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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-5533-8880
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Modelo neuromórfico para estimulação transcutânea e otimização dos níveis de percepção sensorial
Alternate title (s): Neuromorphic model for transcutaneous stimulation and optimization of sensory perception levels
Author: Costa, Ana Clara Pereira Resende da
First Advisor: Soares, Alcimar Barbosa
First coorientator: Oliveira, Sérgio Ricardo de Jesus
First member of the Committee: Siqueira Junior, Ailton Luiz Dias
Second member of the Committee: Viera, Marcus Fraga
Third member of the Committee: Oliveira, Sérgio Ricardo de Jesus
Summary: Estima-se que no Brasil cerca de 16.064 pessoas sofreram algum tipo de amputação ou desarticulação de membro superior nos últimos 10 anos. Na tentativa de restaurar partes das funcionalidades motoras e sensoriais perdidas com a amputação se faz necessário uso de próteses, porém mesmo as próteses comerciais mais avançadas, tais como as mioelétricas, não são capazes de restaurar importantes funcionalidades, resultando em um alto índice de abandono do uso do membro protético. Estudos apontam que um dos principais motivos desse abandono é a ausência do feedback sensorial tátil, o qual é responsável por estimar a textura, a forma e a complacência de diferentes materiais, permitindo ao usuário ajustar as forças necessárias na manipulação de objetos, evitando assim o escorregamento. Na ausência do feedback tátil, os usuários se tornam dependentes de outros tipos de feedback, como visual ou auditivo, que nem sempre são eficazes. Existe assim, a necessidade de desenvolver estratégias capazes de fornecer uma retroalimentação tátil informativa àqueles usuários. A eletroestimulação de superfície pode ser uma técnica viável na restauração dessa funcionalidade, uma vez que a técnica é capaz de fornecer diferentes modalidades de sensação, tais como pressão e vibração. Entretanto, ainda existe a necessidade de desenvolver um modelo capaz de combinar a saída de sensores táteis artificias de alta densidade em poucos canais de eletroestimulação, e determinar qual a melhor modulação dos parâmetros de estimulação para fornecer estímulos eletrotáteis discrimináveis. Visando superar essa limitação, esse trabalho propõe um modelo neuromórfico, inspirado na dinâmica intracelular do núcleo cuneiforme, capaz de codificar e otimizar informações provenientes de sensores táteis artificiais de alta densidade, que poderá futuramente ser utilizado na restauração da retroalimentação sensorial tátil em amputados. Esse modelo foi implementado visando combinar sinais advindos de 16 taxels, modelados como aferentes primários cutâneos do tipo 1, em uma única saída de spikes. Em sequência este estudo busca caracterizar a sensação causada por eletroestimulação transcutânea modulada em frequência e amplitude, para viabilizar a otimização da percepção sensorial dos estímulos gerados pelo modelo bioinspirado. Os resultados desse trabalho demonstram que o modelo neuromórfico proposto possui a capacidade de fornecer uma saída de disparo distinta para diferentes tipos de estímulos, aqui foi avaliado a capacidade desse modelo separar oito texturas naturalísticas, reforçando a imensa capacidade de segregação e generalização de informações do neurônio cuneiforme modelado. Evidenciando que esse modelo é capaz de restabelecer a restauração adequada da retroalimentação tátil que possibilitaria ao usuário, inclusive, distinguir diferentes grupos de texturas naturalísticas com apenas um canal de eletroestimulação, desde que considerado a percepção sensorial do usuário final. Uma vez que, foi demonstrado que a percepção a eletroestimulação varia individualmente e que a amplitude de estimulação influencia diretamente na percepção de variação de frequência. Sendo necessário determinar individualmente, a depender do local de estimulação e largura de pulso, a amplitude e faixa de frequência de estimulação, para a devida otimização das percepções sensoriais e modulação da saída do modelo bioinspirado aqui proposto para uma restauração adequada do feedback sensorial tátil.
Abstract: It is estimated that in Brazil about 16,064 people have suffered some kind of amputation or disarticulation of the upper limb in the last 10 years. To restore parts of motor and sensory functionalities lost with amputation it is necessary to use prostheses, however, even the most advanced commercial prostheses, such as myoelectrics, are not able to restore important functionalities, resulting in a high rate of abandonment of the prosthetic limb. Studies indicate that one of the main reasons for abandonment is the absence of tactile sensory feedback, which is responsible for estimating the texture, shape, and complacency of different materials, allowing the user to adjust the forces required in the manipulation of objects, thus avoiding slipping. In the absence of tactile feedback, users become dependent on other types of feedback, such as visual or auditory, which are not always effective. Thus, it is necessary to develop strategies capable of providing informative tactile feedback to those users. Surface electrostimulation can be a viable technique in restoring this functionality, since it is capable of provide different modalities of sensation, such as pressure and vibration. However, it is necessary to develop a model capable to combine the output of high density artificial tactile sensors into a few electro-stimulation channels and determine the best modulation of the stimulation parameters to provide discriminable electrotactile stimuli. Aiming to overcome this limitation, this work proposes a neuromorphic model, inspired by the intracellular dynamics of the cuneiform nucleus, capable of coding and optimizing information coming from high-density artificial tactile sensors, which can be used in the future to restore the tactile feedback in amputees. This model was implemented combining signals from 16 taxels, modeled as primary afferents of type 1, into a single spike output. In sequence, this study seeks to characterize the sensation caused by transcutaneous electro-stimulation modulated in frequency and amplitude, to enable the optimization of the sensory perception of the stimuli generated by the bioinspired model. The results of this work demonstrate that the proposed neuromorphic model can provide a distinct triggering output for different types of stimuli, here the capacity of this model to separate eight naturalistic textures was evaluated, reinforcing the immense capacity of segregation and generalization of information of the cuneiform neuron modeled. Evidencing that this model can reestablish the adequate restoration of tactile feedback that would even allow the user to distinguish different groups of naturalistic textures with only one channel of electro-stimulation, provided that the sensory perception of the end-user is considered. Since it has been demonstrated that the perception of electro-stimulation varies individually, and that the amplitude of stimulation directly influences the perception of frequency variation. It is necessary to determine individually, depending on the stimulation site and pulse width, the stimulation amplitude, and frequency range, for the proper optimization of the sensorial perceptions and modulation of the output of the bioinspired model proposed here for the adequate restoration of the tactile sensory feedback.
Keywords: Amputados de Membro Superior
Feedback sensorial tátil
Modelo Neuromórfico
Percepção Sensorial
Eletroestimulação Transcutânea
Superior Member Amputees
Tactile sensory feedback
Neuromorphic Model
Sensory Perception
Transcutaneous Electro Stimulation
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA
Subject: Amputações
Estimulação elétrica transcutânea do nervo
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Biomédica
Quote: COSTA, Ana Clara Pereira Resende da. Modelo neuromórfico para estimulação transcutânea e otimização dos níveis de percepção sensorial. 2021. 126 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Biomédica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.24.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.24
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/31236
Date of defense: 28-Jan-2021
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