A musculoskeletal shoulder model based on pseudo-inverse and null-space optimization.

The goal of the present work was assess the feasibility of using a pseudo-inverse and null-space optimization approach in the modeling of the shoulder biomechanics. The method was applied to a simplified musculoskeletal shoulder model. The mechanical system consisted in the arm, and the external forces were the arm weight, 6 scapulo-humeral muscles and the reaction at the glenohumeral joint, which was considered as a spherical joint. The muscle wrapping was considered around the humeral head assumed spherical. The dynamical equations were solved in a Lagrangian approach. The mathematical redundancy of the mechanical system was solved in two steps: a pseudo-inverse optimization to minimize the square of the muscle stress and a null-space optimization to restrict the muscle force to physiological limits. Several movements were simulated. The mathematical and numerical aspects of the constrained redundancy problem were efficiently solved by the proposed method. The prediction of muscle moment arms was consistent with cadaveric measurements and the joint reaction force was consistent with in vivo measurements. This preliminary work demonstrated that the developed algorithm has a great potential for more complex musculoskeletal modeling of the shoulder joint. In particular it could be further applied to a non-spherical joint model, allowing for the natural translation of the humeral head in the glenoid fossa.

Contributions des voies vestibulospinale et corticospinale au contrôle des mouvements du bras

