Proyecto M3Rob

El objetivo general del proyecto M3Rob (Mente-Mano-Muñeca-Robot) consiste en diseñar, desarrollar y validar una plataforma para rehabilitación neuromotora y cognitiva para personas que han sufrido un accidente cerebro-vascular. El proyecto ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, mediante la Convocatoria Retos-Colaboración del Programa Estatal de Investigación, Desarrollo e Innovación Orientada a los Retos de la Sociedad (REF: RTC2019-007350-1).

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Resumen Ejecutivo

Tras un accidente cerebrovascular (ACV), ya sea de origen isquémico o hemorrágico, se produce un daño en el tejido neuronal de la zona afectada. En este caso, nos centraremos en pacientes que, como consecuencia del ACV, sufren dificultades para controlar una de sus manos, permaneciendo en una posición espástica. La plataforma de rehabilitación propuesta se centrará en favorecer la rehabilitación de los pacientes abordando el origen del problema: tratando de generar neuroplasticidad en la zona del córtex sensoriomotor afectada. Para ello, será necesario hacer partícipe al usuario de su propia rehabilitación, mostrándole la realimentación adecuada para favorecer la creación de nuevos caminos neuronales y estrategias para controlar las funcionalidades perdidas. La plataforma propuesta consta de tres módulos principales:

Módulo de rehabilitación física

Un sistema robótico, integrando un exoesqueleto de mano y un módulo activo de muñeca, proporcionará asistencia dinámica al paciente para la realización de los movimientos de la mano-muñeca implicados en la realización de las actividaes terapeúticas.

Módulo de rehabilitación neurológica

Monitorizará el electroencefalograma (EEG) del usuario mediante un sistema brain-computer interface (BCI). Detectará la intención del usuario de extender la mano espástica mediante la imaginación de dicho movimiento.

Módulo de realidad aumentada (RA).

Proporcionará un entorno inmersivo en el que se combina un entorno virtual con la interacción física con elementos reales de cara a potenciar la efectividad de las terapias de rehabilitación.

Caso de uso

El paciente posee una mano/muñeca espástica debido a un ACV. Se le coloca el robot de rehabilitación física en la mano afectada, un gorro de registro EEG sobre el cuero cabelludo, y unas gafas de realidad virtual. A través de las gafas, el usuario verá sus manos sobre una mesa, y dos barras al lado de cada extremidad. Al inicio de la tarea, se le indicará aleatoriamente que mueva una de las manos a través de un mensaje en la pantalla de RA, por ejemplo, la mano afectada. El objetivo del usuario será extender la mano afectada, ya sea mediante cierto movimiento residual o mediante la imaginación del movimiento. El sistema BCI reconocerá dicha intención y mostrará el nivel de activación cortical del usuario en las barras de la pantalla de RA. Cuando la barra de la extremidad afectada supere un umbral predefinido, el robot háptico ayudará al usuario a extender la mano. Después de unos instantes, la mano volverá a su posición original.”

Consorcio

GIB-UVa

El Grupo de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Valladolid es un grupo de investigación del Centro de Investigación Biomédica en Red de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN), Unidad de Investigación Consolida (UIC-060) de la Junta de Castilla y León y Grupo de Investigación Reconocido (GIR) de la Universidad de Valladolid. Está formado principalmente por Ingenieros y Médicos de diferentes especialidades, que trabajan conjuntamente en diversas líneas de investigación, como el procesado de señales cerebrales como ayuda al diagnóstico de diferentes enfermedades neurológicas y en el desarrollo de sistemas brain-computer interface (BCI) no invasivos. Su papel en el proyecto radica en el desarrollo del sistema BCI que permitirá la aplicación de técnicas de neurofeedback para la rehabilitación de las funciones cognitivas de los pacientes.

Contacto - Dr. Roberto Hornero

ITAP-UVa

El Instituto de las Tecnologías Avanzadas de la Producción es un instituto universitario de investigación de la Universidad de Valladolid formado por más de 32 profesores de múltiples áreas de conocimiento. La mayor parte de ellos pertenecen a la Escuela de Ingenierías Industriales, si bien hay miembros de la Facultad de Medicina y de la Escuela Universitaria de Ingenierías Agrarias. ITAP-UVa cuenta con amplia experiencia en el desarrollo mecánico y electrónico de dispositivos robotizados para sistemas de rehabilitación humana.Su papel en el proyecto es el diseño y desarrollo mecánico y electrónico, y la arquitectura y las estrategias de control háptico de la plataforma de neurorehabilitación de mano y muñeca, así como la fabricación 3D de los diferentes prototipos que se desarrollen a lo largo del proyecto.

Contacto - Dr. Juan Carlos Fraile Marinero

TIC-CyL

TIC-CyL DIGITAL S.L. es una empresa con amplia experiencia en el desarrollo y coordinación de proyectos I+D enfocados en el ámbito de la ingeniería electrónica, telecomunicaciones, software, mecatrónica, consultoría, industria 4.0 y biomedicina. Su papel en el proyecto es la coordinación entre las distintas entidades y realización del entorno software para la gestión local/remota de: terapias, pacientes, histórico de datos recogidos on-line durante la ejecución de terapias, así como del desarrollo de los entornos multimedia de las terapias de rehabilitación neuromotora y cognitiva mediante realidad aumentada (RA).

BENITO MENNI

El Centro Hospitalario P. Benito Menni es una institución de naturaleza privada que pertenece a la Congregación de Hermanas Hosputalarias, dedicada a ofrecer a personas con enfermedad mental, patología psicogeriátrica, problemas psíquicos y/o físicos o que precisen de cuidados paliativos, una asistencia de calidad que promueve la salud integral, conjugando los aspectos biológicos, psíquicos y sociales con los espirituales, éticos y relacionales. La asistencia se completa con programas docentes e investigadores. Se trata fundamentalmente de un Centro asistencial sociosanitario. Su papel en el proyecto se centra en el reclutamiento de pacientes que han sufrido un accidente cerebrovascular con afectación en la extremidad superior, así como organizar las terapias y participar en el diseño del protocolo de rehabilitación.

