A incontinência urinária é considerada um problema mundial. Estima-se que ela afeta 30% da população feminina adulta, comprometendo a qualidade de vida destas mulheres. Os tratamentos conservadores de incontinência urinária, no geral, têm custo menor e não apresentam efeitos colaterais. A partir da proposta de um estudo multicêntrico, definiu-se a presente pesquisa com o objetivo de verificar a efetividade das técnicas de estimulação elétrica por neuromodulação do nervo tibial posterior e exercícios pélvicos no tratamento da hiperatividade vesical incontinência de urgência/mista. O equipamento utilizado foi desenvolvido pela equipe do Hospital de Clínicas de Porto Alegre e tem a capacidade de armazenar em memória os períodos de utilização bem como a intensidade ajustada pela paciente em ambiente domiciliar. Por meio do equipamento, estimula-se eletricamente, de forma intensiva, o nervo tibial posterior; já os exercícios pélvicos foram elaborados a fim de comparar a efetividade das técnicas. Para o ensaio clínico, foram selecionadas 26 mulheres, divididas em dois grupos que foram submetidas a um protocolo de dezesseis semanas (Grupo A: as primeiras oito semanas para a aplicação da estimulação tibial e as demais oito semanas para a realização dos exercícios da musculatura do assoalho pélvico; e Grupo B: as primeiras oito semanas para a realização dos exercícios da musculatura do assoalho pélvico e oito semanas para a estimulação tibial), em ambiente domiciliar. A cada período de oito semanas do tratamento, as voluntárias preencheram um questionário de qualidade de vida e um questionário de gravidade da incontinência urinária. Constatou-se, por meio do questionário de gravidade de incontinência urinária, uma redução das perdas urinárias, nas primeiras oito semanas do Grupo A que correspondiam ao tratamento com estimulação elétrica. 78,6% das voluntárias melhoraram, enquanto 21,4% não perceberam nenhum qualquer resultado. Nas últimas oito semanas que correspondia ao tratamento com exercícios do assoalho pélvico 78,6% não perceberam qualquer efeito e 21,4% relataram piorara nos sintomas de incontinência urinária. No Grupo B, nas primeiras oito semanas, de exercícios terapêuticos, 50% das voluntárias relataram piora nos sintomas, 33% não perceberam qualquer efeito e 16,7% melhoraram dos sintomas de incontinência urinária. Ao final das oito semanas, que correspondia ao tratamento com estimulação elétrica, 8,4% não perceberam qualquer efeito e 91,6% relataram melhora nos sintomas da incontinência urinária. Ao comparar-se as duas técnicas, verificou-se que enquanto as pacientes foram submetidas ao tratamento com estimulação elétrica, houve melhora significativa a percepção de incontinência urinária. A técnica de estimulação por neuromodulação do nervo tibial posterior com a nova instrumentação desenvolvida para uso domiciliar mostrou-se eficiente na minimização dos sintomas de incontinência urinária. / The urinary incontinence is a worldwide problem. Statistical data indicates that it affects 30% of the adult female population, compromising the quality of life of these women. Conservative treatments for urinary incontinence, in general, are cheaper and they do not cause side effects. For the proposition of a multicenter study, this research was defined aiming to investigate how effective the electric stimulation technique by using neuromodulation of the posterior tibial nerve and pelvic exercises is in the treatment of urgency/mixed bladder hyperactivity incontinence. The equipment used in the research had been developed by the biomedical engineering team of the Hospital de Clínicas at Porto Alegre. It can store in memory the period of time in which the equipment has been used as well as the stimuli intensity adjusted by the patient. By means of the equipment, we intensively stimulated electrically the patient’s posterior tibial nerve. Pelvic exercises were prescribed in order to assess the effectiveness of the neuromodulation technique. For the clinical trial, 26 women were selected and they were divided in two groups, both submitted to a sixteen weeks protocol, applied at home. During the first eight weeks, Group A was submitted to the electrical stimulation and on the remaining eight weeks, to exercises of the pelvic floor muscles. Differently, volunteers of Group B performed exercises during the first eight weeks and electrical stimulation on the last eight weeks. In each period of eight weeks of treatment, the volunteers answered the King’s Health Questionnaire and the Incontinence Severity Index Questionnaire. The analysis of the Incontinence Severity Index Questionnaire results presented a reduction in the urinary output. For Group A, in the first eight weeks (electrical stimulation), 78.6% of the volunteers reported improvement while 21.4% reported no effects. In the last eight weeks (exercises), 78.6% perceived no effects and 21.4% have the symptoms worsened. In the first eight weeks of the Group B (exercises), 50% of volunteers reported the worsening of symptoms and 33% felt no effects and 16,7% reported a reduction in the symptoms. In the last eight weeks (electrical stimulation), 8.4% perceived no effects and 91.6% reported improvements. By comparing the two techniques, we verified that while the patients were submitted to the application of electrical stimulation, there was significant improvement on the perception of urinary incontinence. The technique of stimulation by neuromodulation of posterior tibial nerve with the novel instrumentation developed for homecare was efficient and the participants of the study reported significant improvement in their condition.

