Analisis del reconocimiento deemociones faciales en pacientes con

esquizofrenia y controles sanos.

L. Benigno ContrerasUniversidad Autonoma de San Luis Potosı

Email: l.b.c.c@outlook.com

8 de mayo de 2017

Resumen

El siguiente trabajo tiene como finalidad demostrar que es posible hacer una estimacion del enfoquede la mirada de sujetos con esquizofrenia para evaluar su estado y sirva como apoyo en el diagnostico deesta enfermedad. para esto se implemento un programa de adquisicion de datos utilizando Processing3,un software de distribucion libre, el eye-tracker de THE EYE TRIBE, que es un sensor de seguimientode mirada, y programas de extraccion de caracterısticas y analisis estadıstico en MATLAB.Los resultados preliminares muestran que con esta metodologıa es posible alcanzar los objetivos propuestosen esta tesis, ya que se han encontrado patrones similares a los reportados en la literatura.

1. Introduccion.

1.1. Patologıa.

La esquizofrenia es una de las enfermedades psiquiatricas mas devastadoras. Las personas con estaenfermedad generalmente son adultos en edad productiva que presentan sıntomas positivos de esta pato-logıa, es decir perdida de la organizacion cerebral, lo que puede llevar a un desajuste emocional y socialpara el individuo.

Segun la encuesta nacional de epidemiologıa psiquiatrica, en el paıs el 28.6 % de la poblacion nacionalpresenta algun tipo trastorno mental [enc]. Sin embargo no todos los casos de esta patologıa son atendidosen instituciones de salud mental, esto se debe a una combinacion de factores en los que se incluyen, elestadio del paciente y la baja capacidad de los hospitales psiquiatricos para atender a la demanda de estosservicios, lo anterior se muestra en la figura 1.1.

1.2. Alteraciones Visuales.

Existe una creciente cantidad de literatura donde se reporta que existe una prevalencia de alucina-ciones visuales entre el 25 % y 30 % de los individuos con esta patologıa, y entre el 50 % y 60 % reportantener distorsiones visuales, estas distorsiones y alucinaciones visuales tiene una gran importancia clınicaya que se ha encontrado una correlacion entre las alucinaciones visuales con distorsiones auditivas, y lasdistorsiones visuales con fallas cognitivas sociales y afectivas ademas de una menor respuesta al trata-miento.

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Figura 1: Pacientes atendidos en establecimientos de Salud Mental por tipo de diagnostico.

Una de las pruebas neurocognitivas para determinar el diagnostico de esquizofrenia consiste en mos-trar en una pantalla una fotografıa de una persona expresando alguna emocion(neutra, tristeza, enojo,alegrıa) y un letrero que puede corresponder o no a la expresion mostrada, existe en el mercado softwarededicado a realizar estas pruebas, uno de estos es el CNSV vital signs, durante la prueba el sujeto luegodebe determinar si el letrero con el nombre de la emocion y la imagen del rostro hacen referencia a lamisma emocion [clinico]. Despues estos datos se analizan por un experto para auxiliar en el diagnosticodel sujeto. Los acierto obtenidos en este tipo de pruebas neurocognitivas estan asociados a la dificultadpara reconocer emociones en las personas con esta patologıa.

El estudio de la mirada y sus patrones han sido tomados como puntos de referencia por los psicologossociales en estudios, con el fin de entender algunas de las interacciones que pueden haber entre el individuoy su entorno cuyas decisiones esten basadas principalmente en la vista, a partir de esto se ha generadola hipotesis que estas alteraciones generan la dificultad en los sujetos para reconocer las emociones y porconsiguiente experimentar un decremento en sus habilidades sociales.

1.3. Eye-tribe.

Actualmente existen dos metodos principales para hacer eye-tracking, el primero es con una camaraa distancia, y el segundo con camaras montadas en lentes especiales. Ambas tecnicas tiene sus ventajas,en el caso de las camaras a distancia, ofrecen una medicion confiable para el seguimiento de la mirada enpantallas, esto es utilizado principalmente en aplicaciones para Internet, mientras que los lentes ofrecen unseguimiento de la mirada en escenarios externos como supermercados. Si bien, estas tecnicas han encon-trado un nicho de desarrollo en el marketing, en el estudio de enfermedades se han hecho avances, comoel desarrollo de interfaces humano- computadora para sujetos con paralisis, o la medicion de la evoluciony la efectividad del tratamiento de enfermedades psiquiatricas.

Existen en el mercado diversos productos capaces de realizar seguimiento ocular a un costo bajo, paraeste trabajo se eligio el eye tracker desarrollado por THE EYE TRIBE por su bajo costo (99 USD almomento de sus adquisicion), cuenta con SDK (software development kit) y una interfaz USB 3.0 quelo hacen ideal para esta aplicacion. El rango dinamico del area de trabajo es de 50 cm X 30 cm a unadistancia de 65 cm, el espacio de deteccion esta entre 45 cm y 75 cm de distancia del sensor con unafrecuencia maxima de deteccion de 62.5 Hz (como se muestra en la figura 1).

