Interface Multimodal com Predição de Movimentos para Uso em Reabilitação de Membros Inferiores

Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de uma plataforma multimodal de aquisição e processamento de sinais. O projeto proposto insere-se no contexto do desenvolvimento de interfaces multimodais para aplicação em dispositivos robóticos cujo propósito é a reabilitação motora adaptando o controle destes dispositivos de acordo com a intenção do usuário. A interface desenvolvida adquire, sincroniza e processa sinais eletroencefalográficos (EEG), eletromiográficos (EMG) e sinais provenientes de sensores inerciais (IMUs). A aquisição dos dados é feita em experimentos realizados com sujeitos saudáveis que executam tarefas motoras de membros inferiores. O objetivo é analisar a intenção de movimento, a ativação muscular e o início efetivo dos movimentos realizados, respectivamente, através dos sinais de EEG, EMG e IMUs. Para este fim, uma análise offline foi realizada. Nessa análise, são utilizadas técnicas de processamento dos sinais biológicos e técnicas para processar sinais provenientes de sensores inerciais. A partir destes, os ângulos da articulação do joelho também são aferidos ao longo dos movimentos. Um protocolo experimental de testes foi proposto para as tarefas realizadas. Os resultados demonstraram que o sistema proposto foi capaz de adquirir, sincronizar, processar e classificar os sinais combinadamente. Análises acerca da acurácia dos classificadores utilizados mostraram que a interface foi capaz de identificar intenção de movimento em 76, 0 ± 18, 2% dos movimentos. A maior média de tempo de antecipação ao movimento foi obtida através da análise do sinal de EEG e foi de 716, 0±546, 1 milisegundos. A partir da análise apenas do sinal de EMG, este valor foi de 88, 34 ± 67, 28 milisegundos. Os resultados das etapas de processamento dos sinais biológicos, a medição dos ângulos da articulação, bem como os valores de acurácia e tempo de antecipação ao movimento se mostraram em conformidade com a literatura atual relacionada.

Uma contribuição ao estudo de sinais de EEG para avaliar estados emocionais e mentais de crianças com autismo na interação com robô móvel

O Transtorno do Espectro do Autismo (TEA) caracteriza-se por uma série de distúrbios cognitivos e neurocomportamentais e sua prevalência mundial é estimada em 1 criança com TEA a cada 160 crianças com típico desenvolvimento (TD). Indivíduos com TEA apresentam dificuldade em interpretar as emoções alheias e em expressar sentimentos. As emoções podem ser associadas à manifestação de sinais fisiológicos, e, dentre eles, os sinais cerebrais têm sido muito abordados. A detecção dos sinais cerebrais de crianças com TEA pode ser benéfica para o esclarecimento de suas emoções e expressões. Atualmente, muitas pesquisas integram a robótica ao tratamento pedagógico do TEA, através da interação com crianças com esse transtorno, estimulando habilidades sociais, como a imitação e a comunicação. A avaliação dos estados mentais de crianças com TEA durante a sua interação com um robô móvel é promissora e assume um aspecto inovador. Assim, os objetivos deste trabalho foram captar sinais cerebrais de crianças com TEA e de crianças com TD, como grupo controle, para o estudo de seus estados emocionais e para avaliar seus estados mentais durante a interação com um robô móvel, e avaliar também a interação dessas crianças com o robô, através de escalas quantitativas. A técnica de registro dos sinais cerebrais escolhida foi a eletroencefalografia (EEG), a qual utiliza eletrodos colocados de forma não invasiva e não dolorosa sobre o couro cabeludo da criança. Os métodos para avaliar a eficiência do uso da robótica nessa interação foram baseados em duas escalas internacionais quantitativas: Escala de Alcance de Metas (do inglês Goal Attainment Scaling - GAS) e Escala de Usabilidade de Sistemas (do inglês System Usability Scale - SUS). Os resultados obtidos mostraram que, pela técnica de EEG, foi possível classificar os estados emocionais de crianças com TD e com TEA e analisar a atividade cerebral durante o início da interação com o robô, através dos ritmos alfa e beta. Com as avaliações GAS e SUS, verificou-se que o robô móvel pode ser considerado uma potencial ferramenta terapêutica para crianças com TEA.

