Estudo do sinal eletromiográfico em exercícios isométricos em diferentes velocidades de contração

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Efeito da prática no controle de torque isométrico em crianças com transtorno de desenvolvimento de coordenação

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Análise da estabilidade do tornozelo em movimentos esportivos e o efeito da órtese semi-rígida

Pós-graduação em Desenvolvimento Humano e Tecnologias - IBRC

O controle de preensão em pinça em adultos jovens: efeito da posição do punho

The human hand is the focus of inumerous research studies. Human individuals are capable of performing manual tasks beyond the ability of any other animal. Such large motor ability is due in part to contact surface of the pulp thumb in opposition to the other fingers. Evidences in the literature show that the position of the upper limb influences the ability of hand strength and control. Specifically, the position of the wrist has great influence on the production of pinch strength. The main objective of this study was to investigate the influence of wrist position on the pinch grip with the thumb in opposition to the index finger. Participants of the present study were 21 undergraduate students, 10 men and 11 women. Participants performed a pinch grip task in three wrist positions - maximum flexion, maximum extension and neutral - on two force conditions - 20% and 40% of maximum voluntary contraction (MVC). MVC was measured in two attempts in each of the three positions of the wrist for a period of three seconds, and the trial of the best result was used as the parameter for task performance. In each trial participants maintained the force production at position for 10 seconds. All participants performed each test condition four times, and the first was used as a familiarization trial and discarded from further analysis. In all trials visual feedback online was provided. Results of both group gender showed variability was similar for force production. Men were stronger than women, but this difference was not significant and both produced on the average more strength in the neutral wrist position than in flexion or extension. In the extended position participants were significantly less variable than in the flexion and neutral positions. We obtained a significant positive correlation between weight and pinch force...(Complete abstracts click electronic access below)

Controle motor em pacientes com doença de Parkinson: terapia do espelho, foco de atenção e tarefa dupla

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Imperceptible electrical noise attenuates isometric plantar flexion force fluctuations with correlated reductions in postural sway

Optimal levels of noise stimulation have been shown to enhance the detection and transmission of neural signals thereby improving the performance of sensory and motor systems. The first series of experiments in the present study aimed to investigate whether subsensory electrical noise stimulation applied over the triceps surae (TS) in seated subjects decreases torque variability during a force-matching task of isometric plantar flexion and whether the same electrical noise stimulation decreases postural sway during quiet stance. Correlation tests were applied to investigate whether the noise-induced postural sway decrease is linearly predicted by the noise-induced torque variability decrease. A second series of experiments was conducted to investigate whether there are differences in torque variability between conditions in which the subsensory electrical noise is applied only to the TS, only to the tibialis anterior (TA) and to both TS and TA, during the force-matching task with seated subjects. Noise stimulation applied over the TS muscles caused a significant reduction in force variability during the maintained isometric force paradigm and also decreased postural oscillations during quiet stance. Moreover, there was a significant correlation between the reduction in force fluctuation and the decrease in postural sway with the electrical noise stimulation. This last result indicates that changes in plantar flexion force variability in response to a given subsensory random stimulation of the TS may provide an estimate of the variations in postural sway caused by the same subsensory stimulation of the TS. We suggest that the decreases in force variability and postural sway found here are due to stochastic resonance that causes an improved transmission of proprioceptive information. In the second series of experiments, the reduction in force variability found when noise was applied to the TA muscle alone did not reach statistical significance, suggesting that TS proprioception gives a better feedback to reduce force fluctuation in isometric plantar flexion conditions.

