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Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico The detection and classification of EMG motor unit action potentials (MUAP) is an important tool in the study of the neuromuscular system, allowing for a number os applications, such as the diagnoses of motor disorders. However, although there are several methods described in the literature to perform such actions, the majority relies on complex algorithms and specific instrumentation. Depending on the system, the computational cost or the detection mechanism, sometimes involving electrode arrays, may limit its use in clinical applications, biofeedback or embedded systems for controlling artificial prostheses. Another important issue is the detection and classification of firing MUAPs in signals with low signal to noise ratio (SNR). A method capable of operating with low SNR is paramount for applications, such as the use of electromyography in human machine interfaces (HMI), where the positioning and fixation of the electrodes may be performed by a non-trained user, and the signal can be contaminated by high levels of electromagnetic interference. As a solution for such problems, two complementary methods were proposed: the first (MD-FC) is based on the use of banks of matched filters for detection and classification MUAPs in EMG signals, whereas the second (MAD-FC) is proposed as an improvement from the first, aiming situations with a high probability of overlapping firing MUAPs. The proposed methods sought to achieve those goals without an excessive increase in computational cost, treating signals with variable noise levels and considering the overlapping of MUAPs. The results showed that the MD-FC system is able to accurately detect 96% of isolated MUAPs in signals with SNR of 10 dB and up to 10 active motor units. However, the performance is reduced in the presence of high levels of overlapping MUAPs, as expected. The second method (MAD-FC) was designed to improve the detection of overlapping MUAPs. The results showed that the MAD-FC is able to detect and classify firing MUAPs in signals with up 10 active motor units and SNR of 20 dB at rates of success higher than 79.80%, on average. When the SNR is decreased to 10dB the rates of success reach at least 75.19%, on average (even in this case with a high percentage of overlapping). In general, the MAD-FC showed rates of success around 20% better than the MD-FC method. Both methods are quite efficient when using computational resources. They were created in order to process EMG windows of 50 milliseconds in less than 5 milliseconds, when using a standard desktop computer. This feature allows their use in applications requiring MUAPs detection and classification in real time. A detecção e classificação dos potenciais de ação de unidade motora (PAUMs) de sinais EMG é uma ferramenta importante no estudo do sistema neuromuscular. A partir de informações dessa classificação é possível diagnosticar distúrbios motores. Entretanto, apesar de existirem diversas propostas na literatura para executar tais ações, a grande maioria depende de algoritmos complexos e instrumentação específica. Dependendo do sistema, o custo computacional ou o mecanismo de captação envolvendo, matrizes de eletrodos, pode limitar sua utilização em aplicações clínicas, biofeedback ou em sistemas embarcados para controle de próteses. Outra questão importante consiste na detecção e classificação de disparos em sinais com baixa relação sinal ruído (SNR). Um método capaz de operar em sinais com baixa SNR é interessante em aplicações onde não se pode controlar completamente a coleta do sinal. Como exemplo, podemos citar aplicações da eletromiografia em interfaces homem máquina (IHM), onde o posicionamento dos eletrodos pode ser realizado por um usuário com pouco treinamento e o ambiente pode conter alto nível de interferência eletromagnética, diminuindo a SNR do sinal captado. Como solução para tais problemas, foram propostas duas metodologias complementares: a primeira delas (MD-FC) se baseia no uso de bancos de filtros casados para detecção e classificação de PAUMs em sinais EMG, enquanto a segunda (MAD-FC) é uma proposta de aprimoramento da primeira para situações com altas probabilidades de sobreposição de disparos de MUAPs. As metodologias propostas buscaram atingir aqueles objetivos sem um aumento excessivo no custo computacional, tratando sinais com níveis variados de ruídos e considerando a questão de sobreposição de PAUMs, comuns em sinais EMG. Os resultados demonstraram que o sistema MD-FC é capaz de detectar disparos isolados com precisão de 96% em média para relação sinal ruído de 10 dB com até 10 unidades motoras ativas, porém seu é desempenho diminuído na presença de altos níveis de sobreposição de PAUMS. O segundo MAD-FC que foi elaborado de forma a aprimorar a detecção sobre ondas sobrepostas, e é capaz de detectar e classificar os disparos de sinais com até 10 unidades motoras ativas com taxa de classificação correta maior do que 79,80% em média e com SNR de 20 dB. Para sinais com SNR de 10 dB esse valor é de 75,19% em média. Em geral, o método MAD-FC apresentou performance superior ao MD-FC em cerca de 20%. Os dois métodos são bastante eficientes no uso de recursos computacionais. Eles foram criadas de forma a analisar os sinais EMG em janelas de 50 milissegundos em menos de 5 milissegundos a partir de um computador desktop padrão, o que permite sua utilização em sistemas de detecção e classificação de PAUMs em tempo real. Doutor em Ciências

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior A lesão da medula espinhal afeta as vias que transportam informações do cérebro e para ele. Após a lesão medular (LM), a plasticidade cerebral leva a uma reorganização cortical, cujas consequências nas funcionalidades cerebrais permanecem obscuras. Compreender os efeitos da reorganização cortical após a lesão medular é importante devido ao seu potencial em predizer resultados clínicos, bem como levar a novas abordagens terapêuticas para melhor reabilitação do paciente. Este estudo utilizou modelos de conectividade funcional (CF) para demonstrar os efeitos da plasticidade na reorganização cortical após a LM. Conectividade funcional pode ser definida em termos de dependências estatísticas entre medidas de eventos neurofisiológicos. Nossa hipótese é que a lesão modifica a conectividade, e a detecção dessas alterações permitiria um melhor entendimento de como o fluxo de informações entre as áreas envolvidas na dinâmica sensório-motora é alterado após a lesão. Consequentemente, as alterações corticais que ocorrem após a lesão medular devido à neuroplasticidade seriam mais bem compreendidas, possibilitando melhores procedimentos de reabilitação e a criação melhores dispositivos de assistência e apoio à vida diária baseados em interfaces cérebro-máquina. Nesta pesquisa, estudamos a CF em 9 indivíduos com lesão medular e 10 indivíduos controle sem lesão. Todos os participantes foram submetidos à ressonância magnética estrutural e funcional em um equipamento de 1,5 T durante a execução de tarefas motoras específicas. A análise de conectividade funcional (CF) foi realizada usando a correlação SEED-to-Voxel. A área motora suplementar e os giros pré-central e pós-central foram escolhidos como referências para a avaliação da CF, por serem os responsáveis diretos pelo planejamento, execução e controle motor. Os resultados mostraram que a LM desencadeia uma série de alterações neuroplásticas especialmente nos córtices motor e somatossensorial, tanto na força da conexão quanto no número de regiões do cérebro funcionalmente conectadas. Após a LM e ao longo do tempo de lesão, observou-se redução nas conexões dentro da rede somatossensorial e a conectividade funcional variou conforme a tarefa executada pelo indivíduo e a região SEED considerada. Verificou-se reorganização topográfica em direção a um enfraquecimento da rede sensório-motora nos sujeitos com LM, quando comparados aos sujeitos do grupo controle, com diminuição da propriocepção, do controle autonômico e motor, além de associação, integração e processamento sensorial reduzidos. Notou-se ainda uma possível reorganização funcional em direção à preservação da rede de planejamento motor. Spinal Cord Injury (SCI) affects the pathways that carry information to and from the brain. After the injury, cerebral plasticity leads to a cortical reorganization, whose consequences on brain functionalities remain unclear. Understanding the effects of the cortical reorganization following SCI is important because of its potential in predicting clinical outcomes, as well as lead to new therapeutic approaches to enhance patient rehabilitation. Our study assessed the functional connectivity (FC) to demonstrate the effects of plasticity on the cortical reorganization after SCI. Functional Connectivity can be defined as statistical dependencies, such as correlation, among measurements of neurophysiological events. We hypothesize that the lesion would alter the connectivity, and the detection of these changes would allow a better understanding of how the flow of information between the areas involved in the sensory-motor dynamics is altered after the injury. Consequently, the cortical alterations that occur after the spinal cord injury due to neuroplasticity would be better understood, enabling better rehabilitation procedures and improved brain-machine interfaces. We studied the FC in 9 SCI subjects and 10 healthy non-SCI control. All participants underwent structural and functional MRI on a 1.5-T magnetic resonance system while executing specific motor-related tasks. Functional connectivity (FC) analysis was performed using SEED-to-Voxel correlation. The supplementary motor area and the precentral and postcentral gyri were chosen as references to the FC evaluation, for they are directly responsible for motor planning, execution, and control. The results demonstrated that SCI triggers a series of neuroplastic changes, especially in the motor and somatosensory cortexes, both in the strength of the connection and in the number of functionally connected brain regions. Following SCI and over the time of the injury, there was a reduction in connections within the somatosensory network and functional connectivity varied according to the task performed by the individual and the SEED region considered. There was a topographic reorganization towards a weakening of the sensorimotor network in subjects with SCI, when compared to subjects in the control group, with decreased proprioception, autonomic and motor control, in addition to reduced association, integration and sensory processing. It was also noted a possible functional reorganization towards the preservation of the motor planning network. Dissertação (Mestrado)

