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ESTUDIOS DE I+D+I

Número 44

Estudio de la aplicación de un sistema de entrenamiento bioeléctrico para valorar la idoneidad de los candidatos a usuarios de

prótesis bioeléctricas y para el control de otros sistemas externos

Autor: Alonso Alonso, Alonso Filiación: Universidad de Valladolid Contacto: alonso3@tel.uva.es Convocatoria: 2006 Para citar este documento: ALONSO ALONSO, Alonso (2006). “Estudio de la aplicación de un sistema de entrenamiento bioeléctrico para valorar la idoneidad de los candidatos a usuarios de prótesis bioeléctricas y para el control de otros sistemas externos”. Madrid, IMSERSO, Estudios I+D+I, nº 44. [Fecha de publicación: 01/08/2007]. <http://www.imsersomayores.csic.es/documentos/documentos/imserso-estudiosidi-44.pdf>

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Resumen Se pretende valorar la viabilidad de un sistema de análisis de señales mioeléctricas como herramienta de entrenamiento y valoración de la adecuación de un amputado como candidato a prótesis mioeléctrica, como interfaz de comunicación de discapacitados motores severos a través de un ordenador portátil, o como posible interfaz de control domótico en el entorno de vivienda adaptada. La tarea consiste, en primer lugar, en construir un nuevo prototipo del sistema, en segundo lugar, emplear dicho equipo sobre discapacitados, en su propio entorno, empleando para algunos de ellos herramientas de simulación apropiadas. Se definirán protocolos adecuados en cada caso , y se valorará la eficiencia del sistema, que indicará la viabilidad del prototipo respecto a los objetivos propuestos.

ESTUDIO DE LA APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE ENTRENAMIENTO

MIOELÉCTRICO PARA VALORAR LA IDONEIDAD DE LOS CANDIDATOS A USUARIOS DE PRÓTESIS MIOELÉCTRICAS Y PARA EL CONTROL DE

OTROS SISTEMAS EXTERNOS.

Director del Proyecto: Alonso Alonso Alonso

MEMORIA DEL PROYECTO REALIZADO.

1 DATOS DEL INVESTIGADOR PRINCIPAL: NOMBRE: Alonso Alonso Alonso. ENTIDAD: Universidad de Valladolid. DIRECCIÓN: E.T.S.I. de Telecomunicación. C/ Camino del Cementerio s/n, 47011 – Valladolid CONTACTO: tf: 983 185571; 983 423666; FAX: 983 423667; e-mail: alonso3@tel.uva.es

2 DENOMINACIÓN DEL PROYECTO: ESTUDIO DE LA APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE ENTRENAMIENTO MIOELÉCTRICO PARA VALORAR LA IDONEIDAD DE LOS CANDIDATOS A USUARIOS DE PRÓTESIS MIOELÉCTRICAS Y PARA EL CONTROL DE OTROS SISTEMAS EXTERNOS. Nº del proyecto: 69/05

3 PERIODO DE EJECUCIÓN 1 de Septiembre 2005 hasta el 31 de Diciembre de 2006.

4 RESUMEN ECONÓMICO: ORIGEN DE LA FINANCIACIÓN: Para el desarrollo de las tareas propuestas en el proyecto se han empleado los siguientes medios:

• Subvención de 8.000 € del IMSERSO • Materiales, investigadores y otros medios de laboratorio de nuestro grupo de

investigación No se ha recurrido a ninguna otra fuente de financiación DESGLOSE DE GASTO:

• Gastos de Personal: 0€ • Material Inventariable: 4323,38 • Material Fungible: 2260,83 • Viajes y Dietas: 688,52 • Contratación de Trabajos de Campo: 0€ • Otros Gastos: 0€

• Gastos Indirectos: 727,27€ o Total: 8.000€ procedentes de la subvención.

