Análise do padrão de ativação muscular de indivíduos hemiparéticos pós-AVC em marcha assistida por andador robótico

O Acidente Vascular Cerebral (AVC) é uma das principais causas de prejuízos ao sistema neuromuscular. Dispositivos Robóticos vêm sendo amplamente desenvolvidos e estudados com a finalidade de serem utilizados na assistência à marcha e para o treinamento da marcha durante a reabilitação. O objetivo deste trabalho é avaliar a marcha assistida pelo AROW (Assistive Robotic Walker) em indivíduos hemiparéticos pós-AVC, através da análise de sinais de acelerometria e sinais mioelétricos de superfície (sEMG) provenientes dos músculos vasto medial (VM), bíceps femoral (BF), tibial anterior (TA) e gastrocnêmio medial (GM), e também utilizando os métodos de avaliação GAS (Goal Attainment Scaling) e SUS (System Usability Scale). Nove indivíduos hemiparéticos participaram dos testes. A velocidade da marcha foi reduzida com o uso do AROW e, consequentemente, houve algumas alterações na duração das fases da marcha, por exemplo, uma maior duração da fase de apoio (p = 0,0174). O padrão de ativação muscular para o grupo analisado não apresentou diferença estatisticamente significativa (início da ativação VM: p= 0,4999; término da ativação VM: p= 0,5647; início BF: p= 0,1186; término BF: p= 0,7823; início TA: p= 0,5833; término TA: p= 0,8393; início GM: p= 0,6077; término GM: p= 0,1429). Entretanto, avaliando o padrão de ativação muscular individualmente, podem-se notar algumas alterações benéficas, por exemplo, redução da coativação dos músculos tibial anterior e gastrocnêmio medial. Os resultados das avaliações através do GAS (54,8) e SUS (81,4) sobre o uso do AROW mostraram boa aceitação pelos usuários, e os objetivos esperados durante o uso do andador foram atingidos. A adaptação rápida, facilidade de utilização e sentimento de segurança ao usar o dispositivo são pontos positivos obtidos com o uso do AROW.

A laparoscopic surgery training interface

Laparoscopy is a surgical procedure on which operations in the abdomen are performed through small incisions using several specialized instruments. The laparoscopic surgery success greatly depends on surgeon skills and training. To achieve these technical high-standards, different apprenticeship methods have been developed, many based on in vivo training, an approach that involves high costs and complex setup procedures. This paper explores Virtual Reality (VR) simulation as an alternative for novice surgeons training. Even though several simulators are available on the market claiming successful training experiences, their use is extremely limited due to the economic costs involved. In this work, we present a low-cost laparoscopy simulator able to monitor and assist the trainee’s surgical movements. The developed prototype consists of a set of inexpensive sensors, namely an accelerometer, a gyroscope, a magnetometer and a flex sensor, attached to specific laparoscopic instruments. Our approach allows repeated assisted training of an exercise, without time constraints or additional costs, since no human artificial model is needed. A case study of our simulator applied to instrument manipulation practice (hand-eye coordination) is also presented.

Real-time hand tracking for rehabilitation and character animation

Hand and finger tracking has a major importance in healthcare, for rehabilitation of hand function required due to a neurological disorder, and in virtual environment applications, like characters animation for on-line games or movies. Current solutions consist mostly of motion tracking gloves with embedded resistive bend sensors that most often suffer from signal drift, sensor saturation, sensor displacement and complex calibration procedures. More advanced solutions provide better tracking stability, but at the expense of a higher cost. The proposed solution aims to provide the required precision, stability and feasibility through the combination of eleven inertial measurements units (IMUs). Each unit captures the spatial orientation of the attached body. To fully capture the hand movement, each finger encompasses two units (at the proximal and distal phalanges), plus one unit at the back of the hand. The proposed glove was validated in two distinct steps: a) evaluation of the sensors’ accuracy and stability over time; b) evaluation of the bending trajectories during usual finger flexion tasks based on the intra-class correlation coefficient (ICC). Results revealed that the glove was sensitive mainly to magnetic field distortions and sensors tuning. The inclusion of a hard and soft iron correction algorithm and accelerometer and gyro drift and temperature compensation methods provided increased stability and precision. Finger trajectories evaluation yielded high ICC values with an overall reliability within application’s satisfying limits. The developed low cost system provides a straightforward calibration and usability, qualifying the device for hand and finger tracking in healthcare and animation industries.