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Figura 2: (A) Colocacion del Eye-tracker, (B) Espacio de trabajo del Eye-tracker.

Para el desarrollo de una aplicacion que permita realizar la prueba de manera automatica y quesimultaneamente sea capaz de tomar el registro del seguimiento de la mirada se decidio trabajar con Pro-cessing3. Esta es una plataforma libre de desarrollo de software basado en JAVA con enfoque a desarrollovisual, por lo que es ideal para desarrollar interfaces de usuario, ademas soporta la comunicacion con eleye-tracker.

Existen diversos paradigmas con respecto al estudio de los patrones de la mirada, principalmente el dedisenar un experimento segun el tipo de fenomeno que se quiere estudiar. Estos paradigmas son especial-mente evidentes en el area del estudio de la atencion, pues la correlacion entre el fenomeno y la respuestano es necesariamente evidente.

1.4. Objetivos Generales

Evaluar si los patrones de mirada de pacientes con esquizofrenia aporta informacion para el seguimientoy/o diagnostico de la patologıa.

1.4.1. Objetivos Particulares

- Establecer la comunicacion entre el eye tracker y la computadora.- Evaluar el error de seguimiento de la mirada de sujeto.- Registrar los patrones de mirada de un sujeto al ver un rostro.- A partir de los registros anteriores, extraer caracterısticas de los patrones de mirada.- Buscar caracterısticas que pudieran servir para la clasificacion entre sujetos sanos y patologicosmediante un analisis estadıstico.

2. Metodologıa

Para seguir la mirada se utilizo un sistema de seguimiento de movimiento ocular conocido como eye-tracker ; el cual se basa en la tecnica de seguimiento de mirada pupil center cornea reflexion (PCCR), lacual se basa en emitir un un haz de luz proveniente de un LED, el cual es reflejado por la cornea delojo, esto es conocido como destello, mientras que una camara captura la imagen del rostro del sujeto ypor medio de tecnicas de procesamiento de imagenes se realiza un censado entre la posicion relativa deldestello con el centro de la pupila. Esto se ilustra en la figura 3.

Para este proyecto se decidio utilizar el eye-tracker desarrollado por THE EYE TRIBE, esto porlas las siguientes razones:

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Figura 3: Representacion esquematica de la tecnica de PCCR para eye-tracking.

- Costo:Su costo era de $99 USD al momento de su compra, lo cual lo hace el mas barato del mercado.

- Tamano:Actualmente es el eye tracker tipo PCCR de menor tamano, por consiguiente el mas portatil del mercado.

- Versatilidad:El dispositivo cuenta con SDK para C#, C++ y Java, esto permite una gran versatilidad en aplicacionesde desarrollo de software, pues le da al programador una gran arsenal de herramientas ya implementadas.

Estas caracterısticas lo hacen ideal para la aplicacion que se propone desarrollar en este proyecto, unalista completa de las especificaciones de este dispositivo se muestra a continuacion en el cuadro 1. Ademasde este, existen en el mercado varios productos similares, como el Tobii Pro X3-120, con especificaciones yrangos dinamicos mas versatiles, pero su costo aumenta dramaticamente comparado con el EYE TRIBE,desde los $299 hasta los miles (dependiendo de la tecnica utilizada para hacer el seguimiento de mirada),es por esto que se decidio utilizar este sistema para el desarrollo de este proyecto

2.1. Prueba clınica

La prueba neurocognitiva consiste en mostrar un letrero mostrando alguna de las siguiente palabras,feliz, triste, enojado o neutral, por un periodo de dos segundo, seguido de una fotografıa de una personahaciendo alguna de las emociones durante 3 segundos, tiempo durante el cual el sujeto debera de apretaralgun boton del teclado en caso de que el letrero corresponda a la emocion expresada por la persona dela fotografıa, esto se ilustra en la Figura 4. Al mismo tiempo el programa censa y guarda las coordenadasde la mirada en un archivo .csv para su posterior analisis.

Para asegurar que los datos obtenidos durante esta prueba sean confiables se realizo un etapa previade calibracion, la cual consiste en dos etapas: la primera es mostrar en pantalla puntos, cuya coordenadaes conocida, de manera aleatoria y pedir al sujeto que fije su mirada en estos puntos, la segunda etapaconsiste en seguir con la mirada un objetivo movil cuya trayectoria se genera de manera aleatoria. Unavez superadas estas pruebas de calibracion se puede realizar la prueba neurocognitiva, de lo contrario sevuelve a realizar el proceso de calibracion.

Actualmente esta prueba clınica se esta llevando a cabo en la clınica psiquiatrica dr. Everardo Neu-

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Cuadro 1: Tabla de especificaciones del eye-tracker desarrollado por THE EYE TRIBE.

mann, con la colaboracion del Dr. Luis Guerrero y su equipo de medicos residentes. Hasta la fecha setienen los datos de pruebas realizadas a 11 sujetos sanos y 3 con esquizofrenia diagnosticada internadosen la clınica. Se esta en espera de realizar mas pruebas en sujetos sanos y paciente con esquizofreniadiagnosticada pero que no requieren hospitalizan.

