A partir da necessidade de medir a força aplicada em uma muleta ou bengala quando o paciente está caminhando, o que seria extremamente complexo com uma balança comum, desenvolveu-se meios utilizando sensores e circuitos eletrônicos que possibilitem tal aquisição do valor da força aplicada. O sensor utilizado foi acoplado na própria haste da muleta. O circuito eletrônico constituiu-se das seguintes etapas: a de amplificação, a de conversão analógica-digital e a de um microcontrolador para gerenciar todo o processo. Para que os dados referentes à carga descarregada na muleta fossem tratados de uma maneira que o pesquisador ou o clínico tivessem facilidade de compreensão e análise, um software foi desenvolvido. Este permite a construção de gráficos e análises estatísticas. Foram desenvolvidos ainda, configurações que permitissem sincronismo com outros equipamentos de análise de forças de marcha. O trabalho conta também com exemplos práticos de aquisições com pacientes que possuem alguma debilidade motora, demonstrando a utilidade da muleta instrumentalizada no apoio ao clínico ou em pesquisas na área de engenharia de reabilitação. / Because of the necessity of measuring the forces in a cane or crutch while the patient walking, an extremely complex task, a system has been developed to measure these forces, using sensors and electronic circuits. The sensors have been applied directly to the shaft of the metal crutch. The electronic circuit has the following stages: amplification, analog to digital conversion and the microcontroler to manage the whole process. A software has been developed to analyze the data and to be user friendly. The software allows the construction of graphics and the statistical analysis. This project has also shown practical examples with patients that have some gait pathologies, showing the usefulness of the instrumented crutch in supporting the physician, or in the rehabilitation engineering research.

A partir da necessidade de medir a força aplicada em uma muleta ou bengala quando o paciente está caminhando, o que seria extremamente complexo com uma balança comum, desenvolveu-se meios utilizando sensores e circuitos eletrônicos que possibilitem tal aquisição do valor da força aplicada. O sensor utilizado foi acoplado na própria haste da muleta. O circuito eletrônico constituiu-se das seguintes etapas: a de amplificação, a de conversão analógica-digital e a de um microcontrolador para gerenciar todo o processo. Para que os dados referentes à carga descarregada na muleta fossem tratados de uma maneira que o pesquisador ou o clínico tivessem facilidade de compreensão e análise, um software foi desenvolvido. Este permite a construção de gráficos e análises estatísticas. Foram desenvolvidos ainda, configurações que permitissem sincronismo com outros equipamentos de análise de forças de marcha. O trabalho conta também com exemplos práticos de aquisições com pacientes que possuem alguma debilidade motora, demonstrando a utilidade da muleta instrumentalizada no apoio ao clínico ou em pesquisas na área de engenharia de reabilitação. / Because of the necessity of measuring the forces in a cane or crutch while the patient walking, an extremely complex task, a system has been developed to measure these forces, using sensors and electronic circuits. The sensors have been applied directly to the shaft of the metal crutch. The electronic circuit has the following stages: amplification, analog to digital conversion and the microcontroler to manage the whole process. A software has been developed to analyze the data and to be user friendly. The software allows the construction of graphics and the statistical analysis. This project has also shown practical examples with patients that have some gait pathologies, showing the usefulness of the instrumented crutch in supporting the physician, or in the rehabilitation engineering research.