Análise do nível de estresse baseada em sinais de eletroencefalografia e de condutância da pele

O estresse pode afetar qualquer pessoa, independente de idade, sexo ou etnia. O organismo humano o utiliza como uma resposta adaptativa frente a situações diversas, as quais requeiram alguma adaptação do organismo para que possa enfrentar tal situação. Dependendo do estímulo estressor, pode ser gerado no indivíduo desgastes físico, mental ou emocional, no entanto, o estresse não representa necessariamente algo ruim ou patológico; este é um mecanismo de adaptação vital para a sobrevivência da espécie humana. Porém, o número de pessoas que são afetadas de forma negativa pelo estresse tem crescido imensamente nas últimas décadas. Pesquisas destacam que nos Estados Unidos cerca de 60% a 90% dos atendimentos médicos estão relacionados de alguma maneira com o estresse, enquanto que no Brasil aproximadamente 80% da população sofre de estresse, sendo que desses, 30% encontram-se na fase mais crítica, a chamada fase de exaustão. Tendo em vista que a principal forma de identificação de estresse ainda é realizada através do uso de questionário de autorrelato. O presente estudo apresenta como contribuição uma metodologia de análise do nível de estresse baseada na variação da condutância galvânica da pele e de sinais de eletroencefalografia, sendo utilizados como parâmetros a assimetria do ritmo alfa, assim como a razão entre os ritmos beta e alfa no córtex frontal e pré-frontal. Para a gravação dos sinais de EEG foi utilizado um dispositivo portátil, com eletrodos especificamente situados nas posições aF3, F3, F4 e aF4, de acordo com o Sistema Internacional 10/20 de posicionamento de eletrodos. Os participantes deste estudo são Bombeiros Militares da 1ª Cia de Vitória-ES. Foram utilizadas três classes de estímulos emocionais positivos, calmos e negativos, através da utilização de imagens pertencentes ao banco de dados IAPS (International Affective Picture System). Os resultados de acurácia obtidos através de um classificador SVM (Support Vector Machine) chegam a 88,24% para classe de estímulos positivos, 84,09% para classe calma e de 92,86% para os estímulos negativos. Deste modo, esta pesquisa apresenta uma combinação de parâmetros que podem ser aferidos com equipamentos de baixo custo, e fornecem condições de diferenciar estímulos estressantes, podendo assim, ser utilizada para auxiliar no treinamento de profissionais da área de urgência e emergência.

Desenvolvimento de Ferramentas para Pesquisas em Tecnologias Assistivas Baseadas em Sinais Biológicos

Novas ferramentas de Tecnologias Assistivas (TAs) têm aparecido ultimamente. Um exemplo são os Ambientes Virtuais (AVs), os quais são importantes para o desenvolvimento de novas TAs, que podem ser direcionadas para promoverem uma melhor qualidade de vida de pessoas com mobilidade reduzida permanente ou promover a reabilitação de pessoas com deficiência motora temporária. Outras ferramentas, que surgiram há algumas décadas com o desenvolvimento dos computadores, também ajudam no tratamento de pessoas com deficiência motora, que são as Interfaces Humano-Máquina (IHM). Utilizando em conjunto com equipamentos que capturam sinais biológicos, como equipamentos de Eletromiografia (EMG) e Eletroencefalografia (EEG), essas ferramentas se configuram como canais de comunicações entre o ser humano e os computadores, diferentemente das comumente utilizadas. Isso abre uma gama de possibilidades para sua utilização no tratamento e na assistência de pessoas com deficiência motora, onde sinais EMG podem ser utilizados para controlar próteses robóticas; e sinais EEG, quando capturados da região do córtex motor, podem ser utilizados em neuroreabilitação. Por outro lado, quando capturados na região occipital, os sinais de EEG podem ser utilizados para gerar comandos e outras finalidades. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de novas ferramentas para auxiliar em pesquisas de TAs envolvendo sinais biológicos. Três diferentes AVs foram desenvolvidos para auxiliar nesse tipo de pesquisa. Além deles, um equipamento EEG comercial foi adaptado para ser utilizado com uma IHM, o qual utiliza dois desses três AVs desenvolvidos. Como resultados, temos a utilização bem sucedida do equipamento EEG obtido com sua utilização com SSVEP e Imaginação motora, além da implementação com sucesso dos três AVs desenvolvidos, que estão disponíveis para download gratuito, e que podem ser utilizados em demais pesquisas envolvendo TAs.

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.