Gastos Estimados del Uso de Medios Propios (que no han sido totalmente cuantificados y a los que no se ha atribuido un coste económico real):

• Horas de Ingeniero: superior a las 300 horas (sin coste económico real) • Amortización de equipos de Laboratorio e informáticos: aproximadamente 300€ (sin

coste económico real) • Material fungible preexistente: aproximadamente 200€ (sin coste económico real) • Uso de Instalaciones: difícil de cuantificar (sin coste económico real)

5 METODOLOGÍA O INSTRUMENTOS UTILIZADOS El desarrollo del proyecto no ha sido muy complejo en cuanto a la gestión de tareas. Los objetivos propuestos se alcanzaron siguiendo un esquema de tareas típico que se elaboró para la memoria técnica del proyecto y que estaba diseñada para 16 meses de duración. Debido al retraso de la disponibilidad de la subvención, la ejecución de las tareas tuvo que comprimirse para intentar ser acabadas antes del 31 de Diciembre de 2006. En resumen, la metodología de actuación comprendía:

• Desarrollo de nuevos equipos electrónicos para la captación de señales de EMG y de MMG y su digitalización para poder ser captadas en tiempo real por un ordenador convencional y apropiado para poder ser usado en entornos no normalizados (fuera de los laboratorios).

• Desarrollo de un equipo de activación mediante parpadeos (no contemplado en el proyecto inicial) para controlar elementos diversos mediante un ordenador.

• Desarrollo y mejora de diversos programas de ordenador para el control de los equipos anteriores, para el tratamiento de las señales recibidas y para la simulación de actuaciones (entrenador, teclado virtual y navegador virtual).

• Prueba de los prototipos con personas no discapacitadas. • Elección del perfil de discapacidad más adecuado para la prueba de los prototipos. • Prueba real con personas discapacitadas que se correspondan con los perfiles

escogidos. o Demostrar la utilidad de nuestro sistema "SEM" como entrenador para usuarios

de prótesis mioeléctricas, trabajando sobre amputados de brazo. o Demostrar la viabilidad del uso de nuestro "SEM" como interfaz de ayuda a la

comunicación en grandes discapacitados. o Demostrar la utilidad del "SEM" para la actuación de sistemas domóticos

externos o para el guiado de sillas de ruedas, mediante simulación gráfica de dichos sistemas.

• Contacto con Asociaciones de discapacitados y con CEAPAT para el intercambio de

información, difusión sobre el prototipo. • Uso continuado de los prototipos por personas discapacitadas mediante gestión del

CEAPAT, de otras Asociaciones o mediante nuestra propia gestión.

En cuanto a la metodología usada en las pruebas con los discapacitados, ha sido la siguiente: Se trata de emplear nuestro prototipo portátil como interfaz para el control de sistemas externos, acudiendo a las asociaciones, agrupaciones u hogares donde se encuentra en los individuos con discapacidad objetos del estudio y siguiendo los protocolos que se describen. A).- Los primeros candidatos son los amputados de miembro superior por encima y por debajo del codo. Sobre estos pacientes se empleó nuestro sistema como entrenador de prótesis mioeléctrica virtual. Se ha seguido un protocolo que consiste en las siguientes etapas: • Búsqueda de los mejores puntos para la recogida de las señales de SEMG que se

emplearán en el control, bien sobre los músculos residuales del muñón (lo más interesante) o sobre otros grupos de músculos diferentes (tal como se hace con las prótesis reales). Para ello se visualizan las señales en el ordenador empleando nuestro sistema.

• Ensayos iniciales de la capacidad de control de amputados, empleando un ejercicio específico que tenemos desarrollado sobre el PC que emplea el prototipo. Si se supera con éxito se pasa a la siguiente etapa, si no es así se vuelve a la etapa anterior y se replantean los puntos de recogida de las señales de control.

• Si se supera el ejercicio anterior se pasa a manejar la prótesis virtual, que se visualiza en apariencia tridimensional en la pantalla del ordenador. Hay definidos una serie de ejercicios de complejidad creciente e en los cuales se parte de una posición inicial de la prótesis virtual y donde se indica en pantalla la posición objetivo que debe alcanzarse en el menor tiempo posible. De cada ensayo el programa anota la identificación del paciente, la fecha, la hora, el tipo de ejercicio y el tiempo empleado para completarlo. De estos registros podemos evaluar la evolución del aprendizaje y la capacidad de manejo de una prótesis mioeléctrica real por parte del amputado.

