Linear Parameter Varying Identification of Dynamic Joint Stiffness during Time-Varying Voluntary Contractions

Dynamic joint stiffness is a dynamic, nonlinear relationship between the position of a joint and the torque acting about it, which can be used to describe the biomechanics of the joint and associated limb(s). This paper models and quantifies changes in ankle dynamic stiffness and its individual elements, intrinsic and reflex stiffness, in healthy human subjects during isometric, time-varying (TV) contractions of the ankle plantarflexor muscles. A subspace, linear parameter varying, parallel-cascade (LPV-PC) algorithm was used to identify the model from measured input position perturbations and output torque data using voluntary torque as the LPV scheduling variable (SV). Monte-Carlo simulations demonstrated that the algorithm is accurate, precise, and robust to colored measurement noise. The algorithm was then used to examine stiffness changes associated with TV isometric contractions. The SV was estimated from the Soleus EMG using a Hammerstein model of EMG-torque dynamics identified from unperturbed trials. The LPV-PC algorithm identified (i) a non-parametric LPV impulse response function (LPV IRF) for intrinsic stiffness and (ii) a LPV-Hammerstein model for reflex stiffness consisting of a LPV static nonlinearity followed by a time-invariant state-space model of reflex dynamics. The results demonstrated that: (a) intrinsic stiffness, in particular ankle elasticity, increased significantly and monotonically with activation level; (b) the gain of the reflex pathway increased from rest to around 10–20% of subject's MVC and then declined; and (c) the reflex dynamics were second order. These findings suggest that in healthy human ankle, reflex stiffness contributes most at low muscle contraction levels, whereas, intrinsic contributions monotonically increase with activation level

Towards understanding human locomotion

Die zentrale Frage, die in der vorliegenden Arbeit untersucht wurde, ist, wie man die komplizierte Dynamik des menschlichen Laufens besser verstehen kann. In der wissenschaftlichen Literatur werden zur Beschreibung von Laufbewegungen (Gehen und Rennen) oftmals minimalistische "Template"-Modelle verwendet. Diese sehr einfachen Modelle beschreiben nur einen ausgewählten Teil der Dynamik, meistens die Schwerpunktsbahn. In dieser Arbeit wird nun versucht, mittels Template-Modellen das Verständnis des Laufens voranzubringen. Die Analyse der Schwerpunktsbewegung durch Template-Modelle setzt eine präzise Bestimmung der Schwerpunktsbahn im Experiment voraus. Hierfür wird in Kapitel 2.3 eine neue Methode vorgestellt, welche besonders robust gegen die typischen Messfehler bei Laufexperimenten ist. Die am häfigsten verwendeten Template-Modelle sind das Masse-Feder-Modell und das inverse Pendel, welche zur Beschreibung der Körperschwerpunktsbewegung gedacht sind und das Drehmoment um den Schwerpunkt vernachlässigen. Zur Beschreibung der Stabilisierung der Körperhaltung (und damit der Drehimpulsbilanz) wird in Abschnitt 3.3 das Template-Modell "virtuelles Pendel" für das menschliche Gehen eingeführt und mit experimentellen Daten verglichen. Die Diskussion möglicher Realisierungsmechanismen legt dabei nahe, dass die Aufrichtung des menschlichen Gangs im Laufe der Evolution keine große mechanische Hürde war. In der Literatur wird oft versucht, Eigenschaften der Bewegung wie Stabilität durch Eigenschaften der Template-Modelle zu erklären. Dies wird in modifizierter Form auch in der vorliegen Arbeit getan. Hierzu wird zunächst eine experimentell bestimmte Schwerpunktsbewegung auf das Masse-Feder-Modell übertragen. Anschließend wird die Kontrollvorschrift der Schritt-zu-Schritt-Anpassung der Modellparameter identifiziert sowie eine geeignete Näherung angegeben, um die Stabilität des Modells, welches mit dieser Kontrollvorschrift ausgestattet wird, zu analysieren. Der Vergleich mit einer direkten Bestimmung der Stabilität aus einem Floquet-Modell zeigt qualitativ gute Übereinstimmung. Beide Ansätze führen auf das Ergebnis, dass beim langsamen menschlichen Rennen Störungen innerhalb von zwei Schritten weitgehend abgebaut werden. Zusammenfassend wurde gezeigt, wie Template-Modelle zum Verständnis der Laufbewegung beitragen können. Gerade die Identifikation der individuellen Kontrollvorschrift auf der Abstraktionsebene des Masse-Feder-Modells erlaubt zukünftig neue Wege, aktive Prothesen oder Orthesen in menschenähnlicher Weise zu steuern und ebnet den Weg, menschliches Rennen auf Roboter zu übertragen.Human locomotion is part of our everyday life, however the mechanisms are not well enough understood to be transferred into technical devices like orthoses, protheses or humanoid robots. In biomechanics often minimalistic so-called template models are used to describe locomotion. While these abstract models in principle offer a language to describe both human behavior and technical control input, the relation between human locomotion and locomotion of these templates was long unclear. This thesis focusses on how human locomotion can be described and analyzed using template models. Often, human running is described using the SLIP template. Here, it is shown that SLIP (possibly equipped with any controller) cannot show human-like disturbance reactions, and an appropriate extension of SLIP is proposed. Further, a new template to describe postural stabilization is proposed. Summarizing, this theses shows how simple template models can be used to enhance the understanding of human gait

