PROCEDIMIENTO Y SISTEMA PARA LA COMUNICACIÓN CON SUJETOS EN ESTADO DE CONSCIENCIA DISMINUIDA.

Procedimiento y sistema para la comunicación con sujetos en estado de consciencia disminuida.

La presente invención consiste en un procedimiento o método de comunicación bidireccional y efectiva con personas en estado de consciencia disminuida (coma, estado vegetativo o similar) así como en un sistema que implementa dicho procedimiento y permite lograr la comunicación, generando las señales auditivas que recibe el sujeto en estado de consciencia disminuida y procesando los potenciales evocados por su cerebro tras procesar dichas señales.

PROCEDIMIENTO Y SISTEMA PARA LA COMUNICACIÓN CON SUJETOS EN ESTADO DE CONSCIENCIA DISMINUIDA

SECTOR DE LA TÉCNICA

El campo de aplicación de esta invención es el de las técnicas y aparatos de interacción hombre-máquina, aplicadas en particular a sujetos en estado de consciencia disminuida (coma, estado vegetativo o similar) .

Las tecnologías y métodos aplicados involucran los campos de la neurociencia, la electrónica y las comunicaciones, la computación inteligente y la rehabilitación.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Originalmente los Interfaces de comunicación Cerebro-Ordenador, BCI (del inglés Brain-computer Interfaces) , fueron sistemas pensados para sujetos con graves problemas de naturaleza motora que hacían difícil o muy difícil su comunicación. Ya que los sujetos no podían dar órdenes a sus músculos para efectuar acciones con las que poder comunicarse (pulsar una tecla, gesticular, hablar, etc .... ) se hacía necesario salvar este obstáculo colocando algún sistema capaz de capturar el mensaje que se quería transmitir antes de ser enviado a los músculos y desviarlo a un sistema de comunicaciones para recibir, interpretar y ejecutar la orden o el mensaje correspondiente. De esta forma se establecía un canal de comunicaciones del sujeto con el exterior. Actualmente se ha generalizado su estudio y desarrollo a un grupo más amplio de usuarios y aplicaciones, abarcando incluso las lúdicas o de seguridad biométrica.

Por motivos de coste y conveniencia los BCI están principalmente basados en el análisis de Electroencefalografía (EEG) . El análisis de EEG tiene las ventajas respecto a otros métodos como la Resonancia Magnética Funcional (RMF) o el Electrocorticograma (ECoG) , por un lado, su bajo coste y por otro lado que el registro de EEG se realiza de forma no invasiva e inocua para el sujeto. La EEG dispone una serie de electrodos por toda la superficie del cráneo con el objeto de transformar las corrientes iónicas generadas durante la actividad cerebral en corrientes eléctricas. Éstas a su vez serán amplificadas, filtradas, muestreadas y convertidas convenientemente a formato digital para poder ser tratadas por un computador. El computador ejecutará un algoritmo que analizará los datos, junto con otras informaciones como son el electrodo de donde proviene y su temporización con el resto de electrodos y/o estímulos generados desde el exterior. Con esta información el computador tendrá que clasificar con la más alta probabilidad de acierto posible el mensaje que el sujeto quiere comunicar al exterior. Una vez comunicado el mensaje, éste le es presentado al propio sujeto en tiempo real para que conozca el efecto causado y pueda reajustar internamente su actividad cerebral mediante un proceso de prueba y error y aproximaciones sucesivas. Esta técnica, que es conocida como biorrealimentación, es la base del aprendizaje mutuo entre sistema y sujeto y es propio de cualquier sistema de comunicación en general y de los BCI en particular.

A fecha de hoy la mayoría de las aplicaciones están pensadas para sujetos con algún tipo de deficiencia motora que les imposibilita una correcta interacción con el mundo que les rodea. En este ámbito, los sistemas BCI posibilitan una mejora significativa en la calidad de vida de estos sujetos. Más allá de este fin, se ha estudiado el BCI como herramienta eficaz en la labor creadora de músicos, coreógrafos, etc.

Algunas de las aplicaciones típicas de sistemas BCI son:

• Comunicaciones: Esta es una aplicación prioritaria para enfermos

completamente paralizados. Se han investigado diversos métodos, desde

una simple aplicación binaria "sí/no" hasta teclados virtuales con los que se

puede deletrear palabras. Estas aplicaciones se han mostrado eficaces a la

hora de la transmisión de información aunque el número de caracteres

procesados por minuto es muy bajo.

• Control de entornos de Realidad Virtual: La Realidad Virtual se usa en

sistemas BCI debido a su grado de inmersión, motivación y entorno seguro

y acotado. De esta forma el sujeto interactúa sólo sobre un entorno

reducido y el sistema trasladará las órdenes ejecutadas sobre ese entorno

• Prótesis Neuronales: Otra fuente de aplicaciones es en la restauración de movimiento para personas con discapacidades motoras. Se han usado señales corticales para controlar un brazo robotizado. Otros estudios han usado señales extraídas directamente del cerebro para mover una mano virtual.

