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Tipo: Tese
Título: Microwave brain stimulation plarform: neural network-based parameter optimization for non-invasive applications
Autor(es): Pereira, Francisco Estevão Simão
Orientador: Albuquerque, Victor Hugo Costa de
Coorientador: Silva, Bruno Riccelli dos Santos
Palavras-chave em português: Estimulação cerebral por micro-ondas;Estimulação cerebral profunda;Otimização de matriz de antenas;Taxa de absorção específica;Algoritmo híbrido coevolutivo;Neuromodulação não invasiva
Palavras-chave em inglês: Microwave brain stimulation;Deep brain stimulation;Antenna array optimization;Specific absorption rate;Co-evolutionary hybrid algorithm;Non-invasive neuromodulation
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Data do documento: 2025
Citação: PEREIRA, Francisco Estevão Simão. Microwave brain stimulation plarform: neural network-based parameter optimization for non-invasive applications. 2025. 99 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: A estimulação cerebral não invasiva apresenta inúmeros desafios fundamentais no equilíbrio entre profundidade de penetração e foco espacial. Métodos estabelecidos, como a Estimulação Magnética Transcraniana (EMT) e a Estimulação Transcraniana por Corrente Contínua (ETCC), são eficazes apenas em alvos corticais superficiais. A Estimulação Cerebral por Micro-ondas (ECM) surge como uma alternativa promissora para alcançar alvos subcorticais, mas sua viabilidade clínica depende criticamente da otimização complexa e multiobjetivo do arranjo das antenas. Esse problema de modelagem, que envolve o ajuste simultâneo de parâmetros físicos (hardware) e elétricos (controle do feixe), permanece uma lacuna na literatura. Esta tese propõe e valida uma nova plataforma computacional, o Método Coevolutivo Híbrido (MCH-ECM), especificamente projetada para resolver esse problema. A plataforma implementa uma arquitetura modular multiestágios que integra algoritmos de busca global (PSO), diversidade e robustez (GA, SA) e um núcleo de otimização coevolutiva. Este núcleo decompõe o problema em subpopulações de parâmetros físicos (hardware) e elétricos (software), otimizando-os cooperativamente por meio de avaliações conjuntas de aptidão em um simulador FDTD (Meep). O desempenho da plataforma HCM-TBS foi rigorosamente validado em comparação com métodos de referência por meio de 30 execuções independentes para cada grupo. Os resultados demonstram que o HCM-TBS atinge uma precisão de formação de feixe estatisticamente superior (Diretividade) (p < 0,001). Além disso, a análise revela que a plataforma proposta produz soluções com variabilidade significativamente menor, demonstrando alta robustez e confiabilidade, em contraste com a extrema instabilidade de desempenho observada nos métodos de referência. À luz das descobertas, esta tese contribui com uma estrutura computacional robusta e estatisticamente validada para a modelagem de sistemas de neuroestimulação não invasivos, priorizando a confiabilidade e a precisão do foco, etapas essenciais para a futura translação clínica.
Abstract: Non-invasive brain stimulation has numerous fundamental challenges in balancing penetration depth and spatial focus. Established methods, such as Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) and Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS), are effective only on superficial cortical targets. Microwave Brain Stimulation (MBS) emerges as a promising alternative to reach subcortical targets, but its clinical viability critically depends on the complex and multiobjective optimization of the antenna arrangement. This modeling problem, which involves the simultaneous adjustment of physical (hardware) and electrical (beam control) parameters, remains a gap in the literature. This thesis proposes and validates a new computational platform, the Hybrid Coevolutionary Method (HCM-TBS), specifically designed to solve this problem. The platform implements a multi-stage modular architecture that integrates global search algorithms (PSO), diversity and robustness (GA, SA), and a coevolutionary optimization core.This core decomposes the problem into subpopulations of physical (hardware) and electrical (software) parameters, optimizing them cooperatively through joint fitness assessments in an FDTD (Meep) simulator. The performance of the HCM-TBS platform was rigorously validated against baseline methods thru 30 independent runs for each group. The results demonstrate that HCM-TBS achieves statistically superior beamforming accuracy (Directivity) (p < 0.001). Moreover, the analysis reveals that the proposed platform produces solutions with significantly lower variability, demonstrating high robustness and reliability, in contrast to the extreme performance instability observed in the baseline methods. In light of the findings, this thesis contributes a robust and statistically validated computational framework for the modeling of non-invasive neurostimulation systems, prioritizing reliability and precision of focus, essential steps for future clinical translation.
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/84950
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0000-0002-3374-6402
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/3592085720374676
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0003-3886-4309
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/4186515742605446
ORCID do Coorientador: https://orcid.org/0000-0001-8189-7187
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/9288483499965859
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:DEEL - Teses defendidas na UFC

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