approximately 70 % compared with a non-corrected image which is 20 and 45 % more than the single-tissue approach, only blood or healthy myocardium respectively. In conclusion, not only the proposed multi-tissue method can be successfully used to reduce image artefacts, but also leads to a better image quality than some previously presented approaches with a single tissue correction.