Validación de los marcadores ArUco para el análisis de movimientos humanos

En los últimos años se han publicado numerosos trabajos sobre el empleo de técnicas de bajo coste para el análisis de movimientos humanos, especialmente mediante sensores inerciales [1]. Menos esfuerzos se han realizado en la línea de otras técnicas basadas en video-análisis, donde la mayoría de trabajos se refieren al análisis de movimientos planos con una cámara [2]. Sin embargo, en el campo de la robótica se vienen usando desde hace tiempo sistemas de posicionado mediante marcadores de realidad aumentada (AR). Estos sistemas permiten analizar, en tiempo real y con una única cámara de video, la posición y orientación de objetos con precisión suficiente para su uso en muchas aplicaciones biomecánicas [3]. En particular, la librería ARUCO [4] permite analizar movimientos de varios marcadores de manera rápida y eficiente, lo que permite aplicarlos al análisis de varios segmentos corporales en tiempo real. En este trabajo se analiza la precisión de los marcadores ARUCO en la medida de ángulos y desplazamientos, comparando los movimientos medidos con el sistema con dos técnicas de precisión: encoders de desplazamientos lineales y giros, para las medidas estáticas, y un sistema de videofotogrametría de precisión, para las medidas en movimiento. Los resultados muestran que los marcadores pueden medir desplazamientos con errores estándar del orden de 1 mm en los desplazamientos paralelos al plano de la cámara y del orden de 3 mm en profundidad. Los errores angulares son inferiores a 0.5º en los giros en el plano de la cámara y del orden de 1º en los giros alrededor de ejes paralelos a dicho plano. Estos errores son mucho menores que los asociados a la variabilidad humana, por lo que sería posible utilizar este tipo de marcadores para numerosas aplicaciones biomecánicas. REFERENCIAS [1] Picerno, P. (2017). 25 years of lower limb joint kinematics by using inertial and magnetic sensors: a review of methodological approaches. Gait & Posture, 51, 239-246. [2] Otín, C. et al.(2016). Análisis de habilidades deportivas mediante el uso del software Kinovea. In Simbiosis del aprendizaje con las tecnologías: experiencias innovadoras en el ámbito hispano (pp. 125-134). Prensas Universitarias de Zaragoza. [3] Parrilla, E. et al. (2013). Ankle 3D-kinematics measurement by using a single camera and AR-markers. Footwear Science, 5(sup1), S73-S74. [4] Munoz-Salinas, R. (2012). ArUco: a minimal library for augmented reality applications based on opencv. Universidad de Córdoba.

Estudio preliminar de la usabilidad de tres tamaños de teclados basados en Interfaces Cerebro-Computador por pacientes con ELA

En referencia a los teclados basados en Interfaces Cerebro Computador que utilizan el biopotencial P300 como señal de control, el tamaño óptimo para personas con discapacidad motora no se ha presentado propiamente. En este trabajo se evaluaron tres tamaños de teclados mediante el enfoque de usabilidad – en términos de efectividad, eficiencia y satisfacción – para ofrecer uno adecuado. Cuatro pacientes con esclerosis lateral amiotrófica evaluaron los tres tamaños. Los participantes tuvieron peor desempeño con el tamaño pequeño, especialmente en la efectividad y satisfacción; mientras que con el mediano obtuvieron mejores resultados, resaltando la satisfacción. Los resultados muestran que se debe considerar el tamaño del teclado al diseñar un nuevo paradigma para personas con discapacidad.

Cambios en la cinemática articular tras entrenamiento de la marcha con exoesqueleto robótico ambulatorio

En los últimos años se está investigando las prestaciones de los exoesqueletos robóticos ambulatorios para la rehabilitación de la capacidad de marcha de pacientes con patologías neurológicas tales como lesión medular o accidente cerebro-vascular. Si bien existen ciertas evidencias de su impacto positivo en la función de marcha, los mecanismos responsables de las mejoras todavía no han sido correctamente descritos.La utilización de un exoesqueleto para la rehabilitación se basa en la imposición de patrones articulares normativos durante la marcha, con el objetivo de que la repetición intensiva y controlada de estos patrones durante la marcha resulte en el aprendizaje por parte del paciente de estos patrones. No obstante no se conoce el efecto inmediato sobre la cinemática del paciente de la utilización terapéutica de un exoesqueleto.En estre trabajo se presenta el análisis de la cinemática de la cadera, rodilla y tobillo de un paciente con lesión medular antes y después de una sesión de tratamiento de rehabilitación de la marcha con exoesqueleto ambulatorio.