Este trabalho visou desenvolver e integrar técnicas, algoritmos e equipamentos para o auxílio a deficientes visuais em sua familiarização para orientação e mobilidade, permitindo uma maior autonomia de locomoção e, em uma segunda etapa, a leitura de cartazes e sinais. Para tal, foi proposta a substituição sensorial da visão pelo tato, permitindo que imagens sejam capturadas, tratadas digitalmente para detecção de bordas, com simplificação da imagem e diminuição de sua resolução. Estas imagens simplificadas são posteriormente transmitidas ao usuário por meio de eletroestimulação cutânea no abdome. Foi desenvolvido um protótipo de hardware, firmware para comandá-lo e software em um microcomputador para tratar a imagem capturada, além de uma matriz de eletrodos e estimação de distância por ultra-som, para compensar a falta de estereoscopia. Este protótipo foi projetado para ser o mais flexível possível para permitir o teste de diferentes maneiras de estímulo. Foram realizados testes preliminares comprovando a viabilidade do conceito, e um segundo protótipo maior foi então projetado e construído. Este sistema provou ser útil também como equipamento para pesquisas em psicologia experimental, na área de cognição e aprendizagem. / This work intended to develop and integrate techniques, algorithms and equipments to aid visually handicapped people with the familiarization of unknown environments, as involved in orientation and mobility techniques, making locomotion an easier task. In a second phase, it allowed the blind user to receive signals corresponding to signs with letters, allowing them to \"read\" these signs. In order to do that, it was proposed the sensory substitution of vision by touch. Images were captured, processed digitally to be simplified, have their edges detected (contours of objects) and have their resolution reduced. This reduced image was then passed to the user by cutaneous electro-stimulation on the abdomen. A hardware prototype was developed, as well as firmware to control it, software to digitally process the image, a flexible matrix of electrodes, and an ultrasonic distance estimation system, to compensate for the lack of stereoscopy. The system was designed to be as flexible as possible to allow several stimuli tests. Preliminary tests were conducted that proved the feasibility of this concept. A second prototype, larger, was then designed and built. This device proved valuable also as a tool for research in experimental psychology, in cognition and learning.

Este trabalho visou desenvolver e integrar técnicas, algoritmos e equipamentos para o auxílio a deficientes visuais em sua familiarização para orientação e mobilidade, permitindo uma maior autonomia de locomoção e, em uma segunda etapa, a leitura de cartazes e sinais. Para tal, foi proposta a substituição sensorial da visão pelo tato, permitindo que imagens sejam capturadas, tratadas digitalmente para detecção de bordas, com simplificação da imagem e diminuição de sua resolução. Estas imagens simplificadas são posteriormente transmitidas ao usuário por meio de eletroestimulação cutânea no abdome. Foi desenvolvido um protótipo de hardware, firmware para comandá-lo e software em um microcomputador para tratar a imagem capturada, além de uma matriz de eletrodos e estimação de distância por ultra-som, para compensar a falta de estereoscopia. Este protótipo foi projetado para ser o mais flexível possível para permitir o teste de diferentes maneiras de estímulo. Foram realizados testes preliminares comprovando a viabilidade do conceito, e um segundo protótipo maior foi então projetado e construído. Este sistema provou ser útil também como equipamento para pesquisas em psicologia experimental, na área de cognição e aprendizagem. / This work intended to develop and integrate techniques, algorithms and equipments to aid visually handicapped people with the familiarization of unknown environments, as involved in orientation and mobility techniques, making locomotion an easier task. In a second phase, it allowed the blind user to receive signals corresponding to signs with letters, allowing them to \"read\" these signs. In order to do that, it was proposed the sensory substitution of vision by touch. Images were captured, processed digitally to be simplified, have their edges detected (contours of objects) and have their resolution reduced. This reduced image was then passed to the user by cutaneous electro-stimulation on the abdomen. A hardware prototype was developed, as well as firmware to control it, software to digitally process the image, a flexible matrix of electrodes, and an ultrasonic distance estimation system, to compensate for the lack of stereoscopy. The system was designed to be as flexible as possible to allow several stimuli tests. Preliminary tests were conducted that proved the feasibility of this concept. A second prototype, larger, was then designed and built. This device proved valuable also as a tool for research in experimental psychology, in cognition and learning.