Reaching to a target in the 3-D space

Reaching and grasping an object is an action that can be performed in light, under visual guidance, as well as in darkness, under proprioceptive control only. Area V6A is a visuomotor area involved in the control of reaching movements. V6A, besides neurons activated by the execution of reaching movements, shows passive somatosensory and visual responses. This suggests fro V6A a multimodal capability of integrating sensory and motor-related information, We wanted to know whether this integration occurrs in reaching movements and in the present study we tested whether the visual feedback influenced the reaching activity of V6A neurons. In order to better address this question, we wanted to interpret the neural data in the light of the kinematic of reaching performance. We used an experimental paradigm that could examine V6A responses in two different visual backgrounds, light and dark. In these conditions, the monkey performed an istructed-delay reaching task moving the hand towards different target positions located in the peripersonal space. During the execution of reaching task, the visual feedback is processed in a variety of patterns of modulation, sometimes not expected. In fact, having already demonstrated in V6A reach-related discharges in absence of visual feedback, we expected two types of neural modulation: 1) the addition of light in the environment enhanced reach-related discharges recorded in the dark; 2) the light left the neural response unmodified. Unexpectedly, the results show a complex pattern of modulation that argues against a simple additive interaction between visual and motor-related signals.

Untersuchungen zur Visuomotorik des Menschen

Motorische Bewegungen werden über die visuelle Rückmeldung auf ihre Genauigkeit kontrolliert und ggf. korrigiert. Über einen technischen Eingriff, wie beispielsweise einer Prismenbrille, kann man eine Differenz zwischen optisch wahrgenommener und haptisch erlebter Umwelt erzeugen, um die Fähigkeiten des visuomotorischen Systems zu testen. In dieser Arbeit wurde eine computergestützte Methode entwickelt, eine solche visuomotorische Differenz zu simulieren. Die Versuchspersonen führen eine ballistische Bewegung mit Arm und Hand aus in der Absicht, ein vorgegebenes Ziel zu treffen. Die Trefferpunkte werden durch einen Computer mit Hilfe eines Digitalisierungstablettes aufgenommen. Die visuelle Umwelt, welche den Versuchspersonen präsentiert wird, ist auf einem Monitor dargestellt. Das Monitorabbild – ein Kreuz auf weißem Hintergrund – betrachten die Testpersonen über einen Spiegel. Dieser ist in einem entsprechenden Winkel zwischen Monitor und Digitalisierungstablett angebracht, so dass das Zielbild auf dem Digitalisierungstablett projiziert wird. Die Testpersonen nehmen das Zielkreuz auf dem Digitalisierungstablett liegend wahr. Führt die Versuchsperson eine Zielbewegung aus, können die aufgenommenen Koordinaten als Punkte auf dem Monitor dargestellt werden und die Testperson erhält über diese Punktanzeige ein visuelles Feedback ihrer Bewegung. Der Arbeitsbereich des Digitalisierungstabletts kann über den Computer eingerichtet und so motorische Verschiebungen simuliert werden. Die verschiedenartigen Möglichkeiten dieses Aufbaus wurden zum Teil in Vorversuchen getestet um Fragestellungen, Methodik und technische Einrichtungen aufeinander abzustimmen. Den Hauptversuchen galt besonderes Interesse an der zeitlichen Verzögerung des visuellen Feedbacks sowie dem intermanuellen Transfer. Hierbei ergaben sich folgende Ergebnisse: ● Die Versuchspersonen adaptieren an eine räumlich verschobene Umwelt. Der Adaptationsverlauf lässt sich mit einer Exponentialfunktion mathematisch berechnen und darstellen. ● Dieser Verlauf ist unabhängig von der Art des visuellen Feedbacks. Die Beobachtung der Handbewegung während der Adaptation zeigt die gleiche Zielabfolge wie eine einfache Punktprojektion, die den Trefferort der Bewegung darstellt. ● Der exponentielle Verlauf der Adaptationsbewegung ist unabhängig von den getesteten zeitlichen Verzögerungen des visuellen Feedbacks. ● Die Ergebnisse des Folgeeffektes zeigen, dass bei zunehmender zeitlicher Verzögerung des visuellen Feedbacks während der Adaptationsphase, die Größe des Folgeeffektwertes geringer wird, d.h. die anhaltende Anpassungsleistung an eine visuomotorische Differenz sinkt. ● Die Folgeeffekte weisen individuelle Eigenheiten auf. Die Testpersonen adaptieren verschieden stark an eine simulierte Verschiebung. Ein Vergleich mit den visuomotorischen Herausforderungen im Vorleben der Versuchspersonen ließ vermuten, dass das visuomotorische System des Menschen trainierbar ist und sich - je nach Trainingszustand – unterschiedlich an wahrgenommene Differenzen anpasst. ● Der intermanuelle Transfer konnte unter verschiedenen Bedingungen nachgewiesen werden. ● Ein deutlich stärkerer Folgeeffekt kann beobachtet werden, wenn die wahrgenommene visuomotorische Differenz zwischen Ziel und Trefferpunkt in eine Gehirnhälfte projiziert wird und der Folgeeffekt mit der Hand erfolgt, welche von dieser Hirnhemisphäre gesteuert wird. Der intermanuelle Transfer wird demnach begünstigt, wenn die visuelle Projektion der Fehlerbeobachtung in die Gehirnhälfte erfolgt, die während der Adaptationsphase motorisch passiv ist.

