Nonlinear control in an electromechanical transducer with chaotic behaviour

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

TACTILE CARTOGRAPHY EXPERIENCES IN BRAZIL: METHODOLOGIES AND DIDACTICAL MATERIAL WITH TECHNOLOGICAL RESOURCES FOR INCLUSION OF BLIND AND LOW VISION STUDENTS

The tactile cartography is an area of Cartography that aims the development of methodologies and didactical material to work cartographic concepts with blind and low vision people. The main aim of this article is to present the experience of Tactile Cartography Research Group from Sao Paulo State University (UNESP), including some didactical material and courses for teachers using the System MAPAVOX. The System MAPAVOX is software developed by our research group in a partnership with Federal University of Rio de Janeiro (UFRJ) that integrates maps and models with a voice synthesizer, sound emission, texts, images and video visualizing for computers. Our research methodology is based in authors that have in the students the centre of didactical activity such as Ochaita and Espinosa in [1], which developed studies related to blind children's literacy. According to Almeida the child's drawing is, thus, a system of representation. It isn't a copy of objects, but interpretation of that which is real, done by the child in graphic language[2]. In the proposed activities with blind and low vision students they are prepared to interpret reality and represent it by adopting concepts of graphic language learned. To start the cartographic initialization it is necessary to use personal and quotidian references, for example the classroom tactile model or map, to include concepts in generalization and scale concerning to their space of life. During these years many case studies were developed with blind and low vision students from Special School for Hearing Impaired and Visually Impaired in Araras and Rio Claro, Sao Paulo - Brazil. The most part of these experiences and others from Brazil and Chile are presented in [3]. Tactile material and MAPAVOX facilities are analysed by students and teachers who contribute with suggestions to reformulate and adapt them to their sensibility and necessity. Since 2005 we offer courses in Tactile Cartography to prepare teachers from elementary school in the manipulation of didactical material and attending students with special educational needs in regular classroom. There were 6 classroom and blended courses offered for 184 teachers from public schools in this region of the Sao Paulo state. As conclusion we can observe that methodological procedures centred in the blind and low vision students are successful in their spatial orientation if use didactical material from places or objects with which they have significant experience. During the applying of courses for teachers we could see that interdisciplinary groups can find creative cartographic alternatives more easily. We observed too that the best results in methodological procedures were those who provided concreteness to abstract concepts using daily experiences.

An analog implementation of radial basis function network appropriate for transducer linearizer

A circuit for transducer linearizer tasks have been designed and built using discrete components and it implements by: a Radial Basis Function Network (RBFN) with three basis functions. The application in a linearized thermistor showed that the network has good approximation capabilities. The circuit advantages is the amplitude, width and center.

A variable reactant transducer to study the oscillations of a pendulum and the value of local gravity

[EN]We describe a method for studying the classicalexperiment of the simple pendulum, consisting of a body of magnetic material oscillating through a thin conducting coil (magnetic pendulum), which according to Faraday’s law of induction generates a fluctuating current in the coil that can be transferred into a periodic signal in an oscilloscope. The set up described here allows to study the motion of the pendulum beyond what is normally considered in more basic settings, including a detailed analysis of both small and large oscillations, and the determination of the value of the acceleration of gravity.

Tactile perception - Perception of tactile distance changes with body site: a neural network modelling study.