Le contrôle des mouvements du bras fait intervenir plusieurs voies provenant du cerveau. Cette thèse, composée principalement de deux études, tente d’éclaircir les contributions des voies tirant leur origine du système vestibulaire et du cortex moteur. Dans la première étude (Raptis et al 2007), impliquant des mouvements d’atteinte, nous avons cerné l’importance des voies descendantes partant du système vestibulaire pour l’équivalence motrice, i.e. la capacité du système moteur à atteindre un but moteur donné lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. L’hypothèse émise était que le système vestibulaire joue un rôle essentiel dans l’équivalence motrice. Nous avons comparé la capacité d’équivalence motrice de sujets sains et de patients vestibulodéficients chroniques lors de mouvements nécessitant un contrôle des positions du bras et du tronc. Pendant que leur vision était temporairement bloquée, les sujets devaient soit maintenir une position de l’index pendant une flexion du tronc, soit atteindre une cible dans l’espace péri-personnel en combinant le mouvement du bras avec une flexion du tronc. Lors d’essais déterminés aléatoirement et imprévus par les participants, leur tronc était retenu par un mécanisme électromagnétique s’activant en même temps que le signal de départ. Les sujets sains ont pu préserver la position ou la trajectoire de l’index dans les deux conditions du tronc (libre, bloqué) en adaptant avec une courte latence (60-180 ms) les mouvements articulaires au niveau du coude et de l’épaule. En comparaison, six des sept patients vestibulodéficients chroniques ont présenté des déficits au plan des adaptations angulaires compensatoires. Pour ces patients, entre 30 % et 100 % du mouvement du tronc n’a pas été compensé et a été transmis à la position ou trajectoire de l’index. Ces résultats indiqueraient que les influences vestibulaires évoquées par le mouvement de la tête pendant la flexion du tronc jouent un rôle majeur pour garantir l’équivalence motrice dans ces tâches d’atteinte lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. Également, ils démontrent que la plasticité de long terme survenant spontanément après une lésion vestibulaire unilatérale complète ne serait pas suffisante pour permettre au SNC de retrouver un niveau d’équivalence motrice normal dans les actions combinant un déplacement du bras et du tronc. Ces tâches de coordination bras-tronc constituent ainsi une approche inédite et sensible pour l’évaluation clinique des déficits vestibulaires. Elles permettent de sonder une dimension fonctionnelle des influences vestibulaires qui n’était pas prise en compte dans les tests cliniques usuels, dont la sensibilité relativement limitée empêche souvent la détection d’insuffisances vestibulaires six mois après une lésion de ces voies. Avec cette première étude, nous avons donc exploré comment le cerveau et les voies descendantes intègrent des degrés de liberté articulaires supplémentaires dans le contrôle du bras. Dans la seconde étude (Raptis et al 2010), notre but était de clarifier la nature des variables spécifiées par les voies descendantes pour le contrôle d’actions motrices réalisées avec ce membre. Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle les voies corticospinales contrôlent la position et les mouvements des bras en modulant la position-seuil (position de référence à partir de laquelle les muscles commencent à être activés en réponse à une déviation de cette référence). Selon ce principe, les voies corticospinales ne spécifieraient pas directement les patrons d’activité EMG, ce qui se refléterait par une dissociation entre l’EMG et l’excitabilité corticospinale pour des positions-seuils différentes. Dans un manipulandum, des participants (n=16) ont modifié leur angle du poignet, d’une position de flexion (45°) à une position d’extension (-25°), et vice-versa. Les forces élastiques passives des muscles ont été compensées avec un moteur couple afin que les sujets puissent égaliser leur activité EMG de base dans les deux positions. L’excitabilité motoneuronale dans ces positions a été comparée à travers l’analyse des réponses EMG évoquées à la suite d’étirements brefs. Dans les deux positions, le niveau d’EMG et l’excitabilité motoneuronale étaient semblables. De plus, ces tests ont permis de montrer que le repositionnement du poignet était associé à une translation de la position-seuil. Par contre, malgré la similitude de l’excitabilité motoneuronale dans ces positions, l’excitabilité corticospinale des muscles du poignet était significativement différente : les impulsions de stimulation magnétique transcrânienne (TMS; à 1.2 MT, sur l’aire du poignet de M1) ont provoqué des potentiels moteurs évoqués (MEP) de plus grande amplitude en flexion pour les fléchisseurs comparativement à la position d’extension et vice-versa pour les extenseurs (p<0.005 pour le groupe). Lorsque les mêmes positions étaient établies après une relaxation profonde, les réponses réflexes et les amplitudes des MEPs ont drastiquement diminué. La relation caractéristique observée entre position physique et amplitude des MEPs dans le positionnement actif s’est aussi estompée lorsque les muscles étaient relâchés. Cette étude suggère que la voie corticospinale, en association avec les autres voies descendantes, participerait au contrôle de la position-seuil, un processus qui prédéterminerait le référentiel spatial dans lequel l’activité EMG émerge. Ce contrôle de la « référence » constituerait un principe commun s’appliquant à la fois au contrôle de la force musculaire, de la position, du mouvement et de la relaxation. Nous avons aussi mis en évidence qu’il est nécessaire, dans les prochaines recherches ou applications utilisant la TMS, de prendre en compte la configuration-seuil des articulations, afin de bien interpréter les réponses musculaires (ou leurs changements) évoquées par cette technique; en effet, la configuration-seuil influencerait de manière notable l’excitabilité corticomotrice, qui peut être considérée comme un indicateur non seulement lors d’activités musculaires, mais aussi cognitives, après apprentissages moteurs ou lésions neurologiques causant des déficits moteurs (ex. spasticité, faiblesse). Considérées dans leur ensemble, ces deux études apportent un éclairage inédit sur des principes fondamentaux du contrôle moteur : nous y illustrons de manière plus large le rôle du système vestibulaire dans les tâches d’atteinte exigeant une coordination entre le bras et son « support » (le tronc) et clarifions l’implication des voies corticomotrices dans la spécification de paramètres élémentaires du contrôle moteur du bras. De plus amples recherches sont cependant nécessaires afin de mieux comprendre comment les systèmes sensoriels et descendants (e.g. vestibulo-, réticulo-, rubro-, propriospinal) participent et interagissent avec les signaux corticofugaux afin de spécifier les seuils neuromusculaires dans le contrôle de la posture et du mouvement.

Optimization, high availability and redundancy in information communications and technology using networks and systems virtualization architectures

Mestrado em Engenharia Informática

The continuous wavelet transform as a maximum entropy solution of the corresponding inverse problem

The continuous wavelet transform is obtained as a maximumentropy solution of the corresponding inverse problem. It is well knownthat although a signal can be reconstructed from its wavelet transform,the expansion is not unique due to the redundancy of continuous wavelets.Hence, the inverse problem has no unique solution. If we want to recognizeone solution as "optimal", then an appropriate decision criterion hasto be adopted. We show here that the continuous wavelet transform is an"optimal" solution in a maximum entropy sense.