Em geral, indivíduos com disfunções motoras nos membros superiores apresentam dificuldades para executar a movimentação de objetos, a qual é essencial para a execução das atividades de vida diária. Dessa forma, esses indivíduos não a executam ou a fazem de maneira ineficiente. Para que essa manipulação seja realizada de maneira satisfatória, fazem-se necessários os movimentos de alcance e preensão de objetos controlados voluntariamente pelo indivíduo, e também a aquisição sensorial da força empregada durante a preensão. Portanto, este trabalho apresenta o desenvolvimento, a aplicação e a avaliação de um protótipo de sistema híbrido visando à reabilitação parcial da capacidade sensório-motora do membro superior direito de tetraplégicos. Tal sistema engloba uma órtese dinâmica para cotovelo utilizada em conjunto com a estimulação elétrica neuromuscular, e uma luva instrumentada que possibilita a realimentação qualitativa da força de preensão. Os resultados das avaliações clínicas mostraram que o sistema auxilia os tetraplégicos em tarefas que envolvem o alcance e a preensão de objetos, bem como trazê-los para próximo do corpo. O aumento da faixa de alcance, a geração de preensão e a restauração artificial da habilidade de movimentar um objeto para próximo do corpo representam esse auxílio proporcionado pelo sistema. Assim o protótipo de sistema híbrido representa uma estratégia alternativa para a reabilitação de lesados medulares (níveis C5-C6). / Generally, individuals with motor impairments in the upper limbs have difficulties performing the movement of objects, which is essential for the execution of activities of daily living. Thus, these individuals do not perform these activities or perform them inefficiently. Toward satisfactory manipulation, reach and grasp movements of objects performed with voluntary control, and grasp force feedback are necessary. Therefore, this work presents the development, application and evaluation of a hybrid system prototype aiming at partial rehabilitation of sensory-motor ability of quadriplegic\'s right upper limb. Such system includes an elbow dynamic orthosis combined with neuromuscular electrical stimulation, and an instrumented glove that allows the qualitative grasp force feedback. The results of clinical assessment showed that the system aids quadriplegic in tasks that involve reaching and grasping of objects, as well as bringing them close to the body. The improvement of reaching range, grasping generation and artificial restoration of the ability to move an object close to the body represent this aid provided by the system. Thus, the hybrid system prototype represents an alternative strategy for the rehabilitation of individuals with spinal cord injury (C5-C6 level).

Em geral, indivíduos com disfunções motoras nos membros superiores apresentam dificuldades para executar a movimentação de objetos, a qual é essencial para a execução das atividades de vida diária. Dessa forma, esses indivíduos não a executam ou a fazem de maneira ineficiente. Para que essa manipulação seja realizada de maneira satisfatória, fazem-se necessários os movimentos de alcance e preensão de objetos controlados voluntariamente pelo indivíduo, e também a aquisição sensorial da força empregada durante a preensão. Portanto, este trabalho apresenta o desenvolvimento, a aplicação e a avaliação de um protótipo de sistema híbrido visando à reabilitação parcial da capacidade sensório-motora do membro superior direito de tetraplégicos. Tal sistema engloba uma órtese dinâmica para cotovelo utilizada em conjunto com a estimulação elétrica neuromuscular, e uma luva instrumentada que possibilita a realimentação qualitativa da força de preensão. Os resultados das avaliações clínicas mostraram que o sistema auxilia os tetraplégicos em tarefas que envolvem o alcance e a preensão de objetos, bem como trazê-los para próximo do corpo. O aumento da faixa de alcance, a geração de preensão e a restauração artificial da habilidade de movimentar um objeto para próximo do corpo representam esse auxílio proporcionado pelo sistema. Assim o protótipo de sistema híbrido representa uma estratégia alternativa para a reabilitação de lesados medulares (níveis C5-C6). / Generally, individuals with motor impairments in the upper limbs have difficulties performing the movement of objects, which is essential for the execution of activities of daily living. Thus, these individuals do not perform these activities or perform them inefficiently. Toward satisfactory manipulation, reach and grasp movements of objects performed with voluntary control, and grasp force feedback are necessary. Therefore, this work presents the development, application and evaluation of a hybrid system prototype aiming at partial rehabilitation of sensory-motor ability of quadriplegic\'s right upper limb. Such system includes an elbow dynamic orthosis combined with neuromuscular electrical stimulation, and an instrumented glove that allows the qualitative grasp force feedback. The results of clinical assessment showed that the system aids quadriplegic in tasks that involve reaching and grasping of objects, as well as bringing them close to the body. The improvement of reaching range, grasping generation and artificial restoration of the ability to move an object close to the body represent this aid provided by the system. Thus, the hybrid system prototype represents an alternative strategy for the rehabilitation of individuals with spinal cord injury (C5-C6 level).