Ciclo de vida empresarial e qualidade da informação contábil das companhias abertas brasileiras

Esta dissertação busca identificar se os diferentes Estágios de Ciclo de Vida (ECVs) estão relacionados com a qualidade da informação contábil nas empresas brasileiras. Segundo pesquisas internacionais, os diferentes ECVs influenciam a qualidade da informação contábil. Aqui, foram empregadas as métricas de relevância, tempestividade e conservadorismo, de maneira semelhante às utilizadas por Lopes (2009) para verificar a qualidade da informação contábil. Para identificar os Estágios de Ciclo de Vida, foi utilizada a forma de identificação orgânica elaborada por Dickinson (2011), fundamentada nos sinais dos fluxos de caixa da empresa. A amostra deste trabalho é composta por empresas brasileiras que negociaram ações na BM&FBovespa, no período de 2008 à 2013, sendo excluídas as empresas do setor financeiro. O total de empresas que compõem a amostra é de 330, sendo 1.163 observações para o modelo de relevância, 1.163 para o modelo de tempestividade e 1.167 observações para o modelo de conservadorismo. Para verificar os efeitos dos ECVs na qualidade da informação contábil foram utilizados dados em painel desbalanceado e regressões robustas, com a correção de White, identificando os ECVs através de dummies. Os resultados encontrados indicam que os ECVs afetam a qualidade da informação contábil e que nos estágios de Crescimento e Maturidade as informações contábeis apresentam maior relevância e tempestividade. Não foi possível identificar os efeitos dos diferentes ECVs no conservadorismo, pois as variáveis de interesse não foram estatisticamente significantes.

Estudo da cristalização de parafinas por espectroscopia de RMN em temperaturas variáveis

A cristalização e formação de depósitos parafínicos é um problema operacional crítico na indústria do petróleo em todo o mundo e provoca grandes perdas econômicas na recuperação do óleo. São muitos os estudos que têm sido realizados para desenvolver modelos termodinâmicos de predição da precipitação de parafinas, sendo que boa parte deles utilizam a ressonância magnética nuclear (RMN) em alto ou baixo campo magnético juntamente com outras técnicas como calorimetria exploratória diferencial (DSC), análise elementar e cromatografia gasosa para caracterizar a fase sólida formada a partir do petróleo. Este trabalho busca um maior entendimento da cristalização de ceras parafínicas por meio de experimentos de espectroscopia de RMN de 1H e 13C conduzidos em temperaturas variáveis, o que pode auxiliar na previsão e remediação dos problemas causados pela sua deposição nas linhas de escoamento da produção. Para isso, o estudo desse fenômeno foi conduzido inicialmente em amostras de parafina comercial e, posteriormente, em uma amostra de petróleo parafínico com variação de temperatura sem extrair a fase sólida, garantindo a não interferência de solventes que podem influenciar no processo de cristalização. A metodologia desenvolvida demonstrou ser útil para determinar a temperatura inicial de aparecimento de cristais (TIAC), sendo obtida uma boa concordância com os resultados de DSC para a parafina comercial e petróleo. O registro de espectros em diferentes temperaturas permitiu também a identificação das variações de intensidade e largura de linha dos sinais associados aos diferentes grupos químicos presentes nos materiais estudados.

A Platform to Emulate Ambient Assisted Living Environments

According to the opinion of clinicians, emerging medical conditions can be timely detected by observing changes in the activities of daily living and/or in the physiological signals of a person. To accomplish such purpose, it is necessary to properly monitor both the person’s physiological signals as well as the home environment with sensing technology. Wireless sensor networks (WSNs) are a promising technology for this support. After receiving the data from the sensor nodes, a computer processes the data and extracts information to detect any abnormality. The computer runs algorithms that should have been previously developed and tested in real homes or in living-labs. However, these installations (and volunteers) may not be easily available. In order to get around that difficulty, this paper suggests the making of a physical model to emulate basic actions of a user at home, thus giving autonomy to researchers wanting to test the performance of their algorithms. This paper also studies some data communication issues in mobile WSNs namely how the orientation of the sensor nodes in the body affects the received signal strength, as well as retransmission aspects of a TDMA-based MAC protocol in the data recovery process.

Accessing movies based on emotional impact

Emotions play a central role in our daily lives, influencing the way we think and act, our health and sense of well-being, and films are by excellence the form of art that exploits our affective, perceptual and intellectual activity, holding the potential for a significant impact. Video is becoming a dominant and pervasive medium, and online video a growing entertainment activity on the web and iTV, mainly due to technological developments and the trends for media convergence. In addition, the improvement of new techniques for gathering emotional information about videos, both through content analysis or user implicit feedback through user physiological signals complemented in manual labeling from users, is revealing new ways for exploring emotional information in videos, films or TV series, and brings out new perspectives to enrich and personalize video access. In this work, we reflect on the power that emotions have in our lives, on the emotional impact of movies, and on how to address this emotional dimension in the way we classify and access movies, by exploring and evaluating the design of iFelt in its different ways to classify, access, browse and visualize movies based on their emotional impac

