Kinematic parameters of throwing performance in patients with schizophrenia using a markerless motion capture system

Motor dysfunction is consistently reported but understudied in schizophrenia. It has been hypothesized that this abnormality may reflect a neuro-developmental disorder underlying this illness. The main goal of this study was to analyze movement patterns used by participants with schizophrenia and healthy controls during overarm throwing performance, using a markerless motion capture system. Thirteen schizophrenia patients and 16 healthy control patients performed the overarm throwing task in a markerless motion capture system. Participants were also examined for the presence of motor neurological soft signs (mNSS) using the Brief Motor Scale. Schizophrenia patients demonstrated a less developed movement pattern with low individualization of components compared to healthy controls. The schizophrenia group also displayed a higher incidence of mNSS. The presence of a less mature movement pattern can be an indicator of neuro-immaturity and a marker for atypical neurological development in schizophrenia. Our findings support the understanding of motor dysfunction as an intrinsic part of the disorder of schizophrenia.

Análise dos padrões motores utilizados no desempenho de uma tarefa funcional, com recurso ao BioStage®, em crianças com 9 a 10 anos de idade, e seu contributo para a terapia ocupacional

O estudo do comportamento motor, nomeadamente as áreas do desenvolvimento e controlo motor, têm permitido fundamentar a prática da terapia ocupacional, proporcionando um entendimento mais abrangente de aspetos relacionados com a análise de movimento. Todavia, o processo de análise de atividades, por norma, é realizado de forma empírica, principalmente devido à carência de métodos que avaliem de forma objetiva e precisa o comportamento motor e, consequentemente, os movimentos realizados no desempenho de atividades. Neste sentido, este estudo pretendeu encontrar padrões motores em crianças entre os nove e os dez anos de idade, com desenvolvimento normal, que traduzam o desempenho de uma tarefa motora funcional, com recurso ao sistema de captura e parametrização do movimento em tempo real BioStage®. Por outro lado, tentou-se perceber se o sistema poderia revelar-se um contributo para a prática da terapia ocupacional, possibilitando a obtenção de dados que possam ser utilizados na clínica. As tarefas selecionadas para análise foram os cinco lançamentos propostos pelo Bruininks-Oseretsky Test of Motor Proficiency, que consistem no lançamento por baixo uni e bilateral, lançamento ao chão uni e bilateral e lançamento ao alvo (unilateral). Os resultados encontrados apontam que aos nove e dez anos existem padrões motores similares entre as crianças, no entanto ainda se nota uma ligeira variabilidade no comportamento. Aferiu-se, também, que a idade, sexo e prática de exercício físico podem influenciar os padrões utilizados, estando de acordo com a literatura. O sistema BioStage® mostrou-se uma ferramenta eficaz para a análise de movimento, providenciando informação detalhada sobre o comportamento motor das crianças, no decorrer das tarefas. Deste modo, pode ser uma mais-valia para a prática da terapia ocupacional, podendo contribuir para uma análise de atividades mais precisa, objetiva e fundamentada.