INTRODUÇÃO: A neuropatia periférica induzida por quimioterapia (NPIQ) está entre os efeitos colaterais mais comuns decorrentes da quimioterapia antineoplásica e uma das principais causas da redução da dose ou interrupção do tratamento. Os sintomas mais prevalentes são a dor e a parestesia, acarretando desconfortos crônicos e perda de habilidades funcionais, interferindo negativamente na qualidade de vida dos pacientes. Estudos recentes têm avaliado o uso da Estimulação Elétrica Nervosa Transcutânea (TENS) nesta patologia, apresentando evidências positivas na redução da dor, porém seu efeito nos sintomas de parestesia e nas atividades de vida diária destes pacientes ainda não foram avaliados. OBJETIVO: Investigar os efeitos da Estimulação Elétrica Nervosa Transcutânea (TENS) nos sintomas de dor, parestesia e nas atividades de vida diária da NPIQ em indivíduos com diagnóstico de câncer de mama e colorretal, submetidos ao tratamento de quimioterapia. MÉTODOS: Trata-se de um ensaio clínico duplo-cego, controlado, randomizado e multicêntrico, com abordagem quantitativa, em pacientes submetidos ao tratamento de quimioterapia, contendo em seu protocolo os seguintes quimioterápicos: paclitaxel e oxaliplatina. Os sujeitos da pesquisa utilizaram o dispositivo terapêutico TENS com modulação de frequência entre 7 e 75 Hz na região distal dos membros, no local de maior desconforto, com intervenções diárias de 60 minutos, durante três ciclos de quimioterapia (45 dias). Os participantes foram divididos em dois grupos: grupo TENS ativa (GTA) e grupo TENS placebo (GTP). A avaliação dos efeitos da TENS foi medida através dos seguintes instrumentos: a Escala Visual Analógica (EVA) para avaliar os sintomas de dor e parestesia e Questionário de Neurotoxicidade Induzida por Anti-neoplásicos (QNIA) para avaliação dos sintomas da NPIQ. RESULTADOS: Finalizaram a pesquisa 24 pacientes. Não se observou uma diferença significativa entre os 2 grupos no que se refere ao desfecho primário de redução dos sintomas de dor (p = 0.666), parestesia (p = 0,673) e impacto da TENS na frequência dos sintomas (p = 0,5906) e atividades de vida diária (p = 0,8565). CONCLUSÃO: Estes resultados sugerem que a TENS aplicada no modo de modulação de frequência não foi eficaz para melhorar os sintomas de neuropatia periférica induzida por quimioterapia, durante os ciclos de quimioterapia. Não houve, porém, agravamento dos sintomas em ciclos subsequentes ao início dos sintomas da doença / BACKGROUND: Peripheral neuropathy induced by chemotherapy (PNIC) is amongst the most common side effects derived from antineoplastic chemotherapy and one of the principal causes of dose reduction or treatment interruption. The most prevalent symptoms are pain and numbness, resulting from chronic discomfort to loss of functional abilities, negatively affecting quality of life and autonomy of patients. Recent studies have evaluated the use of Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation (TENS) in this disease, pointing to evidence of pain reduction, but its effect on symptoms of paresthesia and in daily life activities have not yet been evaluated. OBJECTIVE: To investigate the effects of Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation (TENS) for reducing the symptoms of pain, paresthesia and the daily activities of PNIC in patients diagnosed with breast cancer and colorectal cancer undergoing chemotherapy treatment. METHODS: It is a double-blind, controlled, randomized, multicenter clinical trial with a quantitative approach in a sample of 24 patients undergoing chemotherapy treatment, containing in its protocol the following chemotherapeutic agents: paclitaxel and oxaliplatin. The research subjects used the TENS therapeutic device with frequency modulation between 7 and 75 Hz in the distal limb, on the location of greatest discomfort with daily interventions lasting 60 minutes for three chemotherapy cycles (45 days). Participants were divided into two groups: active TENS group (ATG) and placebo TENS group (PTG). The assessment of the effects of TENS was measured by the following instruments: The Visual Analogue Scale (VAS) to assess the symptoms of pain and numbness and Questionnaire for Neurotoxicity Induced by Anti-neoplastic (QNIA) to assess the symptoms of PNIC. RESULTS: A 24-patient study was completed. There was no significant difference between the two groups regarding the primary endpoint of reduced pain symptoms (p = 0.666) and paresthesia (p = 0.673), neither any measurable impact of TENS in the frequency of symptoms (p = 0.5906) or activities of daily living (p = 0.8565). CONCLUSION: These results suggest that TENS applied in frequency modulation mode is not effective for ameliorating the symptoms of peripheral neuropathy induced by chemotherapy during chemotherapy cycles. There was, however, no worsening of symptoms in subsequent cycles after the onset of symptoms

The thesis deals with the effect of two methods of physical therapy on myofascial trigger point, in particular combined therapy (US + TENS) and ultra- electrostimulation. Furthermore, there is investigated whether the release of MTrP is reflected in values of pressure pain threshold in chained muscles and there is discussed the use of combined therapy as an objectification tool. The theoretical part of the thesis deals with general and latest knowledge about myofascial trigger points. There are discussed some possibilities of the therapy with emphasis on physical therapy and transcutaneous electroneurostimulation, which form the basis for combined therapy (CT) and ultra-electrostimulation. The research part evaluates the effect of combined therapy and ultra-electrostimulation on a group of 12 probands randomly divided into two subgroups. Values of pressure pain threshold sensitivity, visual analogue pain scale (VAS) and the minimum intensity of electric current necessary to induce muscle contraction (measured by combined therapy) are used for objectification. Ultra-electrostimulation has proven to be a more effective method in VAS values, but in summary, the results cannot be considered statistically significant. The effect of MTrP release (of the trapezius muscle) on the chained muscles could not...

