Salud Pública
“Interfaz Cerebro-Computador para sillas de ruedas”
Integrantes:
Eber Gabriel Garduño López Mariel Sarai García Hernández
Oscar Cantera Cantera
Introducción.
La realidad actual muestra que las discapacidades motrices van en constante incremento en personas de diferentes edades que sufren algún accidente que provoca problemas para moverse de manera autónoma y los obligan a utilizar apoyos externos para desplazarse; en muchos de los casos una silla de ruedas, pero además requieren de la asistencia de otras personas para su traslado, lo que les genera una fuerte dependencia. Por ello es necesario buscar posibilidades que favorezcan su desplazamiento de una manera más independiente.
Gran cantidad de personas con alguna discapacidad de movilidad se ven afectadas por algunos de los siguientes aspectos en su vida:
Falta de oportunidades de desarrollo personal, social y laboral, en muchos de los casos esto ocurre por su poca capacidad de desplazamiento y por la falta de oportunidades laborales y sociales en nuestra sociedad, ya en muchas ocasiones las personas encargadas de dar empleo (recursos humanos) o dueños de empresas ven más rentable contratar a una persona sin discapacidad.
Una vida poco digna y no llevadera, ya que el discapacitado tiene una vida sedentaria y por lo general no tiene las posibilidades de desenvolverse de la mejor manera en la sociedad, afecta sus relaciones con las personas, por su poca o nula capacidad de desplazamiento.
Fuerte dependencia del usuario con su familia porque no tiene una aportación económica que contribuya al gasto familiar, en este caso el paciente requiere de un apoyo para su traslado, lo que también genera una fuerte dependencia a la persona encargada de moverlo, ya que en lugar de que el familiar o apoyo éste desempeñándose debe ayudar al discapacitado y por ende pierde oportunidades económicas y de otra índole, aunado a esto también existe una falta de oportunidades laborales para los discapacitados que nos les permite tener un empleo.
Trastornos emocionales, consecuencia de la discapacidad, todo esto ocurre por su vida sedentaria, ya que al permanecer en un mismo lugar gran
cantidad de tiempo, genera problemas emocionales y comienzan una serie de trastornos que afectan su vida y pueden ocasionar una esperanza de vida menor.
Este proyecto pretende auxiliar a estas personas de manera que puedan recuperar la movilidad, otorgándoles la capacidad de poder transportarse con el hecho de solo controlar sus estados mentales, permitiéndoles así tener una mejor calidad de vida y una vida llena de oportunidades y desarrollo personal, cuyo beneficios no solo involucra al discapacitado, sino a su familia, ya que ellos podrán desempeñar tareas que no podían realizar porque requerían desplazarse y dependían de familiares para hacerlo.
Con este proyecto, queremos generar un cambio en nuestra sociedad, y permitir a los discapacitados desarrollarse de la mejor manera y con ello generar motivación en sus vidas para salir adelante, buscando un crecimiento en todos los aspectos de su vida.
En la actualidad no existe como tal, un prototipo de silla de ruedas comercial que sea controlada por la mente, es decir un dispositivo formado por un electroencefalograma, un software de adquisición de señales y una silla de ruedas con actuadores, todo en conjunto y de bajo costo.
Este proyecto fue presentado en el Concurso anterior de Vive Conciencia 2015, obteniendo el primer lugar en la Etapa Regional en el estado de Guanajuato, en esta nueva etapa se realizaron algunos cambios y mejoras, los cuales se presentan a continuación:
En la etapa anterior la diadema de electrodos a usar era la Open BCI, cuyo costo ronda los diez y seis mil pesos, mientras que para esta nueva se propone utilizar la diadema de electrodos MindWave Mobile, con un precio de dos mil quinientos pesos, lo cual representa una significante mejora, pues se reducirían hasta menos de la mitad el costo de la silla de ruedas y más población tendría solvencia económica para adquirirla.
