Gesture Therapy: un sistema de rehabilitación virtual

Una de las enfermedades más comunes que causan daños cerebrales son las embolias, también conocidas como “enfermedad vascular cerebral” (EVC). Al sufrir una embolia, la persona frecuentemente pierde la capacidad de movimiento de las extremidades (brazo y pierna) de un lado, ya sea izquierdo o derecho; el lado opuesto al hemisferio cerebral donde sufrió el daño. En ocasiones también pueden afectarse otras facultades. En los últimos años se ha demostrado que un importante porcentaje de las personas que han sufrido una embolia pueden recuperar el movimiento en buena medida a través ejercicios de rehabilitación, aprovechando la plasticidad del cerebro. La plasticidad cerebral es la capacidad del cerebro de reaprender; es decir, que cuando alguna región del cerebro sufre un daño, pueden otras partes retomar su función.

En la imagen se observa a una persona interactuando con Gesture Therapy, con la manija en su mano, la cual tiene una esfera para el seguimiento visual. En la pantalla se observa uno de los juegos —asar la carne—, y en la ventana pequeña se ilustra la detección de la esfera y el usuario por el sistema

En la imagen se observa a una persona interactuando con Gesture Therapy, con la manija en su mano, la cual tiene una esfera para el seguimiento visual. En la pantalla se observa uno de los juegos —asar la carne—, y en la ventana pequeña se ilustra la detección de la esfera y el usuario por el sistema

Le rehabilitación tradicional de personas que han sufrido una embolia cerebral consiste en hacer ejercicios repetitivos con los miembros afectados guiados por un terapeuta, lo que se conoce como terapia ocupacional. Aunque este tratamiento ha demostrado buenos resultados para muchos pacientes, tiene dos desventajas: (a) se requiere de un terapeuta, lo que limita el tratamiento ya que el paciente tiene que desplazarse a una clínica especializada, y (b) los pacientes tienden a perder la motivación, ya que la recuperación implica un esfuerzo importante por meses e incluso años, por lo que muchos no concluyen la terapia y por consiguiente no alcanzan todo el potencial de la rehabilitación.

En el INAOE hemos desarrollado el sistema Gesture Therapy, el cual combina técnicas de visión por computadora, realidad virtual e inteligencia artificial, para ayudar a la rehabilitación de las extremidades superiores de pacientes que han sufrido embolias cerebrales, así como parálisis cerebral y otros padecimientos que afectan la movilidad de extremidades superiores. Gesture Therapy se basa en el uso de elementos de bajo costo como son una computadora personal, una cámara y una manija, y permite al paciente realizar la terapia en casa sin la necesidad de un terapeuta, manteniendo su motivación al utilizar juegos por computadora con los que interactúa el paciente.

El sistema consta de elementos físicos (hardware) y de programas de computadora (software). Los elementos de hardware son una computadora, donde se ejecutan los programas; una cámara de video (cámara web), que permite observar los movimientos del paciente; y una manija, que el paciente toma con la mano del miembro afectado, la cual facilita el seguimiento visual de su mano y también mide la presión que ejerce al apretarla.

El software lo podemos dividir en tres partes principales: seguimiento visual, ambiente virtual y adaptación. El programa de seguimiento visual analiza las imágenes que se obtienen de la cámara y realiza el seguimiento de la posición de la mano en el espacio en tres dimensiones. Para ello se auxilia de una esfera de color en un extremo de la manija, que es lo que realmente sigue el sistema. La posición en el espacio de la esfera se estima mediante técnicas de visión por computadora que combinan información de color y textura del objeto, con estimaciones de su posición considerando sus posiciones en las imágenes previas. Estas técnicas utilizan modelos estadísticos que realizan un muestreo de diversas posibles posiciones de la pelota y seleccionan en cada instante la más probable. Para ello se aprende un modelo de la apariencia de la pelota de una sola imagen; el sistema construye un modelo estadístico de su color y textura, que luego se utiliza para reconocerla. Después de esto, el sistema puede seguir la pelota en el video, obteniendo su posición en la imagen (horizontal y vertical, o X,Y) y estimando su profundidad (Z) con base en el tamaño relativo de la pelota en la imagen.

