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Dissertação de Mestrado
Documento
Autor
Nome completo
Ana Fernández Márquez
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2017
Orientador
Banca examinadora
Kohn, Andre Fabio (Presidente)
Magalhães, Fernando Henrique
Watanabe, Renato Naville
Título em português
Fenômeno de ressonância estocástica na percepção tátil em resposta a sinais determinísticos e aleatórios.
Palavras-chave em português
Bioengenharia
Estimulação tátil
Resumo em português
A ressonância estocástica (RE) mostra que certos níveis de ruído ajudam na detecção e transmissão de sinais subliminares. Melhorias no desempenho do sistema somato-sensorial e motor (dentre outros) têm sido obtidos por meio da RE gerada pela utilização de sinais aditivos de intensidade ótima. O sinal aditivo (SA) mais comumente utilizado é o ruído branco gaussiano (RBG). Este estudo teve como objetivo verificar se é possível gerar RE no sistema sensorial tátil usando como SA um sinal senoidal e comparar estes resultados com os obtidos realizando o mesmo experimento com SA de tipo RBG. Os sinais usados no experimento foram definidos como sinal de estímulo (SE) de 3Hz a ser reconhecido com a ajuda dos SA, sinal aditivo senoidal (SAS) de 150Hz e sinal aditivo de ruido branco gaussiano (SARBG) filtrado a 150Hz. Na primeira parte do estudo foi feita uma simulação do modelo de neurônio de Hodgkin e Huxley para verificar se na teoria podia se obter RE para SE e SA senoidais. Foi injetado um sinal senoidal de 3Hz no modelo com uma intensidade para a qual o neurônio não conseguia gerar potencial de ação (PA). Quando a este sinal inicial foi adicionado um sinal senoidal de frequência superior, o neurônio conseguiu responder. A mesma resposta foi obtida quando o SA usado foi RBG, conseguindo mostrar de forma qualitativa a nossa hipótese a partir de um modelo simulado. Posteriormente foi realizado um estudo psicofísico com 20 voluntários (11 homens e 9 mulheres) para verificar o desempenho do SAS e comparar este com o desempenho de SARBG para a detecção sensorial do SE. Primeiro foi achado o limiar de detecção (LD) para cada um dos sinais usados e no experimento este valor foi usado para determinar a intensidade de estímulo. No caso do SE a intensidade foi definida como 80% do LD de cada voluntário. No caso dos SA a intensidade foi variando entre 0% até 80% do LD, com o objetivo de se encontrar a melhor proporção de SA adicionado para detectar o SE. Em 90% dos casos conseguiu-se gerar RE tanto empregando um sinal senoidal de frequência rápida como SA, quanto utilizando-se RBG. Ambos SAs apresentaram uma melhoria estatisticamente significativa na proporção de detecção (PD) do SE. Porém, nenhum dos SA apresentou um melhor desempenho em relação ao outro, de maneira que poderia ser usado tanto um quanto outro tipo de SA para gerar RE no sistema somato-sensorial. Este trabalho é pioneiro em usar uma combinação de senóides para gerar RE e abre as portas à elaboração e desenvolvimento de dispositivos biomédicos que contenham uma parte geradora de RE e consigam melhorar a estabilidade e controle postural em pessoas com deficiência motora ou somato-sensorial.
Título em inglês
Stochastic resonance phenomenon in tactile perception in response to deterministic and random signals.
Palavras-chave em inglês
Detection threshold
Sinusoidal signal
Stochastic resonance
White gaussian noise
Resumo em inglês
Stochastic ressonance (SR) shows that certain levels of noise help to detect and transmit subliminal signals. Improvements in the performance of the somatosensory and motor systems (among others) have been obtained through the SR generated using additive signals with optimal intensity. The most commonly used additive signal (AS) is white Gaussian noise (WGN). This study aimed to verify whether it is possible to generate SR in the tactile sensory system using a sinusoidal signal as the AS and, at the same time, compare the results when the AS was WGN. The signals used in the experiments were defined as 3Hz for the stimulus signal (SS), to be recognized with the aid of ASs. These were either a sinuoid of 150Hz additive sinusoidal signal (ASS) or a white Gaussian noise additive signal (WGNAS) filtered at 150Hz. In the first part of the study a simulation of the Hodgkin and Huxley neuron model was made to verify if it could undergo SR for the same types of SS and AS mentioned before. A 3Hz sine signal was injected into the model with an intensity at which the neuron could not generate action potentials. When a higher frequency sine wave was added to this initial signal, the neuron could respond. The same behaviour was obtained when the additive signal used was WGN, giving, hence, a qualitative confirmation of our hypothesis. A psychophysical study was then carried out with 20 volunteers (11 men and 9 women) to verify the performance of the ASS and compare it with the WGNAS for the sensory detection of the sinusoidal SS. Initially, the detection threshold (DT) was found for each of the signals used. During the experiment, this value was used to determine the stimulus intensity. In the case of the SS the intensity was defined as 80 % of the DT of each volunteer. In the case of ASs, the intensity varied from 0% to 80% of the DT, in order to find the best proportion of AS added to detect the SS. In 90% of the cases it was possible to generate SR using either a fast frequency ASS or the WGNAS. Both ASs showed a statistically significant improvement in the detection rate (DR) of the SS. However, none of ASs performed better than the other, so that both types could be used to generate SR in the somatosensory system. This work has pioneered the use of a combination of sinusoids to generate SR and opens the door to the development of biomedical devices that help generate SR to provide stability improvement and better postural control for people with motor or somatosensory impairment.
 
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Data de Publicação
2017-10-26
 
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