Methods and metrics for the improvement of the interaction and the rehabilitation of cerebral palsy through inertial technology

Cerebral palsy (CP) is one of the most limiting disabilities in childhood, with 2.2 cases per 1000 1-year survivors. It is a disorder of movement and posture due to a defect or lesion of the immature brain during the pregnancy or the birth. These motor limitations appear frequently in combination with sensory and cognitive alterations generally result in great difficulties for some people with CP to manipulate objects, communicate and interact with their environment, as well as limiting their mobility. Over the last decades, instruments such as personal computers have become a popular tool to overcome some of the motor limitations and promote neural plasticity, especially during childhood. According to some estimations, 65% of youths with CP that present severely limited manipulation skills cannot use standard mice nor keyboards. Unfortunately, even when people with CP use assistive technology for computer access, they face barriers that lead to the use of typical mice, track balls or touch screens for practical reasons. Nevertheless, with the proper customization, novel developments of alternative input devices such as head mice or eye trackers can be a valuable solution for these individuals. This thesis presents a collection of novel mapping functions and facilitation algorithms that were proposed and designed to ease the act of pointing to graphical elements on the screen—the most elemental task in human-computer interaction—to individuals with CP. These developments were implemented to be used with any head mouse, although they were all tested with the ENLAZA, an inertial interface. The development of such techniques required the following approach: Developing a methodology to evaluate the performance of individuals with CP in pointing tasks, which are usually described as two sequential subtasks: navigation and targeting. Identifying the main motor abnormalities that are present in individuals with CP as well as assessing the compliance of these people with standard motor behaviour models such as Fitts’ law. Designing and validating three novel pointing facilitation techniques to be implemented in a head mouse. They were conceived for users with CP and muscle weakness that have great difficulties to maintain their heads in a stable position. The first two algorithms consist in two novel mapping functions that aim to facilitate the navigation phase, whereas the third technique is based in gravity wells and was specially developed to facilitate the selection of elements in the screen. In parallel with the development of the facilitation techniques for the interaction process, we evaluated the feasibility of use inertial technology for the control of serious videogames as a complement to traditional rehabilitation therapies of posture and balance. The experimental validation here presented confirms that this concept could be implemented in clinical practice with good results. In summary, the works here presented prove the suitability of using inertial technology for the development of an alternative pointing device—and pointing algorithms—based on movements of the head for individuals with CP and severely limited manipulation skills and new rehabilitation therapies for the improvement of posture and balance. All the contributions were validated in collaboration with several centres specialized in CP and similar disorders and users with disability recruited in those centres.La parálisis cerebral (PC) es una de las deficiencias más limitantes de la infancia, con un incidencia de 2.2 casos por cada 1000 supervivientes tras un año de vida. La PC se manifiesta principalmente como una alteración del movimiento y la postura y es consecuencia de un defecto o lesión en el cerebro inmaduro durante el embarazo o el parto. Las limitaciones motrices suelen aparecer además en compañía de alteraciones sensoriales y cognitivas, lo que provoca por lo general grandes dificultades de movilidad, de manipulación, de relación y de interacción con el entorno. En las últimas décadas, el ordenador personal se ha extendido como herramienta para la compensación de parte de estas limitaciones motoras y como medio de promoción de la neuroplasticidad, especialmente durante la infancia. Desafortunadamente, cerca de un 65% de las personas PC que son diagnosticadas con limitaciones severas de manipulación son incapaces de utilizar ratones o teclados convencionales. A veces, ni siquiera la tecnología asistencial les resulta de utilidad ya que se encuentran con impedimentos que hacen que opten por usar dispositivos tradicionales aun sin dominar su manejo. Para estas personas, los desarrollos recientes de ratones operados a través de movimientos residuales con la cabeza o la mirada podrían ser una solución válida, siempre y cuando se personalice su manejo. Esta tesis presenta un conjunto de novedosas funciones de mapeo y algoritmos de facilitaci ón que se han propuesto y diseñado con el ánimo de ayudar a personas con PC en las tareas de apuntamiento de objetos en la pantalla —las más elementales dentro de la interacción con el ordenador. Aunque todas las contribuciones se evaluaron con la interfaz inercial ENLAZA, desarrollada igualmente en nuestro grupo, podrían ser aplicadas a cualquier ratón basado en movimientos de cabeza. El desarrollo de los trabajos se resume en las siguientes tareas abordadas: Desarrollo de una metodología para la evaluación de la habilidad de usuarios con PC en tareas de apuntamiento, que se contemplan como el encadenamiento de dos sub-tareas: navegación (alcance) y selección (clic). Identificación de los tipos de alteraciones motrices presentes en individuos con PC y el grado de ajuste de éstos a modelos estándares de comportamiento motriz como puede ser la ley de Fitts. Propuesta y validación de tres técnicas de facilitación del alcance para ser implementadas en un ratón basado en movimientos de cabeza. La facilitación se ha centrado en personas que presentan debilidad muscular y dificultades para mantener la posición de la cabeza. Mientras que los dos primeros algoritmos se centraron en facilitar la navegación, el tercero tuvo como objetivo ayudar en la selección a través de una técnica basada en pozos gravitatorios de proximidad. En paralelo al desarrollo de estos algoritmos de facilitación de la interacción, evaluamos la posibilidad de utilizar tecnología inercial para el control de videojuegos en rehabilitación. Nuestra validación experimental demostró que este concepto puede implementarse en la práctica clínica como complemento a terapias tradicionales de rehabilitación de la postura y el equilibrio. Como conclusión, los trabajos desarrollados en esta tesis vienen a constatar la idoneidad de utilizar sensores inerciales para el desarrollo de interfaces de accesso alternativo al ordenador basados en movimientos residuales de la cabeza para personas con limitaciones severas de manipulación. Esta solución se complementa con algoritmos de facilitación del alcance. Por otra parte, estas soluciones tecnológicas de interfaz con el ordenador representan igualmente un complemento de terapias tradicionales de rehabilitación de la postura y el equilibrio. Todas las contribuciones se validaron en colaboración con una serie de centros especializados en parálisis cerebral y trastornos afines contando con usuarios con discapacidad reclutados en dichos centros.This thesis was completed in the Group of Neural and Cognitive Engineering (gNEC) of the CAR UPM-CSIC with the financial support of the FP7 Framework EU Research Project ABC (EU-2012-287774), the IVANPACE Project (funded by Obra Social de Caja Cantabria, 2012-2013), and the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness in the framework of two projects: the Interplay Project (RTC-2014-1812-1) and most recently the InterAAC Project (RTC-2015-4327-1)Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Juan Manuel Belda Lois.- Secretario: María Dolores Blanco Rojas.- Vocal: Luis Fernando Sánchez Sante