A estimulação elétrica periférica (PES), que abrange diversas técnicas com respostas fisiológicas diversas, tem apresentado em alguns casos resultados clínicos promissores para o tratamento da dor e reabilitação clínica. No entanto, as respostas encontradas são heterogêneas, principalmente porque há uma falta de compreensão em relação ao seu mecanismo de ação. Neste estudo, buscamos avaliar os efeitos da PES através da medição da ativação cortical cerebral utilizando a espectroscopia funcional por infravermelho (fNIRS). A fNIRS é um método de imagem óptica funcional que avalia mudanças hemodinâmicas nas concentrações de hemoglobina oxigenada (HbO) e desoxigenada (HbR), relacionadas à atividade cortical. Nós hipotetizamos que a PES do nervo acessório espinal (ASN) pode promover a ativação do córtex motor (MC) e do córtex pré-frontal dorsolateral (DLPFC), relacionados ao processamento da dor. Quinze voluntários saudáveis receberam estimulação elétrica ativa e sham em um ensaio clínico randomizado cruzado. A resposta hemodinâmica à estimulação elétrica unilateral direita do nervo acessório com 10 Hz foi medida pela espectroscopia funcional por um sistema de 40 canais. A variação de HbO nas áreas corticais de interesse mostrou ativação do DLPFC direito (p=0,025) e do MOTOR esquerdo (p=0,042) no grupo ativo comparado com sham. Em relação ao DLPFC esquerdo (p=0,610) e ao MOTOR direito (p=0,154), não houve diferença estatística entre os grupos. Como na modulação top-down, a estimulação bottom-up do nervo acessório parece ativar as mesmas áreas corticais, relacionadas às dimensões sensório-discriminativas e afetivo-motivacionais da dor. Esses resultados fornecem evidência adicional para desenvolver e otimizar o uso clínico da estimulação elétrica periférica. / Peripheral electrical stimulation (PES), which encompasses several techniques with heterogeneous physiological responses, has shown in some cases remarkable outcomes for pain treatment and clinical rehabilitation. However, results are still mixed, mainly because there is a lack of understanding regarding its neural mechanisms of action. In this study, we aimed to assess its effects by measuring cortical activation as indexed by functional near infrared spectroscopy (fNIRS). fNIRS is a functional optical imaging method to evaluate hemodynamic changes in oxygenated (HbO) and de-oxygenated (HbR) blood hemoglobin concentrations in cortical capillary networks that can be related to cortical activity. We hypothesized that PES of accessory spinal nerve (ASN) can promote cortical activation of motor cortex (MC) and dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) pain processing cortical areas. Fifteen healthy volunteers received both active and sham ASN electrical stimulation in a crossover design. The hemodynamic response to unilateral right ASN burst electrical stimulation with 10 Hz was measured by a 40- channel fNIRS system. The effect of ASN electrical stimulation over HbO concentration in cortical areas of interest was observed through the activation of right- DLPFC (p=0.025) and left-MOTOR (p=0.042) in the active group but not in sham group. Regarding left-DLPFC (p=0.610) and right-MOTOR (p=0.174) there was no statistical difference between groups. As in non-invasive brain stimulation (NIBS) topdown modulation, bottom-up electrical stimulation to the accessory spinal nerve seems to activate the same critical cortical areas on pain pathways related to sensorydiscriminative and affective-motivational pain dimensions. These results provide additional mechanistic evidence to develop and optimize the effects of peripheral neural electrical stimulation.

