Premotor Mechanisms for Orofacial Coordination

The mouth, throat, and face contain numerous muscles that participate in a large variety of orofacial behaviors. The jaw and tongue can move independently, and thus require a high degree of coordination among the muscles that move them to prevent self-injury. However, different orofacial behaviors require distinct patterns of coordination between these muscles. The method through which motor control circuitry might coordinate this activity has yet to be determined. Electrophysiological, immunohistochemical, and retrograde tracing studies have attempted to identify populations of premotor neurons which directly send information to orofacial motoneurons in an effort to identify sources of coordination. Yet these studies have not provided a complete picture of the population of neurons which monosynaptically connect to jaw and tongue motoneurons. Additionally, while many of these studies have suggested that premotor neurons projecting to multiple motor pools may play a role in coordination of orofacial muscles, no clear functional roles for these neurons in the coordination of natural orofacial movements has been identified.

In this dissertation, I took advantage of the recently developed monosynaptic rabies virus to trace the premotor circuits for the jaw-closing masseter muscle and tongue-protruding genioglossus muscle in the neonatal mouse, uncovering novel premotor inputs in the brainstem. Furthermore, these studies identified a set of neurons which form boutons onto motor neurons in multiple motor pools, providing a premotor substrate for orofacial coordination. I then combined a retrogradely traveling lentivirus with a split-intein mediated split-Cre recombinase system to isolate and manipulate a population of neurons which project to both left and right jaw-closing motor nuclei. I found that these bilaterally projecting neurons also innervate multiple other orofacial motor nuclei, premotor regions, and midbrain regions implicated in motor control. I anatomically and physiologically characterized these neurons and used optogenetic and chemicogenetic approaches to assess their role in natural jaw-closing behavior, specifically with reference to bilateral masseter muscle electromyogram (EMG) activity. These studies identified a population of bilaterally projecting neurons in the supratrigeminal nucleus as essential for maintenance of an appropriate level of masseter activation during natural chewing behavior in the freely moving mouse. Moreover, these studies uncovered two distinct roles of supratrigeminal bilaterally projecting neurons in bilaterally synchronized activation of masseter muscles, and active balancing of bilateral masseter muscle tone against an excitatory input. Together, these studies identify neurons which project to multiple motor nuclei as a mechanism by which the brain coordinates orofacial muscles during natural behavior.

Effects of pelvic floor muscle rehabilitation on PFM function and morphology in older women

Aims The purpose of this study was to examine the effect of a pelvic floor muscle (PFM) rehabilitation program on incontinence symptoms, PFM function, and morphology in older women with SUI. Methods Women 60 years old and older with at least weekly episodes of SUI were recruited. Participants were evaluated before and after a 12-week group PFM rehabilitation intervention. The evaluations included 3-day bladder diaries, symptom, and quality of life questionnaires, PFM function testing with dynamometry (force) and electromyography (activation) during seven tasks: rest, PFM maximum voluntary contraction (MVC), straining, rapid-repeated PFM contractions, a 60 sec sustained PFM contraction, a single cough and three repeated coughs, and sagittal MRI recorded at rest, during PFM MVCs and during straining to assess PFM morphology. Results Seventeen women (68.9 ± 5.5 years) participated. Following the intervention the frequency of urine leakage decreased and disease-specific quality of life improved significantly. PFM function improved significantly: the participants were able to perform more rapid-repeated PFM contractions; they activated their PFMs sooner when coughing and they were better able to maintain a PFM contraction between repeated coughs. Pelvic organ support improved significantly: the anorectal angle was decreased and the urethrovescial junction was higher at rest, during contraction and while straining. Conclusions This study indicated that improvements in urine leakage were produced along with improvements in PFM co-ordination (demonstrated by the increased number of rapid PFM contractions and the earlier PFM activation when coughing), motor-control, pelvic organ support.