• Arte: Existen diversos proyectos como "Neural Art", "Neural Music'' o "cyberPRINT', destinados a usar las nuevas posibilidades ofrecidas por BCI para la creación artística.

1O Sin embargo, en la actualidad los sistemas BCI tienen los siguientes problemas:

• Ancho de banda: El número de órdenes que pueden ejecutarse por minuto usando un sistema BCI es muy bajo.

• Probabilidad de error: Las señales extraídas del cerebro son muy variables. Cualquier estímulo inesperado provoca una actividad cerebral que empeora

las condiciones de análisis. Además factores como fatiga, medicación, etc. alteran involuntariamente la actividad cerebral.

• Autonomía: Los sistemas BCI conocidos necesitan la participación de asistentes a la hora de la colocación y ajuste de los electrodos. Además, la mayor parte de estos sistemas BCis no pueden ser iniciados independientemente por el usuario, sino que son iniciados externamente (de no ser así estaríamos enfrentándonos al problema del "Rey Midas", en donde en ocasiones el usuario podría estar mandando señales al sistema BCI incluso sin desearlo. Un ejemplo de este fenómeno ocurre cuando el sujeto está dormido o inconsciente o se está realizando una actividad

cerebral que no tiene nada que ver con el control del BCI) .

• Carga cognitiva: La mayor parte de las pruebas son realizadas en laboratorios en un entorno controlado. Los usuarios pueden concentrarse en las pruebas sin distracciones. Pero el mundo real no es así en absoluto: Respuestas emocionales, interacciones con otros individuos, distintas

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El primer objeto de esta invención es un procedimiento o método de comunicación bidireccional y efectiva con personas en estado de consciencia disminuida (coma, estado vegetativo o similar) . Se puede llegar a establecer comunicación con sujetos que, aún en estado de consciencia disminuida, sean capaces de recibir estímulos externos auditivos, procesarlos cognitivamente y ser capaces de modificar voluntariamente su actividad cerebral.

El segundo objeto de esta invención es un sistema BCI que implementa el procedimiento y permite lograr dicha comunicación, generando las señales auditivas que recibe el sujeto en estado de consciencia disminuida y procesando los potenciales evocados por su cerebro tras procesar dichas señales.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1. Muestra un sujeto usuario del objeto de la invención y el dispositivo usado para la estimulación y biorealimentación.

A: Indica un sujeto en estado de consciencia disminuida.

B: Dispositivo que presenta tanto la estimulación como la biorealimentación auditivas. Este dispositivo puede consistir en auriculares, ya sean externos o insertados en el pabellón auditivo.

Figura 2. Muestra un esquema del sistema de comunicación con individuos en estado de consciencia disminuida.

C: Subsistema 3, reproductor de estímulos de tipo auditivo.

D: Sistema de fijación de los electrodos al cuero cabelludo. Generalmente será un gorro, ventosa, cinta o diadema ajustables con o sin correas con una serie de orificios por los que se insertan los electrodos quedando así fijados en la posición adecuada. También podrá ser una matriz de sensores unidos por elásticos que se ajusta al contorno de la cabeza del individuo o mediante parches.

F: Interfaz entre el subsistema de registro y acondicionamiento de señal y el sujeto. Generalmente un mazo de latiguillos de electrodos o bien una interfaz inalámbrica.

G: Subsistema 2, de registro y acondicionamiento de la señal.

H: Interfaz entre el subsistema de registro y acondicionamiento de señal y el Subsistema principal.

1: Subsistema 1, Principal.

J: Interfaz entre el Subsistema 1, Principal, y el Subsistema 3 reproductor de estímulos auditivos.

Figura 3. Diagrama de flujo que representa... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la comunicación con sujetos en estado de consciencia

disminuida mediante la medición de parámetros de actividad cerebral generada

5 tras una estimulación auditiva externa y la clasificación de dichos parámetros para

determinar la instrucción que el sujeto quiere dar, que comprende las siguientes

fases:

a. Selección de un conjunto de estímulos auditivos.

b. Fase en entrenamiento, que comprende los siguientes pasos:

10 i. Se selecciona un estímulo y se pide al sujeto que lo discrimine de

entre todos los estímulos que va a recibir.

ii. Se emite el conjunto de estímulos auditivos completo.

iii. De forma simultánea al paso iii, se registran ciertos patrones

cerebrales a partir de los que se extraen los parámetros de interés

15 para la clasificación del estímulo que se almacenan en el

denominado vector de características.

iv. Asociamos ese vector de características al estímulo discriminado.

v. Se ofrece biorrealimentación al sujeto, comunicándole la

discriminación realizada.