Kurzzeit-Orientierungsstrategien in Drosophila melanogaster

Tiere müssen Nahrung, Fortpflanzungspartner oder eine angenehme Umgebung finden und gleichzeitig eventuellen Gefahren aus dem Weg gehen. Eine effektive Orientierungsstrategie stellt für sie einen enormen Vorteil dar, vor allem wenn sie sich in einer komplexen Umwelt bewegen. Eine bisher unbekannte Art, die Orientierung zu optimieren, wird in dieser Arbeit vorgestellt. Sie analysiert, wie sich Taufliegen in einem Temperatur- Gradienten sowie in einer visuell geprägten Umwelt orientieren. Die dabei gefundene Orientierungsstrategie wird als „Memotaxis“ bezeichnet. Sie basiert auf der Integration von Informationen entlang der Wegstrecke, was dazu führt, dass die eingeschlagene Richtung proportional zum positiven Feedback immer stereotyper beibehalten wird. Obwohl die Memotaxis perfekt für die Orientierung in verrauschten Gradienten geeignet ist, wurde ihre Existenz in Situationen mit wenig Rauschen nachgewiesen. Die Strategie führt im Temperaturgradienten dazu, dass Fliegen umso weiter über ein Temperaturoptimum hinweg laufen, je weiter sie vorher darauf zuliefen. Beim Anlauf visueller Stimuli zeigen sie ein ähnliches Verhalten. Je weiter sie auf eine Landmarke zulaufen, desto länger dauert es, bis sie nach deren Verschwinden von dieser Richtung abweichen. Dies gilt auch dann, wenn man gleichzeitig mit dem Verschwinden der Landmarke der Fliege eine andere anbietet. Memotaxis sollte bei vielen Tieren eine gewichtige Rolle spielen, bei der Taufliege können durch die verfügbaren genetischen Methoden zusätzlich die dafür relevanten Gehirnzentren und die biochemischen Komponenten gefunden werden. Der Ellipsoidkörper des Zentralkomplexes ist für die Memotaxis in visuellen Umgebungen notwendig.rnDas Verhalten auf einem vertikalen Laufband wurde analysiert, vor allem im Hinblick auf die adaptive Termination dieses Verhaltens. Die Fliegen erkannten lange Zeit nicht, dass ihr Verhalten nicht zielführend ist und liefen stereotyp und ohne voranzukommen nach oben. Dieses Verhalten wird sogar noch verstärkt, wenn man das visuelle Feedback für die Bewertung ihres Verhaltens verstärkt. rn

