Mediante cascos equipados con una interfaz cerebro-computadora capaz de detectar e interpretar las ondas cerebrales se pueden enviar órdenes a objetos, por ejemplo, activar un robot para asistir a pacientes en el movimiento de sus brazos. Este es el desarrollo en el que trabaja Juan José González España, magíster en Ingeniería de Sistemas de la UNAL Medellín, en el marco de su tesis doctoral en Ingeniería Eléctrica y Computación en la Universidad de Houston en Estados Unidos.

El egresado trabaja en mejorar el prototipo del casco que, además del movimiento de los brazos, permita el agarre o la interacción con distintos objetos. Foto cortesía Juan José González.

Con estos cascos, el equipo investigador busca llevar este tratamiento hasta los hogares de los pacientes de accidentes cerebrovasculares de todo el mundo, por su fácil uso y bajo costo en comparación con los equipos utilizados habitualmente para la recuperación de la movilidad, que son de uso exclusivo de laboratorios, clínicas y hospitales.

El desarrollo se compone por un sistema que interconecta el casco y el brazo robótico. El casco, que es un electroencefalógrafo portátil, recolecta información por medio de la lectura de las ondas cerebrales para, posteriormente, a través del aprendizaje de máquinas e inteligencia artificial, detectar aquellos patrones relacionadas con la intención de mover el brazo y conectan esa intención con un exoesqueleto robótico, activando el movimiento del mismo y, por ende, de la extremidad del paciente.

Cuando se presenta un accidente cerebrovascular el tiempo es una prioridad, el paciente dede iniciar el proceso de recuperación rápidamente para así contribuir a mejorar su calidad de vida. El proyecto es la continuación de una investigación realizada durante años por diferentes grupos de trabajo y liderada por el profesor José Contreras Vidal de esta Institución norteamericana, reconocido en el medio del desarrollo de interfaces cerebro-máquina. El primer prototipo del casco desarrollado por Contreras fue financiado por la Fundación Nacional para la Ciencia de EE. UU.

“El objetivo era desarrollar un casco para las personas que han sufrido accidentes cerebrovasculares. Luego de estos accidentes, generalmente, los pacientes tienen movilidad reducida en un hemisferio del cuerpo. Si no se recibe un tratamiento adecuado en los primeros meses, la pérdida de movilidad se puede hacer permanente y las mejoras serían muy pocas, por eso es importante iniciar el proceso de rehabilitación lo más pronto posible, si no se hace en este lapso de tiempo, es difícil que luego de ello se vean mejoras”, explica Juan José González, el también magíster en ingeniería eléctrica y computación.

El egresado señala que, si bien este modelo inicial ayuda a detectar las ondas cerebrales para una aplicación específica que es detectar el deseo de la persona de mover su brazo con ayuda del robot, “mi tesis doctoral no solo busca su aplicación en esto, sino también en el reconocimiento de emociones y la capacidad de interactuar con otros elementos del entorno, como sucedería en el internet de las cosas, por ejemplo, encender o apagar la luz”.

La investigación tiene como eje central la neuroplasticidad, proceso que permite “reconfigurar” el cerebro. La neuroplasticidad se da cuando el cerebro logra reacomodarse para cumplir funciones que anteriormente eran cubiertas por otra área del mismo. “Cuando se presenta un accidente cerebrovascular hay una parte del cerebro que muere, entonces este necesita aprender a hacer nuevos caminos, a ser “plástico”, adaptarse para poder seguir cumpliendo esa función por medio de otras partes”, explica el científico.

Juan José aclara que su trabajo se basa en diferentes estudios de laboratorio realizados por otros investigadores, que fueron la fundación para llegar a este punto.

“Uno de los principios que detectaron estas investigaciones es que si se utiliza el robot pasivamente, es decir, si se mueve el brazo sin que la persona esté involucrada, no se crean esos nuevos caminos, no se fomenta la plasticidad ni se aprovecha la plasticidad del cerebro. Pero si hay un robot que es controlado por la intención de la persona de mover el brazo, cada vez que se hace una repetición de este proceso del brazo conectado con el deseo de la persona de moverse, eso contribuye a generar nuevos caminos dentro del cerebro, lo que conlleva a que a largo plazo haya una rehabilitación más completa, beneficiando al paciente”.