Virtual Stiffness: A Novel Biomechanical Approach to Estimate Limb Stiffness of a Multi-Muscle and Multi-Joint System

In recent years, different groups have developed algorithms to control the stiffness of a robotic device through the electromyographic activity collected from a human operator. However, the approaches proposed so far require an initial calibration, have a complex subject-specific muscle model, or consider the activity of only a few pairs of antagonist muscles. This study described and tested an approach based on a biomechanical model to estimate the limb stiffness of a multi-joint, multi-muscle system from muscle activations. The “virtual stiffness” method approximates the generated stiffness as the stiffness due to the component of the muscle-activation vector that does not generate any endpoint force. Such a component is calculated by projecting the vector of muscle activations, estimated from the electromyographic signals, onto the null space of the linear mapping of muscle activations onto the endpoint force. The proposed method was tested by using an upper-limb model made of two joints and six Hill-type muscles and data collected during an isometric force-generation task performed with the upper limb. The null-space projection of the muscle-activation vector approximated the major axis of the stiffness ellipse or ellipsoid. The model provides a good approximation of the voluntary stiffening performed by participants that could be directly implemented in wearable myoelectric controlled devices that estimate, in real-time, the endpoint forces, or endpoint movement, from the mapping between muscle activation and force, without any additional calibrations

Central nervous system physiology

This is the second chapter of the series on the use of clinical neurophysiology for the study of movement disorders. It focusses on methods that can be used to probe neural circuits in brain and spinal cord. These include use of spinal and supraspinal reflexes to probe the integrity of transmission in specific pathways; transcranial methods of brain stimulation such as transcranial magnetic stimulation and transcranial direct current stimulation, which activate or modulate (respectively) the activity of populations of central neurones; EEG methods, both in conjunction with brain stimulation or with behavioural measures that record the activity of populations of central neurones; and pure behavioural measures that allow us to build conceptual models of motor control. The methods are discussed mainly in relation to work on healthy individuals. Later chapters will focus specifically on changes caused by pathology

Identification of nonlinear interconnected systems

This thesis was submitted for the degree of Master of Philosophy and awarded by Brunel University.In this work we address the problem of identifying a discrete-time nonlinear system composed of a linear dynamical system connected to a static nonlinear component. We use linear fractional representation to provide a united framework for the identification of two classes of such systems. The first class consists of discrete-time systems consists of a linear time invariant system connected to a continuous nonlinear static component. The identification problem of estimating the unknown parameters of the linear system and simultaneously fitting a math order spline to the nonlinear data is addressed. A simple and tractable algorithm based on the separable least squares method is proposed for estimating the parameters of the linear and the nonlinear components. We also provide a sufficient condition on data for consistency of the identification algorithm. Numerical examples illustrate the performance of the algorithm. Further, we examine a second class of systems that may involve a nonlinear static element of a more complex structure. The nonlinearity may not be continuous and is approximated by piecewise a±ne maps defined on different convex polyhedra, which are defined by linear combinations of lagged inputs and outputs. An iterative identification procedure is proposed, which alternates the estimation of the linear and the nonlinear subsystems. Standard identification techniques are applied to the linear subsystem, whereas recently developed piecewise affine system identification techniques are employed for the estimation of the nonlinear component. Numerical examples show that the proposed procedure is able to successfully profit from the knowledge of the interconnection structure, in comparison with a direct black box identification of the piecewise a±ne system.Funding was obtained as a Marie Curie Early Stage Researcher Training fellowship, under the NET-ACE project (MEST-CT-2004-6724)