Pesquisa sem auxílio de agências de fomento A perda de um membro do corpo humano tem um impacto devastador na autonomia do indivíduo de realizar tarefas. Os impactos sociais, emocionais e físicos relacionados a perda de um membro são extremamente abrangentes, principalmente em casos de perda de membros superiores. A mão humana é interface de utilização de ferramentas, e permite interações sociais e afetivas. O meio usual de recobrar uma parte das funcionalidades perdidas com a amputação é a utilização de próteses. Entretanto, as próteses de membro superior comerciais mais sofisticadas apresentam empecilhos de usabilidade, seja por dificuldade de controlar todos os graus de liberdade ou mesmo a falta de graus de liberdade em modelos simples. Esses dispositivos nem sempre atendem as expectativas dos usuários de recobrar sua autonomia. Diversas abordagens visam desenvolver mecanismos e sistemas que possuem o intuito de aprimorar a usabilidade e devolver a funcionalidade do membro perdido, melhorando as interfaces de controle. O trabalho desenvolvido por essa dissertação propõe um modelo semiautônomo de alcance para próteses de membro superior, baseado em visão neuromórfica, para indivíduos que sofreram amputações acima do nível do cotovelo. A utilização de sistemas neuromórficos de visão é uma abordagem interessante por ser uma ferramenta com alta eficiência energética e computacional, porém seu funcionamento baseado em eventos pressupõe novas abordagens computacionais. Esse trabalho contribui para o desenvolvimento de novas abordagens e algoritmos para sistemas neuromórficos de visão computacional, revelando-se uma interface interessante para a implementação em dispositivos embarcados onde poder computacional e disponibilidade energética são escassos. O modelo desenvolvido por esse trabalho foi validado utilizando uma câmera baseada em eventos (Dynamic Vision Sensor 128) e um braço robótico (WidowX) que, aliados a um sistema de detecção e rastreio de objetos, desempenha sua tarefa de alcance em cinco experimentos que apresentam ambientes desafiadores para um sistema com esse intuito. Os resultados obtidos utilizando o sistema semiautônomo de alcance para próteses de membro superior, sugerem que sistemas neuromórficos podem guiar o desenvolvimento de dispositivos inteligentes de controle com baixo consumo de energia e alto desempenho computacional. The loss of a limb has a devastating impact on the individual's autonomy to perform day-to-day tasks. The social, emotional, and physical impacts related to it are extremely hard, especially in cases of loss of upper limbs. The human hand is an interface for using tools and allows social and affective interactions. The usual way of trying to recover some of the functionality lost with amputation is the use of prostheses. However, even the most sophisticated commercial upper limb prostheses present usability obstacles for users, either because of the difficulty of controlling all the degrees of freedom present in sophisticated models or the lack of them in simpler models. The prostheses do not always meet the expectations of users to regain their autonomy. In this way, several approaches aim to develop mechanisms and systems that improve usability and try to give back the functionality of the lost limb by improving the control interfaces of prosthetic arms. The work developed in this dissertation proposes a reach model for upper limb prostheses based on neuromorphic vision, intending to implement a semi-autonomous model for prosthetic devices for individuals who have suffered amputations above the elbow level. The use of neuromorphic vision systems is a good match to embedded systems because of their power and computational efficiency. However, an event-based system requires new computational approach to deal with event-data. Therefore, contributing to the development of new approaches and algorithms for neuromorphic computer vision systems and proving to be an interesting interface for implementation in embedded devices whose parameters of computational requirements and available power are scarce. The model developed by this work was validated using an event-based camera (Dynamic Vision Sensor 128) and a commercial robotic arm (Widow X) which, combined with object detection and tracking system, performs reaching objects task in five experiments that present challenging environments for a system with this purpose. The results obtained using the semi-autonomous model for upper limb prostheses suggest that neuromorphic systems can guide the development of intelligent control devices with low energy consumption and high computational performance. Dissertação (Mestrado)

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Spasticity is a motor disorder that affects millions of people worldwide, it is considered an important sequel, since it results in damage to many people affected by this disorder. This disorder is characterized by motor-dependent increase speed, the tonic stretch reflex with exacerbation tendon, reflexes resulting from hyperexcitability of the stretch reflex. Their clinical evaluation is of great importance to all who are involved in the rehabilitation process, however, there are still no standard for evaluating clinical measures of spasticity. Thus, there has been a great interest in finding alternative objective assessment of disturbance, such as the development of evaluation systems based on detection of the tonic stretch reflex threshold tonic (TSRT). This measure is represented by the joint angle at which motoneurons and their muscles are recruited articulation, estimated indirectly by the values of the thresholds of the Dynamic Stretch Reflex (TSRT), when the velocity is equal to zero. The objective of this study was to evaluate spasticity quantitatively in real time. For this, three forms of velocity of stretch were adopted: increasing, decreasing and random, in order to examine the influence of each on the assessment of spasticity through TSRT. The results of the study confirmed that the evaluation TRRT can be an efficient method for quantification of the disturbance. Also showed that there are statistically significant differences between the disorder assessment methodologies (up and down), with p = 0.04504. Thus, there is greater efficiency for the set of corresponding measurements at increasing speed in general. But no need to further analyze characteristics such as the type of stroke and side involvement to understand what speed application methodology will suit best to the individual characteristics. Furthermore, it was demonstrated once more that the assessment of spasticity by Modified Ashworth scale may not be the parameter that best evaluates the disorder. A espasticidade é uma desordem motora que afeta milhões de pessoas no mundo, é considerada uma sequela importante, pois resulta em diversos danos às pessoas acometidas por este distúrbio. Este distúrbio motor é caracterizado pelo aumento, dependente da velocidade, do reflexo de estiramento tônico com exacerbação dos reflexos tendinosos, resultantes da hiperexcitabilidade do reflexo de estiramento. Sua avaliação clínica é de grande importância para todos que estão envolvidos no processo de reabilitação, porém, ainda não existem medidas clínicas padronizadas para avaliação da espasticidade. Assim, nota-se um grande interesse em buscar alternativas de avaliação objetiva do distúrbio, como o desenvolvimento de sistemas de avaliação baseados na detecção do Limiar do Reflexo de Estiramento Tônico (LRET). Esta medida é representada pelo ângulo articular em que os motoneurônios e os respectivos músculos da articulação são recrutados, sendo estimada indiretamente pelos valores dos Limiares do Reflexo de Estiramento Dinâmico (LREDs), quando a velocidade é igual à zero. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar a espasticidade de maneira quantitativa em tempo real. Para tanto, foram adotadas três formas de variação da velocidade de estiramento: crescente, decrescente e randomizada, no intuito de verificar a influência de cada uma delas na avaliação da espasticidade por meio do LRET. Os resultados da pesquisa confirmaram que a avaliação pelo LRET pode ser um método eficiente para quantificação do distúrbio. Também mostraram que existem diferenças estatisticamente significativas entre as metodologias de avaliação do distúrbio (crescente e decrescente), com valor de p=0,04504. Desta forma, há maior eficácia para o conjunto de avaliações correspondentes à velocidade crescente de modo geral. Porém há necessidade de analisar mais detalhadamente características como o tipo do AVE e lado de acometimento para entender qual metodologia de aplicação da velocidade se adequará melhor às características individuais. Além disso, foi demonstrado mais uma vez, que a avaliação da espasticidade pela Escala Modificada de Ashworth pode não ser o parâmetro que melhor avalia o distúrbio. Mestre em Ciências