La distorsione della percezione della distanza tra due stimoli puntuali applicati sulla superfice della pelle di diverse regioni corporee è conosciuta come Illusione di Weber. Questa illusione è stata osservata, e verificata, in molti esperimenti in cui ai soggetti era chiesto di giudicare la distanza tra due stimoli applicati sulla superficie della pelle di differenti parti corporee. Da tali esperimenti si è dedotto che una stessa distanza tra gli stimoli è giudicata differentemente per diverse regioni corporee. Il concetto secondo cui la distanza sulla pelle è spesso percepita in maniera alterata è ampiamente condiviso, ma i meccanismi neurali che manovrano questa illusione sono, allo stesso tempo, ancora ampiamente sconosciuti. In particolare, non è ancora chiaro come sia interpretata la distanza tra due stimoli puntuali simultanei, e quali aree celebrali siano coinvolte in questa elaborazione. L’illusione di Weber può essere spiegata, in parte, considerando la differenza in termini di densità meccano-recettoriale delle differenti regioni corporee, e l’immagine distorta del nostro corpo che risiede nella Corteccia Primaria Somato-Sensoriale (homunculus). Tuttavia, questi meccanismi sembrano non sufficienti a spiegare il fenomeno osservato: infatti, secondo i risultati derivanti da 100 anni di sperimentazioni, le distorsioni effettive nel giudizio delle distanze sono molto più piccole rispetto alle distorsioni che la Corteccia Primaria suggerisce. In altre parole, l’illusione osservata negli esperimenti tattili è molto più piccola rispetto all’effetto prodotto dalla differente densità recettoriale che affligge le diverse parti del corpo, o dall’estensione corticale. Ciò, ha portato a ipotizzare che la percezione della distanza tattile richieda la presenza di un’ulteriore area celebrale, e di ulteriori meccanismi che operino allo scopo di ridimensionare – almeno parzialmente – le informazioni derivanti dalla corteccia primaria, in modo da mantenere una certa costanza nella percezione della distanza tattile lungo la superfice corporea. E’ stata così proposta la presenza di una sorta di “processo di ridimensionamento”, chiamato “Rescaling Process” che opera per ridurre questa illusione verso una percezione più verosimile. Il verificarsi di questo processo è sostenuto da molti ricercatori in ambito neuro scientifico; in particolare, dal Dr. Matthew Longo, neuro scienziato del Department of Psychological Sciences (Birkbeck University of London), le cui ricerche sulla percezione della distanza tattile e sulla rappresentazione corporea sembrano confermare questa ipotesi. Tuttavia, i meccanismi neurali, e i circuiti che stanno alla base di questo potenziale “Rescaling Process” sono ancora ampiamente sconosciuti. Lo scopo di questa tesi è stato quello di chiarire la possibile organizzazione della rete, e i meccanismi neurali che scatenano l’illusione di Weber e il “Rescaling Process”, usando un modello di rete neurale. La maggior parte del lavoro è stata svolta nel Dipartimento di Scienze Psicologiche della Birkbeck University of London, sotto la supervisione del Dott. M. Longo, il quale ha contribuito principalmente all’interpretazione dei risultati del modello, dando suggerimenti sull’elaborazione dei risultati in modo da ottenere un’informazione più chiara; inoltre egli ha fornito utili direttive per la validazione dei risultati durante l’implementazione di test statistici. Per replicare l’illusione di Weber ed il “Rescaling Proess”, la rete neurale è stata organizzata con due strati principali di neuroni corrispondenti a due differenti aree funzionali corticali: • Primo strato di neuroni (il quale dà il via ad una prima elaborazione degli stimoli esterni): questo strato può essere pensato come parte della Corteccia Primaria Somato-Sensoriale affetta da Magnificazione Corticale (homunculus). • Secondo strato di neuroni (successiva elaborazione delle informazioni provenienti dal primo strato): questo strato può rappresentare un’Area Corticale più elevata coinvolta nell’implementazione del “Rescaling Process”. Le reti neurali sono state costruite includendo connessioni sinaptiche all’interno di ogni strato (Sinapsi Laterali), e connessioni sinaptiche tra i due strati neurali (Sinapsi Feed-Forward), assumendo inoltre che l’attività di ogni neurone dipenda dal suo input attraverso una relazione sigmoidale statica, cosi come da una dinamica del primo ordine. In particolare, usando la struttura appena descritta, sono state implementate due differenti reti neurali, per due differenti regioni corporee (per esempio, Mano e Braccio), caratterizzate da differente risoluzione tattile e differente Magnificazione Corticale, in modo da replicare l’Illusione di Weber ed il “Rescaling Process”. Questi modelli possono aiutare a comprendere il meccanismo dell’illusione di Weber e dare così una possibile spiegazione al “Rescaling Process”. Inoltre, le reti neurali implementate forniscono un valido contributo per la comprensione della strategia adottata dal cervello nell’interpretazione della distanza sulla superficie della pelle. Oltre allo scopo di comprensione, tali modelli potrebbero essere impiegati altresì per formulare predizioni che potranno poi essere verificate in seguito, in vivo, su soggetti reali attraverso esperimenti di percezione tattile. E’ importante sottolineare che i modelli implementati sono da considerarsi prettamente come modelli funzionali e non intendono replicare dettagli fisiologici ed anatomici. I principali risultati ottenuti tramite questi modelli sono la riproduzione del fenomeno della “Weber’s Illusion” per due differenti regioni corporee, Mano e Braccio, come riportato nei tanti articoli riguardanti le illusioni tattili (per esempio “The perception of distance and location for dual tactile pressures” di Barry G. Green). L’illusione di Weber è stata registrata attraverso l’output delle reti neurali, e poi rappresentata graficamente, cercando di spiegare le ragioni di tali risultati.