20 vi. Repetición de los pasos iii a v para el estímulo seleccionado para

obtener un vector de características promedio.

vii. Repetición del paso vi para cada estímulo del conjunto.

viii. Eliminación de los vectores de características promedio en los que

la distribución estadística de la muestra de sus componentes se

25 corresponda con un ruido.

c. Selección del subconjunto de estímulos y sus vectores de características

asociados no descartados en el paso b.vii

d. Fase de operación que comprende los siguientes pasos:

ix. Emisión del subconjunto de estímulos seleccionados en las fase c)

30 x. De forma simultánea al paso d.i, se registran ciertos patrones

cerebrales a partir de los que se extraen los parámetros de interés

que conformarán el vector de características.

xi. Se calcula la relación SN R a partir del vector de características

obtenido, durante la emisión del subconjunto de estímulos, hasta

que alcance un valor estadísticamente relacionado con una probabilidad de acierto determinada en la clasificación.

xii. Se clasifica el vector obtenido en función de los vectores almacenados, identificando así el estímulo asociado 5 xiii. Se ejecuta la instrucción asociada al estímulo identificado.

xiv. Se ofrece biorrealimentación al sujeto, comunicándole la decisión que ha tomado.

2. Procedimiento según reivindicación anterior, en el que los parámetros de actividad

cerebral medidos en las fases iii) y ix) son potenciales evocados por el estimulo auditivo.

3. Procedimiento según reivindicación anterior en el que se mide el valor del PEAEE

(Potencial Evocado Auditivo de Estado Estable) , evocado por la estimulación 15 auditiva.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque se ejecutan dos o más algoritmos de clasificación y se elige como clasificación del vector de características la obtenida por mayoría simple.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que conjunto de estímulos presentado en la fase de entrenamiento consiste en estímulos auditivos modulados por una portadora digital a distintas frecuencias.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en que el sólo se presentan dos estímulos auditivos.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la estimulación auditiva es de tipo habla natural, preferentemente modulada 30 por una portadora analógica o digital.

8. Procedimiento según reivindicación anterior en el que las los estímulos auditivos utilizados son fragmentos de texto.

9. Procedimiento según reivindicación anterior en el que las los estímulos auditivos se presentan con una carga de 5Hz y hay un desfase de 180· entre cada oído

10. Procedimiento según reivindicaciones 7 u 8 en el que la configuración de los

estímulos auditivos utilizados en la fase de entrenamiento se presenta en siguientes frecuencias de la portadora digital (0.150) -1 Hz, (0.175) -1 Hz, (0.200) 1Hz, (0.225) -1 Hz, (0.250) -1 Hz.

11. Procedimiento según reivindicaciones 7 u 8 en el que las configuraciones de los 10 estímulos presentadas en la fase de entrenamiento son:

• Tono puros de distinta frecuencia son presentadas por cada uno de los oídos (por ejemplo 100 Hz y 75 Hz para el oído izquierdo y derecho respectivamente) .

• Duración de 12 segundos cada una. 15 • Cada uno de los tonos puros modulan en AM a 1 Khz y 1.5 Khz

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque la estimulación auditiva es de tipo "clicks", tonos sonoros o tonos sonoros modulados analógica o digitalmente.

13. Sistema electrónico para la comunicación con sujetos en estado de consciencia disminuida basado en el análisis de la actividad cerebral evocada y por estimulación auditiva externa y modulada por la atención que comprende los siguientes elementos:

a. Subsistema principal que permite ejecutar la aplicación que realiza el procesamiento de una serie de funciones que comprende las siguientes etapas:

vi. Generación de la estimulación necesaria al sujeto.

vii. Registro de la actividad cerebral en general y de aquella evocada por

la estimulación en particular (PEA, PEAEE, potenciales exógenos y endógenos Px, Nx donde x es el tiempo transcurrido entre el evento que evocó el potencial y el propio potencial) . El registro se hará mediante EEG.

viii. Ejecución de los procesos de extracción, procesamiento y

clasificación del vector de características. La clasificación será

efectuada sobre el vector de características mediante RNA (Redes

Neuronales Artificiales) , Lógica Difusa, SVM (Support Vector

5 Machine) , técnicas de "clustering", o algoritmos estadísticos y

espectrales basados en la teoría de la decisión. El resultado de la

clasificación será el código a transmitir.

ix. Presentación de datos o indicadores útiles para la operación y

mantenimiento del sistema.

10 x. Almacenamiento y/o transmisión por los medios tecnológicos

adecuados.

b. Subsistema para registrar y acondicionar señales provenientes de la

actividad cerebral del sujeto obtenidas de cualquier método,

preferentemente mediante el registro de EEG.

15 c. Subsistema capaz de reproducir cualquiera de los estímulos definidos por el

subsistema principal.

d. Un dispositivo que permita la recepción tanto de los estímulos auditivos

como de la biorrealimentación por el sujeto y un dispositivo que registre

parámetros relativos a la actividad cerebral, preferentemente un equipo de

20 registro de EEG que constará de las siguientes partes: Electrodos, filtros,

amplificador, conversor analógico digital.