En la convocatoria anterior, también se propuso desarrollar un kit para ser implementado en cualquier de sillas de ruedas convencional, por lo que nos dimos a la tarea de realizar un estudio de mercado, para llevar un estudio de cómo la población veía este producto, lo cual nos arrojó que la población considera mejor adquirir todo el sistema con la silla de ruedas, y no tener la necesidad de implementar todos los elementos en dicha silla de ruedas, ya que muchas de las veces las sillas de ruedas no tienen el mismo diseño y existe algunas diferencias entre ellas según el fabricante.
También se quitaron algunos dispositivos tecnológicos costosos y pesados al sistema como el uso de una PC, Tarjeta de Adquisición de Datos DAQ y en el área de softwares se dejaron de utilizar LabVIEW y JAVA, esto para en gran medida reducir los costos de sus licencias y hacer la silla lo más portable y ligera posible, en esta etapa todo el desarrollo de algoritmos se realizará en Arduino, el cual se caracteriza por ser software libre y el microcontrolador es muy pequeño y portable.
Planteamiento.
Estudios de INEGI en 2011 señalan que en México existen 3,347,849 personas que sufren la discapacidad de caminar o moverse; siendo la discapacidad más común en nuestro país. Las razones que producen esta discapacidad son variadas (causas prenatales, perinatales, postnatales, entre otras). En la figura 1, se presentan la cantidad de personas discapacitadas de cada topología.
No solo las personas cuadripléjicas, tripléjicas, bipéjlicas, monopléjicas y hemipléjicas, tienen problemas para moverse, existen miles de personas que sufren del mismo problema por otro tipo de causas, la gráfica de los porcentajes de dicho censo se muestra en la figura 2. [1]
Figura 1. Extracto de censo: Población con discapacidad INEGI 2011.
Figura 2. Gráfica de porcentaje de la población con discapacidad según la dificultad en la actividad.
En la actualidad se ha incrementado la cantidad de personas de diferentes edades que sufren alguna discapacidad motriz y de movilidad y requieren de apoyos externos para desplazarse; en muchos de los casos una silla de ruedas, pero además requieren de la asistencia de otras personas para su traslado, lo que les genera una fuerte dependencia. Por ello es necesario buscar posibilidades que favorezcan su desplazamiento de una manera más autónoma.
Gran cantidad de personas con alguna discapacidad de movilidad se ven afectadas por algunos de los siguientes aspectos en su vida:
● Brindan poco apoyo a la economía familiar
● Fuerte dependencia del usuario a su familia.
● Falta de oportunidades de desarrollo personal y social.
● Una vida poco digna y no llevadera.
● Trastornos emocionales, consecuencia de la discapacidad.
● Falta de oportunidad de obtener un empleo.
La innovación en la historia de las tecnologías permitió en 1924 crear la primera silla de ruedas eléctrica. Sin embargo, actualmente esto no es suficiente y se necesita un grado más de ayuda para estas problemáticas. Este proyecto pretende auxiliar a estas personas de manera que puedan recuperar la movilidad, otorgándoles la capacidad de poder transportarse con el hecho de solo controlar sus estados mentales, permitiéndoles así tener una mejor calidad de vida y una vida llena de oportunidades y desarrollo personal, cuyo beneficios no solo involucra al discapacitado, sino a su familia, ya que ellos podrán desempeñar tareas que previamente no podían realizar por la necesidad de desplazar a su familiar discapacitado. [2]
Propuesta.
Diseñar e implementar el sistema de dirección para una silla de ruedas controlada mediante estados mentales concentración y meditación, este sistema contará con una interfaz cerebro-computador la cual adquirirá las señales eléctricas del pensamiento mediante una diadema con sensores para captar señales electroencefalográficas, mediante un microcontrolador este interpretará las señales y tomará decisiones para activar los actuadores (motores) que permitirán el movimiento de la silla.
El dispositivo contará con un control de dirección y avance desmontable, la diadema para la adquisición de señales electroencefálicas, una tarjeta de adquisición de señales, un par de baterías de 12 volts.