Tactile Perception - Perception of tactile distance on a single skin surface changes with stimulus orientation: a neuronal network modelling study

L’interazione che abbiamo con l’ambiente che ci circonda dipende sia da diverse tipologie di stimoli esterni che percepiamo (tattili, visivi, acustici, ecc.) sia dalla loro elaborazione per opera del nostro sistema nervoso. A volte però, l’integrazione e l’elaborazione di tali input possono causare effetti d’illusione. Ciò si presenta, ad esempio, nella percezione tattile. Infatti, la percezione di distanze tattili varia al variare della regione corporea considerata. Il concetto che distanze sulla cute siano frequentemente erroneamente percepite, è stato scoperto circa un secolo fa da Weber. In particolare, una determinata distanza fisica, è percepita maggiore su parti del corpo che presentano una più alta densità di meccanocettori rispetto a distanze applicate su parti del corpo con inferiore densità. Oltre a questa illusione, un importante fenomeno osservato in vivo è rappresentato dal fatto che la percezione della distanza tattile dipende dall’orientazione degli stimoli applicati sulla cute. In sostanza, la distanza percepita su una regione cutanea varia al variare dell’orientazione degli stimoli applicati. Recentemente, Longo e Haggard (Longo & Haggard, J.Exp.Psychol. Hum Percept Perform 37: 720-726, 2011), allo scopo di investigare come sia rappresentato il nostro corpo all’interno del nostro cervello, hanno messo a confronto distanze tattili a diverse orientazioni sulla mano deducendo che la distanza fra due stimoli puntuali è percepita maggiore se applicata trasversalmente sulla mano anziché longitudinalmente. Tale illusione è nota con il nome di Illusione Tattile Orientazione-Dipendente e diversi risultati riportati in letteratura dimostrano che tale illusione dipende dalla distanza che intercorre fra i due stimoli puntuali sulla cute. Infatti, Green riporta in un suo articolo (Green, Percpept Pshycophys 31, 315-323, 1982) il fatto che maggiore sia la distanza applicata e maggiore risulterà l’effetto illusivo che si presenta. L’illusione di Weber e l’illusione tattile orientazione-dipendente sono spiegate in letteratura considerando differenze riguardanti la densità di recettori, gli effetti di magnificazione corticale a livello della corteccia primaria somatosensoriale (regioni della corteccia somatosensoriale, di dimensioni differenti, sono adibite a diverse regioni corporee) e differenze nella dimensione e forma dei campi recettivi. Tuttavia tali effetti di illusione risultano molto meno rilevanti rispetto a quelli che ci si aspetta semplicemente considerando i meccanismi fisiologici, elencati in precedenza, che li causano. Ciò suggerisce che l’informazione tattile elaborata a livello della corteccia primaria somatosensoriale, riceva successivi step di elaborazione in aree corticali di più alto livello. Esse agiscono allo scopo di ridurre il divario fra distanza percepita trasversalmente e distanza percepita longitudinalmente, rendendole più simili tra loro. Tale processo assume il nome di “Rescaling Process”. I meccanismi neurali che operano nel cervello allo scopo di garantire Rescaling Process restano ancora largamente sconosciuti. Perciò, lo scopo del mio progetto di tesi è stato quello di realizzare un modello di rete neurale che simulasse gli aspetti riguardanti la percezione