The study of cortical processes is important to comprehend the neurological deficits and thus, allow the development of strategies to help on the treatment of such deficits. The mechanisms of integration and coordination of the activities of cortical regions may be studied with the analysis of phase synchronization between signals obtained from multiple cortical areas. Phase synchronization is a method for measuring the functional connectivity, which is, the temporal correlation for cortical areas, however is not capable of identifying the causal relations among the areas, defined as effective connectivity. In the national scenario, it still doesn t exist a profound knowledge on the techniques used to evaluate the functional cortical synchronization patterns, especially the ones based on surface electroencephalography. This work propose the development of a platform to evaluate the functional connectivity pattern, based on phase synchronization, for electroencephalographic signals. The tool was developed in MATLAB® and quantifies the phase synchronization index of electroencephalographic signals by means of the Hilbert Transform. The system was tested and its performance validated by means of synthetic sine waves and real EEG data. The results of the tests using synthetic data showed that the algorithm performs correctly, generating the expected values for signals highly synchronized and non-synchronized. A case study was performed, in which electroencephalographic data were collected from a volunteer during read-aloud tasks. The results showed significant synchronization between cortical regions responsible for reading and the production of speech. This tool has the potential to be used in applications in which it is desired to map the functional connectivity between cortical areas, such as, brain machine interfaces, neurofeedback and rehabilitation of neurological dysfunctions. O estudo de processos corticais é importante para a compreensão de déficits neurológicos, e assim, permite o desenvolvimento de estratégias para auxiliar no tratamento dessas doenças. Os mecanismos de integração e coordenação das atividades de diversas regiões corticais podem ser estudados por meio da análise da sincronização entre as fases dos sinais obtidos das múltiplas áreas do córtex. A sincronização de fase é um método que mede a conectividade funcional entre as regiões corticais, isto é, a correlação temporal entre essas áreas, entretanto, não é capaz de identificar a relação causal entre duas regiões, definida como conectividade efetiva. No cenário nacional, ainda existe carência, de conhecimento mais profundo das técnicas a serem empregadas para avaliação do padrão de sincronização cortical funcional, especialmente a partir de dados coletados por eletroencefalografia de superfície. Com isso, esse trabalho propõe o desenvolvimento de uma plataforma para avaliação do padrão de conectividade funcional, baseado em técnicas de análise de sincronização de fase, a partir de sinais eletroencefalográficos. A ferramenta foi desenvolvida em MATLAB e realiza o cálculo do índice de sincronização de fase dos sinais eletroencefalográficos pela Transformada de Hilbert. Na etapa de validação do estudo com sinais sintéticos, os resultados obtidos pela ferramenta desenvolvida foram conforme o esperado, conseguindo diferenciar a existência ou não de sincronização para diferenças entre fases conhecidas. Também foi realizado um estudo de caso com sinais eletroencefalográficos, em que o voluntário deveria fazer a leitura de palavras curtas em voz alta, em que foi obtido alto índice de sincronização entre as regiões corticais responsáveis pela fala, como esperado na tarefa proposta. Essa ferramenta tem potencialidade para ser utilizada em aplicações em que se deseja mapear a conectividade das regiões neurais, como por exemplo, para aplicações em ICM (Interface Cérebro-Máquina), neurofeedback e reabilitação de disfunções neurológicas. Mestre em Ciências

Spasticity isamotordisorderthatmightbecausedbystroke,spinalcordinjury, multiplesclerosisandcerebralpalsy,forexample.Itischaracterizedbyanincreaseof velocity-dependenttonicstretchreflex,causedbythehiperexcitabilityofthestretchre- flex.Thecorrectassessmentofspasticityisessentialtoclinicalpractice,helpinginthe proposal ofrehabilitationtherapiesthatarebettersuitedandtrackingofthepatient s condition moreaccurately.Inthiscontext,anewmethodhasbeenfoundinthelitera- ture basedonthemeasurementoftheTonicStretchReflexThreshold(TSRT).Thisisa more interestingalternativethantheothers,consideringthatisarepresentationofthe excitabilityofspinalcircuitsratherthanameasurementofthespasticlimbresistance feltduringapassivestretch.Bystudyingtheproposedmethodology,somepointswere foundthatcouldchangetheTSRTvalue,influencingtheoutcomeoftheclinicalasses- sment. Thedetectionoftheonsetofmuscularactivityintheelectromyographicsignal (EMG) isoneofthem.Thus,theobjectiveofthisworkwastoaddresstheprecision of differentEMGonsetdetectionmethodsthathasbeenusedformeasuringtheTSRT and checkhowtheywouldinterferewiththespasticityassessmentwhenappliedto real experimentalsignals.TheresultspresentedsuggeststhattheTSRTisdirected influenced bytheEMGonsetdetectionmethod.Furthermore,theonesthataremore precise,arelikelytoproducebetterresultswithregressionlinesthataremorelinear and, consequently,validTSRTvalues. A espasticidadeéumadesordemmotoraquepodesurgiremdecorrênciadeum acidente vascularencefálico,traumasmedulares,esclerosemúltiplaeparalisiacere- bral,porexemplo.Elacaracteriza-sepeloaumento,velocidadedependente,dore- flexodeestiramentotônico,causadaporumahiperexcitabilidadedoreflexodeestira- mento.Avaliarcorretamenteograudeespasticidadeéessencialàpráticaclínica,pois ela permiteapropostadeprotocolosdereabilitaçãomaisinteressanteseummelhor acompanhamento daevoluçãodoquadroclínicodopaciente.Noentanto,aindanão existemétodoouinstrumentoidealparaestafinalidade.Nestesentido,naliteratura foiencontradaumanovapropostaquebaseia-senamedidadoLimiardoReflexode EstiramentoTônico(LRET).Elaseriaumaalternativamaisinteressanteemrelaçãoàs convencionais,poisseriaumarepresentaçãodaexcitabilidadedoscircuitosespinhais e nãoapenasaresistênciasentidapeloestiramentodomembroespástico.Estudando a metodologiapropostaparaefetuarestamedida,percebeu-sequeexistemalguns pontos quepodemalterarosvaloresdeLRETobtidos,influenciandodiretamenteno resultado daavaliação.Entreelesestáométodoempregadoparaadetecçãodoiní- cio daatividademuscularpelosinaleletromiográfico(EMG).Nestesentido,oobjetivo deste trabalhofoiavaliardeformaquantitativaaprecisãodastécnicasjáutilizadasna medida doLRET,emsinaisEMGsimuladoseverificar,comsinaisexperimentaisre- ais,comoficariaaavaliaçãodaespasticidadefeitaporcadaumadelas.Osresultados obtidos demonstraramqueaescolhadométodoaserutilizadonestaetapapossui efeitodiretonovalordoLRETeque,quantomaiorforaprecisão,atendênciaéque retas deregressãomaislinearesserãoobtidas,traduzindoemvaloresválidosparao LRET. Mestre em Ciências

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Skeletal muscle consists of muscle fiber types that have different physiological and biochemical characteristics. Basically, the muscle fiber can be classified into type I and type II, presenting, among other features, contraction speed and sensitivity to fatigue different for each type of muscle fiber. These fibers coexist in the skeletal muscles and their relative proportions are modulated according to the muscle functionality and the stimulus that is submitted. To identify the different proportions of fiber types in the muscle composition, many studies use biopsy as standard procedure. As the surface electromyography (EMGs) allows to extract information about the recruitment of different motor units, this study is based on the assumption that it is possible to use the EMG to identify different proportions of fiber types in a muscle. The goal of this study was to identify the characteristics of the EMG signals which are able to distinguish, more precisely, different proportions of fiber types. Also was investigated the combination of characteristics using appropriate mathematical models. To achieve the proposed objective, simulated signals were developed with different proportions of motor units recruited and with different signal-to-noise ratios. Thirteen characteristics in function of time and the frequency were extracted from emulated signals. The results for each extracted feature of the signals were submitted to the clustering algorithm k-means to separate the different proportions of motor units recruited on the emulated signals. Mathematical techniques (confusion matrix and analysis of capability) were implemented to select the characteristics able to identify different proportions of muscle fiber types. As a result, the average frequency and median frequency were selected as able to distinguish, with more precision, the proportions