Patrones de desplazamiento del eje instantáneo de rotación del movimiento de elevación humeral

En este trabajo se presentan los resultados de un estudio experimental para la descripción de las trayectorias descritas por el eje instantáneo de rotación (EIR) toracohumeral para movimientos cíclicos de elevación-descenso. Se ha desarrollado una técnica de análisis de movimientos mediante videofotogrametría que permite la medida del EIR del movimiento relativo húmero tórax con un error inferior a 1 cm y de forma muy reproducible [1,2]. Esto permite registrar el movimiento continuo del EIR como un axoide, cuyo desplazamiento mediolateral está relacionado con las velocidades de rotación de las articulaciones esternoclavicular, acromioclavicular y glenohumeral, y cuya posición vertical se asocia a la elevación de articulación glenohumeral [3] Se ha realizado un estudio con 45 sujetos sanos y 15 sujetos con patologías del hombro, analizando el movimiento cíclico de elevación-descenso del húmero en los planos frontal y escapular. La ubicación y forma de los axoides es sensible a los efectos de la carga y del estado funcional del sujeto. Así el efecto de la carga se manifiesta en un desplazamiento medial de la trayectoria del EIR, asociado a un movimiento más acusado de las articulaciones esternoclavicular, acromioclavicular frente al movimiento sin carga. Por otra parte, el efecto de la patología afecta a la trayectoria del EIR sólo a partir de cierto nivel de limitación funcional. Los patrones correspondientes a pacientes con limitaciones leves no muestran diferencias importantes frente a los sujetos sanos. Los resultados obtenidos muestran que el EIR puede ser de utilidad en la valoración funcional biomecánica del hombro, al ofrecer información sobre la coordinación de las diferentes articulaciones que lo constituyen REFERENCIAS [1] A.Page, J.A. Gálvez, H. de Rosario, V. Mata., J. Prat. Optimal average path of the instantaneous shelical axis in planar motions with one functional degree of freedom. Jnl. Biomech, vol. 43, pp 375-378, 2010. doi: 10.1016/j.jbiomech.2009.09.023. [2] A.Page, H. de Rosario, J.A. Gálvez, V. Mata. Representation of planar motion of complex joints by means of rolling pairs. Application to neck motion. Jnl. Biomech, vol. 44, pp 747-750, 2011. doi: 10.1016/j.jbiomech.2010.11.019. [3] M. Cáceres, P. Serra, J. Lopez, & A. Page. Reliability of the Shoulder Instantaneous Helical Axis measurement during the scaption movement. Gait & Posture, vol. 49, pp 268, 2016.

Elaboración de un Modelo de Exoesqueleto de Hombro mediante OpenSim

La cuarta revolución industrial se enfrenta al reto tecnológico de la cooperación entre el hombre y el robot en los procesos de fabricación. Los exoesqueletos son un ejemplo de esta colaboración humano-robot, en la que el dispositivo es vestido por el humano y el simple contacto físico entre el operador y la estructura mecánica permite el aumento de las capacidades físicas del individuo. [1] Actualmente, se están llevando a cabo las primeras valoraciones de la eficiencia de este tipo de ayudas, si bien éstas son fundamentalmente comparativas en cuanto al esfuerzo muscular medido con el uso y sin el uso del exoesqueleto. Este Trabajo de Fin de Máster presenta un modelo de exoesqueleto pasivo de miembro superior desarrollado mediante el software libre OpenSim, el cual permite estimar los esfuerzos musculares y articulares para distintas tareas y en distintas condiciones. El modelo se ha validado con trabajadores registrados en condiciones reales, de los que se disponen registros de su actividad muscular realizando las mismas tareas con exoesqueleto y sin él. Los resultados muestran un buen acuerdo en la actividad muscular con y sin el dispositivo en los músculos registrados, lo que permite validar el modelo para el análisis de puestos de trabajo genéricos en los que se pretenda implantar este tipo de ayudas.