Análise do padrão de recrutamento abdominal em crianças com dor espinal, entre os 7 e os 10 anos, durante a flexão rápida do ombro, com recurso a electromiografia de superfície

Estudos epidemiológicos dão conta de um aumento exponencial de crianças que reportam dor espinal nalgum momento da vida, tendo-se vindo a atribuir a esta um interesse crescente. Nesta sequência têm vindo a ser estudados factores de risco para a dor espinal, cujo leque tem aumentado devido ao contexto social em que nos inserimos. Um dos aspectos sobre o qual recai a nossa investigação relaciona-se com a activação muscular nas crianças com dor espinal, aspecto ainda não estudado nesta população em particular. A literatura indica que, na população adulta sem dor espinal existe pré-activação muscular abdominal aquando da flexão rápida do ombro e a maioria dos estudos revistos apontam para a inexistência da mesma nos indivíduos com dor espinal. Apesar disso, não existem evidências que o demonstrem em crianças pelo que o nosso estudo pretende descrever o padrão de recrutamento abdominal utilizado pelas crianças com dor espinal, aquando do movimento rápido do membro superior bem como analisar os principais factores de risco. Para recolha dos dados utilizou-se o Questionário de Dor Adaptado, para rastrear a amostra com dor espinal e descrever a sua história ocupacional, e Electromiografia de Superfície, com utilização do acelerómetro, que nos deu conta do início do movimento. Os dados obtidos neste estudo indicam que existe activação muscular abdominal, no momento imediatamente prévio ao início do movimento de flexão do ombro, em quase toda a musculatura abdominal, em crianças com dor espinal excepto em dois participantes que revelam um atraso na activação do músculo oblíquo interno direito e num outro que revela um atraso na activação do recto abdominal. Um dos participantes apresentou pré-activação em todos os músculos estudados. Isto provavelmente encontra-se relacionado com o processo de maturação e indica que possivelmente esta é uma boa altura para prevenir a evolução da dor e possíveis futuros problemas ocupacionais daí advindos, como faltar ao trabalho e ter uma baixa participação social. Estudos futuros devem debruçar-se sobre esta temática e sobre a delineação de novos programas, desta feita de prevenção, de modo a evitar problemas ocupacionais na idade adulta, já que crianças com dor são mais susceptíveis de se tornarem adultos com dor crónica.

Sistema de localização de um veículo autónomo terrestre

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores.

Efeitos de um programa de exercícios específico no domicílio, em indivíduos com doença arterial coronária, na composição corporal, gordura abdominal, perfil lipídico, glicose e nível de atividade física