of different muscle fiber types. Posteriorly, the features considered most able were analyzed in an associated way through principal component analysis. Were found two principal components of the signals emulated without noise (CP1 and CP2) and two principal components of the noisy signals (CP1 and CP2 ). The first principal components (CP1 and CP1 ) were identified as being able to distinguish different proportions of muscle fiber types. The selected characteristics (median frequency, mean frequency, CP1 and CP1 ) were used to analyze real EMGs signals, comparing sedentary people with physically active people who practice strength training (weight training). The results obtained with the different groups of volunteers show that the physically active people obtained higher values of mean frequency, median frequency and principal components compared with the sedentary people. Moreover, these values decreased with increasing power level for both groups, however, the decline was more accented for the group of physically active people. Based on these results, it is assumed that the volunteers of the physically active group have higher proportions of type II fibers than sedentary people. Finally, based on these results, we can conclude that the selected characteristics were able to distinguish different proportions of muscle fiber types, both for the emulated signals as to the real signals. These characteristics can be used in several studies, for example, to evaluate the progress of people with myopathy and neuromyopathy due to the physiotherapy, and also to analyze the development of athletes to improve their muscle capacity according to their sport. In both cases, the extraction of these characteristics from the surface electromyography signals provides a feedback to the physiotherapist and the coach physical, who can analyze the increase in the proportion of a given type of fiber, as desired in each case. A musculatura esquelética é constituída por tipos de fibras musculares que possuem características fisiológicas e bioquímicas distintas. Basicamente, elas podem ser classificadas em fibras do tipo I e fibras do tipo II, apresentando, dentre outras características, velocidade de contração e sensibilidade à fadiga diferentes para cada tipo de fibra muscular. Estas fibras coexistem na musculatura esquelética e suas proporções relativas são moduladas de acordo com a funcionalidade do músculo e com o estímulo a que é submetido. Para identificar as diferentes proporções de tipos de fibra na composição muscular, muitos estudos utilizam a biópsia como procedimento padrão. Como a eletromiografia de superfície (EMGs) nos permite extrair informações sobre o recrutamento de diferentes unidades motoras, este estudo parte da hipótese de que seja possível utilizar a EMGs para identificar diferentes proporções de tipos de fibras em uma musculatura. O objetivo deste estudo foi identificar as características dos sinais EMGs que sejam capazes de distinguir, com maior precisão, diferentes proporções de tipos de fibras. Também foi investigado a combinação de características por meio de modelos matemáticos apropriados. Para alcançar o objetivo proposto, sinais emulados foram desenvolvidos com diferentes proporções de unidades motoras recrutadas e diferentes razões sinal-ruído. Treze características no domínio do tempo e da frequência foram extraídas do sinais emulados. Os resultados de cada característica extraída dos sinais emulados foram submetidos ao algorítimo de agrupamento k-means para separar as diferentes proporções de unidades motoras recrutadas nos sinais emulados. Técnicas matemáticas (matriz confusão e técnica de capabilidade) foram implementadas para selecionar as características capazes de identificar diferentes proporções de tipos de fibras musculares. Como resultado, a frequência média e a frequência mediana foram selecionadas como capazes de distinguir com maior precisão as diferentes proporções de tipos de fibras musculares. Posteriormente, as características consideradas mais capazes foram analisadas de forma associada por meio da análise de componentes principais. Foram encontradas duas componentes principais para os sinais emulados sem ruído (CP1 e CP2) e duas componentes principais para os sinais com ruído (CP1 e CP2 ), sendo as primeiras componentes principais (CP1 e CP1 ) identificadas como capazes de distinguirem diferentes proporções de fibras. As características selecionadas (frequência mediana, frequência média, CP1 e CP1 ) foram utilizadas para analisar sinais EMGs reais, comparando pessoas sedentárias com pessoas fisicamente ativas praticantes de treinamentos físicos de força (musculação). Os resultados obtidos com os diferentes grupos de voluntários mostram que as pessoas fisicamente ativas obtiveram valores mais elevados de frequência média, frequência mediana e componentes principais em comparação com as pessoas sedentárias. Além disto, estes valores decaíram com o aumento do nível de força para ambos os grupo, entretanto, o decaimento foi mais acentuado para o grupo de pessoas fisicamente ativas. Com base nestes resultados, presume-se que os voluntários do grupo fisicamente ativo apresentam maiores proporções de fibras do tipo II, se comparado com as pessoas sedentárias. Por fim, com base nos resultados obtidos, pode-se concluir que as características selecionadas foram capazes de distinguir diferentes proporções de tipos de fibras musculares, tanto para os sinais emulados quanto para os sinais reais. Estas características podem ser utilizadas em vários estudos, como por exemplo, para avaliar a evolução de pessoas com miopatias e neuromiopatia em decorrência da reabilitação fisioterápica, e também para analisar o desenvolvimento de atletas que visam melhorar sua capacidade muscular de acordo com sua modalidade esportiva. Em ambos os casos, a extração destas características dos sinais de eletromiografia de superfície proporciona um feedback ao fisioterapeuta e ao treinador físico, que podem analisar o aumento na proporção de determinado tipo de fibra, conforme desejado em cada caso. Mestre em Ciências

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In Brazil there is an expressive number of people with some kind of amputation, caused by accidents, or congenital. The technology, in this context, could be a great ally to help these people to recover their autonomy and further daily tasks, besides improviding their inclusion in society. People with this disability, mainly due to accidents, have difficulty in adapting to the lack of member; they are also psychological affected. For this reason, many studies have been made in development of artificial members that are increasingly functionals and intuitive to facilitate user's adjustment with the devices. The prosthesis that presents higher functionality and has been clearly accepted for the users are the myoelectric prostheses. This type of prostheses uses electromyography signal features to generate commands responsible for it movements. However, the system of control are quite complex and need to be increasingly improved. Many studies are focused only in control strategies that is more effective for this purpose. The objective of this research is to classify inertial and electromyographic patterns to apply in control strategies of upper member prostheses. For this, it was collected signals from two groups of people using four types of sensors: accelerometer, gyroscope, magnetometer and electromyography. The inertials sensors were added to the system for assessing patterns generated from small movements of the muscles. Groups of people were divided into healthy people, composed of seven individuals and people with unilateral amputation, composed of five individuals. Posteriorly it was made the extraction of sixteen characteristics of the collected signals and this signals was classified using an SVM classifier (support vector machine). Successively it was made the statistical evaluations as precision, sensitivity, accuracy and specificity of each class beyond the calculation of the average classifier accuracy rate. The results were promising regarding the use of inertial sensors. The group of healthy person, five had values of accuracy of statistical variables, specificity, accuracy and sensitivity greater than 95% and two above 90%. Regarding the group of people with amputations, three out of the five amputees showed statistical values above 90% . Along sixteen characteristics evaluated, those which are most relevant to reach these results were the fuzzy entropy, interquartile, peak amplitude, average absolute value of the second derivative and the average frequency of the signal. Furthermore, the results were more promising when EMG sensors and inertial characteristics were extracted jointly, reaching values above 90% of average hit rate of collected signals of both the stump as the intact arm using only inertial sensors for four out of the five people the amputee group. No Brasil existe um número expressivo de pessoas com algum tipo de amputação, seja por acidentes, seja congênito. A tecnologia, neste contexto, pode se tornar uma grande aliada para ajudar essas pessoas a recuperarem a sua autonomia e facilitar as suas tarefas diárias, além de promover uma inclusão das mesmas na sociedade. Pessoas com esse tipo de deficiência, principalmente decorrentes de acidentes, passam a ter dificuldade para se adaptar à falta do membro, sendo psicologicamente afetadas e se afastando, portanto, do meio social. Por esse motivo, vários estudos têm sido realizados