Physiologie eines erlernten Körpermodells in Drosophila melanogaster

In der vorliegenden Dissertation wird ein Körpergrößengedächtnis untersucht. Es wird dargestellt, wie diese Information über die Reichweite der Fliege beim Lückenklettern unter kotrollierten Umweltbedingungen erworben und prozessiert wird. Zusätzlich wird geklärt, welche biochemischen Signale benötigt werden, um daraus ein lang anhalten-des Gedächtnis zu formen. Adulte Fliegen sind in der Lage, ihre Körperreichweite zu lernen. Naive Fliegen, die in der Dunkelheit gehalten wurden, versuchen erfolglos, zu breite Lücken zu überqueren, während visuell erfahrene Fliegen die Kletterversuche an ihre Körpergröße anpassen. Erfahrene kleine Fliegen scheinen Kenntnis ihres Nachteils zu haben. Sie kehren an Lückenbreiten um, welche ihre größeren Artgenos-sen durchaus noch versuchen. Die Taufliegen lernen die größenabhängige Reichweite über die visuelle Rückmeldung während des Laufens (aus Parallaxenbewegung). Da-bei reichen 15 min in strukturierter, heller Umgebung aus. Es gibt keinen festgelegten Beginn der sensiblen Phase. Nach 2 h ist das Gedächtnis jedoch konsolidiert und kann durch Stress nicht mehr zerstört oder durch sensorische Eingänge verändert werden. Dunkel aufgezogene Fliegen wurden ausgewählten Streifenmustern mit spezifischen Raumfrequenzen ausgesetzt. Nur die Insekten, welche mit einem als „optimal“ klassi-fizierten Muster visuell stimuliert wurden, sind in der Lage, die Körperreichweite einzu-schätzen, indem die durchschnittliche Schrittlänge in Verbindung mit der visuellen Wahrnehmung gebracht wird. Überraschenderweise ist es sogar mittels partieller Kompensation der Parallaxen möglich, naive Fliegen so zu trainieren, dass sie sich wie kleinere Exemplare verhalten. Da die Experimente ein Erlernen der Körperreich-weite vermuten lassen, wurden lernmutante Stämme beim Lückenüberwinden getes-tet. Sowohl die Ergebnisse von rut1- und dnc1-Mutanten, als auch das defizitäre Klet-tern von oc1-Fliegen ließ eine Beteiligung der cAMP-abhängigen Lernkaskade in der Protocerebralbrücke (PB) vermuten. Rettungsexperimente der rut1- und dnc1-Hinter-gründe kartierten das Gedächtnis in unterschiedliche Neuronengruppen der PB, wel-che auch für die visuelle Ausrichtung des Kletterns benötigt werden. Erstaunlicher-weise haben laterale lokale PB-Neurone und PFN-Neurone (Projektion von der PB über den fächerförmigen Körper zu den Noduli) verschiedene Erfordernisse für cAMP-Signale. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse darauf hin, dass hohe Mengen an cAMP/PKA-Signalen in den latero-lateralen Elementen der PB benötigt werden, wäh-rend kolumnäre PFN-Neurone geringe oder keine Mengen an cAMP/PKA erfordern. Das Körperreichweitengedächtnis ist vermutlich das am längsten andauernde Ge-dächtnis in Drosophila. Wenn es erst einmal konsolidiert ist hält es länger als drei Wo-chen.rnAußerdem kann die Fruchtliege Drosophila melanogaster trainiert werden, die kom-plexe motorische Aufgabe des Lückenkletterns zu optimieren. Die trainierten Fliegen werden erfolgreicher und schneller beim Überqueren von Lücken, welche größer sind als sie selbst. Dabei existiert eine Kurzeitkomponente (STM), die 40 min nach dem ersten Training anhält. Nach weiteren vier Trainingsdurchläufen im Abstand von 20 min wird ein Langzeitgedächtnis (LTM) zum Folgetag geformt. Analysen mit Mutati-onslinien wiesen eine Beteiligung der cAMP-abhängigen Lernkaskade an dieser Ge-dächtnisform auf. Rettungsexperimente des rut2080-Hintergrunds kartierten sowohl das STM, als auch das LTM in PFN-Neuronen. Das STM kann aber ebenso in den alpha- und beta- Loben der Pilzkörper gerettet werden.rnLetztendlich sind wildtypische Fliegen sogar in der Lage, sich an einen Verlust eines Mittelbeintarsuses und dem einhergehenden Fehlen des Adhäsionsorgans am Tarsusende anzupassen. Das Klettern wird zwar sofort schlechter, erholt sich aber bis zum Folgetag wieder auf ein normales Niveau. Dieser neue Zustand erfordert ein Ge-dächtnis für die physischen Möglichkeiten, die nur durch plastische Veränderungen im Nervensystem des Insekts erreicht werden können.