SENSORIMOTOR WORKING MEMORY CAPACITY LIMITS

Two novel studies examining the capacity and characteristics of working memory for object weights, experienced through lifting, were completed. Both studies employed visually identical objects of varying weight and focused on memories linking object locations and weights. Whereas numerous studies have examined the capacity of visual working memory, the capacity of sensorimotor memory involved in motor control and object manipulation has not yet been explored. In addition to assessing working memory for object weights using an explicit perceptual test, we also assessed memory for weight using an implicit measure based on motor performance. The vertical lifting or LF and the horizontal GF applied during lifts, measured from force sensors embedded in the object handles, were used to assess participants’ ability to predict object weights. In Experiment 1, participants were presented with sets of 3, 4, 5, 7 or 9 objects. They lifted each object in the set and then repeated this procedure 10 times with the objects lifted either in a fixed or random order. Sensorimotor memory was examined by assessing, as a function of object set size, how lifting forces changed across successive lifts of a given object. The results indicated that force scaling for weight improved across the repetitions of lifts, and was better for smaller set sizes when compared to the larger set sizes, with the latter effect being clearest when objects were lifting in a random order. However, in general the observed force scaling was poorly scaled. In Experiment 2, working memory was examined in two ways: by determining participants’ ability to detect a change in the weight of one of 3 to 6 objects lifted twice, and by simultaneously measuring the fingertip forces applied when lifting the objects. The results showed that, even when presented with 6 objects, participants were extremely accurate in explicitly detecting which object changed weight. In addition, force scaling for object weight, which was generally quite weak, was similar across set sizes. Thus, a capacity limit less than 6 was not found for either the explicit or implicit measures collected.

Development of an active orthosis prototype for lower limbs

ARAUJO, Márcio V. ; ALSINA, Pablo J. ; MEDEIROS, Adelardo A. D. ; PEREIRA, Jonathan P.P. ; DOMINGOS, Elber C. ; ARAÚJO, Fábio M.U. ; SILVA, Jáder S. . Development of an Active Orthosis Prototype for Lower Limbs. In: INTERNATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING, 20., 2009, Gramado, RS. Proceedings… Gramado, RS: [s. n.], 2009

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Role of Vascular Smooth Muscle Cell PiT-2 in Basal Ganglia Calcification

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

Development of an active orthosis prototype for lower limbs

ARAUJO, Márcio V. ; ALSINA, Pablo J. ; MEDEIROS, Adelardo A. D. ; PEREIRA, Jonathan P.P. ; DOMINGOS, Elber C. ; ARAÚJO, Fábio M.U. ; SILVA, Jáder S. . Development of an Active Orthosis Prototype for Lower Limbs. In: INTERNATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING, 20., 2009, Gramado, RS. Proceedings… Gramado, RS: [s. n.], 2009

Comparative performance analysis of drives for induction motors

The asynchronous polyphase induction motor has been the motor of choice in industrial settings for about the past half century because power electronics can be used to control its output behavior. Before that, the dc motor was widely used because of its easy speed and torque controllability. The two main reasons why this might be are its ruggedness and low cost. The induction motor is a rugged machine because it is brushless and has fewer internal parts that need maintenance or replacement. This makes it low cost in comparison to other motors, such as the dc motor. Because of these facts, the induction motor and drive system have been gaining market share in industry and even in alternative applications such as hybrid electric vehicles and electric vehicles. The subject of this thesis is to ascertain various control algorithms’ advantages and disadvantages and give recommendations for their use under certain conditions and in distinct applications. Four drives will be compared as fairly as possible by comparing their parameter sensitivities, dynamic responses, and steady-state errors. Different switching techniques are used to show that the motor drive is separate from the switching scheme; changing the switching scheme produces entirely different responses for each motor drive.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Neural Modulation of Leg Stiffness in Response to Neuromuscular Fatigue

The spring-mass model is able to accurately represent hopping spring-like behavior (leg and joint stiffness), and leg and joint stiffness changes can reveal overall motor control responses to neural and muscular contributors of neuromuscular fatigue. By understanding leg stiffness modulation, we can determine which variables the nervous system targets to maintain motor performance and stability. The purpose of this study was to determine how neuromuscular fatigue affects hopping behavior by examining leg and joint stiffness before and after a single-leg calf raise fatiguing protocol. Post-fatigue, leg stiffness decreased for the exercised leg, but not for the non-exercised leg. Ankle and knee joint stiffness did not significantly change for either leg. This indicates that leg stiffness decreases primarily from muscular fatigue, but was not explained by ankle and knee joint stiffness. The decrease in leg stiffness may be an attempt to soften landing impact, while at the same time maintaining performance.

A preclinical study of spinal cord injury focused on cellular and molecular modifications as potential targets for innovative therapies