El reto de este proyecto es hacerlo lo más económico posible ya que las sillas eléctricas controladas por joystick cuestan alrededor de $35,000 y las pocas sillas que se pueden controlar por la mente aún no han salido al mercado. El desafío es grande, pero de lograrlo las personas discapacitadas tendrán una excelente ayuda ya que los dejaría ser más independientes.
La electroencefalografía es el registro y evaluación de los potenciales eléctricos generados por el cerebro y obtenidos por medio de electrodos situados sobre la superficie del cuero cabelludo. El electroencefalograma (EEG) es el registro de la actividad eléctrica de las neuronas del encéfalo. Dicho registro posee formas muy complejas que varían mucho con la localización de los electrodos y entre individuos. Esto es debido al gran número de interconexiones que presentan las neuronas y por la estructura no uniforme del encéfalo.
La actividad bioeléctrica cerebral puede captarse por diversos procedimientos:
· Sobre el cuero cabelludo.
· En la base del cráneo.
· En cerebro expuesto.
· En localizaciones cerebrales profundas.
Para captar la señal se utilizan diferentes tipos de electrodos:
· Electrodos superficiales: Se aplican sobre el cuero cabelludo.
· Electrodos basales: Se aplican en la base del cráneo sin necesidad de procedimiento quirúrgico.
· Electrodos quirúrgicos: para su aplicación es precisa la cirugía y pueden ser corticales o intracerebrales.
Para nuestra silla se utilizarán electrodos superficiales (no invasivos) sobre el cuero cabelludo, los cuales son los más baratos y tienen una mayor facilidad de colocación a diferencia de los electrodos implantados quirúrgicamente.
Las neuronas tienen una conexión con otras a través de axones, esta conexión tiene un componente químico y otro eléctrico es este último el que se puede medir a través de un
electroencefalograma; dependiendo del estado mental en que estemos se clasifican en ondas beta y alpha. Las señales serán recibidas del usuario por medio de una diadema capaz de leer dos estados mentales: concentración y meditación relacionada con las ondas beta y alpha respectivamente.
En el área de motores existen una gran variedad de tipologías, como motores de corriente alterna, de corriente directa, servomotores, motores trifásicos, motores a pasos, entre otros, para alimentar los anteriores es necesario contar con baterías de gran capacidad y cómo estas funcionan con corriente directa, se limita el catálogo de motores que pudiéramos implementar, pero no es ningún problema ya que los motores más fáciles de controlar son los de corriente directa, el desafío para el diseño de la silla es contar con el motor adecuado que sea capaz de mover la silla considerando el peso de la persona.
Los datos serán enviados y procesados por medio de un microcontrolador, este será programado para interpretar los movimientos dependiendo del nivel de concentración y meditación que se tenga, los valores que recibe el microcontrolador por medio de una conexión bluetooth tienen una ponderación de 0 a 100, dentro del programa se añadirán condiciones de seguridad para evitar que el usuario choque con objetos. Cada señal y movimiento podrá ser visualizada por medio de indicadores LCD y LED´s, así el usuario podrá tener un mejor control de sus estados mentales.
En cuanto al movimiento de la silla de ruedas se utilizarán motores de corriente continua de 24V a 5 Amperes capaces de transportar personas con un peso menor a 110 Kg. Los sensores ultrasónicos estarán ubicados de tal forma que puedan detectar un objeto rápidamente y así evitar un accidente.
La adquisición e interpretación de las señales representan lo complejo del proyecto, ya que como se mencionó anteriormente la electroencefalografía no es muy precisa, además de que se tiene que introducir la señal eléctrica de la persona a la computadora, para esto se tiene que utilizar un microcontrolador. Los neurólogos tienen tarjetas especiales que son exclusivamente para los softwares que ellos manejan, pero nuestra propósito es diferente a la de ellos, ya que ellos solo observan el comportamiento de las
señales, para el proyecto la computadora encargará de la interpretación de señales, de no ser posible adaptar esta tarjeta para su uso en cualquier software, se planea emplear la tarjeta Arduino gracias a su software libre reduce demasiado el costo ya que en el mercado estos dispositivos están desde $300, Arduino además de interpretar las señales sería el que tomará las decisiones para el comando de los actuadores.