Comparative analysis of TMS-EEG signal using different approaches in healthy subjects

openThe integration of transcranial magnetic stimulation with electroencephalography (TMS-EEG) represents a useful non-invasive approach to assess cortical excitability, plasticity and intra-cortical connectivity in humans in physiological and pathological conditions. However, biological and environmental noise sources can contaminate the TMS-evoked potentials (TEPs). Therefore, signal preprocessing represents a fundamental step in the analysis of these potentials and is critical to remove artefactual components while preserving the physiological brain activity. The objective of the present study is to evaluate the effects of different signal processing pipelines, (namely Leodori et al., Rogasch et al., Mutanen et al.) applied on TEPs recorded in five healthy volunteers after TMS stimulation of the primary motor cortex (M1) of the dominant hemisphere. These pipelines were used and compared to remove artifacts and improve the quality of the recorded signals, laying the foundation for subsequent analyses. Various algorithms, such as Independent Component Analysis (ICA), SOUND, and SSP-SIR, were used in each pipeline. Furthermore, after signal preprocessing, current localization was performed to map the TMS-induced neural activation in the cortex. This methodology provided valuable information on the spatial distribution of activity and further validated the effectiveness of the signal cleaning pipelines. Comparing the effects of the different pipelines on the same dataset, we observed considerable variability in how the pipelines affect various signal characteristics. We observed significant differences in the effects on signal amplitude and in the identification and characterisation of peaks of interest, i.e., P30, N45, P60, N100, P180. The identification and characteristics of these peaks showed variability, especially with regard to the early peaks, which reflect the cortical excitability of the stimulated area and are the more affected by biological and stimulation-related artifacts. Despite these differences, the topographies and source localisation, which are the most informative and useful in reconstructing signal dynamics, were consistent and reliable between the different pipelines considered. The results suggest that the existing methodologies for analysing TEPs produce different effects on the data, but are all capable of reproducing the dynamics of the signal and its components. Future studies evaluating different signal preprocessing methods in larger populations are needed to determine an appropriate workflow that can be shared through the scientific community, in order to make the results obtained in different centres comparable

Innovative Methods and Materials in Structural Health Monitoring of Civil Infrastructures

In the past, when elements in sructures were composed of perishable materials, such as wood, the maintenance of houses, bridges, etc., was considered of vital importance for their safe use and to preserve their efficiency. With the advent of materials such as reinforced concrete and steel, given their relatively long useful life, periodic and constant maintenance has often been considered a secondary concern. When it was realized that even for structures fabricated with these materials that the useful life has an end and that it was being approached, planning maintenance became an important and non-negligible aspect. Thus, the concept of structural health monitoring (SHM) was introduced, designed, and implemented as a multidisciplinary method. Computational mechanics, static and dynamic analysis of structures, electronics, sensors, and, recently, the Internet of Things (IoT) and artificial intelligence (AI) are required, but it is also important to consider new materials, especially those with intrinsic self-diagnosis characteristics, and to use measurement and survey methods typical of modern geomatics, such as satellite surveys and highly sophisticated laser tools