Redundancy gain : manifestations, causes and predictions

Les temps de réponse dans une tache de reconnaissance d’objets visuels diminuent de façon significative lorsque les cibles peuvent être distinguées à partir de deux attributs redondants. Le gain de redondance pour deux attributs est un résultat commun dans la littérature, mais un gain causé par trois attributs redondants n’a été observé que lorsque ces trois attributs venaient de trois modalités différentes (tactile, auditive et visuelle). La présente étude démontre que le gain de redondance pour trois attributs de la même modalité est effectivement possible. Elle inclut aussi une investigation plus détaillée des caractéristiques du gain de redondance. Celles-ci incluent, outre la diminution des temps de réponse, une diminution des temps de réponses minimaux particulièrement et une augmentation de la symétrie de la distribution des temps de réponse. Cette étude présente des indices que ni les modèles de course, ni les modèles de coactivation ne sont en mesure d’expliquer l’ensemble des caractéristiques du gain de redondance. Dans ce contexte, nous introduisons une nouvelle méthode pour évaluer le triple gain de redondance basée sur la performance des cibles doublement redondantes. Le modèle de cascade est présenté afin d’expliquer les résultats de cette étude. Ce modèle comporte plusieurs voies de traitement qui sont déclenchées par une cascade d’activations avant de satisfaire un seul critère de décision. Il offre une approche homogène aux recherches antérieures sur le gain de redondance. L’analyse des caractéristiques des distributions de temps de réponse, soit leur moyenne, leur symétrie, leur décalage ou leur étendue, est un outil essentiel pour cette étude. Il était important de trouver un test statistique capable de refléter les différences au niveau de toutes ces caractéristiques. Nous abordons la problématique d’analyser les temps de réponse sans perte d’information, ainsi que l’insuffisance des méthodes d’analyse communes dans ce contexte, comme grouper les temps de réponses de plusieurs participants (e. g. Vincentizing). Les tests de distributions, le plus connu étant le test de Kolmogorov- Smirnoff, constituent une meilleure alternative pour comparer des distributions, celles des temps de réponse en particulier. Un test encore inconnu en psychologie est introduit : le test d’Anderson-Darling à deux échantillons. Les deux tests sont comparés, et puis nous présentons des indices concluants démontrant la puissance du test d’Anderson-Darling : en comparant des distributions qui varient seulement au niveau de (1) leur décalage, (2) leur étendue, (3) leur symétrie, ou (4) leurs extrémités, nous pouvons affirmer que le test d’Anderson-Darling reconnait mieux les différences. De plus, le test d’Anderson-Darling a un taux d’erreur de type I qui correspond exactement à l’alpha tandis que le test de Kolmogorov-Smirnoff est trop conservateur. En conséquence, le test d’Anderson-Darling nécessite moins de données pour atteindre une puissance statistique suffisante.

Analysis and Control of Robot Manipulators with Kinematic Redundancy

A closed-form solution formula for the kinematic control of manipulators with redundancy is derived, using the Lagrangian multiplier method. Differential relationship equivalent to the Resolved Motion Method has been also derived. The proposed method is proved to provide with the exact equilibrium state for the Resolved Motion Method. This exactness in the proposed method fixes the repeatability problem in the Resolved Motion Method, and establishes a fixed transformation from workspace to the joint space. Also the method, owing to the exactness, is demonstrated to give more accurate trajectories than the Resolved Motion Method. In addition, a new performance measure for redundancy control has been developed. This measure, if used with kinematic control methods, helps achieve dexterous movements including singularity avoidance. Compared to other measures such as the manipulability measure and the condition number, this measure tends to give superior performances in terms of preserving the repeatability property and providing with smoother joint velocity trajectories. Using the fixed transformation property, Taylor's Bounded Deviation Paths Algorithm has been extended to the redundant manipulators.

Biased Random-key Genetic Algorithms For The Winner Determination Problem In Combinatorial Auctions.