Reconocemos que dicho proceso será un poco lento, pero que a lo largo de los años el desarrollo de esta área irá en crecimiento, pues las tecnologías se encuentran en constante avance. Día a día la tecnología y el conocimiento crecen a grandes pasos y no hay que tener duda de que el tipo de tecnología que estamos implementando en unos años quede obsoleta y haya sido reemplazada por una mejor, este es el motivo principal que tenemos todos los que estamos involucrados en áreas de investigación, hacer la tecnología actual obsoleta para ser reemplazada por alguna mejor.
Conclusión.
El diseño es similar a una silla de ruedas convencional, en el mercado existen otros diseños sin el controlador por medio de estados mentales su costo es elevado, estos son sistemas basados en sillas de ruedas eléctricas, que tienen sistema de tracción en cada una de las ruedas traseras y estos modelos son costosos en referencia al que se pretende incorporar , esto porque el poder adquisitivo de la mayoría de la población que sufre una discapacidad en México es bajo, por lo que tener un sistema adaptado a una silla hace que el usuario tenga hasta cierto punto independencia a un bajo costo, la interfaz cerebro ordenador es un medio de comunicación del usuario con la silla esto enfocado a personas que les sean imposible poder desplazarse, como en personas que han perdido sus extremidades por lo que el movimiento será más libre, además en un futuro el desarrollo de las conexiones a diferentes dispositivos que interactúan con el usuario y pueden ser controladas por los pensamientos.
Nuestro sistema de manera muy simple contará con una diadema capaz de leer señales eléctricas del cerebro, un microcontrolador Arduino, y por último el movimiento se le dará por medio de motores eléctricos. Se busca a ofrecer a Instituciones de Salud Pública y Privada, así como Centro de Rehabilitación para su uso, además que sea aplicable su implementación en cualquier tipo de silla de ruedas que se desee.
Reconocemos que existe una gran necesidad de este sistema para todas esas personas discapacitadas, que les permitirá facilidad de movilidad, y más oportunidades para desarrollarse, creemos que el gobierno necesita apoyar más a este tipo de personas y consideramos que nuestro proyecto cumple con los requisitos, objetivos y mercado para realizarlo.
Planeamos que nuestro sistema sea económico, por lo que se irá a las industrias para adquirir motores de reúso, se planea desarrollar las diademas de electrodos con impresoras 3D empleando material PET para su fabricación, lo cual se vería reflejado en un beneficio ambiental y ecológico.
Bibliografía.
[1] http://cuentame.inegi.org.mx/poblacion/discapacidad.aspx?tema=P
[2]http://who.int/disabilities/publications/technology/wheelchairguidelines_sp_finalforweb .pdf
[3] Guiselle Espinoza. Manual de sillas de ruedas motorizadas sunrise medical y sus cuidados.Loh medical. En: http://www.lohmedical.com/es/noticias/manual-de-sillas-de- ruedas-motorizadas-sunrise-medical-y-sus-cuidados. Consultado: septiembre 2015.
[4] Sanguineti Juan José. Neurociencia y filosofía del hombre. 2a Edición. 2014.
Ediciones Palabra S.A. Madrid España. 93.
[5] Paula Bardera. Sillas de ruedas controladas por la mente. PcWorld. En;
http://www.pcworld.com.mx/Articulos/4809.htm. Consultado: septiembre 2015.
[6] WAYRA FICAPAL. Sillas de ruedas controladas por la mente. La vanguardia. en:
http://www.lavanguardia.com/tecnologia/innovacion/20131126/54394869724/sillas-de- ruedas-interfaz-mente.html. Consultado: septiembre 2015.
[7] Discapacidad en México. Población. En:
http://cuentame.inegi.org.mx/poblacion/discapacidad.aspx?tema=P. consultado:
septiembre 2015.
[8] Electroencefalografia. UNER. En:
http://www.bioingenieria.edu.ar/academica/catedras/bioingenieria2/archivos/apuntes/t ema%205%20-%20electroencefalografia.pdf. Consultado: septiembre 2015.