• En nuestros ensayos sobre personas sin amputación siempre se han conseguido dominar todos estos ejercicios en muy poco tiempo (inferior a dos días). Se empleaban en estos casos los músculos bíceps y tríceps del brazo y se conseguían la flexión y extensión del codo, rotación de la muñeca y apertura y cierre de la mano. Esta ha sido la meta también para el caso de los amputados, pero sacando las señales preferentemente a partir de los músculos residuales del muñón.

B).- los siguientes candidatos son los discapacitados muy severos, con escasa capacidad de comunicación (por supuesto sin capacidad de hablar). En este caso se emplea nuestro "SEM" como interfaz hacia un teclado virtual presentado en la pantalla del ordenador y donde el sujeto puede dirigir un cursor hacia las letras escogidas para formar el mensaje deseado. También se realizaron otros ejercicios de control relacionados con el movimiento ya que los pacientes también están interesados en conocer su capacidad de control en este caso. C).- Los últimos candidatos se eligen entre parapléjicos con lesión medular alta, con muy escasa capacidad para manejar los brazos y las manos. En este caso el "SEM" o el nuevo sistema de parpadeo se emplea como interfaz para enviar un cursor a través de un plano dibujado en la pantalla, de modo que puede demostrarse la capacidad para guiar un robot externo de asistencia, o bien la propia silla de ruedas. Por otra parte se ha programado también una pantalla especial con una serie de botones y de barras deslizantes que simularía un sistema de panel de control domótico (encendido y apagado de equipos, actuación sobre puertas, ventanas, persianas, alarmas, etc.). Este último sistema de botones deslizantes aún está perfeccionándose.

6 OBJETIVOS PREVISTOS CUANTIFICADOS EN LO POSIBLE Recogemos aquí cuales fueron los objetivos que se plantearon en la memoria del proyecto:

• Construir un (o quizás más) prototipo de nuestro actual sistema de entrenamiento mioeléctrico (SEM) para poderlos trasladar hasta los discapacitados objeto de las pruebas.

• Demostrar la utilidad de nuestro sistema "SEM" como entrenador para usuarios de prótesis mioeléctricas, trabajando sobre amputados de brazo.

• Demostrar la viabilidad del uso de nuestro "SEM" como interfaz de ayuda a la comunicación en grandes discapacitados.

• Demostrar la utilidad del "SEM" para la actuación de sistemas domóticos externos o para el guiado de sillas de ruedas, mediante simulación gráfica de dichos sistemas.

• Por último, abrir un puente de colaboración con los discapacitados, asociaciones, CEAPAT, etc. y nuestro grupo de investigación, para poder alcanzar aplicaciones reales útiles de Tecnologías de Rehabilitación.