Este trabalho tem a finalidade de analisar algumas técnicas de processamento do sinal mioelétrico, de forma a possibilitar uma posterior implementação de um circuito, que reconheça este sinal e apresente como saída um sinal de controle a ser utilizado em sistemas de reabilitação. Foram simuladas e avaliadas três técnicas de filtragem para o sinal mioelétrico, a fim de atenuar a interferência dos principais ruídos que corrompem este sinal. As técnicas avaliadas foram: filtragem digital clássica; cancelamento de ruído adaptativo e reconstrução do sinal por meio das componentes obtidas pela transformada wavelet. Também foi implementado e analisado um sistema simplificado de reconhecimento dos padrões para este sinal, realizado por meio de uma rede neural artificial, em que foi aplicado em sua entrada o próprio sinal mioelétrico e não suas características obtidas por processamentos matemáticos. Diante dos resultados obtidos os canceladores de ruído adaptativos apresentaram melhores resultados com relação às outras técnicas de filtragem. Apesar de não ter sido adequada para a filtragem, a transformada wavelet mostrou-se uma poderosa ferramenta de análise de sinais, em virtude da sua característica multiresolução. A técnica utilizada para reconhecer os padrões do sinal mostrou bons resultados com os sinais analisados. / This work has the purpose to analyze some techniques for myoelectric signal processing, towards a subsequent implementation of a circuit which can recognize this signal and present as output a control signal to be used in rehabilitation systems. Simulation and evaluation of three filtering techniques for the myoelectric signal were done in order to attenuate the main interferences of noises which corrupt this signal. The evaluated techniques were: classic digital filtering; adaptive noise cancelling and the signal reconstruction through the obtained components by the wavelet transform. A simplified system of pattern recognition for this signal also was implemented and analyzed, accomplished through an artificial neural network. The myoelectric signal itself was applied to the input instead of its characteristics obtained by mathematical processing. According to the results obtained the adaptive noise cancelling presented better results in comparison to the other filtering techniques. Despite not being adequate for filtering, the wavelet transform proved to be a powerful tool for signal analysis, by virtue of its multiresolution characteristics. The technique used to recognize the signal patterns has shown good results with the analyzed signals.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:08:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao - Fernando Goncalves Abadia.pdf: 2172647 bytes, checksum: 521c16d1c14b335efd25247e9a66c082 (MD5) Previous issue date: 2010-04-19 / Rehabilitation robotics involves the development of active devices for various processes in the health field. In the rehabilitation case, it replace the physical assistance by a robotic device, under the supervision of the therapist. According to some authors, there is much evidence that repetitive movements can help in the rehabilitation of stroke patients. Therefore, there is feasibility of building a low cost robotic manipulator of an anthropomorphic arm with few degrees of freedom in the rehabilitation of patients in early brain injury phase (muscle hypotony phase). The objective of the study outlined here is to determine, through simulation, the appropriate kinematic of an anthropomorphic robotic manipulator that best approximate the functional movements to be relearned by stroke patients. The kinemetry was the method used to measure the characteristics of these movements. The data acquisition was performed from three subjects who performed the movements of combing hair, drinking from cup, bring it to his mouth and waving, greeting movement. These data were compared with the direct and inverse kinematics of the simulated manipulator in MatLab environment. The results showed that, despite the limitations of movements, the simulated manipulator is feasible for rehabilitation of patients who are in the initial phase of stroke, with