Flexible Corticospinal Control of Muscles

The exceptional abilities of top-tier athletes – from Simone Biles’ dizzying gymnastics to LeBron James’ gravity-defying bounds – can easily lead one to forget to marvel at the exceptional breadth of everyday movements. Whether holding a cup of coffee, reaching out to grab a falling object, or cycling at a quick clip, every motor action requires activating multiple muscles with the appropriate intensity and timing to move each limb or counteract the weight of an object. These actions are planned and executed by the motor cortex, which transmits its intentions to motoneurons in the spinal cord, which ultimately drive muscle contractions. A central problem in neuroscience is precisely how neural activity in cortex and the spinal cord gives rise to this diverse range of behaviors. At the level of spinal cord, this problem is considered to be well understood. A foundational tenet in motor control asserts that motoneurons are controlled by a single input to which they respond in a reliable and predictable manner to drive muscle activity, akin to the way that depressing a gas pedal by the same degree accelerates a car to a predictable speed. Theories of how motor cortex flexibly generates different behaviors are less firmly developed, but the available evidence indicates that cortical neurons are coordinated in a similarly simplistic, well-preserved manner. Yet a potential complication for both these old and new theories are the relative paucity of diverse behaviors during which motor cortex and spinal motoneurons have been studied. In this dissertation, I present results from studying these two neuronal populations during a broader range of behaviors than previously considered. These results indicate, in essence, that diverse behaviors involve greater complexity and flexibility in cortical and spinal neural activity than indicated by current theories

Noninvasive autonomic nervous system assessment in respiratory disorders and sport sciences applications