CAPES / A insuficiência respiratória gerada pela lesão medular, em pessoas com tetraplegia e paraplegia torácica alta, tem sido uma das principais causas de morte desses indivíduos. A paralisação, total ou parcial, dos músculos abdominais e do diafragma dificulta a produção de tosse e diminui o volume corrente da ventilação. Este problema pode ser amenizado por meio do tratamento com estimulação elétrica funcional transcutânea (EEFT), na musculatura diafragmática e abdominal, sincronizada com a respiração espontânea. Poucos estudos têm sido direcionados a esta área e foi constatado que é de grande interesse científico que seja desenvolvido um sistema capaz de automaticamente sincronizar a estimulação elétrica com os eventos de inspiração (estimulação diafragmática) e expiração (estimulação abdominal). Por isso, nesta dissertação, desenvolveu-se um sistema de aquisição de sinal respiratório e detecção dos eventos de inspiração e expiração para sincronismo da EEFT durante a respiração tranquila. O sistema emprega uma cinta elástica acoplada a uma célula de carga baseada em strain gauges para a aquisição do sinal respiratório. Um algoritmo, baseado em análise estatística do sinal, foi desenvolvido para a detecção das fases de inspiração e expiração.Testes foram realizados em oito voluntários hígidos. A cinta foi posicionada na região da última costela, e sinais foram adquiridos com o auxílio de um osciloscópio digital. Um fisioterapeuta ajudou na análise dos sinais. Foi realizada a contagem de inspirações e expirações detectadas corretamente. O resultado dos testes alcançou a taxa de 82% de acerto na detecção dos eventos inspiratórios, e 96% para os eventos expiratórios. Os resultados indicam que o sistema desenvolvido é eficiente para a aquisição de sinais respiratórios e o algoritmo criado pode propiciar a sincronização da EEFT, com o paciente tratado em posição quase estática. / The respiratory failure, caused by spinal cord injury in people with high thoracic paraplegia and tetraplegia, has been the major cause of death for those individuals. The total or partial paralysis of the abdominal muscles and the diaphragm hinders the production of cough and decreases tidal volume. This problem can be alleviated by treatment with transcutaneous functional electrical stimulation (TFES), on diaphragm and abdominal muscles synchronized with the spontaneous respiration. Few studies have been conducted on this matter, and it was found that is of great scientific interest the development of a system capable of automatically triggering the electrical stimulation with inspiration (diaphragmatic stimulation) and expiration events (abdominal stimulation). Therefore, in this work, a respiratory signal acquisition system was developed for the detection of inspiration and expiration events for triggering the electrical stimulation during quiet breathing. The system employs an elastic belt attached to a load cell based on strain gauges for acquiring the respiratory signal. An algorithm based on signal statistical analysis was developed for the detection of inspiration and expiration events. Tests were carried out in eight healthy volunteers. The belt was positioned at the last rib region, and signals were obtained with the aid of a digital oscilloscope. A physical therapist helped in the analysis of the signals by counting the inspiratory and expiratory events. The results reached the accuracy of 82% in the detection of inspiratory events, and 96% for expiratory events. The results indicate that the developed system is effective for the acquisition of respiratory signals and the created algorithm can provide synchronization of TFES with the patient in quasi-static situation during treatment.

CNPq / Introdução: As pessoas com lesão medular (LM) podem ter seus músculos paralisados ativados por meio da estimulação elétrica funcional (FES) sobre vias neurais presentes próximas à pele. Estas estimulações elétricas são importantes para a recuperação do trofismo neuromuscular ou durante o controle de movimento por próteses neurais. No entanto, ao longo da aplicação da FES, a fadiga ocorre, diminuindo a eficiência da contração, principalmente devido à hipotrofia neuromuscular presente nessa população. A aquisição da vibração das fibras musculares como indicador de fadiga é registrada por meio da técnica de mecanomiografia (MMG), que não sofre interferências elétricas decorrentes da aplicação da FES. Objetivo: Caracterizar a vibração do músculo reto femoral durante protocolo de fadiga neuromuscular eletricamente evocada em pessoas com lesão medular completa. Método: 24 membros (direito e esquerdo) de 15 participantes (idade: 27±5 anos) do sexo masculino (A e B na American Spinal Injury Impairment Scale) foram selecionados. Um estimulador elétrico operando como fonte de tensão, desenvolvido especialmente para pesquisa, foi configurado com: freqüência de pulso em 1 kHz (20% de ciclo de trabalho) e trem de pulsos (modulação) em 70 Hz (20% período ativo). O sinal triaxial [X (transversal), Y (longitudinal) e Z (perpendicular)] da MMG foi processado com filtro Butterworth de terceira ordem e banda passante entre 5 e 50 Hz. Previamente ao protocolo, a tensão de saída do estimulador foi incrementada (~3 V/s evitando-se a adaptação/habituação dos motoneurônios) até alcançar a extensão máxima eletricamente estimulada (EMEE) da articulação do joelho. Uma célula de carga foi usada para registrar a resposta de força, onde após a sua