a low cost of implementation. / A reabilitação robótica é uma ciência que permite o desenvolvimento de dispositivos ativos para vários processos no campo da saúde. No caso da reabilitação, substitui a assistência física por um dispositivo robótico, sob a supervisão do terapeuta. Segundo alguns autores, há muitas evidências de que os movimentos repetitivos podem ajudar na reabilitação de pacientes vítimas de choques traumáticos ou de acidente vascular encefálico - AVE. Nesta perspectiva há viabilidade de se construir um manipulador robótico de um braço antropomórfico com poucos graus de liberdade na reabilitação dos pacientes na fase inicial do AVE (fase de hipotonia muscular) visando baixos custos. Neste aspecto, o objetivo do presente projeto é determinar, por meio de simulação, as apropriadas modelagens da cinemática de um manipulador robótico de um braço antropomórfico que melhor se aproximem dos movimentos funcionais a fim de serem reaprendidos pelos pacientes. A cinemetria foi o método utilizado para avaliar as características cinemáticas destes movimentos, a partir da coleta de dados realizada com uma amostra constituída por três sujeitos, que realizaram os movimentos de pentear os cabelos, pegar um copo e levá-lo à boca e acenar cumprimentando. Estes dados foram comparados à cinemática direta e inversa do manipulador simulado em ambiente MatLab. Os resultados mostraram que, apesar das limitações dos movimentos, o manipulador simulado é viável para reabilitação de pacientes que se encontram na fase inicial do AVE, apresentando um baixo custo de implementação.

Este trabalho tem a finalidade de analisar algumas técnicas de processamento do sinal mioelétrico, de forma a possibilitar uma posterior implementação de um circuito, que reconheça este sinal e apresente como saída um sinal de controle a ser utilizado em sistemas de reabilitação. Foram simuladas e avaliadas três técnicas de filtragem para o sinal mioelétrico, a fim de atenuar a interferência dos principais ruídos que corrompem este sinal. As técnicas avaliadas foram: filtragem digital clássica; cancelamento de ruído adaptativo e reconstrução do sinal por meio das componentes obtidas pela transformada wavelet. Também foi implementado e analisado um sistema simplificado de reconhecimento dos padrões para este sinal, realizado por meio de uma rede neural artificial, em que foi aplicado em sua entrada o próprio sinal mioelétrico e não suas características obtidas por processamentos matemáticos. Diante dos resultados obtidos os canceladores de ruído adaptativos apresentaram melhores resultados com relação às outras técnicas de filtragem. Apesar de não ter sido adequada para a filtragem, a transformada wavelet mostrou-se uma poderosa ferramenta de análise de sinais, em virtude da sua característica multiresolução. A técnica utilizada para reconhecer os padrões do sinal mostrou bons resultados com os sinais analisados. / This work has the purpose to analyze some techniques for myoelectric signal processing, towards a subsequent implementation of a circuit which can recognize this signal and present as output a control signal to be used in rehabilitation systems. Simulation and evaluation of three filtering techniques for the myoelectric signal were done in order to attenuate the main interferences of noises which corrupt this signal. The evaluated techniques were: classic digital filtering; adaptive noise cancelling and the signal reconstruction through the obtained components by the wavelet transform. A simplified system of pattern recognition for this signal also was implemented and analyzed, accomplished through an artificial neural network. The myoelectric signal itself was applied to the input instead of its characteristics obtained by mathematical processing. According to the results obtained the adaptive noise cancelling presented better results in comparison to the other filtering techniques. Despite not being adequate for filtering, the wavelet transform proved to be a powerful tool for signal analysis, by virtue of its multiresolution characteristics. The technique used to recognize the signal patterns has shown good results with the analyzed signals.