O uso do smartphone na avaliação do risco de queda associado ao envelhecimento

Introdução: O declínio do equilíbrio, da força dos membros inferiores e o medo de cair são fatores de risco de queda associados ao envelhecimento e a sua avaliação pode ser realizada pelo teste One Leg Standing (OLS), Sit to Stand (STS) e pela Falls Eficacy Scale (FES), respetivamente. As aplicações para smartphone constituem uma alternativa para a avaliação dos fatores de risco de queda no envelhecimento. Objetivo: Analisar a capacidade de uma aplicação para smartphone na avaliação dos testes STS, OLS e FES. Metodologia: Realizou-se um estudo analítico numa amostra de 27 voluntários com idade ≥ 60 anos. Realizaram-se os testes STS, OLS e a FES (versão iconográfica, apresentada no smartphone). Os dados foram recolhidos simultaneamente por um smartphone e pelo Qualisys Motion Capture Systems associado a uma plataforma de forças. Foi utilizado o r de Pearson ou Spearman para analisar as possíveis correlações. Resultados: No STS obteve-se uma correlação muito forte (rp=0.97) no número de repetições de ciclos Sit Stand Sit (SLS) e forte na duração média do SLS (rp=0.85) e das subfases Sit to Stand (rp=0.69) e Stand to Sit (rp=0.778), com p<0.001. As medidas de inclinação do tronco apresentaram correlações fortes, com exceção do ângulo inicial (p≥0.05). No OLS, verificou-se uma correlação moderada entre o deslocamento do centro de pressão peak to peak médio-lateral (rs=0.45; p=0.017) e antero-posterior (rs=0.39; p=0.046), root mean square médio-lateral (rs=0.39; p=0.046) e antero-posterior (rs=0.46; p=0.017) e área do estatocinesiograma (rs=0.45; p=0.018). Na FES obteve-se uma correlação moderada em três categorias: ‘tomar banho/duche’ (rs=0.49; p=0.010), ‘deitar/levantar da cama (rs=0.43; p=0.024) e ‘chegar aos armários’ (rs=0.38; p=0.050). Conclusão: A aplicação para smartphone parece avaliar corretamente os ciclos e a variação da inclinação do tronco no STS, porém parece necessitar de ser reajustada na FES e na velocidade do deslocamento do centro de pressão, no OLS.

Diferença entre os géneros na análise cinemática e eletromiográfica do membro superior durante uma atividade diária de beber

As diferenças entre os géneros parecem surgir desde a origem da humanidade, quando a função do homem era caçar e da mulher fornecer cuidados às crianças e realizar trabalhos de cariz manual. O membro superior apresenta um papel primordial na execução da maioria das atividades relevantes para o ser humano, sendo pertinente a realização de avaliações mais objetivas do mesmo. Com a realização deste estudo pretendemos verificar se existem diferenças entre os géneros nos parâmetros eletromiográficos e cinemáticos do movimento durante uma atividade diária; perceber se os valores da eletromiografia e da cinemática do membro superior são dependentes do género à medida que a distância do objeto é alterada e ainda, levar a cabo a análise da atividade de beber. Para tal foram avaliados parâmetros de qualidade de movimento e parâmetros de recrutamento muscular em 15 indivíduos do género feminino e 15 indivíduos do género masculino com idades compreendidas entre os 18 e os 30 anos numa atividade de beber em três momentos diferentes. Para a análise cinemática foi utilizado o software Qualysis Motion Capture e para a análise eletromiográfica o software AcqKnowledge Analysis. Com os resultados obtidos constatamos que a percentagem de ativação muscular e os ângulos de flexão do ombro e flexão do cotovelo apresentam diferenças estatisticamente significativas (p<0.05) entre os géneros, sendo o grupo feminino a apresentar valores superiores. Aferiu-se também que a percentagem de ativação do músculo Deltoide Anterior parece ser influenciado pelo género (p<0.05) ao longo das três distâncias em estudo, sendo novamente o grupo feminino a apresentar valores superiores. Para além disto, aquando do movimento de alcançar, verificaram-se evidências estatísticas (p<0.05) do envolvimento do tronco em todas as distâncias de alcance do objeto, inclusive numa distância inferior ao comprimento do braço. Este estudo permitiu a descrição detalhada da eletromiografia e cinemática do movimento do membro superior de alcançar e transportar numa atividade diária, bem como uma comparação da mesma entre o grupo masculino e grupo feminino.

Estudo comparativo entre criança com e sem joelhos valgos praticantes de hóquei em patins utilizando diferentes sistemas de análise