contribuindo para o aumento da gordura abdominal, e consequentes complicações metabólicas. O exercício físico permite quebrar este ciclo através da estimulação da lipólise e da utilização de ácidos gordos. Objetivo: Verificar os efeitos de um programa de exercícios no domicílio, em indivíduos com doença arterial coronária, na composição corporal, gordura abdominal, perfil lipídico, glicose, e nível de atividade física. Métodos: Estudo experimental composto por 20 indivíduos, aleatorizados grupo experimental (GE) e grupo de controlo (GC), ambos com 10, tendo o GE sido sujeito ao programa durante 8 semanas. Realizou-se uma avaliação inicial e final, através da bioimpedância, Tomografia Computorizada (TC) abdominal, perimetria, adipometria, análises sanguíneas e acelerómetro. Resultados: Numa análise intergrupal, verificouse uma diminuição da percentagem (%) de gordura total (GT) calculado pela adipometria (p<0.01), na prega supra-ilíaca (p=0.005), na prega abdominal horizontal (p=0.001) e vertical (p=0.003) no GE, e da % de tempo em atividades moderadas no GC (p=0.035). Após 8 semanas o GE diminuiu a %GT (p=0.008); a massa gorda (MG) (p=0.002); perímetro abaixo da última costela (p=0.037) e acima das cristas-ilíacas (p=0.021); %GT calculado (p=0.002); pregas supra-ilíaca (p=0.008), abdominal horizontal (p=0.002) e vertical (p=0.033); TC abdominal subcutâneo (p=0.031) e %de tempo em atividades vigorosas (p=0.031). O GC diminuiu a %GT (p=0.002) e MG (p=0.008); aumentou o perímetro ao nível dos grandes trocânteres (p=0.008), diminuiu o rácio cintura/anca (p=0.002), e a %de tempo em atividades moderadas (p=0.031) e vigorosas (p=0.008). Parece existir uma tendência no GE para diminuição do rácio cintura/anca, c-LDL, triglicerídeos e aumento do nível de atividade moderado. Conclusão: O programa de exercícios no domicílio demonstrou uma diminuição da gordura abdominal, alteração da composição corporal, e parece promover uma melhoria no perfil lipídico e no aumento do nível de atividade física moderado.

Classificação de atividades físicas através do uso do acelerómetro do smartphone

Dissertação de natureza científica realizada para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia de redes de comunicação e Multimédia

Inperlys – independente personal location system

O desenvolvimento de sistemas de localização pedestre com recurso a técnicas de dead reckoning tem mostrado ser uma área em expansão no mundo académico e não só. Existem algumas soluções criadas, no entanto, nem todas as soluções serão facilmente implementadas no mercado, quer seja pelo hardware caro, ou pelo sistema em si, que é desenvolvido tendo em conta um cenário em particular. INPERLYS é um sistema que visa apresentar uma solução de localização pedestre, independentemente do cenário, utilizando recursos que poderão ser facilmente usados. Trata-se de um sistema que utiliza uma técnica de dead reckonig para dar a localização do utilizador. Em cenários outdoor, um receptor GPS fornece a posição do utilizador, fornecendo uma posição absoluta ao sistema. Quando não é possível utilizar o GPS, recorre-se a um sensor MEMS e a uma bússola para se obter posições relativas à última posição válida do GPS. Para interligar todos os sensores foi utilizado o protocolo de comunicações sem fios ZigBee™. A escolha recaiu neste protocolo devido a factores como os seus baixos consumos e o seu baixo custo. Assim o sistema torna-se de uso fácil e confortável para o utilizador, ao contrário de sistemas similares desenvolvidos, que utilizam cabos para interligarem os diferentes componentes do sistema. O sensor MEMS do tipo acelerómetro tem a função de ler a aceleração horizontal, ao nível do pé. Esta aceleração será usada por um algoritmo de reconhecimento do padrão das acelerações para se detectar os passos dados. Após a detecção do passo, a aceleração máxima registada nesse passo é fornecida ao coordenador, para se obter o deslocamento efectuado. Foram efectuados alguns testes para se perceber a eficiência do INPERLYS. Os testes decorreram num percurso plano, efectuados a uma velocidade normal e com passadas normais. Verificou-se que, neste momento, o desempenho do sistema poderá ser melhorado, quer seja a nível de gestão das comunicações, quer a nível do reconhecimento do padrão da aceleração horizontal, essencial para se detectar os passos. No entanto o sistema é capaz de fornecer a posição através do GPS, quando é possível a sua utilização, e é capaz de fornecer a orientação do movimento.

