Current state of digital signal processing in myoelectric interfaces and related applications

This review discusses the critical issues and recommended practices from the perspective of myoelectric interfaces. The major benefits and challenges of myoelectric interfaces are evaluated. The article aims to fill gaps left by previous reviews and identify avenues for future research. Recommendations are given, for example, for electrode placement, sampling rate, segmentation, and classifiers. Four groups of applications where myoelectric interfaces have been adopted are identified: assistive technology, rehabilitation technology, input devices, and silent speech interfaces. The state-of-the-art applications in each of these groups are presented.Peer reviewe

Kohti yläraaja-proteesien ohjausta pintaelektromyografialla

The loss of an upper limb is a life-altering accident which makes everyday life more difficult.A multifunctional prosthetic hand with an user-friendly control interface may significantlyimprove the life quality of amputees. However, many amputees do not use their prosthetichand regularly because of its low functionality, and low controllability. This situation callsfor the development of versatile prosthetic limbs that allow amputees to perform tasks thatare necessary for activities of daily living. The non-pattern based control scheme of the commercial state-of art prosthesis is rather poorand non-natural. Usually, a pair of muscles is used to control one degree of freedom. Apromising alternative to the conventional control methods is the pattern-recognition-basedcontrol that identifies different intended hand postures of the prosthesis by utilizing theinformation of the surface electromyography (sEMG) signals. Therefore, the control of theprosthesis becomes natural and easy. The objective of this thesis was to find the features that yield the highest classificationaccuracy in identifying 7 classes of hand postures in the context of Linear DiscriminantClassifier. The sEMG signals were measured on the skin surface of the forearm of the 8 ablebodiedsubjects. The following features were investigated: 16 time-domain features, twotime-serial-domain features, the Fast Fourier Transform (FFT), and the Discrete WaveletTransform (DWT). The second objective of this thesis was to study the effect of the samplingrate to the classification accuracy. A preprocessing technique, Independent ComponentAnalysis (ICA), was also shortly examined. The classification was based on the steady statesignal. The signal processing, features, and classification were implemented with Matlab. The results of this study suggest that DWT and FFT did not outperform the simple andcomputationally efficient time domain features in the classification accuracy. Thus, at least innoise free environment, the high classification accuracy (> 90 %) can be achieved with asmall number of simple TD features. A more reliable control may be achieved if the featuresare selected individually of a subset of the effective features. Using the sampling rate of 400Hz instead of commonly used 1 kHz may not only save the data processing time and thememory of the prosthesis controller but also slightly improve the classification accuracy.ICA was not found to improve the classification accuracy, which may be because themeasurement channels were placed relatively far from each other.Yläraaja-amputaatio vaikuttaa suuresti päivittäiseen elämään. Helposti ohjattavalla toiminnallisillaproteeseilla amputoitujen henkilöiden elämänlaatua voitaisiin parantaa merkittävästi.Suurin osa amputoiduista henkilöistä ei kuitenkaan käytä proteesiaan säännöllisesti proteesinvähäisten toimintojen ja vaikean ohjattavuuden vuoksi. Olisikin tärkeää kehittää helpostiohjattava ja riittävästi toimintoja sisältävä proteesi, joka mahdollistaisi päivittäisessäelämässä välttämättömien tehtävien suorittamisen. Markkinoilla olevat lihassähköiset yläraajaproteesit perustuvat yksinkertaiseen hahmontunnistustahyödyntämättömään ohjaukseen, jossa lihasparilla ohjataan yleensä yhtä proteesinvapausastetta. Lupaava vaihtoehto perinteisille ohjausmenetelmille on hahmontunnistukseenpohjautuva ohjaus. Se tunnistaa käyttäjän käden asennot käsivarren iholta mitatun lihassähkösignaalinsisältämän informaation avulla mahdollistaen helpon ja luonnollisen ohjauksen. Tämän diplomityön tavoitteena oli löytää piirteet, jolla seitsemän erilaista käden asentoa pystytäänluokittelemaan mahdollisimman tarkasti lineaarisella diskriminantti luokittelijalla.Lihassähkösignaalit mitattiin kahdeksan ei-amputoidun koehenkilön käsivarresta ihon pinnallekiinnitetyillä elektrodeilla. Työssä vertailtiin seuraavia piirteitä: 16 aika-alueen piirrettä,kaksi aikasarja-alueen piirrettä, nopea Fourier-muunnos (FFT), diskreetti Aallokemuunnos(DWT). Työn toinen tavoite oli tutkia näytteenottotaajuuden vaikutusta luokittelutarkkuuteen.Myös esiprosessointia riippumattomien komponenttien analyysillä tutkittiinlyhyesti. Luokittelu tehtiin staattisen lihassupistuksen aikana mitatun signaalin perusteella.Signaalin prosessointi, piirteet ja luokittelu toteutettiin Matlabilla. Tämän tutkimuksen tulokset osoittivat, etteivät diskreetti Aalloke-muunnos ja nopea Fouriermuunnosyllä laskennallisesti tehokkaampia aika-alueen piirteitä parempaan luokittelutarkkuuteen.Pienellä määrällä yksinkertaisia aika-alueen piirteitä voidaan saavuttaa hyvä luokittelutarkkuus(>90 %). Luokittelutarkkuutta voitaneen edelleen parantaa valitsemalla optimaalisetpiirteet yksilöllisesti pienestä joukosta hyviksi havaittuja piirteitä. Käyttämällä 400Hz:n näytteenottotaajuutta yleisesti käytetyn 1 kHz:n sijasta, voidaan sekä säästää prosessointiaikaaja proteesin prosessorin muistia että myös parantaa hieman luokittelutarkkuutta.Esiprosessointi riippumattomien komponenttien analyysillä ei parantanut luokittelutarkkuutta,mikä johtunee siitä, että mittauskanavat olivat suhteellisen kaukana toisistaan