colocação, a intensidade da FES necessária para alcançar a EMEE foi aplicada e registrada pela célula de carga como 100% da força (F100%). Durante o protocolo de fadiga neuromuscular, a intensidade do estímulo foi incrementada durante o controle para manter a força em F100%. Quatro instantes (I - IV) foram selecionados entre F100% e a incapacidade da FES manter a resposta de força acima de 30% (F30%). O sinal foi processado nos domínios temporal (energia), espectral (frequência mediana) e wavelet (temporal-espectral com doze bandas de frequência entre 5 e 53 Hz). Os dados extraídos foram normalizados pelo instante inicial (I) gerando unidades arbitrárias (u.a.), e testados com estatística não paramétrica. Resultados: A frequência mediana não apresentou significância estatística. Em relação aos eixos de deslocamento da MMG, o eixo transversal mostrou o maior número de resultados estatisticamente significantivos. A energia da vibração das fibras musculares (domínio temporal) indicou diminuição entre os instantes I (músculo fresco) e II (pré-fadiga), como também entre os instantes I e IV (fadigado) com redução significativa. O domínio wavelet teve como foco o eixo transversal, especialmente as bandas de frequência de 13, 16, 20, 25 e 35 Hz, por terem indicado redução significativa durante a fadiga neuromuscular; principalmente, a banda de 25 Hz, que indicou redução significativa entre o instante I (valor da mediana dos dados de 0,53 u.a.) e os demais instantes [II (0,30 u.a), III (0,28 u.a.) e IV (0,24 u.a.)]. Conclusão: A fadiga neuromuscular é caracterizada pela redução da energia do sinal no eixo de deslocamento transversal (X) da vibração do músculo reto femoral, em pessoas com lesão medular completa, tanto no domínio temporal quanto principalmente no domínio wavelet, sendo a banda de frequência de 25 Hz a mais relevante, porque sua energia diminui com a ocorrência da fadiga neuromuscular. Estes achados abrem a possibilidade de aplicação em sistemas de malha fechada durante procedimentos de reabilitação física utilizando FES ou no controle de próteses neurais. / Introduction: People with spinal cord injury (SCI) may have the paralyzed muscles activated through functional electrical stimulation (FES) on neural pathways present below the skin. These electrical stimulations are important to restore the neuromuscular trophism or during the movement control using neural prostheses. However, prolonged FES application causes fatigue, which decreases the contraction strength, mainly due the neuromuscular hypotrophy in this population. The acquisition of myofibers’ vibration is recognized by mechanomyography (MMG) system and does not suffer electrical interference from the FES system. Objective: To characterize the rectus femoris muscle vibration during electrically evoked neuromuscular fatigue protocol in complete spinal cord injury subjects. Methods: As sample, 24 limbs (right and left) from 15 male participants (age: 27±5 y.o.) and ranked as A and B according to American Spinal Injury Impairment Scale) were selected. An electrical stimulator operating as voltage source, specially developed for research, was configured as: pulse frequency set to 1 kHz (20% duty cycle) and burst (modulating) frequency set to 70 Hz (20% active period). The triaxial [X (transverse), Y (longitudinal) and Z (perpendicular)] MMG signal of rectus femoris muscle was processed with a third-order 5-50 Hz bandpass Butterworth filter. A load cell was used to register the force. The stimulator output voltage was increased (~3 V/s to avoid motoneuron adaptation/habituation) until the maximal electrically-evoked extension (MEEE) of the knee joint. After the load cell placement, the stimuli magnitude required to reach MEEE was applied and registered by the load cell as muscular F100% response. Stimuli intensity was increased during the control to keep the force in F100%. Four instants (I - IV) were selected from F100% up to the inability to keep the FES response force above 30% (F30%). The signal was processed in temporal (energy), spectral (median frequency) and wavelet (temporal-spectral with twelve band frequencies between 5 and 53 Hz) domains. All data were normalized by initial instant, creating arbitrary units (a.u.), and non-parametric tests were applied. Results: The median frequency did not show statistical significance. Regarding the MMG axes, the transverse axis showed most statistical differences. The MMG energy (temporal domain) indicates the decrease between the instants I (unfatigued) and II (pre-fatigue), as well as instants I and IV (fatigued). The wavelet domain focused on the transverse axis, especially on 13, 16, 20, 25 and 35 Hz frequency bands, for having shown significant reduction proven during neuromuscular fatigue. In focus on 25 Hz band frequency that showed a constant decrease between instants I (median value from data de 0.53 a.u.) with subsequent instants [II (0.30 a.u.), III (0.28 a.u.) and IV (0.24 a.u.). Conclusion: Neuromuscular fatigue is characterized by energy decrease in MMG X-axis (transverse) signal of vibration on the rectus femoris muscle for complete spinal cord injured subjects, in the temporal domain but mainly in the wavelet domain. The 25 Hz is the most important band frequency because its energy decreases with neuromuscular fatigue. These findings open the possibility of application in closed-loop systems during physical rehabilitation procedures using FES or in the control of neural prostheses.