Abstract In this paper, we address the problem of picking a subset of bids in a general combinatorial auction so as to maximize the overall profit using the first-price model. This winner determination problem assumes that a single bidding round is held to determine both the winners and prices to be paid. We introduce six variants of biased random-key genetic algorithms for this problem. Three of them use a novel initialization technique that makes use of solutions of intermediate linear programming relaxations of an exact mixed integer-linear programming model as initial chromosomes of the population. An experimental evaluation compares the effectiveness of the proposed algorithms with the standard mixed linear integer programming formulation, a specialized exact algorithm, and the best-performing heuristics proposed for this problem. The proposed algorithms are competitive and offer strong results, mainly for large-scale auctions.

Ecological Literacy And Beyond: Problem-based Learning For Future Professionals.

Ecological science contributes to solving a broad range of environmental problems. However, lack of ecological literacy in practice often limits application of this knowledge. In this paper, we highlight a critical but often overlooked demand on ecological literacy: to enable professionals of various careers to apply scientific knowledge when faced with environmental problems. Current university courses on ecology often fail to persuade students that ecological science provides important tools for environmental problem solving. We propose problem-based learning to improve the understanding of ecological science and its usefulness for real-world environmental issues that professionals in careers as diverse as engineering, public health, architecture, social sciences, or management will address. Courses should set clear learning objectives for cognitive skills they expect students to acquire. Thus, professionals in different fields will be enabled to improve environmental decision-making processes and to participate effectively in multidisciplinary work groups charged with tackling environmental issues.

The impact of spatial data redundancy on SOLAP query performance

Geographic Data Warehouses (GDW) are one of the main technologies used in decision-making processes and spatial analysis, and the literature proposes several conceptual and logical data models for GDW. However, little effort has been focused on studying how spatial data redundancy affects SOLAP (Spatial On-Line Analytical Processing) query performance over GDW. In this paper, we investigate this issue. Firstly, we compare redundant and non-redundant GDW schemas and conclude that redundancy is related to high performance losses. We also analyze the issue of indexing, aiming at improving SOLAP query performance on a redundant GDW. Comparisons of the SB-index approach, the star-join aided by R-tree and the star-join aided by GiST indicate that the SB-index significantly improves the elapsed time in query processing from 25% up to 99% with regard to SOLAP queries defined over the spatial predicates of intersection, enclosure and containment and applied to roll-up and drill-down operations. We also investigate the impact of the increase in data volume on the performance. The increase did not impair the performance of the SB-index, which highly improved the elapsed time in query processing. Performance tests also show that the SB-index is far more compact than the star-join, requiring only a small fraction of at most 0.20% of the volume. Moreover, we propose a specific enhancement of the SB-index to deal with spatial data redundancy. This enhancement improved performance from 80 to 91% for redundant GDW schemas.

A hybrid heuristic for the multi-plant capacitated lot sizing problem with setup carry-over

This paper addresses the capacitated lot sizing problem (CLSP) with a single stage composed of multiple plants, items and periods with setup carry-over among the periods. The CLSP is well studied and many heuristics have been proposed to solve it. Nevertheless, few researches explored the multi-plant capacitated lot sizing problem (MPCLSP), which means that few solution methods were proposed to solve it. Furthermore, to our knowledge, no study of the MPCLSP with setup carry-over was found in the literature. This paper presents a mathematical model and a GRASP (Greedy Randomized Adaptive Search Procedure) with path relinking to the MPCLSP with setup carry-over. This solution method is an extension and adaptation of a previously adopted methodology without the setup carry-over. Computational tests showed that the improvement of the setup carry-over is significant in terms of the solution value with a low increase in computational time.

Work disability remains a major problem in rheumatoid arthritis in the 2000s: data from 32 countries in the QUEST-RA Study