Desenvolvimento de um pedómetro para telemóvel

Esta tese descreve o desenvolvimento do hardware e do software de um sistema com a capacidade de reconhecer o número de passos que uma pessoa efectua durante uma actividade física. O sistema consiste num acelerómetro controlado por um microcontrolador, que comunica com um dispositivo móvel através de Bluetooth. De modo a realizar o sistema foi necessário analisar uma vasta bibliografia, para conhecer o estado da arte desta tecnologia, entender o princípio de funcionamento do protocolo Bluetooth e os conceitos biomecânicos por detrás da marcha humana. A proposta deste trabalho apresentava como elemento diferenciador do estado da arte o uso de um acelerómetro em conjunto com sensores de pressão. Com a conjugação destes sensores pretendia-se aumentar a precisão de um equipamento que normalmente não é reconhecido por essa característica. Contudo, a indisponibilidade dos sensores de pressão levou a que o sistema só fosse constituído pelo acelerómetro. Embora, o sistema foi projectado considerando que os sensores de pressão serão incluídos num futuro desenvolvimento. Neste trabalho foram desenvolvidos dois algoritmos para detectar os passos que uma pessoa executa, com pé onde é colocado o sensor, quando caminha ou corre. Num dos testes realizados o algoritmo da “aceleração composta” detectou 84% dos passos, enquanto o algoritmo da “aceleração simples”detectou 99%. A plataforma para a interface gráfica pretendia-se que fosse um telemóvel, contudo não foi possível obter um telemóvel que suporta-se o perfil SPP (Serial Port Profile), necessário para a comunicação com o módulo Bluetooth usado. A solução passou por usar como plataforma um computador portátil com Bluetooth, para o qual foi desenvolvido a aplicação “Pedómetro ISEP” em Visual Basic. O “Pedómetro ISEP” apresenta várias funcionalidades, entre elas destaca-se o cálculo da distância percorrida, da velocidade, e das calorias consumidas, bem como, o registo desses valores em tabelas e da possibilidade de desenhar os gráficos representativos do progresso do utilizador.

Diagnóstico de máquinas elétricas pela análise de vibração

O diagnóstico de máquinas elétricas pela análise de vibração é utilizado num plano de manutenção, onde é dado a conhecer a “real condição do equipamento”, e surgiu da necessidade de detetar vibrações indesejáveis nas máquinas elétricas, de uma forma simples e com custos acessíveis. Numa fase inicial é obtido um sinal correspondente á vibração da máquina, recorrendo a um acelerômetro, que dependendo da aceleração da máquina, constrói uma forma de onda correspondente. A forma de onda fica guardada em formato de áudio *.wav. Posteriormente, em software Matlab o ficheiro *.wav irá ser carregado, e comparado com o ficheiro *.wav original da máquina. Ao comparar os ficheiros o software analisa o espectro original da máquina através da transformada de Fourier, com o espectro atual. Se este espectro sair do intervalo de segurança, o software deteta nesse espectro a origem da vibração, pois cada vibração tem uma frequência associada. Percorridos os passos descritos, o software disponibiliza ao utilizador as respetivas formas de onda e todo o restante diagnóstico de forma a uma possível intervenção antecipada da avaria.

Use of accelerometry to measure physical activity in adults and the elderly

OBJECTIVE: To review the use of accelerometry as an objective measure of physical activity in adults and elderly people. METHODS: A systematic review of studies on the use of accelerometty as an objective measure to assess physical activity in adults were examined in PubMed Central, Web of Knowledge, EBSCO and Medline databases from March 29 to April 15, 2010. The following keywords were used: "accelerometry," "accelerometer," "physical activity," "PA," "patterns," "levels," "adults," "older adults," and "elderly," either alone or in combination using "AND" or "OR." The reference lists of the articles retrieved were examined to capture any other potentially relevant article. Of 899 studies initially identified, only 18 were fully reviewed, and their outcome measures abstracted and analyzed. RESULTS: Eleven studies were conducted in North America (United States), five in Europe, one in Africa (Cameroon) and one in Australia. Very few enrolled older people, and only one study reported the season or time of year when data was collected. The articles selected had different methods, analyses, and results, which prevented comparison between studies. CONCLUSIONS: There is a need to standardize study methods for data reporting to allow comparisons of results across studies and monitor changes in populations. These data can help design more adequate strategies for monitoring and promotion of physical activity.