Fundamentos biomecánicos en el diseño de inmovilizador para rehabilitación de fracturas múltiples

Las patologías óseas que afectan a la cintura escapular son comunes y en la mayoría de los casos su recuperación se obtiene a través de tratamiento conservador. Se presenta el caso de paciente femenino de 20 años con politraumatismo por accidente de alta energía. Entre las lesiones se encuentran: una fractura diafisiaria de clavícula derecha con desplazamiento, 11 fracturas de costillas con desplazamiento y luxación escapular. Teniendo en cuenta la inestabilidad toráxica y la incompatibilidad entre la fijación en “8” (Watson-Jones) frente a la disposición de los fragmentos desplazados, se diseñó un inmovilizador basado en la analogía funcional de la cintura escapular y se estableció un sistema de tracciones externos que emulan la acción de los músculos Trapecio, Pectoral Mayor y Deltoides sobre los huesos. El uso continuo del producto durante seis semanas favoreció la consolidación de las fracturas, restituyó la estabilidad de la cintura escapular y el rango de movimiento funcional. La adecuada tracción de los fragmentos de la clavícula y su leve superposición contribuyó a atenuar la discontinuidad en el hombro. Los principales beneficios en el diseño propuesto son: efecto de doble tracción, fijación posterior para mantener la clavícula y omoplatos en posición y bajo condiciones dinámicas, y la posibilidad de generar presión en forma gradual e independiente en puntos prefijados. Estos principios podrían ser aplicables en la rehabilitación de otro tipo de fracturas múltiples

La estimulación mecánica aferente no reduce sistemáticamente el temblor de pacientes con temblor esencial.

El temblor esencial (ET) es una uno de los desórdenes motrices más prevalentes en adultos, con tratamientos poco efectivos en la mitad de los casos. En este documento, estudiamos si la estimulación mecánica aferente puede reducir el temblor en pacientes de ET al estimular selectivamente las vías aferentes. Para ello, hemos diseñado una plataforma que permite estimular la mano y el antebrazo del paciente utilizando actuadores piezoeléctricos mientras monitorizamos el temblor mediante sensores inerciales. Hemos analizado el efecto de cuatro estrategias de estimulación, incluyendo estimulación a frecuencia constante y variable, en 18 pacientes de ET. A pesar de que no existe una clara respuesta a la vibración ante las diferentes estrategias, en la mayoría de los casos (50-72%) la estimulación mecánica se asocia a un aumento en la amplitud del temblor. Por el contrario, el temblor se reduce entre el 5 y el 12% de los pacientes. Sin embargo, estos resultados son difíciles de interpretar debido a la variabilidad intrínseca del temblor: durante ensayos de la misma duración, el temblor varió significativamente en el 67% de los pacientes (aumentando en el 45% y disminuyendo en el 22%). Por tanto, la estimulación mecánica de la extremidad no tiene un efecto sistemático en el temblor propio del Temblor Esencial.

Sistema no invasivo para la medida y visualización de desplazamientos de tejidos en neurocirugía

La neurocirugía robótica está sufriendo profundos cambios en los últimos tiempos, fruto principalmente de los avances en las técnicas de imagen médica (TAC, MRI, f-MRI o DTI), lo que permite una mejor planificación de la operación a realizar. La neurocirugía mínimamente invasiva se ve beneficiada de estos avances. Sin embargo, quedan problemas a resolver en la transferencia del plan de trabajo pre-planificado a la realidad intra-operatoria, debido a la naturaleza no-lineal de los tejidos deformables involucrados. Uno de estos problemas es el brain-shift, o desplazamiento de la materia cerebral fruto del cambio de presión interior al practicar la craneotomía y de los propios procesos quirúrgicos, y que produce una pérdida de referencia entre los volúmenes de imagen de neurocirugía adquiridos antes de la cirugía.En este trabajo se presenta un sistema de imagen médica por microondas para detección y corrección del problema de brain-shift en operaciones de tumores cerebrales. Se presenta el sistema desarrollado, los componentes electrónicos de alta frecuencia y control que forman parte del mismo y el software que permite obtener las imágenes. El sistema de antenas permite obtener en tiempo real la localización de los puntos de control del modelo de deformaciones para la visualización utilizando realidad aumentada.