tattile, l’illusione orientazione-dipendente e il processo di rescaling avanzando possibili ipotesi circa i meccanismi neurali che concorrono alla loro realizzazione. Il modello computazionale si compone di due diversi layers neurali che processano l’informazione tattile. Uno di questi rappresenta un’area corticale di più basso livello (chiamata Area1) nella quale una prima e distorta rappresentazione tattile è realizzata. Per questo, tale layer potrebbe rappresentare un’area della corteccia primaria somatosensoriale, dove la rappresentazione della distanza tattile è significativamente distorta a causa dell’anisotropia dei campi recettivi e della magnificazione corticale. Il secondo layer (chiamato Area2) rappresenta un’area di più alto livello che riceve le informazioni tattili dal primo e ne riduce la loro distorsione mediante Rescaling Process. Questo layer potrebbe rappresentare aree corticali superiori (ad esempio la corteccia parietale o quella temporale) adibite anch’esse alla percezione di distanze tattili ed implicate nel Rescaling Process. Nel modello, i neuroni in Area1 ricevono informazioni dagli stimoli esterni (applicati sulla cute) inviando quindi informazioni ai neuroni in Area2 mediante sinapsi Feed-forward eccitatorie. Di fatto, neuroni appartenenti ad uno stesso layer comunicano fra loro attraverso sinapsi laterali aventi una forma a cappello Messicano. E’ importante affermare che la rete neurale implementata è principalmente un modello concettuale che non si preme di fornire un’accurata riproduzione delle strutture fisiologiche ed anatomiche. Per questo occorre considerare un livello astratto di implementazione senza specificare un’esatta corrispondenza tra layers nel modello e regioni anatomiche presenti nel cervello. Tuttavia, i meccanismi inclusi nel modello sono biologicamente plausibili. Dunque la rete neurale può essere utile per una migliore comprensione dei molteplici meccanismi agenti nel nostro cervello, allo scopo di elaborare diversi input tattili. Infatti, il modello è in grado di riprodurre diversi risultati riportati negli articoli di Green e Longo & Haggard.

The floating mass transducer at the round window: direct transmission or bone conduction?

The round window placement of a floating mass transducer (FMT) is a new approach for coupling an implantable hearing system to the cochlea. We evaluated the vibration transfer to the cochlear fluids of an FMT placed at the round window (rwFMT) with special attention to the role of bone conduction. A posterior tympanotomy was performed on eleven ears of seven human whole head specimens. Several rwFMT setups were examined using laser Doppler vibrometry measurements at the stapes and the promontory. In three ears, the vibrations of a bone anchored hearing aid (BAHA) and an FMT fixed to the promontory (pFMT) were compared to explore the role of bone conduction. Vibration transmission to the measuring point at the stapes was best when the rwFMT was perpendicularly placed in the round window and underlayed with connective tissue. Fixation of the rwFMT to the round window exhibited significantly lower vibration transmission. Although measurable, bone conduction from the pFMT was much lower than that of the BAHA. Our results suggest that the rwFMT does not act as a small bone anchored hearing aid, but instead, acts as a direct vibratory stimulator of the round window membrane.