La presente tesis está centrada en el análisis no invasivo de señales cardíacas y respiratorias, con el objetivo de evaluar la actividad del sistema nervioso autónomo (ANS) en diferentes escenarios, tanto clínicos como no clínicos. El documento está estructurado en tres partes principales. La primera parte consiste en una introducción a los aspectos fisiológicos y metodológicos que serán cubiertos en el resto de la tesis. En la segunda parte, se analiza la variabilidad del ritmo cardiaco (HRV) en el contexto de enfermedades respiratorias, concretamente asma (tanto en niños como en adultos) y apnea del sueño. En la tercera parte, se estudian algunas aplicaciones novedosas del análisis de señales cardiorespiratorias en el campo de las ciencias del deporte. La primera parte está compuesta por los capítulos 1 y 2. El capítulo 1 consiste en una extensa introducción al funcionamiento del sistema nervioso autónomo y las características de las bioseñales analizadas a lo largo de la tesis. Por otro lado, se aborda la patofisiología del asma y la apnea del sueño, su relación con el funcionamiento del ANS y las estrategias de diagnóstico y tratamiento de lasmismas. El capítulo concluye con una introducción a la fisiología del ejercicio, así como al interés en la estimación del volumen tidal y del umbral anaeróbico en el campo de las ciencias del deporte.En cuanto al capítulo 2, se presenta un marco de trabajo para el análisis contextualizado de la HRV. Después de una descripción de las técnicas de evaluación y acondicionamiento de la señal de HRV, el capítulo se centra en el efecto de los latidos ectópicos, la arritmia sinusal respiratoria y la frecuencia respiratoria en el análisis de la HRV.Además, se discute el uso de un índice para la evaluación de la distribución de la potencia en los espectros de HRV, así como diferentes medidas de acoplo cardiorespiratorio.La segunda parte está compuesta por los capítulos 3, 4 y 5, todos ellos relacionados con el análisis de la HRV en enfermedades respiratorias. Mientras que los capítulos 3 y 4 están centrados en asma infantil y en adultos respectivamente, el capítulo 5 aborda la apnea del sueño. El asma es una enfermedad respiratoria crónica que aparece habitualmente acompañada por una inflamación de las vías respiratorias. Aunque afecta a personas detodas las edades, normalmente se inicia en edades tempranas, y ha llegado a constituir una de las enfermedades crónicasmás comunes durante la infancia. Sin embargo, todavía no existe un método adecuado para el diagnóstico de asma en niños pequeños. Por otro lado, el rol fundamental que desempeña el sistema nervioso parasimpático en el control del tono bronco-motor y la bronco-dilatación sugiere que la rama parasimpática del ANS podría estar implicada en la patogénesis del asma. De estemodo, en el capítulo 3 se evalúa el ANS mediante el análisis de la HRV en dos bases de datos diferentes, compuestas por niños en edad pre-escolar clasificados en función de su riesgo de desarrollar asma, o de su condición asmática actual. Los resultados del análisis revelaron un balance simpáticovagal reducido y una componente espectral de alta frecuencia más picuda en aquellos niños con un mayor riesgo de desarrollar asma. Además, la actividad parasimpática y el acoplo cardiorespiratorio se redujeron en un grupo de niños con bajo riesgo de asma al finalizar un tratamiento para bronquitis obstructiva, mientras que estos permanecieron inalterados en aquellos niños con una peor prógnosis.A diferencia de los niños pequeños, en el caso de adultos el diagnóstico de asma se realiza a través de una rutina clínica bien definida. Sin embargo, la estratificación de los pacientes en función de su grado de control de los síntomas se basa generalmente en el uso de cuestionarios auto-aplicados, que pueden tener un carácter subjetivo. Por otro lado, la evaluación de la severidad del asma requiere de una visita hospitalaria y de incómodas pruebas, que no pueden aplicarse de una forma continua en el tiempo. De este modo, en el capítulo 4 se estudia el valor de la evaluación del ANS para la estratificación de adultos asmáticos. Para ello, se emplearon diferentes características extraídas de la HRV y la respiración, junto con varios parámetros clínicos, para entrenar un conjunto de algoritmos de clasificación. La inclusión de características relacionadas con el ANS para clasificar los sujetos atendiendo a la severidad del asma derivó en resultados similares al caso de utilizar únicamente parámetros clínicos, superando el desempeño de estos últimos en algunos casos. Por lo tanto, la evaluación del ANS podría representar un potencial complemento para la mejora de la monitorización de sujetos asmáticos.En el capítulo 5, se analiza la HRV en sujetos que padecen el síndrome de apnea del sueño (SAS) y comorbididades cardíacas asociadas. El SAS se ha relacionado con un incremento de 5 veces en el riesgo de desarrollar enfermedades cardiovasculares (CVD), que podría aumentar hasta 11 veces si no se trata convenientemente. Por otro lado, una HRV alterada se ha relacionado independientemente con el SAS y con numerosos factores de riesgo para el desarrollo de CVD. De este modo, este capítulo se centra en evaluar si una actividad autónoma desbalanceada podría estar relacionada con el desarrollo de CVD en pacientes de SAS. Los resultados del análisis revelaron una dominancia simpática reducida en aquellos sujetos que padecían SAS y CVD, en comparación con aquellos sin CVD. Además, un análisis retrospectivo en una base de datos de sujetos con SAS que desarollarán CVD en el futuro también reveló una actividad simpática reducida, sugiriendo que un ANS desbalanceado podría constituir un factor de riesgo adicional para el desarrollo de CVD en pacientes de SAS.La tercera parte está formada por los capítulos 6 y 7, y está centrada en diferentes aplicaciones del análisis de señales cardiorespiratorias en el campo de las ciencias del deporte. El capítulo 6 aborda la estimación del volumen tidal (TV) a partir del electrocardiograma (ECG). A pesar de que una correcta monitorización de la actividad respiratoria es de gran interés en ciertas enfermedades respiratorias y en ciencias del deporte, la mayor parte de la actividad investigadora se ha centrado en la estimación de la frecuencia respiratoria, con sólo unos pocos estudios centrados en el TV, la mayoría de los cuales se basan en técnicas no relacionadas con el ECG. En este capítulo se propone un marco de trabajo para la estimación del TV en reposo y durante una prueba de esfuerzo en tapiz rodante utilizando únicamente parámetros derivados del ECG. Errores de estimación del 14% en la mayoría de los casos y del 6% en algunos sugieren que el TV puede estimarse a partir del ECG, incluso en condiciones no estacionarias.Por último, en el capítulo 7 se propone una metodología novedosa para la estimación del umbral anaeróbico (AT) a partir del análisis de las dinámicas de repolarización ventricular. El AT representa la frontera a partir de la cual el sistema cardiovascular limita la actividad física de resistencia, y aunque fue inicialmente concebido para la evaluación de la capacidad física de pacientes con CVD, también resulta de gran interés en el campo de las ciencias del deporte, permitiendo diseñar mejores rutinas de entrenamiento o para prevenir el sobre-entrenamiento. Sin embargo, la evaluación del AT requiere de técnicas invasivas o de dispositivos incómodos. En este capítulo, el AT fue estimado a partir del análisis de las variaciones de las dinámicas de repolarización ventricular durante una prueba de esfuerzo en cicloergómetro. Errores de estimación de 25 W, correspondientesa 1 minuto en este estudio, en un 63% de los sujetos (y menores que 50 W en un 74% de ellos) sugieren que el AT puede estimarse de manera no invasiva, utilizando únicamente registros de ECG.<br /