O presente estudo tem como objetivo comparar experimentalmente duas crianças praticantes de Hóquei em Patins, uma normal e uma com a patologia dos joelhos valgos, avaliando qualitativamente as diferenças posturais, estáticas e dinâmicas, decorrentes da utilização dos patins específicos desta modalidade, através do sistema de análise da Força de Reação do Solo (FRS), de Eletromiografia (EMG), de captura de movimento, e de modelação e simulação. Para atingir o objetivo definiu-se um protocolo de ensaios com as seguintes tarefas: repouso com e sem patins, marcha, corrida, deslizar com os dois pés apoiados e deslizar com o pé esquerdo levantado. No repouso avaliou-se a variação do ponto de aplicação da FRS da criança normal e patológica, com e sem patins. Ainda na tarefa de repouso avaliou-se também as componentes médio-lateral, antero-posterior individualmente e a componente vertical da FRS, juntamente com a atividade muscular dos músculos Gastrocnémio Medial (GM), Recto Femoral (RF), Vasto Medial (VM), Vasto Lateral (VL), Bicípete Femoral (BF), Semitendinoso (ST), Tensor da Fascia Lata (TFL), Gastrocnémio Lateral (GL), de forma a comparar os valores de intensidade de FRS e da atividade muscular dos diferentes instantes de tempo desta tarefa. Para as restantes tarefas apenas se avaliou individualmente as componentes médio-lateral e antero-posterior da FRS e a componente vertical da FRS juntamente com a atividade muscular dos referidos músculos, salientando as diferenças evidentes entre as curvas da criança normal e as curvas da criança patológica durante os diferentes instantes do movimento. Todas as tarefas referidas, exceto a tarefa de repouso com patins, foram ainda simuladas recorrendo a modelos músculo-esqueléticos. A partir destas simulações do movimento obtiveram-se os ângulos articulares e efetuou-se a respetiva análise. No final dos resultados obtidos apresentou-se uma tabela de resumo com o cálculo dos coeficientes de variação de cada grandeza, exceto nos gráficos da posição no espaço da FRS, onde se constatou que existe uma grande variabilidade inter-individuo em cada tarefa. A análise dos resultados de cada tarefa permite concluir que a utilização de patins pode trazer uma maior ativação muscular para a criança patológica, embora se verifique instabilidade articular. Apesar dessa instabilidade pode-se inferir que, uma maior ativação muscular decorrente da utilização de patins, tal como acontece na prática do hóquei em patins, pode trazer uma melhoria, a longo prazo, na estabilidade da articulação do joelho e na sustentação corporal, proporcionada pelo fortalecimento muscular.

Sistema de animação de personagens virtuais para comunicação não verbal

O principal objectivo da animação de personagens virtuais é o de contar uma história através da utilização de personagens virtuais emocionalmente expressivos. Os personagens têm personalidades distintas, e transmitem as suas emoções e processos de pensamento através dos seus comportamentos (comunicação não verbal). As suas acções muitas das vezes constituem a geração de movimentos corporais complexos. Existem diversas questões a considerar quando se anima uma entidade complexa, tais como, a posição das zonas móveis e as suas velocidades. Os personagens virtuais são um exemplo de entidades complexas e estão entre os elementos mais utilizados em animação computacional. O foco desta dissertação consistiu na criação de uma proposta de sistema de animação de personagens virtuais, cujos movimentos e expressões faciais são capazes de transmitir emoções e estados de espírito. Os movimentos primários, ou seja os movimentos que definem o comportamento dos personagens, são provenientes da captura de movimentos humanos (Motion Capture). As animações secundárias, tais como as expressões faciais, são criadas em Autodesk Maya recorrendo à técnica BlendShapes. Os dados obtidos pela captura de movimentos, são organizados numa biblioteca de comportamentos através de um grafo de movimentos, conhecido por Move Tree. Esta estrutura permite o controlo em tempo real dos personagens através da gestão do estado dos personagens. O sistema possibilita também a transição eficaz entre movimentos semelhantes e entre diferentes velocidades de locomoção, minimizando o efeito de arrastamento de pés conhecido como footskate. Torna-se assim possível definir um trajecto que o personagem poderá seguir com movimentos suaves. Estão também disponíveis os resultados obtidos nas sessões de avaliação realizadas, que visaram a determinação da qualidade das transições entre animações. Propõem-se ainda o melhoramento do sistema através da implementação da construção automática do grafo de movimentos.