Durante el desarrollo del proyecto se decidió incluir parte del trabajo que estábamos realizando sobre un sistema de control externo mediante señales de parpadeo por indicación de los propios discapacitados. Respecto al primer objetivo: Se han construido 3 prototipos, aunque dos de ellos presentan aún fallos intermitentes. Que no hemos tenido tiempo de solventar. Respecto al 2º objetivo: Se ha probado exitosamente el sistema sobre amputados de brazo por debajo del codo tomando tanto señales sobre bíceps y tríceps como sobre músculos residuales del muñón. El ensayo se ha realizado sobre una joven de 19 años con amputación de nacimiento que además presentaba otras patologías en Palomero (Cáceres). La joven fue capaz de manejar con éxito el sistema en menos de 30 minutos, tiempo inferior al empleado por la mayoría de los sujetos de control que no tenían amputaciones. Respecto al 3º objetivo: Se ha ensayado nuestro sistema SEM sobre un perfil de discapacidad muy severa. Por ejemplo: el paciente, de 40 años no tiene siquiera la capacidad de hablar, sufrió un accidente cerebro-vascular a los 33 años y se encuentra en una residencia privada en la localidad de Zaratán (Valladolid). Conserva una movilidad mínima que le permite mover un dedo de la mano derecha, el cuello, parpadear y ciertos gestos con la cara. El sujeto resultó poseer señales mioeléctricas útiles en bíceps y tríceps del brazo derecho con las que pudo controlar el desplazamiento de un punto en la pantalla del ordenador (es uno de los ejercicios de nuestro sistema de entrenamiento). También ensayó el control de la prótesis mioeléctrica con resultados limitados, pero útiles, en un tiempo inferior a 30 minutos. El paciente usaba ya un sistema que el IMSERSO difunde gratuitamente: el editor predictivo PREDWIN que le permitía comunicarse escribiendo lentamente sobre la pantalla, gracias al limitado movimiento de un dedo de la mano derecha. Nuestro teclado virtual está realizado sobre un prototipo anterior, más voluminoso, que emplea un puerto paralelo y estamos aún adaptándolo a los prototipos con los que ahora trabajamos, pero creemos que podría usarlo sin problemas debido a su capacidad. Respecto al 4º objetivo: Aunque el lesionado medular alto alcanzó cierto control utilizando sus señales de EMG procedentes del brazo, no fue tan satisfactorio como esperábamos, ya que las señales eran débiles. De todos modos el guiado se demostró como posible incluso con un entrenamiento

corto, si bien resultaba un poco lento el manejo. De todos modos este paciente controlaba él mismo su silla de ruedas eléctrica, por lo que no le aportaba ventajas evidentes. El paciente con lesión medular C4-C5 sobre el que se realizó el ensayo del prototipo EMG tiene 49 años y vive en Villanueva de la Sierra (Cáceres). Su nivel intelectual es alto, como en el caso del paciente anterior (es periodista y realiza algunas colaboraciones en medios escritos y de radio). Como ya comentamos, el paciente puede manejar su silla de ruedas eléctrica aunque el control de sus brazos es muy deficiente, sobre todo en el manejo de sus manos. Se tomaron las señales de bíceps y tríceps de su brazo derecho. El paciente superó aceptablemente la prueba de entrenamiento, aunque las señales registradas sobre el brazo eran débiles. El hecho de poder manejar el cursor sobre la pantalla y también la prótesis mioeléctrica virtual demuestra que puede también controlar otras aplicaciones similares como la de control domótico o guiado de una silla de ruedas virtual. Se ha visitado dos veces más a este paciente en su domicilio (la última el 26 de Diciembre) para comprobar su aceptación del sistema, interesándose también por el sistema de control mediante parpadeo, mucho más fiable a su juicio para controlar desplazamientos de un discapacitado. A partir de ahora seguiremos trabajando con este paciente centrándonos más en esa línea. El objetivo más indicado sería ahora partir de un individuo aún más paralizado que no pudiese controlar sus brazos y extrayendo las señales de control de músculos diferentes sobre los que tenga control voluntario. Tras cierto debate y consulta de opiniones con el discapacitado, hemos decidido que el software de simulación de control domótico es preferible dirigirlo mediante nuestro nuevo sistema basado en la recogida de señales de parpadeo por parte de unos sensores montados sobre las patillas de unas gafas y otros sensores similares que estamos poniendo a punto. El software permite guiar una silla de ruedas por la pantalla de un ordenador teniendo que sortear obstáculos (muebles) de diverso tipo. El sistema estaba principalmente indicado para lesionados medulares con lesiones altas que incapacitan también total o parcialmente los miembros superiores. En este momento nos parece también muy adecuado para pacientes como el de Zaratán descrito en el punto anterior. Esta persona no dispone de un mecanismo fiable que le permita guiar su silla de ruedas. La causa de no haberlo intentado empleando la reducidísima movilidad de su brazo derecho ha sido el miedo a caerse. El software de simulación de guiado que hemos desarrollado para ser controlado mediante parpadeo lo estamos adaptando para que pueda usarlo con otro interfaz que él propuso, de modo que pueda ensayar sin miedo a caídas o choques reales y tal vez demostrar a los demás y a sí mismo que puede realmente conducir su silla sin peligro. Respecto al 5º objetivo: Estamos preparados para ir prestando el equipo a candidatos que nos indiquen en CEAPAT de Salamanca, como hemos acordado con ellos en nuestras visitas a este centro, o bien los que encontremos en ASPAYM de Valladolid, asociación que he visitado varias veces o quizás de otros discapacitados seleccionados para ser empleados en sus propias viviendas. Para ello tendrán que disponer de un ordenador convencional donde se instalará el software y se conectará nuestro prototipo de adquisición y comunicación.