Análisis de la sincronización espacial en señal de fibrilación ventricular

[ES] Durante la fibrilación auricular (FA) y ventricular (FV), la actividad eléctrica presenta un patrón de activación altamente desorganizado, y se pierde la efectividad mecánica. Esto ha propiciado que clásicamente se definiera la fibrilación como una arritmia aleatoria y completamente desorganizada. No obstante, trabajos recientes sugieren que existe cierta organización entre activaciones. El objetivo del presente trabajo es la descripción del grado de organización espacial de diferentes registros de fibrilación ventricular en modelos experimentales de corazón aislado mediante el cálculo de un número reducido de parámetros. Se analiza, por tanto, la posibilidad de utilizar esos parámetros en el diseño de sistemas de clasificación de diferentes clases de FV. En primer lugar se lleva a cabo una revisión bibliográfica de parámetros usados en procesado de señal de FA o FV y se seleccionan algunos de ellos para su implementación en código Matlab y su aplicación en registros multi-electrodo de FV. En total, se calculan 7 parámetros: frecuencias dominante y media, índice de regularidad, correlación espacial, coherencia espectral e índices de sincronización y acoplamiento. Previamente a su aplicación, los algoritmos se calibran para ajustarse a las características de la señal con la que se trabaja: FV en corazones de conejo de la raza Nueva Zelanda. En un principio se analizan registros monopolares pertenecientes a 11 subclases que se agrupan en 4 clases: FV y entrenamiento físico, FV e isquemia, y FV y estiramiento de fibras con y sin administración de fármaco. Más tarde, se crean 11 registros bipolares a partir de los 11 de partida. Se representan mapas de organización y se crean tablas de resultados que se almacenan en ficheros de datos para un posible análisis posterior. Los resultados también son almacenados en una estructura de tipo array de celdas. Las pruebas de comparación de medias realizadas demuestran que existen diferencias estadísticamente significativas entre parámetros calculados para diferentes subclases de fibrilación dentro de cada clase. Asimismo, todos los parámetros son capaces de distinguir entre las subclases de FV bajo estiramiento con y sin fármaco. Por último, se ilustra la diferencia que existe en los parámetros calculados cuando se realizan registros monopolares o bipolares de un mismo proceso. Desde el punto de vista de los parámetros, el índice de sincronización y la correlación espacial son los que presentan mayor capacidad de discriminación entre subclases.[EN] During atrial (AF) and ventricular fibrillation (VF), electrical activity presents a highly disorganized pattern and mechanical effectiveness is lost. Consequently, fibrillation has been traditionally defined as a random, totally disorganized arrhythmia. Recent studies suggest, however, the existence of a certain degree of organization in the activation pattern. The aim of this work is to describe the degree of spatial organization of VF signals in an experimental model of isolated heart with a small number of parameters. Those parameters might be later used as part of VF classification systems. First of all, a review of the parameters used in either AF or VF processing is done. Some of those parameters will be selected, implemented in Matlab code and applied to several VF multi-electrode registers. Seven parameters are chosen: dominant and mean frequencies, regularity index, spatial correlation, spectral coherence, and synchronization and coupling indexes. Prior to applying the algorithms, they must be calibrated in order to fit the characteristics of the processed signal: VF electrograms from New Zealand white rabbit¿s heart. At first, 11 unipolar registers corresponding to 11 subclasses from 4 main classes are analyzed: VF & physical training, VF & ischemia, VF & stretched tissue with and without drug administration. Those unipolar registers are later used in order to create 11 new bipolar registers. Organization maps are represented and the results tabulated and stored in data files for further analysis. They can also be stored in a Matlab cell array. Wilcoxon signed rank tests show the existence of significant differences among parameters estimated for the subclasses in each of the 4 main classes. In the same way, all the parameters are able to distinguish between without and with-drug administration analogous subclasses in the classes VF & stretched tissue. The synchronization index and the spatial correlation seem to be the best choice in order to design a VF classification algorithm.Velasco Garasa, MÁ. (2012). Análisis de la sincronización espacial en señal de fibrilación ventricular. http://hdl.handle.net/10251/27226Archivo delegad