Relationship between internal derangement of temporomandibular joint and changes in body posture

Background: The presence of body posture changes among patients with temporomandibular disorders (TMD) has been a controversial issue in the literature, in which it supporters point out the muscular origin as the main etiological factors, mainly associated with postural changes in head. Due to this controversy, it is pertinent to check whether this relationship exists on the most common etiology of TMD, the disk displacement, which translates a biomechanical internal disorder of the temporomandibular joint (TMJ). Objectives: Assess body posture changes in subjects with internal derangement of the TMJ when compared to subjects without this biomechanical dysfunction, characterize the patterns of the jaw movements and assess to the muscle activation during jaw movements. Methods: 21 subjects with TMJ disc displacement (DD) (test group) and 21 subjects without any TMD (control group) was assessed for body posture changes through evaluation of several body segments by posturography and also was evaluated the postural balance reactions through the center of mass during jaw movements using a balance platform. For the characterization of the jaw movement patterns it was done a kinematic analysis during jaw movements (active ROM and path of the jaw). For the muscle activation during jaw movements it was evaluated the masseter, sternocleidomastoid and spinae erector muscles by surface electromyography (EMG). Results Discussion: Both groups show forward head posture and extension of the cervical spine, not noticing any other significant body posture changes in subjects with DD, and if we had to see in detail, in general, subjects without TMD shows more body posture changes than subjects with DD. The pattern of jaw movements is similar in both groups, but in subjects with DD the closing movements are more instable than the opening movements, related to a less effective movement control to counteract the force of gravity and the disk displacement. The bilateral muscle activation during jaw movements is higher in subjects with DD, likely related to a less stable pattern of movement which leads in a higher muscle activation to guide the movement and ensure the best as possible articular stability. Conclusion: The disk displacement with reduction should be viewed as part of a set of signs and symptoms that require an accurate musculoskeletal and psychosocial assessment towards an earlier diagnosis for reduction and control of the functional limiting factors. In this direction, it seems that the relevant set of limiting signs and symptoms deserve a particular attention by health care practitioners involved in the assessment and treatment of TMD, in order to define effective therapeutic options.

Inverse kinematics for upper limb compound movement estimation in exoskeleton-assisted rehabilitation

Robot-Assisted Rehabilitation (RAR) is relevant for treating patients affected by nervous system injuries (e.g., stroke and spinal cord injury) -- The accurate estimation of the joint angles of the patient limbs in RAR is critical to assess the patient improvement -- The economical prevalent method to estimate the patient posture in Exoskeleton-based RAR is to approximate the limb joint angles with the ones of the Exoskeleton -- This approximation is rough since their kinematic structures differ -- Motion capture systems (MOCAPs) can improve the estimations, at the expenses of a considerable overload of the therapy setup -- Alternatively, the Extended Inverse Kinematics Posture Estimation (EIKPE) computational method models the limb and Exoskeleton as differing parallel kinematic chains -- EIKPE has been tested with single DOFmovements of the wrist and elbow joints -- This paper presents the assessment of EIKPEwith elbow-shoulder compoundmovements (i.e., object prehension) -- Ground-truth for estimation assessment is obtained from an optical MOCAP (not intended for the treatment stage) -- The assessment shows EIKPE rendering a good numerical approximation of the actual posture during the compoundmovement execution, especially for the shoulder joint angles -- This work opens the horizon for clinical studies with patient groups, Exoskeleton models, and movements types --

Kinematic and electromyographic analysis of the overhead squat in individuals showing excessive medial knee displacement

Dynamic knee valgus is a multi-planar motion that has been associated with anterior cruciate ligament injuries and patellofemoral pain syndrome. Clinical assessment of dynamic knee valgus can be made by looking for the visual appearance of excessive medial knee displacement (MKD) in the double-leg squat (DLS). The purpose of this dissertation was to identify the movement patterns and neuromuscular strategies associated with MKD during the DLS. Twenty-four control subjects and eight individuals showing MKD during the DLS participated in the study. Significant differences were verified between subjects that demonstrated MKD and a control (CON) group for the eletromyographic amplitude of adductor magnus, biceps femoris, vastus lateralis and vastus medialis muscles (p < 0.05), during the descending phase of the DLS. During the ascending phase were found group differences for adductor magnus and rectus femoris muscles (p < 0.05). Results from kinematic analysis revealed higher minimum and maximum values of ankle abduction and knee internal rotation angles (p < 0.05) for the MKD group. Also, individuals showing excessive MKD had higher hip adduction/abduction excursion. Our results suggested that higher tibial internal rotation and knee internal rotation angles in the initial position of the DLS are associated with MKD. The neuromuscular strategies that contributed to MKD were higher adductor magnus activation, whereas biceps femoris, vastus lateralis and vastus medialis activated more to stabilize the knee in response to the internal rotation moment.