Introduction: Work disability is a major consequence of rheumatoid arthritis (RA), associated not only with traditional disease activity variables, but also more significantly with demographic, functional, occupational, and societal variables. Recent reports suggest that the use of biologic agents offers potential for reduced work disability rates, but the conclusions are based on surrogate disease activity measures derived from studies primarily from Western countries. Methods: The Quantitative Standard Monitoring of Patients with RA (QUEST-RA) multinational database of 8,039 patients in 86 sites in 32 countries, 16 with high gross domestic product (GDP) (>24K US dollars (USD) per capita) and 16 low-GDP countries (<11K USD), was analyzed for work and disability status at onset and over the course of RA and clinical status of patients who continued working or had stopped working in high-GDP versus low-GDP countries according to all RA Core Data Set measures. Associations of work disability status with RA Core Data Set variables and indices were analyzed using descriptive statistics and regression analyses. Results: At the time of first symptoms, 86% of men (range 57%-100% among countries) and 64% (19%-87%) of women <65 years were working. More than one third (37%) of these patients reported subsequent work disability because of RA. Among 1,756 patients whose symptoms had begun during the 2000s, the probabilities of continuing to work were 80% (95% confidence interval (CI) 78%-82%) at 2 years and 68% (95% CI 65%-71%) at 5 years, with similar patterns in high-GDP and low-GDP countries. Patients who continued working versus stopped working had significantly better clinical status for all clinical status measures and patient self-report scores, with similar patterns in high-GDP and low-GDP countries. However, patients who had stopped working in high-GDP countries had better clinical status than patients who continued working in low-GDP countries. The most significant identifier of work disability in all subgroups was Health Assessment Questionnaire (HAQ) functional disability score. Conclusions: Work disability rates remain high among people with RA during this millennium. In low-GDP countries, people remain working with high levels of disability and disease activity. Cultural and economic differences between societies affect work disability as an outcome measure for RA.

An analytical approach to the dwarf galaxies cusp problem

Aims. An analytical solution for the discrepancy between observed core-like profiles and predicted cusp profiles in dark matter halos is studied. Methods. We calculate the distribution function for Navarro-Frenk-White halos and extract energy from the distribution, taking into account the effects of baryonic physics processes. Results. We show with a simple argument that we can reproduce the evolution of a cusp to a flat density profile by a decrease of the initial potential energy.

Magnetoconfined levels in a parabolic quantum dot: An analytical solution of a three-dimensional Fock-Darwin problem in a tilted magnetic field

The energy spectrum of an electron confined in a quantum dot (QD) with a three-dimensional anisotropic parabolic potential in a tilted magnetic field was found analytically. The theory describes exactly the mixing of in-plane and out-of-plane motions of an electron caused by a tilted magnetic field, which could be seen, for example, in the level anticrossing. For charged QDs in a tilted magnetic field we predict three strong resonant lines in the far-infrared-absorption spectra.

TESTING STATISTICAL HYPOTHESIS ON RANDOM TREES AND APPLICATIONS TO THE PROTEIN CLASSIFICATION PROBLEM

Efficient automatic protein classification is of central importance in genomic annotation. As an independent way to check the reliability of the classification, we propose a statistical approach to test if two sets of protein domain sequences coming from two families of the Pfam database are significantly different. We model protein sequences as realizations of Variable Length Markov Chains (VLMC) and we use the context trees as a signature of each protein family. Our approach is based on a Kolmogorov-Smirnov-type goodness-of-fit test proposed by Balding et at. [Limit theorems for sequences of random trees (2008), DOI: 10.1007/s11749-008-0092-z]. The test statistic is a supremum over the space of trees of a function of the two samples; its computation grows, in principle, exponentially fast with the maximal number of nodes of the potential trees. We show how to transform this problem into a max-flow over a related graph which can be solved using a Ford-Fulkerson algorithm in polynomial time on that number. We apply the test to 10 randomly chosen protein domain families from the seed of Pfam-A database (high quality, manually curated families). The test shows that the distributions of context trees coming from different families are significantly different. We emphasize that this is a novel mathematical approach to validate the automatic clustering of sequences in any context. We also study the performance of the test via simulations on Galton-Watson related processes.

ON THE THREE-DIMENSIONAL BLASCHKE-LEBESGUE PROBLEM

The width of a closed convex subset of n-dimensional Euclidean space is the distance between two parallel supporting hyperplanes. The Blaschke-Lebesgue problem consists of minimizing the volume in the class of convex sets of fixed constant width and is still open in dimension n >= 3. In this paper we describe a necessary condition that the minimizer of the Blaschke-Lebesgue must satisfy in dimension n = 3: we prove that the smooth components of the boundary of the minimizer have their smaller principal curvature constant and therefore are either spherical caps or pieces of tubes (canal surfaces).