Evaluation of a portable image overlay projector for the visualisation of surgical navigation data: phantom studies

Presenting visual feedback for image-guided surgery on a monitor requires the surgeon to perform time-consuming comparisons and diversion of sight and attention away from the patient. Deficiencies in previously developed augmented reality systems for image-guided surgery have, however, prevented the general acceptance of any one technique as a viable alternative to monitor displays. This work presents an evaluation of the feasibility and versatility of a novel augmented reality approach for the visualisation of surgical planning and navigation data. The approach, which utilises a portable image overlay device, was evaluated during integration into existing surgical navigation systems and during application within simulated navigated surgery scenarios.

Automated Portal Placement for Arthroscopic Hip Surgery

Placing portal incisions during arthroscopic hip surgery presents challenges for surgeons in terms of anatomic accessibility and patient safety. Based on key anatomic landmarks and portal placement information from recent literature, suggested portal incisions were determined. Guidance in the placement of the three most common portal incision locations (anterior, anterolateral, and posterolateral) for arthroscopic surgery; in addition to visual feedback on tool trajectory to the hip joint is provided in real time by a computer aided system for hip arthroscopy. By simplifying the portal placement process, one of the most challenging aspects of arthroscopic hip surgery, an increased use of this minimally invasive technique could be possible. In addition to portal information, improvements to an existing computer aided system for arthroscopic hip surgery, including a new hip model and redesigned mechanical tracking linkage, were completed.

Influence of end-expiratory level and tidal volume on gravitational ventilation distribution during tidal breathing in healthy adults

Our understanding of regional filling of the lung and regional ventilation distribution is based on studies using stepwise inhalation of radiolabelled tracer gases, magnetic resonance imaging and positron emission tomography. We aimed to investigate whether these differences in ventilation distribution at different end-expiratory levels (EELs) and tidal volumes (V (T)s) held also true during tidal breathing. Electrical impedance tomography (EIT) measurements were performed in ten healthy adults in the right lateral position. Five different EELs with four different V (T)s at each EEL were tested in random order, resulting in 19 combinations. There were no measurements for the combination of the highest EEL/highest V (T). EEL and V (T) were controlled by visual feedback based on airflow. The fraction of ventilation directed to different slices of the lung (VENT(RL1)-VENT(RL8)) and the rate of the regional filling of each slice versus the total lung were analysed. With increasing EEL but normal tidal volume, ventilation was preferentially distributed to the dependent lung and the filling of the right and left lung was more homogeneous. With increasing V (T) and maintained normal EEL (FRC), ventilation was preferentially distributed to the dependent lung and regional filling became more inhomogeneous (p < 0.05). We could demonstrate that regional and temporal ventilation distribution during tidal breathing was highly influenced by EEL and V (T).