Una vez que se obtiene la posición de la mano del paciente a través del sistema de seguimiento visual, ésta se envía a un ambiente simulado, con el cual interactúa el paciente mediante el movimiento del brazo afectado. En el ambiente virtual, el paciente tiene que realizar diversas actividades que lo obligan a ejercitar el miembro afectado. Para ello, el sistema hace un mapeo de las coordenadas de la mano del paciente en el espacio “real”, donde se encuentra el paciente; al espacio virtual, donde interactúa con un mundo imaginario, el cual observa a través de la pantalla de la computadora. Este mapeo de un mundo al otro se puede configurar de acuerdo al paciente y su estado de avance en la terapia; por ejemplo, para pacientes que aún no pueden mover mucho el brazo, se puede hacer que movimientos pequeños de la mano produzcan movimientos grandes en el espacio virtual.

El ambiente virtual para rehabilitación es similar a los juegos de video, aunque con dos diferencias importantes. Por un lado, los ejercicios están diseñados de forma que obliguen al paciente a ejercitar las diferentes partes del brazo que son importantes para la rehabilitación, como son el hombro, codo, muñeca, e incluso los dedos; con diferentes tipos de movimiento como flexión, extensión y prensión, entre otros. Por otro lado, los ambientes están diseñados para simular actividades de la vida diaria, ya que lo que se busca es que el paciente pueda regresar a hacer una vida normal. Ejemplos de algunas de las actividades que emulan los juegos son: limpiar una ventana, ordenar el cuarto, cambiar las llantas, ordeñar una vaca, etcétera.

El tercer elemento de software permite al sistema adaptarse de acuerdo al progreso del paciente, lo cual es importante si se va a utilizar sin la supervisión todo el tiempo de un terapeuta. Para ello utilizamos técnicas de inteligencia artificial que en cada momento estiman el rendimiento del paciente a través de medir la velocidad y suavidad de sus movimientos al realizar uno de los juegos. Con base en estas estimaciones el sistema decide si mantener, aumentar e incluso disminuir el nivel de dificultad de los juegos. Por ejemplo, en el juego de limpiar la ventana se puede modificar el número de manchas, su distancia y la velocidad con que aparecen. Esta capacidad permite al sistema, por ejemplo, aumentar el nivel de dificultad si el paciente va progresando en su rehabilitación, o disminuirlo si se está cansado. Actualmente trabajamos en estimar el estado afectivo del paciente (por ejemplo si tiene dolor), el cual es también un aspecto importante a considerar en la adaptación del sistema.

Gesture Therapy ha sido evaluado en pruebas clínicas con pacientes que han sufrido embolias cerebrales en el Instituto Nacional de Neurología y Neurocirugía, y con niños con parálisis facial en el Instituto Nacional de Pediatría. Para evaluarlo, se realizaron estudios clínicos controlados, donde se evalúa su impacto clínico en los pacientes. Para ello, un grupo de pacientes utilizan el sistema durante varias semanas, y otro grupo de pacientes con características similares reciben terapia tradicional. Al final, se realiza una evaluación clínica por un terapeuta de cada paciente para ver su mejora, y se compara la mejora promedio en ambos grupos. Los estudios con pacientes de EVC muestran resultados similares en cuanto a la mejora del movimiento del miembro afectado para ambos tipos de terapia. Sin embargo, los pacientes que utilizaron Gesture Therapy tienen una mucha mayor motivación y apego al tratamiento, elementos esenciales para lograr maximizar la recuperación a largo plazo. Los pacientes de parálisis cerebral sí muestran una diferencia significativa en la mejora con respecto a la terapia tradicional.

Actualmente se cuenta con patentes del sistema de seguimiento visual 3D y de la manija para rehabilitación en México, y se tienen solicitudes en trámite en Estados Unidos y Europa. Se está en proceso de transferir la tecnología a una empresa para comercializar Gesture Therapy, y de esta forma contribuir a la rehabilitación de cientos de miles de personas que sufren embolias cerebrales cada año en México y el mundo.

 

esucar@inaoep.mx