CAPES / A insuficiência respiratória gerada pela lesão medular, em pessoas com tetraplegia e paraplegia torácica alta, tem sido uma das principais causas de morte desses indivíduos. A paralisação, total ou parcial, dos músculos abdominais e do diafragma dificulta a produção de tosse e diminui o volume corrente da ventilação. Este problema pode ser amenizado por meio do tratamento com estimulação elétrica funcional transcutânea (EEFT), na musculatura diafragmática e abdominal, sincronizada com a respiração espontânea. Poucos estudos têm sido direcionados a esta área e foi constatado que é de grande interesse científico que seja desenvolvido um sistema capaz de automaticamente sincronizar a estimulação elétrica com os eventos de inspiração (estimulação diafragmática) e expiração (estimulação abdominal). Por isso, nesta dissertação, desenvolveu-se um sistema de aquisição de sinal respiratório e detecção dos eventos de inspiração e expiração para sincronismo da EEFT durante a respiração tranquila. O sistema emprega uma cinta elástica acoplada a uma célula de carga baseada em strain gauges para a aquisição do sinal respiratório. Um algoritmo, baseado em análise estatística do sinal, foi desenvolvido para a detecção das fases de inspiração e expiração.Testes foram realizados em oito voluntários hígidos. A cinta foi posicionada na região da última costela, e sinais foram adquiridos com o auxílio de um osciloscópio digital. Um fisioterapeuta ajudou na análise dos sinais. Foi realizada a contagem de inspirações e expirações detectadas corretamente. O resultado dos testes alcançou a taxa de 82% de acerto na detecção dos eventos inspiratórios, e 96% para os eventos expiratórios. Os resultados indicam que o sistema desenvolvido é eficiente para a aquisição de sinais respiratórios e o algoritmo criado pode propiciar a sincronização da EEFT, com o paciente tratado em posição quase estática. / The respiratory failure, caused by spinal cord injury in people with high thoracic paraplegia and tetraplegia, has been the major cause of death for those individuals. The total or partial paralysis of the abdominal muscles and the diaphragm hinders the production of cough and decreases tidal volume. This problem can be alleviated by treatment with transcutaneous functional electrical stimulation (TFES), on diaphragm and abdominal muscles synchronized with the spontaneous respiration. Few studies have been conducted on this matter, and it was found that is of great scientific interest the development of a system capable of automatically triggering the electrical stimulation with inspiration (diaphragmatic stimulation) and expiration events (abdominal stimulation). Therefore, in this work, a respiratory signal acquisition system was developed for the detection of inspiration and expiration events for triggering the electrical stimulation during quiet breathing. The system employs an elastic belt attached to a load cell based on strain gauges for acquiring the respiratory signal. An algorithm based on signal statistical analysis was developed for the detection of inspiration and expiration events. Tests were carried out in eight healthy volunteers. The belt was positioned at the last rib region, and signals were obtained with the aid of a digital oscilloscope. A physical therapist helped in the analysis of the signals by counting the inspiratory and expiratory events. The results reached the accuracy of 82% in the detection of inspiratory events, and 96% for expiratory events. The results indicate that the developed system is effective for the acquisition of respiratory signals and the created algorithm can provide synchronization of TFES with the patient in quasi-static situation during treatment.