no desenvolvimento de membros artificiais que sejam cada vez mais funcionais e intuitivos de forma a facilitar a adaptação do usuário a estes dispositivos. As próteses que apresentam maior funcionalidade atualmente e que têm sido bastante aceitas pelos usuários são as próteses mioelétricas. Esse tipo de prótese utiliza as características do sinal eletromiográfico para gerar comandos responsáveis pelos seus movimentos. Os sistemas de controle são bastante complexos e precisam ser cada vez mais aprimorados. Muitos estudos são realizados focando apenas em estratégias de controle mais eficazes para essa finalidade. O objetivo desta pesquisa é fazer a classificação de padrões inerciais e eletromiográficos para aplicação em estratégias de controle de próteses de membro superior. Para isso, foram realizadas coletas de sinais de dois grupos de pessoas utilizando quatro tipos de sensores, sendo eles, acelerômetros, giroscópio, magnetômetro e eletromiografia. Os sensores inerciais foram adicionados a esse sistema para avaliação de padrões gerados a partir de pequenos movimentos da musculatura. Os grupos de pessoas foram divididos em pessoas hígidas, composto por sete indivíduos e pessoas com amputação unilateral, composto por cinco indivíduos. Posteriormente foi feita a extração de dezesseis características dos sinais coletados e a classificação dos mesmos utilizando o classificador SVM (Support Vector Machine). Sucessivamente foram feitas avaliações estatísticas quanto à precisão, sensibilidade, acurácia e especificidade de cada classe além do cálculo da média da taxa de acerto do classificador. Os resultados apresentados foram promissores em relação à utilização dos sensores inerciais nesse contexto. No grupo de pessoas hígidas, cinco apresentaram acurácia, especificidade, precisão e sensibilidade acima de 95% e duas acima de 90%. Quanto ao grupo de pessoas com amputação, três dos cinco amputados apresentaram esses valores dos cálculo de desempenho acima de 90% para as quatro variáveis. Das dezesseis características avaliadas, as que tiveram mais relevância foram: frequência média do sinal, média do valor absoluto da segunda derivada, interquartil, amplitude de pico e entropia Fuzzy. Além disso, os resultados foram mais promissores quando foram extraídas características de sensores de EMG e inerciais de forma conjunta. Foi possível também atingir valores acima de 90% de média de taxa de acerto de sinais coletados tanto do coto quanto do braço íntegro utilizando apenas sensores inerciais para quatro das cinco pessoas do grupo de amputados. Mestre em Ciências

Orientador: Fausto Bérzin Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Odontologia de Piracicaba Resumo: Uma vez registrados os sinais eletromiográficos, seja em voluntários de uma pesquisa científica, seja em pacientes para os quais tal investigação é recomendada como ferramenta para diagnóstico; são obtidos dados do potencial mioelétrico, através dos quais, se representa o padrão de ativação das fibras musculares ao alcance dos eletrodos. Tais registros, raramente são usados mais de uma vez e quando isso ocorre, o é feito de maneira correlata à idéia que justificou sua aquisição. A existência de um mecanismo que permita aglutinar e, de forma seletiva, recuperar e reutilizar os dados já coletados pode contribuir de forma bastante positiva na compreensão do processo de ativação muscular em nível populacional. Para isso, além do registro eletromiográfico, há necessidade do armazenamento de dados sobre o registro. Há um razoável consenso na literatura a respeito dos dados tecnológicos necessários para a qualificação deste registro, entretanto, não foi consolidado ainda, um modelo que identifique os dados de natureza biológica, assim como, não há um consenso a respeito da forma de armazenamento de todos os dados, como proposto do presente estudo. Uma aplicação imediata do modelo é a criação de um repositório central no qual os pesquisadores possam disponibilizar e recuperar registros eletromiográficos brutos. Outra possibilidade é a padronização do armazenamento de dados nos diferentes softwares desenvolvidos para captura e manipulação de registros eletromiográficos. Uma revisão bibliográfica abordou os tópicos éticos e levantou os principais dados que deveriam compor um modelo que permitisse a plena identificação das informações. O modelo teórico foi concretizado no formato de uma primeira versão de um diagrama de classes que objetiva padronizar o armazenamento de sinais eletromiográficos e que permita, em um futuro, a convergência das bases de dados. Abstract: Once registered, the electromyographic signals, either in a voluntary scientific research, either in patients for whom such investigation is recommended as a diagnostic tool, data are obtained that represent the activation pattern of muscle fibers to reach the electrodes from the signals electric. Such records are rarely used more than once and when it occurs, is done in a manner related to the idea that justified its purchase. The existence of a mechanism to unite and to selectively retrieve and reuse the data already collected can contribute very positively to understand how the muscle activation level population. For this, plus the electromyographic record, there is need for data storage on the record. There is reasonable consensus in the literature about the technological data required for the qualification of this record, however, was not done yet, an effort that aims to identify the biological data, as there is no consensus regarding the storage form of all data, as proposed in this study. An immediate application of the model is to create a central repository in which researchers can deploy and retrieve raw EMG recordings. Another possibility is to standardize the storage of data in different software designed to capture and manipulation of EMG recordings. A literature review has addressed the ethical topics raised and the main data which should make a model that would allow full identification of relevant information. The theoretical model was implemented in the form of a first version of a class diagram designed to standardize the storage of electromyographic signals and allowing in the future, the convergence of databases. Doutorado Anatomia Doutor em Biologia Buco-Dental

Orientador: Evanisi Teresa Palomari Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: A disfunção femoropatelar é causada por um desequilíbrio muscular entre as porções medial e lateral do músculo quadríceps. Dessa forma, o tratamento enfatiza o fortalecimento seletivo do músculo vasto medial oblíquo, promovendo assim um realinhamento do aparelho extensor. O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito da estimulação elétrica neuromuscular por meio do torque isométrico e área de secção transversa do músculo quadríceps e atividade eletromiográfica da porção oblíqua dos músculos vasto medial e vasto lateral, em indivíduos normais e portadores de disfunção femoropatelar. Participaram do estudo 28 voluntárias sedentárias (14 saudáveis e 14 portadoras da disfunção). Foram realizados dois treinos: a eletroestimulação isoladamente e a associação com a contração isométrica voluntária. Para o fortalecimento seletivo do músculo vasto medial oblíquo e adutor magno foi utilizada uma corrente de média freqüência por um período de 24 dias. A análise eletromiográfica por meio do protocolo isométrico foi realizada por um Myosystem-Br1 da marca DataHominis Tecnologia®. A célula de carga de 100 Kgf acoplada ao módulo permitiu a análise da força muscular do quadríceps. O exame de ressonância magnética possibilitou o cálculo da área de secção transversa do músculo quadríceps. Todas as avaliações foram realizadas pré e pós-treino. O teste de Wilcoxon foi aplicado para verificar o resultado após o treino e o teste de Mann-Whitney para a análise intergrupos pré e pós-treino, ambos com um nível de significância de p = 0,05. Os resultados apontaram aumento significativo na força muscular do quadríceps pós-treinamento em todos os grupos treinados, na área de secção transversa do músculo quadríceps para os grupos GC II e GD I, do músculo vasto medial para os grupos GC I, GC II e GD I, e do grupo adutor em todos os grupos avaliados, exceto o grupo GC I. A amplitude do sinal mioelétrico não sofreu alterações após o treino, as freqüências média e mediana diminuíram nos grupos GD I a 45° e 90° de flexão da articulação do joelho, e no grupo GC II a 60° de flexão da articulação do joelho, respectivamente. Contudo, podemos concluir que a estimulação elétrica neuromuscular mostrou-se efetiva no tratamento de portadores da disfunção femoropatelar Abstract: The patellofemoral syndrome is caused by a muscular disequilibrium between the portions medial and lateral of the muscle quadriceps. This way, the treatment emphasizes the selective strenght of the vastus medialis oblique muscle, thus promoting a realignment of the extensor device. The objective of this study was to evaluate the effect of the electric stimulation by means of the isometric torque and area of transverse section of the muscle quadriceps and electromyography activity of the oblique portion of the muscles vastus medialis and vastus lateralis, in normal and with patellofemoral syndrome individuals. In this study had participated 28 sedentary volunteers (14 healthful and 14 carriers of the syndrome). Two sections were made carried through: the electric stimulation separately and the association with the voluntary isometric contraction. For the selective strenght of the vastus