El brazo robótico ha sido desarrollado en el marco del proyecto por otro grupo de investigación. Al igual que el robot creado por una compañía para fines de entretenimiento, aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA, por sus siglas en inglés), actualmente se busca la certificación de este robot para aplicaciones clínicas o de investigación.

Robots domésticos para la rehabilitación

En el mercado existen diversos cascos diseñados para leer ondas cerebrales, cuyo costo puede estar por encima de los 120 millones de pesos y su uso se restringe a clínicas o laboratorios debido a que su manipulación requiere de uno o más profesionales.

“Estos equipos tienen que usarse en un laboratorio con muchas limitaciones, pues cuentan con 64 o 32 canales o sensores, se necesita aplicar un gel en el cabello de la persona para hacer un buen contacto y se debe tener un técnico especializado para usar el casco, ponérselo a la persona y recolectar las ondas cerebrales. Luego de que los datos han sido recolectados, es necesario pasar por un procesamiento con aprendizaje de máquinas e inteligencia artificial, que lo hace un ingeniero o un científico especializado en extraer la información encubierta en los datos. Este es un proceso muy dispendioso, por eso la idea es hacer algo más cercano a la sociedad para que puedan usarlo y se pueda democratizar el acceso a estos dispositivos”, comenta Juan José González.

En contraste, el casco desarrollado por los investigadores solo tiene cinco sensores y su uso es en seco; es decir, no requiere aplicar gel en el cabello, además, la persona puede ponérselo y quitárselo sin ayuda. Para su uso, el paciente necesitaría un espacio en casa con el fin de llevar a cabo el proceso de rehabilitación.

“Es la primera vez que un sistema robótico controlado por un casco que lee ondas cerebrales permite hacer esto desde la casa, esa es la gran contribución. Este casco de bajo costo solo tiene cinco sensores debido a que previas investigaciones demostraron que solo estos son necesarios para detectar intención de movimiento, eso hace que sea más usable por la población en general, que es nuestro objetivo final. Las personas que lo usan son capaces de ponérselo ellos mismos, de interactuar con la interfaz gráfica y el robot de una manera sencilla, como lo harían en la clínica”, complementa Juan José González.

El nuevo diseño tiene un costo aproximado de un millón de pesos colombianos, precio que varía de acuerdo al dólar, “comparado con 120 millones de pesos es una gran diferencia. Aunque es un bajo costo para Estados Unidos o Europa, para países en vía de desarrollo pienso que aún se podría hacer más económico, es una de las áreas que queremos trabajar y que pensamos que se puede lograr una vez que sea producido masivamente”, manifiesta González España.

Actualmente, el proyecto está en etapa temprana de ensayos clínicos y en búsqueda de financiación para ensayos adicionales. “Es necesario hacer una mayor cantidad de ensayos y para ello requerimos fondos de distintas organizaciones, con eso se podría continuar la investigación para mostrar que el sistema es eficaz y seguro para recibir la aprobación de la FDA, esto puede tomar dos, tres o cuatro años, depende de factores variables que son ajenos a la investigación, como los temas de financiación o requerimientos adicionales de las entidades reguladoras”, destaca el egresado de la UNAL Medellín.

El equipo de trabajo considera los precios para construir 15 cascos. También realizan mejoras en el prototipo con base en la retroalimentación recibida por parte de los participantes en los ensayos.

“Si bien las personas los usaron por seis semanas y las dificultades fueron mínimas, siempre hay espacio para mejorar los sistemas. El protocolo está desarrollado para su uso durante seis semanas, después de esto se analiza cómo ha mejorado el paciente y en un mes más vuelve a evaluación para verificar si la mejora es permanente. Hay unos pacientes interesados en mantener el robot, pero es necesario también investigar cómo sería su desempeño a largo plazo, qué tan seguro es usarlo por más tiempo y otras variables que requieren ser analizadas. Lo que se está buscando, la meta final, es llevar esto para que sea aprobado por la FDA de EEUU, lo que permitiría su uso por el público en general”, concluye Juan José González.

(FIN/JRP)

*Esta nota fue publicada el 18 de diciembre de 2023 en el portal de noticias del Campus UNAL Medellín