Nuevas tecnologías en rehabilitación robot realidad virtual bci

Nuevas Tecnologías
en Rehabilitación

Samuel Franco Domínguez

Médico Especialista en Rehabilitación.

rehabilitacion2.0@gmail.com

http://rehabilitacionblog.com

RESISTENCIA AL CAMBIO:

René Théophile Hyacinthe Laënnec (Quimper, Bretaña 17 de
febrero, 1781- 13 de agosto, 1826)

Inventó el estetoscopio.
Tuvo detractores:
El aparato se interpone
entre el médico y el
Paciente enfriando las
relaciones personales.

1- Robótica.
Y
BCI
Brain computer interfaces

2-Videojuegos.

3-Realidad Virtual.

Dr. S. Franco Domínguez



BLOG DE REHABILITACIÓN QUE MIRA AL FUTURO

REHABILITACIÓN
EL PASADO EL PRESENTE

Lo que tenemos. Lo que podríamos tener.

“Qué inventen ellos…
…¿Acaso no
alumbran la luz
aquí igual que
allí?”

Miguel de Unamuno

EL FUTURO
Sueños y realidades.

La tecnología
puede y debe
ayudar a las
personas con
discapacidad.

HACE:

113 años
"¡Máquinas voladoras más pesadas que el aire
es imposible!"

— 1895, Lord Kelvin, Presidente de la Sociedad Real Británica.

109 años
"Todo lo que puede ser inventado ha
sido inventado"
— 1899, Charles H. Duell, Comisionado de Patentes de EE.UU.,
al solicitar al presidente abolir su oficina.

65 años
"Creo que hay un campo de mercado para
alrededor de 5 computadoras"
— 1943, Thomas Watson, presidente de IBM.

Hace 2 años “Rechazamos su
Comité científico
de la Sociedad
comunicación por falta de
Española de
Rehabilitación y aplicaciones clínicas
Medicina física.
directas”.

“Nos has presentado
Hace 2 años un futuro tecnológico negro
En las Jornadas
Nacionales de Y frío que espero que nunca
Fisioterapia. Elche.
veamos. No creo que un robot
pueda sustituir a un
fisioterapeuta nunca”.

ESE MISMO AÑO EN EL CONGRESO CASEIB presenté una comunicación
Sobre exoesqueletos robóticos y discapacidad.

Hace 2 años “Rechazamos su
Comité científico
de la Sociedad
comunicación por falta de
Española de
Rehabilitación y aplicaciones clínicas
Medicina física.
directas”.

“Nos has presentado
Hace 2 años un futuro tecnológico negro
En las Jornadas
Nacionales de Y frío que espero que nunca
Fisioterapia. Elche.
veamos. No creo que un robot
RECHAZO A LA INNOVACIÓN,
pueda sustituir a un
A LO NUEVO, A LO QUE NO
SE COMPRENDE. fisioterapeuta nunca”.

REVISTA DE REHABILITACIÓN
CON MAYOR FACTOR DE
IMPACTO.
Números especiales:

-Rehabilitation Robots
-Virtual Rehabilitation

Congreso internacional
De neurorehabilitación.
Rehabilitación Robot
Virtual Rehabilitación.


Algunos contenidos del último congreso europeo de
Rehabilitación.

1
ROBÓTICA

BCI

y discapacidad

El energámetro registrador
La musculatura artificial
El artromotor general

Mi pequeña contribución


Me interesa el futuro, porque es allí donde espero
pasar el resto de mi vida.
vida.

Para conseguir lo que nunca se ha logrado hay que
hacer cosas que nunca se han intentado.
intentado.

Cuando alguien dice que algo es
Imposible no se da cuenta de todo el
tiempo que queda después para
equivocarse.
equivocarse.

La tecnología de hoy nos parecía magia ayer.
ayer.
¿La tecnología de mañana es la ciencia ficción de hoy?
Ley de Moore,
Cada 12 meses tenemos un ordenador
el doble de potente en el mercado.
mercado.
Si haces lo que siempre se ha
hecho nunca llegarás más
lejos de lo que otros llegaron.
llegaron.
Tenemos la obligación moral de intentarlo con
nuestros medios: luchamos contra la discapacidad.
medios: discapacidad.

¿Cómo puede la robótica
ayudar a
las personas con discapacidad?


I- Interfaces hombre máquina y cerebro máquina
para rehabilitación

II- Robótica asistencial (ayudas técnicas)

III- Terapia Asistida por Robot.

IV-Prótesis y ortesis (Neuroprótesis)

PROBLEMAS: Usabilidad y aceptación.
Aspectos culturales y sociales. Precio.
Miedos, desconocimiento, prejuicios…


I- Interfaces
•Hombre-máquina

•Interfaces cerebro-ordenador
para rehabilitación

Último congreso internacional de neurorehabilitación.
Algunos de los contenidos son sobre BCI.

OBJETIVO:

-Reconectar la voluntad con órganos y miembros.

-Sustituir o potenciar funciones de órganos,
incluido el cerebro, con implantes electrónicos.

-Controlar a voluntad otros dispositivos
(máquinas).

-Hacer que una máquina controle parte de
nuestro cuerpo por nosotros.

EN SISTEMA NERVIOSO PERIFÉRICO

Estimular músculos o nervios periféricos con electricidad.

Somos materia, somos impulsos eléctricos.

EN SISTEMA NERVIOSO CENTRAL

3 Control de un desorden neuronal

1 Canal Sensorial Artificial

2 Control motor alternativo

1. Canal Sensorial Artificial.

Audición artifical

Desde 1978, más de 100.000
implantes cocleares en todo el mundo.
www.cochlearamericas.com

Visión artificial

http://www.wired.com/wired/archive/10.09/vision.html

2. Control motor artificial

Nicolelis, 2001 Nicolelis, 2001

3. Control de un desorden neuronal

Enfermedad de
Parkinson

Nicolelis, 2001

www.medtronic.com

Seizure prediction
and control

FDA approval for brain implant

Cyberkinetics Inc. Neural Signals Inc.

Futuro: silicon cognition
Ted Berger, University of Southern California

MIT Technology Review, May 2003

Silicon Cognition
Ted Berger, University of Southern California

MIT Technology Review, May 2003

Bibliografía

 Nicolelis, M. A. L. Actions from thoughts. Nature 409,
403-407. 2001
 Wolpaw, J. R., et al. Brain-computer interfaces for
communication and control. Clinical Neurophysiology 113,
767-791. 2002
 Huang, Gregory T.(2003). Mind-Machine Merger. MIT
Technology Review, May 2003

Somos impulsos eléctricos, vamos a medirlos e interpretarlos.

http://ida.first.fhg.de/projects/bci/bbci_official/

Brain Computer Interfaces basadas en EEG

• No invasivas
• Prometedoras en algunas terapias
• Llevan tiempo de aprendizaje
• No permiten un control
demasiado preciso
Mussa-Ivaldi & Miller, 2003

Control de aplicaciones domésticas con EEG-BCI
Tsinghua Group Gao et al., 1999, 2002, 2003

Navegar en una aplicación Llamar por teléfono
o programa de ordenador.

Jugar a videojuegos con el pensamiento

ECoG based BCI Video

Pfurtscheller et al., 2003 Leuthardt et al.,2004

No se trata de simplemente hacerlo por diversión sino de validar el sistema para
aplicaciones en tiempo real.
Lo primero: comprender las funciones cerebrales.

Escribir palabras solo con el pensamiento
Tübingen Group Birbaumer et al., 2000, Hinterberger et al., 2004

Controlar una ortesis con el pensamiento
Graz Group Pfurtscheller et al., 1993, 2000, 2003

Hold cup for drinking

http://www.dpmi.tugraz.at/

Controlar una
ortesis con el
pensamiento

Controlar robots con el pensamiento

BCI

Controlar robots con el pensamiento

1. Controlling a Wheelchair
Indoors Using Thought.
Rebsamen, B Burdet, E
Guan, C Zhang, H Teo,
CL Zeng, Q Laugier, C.
Intelligent Systems. Abril de
2007

En un mundo virtual controlando el avatar con el pensamiento.
Brain Computer Interfaces y Second Life.

TELEPRESENCIA, avatar robótico.

Mover un robot con técnicas de imagen.
FUJITSU.

Mover robots con el pensamiento

También con otras interfaces:

-Joysticks.
-Control por voz.
-Puntero láser.

Robótica asistencial.

Irreal y fantasioso, si no fuera porque
Ya están desarrollándolos.

Robots asistenciales

¿Quién cuidará de nosotros
cuando nos hagamos viejos?

¿Por qué o para qué
Necesitaríamos robots
asistenciales?

Mujeres latinas inmigrantes cuidan ancianos y personas
dependientes en España.
Son entre 200.000 y 600.000.
El 70% carece de contrato y el 40% trabaja más de 50 horas
semanales.
Machismo, racismo, injusticia social. Personas dependientes.

BCI basadas en potenciales de acción

• Control a alta velocidad.
• Control muy preciso del movimientol
Nicolelis, 2001
• Invasivas
• Mucho riesgo de complicaciones.

Esto da un poco de miedo…
Animales teledirigidos, robots controlados
por cultivos neuronales:
LA MENTE ES MATERIAL

1. Assistive technology and robotic control using motor cortex
ensemble-based neural interface systems in humans with tetraplegia.
Donoghue JP, Nurmikko A, Black M, Hochberg LR. Journal of
Physiology. Marzo de 2007. BCI

BCI

+

Emotiv EPOC
+ +

Brain Computer interfaces comerciales con apoyo de empresas conocidas.

Fake de cómo podrían ser los videojuegos con Brain Computer Interfaces

¿Jugar con el pensamiento a precio de producto de consumo masivo en
grandes superficies?. Al menos rebajaría el precio para otros usos.

Las interfaces entre mente ordenador más versátiles y extendidas hoy en día siguen siendo
un Joystick, ratón y teclado.
En el futuro...

Nagle, a 25-year-old
quadriplegic, is the first
human fitted with the
BrainGate Neural Interface.
He can whip you at Pong
without lifting a finger.

www.nicolelislab.net.

Learning to control a brain-machine interface for reaching and grasping by primates.
Nicolelis et al., PLoS Biology 2003

Real story : Monkey think, Robot Do

Un simio controla un brazo robot con su
pensamiento
Duke Group Nicolelis et al., 1999,2000,2003

www.nicolelislab.net.

Adquisición y
tratamiento Traducción.
de la señal .

Control electrónico programable de otros órganos por electroestimulación.
Implantes electrónicos.


I- BCI
II- Robótica asistencial
(ayudas técnicas)

III- Robots terapeúticos.


Brazos robóticos para actividades de
la vida diaria.

Brazos robóticos para
actividades de la vida diaria.

Comparativa con perros asistenciales.

Mejor aún disponer de las dos cosas.

Sillas con sistemas de guiado, sistemas de posicionamiento o con
capacidades especiales.

Sillas con sistemas de guiado, sistemas de posicionamiento o con
capacidades especiales.
Mecatrónica aplicada a la discapacidad.

Sillas con sistemas de guiado, sistemas de
posicionamiento o con capacidades
especiales.

Robots asistenciales y domésticos,
cuidadores, guías y teleasistencia

Robots asistenciales y domésticos,
cuidadores, guías y teleasistencia.

Dispositivos para tareas concretas, grúas cenitales.

Mecatrónica.

Robots asistenciales y domésticos, andadores

Imagen, andador bipedestador de la NASA.

Juguetes robot ayudando a niños y adultos con necesidades especiales

Juguetes robot ayudando a niños y adultos con necesidades especiales

Telepresencia en la
escuela para niños con
Necesidades especiales

Robots educativos

I-BCI


III-Terapia asistida por robots.

III- Terapia asistida por
robots

1-Para miembro superior
2-Para la mano
3-Para miembro inferior
4-Para el equilibrio
5-Otros

III- Robots terapéuticos
Mueven pasivamente.
Asisten movimientos.
Eliminan la gravedad.
Oponen resistencias.
Miden fuerzas y recorridos.

III-Terapia asistida por robots

ARMIN

ARMEO

MIT MANUS


La diferencia entre

-Efector final
-Exoesqueleto

GENTLES, Brazo di Ferro.
y otros.

III-Terapia
asistida
por robots

1- Exosqueletos para miembro superior

St’Anna,Pisa, I (P. Dario et al.)
ITALIA

III-Terapia asistida por
robots
Mano. AMADEO

Mano
PANASONIC REHABILITATION ARM & GLOBE.

robots
Mano.

Marcha.

Marcha + realidad virtual

robots
Marcha

Haptic Walker

Marcha

ALEX, LOPES y OTROS MUCHOS

III-Terapia asistida
por robots
Pie

Rehabilitación del tobillo. Rutgers

III-Terapia
asistida por
robots
Equilibrio.

KAREN

EL FUTURO

Rehabilitación robots
Neuroprótesis
+
Háptica
+
Juegos de realidad virtual
+
Telerehabilitación

I-BCI


III- Robots terapeúticos.

IV-Prótesis y ortesis
(Neuroprótesis)

Dr. S. Franco Domínguez

ROBÓTICA y DISCAPACIDAD
IV- Prótesis y ortesis
1- Prótesis 2- Ortesis

IV-Neuroprótesis

2- Ortesis.

EL PASADO
1932

…y el presente

IV-Neuroprótesis

2- Ortesis robóticas
Ortesis con control electrónico---------Exosqueletos robóticos

IV-Ortesis robóticas

http://es.youtube.com/watch?v=uZhyKtMSkdw&feature=related

IV- Ortésis robóticas.

http://es.youtube.com/watch?v=exvvFK1-TL4

Puede correr a 6 Km por hora y en el paso deja de
Tener contacto con el suelo.

Estabilizador de
pelvis
Basado en
tecnología de
ASIMO

http://www.youtube.com/watch?v=YtiCHtHxc48

PROBLEMAS DE ACEPTACIÓN
-De la sociedad
-Del usuario
-Del profesional

¿Los niños que usen estos juguetes estarán más predispuestos a
interactuar con robots?

El juego de hoy prepara al niño para el mañana

El jugo
de hoy

http://es.youtube.com/watch?v=W1
czBcnX1Ww

“El futuro tiene muchos nombres.
Para los débiles es lo inalcanzable.
Para los temerosos, lo desconocido.
Para los valientes es la oportunidad.”
(Victor Hugo)

Aceptación emocional :
O una cuestión de diseño

Rehabilitación
virtual con
VIDEOJUEGOS.

DOS IDEAS:
1 ACCESO A VIDEOJUEGOS
PARA PERSONAS CON
DISCAPACIDAD

2 USOS POSITIVOS DE LOS
VIDEOJUEGOS:
Game Based biofeedback

Algo que debería ser divertido se convierte
para una persona con discapacidad en una
lucha contra demasiados botones que hay que
pulsar deprisa en secuencias imposibles.

Hirotada Ototake es un joven de 24 años recién graduado (marzo 2007) en Ciencias Políticas y Económicas por la Universidad
de Waseda (Tokio). Nació con tetra-amelia. Es también uno de los personajes más conocidos y admirados de Japón.

Mandos adaptados para Nintendo NES. 1981.

Tony, primer ordenador adaptado
1983

Retro gameacesibility

Página web sobre videojuegos accesibles
en español.

El mensaje:
Las buenas ideas escasean, si tienes una no la dejes pasar por miedo
a las burlas o el ridículo.

WheelKid,
El juego para aprender a
Desenvolverse en silla de ruedas.

(Y comprender los problemas de
accesibilidad en entornos urbanos)

A teenager is using skills learned on a PlayStation
to drive a custom-built wheelchair that has changed his life.

Sam Mansel.
Caso
particular

Aprender a conducir
Sillas eléctricas.

Volver a conducir tras
Una discapacidad adquirida.

VIDEOJUEGOS
EN
REHABILITACIÓN

Salud

“Los videojuegos son seguros para la
mayoría de los jugadores y pueden ser
útiles para mejorar la salud.”

Video games and health.
Griffiths M.
BRITISH MEDICAL JOURNAL July 2005

EFECTOS
BENEFICIOSOS PARA
LA SALUD
Mejoran:
- la organización espacio-temporal
- la coordinación óculo manual
- el desarrollo de estrategias, reflejos y memoria
- el instinto de superación
- la rapidez de razonamiento
-la concentración
-Algunos: la fuerza el equilibrio
, la agilidad.

Además:

Divierten
Enseñan
Ayudan a socializar
Integran
Prepara para la
Sociedad de la Información y la comunicación.

Cada uno utiliza su propio
mando pero los dos juegan
al mismo juego.

Mientras juego me olvido de todo.
¿Alienación, distracción o estímulo positivo?
Protégeme de mis propias obsesones
Comecocos o ganas de vivir.

Pub Med
1- Effectiveness of an upper extremity exercise device integrated with computer gaming for
aerobic training in adolescents with spinal cord dysfunction.
J Spinal Cord Med. 2006;29(4):363-70.
Widman LM, McDonald CM, Abresch RT.

2- Evaluation of a manual wheelchair interface to computer games.
Neurorehabil Neural Repair. 2000;14(1):21-31.
O'Connor TJ, Cooper RA, Fitzgerald SG, Dvorznak MJ, Boninger ML, VanSickle DP, Glass L.

3- Enhancing the control of force in putting by video game training.
Ergonomics. 2001 Oct 10;44(12):1025-37.
Fery YA, Ponserre S.

4- Does computer game play aid in motivation of exercise and increase metabolic activity
during wheelchair ergometry?
Med Eng Phys. 2001 May;23(4):267-73.
O'Connor TJ, Fitzgerald SG.

5- Video game-based exercises for balance rehabilitation: a single-subject design.
Arch Phys Med Rehabil. 2006 Aug;87(8):1141-9.
Betker AL, Szturm T, Moussavi ZK, Nett C.

6- The video invasion of rehabilitation.

Pub Med
Need For Speed.

Feasibility of using the Sony PlayStation 2 gaming platform for an
individual poststroke: a case report.
Flynn S,Palma P,Bender A

JOURNAL OF NEUROLOGIC PHYSICAL THERAPY
Dec 2007

Results: Clinically relevant improvements were found on the Dynamic Gait Index and trends toward
improvement on the Fugl-Meyer Assessment, Berg Balance Scale, UE Functional Index, Motor Activity
Log, and Beck Depression Inventory.

Modified Home Video Game Shows Promise for Stroke Rehabilitation: System;
Opens Door for Economical Alternatives to Expensive Equipment in Clinical
Settings
AUGUST, 2006

FOROS:
PC WII

“Mi hijo Esteban que nació con parálisis cerebral y no
puede andar ni hablar puede jugar al beisbol con su
hermana pequeña en la Wii”
Marzo de 2007

WII, Lunes, 21 de Mayo de 2007 - 19:05
Un hospital utiliza la consola Wii en terapias de rehabilitación
con gran éxito entre los pacientes.

•La Clínica de Rehabilitación de Glenrose, situada en la localidad canadiense de
Edmonton, está utilizando la consola Wii como ayuda en terapias de
rehabilitación, con un éxito notable.
-Soldados heridos.

-Deportistas con lesiones
-Parkinson

-Lesionados
medulares
-Parálisis cerebral

-Ictus

2008

Wii Fit: perfect rehab for stroke victims?
Reports suggest that the capabilities of Wii Fit and the
Balance Board could be perfect in helping those poorly
with brain injuries such as stroke, cerebral palsy or
partial paralysis.
GameGrep, 11 May 2008

Wii fit + rehabilitation

Búsqueda de tendencias por vías poco ortodoxas

Mi avatar y
yo

A los psicólogos les
interesará saber esto.
Mundos virtuales,
videojuegos y discapacidad-

Use of Virtual Reality to Improve Upper-Extremity
Control in Children With Cerebral Palsy:
A Single-Subject Design
Yu-Ping Chen, Lin-Ju Kang, Tien-Yow Chuang, Ji-Liang Doong, Shwn-Jan Lee, Mei-Wun Tsai, Suh-Fang Jeng and Wen-
Hsu Sung
PHYSICAL THERAPY
November 2007.

Game-based Exercises for Dynamic Short-Sitting
Balance Rehabilitation of People With Chronic Spinal
Cord and Traumatic Brain Injuries
Aimee L Betker, Ankur Desai, Cristabel Nett, Naaz Kapadia and Tony Szturm
PHYSICAL THERAPY
October 2007

Impaired Short-term Motor
Learning in Multiple Sclerosis:
Evidence From Virtual Reality
Letizia Leocani, MD, PhD

NEUROREHABILITATION AND NEURAL REPAIR

May, 2007
American Society of Neurorehabilitation

Virtual reality boosts rehab efforts
Life-sized, 3D video game allows patients to ‘be the joystick’

Equilibrio.

Physiotherapy treatment at the Chaim Sheba Rehabilitation
Hospital near Tel Aviv, Nov. 29, 2006.

Horse Riding System Using Virtual Reality.

Author(s): Aoki T, Abe M, Shimizu K, Itokazu M, et al.

Source: Japanese Journal of Rehabilitation Medicine 39: 817-820. (2003).

Institution: Department of Orthopedic Surgery, Rehabilitation Medicine, Gifu Central Hospital, Japan

NIDRR Focus: Technology for access and function

REVIEWS:

Virtual reality in the rehabilitation of people with
intellectual disabilities: review.
Standen PJ, Brown DJ.
Cyberpsychol Behav. Jun 2005

Virtual reality in brain damage rehabilitation: review.
Rose FD, Brooks BM, Rizzo AA.
Cyberpsychol Behav. Jun 2005

Feasibility, Motivation, and Selective Motor Control:
Virtual Reality Compared to Conventional Home Exercise
in Children with Cerebral Palsy
C. Bryanton, J. Bosse, M. Brien, J. Mclean, A. McCormick, H. Sveistrup
Cyberpsychol Behav.
(Viabilidad, Motivación, y Control Selectivo del movimiento)

The influence of virtual reality on playfulness
in children with cerebral palsy: a pilot study.
Reid D.
Nov 2004

PROYECTO

TOYRA
TERAPIA OCUPACIONAL
Y
REALIDAD AUMENTADA

¿Qué es TOYRA?

Un proyecto de investigación y desarrollo

donde interviene un hospital público,
una empresa
y fundaciones.

Con un presupuesto de 2 millones de euros.

El objetivo :
construir un sistema de terapia tecnológicamente avanzado que:

1-Motive al usuario sistema de game-based biofeedback.
2-Permita recoger datos objetivos

3-Permita supervisar la terapia in situ y a distancia

1- MOTIVACIÓN: Game Based Biofeedback
Terapia en un entorno de Realidad Virtual o Realidad Aumentada.

1- OBJETIVACIÓN: medición de parámetros biomecánicos
Construcción de un modelo del miembro superior.
Análisis del movimiento humano mediante
instrumentación.

El paciente vería la terapia como algo más agradable y variado
Mientras nosotros evaluamos los progresos.
Incluso a distancia: TELEREHABILITACIÓN

Nuestro modelo del miembro superior
Permite analizar los datos

Base de datos de personas sin patología y con patología.
Permite comparaciones
Permite fijar objetivos

Laboratorio de miembro superior

DISPOSITIVOS UTILIZADOS EN NEUROREHABILITACIÓN VIRTUAL

Guantes


Videoinmersión
SISTEMA IREX


Marcadores


Háptica


Robots.


Sensores electromagnéticos


Acelerómetros
Giroscopios


Botones, pulsadores
joysticks

EL contenido de los juegos-terapia.

“Una teoría de la diversión
para el diseño de
viedojuegos”.

Raph Koster.

Nuevas tecnologías en rehabilitación robot realidad virtual bci

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