7 RESULTADOS OBTENIDOS DEL PROYECTO, CUANTIFICADOS Y VALORADOS EN LO POSIBLE.

Los resultados fundamentales de nuestro trabajo se resumen en los siguientes puntos:

• El desarrollo de los nuevos equipos de captación, preprocesado de señales y comunicación con el PC vía puerto USB. Se ha ensayado su funcionamiento en entornos diversos, fuera del laboratorio, en particular en el domicilio de los discapacitados o en la residencia donde son atendidos, siempre con buenos resultados. Era importante lograr la portabilidad suficiente y la fiabilidad y seguridad necesaria para equipos que pueden ser empleados por personal no técnico y creemos que se ha conseguido.

• Se ha mejorado el software de entrenamiento mioeléctrico y se han desarrollado nuevas aplicaciones que pronto serán también aplicadas a los pacientes, sobre los nuevos prototipos.

o El programa principal posee un módulo para la visualización simultánea de los dos canales EMG empleados que ayuda a localización correcta de los puntos óptimos para la captación de señales en cada paciente y cada músculo.

o El siguiente módulo efectúa una calibración inicial (ha de realizarse al menos una vez, al principio de los entrenamientos). Esta calibración ayuda al posterior reconocimiento de patrones.

o El tercer módulo es el entrenador de estados que sirve de primer entrenamiento para el paciente. En él se aprende rápidamente a controlar un cursor moviéndolo a voluntad en un espacio rectangular. Una vez hecho esto se definen una serie de estados que se corresponden con diferentes zonas del rectángulo y que a su vez se harán corresponder con diversas acciones sobre los programas de simulación.

o El cuarto módulo es el de respuesta del sistema simulado, bien un teclado virtual, una prótesis mioeléctrica virtual o bien un sistema de guiado de silla de ruedas virtual. El sistema de guiado se aplicará con el sistema de control mediante parpadeo, que al parecer se controla con más fiabilidad (la fiabilidad es fundamental cuando en la acción real se encuentra un cierto riesgo para el discapacitado). El control domótico se ha reducido en principio a esta función de guiado de una silla de ruedas, pero puede generalizarse fácilmente al control de diversos dispositivos basados simplemente en un control binario (on – of).

• Se han efectuado pruebas del equipo en 3 tipos de discapacidad seleccionadas en los propios domicilios de los pacientes.

o Se eligió, en primer lugar, un lesionado medular alto (nivel cervical) por ser un tipo de paciente donde se registrarían señales de EMG disminuidas debido a la lesión y queríamos comprobar si aún así se conseguiría algún tipo de control.

o En segundo lugar una discapacitada con amputación del brazo por debajo del codo para probar la capacidad de los músculos residuales del muñón para controlar una prótesis mioeléctrica.

o En tercer lugar un discapacitado con inmovilidad casi completa y sin capacidad para hablar para probar también las posibles aplicaciones del sistema de control mioeléctrico como herramienta aumentativa para la comunicación, el desplazamiento y la manipulación de objetos.

• Se ha realizado un artículo sobre este trabajo en revista de alto índice de impacto (IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering) que actualmente se encuentra en proceso de revisión. Por supuesto se hace referencia en los agradecimientos a la ayuda del IMSERSO.