Pacientes lesados medulares frequentemente mencionam dores nos ombros, devido à elevada demanda dos membros superiores. Estes pacientes se submetem a diferentes tipos de reabilitação, no entanto é importante avaliar os métodos utilizados em tais programas para evitar possíveis prejuízos. O objetivo deste trabalho é avaliar o esforço e a atividade muscular dos ombros em pacientes paraplégicos caminhando com Estimulação Elétrica Neuro Muscular (EENM) e um andador em seções de reabilitação e comparar com duas atividades diárias executadas por estes indivíduos: propulsão da cadeira de rodas e elevação para alívio da pressão. Quinze homens adultos com paraplegia foram avaliados. Os movimentos em 3 dimensões foram obtidos com um sistema de 6 câmeras de infravermelho, e a atividade mioelétrica de 6 músculos dos ombros foi obtida bilateralmente por eletrodos de superfície ativos. Um andador instrumentalizado capturou a força durante a marcha, e a força nas outras duas atividades foi obtida por dinâmica inversa utilizando os dados cinemáticos e antropométricos. Os dados cinéticos e da atividade muscular foram avaliados estatisticamente utilizando análise de variância (ANOVA) e o teste das diferenças menos significativas de Tukey com nível de significância p<0,05. Foram obtidos picos de força quatro vezes maiores durante a marcha comparando-se à propulsão da cadeira de rodas. O esforço do ombro durante a marcha e a elevação foi equivalente, porém o lado direito durante a marcha apresentou maiores valores. O músculo mais ativo durante a marcha foi o tríceps, seguido pelo peitoral maior, deltóide anterior e trapézio inferior. A ação geral dos músculos durante a marcha também foi maior comparada aos outros exercícios executados. A marcha com EENM e andador, realizada por lesados medulares durante as seções de reabilitação, requer esforços significativos dos membros superiores, podendo gerar complicações nas articulações do ombro. Lesados medulares submetidos a seções de reabilitação que executam esforços significativos devem ser frequentemente monitorados, por métodos de ultra-som ou ressonância magnética, para evitar o comprometimento dos membros superiores e a consequente perda das funções de independência remanescentes / Spinal Cord Injured subjects often refer pain in their shoulders, due to the increased demand of the upper limbs. These subjects usually go through different rehabilitation strategies. Therefore, it becomes rather important to assess those methods in order to avoid further injuries to the patients. The goal of this work was to evaluate the shoulder effort and muscular activity in paraplegic subjects during gait with Neuromuscular Electrical Stimulation (NMES) with the aid of a walker and to compare it with two daily activities: wheelchair start up and weight relief raise. Fifteen adult male paraplegics were part of this study. The three-dimensional motions were acquired with six infrared cameras, and surface-active electrodes recorded the electromyography activity of 6 shoulder muscles, bilaterally. The vertical reaction force during walking was measured with a strain gauge instrumented walker, and the horizontal (wheelchair start-up) and vertical (weight relief raise) forces were obtained by inverse dynamics from kinematics and anthropometric data. The statistics of kinetic and electromyography data were done by analysis of variance (ANOVA) and the Tukey least significant differences post hoc test with significance level of p<0,05. Results have shown NMES gait force peaks being about four times higher than the values obtained for wheelchair start-up. The shoulder effort (force and torque) during walking and weight relief was similar, although the right side during NMES gait presented greater values. The triceps was the most active muscle during NMES walking, followed by pectoralis major, anterior deltoid and lower trapezius. The overall muscular activity during NMES walking was again higher than the other tasks executed. The NMES walking, when performed by spinal cord injured subjects can lead to injuries to the shoulder girdle. Due to the results obtained, continuous supervision of paraplegic upper limb effort should therefore be part of any rehabilitation center and for that ultrasound or magnetic resonance imaging may be recommended