CNPq / Introdução: As pessoas com lesão medular (LM) podem ter seus músculos paralisados ativados por meio da estimulação elétrica funcional (FES) sobre vias neurais presentes próximas à pele. Estas estimulações elétricas são importantes para a recuperação do trofismo neuromuscular ou durante o controle de movimento por próteses neurais. No entanto, ao longo da aplicação da FES, a fadiga ocorre, diminuindo a eficiência da contração, principalmente devido à hipotrofia neuromuscular presente nessa população. A aquisição da vibração das fibras musculares como indicador de fadiga é registrada por meio da técnica de mecanomiografia (MMG), que não sofre interferências elétricas decorrentes da aplicação da FES. Objetivo: Caracterizar a vibração do músculo reto femoral durante protocolo de fadiga neuromuscular eletricamente evocada em pessoas com lesão medular completa. Método: 24 membros (direito e esquerdo) de 15 participantes (idade: 27±5 anos) do sexo masculino (A e B na American Spinal Injury Impairment Scale) foram selecionados. Um estimulador elétrico operando como fonte de tensão, desenvolvido especialmente para pesquisa, foi configurado com: freqüência de pulso em 1 kHz (20% de ciclo de trabalho) e trem de pulsos (modulação) em 70 Hz (20% período ativo). O sinal triaxial [X (transversal), Y (longitudinal) e Z (perpendicular)] da MMG foi processado com filtro Butterworth de terceira ordem e banda passante entre 5 e 50 Hz. Previamente ao protocolo, a tensão de saída do estimulador foi incrementada (~3 V/s evitando-se a adaptação/habituação dos motoneurônios) até alcançar a extensão máxima eletricamente estimulada (EMEE) da articulação do joelho. Uma célula de carga foi usada para registrar a resposta de força, onde após a sua colocação, a intensidade da FES necessária para alcançar a EMEE foi aplicada e registrada pela célula de carga como 100% da força (F100%). Durante o protocolo de fadiga neuromuscular, a intensidade do estímulo foi incrementada durante o controle para manter a força em F100%. Quatro instantes (I - IV) foram selecionados entre F100% e a incapacidade da FES manter a resposta de força acima de 30% (F30%). O sinal foi processado nos domínios temporal (energia), espectral (frequência mediana) e wavelet (temporal-espectral com doze bandas de frequência entre 5 e 53 Hz). Os dados extraídos foram normalizados pelo instante inicial (I) gerando unidades arbitrárias (u.a.), e testados com estatística não paramétrica. Resultados: A frequência mediana não apresentou significância estatística. Em relação aos eixos de deslocamento da MMG, o eixo transversal mostrou o maior número de resultados estatisticamente significantivos. A energia da vibração das fibras musculares (domínio temporal) indicou diminuição entre os instantes I (músculo fresco) e II (pré-fadiga), como também entre os instantes I e IV (fadigado) com redução significativa. O domínio wavelet teve como foco o eixo transversal, especialmente as bandas de frequência de 13, 16, 20, 25 e 35 Hz, por terem indicado redução significativa durante a fadiga neuromuscular; principalmente, a banda de 25 Hz, que indicou redução significativa entre o instante I (valor da mediana dos dados de 0,53 u.a.) e os demais instantes [II (0,30 u.a), III (0,28 u.a.) e IV (0,24 u.a.)]. Conclusão: A fadiga neuromuscular é caracterizada pela redução da energia do sinal no eixo de deslocamento transversal (X) da vibração do músculo reto femoral, em pessoas com lesão medular completa, tanto no domínio temporal quanto principalmente no domínio wavelet, sendo a banda de frequência de 25 Hz a mais relevante, porque sua energia diminui com a ocorrência da fadiga neuromuscular. Estes achados abrem a possibilidade de aplicação em sistemas de malha fechada durante procedimentos de reabilitação física utilizando FES ou no controle de próteses neurais. / Introduction: People with spinal cord injury (SCI) may have the paralyzed muscles activated through functional electrical stimulation (FES) on neural pathways present below the skin. These electrical stimulations are important to restore the neuromuscular trophism or during the movement control using neural prostheses. However, prolonged FES application causes fatigue, which decreases the contraction strength, mainly due the neuromuscular hypotrophy in this population. The acquisition of myofibers’ vibration is recognized by mechanomyography (MMG) system and does not suffer electrical interference from the FES system. Objective: To characterize the rectus femoris muscle vibration during electrically evoked neuromuscular fatigue protocol in complete spinal cord injury subjects. Methods: As sample, 24 limbs (right and left) from 15 male participants (age: 27±5 y.o.) and ranked as A and B according to American Spinal Injury Impairment Scale) were selected. An electrical stimulator operating as voltage source, specially developed for research, was configured as: pulse frequency set to 1 kHz (20% duty cycle) and burst (modulating) frequency set to 70 Hz (20% active period). The triaxial [X (transverse), Y (longitudinal) and Z (perpendicular)] MMG signal of rectus femoris muscle was processed with a third-order 5-50 Hz bandpass Butterworth filter. A load cell was used to register the force. The stimulator output voltage was increased (~3 V/s to avoid motoneuron adaptation/habituation) until the maximal electrically-evoked extension (MEEE) of the knee joint. After the load cell placement, the stimuli magnitude required to reach MEEE was applied and registered by the load cell as muscular F100% response. Stimuli intensity was increased during the control to keep the force in F100%. Four instants (I - IV) were selected from F100% up to the inability to keep the FES response force above 30% (F30%). The signal was processed in temporal (energy), spectral (median frequency) and wavelet (temporal-spectral with twelve band frequencies between 5 and 53 Hz) domains. All data were normalized by initial instant, creating arbitrary units (a.u.), and non-parametric tests were applied. Results: The median frequency did not show statistical significance. Regarding the MMG axes, the transverse axis showed most statistical differences. The MMG energy (temporal domain) indicates the decrease between the instants I (unfatigued) and II (pre-fatigue), as well as instants I and IV (fatigued). The wavelet domain focused on the transverse axis, especially on 13, 16, 20, 25 and 35 Hz frequency bands, for having shown significant reduction proven during neuromuscular fatigue. In focus on 25 Hz band frequency that showed a constant decrease between instants I (median value from data de 0.53 a.u.) with subsequent instants [II (0.30 a.u.), III (0.28 a.u.) and IV (0.24 a.u.). Conclusion: Neuromuscular fatigue is characterized by energy decrease in MMG X-axis (transverse) signal of vibration on the rectus femoris muscle for complete spinal cord injured subjects, in the temporal domain but mainly in the wavelet domain. The 25 Hz is the most important band frequency because its energy decreases with neuromuscular fatigue. These findings open the possibility of application in closed-loop systems during physical rehabilitation procedures using FES or in the control of neural prostheses.