medialis oblique muscle and great expository were used a chain of average frequency for a period of 24 days. The electromyography analysis by means of the isometric protocol was carried through by a Myosystem-Br1 of the mark DataHominis Tecnologia®. The load cell of 100 Kgf connected to the module allowed the analysis of the muscular force of quadríceps. The examination of magnetic resonance made possible the calculation of the transverse section area of the muscle quadriceps. All the evaluations were carried through daily pay and after-trainings. The test of Wilcoxon was applied to verify the result after the trainings and the test of Mann-Whitney for the analysis intergroups daily pay and after-trainings, both with a level of significance of p = 0,05. The results had pointed significant increase in the muscular force of quadriceps after-training in all the trained groups, the area of transverse section of the muscle quadriceps with respect to groups GC II and GD I, of the medial vast muscle for groups GC I, GC II and GD I, and of the expository group in all the evaluated groups, except group GC I. The range of the myoelectric signal did not suffer alterations after the trainings, the medium frequencies and medium had diminished in groups GD I 45° and 90° of flexion of the joint of the knee, and in group GC II 60° of flexion of the joint of the knee, respectively. Though, we can conclude that the electric stimulation to neuromuscular revealed effective in the treatment of carriers of the patellofemoral syndrome Mestrado Anatomia Mestre em Biologia Celular e Estrutural

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Estima-se que no Brasil cerca de 16.064 pessoas sofreram algum tipo de amputação ou desarticulação de membro superior nos últimos 10 anos. Na tentativa de restaurar partes das funcionalidades motoras e sensoriais perdidas com a amputação se faz necessário uso de próteses, porém mesmo as próteses comerciais mais avançadas, tais como as mioelétricas, não são capazes de restaurar importantes funcionalidades, resultando em um alto índice de abandono do uso do membro protético. Estudos apontam que um dos principais motivos desse abandono é a ausência do feedback sensorial tátil, o qual é responsável por estimar a textura, a forma e a complacência de diferentes materiais, permitindo ao usuário ajustar as forças necessárias na manipulação de objetos, evitando assim o escorregamento. Na ausência do feedback tátil, os usuários se tornam dependentes de outros tipos de feedback, como visual ou auditivo, que nem sempre são eficazes. Existe assim, a necessidade de desenvolver estratégias capazes de fornecer uma retroalimentação tátil informativa àqueles usuários. A eletroestimulação de superfície pode ser uma técnica viável na restauração dessa funcionalidade, uma vez que a técnica é capaz de fornecer diferentes modalidades de sensação, tais como pressão e vibração. Entretanto, ainda existe a necessidade de desenvolver um modelo capaz de combinar a saída de sensores táteis artificias de alta densidade em poucos canais de eletroestimulação, e determinar qual a melhor modulação dos parâmetros de estimulação para fornecer estímulos eletrotáteis discrimináveis. Visando superar essa limitação, esse trabalho propõe um modelo neuromórfico, inspirado na dinâmica intracelular do núcleo cuneiforme, capaz de codificar e otimizar informações provenientes de sensores táteis artificiais de alta densidade, que poderá futuramente ser utilizado na restauração da retroalimentação sensorial tátil em amputados. Esse modelo foi implementado visando combinar sinais advindos de 16 taxels, modelados como aferentes primários cutâneos do tipo 1, em uma única saída de spikes. Em sequência este estudo busca caracterizar a sensação causada por eletroestimulação transcutânea modulada em frequência e amplitude, para viabilizar a otimização da percepção sensorial dos estímulos gerados pelo modelo bioinspirado. Os resultados desse trabalho demonstram que o modelo neuromórfico proposto possui a capacidade de fornecer uma saída de disparo distinta para diferentes tipos de estímulos, aqui foi avaliado a capacidade desse modelo separar oito texturas naturalísticas, reforçando a imensa capacidade de segregação e generalização de informações do neurônio cuneiforme modelado. Evidenciando que esse modelo é capaz de restabelecer a restauração adequada da retroalimentação tátil que possibilitaria ao usuário, inclusive, distinguir diferentes grupos de texturas naturalísticas com apenas um canal de eletroestimulação, desde que considerado a percepção sensorial do usuário final. Uma vez que, foi demonstrado que a percepção a eletroestimulação varia individualmente e que a amplitude de estimulação influencia diretamente na percepção de variação de frequência. Sendo necessário determinar individualmente, a depender do local de estimulação e largura de pulso, a amplitude e faixa de frequência de estimulação, para a devida otimização das percepções sensoriais e modulação da saída do modelo bioinspirado aqui proposto para uma restauração adequada do feedback sensorial tátil. It is estimated that in Brazil about 16,064 people have suffered some kind of amputation or disarticulation of the upper limb in the last 10 years. To restore parts of motor and sensory functionalities lost with amputation it is necessary to use prostheses, however, even the most advanced commercial prostheses, such as myoelectrics, are not able to restore important functionalities, resulting in a high rate of abandonment of the prosthetic limb. Studies indicate that one of the main reasons for abandonment is the absence of tactile sensory feedback, which is responsible for estimating the texture, shape, and complacency of different materials, allowing the user to adjust the forces required in the manipulation of objects, thus avoiding slipping. In the absence of tactile feedback, users become dependent on other types of feedback, such as visual or auditory, which are not always effective. Thus, it is necessary to develop strategies capable of providing informative tactile feedback to those users. Surface electrostimulation can be a viable technique in restoring this functionality, since it is capable of provide different modalities of sensation, such as pressure and vibration. However, it is necessary to develop a model capable to combine the output of high density artificial tactile sensors into a few electro-stimulation channels and determine the best modulation of the stimulation parameters to provide discriminable electrotactile stimuli. Aiming to overcome this limitation, this work proposes a neuromorphic model, inspired by the intracellular dynamics of the cuneiform nucleus, capable of coding and optimizing information coming from high-density artificial tactile sensors, which can be used in the future to restore the tactile feedback in amputees. This model was implemented combining signals from 16 taxels, modeled as primary afferents of type 1, into a single spike output. In sequence, this study seeks to characterize the sensation caused by transcutaneous electro-stimulation modulated in frequency and amplitude, to enable the optimization of the sensory perception of the stimuli generated by the bioinspired model. The results of this work demonstrate that the proposed neuromorphic model can provide a distinct triggering output for different types of stimuli, here the capacity of this model to separate eight naturalistic textures was evaluated, reinforcing the immense capacity of segregation and generalization of information of the cuneiform neuron modeled. Evidencing that this model can reestablish the adequate restoration of tactile feedback that would even allow the user to distinguish different groups of naturalistic textures with only one channel of electro-stimulation, provided that the sensory perception of the end-user is considered. Since it has been demonstrated that the perception of electro-stimulation varies individually, and that the amplitude of stimulation directly influences the perception of frequency variation. It is necessary to determine individually, depending on the stimulation site and pulse width, the stimulation amplitude, and frequency range, for the proper optimization of the sensorial perceptions and modulation of the output of the bioinspired model proposed here for the adequate restoration of the tactile sensory feedback. Dissertação (Mestrado)