Spinal Cord Injury (SCI) is a devastating condition for human and animal health. In SCI particularly, neurons, oligodendrocytes precursor cells, and mature oligodendrocytes are highly vulnerable to the toxic microenvironment after the lesion and susceptible to the elevated levels of noxious stimuli. Thus the regenerative response of the organism in case of SCI is significantly reduced, and only little spontaneous amelioration is observed in lesioned patients during the early phases. This work mainly focuses on studying and characterizing the modification induced by the SCI in a preclinical animal model. We investigated the ECM composition in the spinal cord segments surrounding the primary lesion site at a gene expression level. We found Timp1 and CD44 as a crucial hub in the secondary cascade of SCI in both spinal cord segments surrounding the lesion site. Interestingly, a temporal and anatomical difference in gene expression, indicating a complex regulation of ECM genes after SCI that could be used as a tool for regenerative medicine. We also investigated the modification in synaptic plasticity-related gene expression in spinal and supraspinal areas involved in motor control. We confirmed the anatomical and temporal difference in gene expression in spinal cord tissue. This analysis suggests that a molecular mapping of the lesion-induced modification could be a useful tool for regenerative medicine. In the last part, we evaluated the efficacy of an implantable biopolymer loaded with an anti-inflammatory drug and a pro-myelinating agent on the acute phase of SCI in our preclinical model. We found a consistent reduction of the inflammatory state in the spinal lesion site and the cord's surrounding segments. Moreover, we found increased preservation of the spinal cord tissue with a related upregulation of neuronal and oligodendroglial markers after lesion. Our treatment showed effective ameliorating functional outcome and reducing the lesion extension in the chronic phase.

Embedded DSP-Based Compact Fuzzy System and Its Application for Induction-Motor V/f Speed Control

This paper presents a compact embedded fuzzy system for three-phase induction-motor scalar speed control. The control strategy consists in keeping constant the voltage-frequency ratio of the induction-motor supply source. A fuzzy-control system is built on a digital signal processor, which uses speed error and speed-error variation to change both the fundamental voltage amplitude and frequency of a sinusoidal pulsewidth modulation inverter. An alternative optimized method for embedded fuzzy-system design is also proposed. The controller performance, in relation to reference and load-torque variations, is evaluated by experimental results. A comparative analysis with conventional proportional-integral controller is also achieved.

A new technique to control brushless motor for blood pump application

This article presents a back-electromotive force (BEMF)-based technique of detection for sensorless brushless direct current motor (BLDCM) drivers. The BLDCM has been chosen as the energy converter in rotary or pulsatile blood pumps that use electrical motors for pumping. However, in order to operate properly, the BLDCM driver needs to know the shaft position. Usually, that information is obtained through a set of Hall sensors assembled close to the rotor and connected to the electronic controller by wires. Sometimes, a large distance between the motor and controller makes the system susceptible to interference on the sensor signal because of winding current switching. Thus, the goal of the sensorless technique presented in this study is to avoid this problem. First, the operation of BLDCM was evaluated on the electronic simulator PSpice. Then, a BEMF detector circuitry was assembled in our laboratories. For the tests, a sensor-dependent system was assembled where the direct comparison between the Hall sensors signals and the detected signals was performed. The obtained results showed that the output sensorless detector signals are very similar to the Hall signals at speeds of more than 2500 rpm. Therefore, the sensorless technique is recommended as a responsible or redundant system to be used in rotary blood pumps.

Postural control and movement performance during upper limb tasks in children with developmental co-ordination disorder (DCD)

At least 6% of primary school aged children present with DCD, where co-ordination is substantially below the normal range for the child’s age and intelligence. Motor skill difficulties negatively affect academic achievement, recreation and activities of daily living. Poor upper-limb co-ordination is a common difficulty for children with DCD. A possible cause of this problem is deviant muscle timing in proximal muscle groups, which results in poor postural and movement control. While studies have been published investigating postural control in response to external perturbations, detail about postural muscle activity during voluntary movement is limited even in children with normal motor development. No studies have investigated the relationship between muscle timing, resultant arm motion and upper-limb coordination deficits. Objectives: To investigate the relationship between functional difficulties with upper-limb motor skills and neuromuscular components of postural stability and coordination. Specifically, to investigate onset-timing of muscle activity, timing of arm movement, and resultant three-dimensional (3D) arm co-ordination during rapid, voluntary arm movement and to analyse differences arising due to the presence of DCD. This study is part of a larger research program investigating postural stability and control of upper limb movement in children. Design: A controlled, cross-sectional study of differences between children with and without DCD. Methods: This study included 50 children aged eight to 10 years (25 with DCD and 25 without DCD). Children participated in assessment of motor skills according to the Movement ABC Test and a laboratory study of rapid, voluntary arm movements. Parameters investigated included muscle activation timing of shoulder and trunk muscles (surface electromyography), arm movement timing (light sensor) and resultant 3D arm motion (Fastrak). Results: A MANOVA is being used to analyse between-group differences. Preliminary results indicate children with DCD demonstrate altered muscle timing during a rapid arm raise when compared with the control group of children. Conclusion: Differences in proximal muscle timing in children with DCD support the hypothesis that altered proximal muscle activity may contribute to poor proximal stability and consequently poor arm movement control. This has implications for clinical physiotherapy.