Analysing the usefulness of motion correction software in myocardial perfusion imaging

Introduction Myocardial Perfusion Imaging (MPI) is a very important tool in the assessment of Coronary Artery Disease ( CAD ) patient s and worldwide data demonstrate an increasingly wider use and clinical acceptance. Nevertheless, it is a complex process and it is quite vulnerable concerning the amount and type of possible artefacts, some of them affecting seriously the overall quality and the clinical utility of the obtained data. One of the most in convenient artefacts , but relatively frequent ( 20% of the cases ) , is relate d with patient motion during image acquisition . Mostly, in those situations, specific data is evaluated and a decisi on is made between A) accept the results as they are , consider ing that t he “noise” so introduced does not affect too seriously the final clinical information, or B) to repeat the acquisition process . Another possib ility could be to use the “ Motion Correcti on Software” provided within the software package included in any actual gamma camera. The aim of this study is to compare the quality of the final images , obtained after the application of motion correction software and after the repetition of image acqui sition. Material and Methods Thirty cases of MPI affected by Motion Artefacts and repeated , were used. A group of three, independent (blinded for the differences of origin) expert Nuclear Medicine Clinicians had been invited to evaluate the 30 sets of thre e images - one set for each patient - being ( A) original image , motion uncorrected , (B) original image, motion corrected, and (C) second acquisition image, without motion . The results so obtained were statistically analysed . Results and Conclusion Results obtained demonstrate that the use of the Motion Correction Software is useful essentiall y if the amplitude of movement is not too important (with this specific quantification found hard to define precisely , due to discrepancies between clinicians and other factors , namely between one to another brand); when that is not the case and the amplitude of movement is too important , the n the percentage of agreement between clinicians is much higher and the repetition of the examination is unanimously considered ind ispensable.

Análise do padrão motor em pessoas com diagnóstico de esquizofrenia: uma abordagem em tempo real

A esquizofrenia é uma perturbação mental grave caracterizada pela coexistência de sintomas positivos, negativos e de desorganização do pensamento e do comportamento. As alterações motoras são consistentemente observadas mas, ainda pouco estudadas na esquizofrenia, sendo relevantes para o seu diagnóstico. Neste quadro, o presente estudo tem como objetivo verificar se os indivíduos com esquizofrenia apresentam alterações na coordenação motora, comparativamente com o grupo sem esquizofrenia, bem como analisar se as disfunções dos sinais neurológicos subtis (SNS) motores se encontram correlacionadas com o funcionamento executivo e com os domínios psicopatológicos da perturbação. No total participaram 29 indivíduos (13 com diagnóstico de esquizofrenia e 16 sem diagnóstico) equivalentes em termos de idade, género, escolaridade e índice de massa corporal. Para avaliar o desempenho motor recorreu-se ao sistema Biostage de parametrização do movimento em tempo real, com a tarefa de lançameto ao alvo; a presença de SNS foi examinada através da Brief Motor Scale; o funcionamento executivo pela aplicação do subteste do Vocabulário e da fluência verbal e a sintomatologia clínica através da Positive and Negative Sindrome Scale. Pela análise cinemática do movimento constatou-se que os indivíduos com esquizofrenia recrutam um padrão motor menos desenvolvido e imaturo de movimento, com menor individualização das componentes (principalmente do tronco e pélvis), necessitando de mais tempo para executar a tarefa, comparativamente com os sujeitos sem a perturbação que evidenciaram um movimento mais avançado de movimento. Os indivíduos com esquizofrenia mostraram índices elevados de disfunção dos SNS (média =6,01) estabelecendo este domínio uma relação boa e negativa com o desempenho verbal (rho Spearman=-0,62) e uma relação forte e positiva com todos os domínios psicopatológicos (rho Spearman=0,74). O estudo da existência de alterações motoras como parte intrínseca da esquizofrenia revela-se pertinente uma vez que possibilita uma compreensão mais aprofundada da sua fisiopatologia e permite que se desenvolvam práticas mais efetivas na área da saúde e reabilitação.

Analysis of tongue shape and motion in speech production using statistical modeling

The mechanisms of speech production are complex and have been raising attention from researchers of both medical and computer vision fields. In the speech production mechanism, the articulator’s study is a complex issue, since they have a high level of freedom along this process, namely the tongue, which instigates a problem in its control and observation. In this work it is automatically characterized the tongues shape during the articulation of the oral vowels of Portuguese European by using statistical modeling on MR-images. A point distribution model is built from a set of images collected during artificially sustained articulations of Portuguese European sounds, which can extract the main characteristics of the motion of the tongue. The model built in this work allows under standing more clearly the dynamic speech events involved during sustained articulations. The tongue shape model built can also be useful for speech rehabilitation purposes, specifically to recognize the compensatory movements of the articulators during speech production.