• Se dispone de un equipo para la realización de “pruebas de campo” en los hogares de los discapacitados o en locales de sus asociaciones.

8 CONCLUSIONES.

• Hemos construido equipos portátiles robustos y adaptados para ser usado por personal no técnico, destinados a la evaluación de posibilidades de control de elementos externos por parte de los discapacitados motores.

• Hemos programado el software necesario para el control de tales equipos y la realización de las simulaciones de accionamientos diversos y de entrenamiento.

• Hemos trabajado con 3 tipos de perfiles de discapacidad: lesionado medular de tipo alto (lesión a nivel cervical), persona con distrofia muscular y amputación de nacimiento y persona con discapacidad motora profunda debido a un accidente vascular. En estos 3 perfiles tan diferentes entre sí hemos podido comprobar el correcto funcionamiento de nuestro Sistema de Entrenamiento Mioeléctrico “SEM”. Con ello se cumple nuestra hipótesis inicial de trabajo, literalmente: “Es posible encontrar y recoger señales de electromiograma superficiales (SEMG) procedentes de amputados y discapacitados motores severos que pueden ser empleadas para controlar con suficiente precisión sistemas externos artificiales”.

• Disponemos ahora de equipos que pueden ser prestados a organismos que el IMSERSO estime convenientes, como el CEAPAT, asociaciones de discapacitados, hospitales o bien particulares discapacitados. Tenemos contactos previos con el CEAPAT de Salamanca donde nos han mostrado su interés.

APÉNDICE COLECCIÓN DE IMÁGENES DEL PROYECTO.

Prototipo Final P6 en funcionamiento durante una prueba del entrenador de prótesis mioeléctrica virtual.

Aspecto de la pantalla de entrenamiento inicial del sistema de control mediante señales de electromiograma. Se han fijado múltiples centroides o posiciones objetivo que serán los estados que se hagan corresponder a diversas decisiones sobre la prótesis u otros elementos a controlar.

Aspecto de la pantalla de entrenamiento de ejercicios sobre la prótesis virtual.

Aspecto de la pantalla de comunicación aumentativa. Un teclado virtual controlado mediante señales de EMG. El mensaje que se escribe se va registrando en el espacio de la derecha. (ACTUALMENTE EN REFORMA)

En la figura se muestra una de las pantallas del entrenador de prótesis virtual. Se pueden mostrar sólo la pantalla del brazo virtual (ocupando toda la pantalla del PC), o bien presentando el espacio de estados (el cuadrante superior derecho en esta imagen) o también, como es el caso, simultáneamente con el electromiograma de las señales procedentes de los dos músculos del paciente que realiza el ensayo (los dos cuadrantes de la izquierda). Existen además muchas otras opciones y facilidades que no comentaremos en aras a la brevedad.

IMÁGENES CON PACIENTES Imagen del paciente con discapacidad severa debido a un accidente cerebro-vascular durante

una de nuestras visitas. Está interno en una residencia.

Aspecto de la pantalla durante una prueba de control de la prótesis

Imágenes de la paciente con amputación y con distrofia muscular. Están tomadas en su casa.

Aspecto de la pantalla durante una prueba de control de la prótesis

Imágenes de un paciente con Lesión medular C4-C5 en su vivienda en Villanueva de la Sierra (Cáceres) entrenándose con el sistema.

SISTEMA DE CONTROL MEDIANTE PARPADEO Varias pantallas del sistema de control mediante parpadeo (no incluido inicialmente en el

proyecto). Se encuentra actualmente en desarrollo.

El módulo de inicio: su misión consiste en cargar los datos del usuario por defecto, en caso de existir, y dar acceso al resto de los módulos de forma sencilla, así como actuar como receptor de las señales externas y encaminarlas al módulo que realmente las vaya a usar.

Módulo Configuración

Test para comprobar el funcionamiento del sistema

Módulo de Control Automático de la Silla de Ruedas simulada eligiendo una ruta.

Módulo cursor normal

Módulo Ejemplo silla: emulación de una silla de ruedas