Evaluación de la interacción entre atención visual y memoria de trabajo: un estudio basado en técnicas de eye-tracking

Introducción: La memoria de trabajo (MT) es la función cognitiva que nos permite mantener y manipular información cuando ya no está presente para los sentidos. Esta función cognitiva es básica para el desarrollo de otras funciones cognitivas superiores, como la inteligencia, el lenguaje o la memoria. La MT muestra un deterioro con la edad y la presencia de patologías neurodegenerativas relacionadas con la edad. Este trabajo constituye un avance en la caracterización de perfiles cognitivos y la identificación de cambios sútiles en los mismos con valor diagnóstico. Esto es particularmente crítico en enfermedades como el Alzheimer, con fases preclínicas muy largas, ya que es precisamente en estas fases en que las terapias pueden ser más efectivas. Una característica distintiva de MT es su capacidad limitada (3-4 elementos para estímulos visuales). Cuando los estímulos se muestran secuencialmente emergen efectos seriales. En particular, el efecto de recencia (i.e. es más probable que se recuerden los estímulos presentados en últimas posiciones en la secuencia) se ha observado en MT visual. Por el contrario, el efecto de primacía (i.e. es más probable que se recuerden los estímulos presentados al principio de la secuencia) no se ha encontrado en MT visual, aunque sí se ha observado en MT verbal.Objetivo: El objetivo de este trabajo es estudiar la relación entre la atención visual y MT. Con este fin, se ha diseñado un protocolo experimental de coincidencia con una muestra diferida (Delayed Match-to-Sample, DMS), monitorizado mediante técnicas de eye-tracking. Por un lado, se investiga cómo varía la MT con la edad y con el número de objetos presentes en la fase de estimulación. Posteriormente, se analiza hasta qué punto la atención visual modula la codificación de la información durante la fase de estimulación, lo que determina qué estímulos acceden y se mantienen en MT.Metodología: Un total de 54 sujetos divididos en 2 cohortes, adultos jóvenes (J) (Edad: 24.10土2.10 años; 13 hombres, 17 mujeres) y adultos de mediana edad (M) (Edad: 51.63土5.03 años; 10 hombres, 14 mujeres), participaron en la tarea DMS en que estímulos cuadrados de colores se presentaron simultáneamente en matrices de 2, 4 o 6 elementos durante 500 ms. Todos los estímulos estaban a la misma distancia del centro de la pantalla (5,5 grados visuales) y, en cada ensayo, había la misma cantidad de estímulos en cada hemiespacio. Tras 2 s sin estimulación, se presentó un estímulo de prueba en el centro de la pantalla para su posterior reconocimiento. Cada experimento consta de 252 ensayos presentados al azar en un diseño equilibrado en el número de estímulos, el color, la ubicación espacial y el estímulo de reconocimiento. Durante el experimento, la mirada de los sujetos fue monitorizada por medio de un eye-tracker (Tobii X120). Resultados: Los adultos jóvenes obtuvieron más respuestas correctas que los adultos de mediana edad. Se produjeron diferencias significativas entre las dos cohortes para 4 estímulos (t = -2.044, p <0.05) y 6 estímulos (t = -2.811, p <0.05) pero no para 2 estímulos. En relación a los efectos seriales, el estudio se centró en aquellos ensayos en que se mostraron 6 estímulos. De éstos, en el 26% de los 84 ensayos/persona en que tuvieron lugar búsquedas exhaustivas (las secuencias de fijaciones están totalmente contenidas en ROIs de 3x3 grados visuales centrados en los estímulos), los 2 últimos estímulos que recibieron atención abierta durante la búsqueda fueron reconocidos significativamente mejor que los estímulos visitados con anterioridad durante la fase de codificación (desde la posición final, 1º vs 2º 𝛸2=0.713 p=0.3983; 2º vs 3º 𝛸2=112,081, p<0.05; 3º vs 4º 𝛸2=61,727, p<0.05), poniendo de relieve la aparición de un efecto de recencia.Conclusiones: Nuestros resultados confirman que la capacidad de MT disminuye con la edad y el tamaño del conjunto de memorización. Además, respaldan la hipótesis de que la atención visual modula la codificación de los elementos en MT. En particular, el efecto de recencia surge como consecuencia de la asignación de atención visual a los diferentes elementos durante la fase de estimulación de la tarea DMS, lo que ilustra el papel tan importante que tiene la interacción entre la atención visual y MT.