A Wireless EEG Acquisition Platform based on Embedded Systems

This paper proposes a wireless EEG acquisition platform based on Open Multimedia Architecture Platform (OMAP) embedded system. A high-impedance active dry electrode was tested for improving the scalp- electrode interface. It was used the sigma-delta ADS1298 analog-to-digital converter, and developed a “kernelspace” character driver to manage the communications between the converter unit and the OMAP’s ARM core. The acquired EEG signal data is processed by a “userspace” application, which accesses the driver’s memory, saves the data to a SD-card and transmits them through a wireless TCP/IP-socket to a PC. The electrodes were tested through the alpha wave replacement phenomenon. The experimental results presented the expected alpha rhythm (8-13 Hz) reactiveness to the eyes opening task. The driver spends about 725 μs to acquire and store the data samples. The application takes about 244 μs to get the data from the driver and 1.4 ms to save it in the SD-card. A WiFi throughput of 12.8Mbps was measured which results in a transmission time of 5 ms for 512 kb of data. The embedded system consumes about 200 mAh when wireless off and 400 mAh when it is on. The system exhibits a reliable performance to record EEG signals and transmit them wirelessly. Besides the microcontroller-based architectures, the proposed platform demonstrates that powerful ARM processors running embedded operating systems can be programmed with real-time constrains at the kernel level in order to control hardware, while maintaining their parallel processing abilities in high level software applications.

Robust temporal alignment of multimodal cardiac sequences

Given the dynamic nature of cardiac function, correct temporal alignment of pre-operative models and intraoperative images is crucial for augmented reality in cardiac image-guided interventions. As such, the current study focuses on the development of an image-based strategy for temporal alignment of multimodal cardiac imaging sequences, such as cine Magnetic Resonance Imaging (MRI) or 3D Ultrasound (US). First, we derive a robust, modality-independent signal from the image sequences, estimated by computing the normalized crosscorrelation between each frame in the temporal sequence and the end-diastolic frame. This signal is a resembler for the left-ventricle (LV) volume curve over time, whose variation indicates di erent temporal landmarks of the cardiac cycle. We then perform the temporal alignment of these surrogate signals derived from MRI and US sequences of the same patient through Dynamic Time Warping (DTW), allowing to synchronize both sequences. The proposed framework was evaluated in 98 patients, which have undergone both 3D+t MRI and US scans. The end-systolic frame could be accurately estimated as the minimum of the image-derived surrogate signal, presenting a relative error of 1:6 1:9% and 4:0 4:2% for the MRI and US sequences, respectively, thus supporting its association with key temporal instants of the cardiac cycle. The use of DTW reduces the desynchronization of the cardiac events in MRI and US sequences, allowing to temporally align multimodal cardiac imaging sequences. Overall, a generic, fast and accurate method for temporal synchronization of MRI and US sequences of the same patient was introduced. This approach could be straightforwardly used for the correct temporal alignment of pre-operative MRI information and intra-operative US images.

A-scan ultrasound system for real-time puncture safety assessment during percutaneous nephrolithotomy

Background: Kidney stone is a major universal health problem, affecting 10% of the population worldwide. Percutaneous nephrolithotomy is a first-line and established procedure for disintegration and removal of renal stones. Its surgical success depends on the precise needle puncture of renal calyces, which remains the most challenging task for surgeons. This work describes and tests a new ultrasound based system to alert the surgeon when undesirable anatomical structures are in between the puncture path defined through a tracked needle. Methods: Two circular ultrasound transducers were built with a single 3.3-MHz piezoelectric ceramic PZT SN8, 25.4 mm of radius and resin-epoxy matching and backing layers. One matching layer was designed with a concave curvature to work as an acoustic lens with long focusing. The A-scan signals were filtered and processed to automatically detect reflected echoes. Results: The transducers were mapped in water tank and tested in a study involving 45 phantoms. Each phantom mimics different needle insertion trajectories with a percutaneous path length between 80 and 150 mm. Results showed that the beam cross-sectional area oscillates around the ceramics radius and it was possible to automatically detect echo signals in phantoms with length higher than 80 mm. Conclusions: This new solution may alert the surgeon about anatomical tissues changes during needle insertion, which may decrease the need of X-Ray radiation exposure and ultrasound image evaluation during percutaneous puncture.

