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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.47.2011.tde-13122011-132431
Document
Author
Full name
Fernando Henrique Magalhães
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2011
Supervisor
Committee
Kohn, Andre Fabio (President)
Ranvaud, Ronald Dennis Paul Kenneth Clive
Barela, José Angelo
Goroso, Daniel Gustavo
Mezzarane, Rinaldo André
Title in Portuguese
Efeitos de TENS e vibração sobre a geração de força e sobre o controle postural humano
Keywords in Portuguese
Desempenho motor
Estimulação elétrica
Postura
Vias aferentes
Vibrações
Abstract in Portuguese
Esta tese de doutorado está dividida em três capítulos. O primeiro capítulo teve sua fundamentação em resultados da literatura, que mostraram que a aplicação de trens de alta freqüência de estimulação elétrica na perna pode gerar forças maiores do que seria esperado pela estimulação direta de axônios motores, por um mecanismo central gerado em motoneurônios por ativação de sinapses de aferências sensoriais. O objetivo foi investigar se estímulos vibratórios aplicados ao tendão de Aquiles são também capazes de gerar torques extras de grande magnitude no grupo muscular do tríceps sural. Para tanto, o torque isométrico gerado pelo tornozelo foi medido em resposta a diferentes padrões de associação entre estímulos elétricos e mecânicos aplicados ao grupo muscular do tríceps sural. As salvas de estímulos vibratórios puderam gerar torques extras substanciais, que eram acompanhados por um aumento da excitabilidade motoneuronal, visto que foi observado um concomitante aumento na amplitude pico a pico das ondas F captadas no músculo sóleo. Esses resultados mostraram que estímulos vibratórios aplicados juntamente a uma estimulação elétrica basal podem gerar níveis de força consideráveis, devido ao recrutamento de motoneurônios na medula espinhal. Os resultados indicam que a associação entre vibração e estimulação elétrica pode ser benéfica para diversas intervenções terapêuticas e programas de exercícios baseados em vibração. O comando para a geração de torques extras pela vibração provavelmente ativa motoneurônios na medula espinhal seguindo o princípio do tamanho, o que é uma característica desejável para paradigmas de estimulação. O segundo capítulo teve como ponto de partida o fato de que, quando indivíduos exercem um leve toque com a ponta dedo indicador sobre uma superfície estacionária, observa-se uma melhora na estabilidade postural. Nosso estudo investigou se uma melhora adicional na estabilidade postural pode ser atingida pela aplicação de um baixo nível de ruído mecânico (ruído vibratório) à superfície de contato com o dedo. Tal hipótese foi baseada na teoria da ressonância estocástica, que consiste na idéia de que a detecção e transmissão de um sinal fraco ou subliminar podem ser otimizadas pela presença de um nível particular de ruído. Os sujeitos permaneceram em postura ortostática sobre uma plataforma de força, enquanto tocavam com a ponta do dedo indicador direito um aparato usado para produzir oscilações vibratórias na superfície de contato do dedo. Parâmetros caracterizando as oscilações posturais foram computados a partir de medidas provenientes dos sinais do centro de pressão (adquiridos por uma plataforma de força). Os resultados mostraram que a aplicação de um ruído vibratório à superfície de contato do dedo causou uma melhora significativa na estabilidade postural quando comparada à condição em que a superfície de contado permanecia estacionária. Os resultados podem ter implicações clínicas relevantes em relação ao projeto de dispositivos de auxílio a pessoas com déficits sensório-motores, como bengalas, visando aumentar a estabilidade postural. Por fim, o terceiro capítulo investigou os efeitos da aplicação de ruído elétrico nos músculos da perna sobre o controle neuromuscular (i.e. variabilidade da força de flexão plantar exercida isometricamente) e sobre o controle postural humano (i.e. medida das oscilações posturais por uma plataforma de força). Os resultados mostraram pela primeira vez que um ruído elétrico abaixo do limiar sensorial pode causar uma melhora no controle neuromuscular durante uma tarefa de manter um determinado nível de força isométrica o mais constante possível, por mecanismo provavelmente associado à ressonância estocástica. Além disso, foi encontrada uma correlação significativa entre as reduções obtidas na variabilidade do torque e as reduções observadas em algumas medidas do centro de pressão, indicando que a variabilidade do torque de flexão plantar obtida com os sujeitos sentados pode ser um bom indicativo da amplitude das oscilações posturais para certas intervenções. Em conjunto, os resultados indicam um potencial de uso clínico de estimulações com ruído elétrico para a melhora do controle neuromuscular de pessoas com diferentes acometimentos sensório-motores.