<div>Electrical nerve stimulation (ENS) is an emerging therapy for many neurological disorders. Compared with conventional one-way stimulations, closed-loop ENS approaches increase the stimulation efficacy and minimize patient's discomfort by constantly adjusting the stimulation parameters according to the feedback biomarkers from patients. Wireless neurostimulation devices capable of both stimulation and telemetry of recorded physiological signals are welcome for closed-loop ENS systems to improve the quality and reduce the costs of treatments, and real-time digital signal processing (DSP) engines processing and extracting features from recorded signals can reduce the data transmission rate and the resulting power consumption of wireless devices. Electrically-evoked compound action potential (ECAP) is an objective measure of nerve activity and has been used as the feedback biomarker in closed-loop ENS systems including neural response telemetry (NRT) systems and a newly proposed autonomous nerve control (ANC) platform. It's desirable to design a DSP engine for real-time processing of ECAP in closed-loop ENS systems. </div><div><br></div><div>This thesis focuses on developing the DSP architecture for real-time processing of ECAP, including stimulus artifact rejection (SAR), denoising, and extraction of nerve fiber responses as biomedical features, and its VLSI implementation for optimal hardware costs. The first part presents the DSP architecture for real-time SAR and denoising of ECAP in NRT systems. A bidirectional-filtered coherent averaging (BFCA) method is proposed, which enables the configurable linear-phase filter to be realized hardware efficiently for distortion-free filtering of ECAPs and can be easily combined with the alternating-polarity (AP) stimulation method for SAR. Design techniques including folded-IIR filter and division-free averaging are incorporated to reduce the computation cost. The second part presents the fiber-response extraction engine (FREE), a dedicated DSP engine for nerve activation control in the ANC platform. FREE employs the DSP architecture of the BFCA method combined with the AP stimulation, and the architecture of computationally efficient peak detection and classification algorithms for fiber response extraction from ECAP. FREE is mapped onto a custom-made and battery-powered wearable wireless device incorporating a low-power FPGA, a Bluetooth transceiver, a stimulation and recording analog front-end and a power-management unit. In comparison with previous software-based signal processing, FREE not only reduces the data rate of wireless devices but also improves the precision of fiber response classification in noisy environments, which contributes to the construction of high-accuracy nerve activation profile in the ANC platform. An application-specific integrated circuit (ASIC) version of FREE is implemented in 180-nm CMOS technology, with total chip area and core power consumption of 19.98 mm² and 1.95 mW, respectively. </div><div><br></div>

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Although peripheral motoneurons are phenotypically endowed with robust regenerative capacity, functional recovery is often suboptimal following peripheral nerve injury (PNI). Research to date indicates that the greatest success in achieving full functional recovery will require the use of a combinatorial approach that can simultaneously target different aspects of the post-injury response. In general, the concept of a combinatorial approach to neural repair has been established in the scientific literature but has yet to be successfully applied in the clinical situation. Emerging evidence from animal studies supports the use of electrical stimulation (ES) and testosterone as one type of combinatorial treatment after crush injury to the facial nerve (CN VII). With the facial nerve injury model, we have previously demonstrated that ES and testosterone target different stages of the regeneration process and enhance functional recovery after facial nerve crush injury. What is currently unknown, but critical to determine, is the impact of a combinatorial treatment strategy of ES and testosterone on functional recovery after crush injury to the sciatic nerve, a mixed sensory and motor spinal nerve which is one of the most serious PNI clinical problems. The results of the present study indicate that either treatment alone or in combination positively impact motor recovery. With regard to molecular effects,single and combinatorial treatments differentially alter the expression of regeneration-associated genes following sciatic nerve crush injury relative to facial nerve injury. Thus, our data indicate that not all injuries equally respond to treatment. Furthermore, the results support the importance of treatment strategy development in an injury-dependent manner and based upon the functional characteristics of spinal vs. cranial nerves.