Design de equipamento médico

Dissertação de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Design de Produto, apresentada na Universidade de Lisboa - Faculdade de Arquitectura.

Support vector machines to detect physiological patterns for EEG and EMG-based human-computer interaction:a review

Support Vector Machines (SVMs) are widely used classifiers for detecting physiological patterns in Human-Computer Interaction (HCI). Their success is due to their versatility, robustness and large availability of free dedicated toolboxes. Frequently in the literature, insufficient details about the SVM implementation and/or parameters selection are reported, making it impossible to reproduce study analysis and results. In order to perform an optimized classification and report a proper description of the results, it is necessary to have a comprehensive critical overview of the application of SVM. The aim of this paper is to provide a review of the usage of SVM in the determination of brain and muscle patterns for HCI, by focusing on electroencephalography (EEG) and electromyography (EMG) techniques. In particular, an overview of the basic principles of SVM theory is outlined, together with a description of several relevant literature implementations. Furthermore, details concerning reviewed papers are listed in tables, and statistics of SVM use in the literature are presented. Suitability of SVM for HCI is discussed and critical comparisons with other classifiers are reported.

Modifications in Early Rehabilitation Protocol after Rotator Cuff Repair : EMG Studies

La déchirure de la coiffe des rotateurs est une des causes les plus fréquentes de douleur et de dysfonctionnement de l'épaule. La réparation chirurgicale est couramment réalisée chez les patients symptomatiques et de nombreux efforts ont été faits pour améliorer les techniques chirurgicales. Cependant, le taux de re-déchirure est encore élevé ce qui affecte les stratégies de réhabilitation post-opératoire. Les recommandations post-chirurgicales doivent trouver un équilibre optimal entre le repos total afin de protéger le tendon réparé et les activités préconisées afin de restaurer l'amplitude articulaire et la force musculaire. Après une réparation de la coiffe, l'épaule est le plus souvent immobilisée grâce à une écharpe ou une orthèse. Cependant, cette immobilisation limite aussi la mobilité du coude et du poignet. Cette période qui peut durer de 4 à 6 semaines où seuls des mouvements passifs peuvent être réalisés. Ensuite, les patients sont incités à réaliser les exercices actifs assistés et des exercices actifs dans toute la mobilité articulaire pour récupérer respectivement l’amplitude complète de mouvement actif et se préparer aux exercices de résistance réalisés dans la phase suivante de la réadaptation. L’analyse électromyographique des muscles de l'épaule a fourni des évidences scientifiques pour la recommandation de beaucoup d'exercices de réadaptation au cours de cette période. Les activités sollicitant les muscles de la coiffe des rotateurs à moins de 20% de leur activation maximale volontaire sont considérés sécuritaires pour les premières phases de la réhabilitation. À partir de ce concept, l'objectif de cette thèse a été d'évaluer des activités musculaires de l'épaule pendant des mouvements et exercices qui peuvent théoriquement être effectués au cours des premières phases de la réhabilitation. Les trois questions principales de cette thèse sont : 1) Est-ce que la mobilisation du coude et du poignet produisent une grande activité des muscles de la coiffe? 2) Est-ce que les exercices de renforcement musculaire du bras, de l’avant-bras et du torse produisent une grande activité dans les muscles de la coiffe? 3) Au cours d'élévations actives du bras, est-ce que le plan d'élévation affecte l'activité de la coiffe des rotateurs? Dans notre première étude, nous avons évalué 15 muscles de l'épaule chez 14 sujets sains par électromyographie de surface et intramusculaire. Nos résultats ont montré qu’avec une orthèse d’épaule, les mouvements du coude et du poignet et même quelques exercices de renforcement impliquant ces deux articulations, activent de manière sécuritaire les muscles de ii la coiffe. Nous avons également introduit des tâches de la vie quotidienne qui peuvent être effectuées en toute sécurité pendant la période d'immobilisation. Ces résultats peuvent aider à modifier la conception d'orthèses de l’épaule. Dans notre deuxième étude, nous avons montré que l'adduction du bras réalisée contre une mousse à faible densité, positionnée pour remplacer le triangle d’une orthèse, produit des activations des muscles de la coiffe sécuritaires. Dans notre troisième étude, nous avons évalué l'électromyographie des muscles de l’épaule pendant les tâches d'élévation du bras chez 8 patients symptomatiques avec la déchirure de coiffe des rotateurs. Nous avons constaté que l'activité du supra-épineux était significativement plus élevée pendant l’abduction que pendant la scaption et la flexion. Ce résultat suggère une séquence de plan d’élévation active pendant la rééducation. Les résultats présentés dans cette thèse, suggèrent quelques modifications dans les protocoles de réadaptation de l’épaule pendant les 12 premières semaines après la réparation de la coiffe. Ces suggestions fournissent également des évidences scientifiques pour la production d'orthèses plus dynamiques et fonctionnelles à l’articulation de l’épaule.

