Um dos desafios propostos por pesquisadores em neurociência aos engenheiros biomédicos é a interação cérebro-máquina. O sistema nervoso comunica-se interpretando sinais eletroquímicos, e circuitos implantáveis podem tomar decisões de modo a interagir com o meio biológico. Sabe-se também que a doença de Parkinson está relacionada a um déficit do neurotransmissor dopamina. Para controlar a concentração de dopamina diferentes técnicas tem sido empregadas como estimuladores elétricos, magnéticos e drogas. Neste trabalho obteve-se o controle da concentração do neurotransmissor de maneira automática uma vez que atualmente isto não é realizado. Para tanto, projetou-se e desenvolveu-se quatro sistemas: a estimulação cerebral profunda ou deep brain stimulation (DBS), a estimulação transmagnética ou transmagnetic stimulation (TMS), um controle de bomba de infusão ou infusion pump control (IPC) para a entrega de drogas e um sistema de voltametria cíclica de varredura rápida ou fast scan ciclic voltammetry (FSCV) (circuito que detecta variações de concentração de neurotransmissores como a dopamina - DA). Também foi necessário o desenvolvimento de softwares para a visualização de dados e análises em sincronia com acontecimentos ou experimentos correntes, facilitando a utilização destes dispositivos quando emprega-se bombas de infusão e a sua flexibilidade é tal que a DBS ou a TMS podem ser utilizadas de maneira manual ou automática além de outras técnicas de estimulação como luzes, sons, etc. O sistema desenvolvido permite controlar de forma automática a concentração da DA. A resolução do sistema é de 0.4 µmol/L podendo-se ajustar o tempo para correção da concentração entre 1 e 90 segundos. O sistema permite controlar concentrações entre 1 e 10 µmol/L, com um erro de cerca de +/- 0,8 µmol/L. Embora desenhado para o controle da concentração de dopamina o sistema pode ser utilizado para controlar outros neurotransmissores. Propõe-se continuar o desenvolvimento em malha fechada empregando FSCV e DBS (ou TMS, ou infusão), utilizando modelos animais parkinsonianos. / One of the challenges to biomedical engineers proposed by researchers in neuroscience is brain machine interaction. The nervous system communicates by interpreting electrochemical signals, and implantable circuits make decisions in order to interact with the biological environment. It is well known that Parkinson’s disease is related to a deficit of dopamine (DA). Different methods has been employed to control dopamine concentration like magnetic or electrical stimulators or drugs. In this work was automatically controlled the neurotransmitter concentration since this is not currently employed. To do that, four systems were designed and developed: deep brain stimulation (DBS), transmagnetic stimulation (TMS), Infusion Pump Control (IPC) for drug delivery, and fast scan cyclic voltammetry (FSCV) (sensing circuits which detect varying concentrations of neurotransmitters like dopamine caused by these stimulations). Some softwares also were developed for data display and analysis in synchronously with current events in the experiments. This allowed the use of infusion pumps and their flexibility is such that DBS or TMS can be used in single mode and other stimulation techniques and combinations like lights, sounds, etc. The developed system allows to control automatically the concentration of DA. The resolution of the system is around 0.4 µmol/L with time correction of concentration adjustable between 1 and 90 seconds. The system allows controlling DA concentrations between 1 and 10 µmol/L, with an error about +/- 0.8 µmol/L. Although designed to control DA concentration, the system can be used to control, the concentration of other substances. It is proposed to continue the closed loop development with FSCV and DBS (or TMS, or infusion) using parkinsonian animals models.

Um dos desafios propostos por pesquisadores em neurociência aos engenheiros biomédicos é a interação cérebro-máquina. O sistema nervoso comunica-se interpretando sinais eletroquímicos, e circuitos implantáveis podem tomar decisões de modo a interagir com o meio biológico. Sabe-se também que a doença de Parkinson está relacionada a um déficit do neurotransmissor dopamina. Para controlar a concentração de dopamina diferentes técnicas tem sido empregadas como estimuladores elétricos, magnéticos e drogas. Neste trabalho obteve-se o controle da concentração do neurotransmissor de maneira automática uma vez que atualmente isto não é realizado. Para tanto, projetou-se e desenvolveu-se quatro sistemas: a estimulação cerebral profunda ou deep brain stimulation (DBS), a estimulação transmagnética ou transmagnetic stimulation (TMS), um controle de bomba de infusão ou infusion pump control (IPC) para a entrega de drogas e um sistema de voltametria cíclica de varredura rápida ou fast scan ciclic voltammetry (FSCV) (circuito que detecta variações de concentração de neurotransmissores como a dopamina - DA). Também foi necessário o desenvolvimento de softwares para a visualização de dados e análises em sincronia com acontecimentos ou experimentos correntes, facilitando a utilização destes dispositivos quando emprega-se bombas de infusão e a sua flexibilidade é tal que a DBS ou a TMS podem ser utilizadas de maneira manual ou automática além de outras técnicas de estimulação como luzes, sons, etc. O sistema desenvolvido permite controlar de forma automática a concentração da DA. A resolução do sistema é de 0.4 µmol/L podendo-se ajustar o tempo para correção da concentração entre 1 e 90 segundos. O sistema permite controlar concentrações entre 1 e 10 µmol/L, com um erro de cerca de +/- 0,8 µmol/L. Embora desenhado para o controle da concentração de dopamina o sistema pode ser utilizado para controlar outros neurotransmissores. Propõe-se continuar o desenvolvimento em malha fechada empregando FSCV e DBS (ou TMS, ou infusão), utilizando modelos animais parkinsonianos. / One of the challenges to biomedical engineers proposed by researchers in neuroscience is brain machine interaction. The nervous system communicates by interpreting electrochemical signals, and implantable circuits make decisions in order to interact with the biological environment. It is well known that Parkinson’s disease is related to a deficit of dopamine (DA). Different methods has been employed to control dopamine concentration like magnetic or electrical stimulators or drugs. In this work was automatically controlled the neurotransmitter concentration since this is not currently employed. To do that, four systems were designed and developed: deep brain stimulation (DBS), transmagnetic stimulation (TMS), Infusion Pump Control (IPC) for drug delivery, and fast scan cyclic voltammetry (FSCV) (sensing circuits which detect varying concentrations of neurotransmitters like dopamine caused by these stimulations). Some softwares also were developed for data display and analysis in synchronously with current events in the experiments. This allowed the use of infusion pumps and their flexibility is such that DBS or TMS can be used in single mode and other stimulation techniques and combinations like lights, sounds, etc. The developed system allows to control automatically the concentration of DA. The resolution of the system is around 0.4 µmol/L with time correction of concentration adjustable between 1 and 90 seconds. The system allows controlling DA concentrations between 1 and 10 µmol/L, with an error about +/- 0.8 µmol/L. Although designed to control DA concentration, the system can be used to control, the concentration of other substances. It is proposed to continue the closed loop development with FSCV and DBS (or TMS, or infusion) using parkinsonian animals models.

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.

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.