Orientadores: Jacobus Willibrordus Swart, Roberto Ricardo Panepucci Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Este projeto de doutorado visa a produção de uma nova versão de Matrizes de Microeletrodos (MEAs) de alto desempenho, produzidas de forma customizada e empregadas para estudos de redes neurais in vitro. Tais dispositivos são compostos por eletrodos de grafeno (crescido por Deposição em Fase Vapor sobre folha de cobre e transferido ao substrato), e isolação de dióxido de silício, sobre substrato de vidro, geradas sem a utilização de máscaras, através da técnica de escrita direta a laser. Como resultado, duas gerações de MEAs foram fabricadas e caracterizadas, exibindo especificações elétricas e biológicas apropriadas para sua aplicação. Verificou-se que a resposta referente às MEAs discutidas nesta tese apresentou significativas melhorias quando comparada com àquelas presentes em estudos encontrados na literatura, principalmente com relação à carga que nossos microeletrodos são capazes de armazenar e aplicar na cultura celular durante pulsos estimulatórios. O nível de ruído foi inferior à 10 µV em ambos os dispositivos, enquanto a Capacidade de Injeção de Carga, que é calculada a partir da curva de Voltametria Cíclica, foi muito superior tanto quando comparada com MEAs comerciais (0,054 mC/cm²) como com MEAs com microeletrodos padrões de nitreto de titânio (TiN) produzidas durante o projeto de mestrado (0,63 mC/cm²). Para os nossos dispositivos, os valores médios foram de 0,67 ± 0,009 mC/cm² e 19,7 ± 0,025 mC/cm². Adicionalmente, o segundo dispositivo produzido também é significativamente superior também quando confrontado com os dados divulgados na literatura, cujo melhor resultado foi 3,1 mC/cm². Com relação à Espectroscopia de impedância, a resposta verificada para as nossas MEAs de grafeno também foi superior. O valor médio da impedância para a frequência de 1 kHz foi de 28,65 ± 3,98 k'omega' e 73,95 ± 3,84 k'omega', para as versões 1 e 2, respectivamente, que são valores compatíveis com os apresentados por MEAs comerciais padrão da MultiChannel Systems (30-400 k'omega'), além de ser melhor que aquele obtido para MEAs produzidas durante o projeto de mestrado, cujo valor foi 141,60 ± 5,27 k'omega'. Por fim, o teste de biocompatibilidade mostrou que a MEA produzida é adequada para realizar medidas de potenciais celulares, não induzindo efeitos tóxicos sobre as células. Consequentemente, nós conseguiumos fabricar um novo modelo de MEA com microeletrodos transparentes, com grande CIC e baixos níveis de impedância e ruído de grafeno com resposta altamente superior àquela encontrada para as MEAs comerciais e divulgadas na literatura. Com isso, trata-se de um dispositivo adequado para atuar como interface bioeletrônica no estudo de redes neurais tanto para estimulação quanto para medição dos potenciais elétricos (espontâneos ou induzidos) das mesmas Abstract: This PhD project aims to produce a new version of high performance, custom made Microelectrode Arrays (MEAs), applied for in vitro neural network studies. Such devices are composed of graphene electrodes (grown by Chemical Vapor Deposition on copper foil and transferred to the substrate), and silicon dioxide passivation on glass substrate, generated without the use of masks, through laser direct writing technique. As a result, two generations of MEAs have been manufactured and characterized, exhibiting appropriate electrical and biological specifications for their application. It was found that the response of the MEAs discussed in this thesis improved when compared to those shown in studies in the literature, especially the charge that our microelectrodes are capable of storing and applying to cell culture during stimulatory pulses. Noise level was below 10 µV for both devices, while Charge Injection Capacity, which is calculated from the Cyclic Voltammetry curve, was much higher if compared to commercial MEAs (0.054 mC/cm²) and MEA with standard titanium nitride microelectrodes (TiN) produced during the master¿s project (0.63 mC/cm²). For our devices, the mean values were 0.67 ± 0.009 mC/cm² and 19.7 ± 0.025 mC/cm². Additionally, the second device produced is also significantly better also when compared to data published in the literature, whose best result was 3.1 mC/cm². Regarding impedance spectroscopy, the response verified for our graphene MEAs was also superior. The average impedance value at 1 kHz was 28,65 ± 3,98 k'omega' and 73,95 ± 3,84 k'omega' for the first and second versions, respectively, which are values compatible with those presented standard commercial MEA from MultiChannel Systems (30-400 k?), and are better than those obtained for MEAs produced during the master¿s project, whose value was 141.60 ± 5,27 k'omega'. Finally, biocompatibility test showed that our de-vice is adequate to measure cellular potentials, not inducing toxic effects on cells. Consequently, we were able to produce a new model of MEA with transparent microelectrodes, with high CIC and low impedance and graphene noise levels with highly superior response to that found for commercial MEAs published in the literature. Thus, it is a suitable device to act as a bioelectronic interface in the study of neural networks for both stimulation and measurement of their electrical potentials (spontaneous or induced) Doutorado Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica Doutora em Engenharia Elétrica CAPES 88882.329438/2019-01, 1555137

Um dos grandes desafios atuais das pesquisas envolvendo o aperfeiçoamento de mem­bros artificiais, é que esses possam ser controlados de maneira mais natural possível pelos pacientes. Neste sentido, os processos envolvendo a aquisição e a manipulação das infor­mações de controle provenientes do paciente, têm merecido especial atenção. Dentre as diversas técnicas de controle possíveis, uma das que tem alcançado melhores resultados utiliza a atividade eletromiográfica resultante de contrações voluntárias de determinados grupos musculares. Numa tentativa de contribuir para aquelas pesquisas, foi desenvolvido um sistema de processamento de sinais eletromiográficos (EMG), capaz de fornecer entradas de controle para uma prótese com quatro graus de liberdade. Para tal, sinais EMG provenientes dos grupos musculares tríceps e bíceps foram classificados em quatro padrões distintos: flexão e extensão do cotovelo, pronação e supinação do punho. A classificação dos padrões foi feita através de uma rede neura.1 artifical que recebe como entrada as características dos sinais eletromiográficos, extraídas através de um modelo autoregressivo. Outro objetivo desta pesquisa foi buscar o número mínimo de pares de eletrodos e os sítios mais adequados para a detecção, processamento e classificação satisfatória dos movimentos executados. Foram feitas análises considerando 5 pares de eletrodos, sendo dois sobre o bíceps - na cabeça longa (Bl) e na cabeça curta (B2) - e três sobre o tríceps - na cabeça longa (T l), na cabeça mediai (T2) e na cabeça lateral (T3); e um par de eletrodos sobre o plexo braquial. Os experimentos foram realizados considerando-se contrações isométricas e isotônicas. Aqueles sinais foram analisados em diversas combinações, para cada tipo de contração, numa tentativa de se encontrar aquela que apresentasse melhores resultados. Os resultados mostraram que as combinações envolvendo o uso de dois pares de eletrodos posicionados sobre os sítios B2 e Tl; e três pares de eletrodos posicionados sobre os sítios B2, T l e T2 ou B2, T l e T3 apresentaram melhores performances, com taxas de acerto de até 100%. One of the major challenges for prosthesis development is to produce devices which mimic their natural counterparts. In general, artificial limbs don’t have proper feedback by which the user can assess the status of the prosthesis and the control is very unnatural. Preferably, a subconscious control is desired. Myoelectric control has been widely used as an alternative strategy designed for easier control. However, there is still a lot do be done in order to achieve artificial limbs as dextrous as human limbs. In an attem pt to contribute to the researches towards better artifical limbs, it has been developed an EMG processing system, capable of generate input control to a four degrees of freedom prosthesis. Two major muscle groups (biceps and triceps) were used as source of electromyografic signals, which were discriminated into four different classes: elbow flexion, elbow extension, wrist pronation and wrist supination. Those patterns were classified by an artificial neural network, which received as inputs the EMG signal features extracted by a,n autoregressive model. The minimum number of pairs of electrodes and their best positioning for detection, Processing and classification were also investigated. To do so, five pairs of electrodes (two on the biceps - long head (Bl) and short head (B2) - and three on the triceps -long head (T l), médium head (T2) and lateral head(T3)) and one pair of electrodes (on plexo brachial) configuration were considered. Isometric and isotonic contractions were analyzed for each one of those two configurations. The EMG signals were studied in several combinations for each type of contraction. The results show that the configurations using two pairs of electrodes (positioned on B2 and T l) and three pairs of electrodes (positioned on B2, T l and T2 or B2, T l and T3), provided accuracy as good as 100%, for the EMG pattern recognition process. Dissertação (Mestrado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior A destreza da mão humana é um marco na evolução da nossa espécie. Ela dá origem a um vasto repertório de habilidades manuais que permite a manipulação de objetos e ferramentas de diferentes pesos, formas e tamanhos. Tal destreza é garantida pelo conjunto formado por músculos e articulações que garantem função motora às mãos, o sistema tátil que incorpora milhares de receptores espalhados sobre a pele e o sistema nervoso central que processa tais informações para coordenar a ação dos membros efetores. Esses receptores capturam informações sobre diferentes propriedades das superfícies dos objetos como textura, rugosidade, dureza e formato, bem como a localização e a força de contatos feitos com a pele. Desta forma, a manipulação de objetos se torna um grande desafio tendo em vista que não há qualquer feedback sobre a interação entre os dedos da prótese o os objetos manipulados. Neste cenário, a imprecisão no controle das forças aplicadas leva a uma instabilidade que pode causar danos ao objeto no caso de força excessiva ou ao escorregamento em casos de forças insuficientes para balancear