Modifications in Early Rehabilitation Protocol after Rotator Cuff Repair : EMG Studies

La déchirure de la coiffe des rotateurs est une des causes les plus fréquentes de douleur et de dysfonctionnement de l'épaule. La réparation chirurgicale est couramment réalisée chez les patients symptomatiques et de nombreux efforts ont été faits pour améliorer les techniques chirurgicales. Cependant, le taux de re-déchirure est encore élevé ce qui affecte les stratégies de réhabilitation post-opératoire. Les recommandations post-chirurgicales doivent trouver un équilibre optimal entre le repos total afin de protéger le tendon réparé et les activités préconisées afin de restaurer l'amplitude articulaire et la force musculaire. Après une réparation de la coiffe, l'épaule est le plus souvent immobilisée grâce à une écharpe ou une orthèse. Cependant, cette immobilisation limite aussi la mobilité du coude et du poignet. Cette période qui peut durer de 4 à 6 semaines où seuls des mouvements passifs peuvent être réalisés. Ensuite, les patients sont incités à réaliser les exercices actifs assistés et des exercices actifs dans toute la mobilité articulaire pour récupérer respectivement l’amplitude complète de mouvement actif et se préparer aux exercices de résistance réalisés dans la phase suivante de la réadaptation. L’analyse électromyographique des muscles de l'épaule a fourni des évidences scientifiques pour la recommandation de beaucoup d'exercices de réadaptation au cours de cette période. Les activités sollicitant les muscles de la coiffe des rotateurs à moins de 20% de leur activation maximale volontaire sont considérés sécuritaires pour les premières phases de la réhabilitation. À partir de ce concept, l'objectif de cette thèse a été d'évaluer des activités musculaires de l'épaule pendant des mouvements et exercices qui peuvent théoriquement être effectués au cours des premières phases de la réhabilitation. Les trois questions principales de cette thèse sont : 1) Est-ce que la mobilisation du coude et du poignet produisent une grande activité des muscles de la coiffe? 2) Est-ce que les exercices de renforcement musculaire du bras, de l’avant-bras et du torse produisent une grande activité dans les muscles de la coiffe? 3) Au cours d'élévations actives du bras, est-ce que le plan d'élévation affecte l'activité de la coiffe des rotateurs? Dans notre première étude, nous avons évalué 15 muscles de l'épaule chez 14 sujets sains par électromyographie de surface et intramusculaire. Nos résultats ont montré qu’avec une orthèse d’épaule, les mouvements du coude et du poignet et même quelques exercices de renforcement impliquant ces deux articulations, activent de manière sécuritaire les muscles de ii la coiffe. Nous avons également introduit des tâches de la vie quotidienne qui peuvent être effectuées en toute sécurité pendant la période d'immobilisation. Ces résultats peuvent aider à modifier la conception d'orthèses de l’épaule. Dans notre deuxième étude, nous avons montré que l'adduction du bras réalisée contre une mousse à faible densité, positionnée pour remplacer le triangle d’une orthèse, produit des activations des muscles de la coiffe sécuritaires. Dans notre troisième étude, nous avons évalué l'électromyographie des muscles de l’épaule pendant les tâches d'élévation du bras chez 8 patients symptomatiques avec la déchirure de coiffe des rotateurs. Nous avons constaté que l'activité du supra-épineux était significativement plus élevée pendant l’abduction que pendant la scaption et la flexion. Ce résultat suggère une séquence de plan d’élévation active pendant la rééducation. Les résultats présentés dans cette thèse, suggèrent quelques modifications dans les protocoles de réadaptation de l’épaule pendant les 12 premières semaines après la réparation de la coiffe. Ces suggestions fournissent également des évidences scientifiques pour la production d'orthèses plus dynamiques et fonctionnelles à l’articulation de l’épaule.