El eye tracker es muy sensible a la iluminacion ambiental y a los movimientos de la cabeza, por lo quees necesario mantener un ambiente controlado durante la prueba y es necesario el uso de una mentonerapara reposar la cabeza durante la prueba.

3. Resultados preliminares

A partir de los datos obtenidos se obtuvieron los valores medios de cada caracterıstica para sujetosanos y patologicos, estos valores se muestran en la tabla 2.

Estos resultados se obtuvieron a partir de los datos obtenidos en la prueba clınica.

Distancia entre muestras.

∆di =

√(xi − xi+1)

2 + (yi − yi+1)2, ∀i ∈ {0, 1, ..., n− 1}. (1)

Tiempo entre muestras.

∆ti = ti − ti+1, ∀i ∈ {0, 1, ..., n− 1}. (2)

Velocidad entre muestras.

∆Vi =∆di∆ti

∀i ∈ {1, ..., n− 1}. (3)

Aceleracion entre muestras.

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Figura 4: (a) Imagen captada por el eye-tracker, (b) captura de imagen de la primer etapa de calibracion,(c) ruta de la mirada del sujeto durante la segunda etapa de calibracion, (d) ruta seguida por el objetivomovil durante la segunda etapa de calibracion(e) pantalla con letrero de la prueba neurocognitiva, (f) fotode persona haciendo una expresion facial. En este caso (e) y (f) no corresponden a la misma expresion,por lo que el sujeto a prueba no deberıa de presionar ninguna tecla.

∆Ai =∆Vi

∆ti∀i ∈ {1, ..., n− 1}. (4)

Donde n es el numero de muestras tomadas durante las pruebas.

Tiempo de respuesta.

Tans =m∑i=0

∆ti. (5)

Donde m es la muestra en donde el sujeto pulsa el teclado para dar su respuesta.

Fijaciones.

Para calcular las fijaciones se extrajeron mascaras de las fotografıas de emociones como se muestra en laFigura 5, la base de datos de emociones esta formada por 10 fotografıas de cada emocion (enojado, feliz,triste, neutral).

Para obtener el numero de fijaciones se cuentan cuantas veces se repite el valor en escala de grises dela coordenada (xi,yi) de cada imagen mostrada.

Entropıa de la fijaciones.

E = −k∑

i=1

p(ri)log2p(ri). ∀i ∈ {1, 2, ..., k} (6)

Donde k es el numero de regiones distintas que pudo ver el sujeto durante la prueba, y p(ri) es laprobabilidad de ver alguna de estas areas, en las figura 6 y la figura 7 se muestran rutas seguidas por unsujetos sano y un sujeto patologico respectivamente.

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Cuadro 2: Tabla de resultados preliminares

4. Cronograma de trabajo

En la tabla 3 se muestra el cronograma del trabajo realizado hasta el momento de la redaccion de estedocumento y las actividades que falta realizar para concluir este trabajo.

Cuadro 3: Cronograma de actividades

5. Conclusiones

A partir de los resultados preliminares se ve que el objetivo del proyecto se puede cumplir, sin embargo,estos resultados fueron obtenidos a partir de los datos obtenidos de 11 sujetos sanos y 3 sujetos patologicos,por lo que, para confirmar o no esto es necesario concluir con la prueba clınica para obtener los datos deal menos 40 sujetos tanto sanos como patologicos.

Referencias

[1] IESM-OMSinformesobreelsistemadesaludmentalenMxico.

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Figura 5: muestra de la obtencion de las mascaras en escalas de grises para determinar las areas de fijaciondurante la prueba, (a) emociones mostradas en la prueba, en la parte superior se muestra enojo, en laparte inferior neutro, (b) areas seleccionadas como areas de interes, (c) mascaras en escala de grises decada fotografıa.

[2] www.uade.inpsiquiatria.edu.mx/Articulos\%20Jorge/2003/Prevalencia\%20de\%20trast.\%

20ment.\%20y\%20uso\%20de\%20serv.2003.pdf

[3] http://www.inegi.org.mx/est/contenidos/proyectos/aspectosmetodologicos/

clasificadoresycatalogos/doc/clasificacion_de_tipo_de_discapacidad.pdf

[4] Schwab S, Wurmle O, Razavi N, Muri R, Altofer A. (2013) Eye-Head Coordination Abnormalitiesin Schizophrenia PLoS ONE 8(9):e74845.doi:10.1371/journal.pone.0074845

[5] Williams L, Loughland C, Green M, Harris A, Gordon E. (2003) Psychiatry Research Emotionperception in schizophrenia: an eye movement study comparing the effectiveness of risperidone vs.haloperidol

[6] Bachmann S, Degen C, Geider FJ, Schroder J. Neurological soft signs in the clinical course of schi-zophrenia: results of a meta-analysis. Front Psychiatry. 2014;5:185.

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Figura 6: Ruta de la mirada de un sujeto sano durante la prueba clınica.

Figura 7: Ruta de la mirada de un sujeto patologico durante la prueba clınica.

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