Nuestros Objetivos

El objetivo principal del proyecto consiste en desarrollar y validar una plataforma de neurorehabilitación que permitirá la realización de nuevas terapias que permitan abordar, de forma simultánea, la rehabilitación de funciones cognitivas y neuromotoras, para pacientes que han sufrido un accidente cerebrovascular. Con esta plataforma los pacientes podrán realizar terapias orientadas a actividades de la vida diaria para rehabilitación neuromotora, y también permitirá entrenar/rehabilitar las funciones cognitivas superiores afectadas por su lesión. Este enfoque de rehabilitación neuromotora y cognitiva permitirá mejorar la rehabilitación del paciente y beneficiarse de los efectos combinados de ambos planteamientos terapéuticos.

Objetivos específicos

Plataforma de rehabilitación funcional

Diseñar y desarrollar un prototipo de plataforma de rehabilitación, M3Rob, para personas que han sufrido un ACV que integre diferentes módulos: físico (robot háptico), neurológico (sistema BCI) y realidad aumentada; que trabajan conjuntamente para favorecer la neuroplasticidad de la zona afectada mediante un sistema de ciclo cerrado, donde el usuario es consciente de sus progresos mediante una realimentación háptica y visual constante.

Validación en un entorno real

Evaluar el prototipo M3Rob con 20 usuarios del Centro Hospitalario Benito Menni de Valladolid, subdivididos en los grupos: control (10 usuarios), que solo llevarán a cabo la terapia tradicional; y entrenamiento (10 usuarios), que adicionalmente realizarán una terapia empleando la plataforma.

Efectividad de la herramienta

Analizar la evolución de cada uno de los pacientes para determinar la efectividad de la plataforma M3Rob en comparación con las terapias de rehabilitación tradicionales. Dicha evolución se monitorizará empleando tests de la función sensoriomotora de la extremidad superior (e.g., Fugl-Meyer), electroencefalogramas y métricas cualitativas. Las conclusiones extraídas permitirán determinar si M3Rob es capaz de producir neuroplasticidad en la zona afectada, consolidándose como una nueva tecnología en el paradigma de la rehablitación de ACV.

Paradigma de estimulación de un trial. Las pantallas mostradas se corresponden con la interfaz gráfica que observará el usuario con las gafas de realidad virtual. Se empieza con un periodo de preparación, en el que se muestra una cruz por pantalla. En el segundo 2, se emitirá un sonido para indicar que empieza el paradigma. Durante el periodo de indicación (3-4 s), se indica al usuario si debe imaginar la apertura de la mano izquierda o derecha. Finalmente, durante el periodo de realimentación (4-8s), se mostrará el resultado del sistema BCI. Si la intención detectada supera un umbral, el usuario verá cómo el avatar abre la mano imaginada. Asimismo, el robot de mano ayudará a su apertura, favoreciendo la plasticidad de la zona afectada.

Actividades del Proyecto

A continuación, se muestran los distintos paquetes de trabajo (PT) asociados al proyecto:

PT0. Gestión y coordinación del proyecto.

Los miembros del consorcio se coordinarán para favorecer el desarrollo del proyecto, mediante reuniones y una supervisión técnica constante. Asimismo, se identificarán los riesgos en cada etapa del proyecto, y se subsanarán posibles problemas.

PT1. Estudio de necesidades del usuario final y requisitos técnicos.

Establecimiento de requisitos técnicos y especificaciones poblacionales, reclutamiento de pacientes, identificación de requisitos funcionales de la plataforma de rehabilitación, identificación de requisitos de seguridad y estudios de usabilidad inicial por expertos.

PT2. Diseño y desarrollo del módulo de rehabilitación física.

Diseño mecánico y eléctrico, fabricación del prototipo de robot de mano y muñeca, análisis de los requisitos y definición de especificaciones técnicas, diseño de la arquitectura de control, diseño y fabricación de la tarjeta electrónica, programación de los algoritmos de control basado en electromiografía (EMG) y de comunicaciones con el resto de módulos.

PT3. Diseño y desarrollo del módulo de rehabilitación neurológica.

Diseño y desarrollo de la aplicación de rehabilitación neurológica del sistema BCI mediante un enfoque modular compuesto por tres etapas: adquisición de la señal EEG, procesado de señales del córtex sensoriomotor, y aplicación de realimentación visual.

PT4. Diseño y desarrollo del módulo de realidad aumentada.

Desarrollo del software para la realización de terapias mediante escenarios multimedia utilizando realidad aumentada, desarrollo de los sistemas de gestión de información de usuario.

PT5. Integración de la plataforma de rehabilitación.

Integración de los tres módulos principales de rehabilitación (física, neurológica y realidad aumentada) en una plataforma de rehabilitación completa.

PT6. Validación del prototipo con pacientes.

Realización de pruebas con usuarios de control y pacientes, validación del prototipo y subsanación de errores en un entorno real.

PT7. Análisis de resultados y extracción de conclusiones.

Evaluación de los resultados obtenidos: relación coste-eficacia, efectividad de la terapia para proporcionar plasticidad cerebral en la zona afectada, y extracción de conclusiones.

PT8. Difusión y explotación de los resultados del proyecto.

Elaboración de material de difusión del proyecto: web, workshops, análisis de medidas de protección intelectual, artículos en revistas científicas y divulgación científica.

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