Obstructive sleep apneas naturally occur in mice during REM sleep and are more prevalent in a mouse model of Down syndrome

Study Objectives. The use of mouse models in sleep apnea research is limited by the belief that central (CSA) but not obstructive sleep apneas (OSA) occur in rodents. With this study we wanted to develop a protocol to look for the presence of OSAs in wild-type mice and, then, to apply it to a mouse model of Down Syndrome (DS), a human pathology characterized by a high incidence of OSAs. Methods. Nine C57Bl/6J wild-type mice were implanted with electrodes for electroencephalography (EEG), neck electromyography (nEMG), diaphragmatic activity (DIA) and then placed in a whole-body-plethysmographic (WBP) chamber for 8h during the resting (light) phase to simultaneously record sleep and breathing activity. The concomitant analysis of WBP and DIA signals allowed the discrimination between CSA and OSA. The same protocol was then applied to 12 Ts65Dn mice (a validated model of DS) and 14 euploid controls. Results. OSAs represented about half of the apneic events recorded during rapid-eye-movement sleep (REMS) in each experimental group while almost only CSAs were found during non-REMS. Ts65Dn mice had similar rate of apneic events than euploid controls but a significantly higher occurrence of OSAs during REMS. Conclusions. We demonstrated for the first time that mice physiologically exhibit both CSAs and OSAs and that the latter are more prevalent in the Ts65Dn mouse model of DS. These findings indicate that mice can be used as a valid tool to accelerate the comprehension of the pathophysiology of all kind of sleep apnea and for the development of new therapeutical approaches to contrast these respiratory disorders.

Predicting corticospinal excitability from pre-TMS EEG using convolutional neural networks

The amplitude of motor evoked potentials (MEPs) elicited by transcranial magnetic stimulation (TMS) of the primary motor cortex (M1) shows a large variability from trial to trial, although MEPs are evoked by the same repeated stimulus. A multitude of factors is believed to influence MEP amplitudes, such as cortical, spinal and motor excitability state. The goal of this work is to explore to which degree the variation in MEP amplitudes can be explained by the cortical state right before the stimulation. Specifically, we analyzed a dataset acquired on eleven healthy subjects comprising, for each subject, 840 single TMS pulses applied to the left M1 during acquisition of electroencephalography (EEG) and electromyography (EMG). An interpretable convolutional neural network, named SincEEGNet, was utilized to discriminate between low- and high-corticospinal excitability trials, defined according to the MEP amplitude, using in input the pre-TMS EEG. This data-driven approach enabled considering multiple brain locations and frequency bands without any a priori selection. Post-hoc interpretation techniques were adopted to enhance interpretation by identifying the more relevant EEG features for the classification. Results show that individualized classifiers successfully discriminated between low and high M1 excitability states in all participants. Outcomes of the interpretation methods suggest the importance of the electrodes situated over the TMS stimulation site, as well as the relevance of the temporal samples of the input EEG closer to the stimulation time. This novel decoding method allows causal investigation of the cortical excitability state, which may be relevant for personalizing and increasing the efficacy of therapeutic brain-state dependent brain stimulation (for example in patients affected by Parkinson’s disease).

Motor Unit Spike Trains Recontruction from sEMG Signals for Gesture Classification on a Low-Power Processing Platform

Hand gesture recognition based on surface electromyography (sEMG) signals is a promising approach for the development of intuitive human-machine interfaces (HMIs) in domains such as robotics and prosthetics. The sEMG signal arises from the muscles' electrical activity, and can thus be used to recognize hand gestures. The decoding from sEMG signals to actual control signals is non-trivial; typically, control systems map sEMG patterns into a set of gestures using machine learning, failing to incorporate any physiological insight. This master thesis aims at developing a bio-inspired hand gesture recognition system based on neuromuscular spike extraction rather than on simple pattern recognition. The system relies on a decomposition algorithm based on independent component analysis (ICA) that decomposes the sEMG signal into its constituent motor unit spike trains, which are then forwarded to a machine learning classifier. Since ICA does not guarantee a consistent motor unit ordering across different sessions, 3 approaches are proposed: 2 ordering criteria based on firing rate and negative entropy, and a re-calibration approach that allows the decomposition model to retain information about previous sessions. Using a multilayer perceptron (MLP), the latter approach results in an accuracy up to 99.4% in a 1-subject, 1-degree of freedom scenario. Afterwards, the decomposition and classification pipeline for inference is parallelized and profiled on the PULP platform, achieving a latency < 50 ms and an energy consumption < 1 mJ. Both the classification models tested (a support vector machine and a lightweight MLP) yielded an accuracy > 92% in a 1-subject, 5-classes (4 gestures and rest) scenario. These results prove that the proposed system is suitable for real-time execution on embedded platforms and also capable of matching the accuracy of state-of-the-art approaches, while also giving some physiological insight on the neuromuscular spikes underlying the sEMG.