Dosimetric impact of geometric errors due to respiratory motion prediction on dynamic multileaf collimator-based four-dimensional radiation delivery

The synchronization of dynamic multileaf collimator (DMLC) response with respiratory motion is critical to ensure the accuracy of DMLC-based four dimensional (4D) radiation delivery. In practice, however, a finite time delay (response time) between the acquisition of tumor position and multileaf collimator response necessitates predictive models of respiratory tumor motion to synchronize radiation delivery. Predicting a complex process such as respiratory motion introduces geometric errors, which have been reported in several publications. However, the dosimetric effect of such errors on 4D radiation delivery has not yet been investigated. Thus, our aim in this work was to quantify the dosimetric effects of geometric error due to prediction under several different conditions. Conformal and intensity modulated radiation therapy (IMRT) plans for a lung patient were generated for anterior-posterior/posterior-anterior (AP/PA) beam arrangements at 6 and 18 MV energies to provide planned dose distributions. Respiratory motion data was obtained from 60 diaphragm-motion fluoroscopy recordings from five patients. A linear adaptive filter was employed to predict the tumor position. The geometric error of prediction was defined as the absolute difference between predicted and actual positions at each diaphragm position. Distributions of geometric error of prediction were obtained for all of the respiratory motion data. Planned dose distributions were then convolved with distributions for the geometric error of prediction to obtain convolved dose distributions. The dosimetric effect of such geometric errors was determined as a function of several variables: response time (0-0.6 s), beam energy (6/18 MV), treatment delivery (3D/4D), treatment type (conformal/IMRT), beam direction (AP/PA), and breathing training type (free breathing/audio instruction/visual feedback). Dose difference and distance-to-agreement analysis was employed to quantify results. Based on our data, the dosimetric impact of prediction (a) increased with response time, (b) was larger for 3D radiation therapy as compared with 4D radiation therapy, (c) was relatively insensitive to change in beam energy and beam direction, (d) was greater for IMRT distributions as compared with conformal distributions, (e) was smaller than the dosimetric impact of latency, and (f) was greatest for respiration motion with audio instructions, followed by visual feedback and free breathing. Geometric errors of prediction that occur during 4D radiation delivery introduce dosimetric errors that are dependent on several factors, such as response time, treatment-delivery type, and beam energy. Even for relatively small response times of 0.6 s into the future, dosimetric errors due to prediction could approach delivery errors when respiratory motion is not accounted for at all. To reduce the dosimetric impact, better predictive models and/or shorter response times are required.

Cardiopulmonary performance testing using a robotics-assisted tilt table: Feasibility assessment in able-bodied subjects

BACKGROUND: Robotics-assisted tilt table technology was introduced for early rehabilitation of neurological patients. It provides cyclical stepping movement and physiological loading of the legs. The aim of the present study was to assess the feasibility of this type of device for peak cardiopulmonary performance testing using able-bodied subjects. METHODS: A robotics-assisted tilt table was augmented with force sensors in the thigh cuffs and a work rate estimation algorithm. A custom visual feedback system was employed to guide the subjects' work rate and to provide real time feedback of actual work rate. Feasibility assessment focused on: (i) implementation (technical feasibility), and (ii) responsiveness (was there a measurable, high-level cardiopulmonary reaction?). For responsiveness testing, each subject carried out an incremental exercise test to the limit of functional capacity with a work rate increment of 5 W/min in female subjects and 8 W/min in males. RESULTS: 11 able-bodied subjects were included (9 male, 2 female; age 29.6 ± 7.1 years: mean ± SD). Resting oxygen uptake (O_{2}) was 4.6 ± 0.7 mL/min/kg and O_{2}peak was 32.4 ± 5.1 mL/min/kg; this mean O_{2}peak was 81.1% of the predicted peak value for cycle ergometry. Peak heart rate (HRpeak) was 177.5 ± 9.7 beats/min; all subjects reached at least 85% of their predicted HRpeak value. Respiratory exchange ratio (RER) at O_{2}peak was 1.02 ± 0.07. Peak work rate) was 61.3 ± 15.1 W. All subjects reported a Borg CR10 value for exertion and leg fatigue of 7 or more. CONCLUSIONS: The robotics-assisted tilt table is deemed feasible for peak cardiopulmonary performance testing: the approach was found to be technically implementable and substantial cardiopulmonary responses were observed. Further testing in neurologically-impaired subjects is warranted.