Control asíncrono de sistemas BCI basados en ERP mediante la detección de potenciales evocados visuales de estado estable provocados por los estímulos periféricos del paradigma oddball.

Los sistemas Brain-Computer Interface (BCI) permiten la comunicación en tiempo real entre el cerebro y el entorno midiendo la actividad neuronal, sin la necesidad de que intervengan músculos o nervios periféricos. En la práctica, normalmente se emplea el electroencefalograma (EEG) para registrar la actividad cerebral, debido a que se realiza con un equipo portable, no invasivo y de bajo coste en comparación con otras técnicas disponibles. Una vez adquirida la señal EEG, esta es analizada en tiempo real por un software que determina las intenciones del usuario y las traduce en comandos de la aplicación, proporcionando una realimentación visual o auditiva. En concreto, los sistemas BCI basados en potenciales relacionados con eventos (event related potentials, ERP) utilizan el llamado paradigma oddball. Este paradigma presenta una matriz de comandos, cuyas filas y columnas se iluminan de manera secuencial. Para seleccionar un comando, el usuario debe mirar a fijamente a la celda correspondiente de la matriz. Los estímulos visuales, percibidos con la región central de su campo visual, provocan un ERP en la señal de EEG. Posteriormente, el sistema determina el comando que quiere seleccionar el usuario mediante la detección de estos ERP. Actualmente, una de las mayores limitaciones de los sistemas BCI basados en ERP es que son inherentemente síncronos. La aplicación selecciona un comando después de un número predefinido de iluminaciones, aunque el usuario no esté atendiendo a los estímulos. Esta limitación restringe el uso de estos sistemas en la vida real, donde los usuarios deberían poder dejar de prestar atención a la aplicación para realizar otras tareas sin que se seleccionen comandos indeseados. Esta característica es especialmente importante en aplicaciones BCI enfocadas al aumento de la calidad de vida de personas con grave discapacidad, como navegadores web o sistemas de control de sillas de ruedas. Para resolver esta limitación, es necesario añadir al sistema un método que detecte en tiempo real si el usuario realmente quiere seleccionar un comando. En este estudio presentamos un novedoso método de asincronía para detectar en tiempo real el estado de control del usuario en los sistemas BCI basados en EPR. Con este objetivo, el sistema detecta los potenciales evocados visuales de estado estable (steady-state visual evoked potentials, SSVEP) provocados por los estímulos periféricos del paradigma oddball. Estas ondas son la respuesta oscilatoria que aparece en la señal de EEG cuando se recibe una estimulación repetitiva a una frecuencia constante. Las iluminaciones periféricas del paradigma oddball provocan un SSVEP a la frecuencia de estimulación, que aparece únicamente cuando el usuario está mirando a la matriz. Por tanto, la detección de esta componente permite determinar si el usuario quiere seleccionar un comando o no. El método propuesto ha sido validado de manera offline con 5 sujetos sanos, alcanzando una precisión media en la detección del estado de control del usuario del 99.7% con 15 secuencias de estimulación. Estos resultados sugieren que esta metodología permite un control asíncrono fiable del sistema BCI, lo que es de gran utilidad en aplicaciones para la mejora de la calidad de las personas con grave discapacidad.