Factors improving the vibration transfer of the floating mass transducer at the round window

With the placement of a floating mass transducer (FMT) at the round window, a new approach of coupling an implantable hearing system to the cochlea has been introduced. The aim of the present experimental study is to examine the influence of different ways of FMT placement at the round window on the vibration energy transfer to the cochlea.

Investigating interocclusal perception in tactile teeth sensibility using symmetric and asymmetric analysis

The purpose of this clinical trial was to determine the active tactile sensibility of natural teeth and to obtain a statistical analysis method fitting a psychometric function through the observed data points. On 68 complete dentulous test persons (34 males, 34 females, mean age 45.9 ± 16.1 years), one pair of healthy natural teeth each was tested: n = 24 anterior teeth and n = 44 posterior teeth. The computer-assisted, randomized measurement was done by having the subjects bite on thin copper foils of different thickness (5-200 µm) inserted between the teeth. The threshold of active tactile sensibility was defined by the 50% value of correct answers. Additionally, the gradient of the sensibility curve and the support area (90-10% value) as a description of the shape of the sensibility curve were calculated. For modeling the sensibility curve, symmetric and asymmetric functions were used. The mean sensibility threshold was 14.2 ± 12.1 µm. The older the subject, the higher the tactile threshold (r = 0.42, p = 0.0006). The support area was 41.8 ± 43.3 µm. The higher the 50% threshold, the smaller the gradient of the curve and the larger the support area. The curves showing the active tactile sensibility of natural teeth demonstrate a tendency towards asymmetry, so that the active tactile sensibility of natural teeth can mathematically best be described by using the asymmetric Weibull function.

Development and in-vitro characterization of an implantable flow sensing transducer for hydrocephalus

An implantable transducer for monitoring the flow of Cerebrospinal fluid (CSF) for the treatment of hydrocephalus has been developed which is based on measuring the heat dissipation of a local thermal source. The transducer uses passive telemetry at 13.56 MHz for power supply and read out of the measured flow rate. The in vitro performance of the transducer has been characterized using artificial Cerebrospinal Fluid (CSF) with increased protein concentration and artificial CSF with 10\% fresh blood. After fresh blood was added to the artificial CSF a reduction of flow rate has been observed in case that the sensitive surface of the flow sensor is close to the sedimented erythrocytes. An increase of flow rate has been observed in case that the sensitive surface is in contact with the remaining plasma/artificial CSF mix above the sediment which can be explained by an asymmetric flow profile caused by the sedimentation of erythrocythes having increased viscosity compared to artificial CSF. After removal of blood from artificial CSF, no drift could be observed in the transducer measurement which could be associated to a deposition of proteins at the sensitive surface walls of the packaged flow transducer. The flow sensor specification requirement of +-10\% for a flow range between 2 ml/h and 40 ml/h. could be confirmed at test conditions of 37 degrees C.

Osseoperception: active tactile sensibility of osseointegrated dental implants

The phenomenon of developing a certain tactile sensibility through osseointegrated dental implants is called osseoperception. Active tactile sensibility can be tested by having the subject bite on test bodies. The aim of the study was to describe the active tactile sensibility of single-tooth implants based on the 50% value and the slope of the sensibility curve at the 50% value.

Neural networks engaged in tactile object manipulation: patterns of expression among healthy individuals

Somatosensory object discrimination has been shown to involve widespread cortical and subcortical structures in both cerebral hemispheres. In this study we aimed to identify the networks involved in tactile object manipulation by principal component analysis (PCA) of individual subjects. We expected to find more than one network.

Tactile sensibility of single-tooth implants and natural teeth under local anesthesia of the natural antagonistic teeth

The term osseoperception describes the capability of developing a subtle tactile sensibility over dental implants. The present clinical study aims at clarifying the question of how far tactile sensibility is to be attributed to the periodontium of the natural opposing tooth of the implant.