Short- and medium-term effects of manual therapy on cervical active range of motion and pressure pain sensitivity in latent myofascial pain of the upper trapezius muscle: a randomized controlled trial

Objective: The purpose of this study was to investigate effects of different manual techniques on cervical ranges of 17 motion and pressure pain sensitivity in subjects with latent trigger point of the upper trapezius muscle. 18 Methods: One hundred seventeen volunteers, with a unilateral latent trigger point on upper trapezius due to computer 19 work, were randomly divided into 5 groups: ischemic compression (IC) group (n = 24); passive stretching group (n = 20 23); muscle energy technique group (n = 23); and 2 control groups, wait-and-see group (n = 25) and placebo group 21 (n = 22). Cervical spine range of movement was measured using a cervical range of motion instrument as well as 22 pressure pain sensitivity by means of an algometer and a visual analog scale. Outcomes were assessed pretreatment, 23 immediately, and 24 hours after the intervention and 1 week later by a blind researcher. A 4 × 5 mixed repeated- 24 measures analysis of variance was used to examine the effects of the intervention and Cohen d coefficient was used. 25 Results: A group-by-time interaction was detected in all variables (P b .01), except contralateral rotation. The 26 immediate effect sizes of the contralateral flexion, ipsilateral rotation, and pressure pain threshold were large for 3 27 experimental groups. Nevertheless, after 24 hours and 1 week, only IC group maintained the effect size. 28 Conclusions: Manual techniques on upper trapezius with latent trigger point seemed to improve the cervical range of 29 motion and the pressure pain sensitivity. These effects persist after 1 week in the IC group. (J Manipulative Physiol 301 Ther 2013;xx:1-10)

A multi-objective approach for the motion planning of redundant manipulators

Kinematic redundancy occurs when a manipulator possesses more degrees of freedom than those required to execute a given task. Several kinematic techniques for redundant manipulators control the gripper through the pseudo-inverse of the Jacobian, but lead to a kind of chaotic inner motion with unpredictable arm configurations. Such algorithms are not easy to adapt to optimization schemes and, moreover, often there are multiple optimization objectives that can conflict between them. Unlike single optimization, where one attempts to find the best solution, in multi-objective optimization there is no single solution that is optimum with respect to all indices. Therefore, trajectory planning of redundant robots remains an important area of research and more efficient optimization algorithms are needed. This paper presents a new technique to solve the inverse kinematics of redundant manipulators, using a multi-objective genetic algorithm. This scheme combines the closed-loop pseudo-inverse method with a multi-objective genetic algorithm to control the joint positions. Simulations for manipulators with three or four rotational joints, considering the optimization of two objectives in a workspace without and with obstacles are developed. The results reveal that it is possible to choose several solutions from the Pareto optimal front according to the importance of each individual objective.

Using attractor dynamics to generate decentralized motion control of two mobile robots transporting a long object in coordination

Dynamical systems theory is used here as a theoretical language and tool to design a distributed control architecture for a team of two mobile robots that must transport a long object and simultaneously avoid obstacles. In this approach the level of modeling is at the level of behaviors. A “dynamics” of behavior is defined over a state space of behavioral variables (heading direction and path velocity). The environment is also modeled in these terms by representing task constraints as attractors (i.e. asymptotically stable states) or reppelers (i.e. unstable states) of behavioral dynamics. For each robot attractors and repellers are combined into a vector field that governs the behavior. The resulting dynamical systems that generate the behavior of the robots may be nonlinear. By design the systems are tuned so that the behavioral variables are always very close to one attractor. Thus the behavior of each robot is controled by a time series of asymptotically stable states. Computer simulations support the validity of our dynamic model architectures.