Processing of an Audiobook in the Human Brain Is Shaped by Cultural Family Background

Perception of the same narrative can vary between individuals depending on a listener’s previous experiences. We studied whether and how cultural family background may shape the processing of an audiobook in the human brain. During functional magnetic resonance imaging (fMRI), 48 healthy volunteers from two different cultural family backgrounds listened to an audiobook depicting the intercultural social life of young adults with the respective cultural backgrounds. Shared cultural family background increased inter-subject correlation of hemodynamic activity in the left-hemispheric Heschl’s gyrus, insula, superior temporal gyrus, lingual gyrus and middle temporal gyrus, in the right-hemispheric lateral occipital and posterior cingulate cortices as well as in the bilateral middle temporal gyrus, middle occipital gyrus and precuneus. Thus, cultural family background is reflected in multiple areas of speech processing in the brain and may also modulate visual imagery. After neuroimaging, the participants listened to the narrative again and, after each passage, produced a list of words that had been on their minds when they heard the audiobook during neuroimaging. Cultural family background was reflected as semantic differences in these word lists as quantified by a word2vec-generated semantic model. Our findings may depict enhanced mutual understanding between persons who share similar cultural family backgrounds

Processing of an Audiobook in the Human Brain Is Shaped by Cultural Family Background

Perception of the same narrative can vary between individuals depending on a listener’s previous experiences. We studied whether and how cultural family background may shape the processing of an audiobook in the human brain. During functional magnetic resonance imaging (fMRI), 48 healthy volunteers from two different cultural family backgrounds listened to an audiobook depicting the intercultural social life of young adults with the respective cultural backgrounds. Shared cultural family background increased inter-subject correlation of hemodynamic activity in the left-hemispheric Heschl’s gyrus, insula, superior temporal gyrus, lingual gyrus and middle temporal gyrus, in the right-hemispheric lateral occipital and posterior cingulate cortices as well as in the bilateral middle temporal gyrus, middle occipital gyrus and precuneus. Thus, cultural family background is reflected in multiple areas of speech processing in the brain and may also modulate visual imagery. After neuroimaging, the participants listened to the narrative again and, after each passage, produced a list of words that had been on their minds when they heard the audiobook during neuroimaging. Cultural family background was reflected as semantic differences in these word lists as quantified by a word2vec-generated semantic model. Our findings may depict enhanced mutual understanding between persons who share similar cultural family backgrounds

Mitokondriaalinen resessiivinen ataksiasyndrooma ja valproaattihoidon toksisuus

Mitokondriaalinen resessiivinen ataksiasyndrooma (MIRAS) voi ilmetä lapsuus-, nuoruus- tai aikuisiällä. Tauti johtuu polymeraasi gamma -geenin mutaatioista. Oireisto vaihtelee lasten enkefaliitin tyyppisestä akuutista taudinkuvasta nuorten vaikeahoitoiseen epilepsiaan ja migreenityyppiseen päänsärkyyn sekä aikuisiän ataksiaan, ääreishermorappeumaan, psykiatrisiin oireisiin ja älyllisten toimintojen heikkenemiseen. Epilepsiaa tulee hoitaa aktiivisesti, koska se on tärkein potilaan ennustetta huonontava tekijä. Akuuttina status epilepticuksena alkava MIRAS on tärkeä tunnistaa, koska valproaattihoito aiheuttaa näille potilaille lähes poikkeuksetta akuutin, jopa maksansiirtoa vaativan maksavaurion. Suomessakin on vuosien varrella kuollut toistakymmentä lasta ja nuorta valproaatin indusoiman MIRAS-maksavaurion vuoksi. English summary: Mitochondrial recessive ataxia syndrome (MIRAS) and valproate toxicity The clinical phenotypes vary considerably and can be divided into three groups: 1) childhood-onset encephalopathy and hepatopathy, 2) juvenile onset refractory epilepsy and migraine-like headaches, and 3) adult-onset ataxia and neuropathy with additional symptoms such as psychiatric symptoms and cognitive impairment. The life-threatening MIRAS epilepsy should be actively treated, as it is associated with poor prognosis. The form of MIRAS, starting as acute, treatment resistant epilepsy, is important to diagnose, since valproate therapy almost always leads to acute liver failure requiring liver transplantation

MANF is indispensable for the proliferation and survival of pancreatic beta-cells

All forms of diabetes mellitus (DM) are characterized by the loss of functional pancreatic β cell mass, leading to insufficient insulin secretion. Thus, identification of novel approaches to protect and restore β cells is essential for the development of DM therapies. Mesencephalic astrocyte-derived neurotrophic factor (MANF) is an endoplasmic reticulum (ER)-stress-inducible protein, but its physiological role in mammals has remained obscure. We generated MANF-deficient mice that strikingly develop severe diabetes due to progressive postnatal reduction of β cell mass, caused by decreased proliferation and increased apoptosis. Additionally, we show that lack of MANF in vivo in mouse leads to chronic unfolded protein response (UPR) activation in pancreatic islets. Importantly, MANF protein enhanced β cell proliferation in vitro and overexpression of MANF in the pancreas of diabetic mice enhanced β cell regeneration. We demonstrate that MANF specifically promotes β cell proliferation and survival, thereby constituting a therapeutic candidate for β cell protection and regeneration.Peer reviewe