Kuailous ou Po tau ya : imagens no feminino sobre os portugueses em Macau

Tendo Macau por contexto, quinze anos após a transferência da sua administração para a República Popular da China e cinco séculos de presença portuguesa, o estudo efetua uma abordagem às representações e estereótipos sociais dos portugueses, a partir de um inquérito a cento e setenta e cinco mulheres chinesas desta Região Administrativa Especial (RAEM). Tendo como marcos conceptuais a Teoria das Representações Sociais, de Moscovici, e a Teoria da Identidade Social, de Tajfel, o estudo procura explicitar os saberes sociais construídos por esse grupo de referência, determinantes na forma como se processa a comunicação e a interação grupal com portugueses e âncora para a construção de estereótipos com os quais esses processos são simplificados, mas também enviesados. Antevendo-se, num horizonte não muito longínquo, decisões quanto à manutenção do princípio “um país, dois sistemas”, que viabiliza a preservação de marcas portuguesas (como a língua) e uma abertura especial à presença de portugueses em Macau, a compreensão das imagens e metáforas sobre esta comunidade constitui estratégia relevante para a perspetivação, no presente como no futuro, das relações intergrupais que a envolvem. O estudo conclui que as representações sobre os portugueses são, no essencial, de pendor positivo e exibem uma abertura à proximidade social e à participação desta comunidade nas dinâmicas sociais da RAEM. Mas assinala também áreas de potencial maior conflitualidade na defesa, pelo endogrupo, de áreas vitais de afirmação dessa nova ordem social pós- transferência.

Conversor estático de potência tolerante a falhas

O trabalho apresentado nesta dissertação refere-se à concepção, projecto e realização experimental de um conversor estático de potência tolerante a falhas. Foram analisados trabalhos de investigação sobre modos de falha de conversores electrónicos de potência, topologias de conversores tolerantes a falhas, métodos de detecção de falhas, entre outros. Com vista à concepção de uma solução, foram nomeados e analisados os principais modos de falhas para três soluções propostas de conversores com topologias tolerantes a falhas onde existem elementos redundantes em modo de espera. Foram analisados os vários aspectos de natureza técnica dos circuitos de potência e guiamento de sinais onde se salientam a necessidade de tempos mortos entre os sinais de disparo de IGBT do mesmo ramo, o isolamento galvânico entre os vários andares de disparo, a necessidade de minimizar as auto-induções entre o condensador DC e os braços do conversor de potência. Com vista a melhorar a fiabilidade e segurança de funcionamento do conversor estático de potência tolerante a falhas, foi concebido um circuito electrónico permitindo a aceleração da actuação normal de contactores e outro circuito responsável pelo encaminhamento e inibição dos sinais de disparo. Para a aplicação do conversor estático de potência tolerante a falhas desenvolvido num accionamento com um motor de corrente contínua, foi implementado um algoritmo de controlo numa placa de processamento digital de sinais (DSP), sendo a supervisão e actuação do sistema realizados em tempo-real, para a detecção de falhas e actuação de contactores e controlo de corrente e velocidade do motor utilizando uma estratégia de comando PWM. Foram realizados ensaios que, mediante uma detecção adequada de falhas, realiza a comutação entre blocos de conversores de potência. São apresentados e discutidos resultados experimentais, obtidos usando o protótipo laboratorial.

Controlo tolerante a falhas de um canal de rega

A presente dissertação pretende conceber e implementar um sistema de controlo tolerante a falhas, no canal experimental de rega da Universidade de Évora, utilizando um modelo implementado em MATLAB/SIMULINK®. Como forma de responder a este desafio, analisaram-se várias técnicas de diagnóstico de falhas, tendo-se optado por técnicas baseadas em redes neuronais para o desenvolvimento de um sistema de detecção e isolamento de falhas no canal de rega, sem ter em conta o tipo de sistema de controlo utilizado. As redes neuronais foram, assim, os processadores não lineares utilizados e mais aconselhados em situações onde exista uma abundância de dados do processo, porque aprendem por exemplos e são suportadas por teorias estatísticas e de optimização, focando não somente o processamento de sinais, como também expandindo os horizontes desse processamento. A ênfase dos modelos das redes neuronais está na sua dinâmica, na sua estabilidade e no seu comportamento. Portanto, o trabalho de investigação do qual resultou esta Dissertação teve como principais objectivos o desenvolvimento de modelos de redes neuronais que representassem da melhor forma a dinâmica do canal de rega, de modo a obter um sistema de detecção de falhas que faça uma comparação entre os valores obtidos nos modelos e no processo. Com esta diferença de valores, da qual resultará um resíduo, é possível desenvolver tanto o sistema de detecção como de isolamento de falhas baseados nas redes neuronais, possibilitando assim o desenvolvimento dum sistema de controlo tolerante a falhas, que engloba os módulos de detecção, de isolamento/diagnóstico e de reconfiguração do canal de rega. Em síntese, na Dissertação realizada desenvolveu-se um sistema que permite reconfigurar o processo em caso de ocorrência de falhas, melhorando significativamente o desempenho do canal de rega.