a carga do objeto. Esta tese traz contribuições originais à detecção e supressão de escorregamentos em próteses de mão. São apresentados dois métodos distintos, sendo que ambos empregam princípios neuromórficos no desenvolvimento de sistemas táteis artificiais. Informações táteis codificadas na forma de spikes que se assemelham a atividade dos mecanorreceptores localizados na pele são usadas para realimentar um sistema de controle reflexo que auxilia no processo de controle da força aplicada sobre os objetos a serem manipulados. Ambos os métodos foram inspirados na atividade das aferências FA-I que codificam estímulos transientes, movimento sobre a pele e escorregamento. O primeiro método faz uso de um sensor óptico que codifica o deslocamento no formato de spikes que são usados como entrada de um controlador PI monotônico que determina a posição dos dedos da prótese. O segundo método faz uso de um sensor tátil multitaxel disposto no formato de uma matriz 4x4. Os sinais de força foram convertidos em spikes segundo o modelo de Izhikevich de forma a replicar a atividade das aferências FA-I. Primeiramente ficou demonstrado que spikes que codificam deslocamento podem ser usados para alimentar um sistema de controle eficaz em suprimir escorregamentos. Já o segundo método proposto foi desenvolvido a partir da observação que os primeiros spikes gerados pelas fibras táteis aferentes carregam informação suficiente para gerar respostas motoras. Assim, foi possível construir um método bioinspirado que permite a detecção do escorregamento à partir de eventos transientes tais quais observados nos sinais de força, aprimorando assim o método anterior que faz uso do número de spikes disparados ao longo do deslocamento. Desta forma, esta tese demonstrou duas abordagens distintas que permitem desenvolver tecnologias promissoras para próteses mioelétricas. Incorporar elementos reflexos pode melhorar a usabilidade destas próteses, aumentando o seu grau de aceitação de tal forma que tais dispositivos possam ser usados com maior liberdade e confiança na execução de tarefas diárias. The dexterity of the human hand is a mark in human evolution. Our vast repertoire of manual skills allows us to manipulate objects and tools of different sizes, shapes and weights. This dexterous ability is provided by the biomechanics of the human hand with all the muscles and joints that provide motor function and the sense of touch that incorporates thousands of receptors spread all over the skin. These receptors capture information related to texture, roughness, hardness and shape as well as the location and pressure of contact points over the skin. Unlike their biological counterpart, bionic hands such as the ones used for prosthetics, are not equipped with touch sensors by design. Therefore, manipulating objects is a challenge given that no information can be obtained from the interaction between the prosthetic fingers and the objects. In this scenario, incorrect adjustments of grip force might lead to grasp instability which might cause damage to the objects in case of excessive force or slip if there is insufficient grip force. This thesis presents original contributions to the detection and suppression of object slippage in prosthetic hands. Two distinct methods are presented where both employed neuromorphic principles in the development of artificial tactile sensing systems. Tactile information is coded in spikes that resemble the activity of mechanoreceptors and are used as feedback signal to a control system that behaves as a reflex that assists in the control of grip force. Both methods were inspired in the activity of FA-I afferents that encode transient tactile stimuli, displacement on the skin and slip. The first method makes use of an optical sensor that converts object displacement into spikes that are used as input to a monotonic PI controller. The second method makes use of a multitaxel tactile sensor in a 4x4 matrix format. Force signals are converted into spikes using the Izhikevich model to mimic the activity of FA-I afferents. First, it was demonstrated that spikes generated continuously during motion of the object could be used as input to a controller that effectively suppressed object slippage. The second method was developed based on the observation that the first spikes triggered by the tactile afferents carry enough information to trigger motor responses. Therefore, it was possible to develop a bioinspired method that detects slip based on transient events such as generated by force signals. This approach does not make use of continuous spikes, prompting advancements with respect to the previous method. This thesis presented two diferente methods that can be used to develop novel promising sensory capabilities to prosthetic hands. Incorporating reflex actions will enhance the usability of such devices, increasing their acceptance so that users can use the bionic hands with more freedom and confidence when performing different daily tasks. Tese (Doutorado)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico A espasticidade é observada na maioria dos pacientes após Acidente Vascular Encefálico (AVE), e exercem influência na presença de deficiências e incapacidades, comprometendo a função motora. As estratégias de neuroreabilitação, o biofeedback eletromiográfico (EMG), têm sido utilizado com aceitação na comunidade médica para reajustes nas habilidades sensório-motoras como retreinamento motor, redução da espasticidade e/ou treinamento de relaxamento. A intervenção ainda apresenta evidências delimitadas quanto a sua efetividade na reabilitação, principalmente, quanto a interferência sobre a atividade cortical e na redução dos sinais espásticos que oferece características negativas na execução do movimento. O objetivo dessa pesquisa foi analisar a possível interferência do treino com biofeedback eletromiográfico sobre a conscientização do controle motor no membro espástico e a caracterização da atividade das bandas de baixa frequência em diferentes regiões corticais orientada pela técnica de treinamento. Dezesseis voluntários acometidos por AVE isquêmicos foram selecionados e divididos em dois grupos (n=8). Grupo experimental (GE) submetidos ao treino com biofeedback associado a fisioterapia, e o grupo controle (GC) submetido apenas à fisioterapia convencional. Foi realizada a avaliação do grau de espasticidade pelo limiar de reflexo do estiramento tônico (LRET) e pela Escala Modificada de Ashworth (EMA) antes e três semanas após o término do treinamento com a técnica. Os sujeitos foram submetidos ao biofeedback durante 6 semanas, com 2 sessões semanalmente. O mesmo tempo para o tratamento fisioterápico foi padronizado para o GC. Os resultados mostram variação do percentual médio de melhora do grau de espasticidade, mensuradas pelo LRET, de 38,59% (dp=13,03%) no GE comparado com 18,58% (dp=11,90%) do GC. Essa variação apresentou diferença significativa (p=0,020; t=2,776; p

Este trabalho descreve o desenvolvimento do protótipo de um sistema multifuncional de biotelemetria capaz de detectar e processar sinais ECG, EEG e EMG em tempo real. O sistema de captura e condicionamento de sinais foi preparado para receber em um único canal, sinais ECG, EEG e EMG. O voluntário pode programar tanto o modo de captura para o tipo de sinal quanto o ganho, para efetuar o condicionamento (amplificação e filtragens) necessário. São utilizados microcontroladores específicos com a responsabilidade de controlar e programar as várias características deste sistema. A transmissão dos dados é realizada por rádio frequência com modulação ASK. O protocolo de comunicação desenvolvido baseia-se na codificação Manchester. O aplicativo principal é executado em um computador padrão IBM-PC e é responsável pela captura de dados pela porta USB, visualização em tempo real e processamento de sinais. O software pode detectar automaticamente o tipo de sinal e seu ganho e engloba as diversas funções necessárias para o armazenamento de dados em arquivos e processamento no domínio do tempo e da frequência. O protótipo construído é de fácil utilização, leve e possui dimensões reduzidas. Diversos experimentos demonstraram que, mesmo em situações onde há barreiras físicas entre os módulos de transmissão e de recepção, o sinal transmitido possui excelente confiabilidade. This work describes the development of a multifunctional biotelemetry system capable of detecting and processing ECG, EEG and EMG signals in real time. The main hardware was designed to capture any one of those signals from the same input channel. The user can program the hardware for the desired signal and adjust its gain as necessary. The various features of the system are controlled by a dedicated micro-controller which is also responsible for sending the digital data to a RF transmitter. In order to reduce signal corruption, the data is encrypted in Manchester code prior to transmission. The main soflware runs on a standard IBM-PC microcomputer and is responsible for collecting data from the USB port, graphics and file manipulation. The software was designed to detect the type of signal been transmitted and adjust its gain accordingly. Also, the received data can be processed in the time domain or in the frequency domain. The final prototype is light, fairly small and easy to use. A number of experiments have shown that, even when there are physical barriers between the transmitter and the receiver modules, the transmitted signal shows excellent stability and minimum error. Dissertação (Mestrado)