A wireless sensor network platform for structural health monitoring: enabling accurate and synchronized measurements through COTS+custom-based design

Structural health monitoring has long been identified as a prominent application of Wireless Sensor Networks (WSNs), as traditional wired-based solutions present some inherent limitations such as installation/maintenance cost, scalability and visual impact. Nevertheless, there is a lack of ready-to-use and off-the-shelf WSN technologies that are able to fulfill some most demanding requirements of these applications, which can span from critical physical infrastructures (e.g. bridges, tunnels, mines, energy grid) to historical buildings or even industrial machinery and vehicles. Low-power and low-cost yet extremely sensitive and accurate accelerometer and signal acquisition hardware and stringent time synchronization of all sensors data are just examples of the requirements imposed by most of these applications. This paper presents a prototype system for health monitoring of civil engineering structures that has been jointly conceived by a team of civil, and electrical and computer engineers. It merges the benefits of standard and off-the-shelf (COTS) hardware and communication technologies with a minimum set of custom-designed signal acquisition hardware that is mandatory to fulfill all application requirements.

Sistema móvel de telemetria para automóveis

Este trabalho compreende uma análise crítica e reflexiva sobre o que atualmente existe no âmbito dos sistemas de navegação integrados (e.g. sistemas de posicionamento global com sistemas de navegação por inércia). O objetivo deste estudo vai também no sentido de desenvolver para um dispositivo móvel, um sistema de telemetria para automóveis baseado na plataforma Android fazendo uso de conceitos estudados e tecnologias existentes. Pretende-se demonstrar a potencialidade da integração de um sistema de posicionamento por satélite, com um sistema de navegação por inércia, em dispositivos cada vez mais acessíveis ao utilizador comum, tais como tablets, smartphones e outros equipamentos dotados de dispositivos MEMS (sistemas microelectromecânicos) de baixo custo usando a plataforma Android. Este trabalho pretende explorar a forma como podemos fundir os registos dos vários sensores, tais como o acelerómetro, magnetómetro e giroscópio, para determinar a orientação do dispositivo e assim integrar esta informação de maior frequência, com a informação disponibilizada pelo GNSS de menor frequência, tendo como objetivo final a determinação em tempo real do posicionamento do dispositivo, destacando as forças e fraquezas de cada um dos sistemas de navegação.

Sensors on mobile devices for AAL

Com o envelhecimento da população, as preocupações com a garantia do seu bem-estar aumentam criando a necessidade de desenvolver ferramentas que permitam monitorizar em permanência este sector da população. A utilização de smartphones pelos mais velhos pode ser crucial no seu bem-estar e na sua autonomia contribuindo para a recolha de informação importante já que estes estão muitas vezes equipados com sensores que podem dar indicações preciosas ao cuidador sobre o estado atual do paciente. Os sensores podem fornecer dados sobre a atividade física do paciente, bem como detetar quedas ou calcular a sua posição, com a ajuda do acelerómetro, do giroscópio e do sensor de campo magnético. No entanto, funcionalidades como essas requerem, obrigatoriamente, uma frequência de amostragem mínima por parte dos sensores que permita a implementação de algoritmos, que determinarão esses parâmetros da forma mais exata possível. Dado que nem sempre os pacientes se fazem acompanhar do seu smartphone quando estão na sua residência, a criação de ambientes de AAL (Ambient Assisted Living) com recurso a dispositivos externos que podem ser “vestidos” pelos pacientes pode também ser uma solução adequada. Estes contêm normalmente os mesmos sensores que os smartphones e comunicam com estes através de tecnologias sem fios, como é o caso do Bluetooth Low Energy. Neste trabalho, avaliou-se a possibilidade de alteração da frequência dos sensores em diferentes sistemas operativos, tendo sido efectuadas modificações nas instalações por defeito de alguns sistemas operativos abertos. Com o objectivo de permitir a criação de uma solução de AAL com recurso a um dispositivo externo implementaram-se serviços e perfis num dispositivo externo, o SensorTag.

Low-cost vibration sensors: tendencies and applications in condition monitoring of machines and structures

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica