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Interfaz BCI-FES para Rehabilitación Neurológica: resultados preliminares

Diego A Giménez1, Federico G Arguissain1 y Carolina B Tabernig1 1 Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Entre Ríos, Entre Ríos, Argentina

E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]

Resumen. Este trabajo describe el diseño, desarrollo y evaluación preliminar de una herramienta de rehabilitación para pacientes con pérdida de la función motora voluntaria del miembro superior debido a desórdenes neurológicos severos. El diseño propuesto consta de tres canales de estimulación funcional eléctrica (FES, por sus siglas en ingles), diseñados para estimular la flexo-extensión de la mano y la supinación del antebrazo. Éstos son comandados por un microcontrolador que recibe las señales de control a través de una interfaz cerebro-computadora (BCI, por sus siglas en inglés) implementada en el software BCI2000. Se busca que el usuario sea quien genere la señal de control deseada a partir de modificar su estado cerebral. Esta actividad cerebral es captada y procesada mediante un sistema BCI que utiliza el paradigma basado en potenciales evocados relacionados a eventos. Los comandos de salida son interpretados por el microcontrolador, que los asocia con una acción física determinada a realizar por el dispositivo FES. De este modo el usuario puede controlar los parámetros de cada canal de estimulación. El sistema posee una interfaz de usuario diseñada de forma tal que el usuario puede seleccionar el encendido y apagado de los canales y el nivel de contracción muscular. También tiene la posibilidad de que el terapeuta modifique los parámetros estimulación eléctrica. Se realizaron exitosamente pruebas de desempeño de cada uno de los módulos y los resultados arrojados por el primer ensayo del sistema completo fueron satisfactorios.

1. Introducción El profundo interés en la capacidad de adaptación y aprendizaje del sistema nervioso ha originado el desarrollo de tecnología utilizada en procesos de rehabilitación que promueva esta habilidad de reorganización funcional luego de una lesión medular, cerebral o accidente cerebro-vascular (ACV).

Numerosos resultados indican que las diferentes modalidades terapéuticas influyen en la reorganización del sistema nervioso en gran medida a través de las señales neurales que llegan a los circuitos residuales [1]. Estas señales neurales incluyen los comandos motores descendentes y varias señales aferentes (cutánea, propioceptiva, etc.). Las distintas terapias de rehabilitación buscan generar estímulos sensoriales y motrices con la repetición de movimientos y su incorporación a las actividades de la vida diaria con el objetivo de conseguir la reeducación como un proceso de aprendizaje en condiciones patológicas [2].

Actualmente, existe un creciente interés en el desarrollo de tecnologías de interfaces cerebro-computadora (BCIs, por sus siglas en inglés) que ayuden a mejorar la calidad de vida de personas con

XVIII Congreso Argentino de Bioingeniería SABI 2011 - VII Jornadas de Ingeniería Clínica Mar del Plata, 28 al 30 de septiembre de 2011

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A continuación se describen los detalles de cada módulo.

2.1. Registro del Electroencefalograma Para el registro del EEG se utilizó un sistema de adquisición portable g®.MOBIlab+ [10] de 8 canales analógicos monopolares. Este dispositivo tiene la capacidad de transmitir las señales adquiridas a una PC/Notebook vía conexión wireless Bluetooth o vía RS232 mediante cable serie.

Se utilizó una gorra g®.GAMMAcap [10] para posicionamiento de los electrodos según la versión extendida del sistema 10-10, junto a un set de fajas ajustables g®.GAMMAcapBELT [10] para su sujeción. Los electrodos empleados fueron electrodos pasivos g®.LADYbird [7] de Ag/AgCu. Se utilizó gel conductor T20.

Los 8 canales de EEG se obtuvieron a partir de 10 electrodos localizados según la versión extendida del sistema 10-20 en las siguientes posiciones: Fcz, Cz, Pz, Oz, P3, P4, P7 y P8. Los electrodos de tierra y referencia se localizaron en los mastoides izquierdo y derecho respectivamente (M1, M2).

Las señales de EEG provenientes de este sistema son enviadas al software BCI2000 v2.0 el cual captura y almacena los registros a una frecuencia de muestreo de 256 Hz usando bloques de 8 bits para el procesamiento de datos.

2.2. Procesamiento de la señal y presentación de estímulos La coordinación de la adquisición y el análisis de las señales cerebrales junto a la manejo de la interfaz con el usuario es una tarea compleja, que requiere de una comunicación y sincronización de varios programas de manera simultánea [11]. Es por ello que se decidió utilizar para esta etapa el software BCI2000 v2.0. Esta plataforma multipropósito consiste de cuatro módulos genéricos a todas las BCIs (adquisición, procesamiento de señales, dispositivo de salida y configuración general del sistema) [8]. Este software presenta la ventaja de permitir la realización de prototipos de manera rápida para diferentes paradigmas experimentales. Su flexibilidad reside en la capacidad de soportar una gran variedad de sistemas de adquisición, así como también la posibilidad de optar por diferentes paradigmas de análisis de señales y feedback al usuario. Además, permite la interacción con otros programas (ej. un controlador de una sillas de ruedas robótica) ya que posee una interfaz de comunicación basada en protocolo TCP. En este trabajo, el software BCI2000 está encargado de manejar las funciones de adquisición y acondicionamiento de señales, clasificación y traducción a señales de control, así como del manejo de la retroalimentación visual.

Se configuraron los parámetros del BCI2000 correspondientes a cada uno de sus bloques fundamentales para que desempeñe sus funciones como BCI basada en paradigma P300. La señal de P300 aparece en el registro de EEG en las áreas corticales centrales aproximadamente 300 ms luego de un estímulo visual o auditivo (en este caso se trata de estímulos visuales) [5]. Mediante la representación en una pantalla de distintas acciones a realizar por el dispositivo a comandar (en este caso el dispositivo FES), se pretende que el usuario sea capaz de seleccionar el objetivo, es decir, su intención. El sujeto debe enfocar su atención sucesivamente en los comandos que desea ejecutar. La estrategia de detección está basada en el “parpadeo” continuo de las filas y columnas de la matriz en pantalla. Cuando el elemento a seleccionar es iluminado, se evoca un P300, el cual es detectado por la computadora, permitiendo reconocer luego de una serie predeterminada de “parpadeos” la intención del usuario. Se ha reportado que el paradigma P300 posee una menor carga cognitiva para el usuario frente a otros paradigmas de BCI [12].

Se definió una matriz de estimulación visual (figura 2) para control del dispositivo FES partiendo de la matriz del deletreador de Donchin [13]. En este caso, los íconos fueron adaptados para representar las diferentes acciones posibles a realizar mediante el dispositivo FES.


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2.4. Módulo de Comando Este módulo está basado en el µC PIC18F4550 de la empresa Microchip®. En la tabla 1 se pueden ver sus características básicas.

El firmware del µC fue desarrollado en lenguaje ANSI C. El mismo posee implementada una comunicación unidireccional serie, Communications Devices Class, entre el µC y el software del módulo de comunicación, que usa un puerto COM serie estándar pero emulándolo vía USB 2.0 full speed. Se hizo uso del controlador (driver) provisto por Microchip® para el sistema operativo Windows®.

Los comandos de control enviados por el módulo de comunicación son interpretados por el µC, el cual es el encargado de generar las señales de control de FES y de actualizar los parámetros de las señales pulsadas de estimulación, como por ejemplo el ancho de pulso y/o la frecuencia.

2.5. Dispositivo FES Para esta etapa se implementó un prototipo de sistema FES de 3 canales en forma modular para poder evaluar el desempeño de cada canal de manera simple. Cada módulo está constituido por la etapa de potencia del estimulador comandada por el µC. Este último modifica el ancho de pulso de las señales rectangulares de estimulación de 50 µs a 400 µs, en base al comando recibido de acuerdo a la voluntad del usuario de aumentar o disminuir el nivel de contracción muscular. El rango de variación del ancho de pulso posee 5 niveles. La frecuencia de los pulsos de estimulación se estableció en 26,15pps. Cada canal posee además un control analógico de intensidad eléctrica en la etapa de potencia.

Tabla 1. Características principales del µC PIC18F4550 [9]

CARACTERÍSTICAS 18F4550 Frecuencia de operación Hasta 48 MHz Memoria de Programa (bytes) 32.768 Memoria RAM de Datos (bytes) 2.048 Memoria EEPROM Datos (bytes) 256 Interrupciones 20 Líneas de E/S 35 Temporizadores 4 Módulos de Comparación/Captura/PWM (CCP) 1 Módulos de Comparación/Captura/PWM mejorado (ECCP) 1

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3. Evaluación del Diseño Para la evaluación modular del diseño, se propuso la realización de cuatro pruebas, en las cuales se fueron anexando progresivamente los distintos módulos, de manera de verificar su correcto funcionamiento en forma conjunta. Cada prueba consistió de 5 sesiones cada una.


3.1. Prueba de comunicación y mando La primera prueba tenía como meta corroborar que el módulo de comunicación logre una conexión segura con el módulo de comando. Para ello se utilizó el bloque generador de comandos del módulo de comunicación. La prueba consistía en seleccionar una serie de comandos previamente definida en la interfaz de la aplicación de comunicación, la cual se verificaba monitoreando las salidas del módulo de comando mediante osciloscopio digital. Las tres salidas del µC fueron conectadas a LEDs. Los parámetros eléctricos monitoreados en las señales de salida de esta prueba y las subsiguientes fueron la frecuencia y el ancho de pulso. También se observó que existiese correlación temporal entre el comando enviado y la señal medida.

3.2. Transferencia de comandos desde la BCI al módulo de comunicación. En la segunda prueba se constató que la señal de control proveniente del BCI2000 sea enviada correctamente al módulo de comunicación. Para ello se utilizó la interfaz de estímulos visuales de la BCI, donde los comandos fueron seleccionados con el puntero del ratón, empleando como fuente el módulo SignalGenerator, incluido en el BCI2000. Esta aplicación es un filtro que genera señales de prueba formadas por una sinusoidal superpuesta a ruido blanco y una componente de continua. La aplicación genera un potencial evocado simulado en el momento indicado de manera que el icono seleccionado con el puntero del ratón sea detectado por el sistema. Las salidas del µC fueron conectadas nuevamente a 3 LEDs.

3.3. Control del dispositivo de FES por BCI en modo simulado. Para la tercera prueba se empleó un dispositivo de FES de un canal, en el cual se realizó el control de encendido/apagado del mismo y la variación del ancho de pulso (50 µs a 400 µs) del estímulo, manteniendo constante la intensidad (40 mA) y la frecuencia (26,15 Hz). Se hizo uso de la BCI con la selección de comandos mediante el puntero del ratón. La salida del dispositivo FES fue conectada a una carga resistiva de 2.2 KΩ. Se obtuvieron las señales de salida del módulo de comando y del dispositivo de FES mediante osciloscopio digital.

3.4. Control del dispositivo de FES por BCI en modo online. En esta cuarta prueba se utilizaron todos los componentes del sistema a excepción del módulo de registro de EEG. Nuevamente los comandos eran enviados desde la BCI seleccionándolos con el puntero del ratón usando la aplicación SignalGenerator. Se conectaron dos electrodos de estimulación del dispositivo de FES a un sujeto sano, colocando el electrodo activo en la zona media de los músculos extensores de la mano, con la referencia sobre el tríceps en la zona posterior-distal del brazo, de manera de controlar la extensión de la mano. Para ello se definió una serie de comandos a ejecutar, la cual era monitoreada mediante mediciones en la salida del módulo de comando y por observación del efecto logrado en la musculatura del usuario. Previo a iniciar la prueba, por cuestiones de seguridad y confort, se determinó la máxima intensidad admisible para el usuario con una señal pulsada de 26,15 Hz y un ancho de pulso de 400 µs.

4. Protocolo de prueba del sistema BCI+FES

4.1. Preparación del usuario y configuración de la BCI Como todo proceso de aprendizaje, el uso de una BCI requiere de un entrenamiento. La dependencia de adaptación mutua entre el usuario y el sistema y viceversa es un principio básico de operación de una BCI.

Como primer paso para lograr el uso efectivo de una BCI, se debe instruir al usuario en los principios básicos de operación, las funcionalidades posibles del sistema, el modo de trabajo y de las tareas que se van a realizar. Es importante pedirle al usuario que se mantenga concentrado durante la sesión.


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