Title in English
Effects of TENS and vibration on force generation and on human postural control
Keywords in English
Afferent pathways
Electrical stimulation
Motor performance
Posture
Vibrations
Abstract in English
This doctorate thesis is divided into three chapters. The first chapter was inspired on previous results from the literature which showed that high-frequency trains of electrical stimulation applied over the lower limb muscles can generate forces higher than would be expected by direct activation of motor axons, by a mechanism generated within the central nervous system by synaptic input from sensory afferents to motoneurons. The objective was to investigate if vibration applied to the Achilles tendon is also able to generate large magnitude extra torques in the triceps surae muscle group. The isometric ankle torque was measured in response to different patterns of coupled electrical and mechanical stimuli applied to the triceps surae muscle group. The vibratory bursts could generate substantial extra torques that were accompanied by increased motoneuron excitability, since a parallel increase in the peak-to-peak amplitude of soleus F waves was observed. These results showed that vibratory stimuli applied with a background electrical stimulation generate considerable force levels due to the spinal recruitment of motoneurons. So, the association of vibration and electrical stimulation could be beneficial for many therapeutic interventions and vibration-based exercise programs. The command for the vibration-induced extra torques presumably activates spinal motoneurons following the size principle, which is a desirable feature for stimulation paradigms. The second chapter was based on the knowledge that when a subjects index fingertip touches lightly a rigid and stationary surface there is an improvement of his/her postural stability. Our study investigated whether a further increase in postural steadiness may be achieved by applying a low level mechanical noise (vibratory noise) to the fingertip contact surface. Such a hypothesis is based on the stochastic resonance theory, which says that the detection and transmission of a weak or sub-threshold input signal may be enhanced by the presence of a particular level of noise. The subjects stood as quietly as possible over a force plate while touching with their right index fingertip a surface that could be either quiescent or vibrated. Body sway parameters were computed from measurements of the center of pressure (acquired from the force plate). The results showed that the delivery of the vibratory noise to the fingertips contact surface caused a significant improvement on postural stability when compared with the condition in which the surface was stationary. The results could be helpful for the design of rehabilitation aids such as canes commonly used to improve stability in people with sensory deficits. Finally, in the third chapter, the effects of electrical noise applied to the leg muscles on neuromuscular control (i.e. isometric plantar flexion force variability) and on human postural control (i.e. measures of postural sway) were investigated. The results showed for the first time that a sub-threshold electrical noise may improve neuromuscular control during a task in which an isometric force level is maintained as constant as possible, presumably by a stochastic resonance mechanism. Furthermore, a significant correlation was found between the reductions in torque variability and the improvements in postural sway, indicating that plantarflexion torque variability acquired while subjects are in a seated position may provide a good estimate of their postural sway under the same intervention. Taken together, the results indicate the potential for the clinical usage of noise-based stimulations to enhance neuromuscular control in a population with sensory-motor impairments.
 
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TESE_FHM.pdf (2.55 Mbytes)
Publishing Date
2012-05-15
 
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  • Magalhães, F.H., and KOHN, A. F. Vibration-enhanced posture stabilization achieved by tactile supplementation: May blind individuals get extra benefits? [doi:10.1016/j.mehy.2011.04.040]. Medical Hypotheses [online], 2011, vol. 77, p. 301-304.
  • Magalhães, F.H., and KOHN, A. F. Vibration-induced extra torque during electrically-evoked contractions of the human calf muscles [doi:10.1186/1743-0003-7-26]. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation [online], 2010, vol. 7, p. 1-16.
  • Magalhães, F.H., and KOHN, A. F. Vibratory noise to the fingertip enhances balance improvement associated with light touch [doi:10.1007/s00221-010-2529-3]. Experimental Brain Research [online], 2011, vol. 209, p. 139-151.
  • Magalhães, Fernando Henrique, and KOHN, A. F. Imperceptible electrical noise attenuates isometric plantar flexion force fluctuations with correlated reductions in postural sway [doi:10.1007/s00221-011-2983-6]. Experimental Brain Research [online], 2012, vol. 217, p. 175-186.
  • Magalhães, Fernando Henrique, DE TOLEDO, DIANA REZENDE, and Kohn, André Fabio. Plantar flexion force induced by amplitude-modulated tendon vibration and associated soleus V/F-waves as an evidence of a centrally-mediated mechanism contributing to extra torque generation in humans [doi:10.1186/1743-0003-10-32]. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation [online], 2013, vol. 10, p. 32.
  • MELLO, Emanuele Moraes, Magalhães, Fernando Henrique, and Kohn, André Fabio. Larger plantar flexion torque variability implies less stable balance in the young: An association affected by knee position [doi:10.1016/j.humov.2013.05.004]. Human Movement Science [online], 2013, vol. 32, p. 1-15.
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  • Magalhães, F.H., MELLO, Emanuele Moraes, e KOHN, A. F. Associação entre a amplitude das oscilações posturais e a variabilidade da força de flexão plantar durante contrações isométricas e não isométricas. In Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica, Porto de Galinhas, 2012. Anais do XXIII CBEB 2012., 2012.
  • Magalhães, F.H., TOLEDO, D. R., e KOHN, A. F. Força de flexão plantar associada à excitabilidade motoneuronal induzida por vibração do tendão de Aquiles. In XIV Congresso Brasileiro de Biomecânica, Ribeirão Preto, 2011. Anais do XIV Congresso Brasileiro de Biomecânica.São Paulo : SBB, 2011. Resumo.
  • MELLO, Emanuele Moraes, Magalhães, F.H., and KOHN, A. F. Plantarflexion torque variability in extended and flexed knee positions. In 2011 Biomedical Engineering Society Annual Meeting, Hartoford, 2011. Annals of the 2011 Biomedical Engineering Society Annual Meeting. : BMES, 2011. Abstract.
  • MEZZARANE, R. A., et al. Responsiveness of H- and T-reflexes of soleus muscle to presynaptic inhibition induced by a low frequency train of stimuli. In Meeting of the Society for Neuroscience, New Orleasns, 2012. CD Annals of the SfN Meeting.Washington : Society for Neuroscience, 2012. Abstract.
  • MEZZARANE, R. A., Magalhães, F.H., e Andre F. Kohn. Estudo de flutuações síncronas na excitabilidade de reflexos tendinosos bilaterais em humanos. In Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica, Porto de Galinhas, 2012. Anais do XXIII CBEB., 2012.
  • MEZZARANE, R. A., et al. Experimental and Simulated EMG Responses in the Study of the Human Spinal Cord. In Hande Turker. Electromyography [online]. Organizador. Rijeka : InTech Open Access Publisher, 2013{Volume}. chap. 1, p. 1-32.http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/47/47135/tde-13122011-132431/
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