A fractional approach for the motion planning of redundant and hyper-redundant manipulators

The trajectory planning of redundant robots through the pseudoinverse control leads to undesirable drift in the joint space. This paper presents a new technique to solve the inverse kinematics problem of redundant manipulators, which uses a fractional differential of order α to control the joint positions. Two performance measures are defined to examine the strength and weakness of the proposed method. The positional error index measures the precision of the manipulator's end-effector at the target position. The repeatability performance index is adopted to evaluate if the joint positions are repetitive when the manipulator execute repetitive trajectories in the operational workspace. Redundant and hyper-redundant planar manipulators reveal that it is possible to choose in a large range of possible values of α in order to get repetitive trajectories in the joint space.

A sensor classification strategy for robotic manipulators

In practice the robotic manipulators present some degree of unwanted vibrations. The advent of lightweight arm manipulators, mainly in the aerospace industry, where weight is an important issue, leads to the problem of intense vibrations. On the other hand, robots interacting with the environment often generate impacts that propagate through the mechanical structure and produce also vibrations. In order to analyze these phenomena a robot signal acquisition system was developed. The manipulator motion produces vibrations, either from the structural modes or from endeffector impacts. The instrumentation system acquires signals from several sensors that capture the joint positions, mass accelerations, forces and moments, and electrical currents in the motors. Afterwards, an analysis package, running off-line, reads the data recorded by the acquisition system and extracts the signal characteristics. Due to the multiplicity of sensors, the data obtained can be redundant because the same type of information may be seen by two or more sensors. Because of the price of the sensors, this aspect can be considered in order to reduce the cost of the system. On the other hand, the placement of the sensors is an important issue in order to obtain the suitable signals of the vibration phenomenon. Moreover, the study of these issues can help in the design optimization of the acquisition system. In this line of thought a sensor classification scheme is presented. Several authors have addressed the subject of the sensor classification scheme. White (White, 1987) presents a flexible and comprehensive categorizing scheme that is useful for describing and comparing sensors. The author organizes the sensors according to several aspects: measurands, technological aspects, detection means, conversion phenomena, sensor materials and fields of application. Michahelles and Schiele (Michahelles & Schiele, 2003) systematize the use of sensor technology. They identified several dimensions of sensing that represent the sensing goals for physical interaction. A conceptual framework is introduced that allows categorizing existing sensors and evaluates their utility in various applications. This framework not only guides application designers for choosing meaningful sensor subsets, but also can inspire new systems and leads to the evaluation of existing applications. Today’s technology offers a wide variety of sensors. In order to use all the data from the diversity of sensors a framework of integration is needed. Sensor fusion, fuzzy logic, and neural networks are often mentioned when dealing with problem of combing information from several sensors to get a more general picture of a given situation. The study of data fusion has been receiving considerable attention (Esteban et al., 2005; Luo & Kay, 1990). A survey of the state of the art in sensor fusion for robotics can be found in (Hackett & Shah, 1990). Henderson and Shilcrat (Henderson & Shilcrat, 1984) introduced the concept of logic sensor that defines an abstract specification of the sensors to integrate in a multisensor system. The recent developments of micro electro mechanical sensors (MEMS) with unwired communication capabilities allow a sensor network with interesting capacity. This technology was applied in several applications (Arampatzis & Manesis, 2005), including robotics. Cheekiralla and Engels (Cheekiralla & Engels, 2005) propose a classification of the unwired sensor networks according to its functionalities and properties. This paper presents a development of a sensor classification scheme based on the frequency spectrum of the signals and on a statistical metrics. Bearing these ideas in mind, this paper is organized as follows. Section 2 describes briefly the robotic system enhanced with the instrumentation setup. Section 3 presents the experimental results. Finally, section 4 draws the main conclusions and points out future work.

An evolutionary approach for the motion planning of redundant and hyper-redundant manipulators

The trajectory planning of redundant robots is an important area of research and efficient optimization algorithms are needed. The pseudoinverse control is not repeatable, causing drift in joint space which is undesirable for physical control. This paper presents a new technique that combines the closed-loop pseudoinverse method with genetic algorithms, leading to an optimization criterion for repeatable control of redundant manipulators, and avoiding the joint angle drift problem. Computer simulations performed based on redundant and hyper-redundant planar manipulators show that, when the end-effector traces a closed path in the workspace, the robot returns to its initial configuration. The solution is repeatable for a workspace with and without obstacles in the sense that, after executing several cycles, the initial and final states of the manipulator are very close.