Brain-Computer Interface (bCI) aplicado al entrenamiento cognitivo y control domótico para prevenir los efectos del envejecimiento
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Brain-Computer Interface (bCI)
aplicado al entrenamiento cognitivo
y control domótico para prevenir los
efectos del envejecimiento
El Grupo de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Valladolid
nos propone el empleo de sistemas BCI (Brain-Computer
Interface), que traducen las intenciones del usuario en comandos
de control, como herramienta de entrenamiento cognitivo
que ayude a prevenir los efectos del envejecimiento. También
desarrollará una aplicación BCI asistiva que permita el control de
dispositivos domóticos y electrónicos presentes en una vivienda.
Roberto Hornero, Rebeca Corralejo y Daniel Álvarez
Grupo de Ingeniería Biomédica (GIB). Universidad de Valladolid
Brain-Computer Interface especulado sobre la posibili- ma de comunicación que mo- de avanzada edad o con gra-
(bCI) dad de usar el electroencefa- nitoriza la actividad cerebral y ve discapacidad, ya que supo-
Desde que, en 1929, Hans lograma (EEG) para descifrar traduce determinadas carac- nen un nuevo canal de comu-
Berger aplicó por prime- intenciones, de forma que una terísticas, correspondientes nicación.
ra vez la técnica de la elec- persona pudiera controlar de- a las intenciones del usuario,
troencefalografía, esta ha si- terminados dispositivos a par- en comandos de control de Existen diferentes métodos
do usada fundamentalmente tir de su actividad cerebral. un dispositivo. Bajo esta defi- para registrar la actividad cere-
por médicos y científicos pa- Así, se define Brain-Computer nición, los sistemas BCI pue- bral: EEG, electrocorticografía
ra investigar el funcionamien- Interface (BCI), o interfaz cere- den resultar muy útiles pa- (ECoG), magnetoencefalogra-
to del cerebro. También se ha bro-ordenador, como un siste- ra las personas dependientes fía (MEG), tomografía por emi-
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sión de positrones (Positron Los sistemas BCI se pueden endógenos y requieren de un • BCI basado en imáge-
Emission Tomography, PET) clasificar en dos grupos según período de entrenamiento in- nes motoras o ritmos sen-
o imágenes de resonancia la naturaleza de la señal de en- tensivo. A continuación se soriomotores. Se basa en
magnética funcional (functio- trada: sistemas BCI endóge- describen ambos sistemas: un paradigma de dos o más
nal Magnetic Resonance Ima- nos y exógenos. clases de imágenes moto-
ging, fMRI). La ECoG es una • BCI basado en poten- ras (movimiento de la ma-
técnica invasiva, es decir, re- Los sistemas BCI endógenos ciales corticales lentos. Los no derecha o izquierda, de
quiere de una intervención pa- dependen de la capacidad del SCP son cambios lentos de los pies, de la lengua, etc.)
ra la colocación de electrodos usuario para controlar su acti- voltaje generados sobre el u otras tareas mentales (ro-
en la superficie cortical. Por su vidad electrofisiológica, como córtex cerebral, con una du- tación de un cubo, realiza-
parte, las técnicas MEG, PET puede ser la amplitud del EEG ración variable entre 0.5 y 10 ción de cálculos aritméti-
y fMRI requieren de instalacio- en una banda de frecuencia segundos. Los SCP nega- cos, etc.). Este tipo de tareas
nes y equipos de alto coste. específica sobre un área con- tivos se asocian típicamen- mentales producen cambios
Por ello, el método más em- creta del córtex cerebral. Los te con el movimiento y otras en la amplitud de los ritmos
pleado para el registro de la sistemas BCI basados en imá- funciones que implican una sensoriomotores µ (8-12 Hz)
actividad cerebral en sistemas genes motoras (ritmos senso- activación cortical. Se ha de- y ß (16-24 Hz), registrados
BCI es el EEG, ya que se trata riomotores) o en potenciales mostrado que las personas sobre la zona somatosen-
de una técnica sencilla, no in- corticales lentos (Slow Cortical pueden aprender a contro- sorial y motora del córtex ce-
vasiva, portátil y de bajo coste. Potentials, SCP) son sistemas lar estos potenciales. rebral. Estos ritmos presen-
Grupo de Ingeniería biomédica
El Grupo de Ingeniería Biomédica
(GIB) de la Universidad de Valladolid
es un grupo de investigación multidis-
ciplinar, cuyas líneas de investigación
se centran principalmente en el pro-
cesado de señales e imágenes médi-
cas, así como en desarrollo de siste-
mas Brain-Computer Interface (BCI)
dirigidos a personas discapacitadas
y mayores. Actualmente, está forma-
do por cuatro Profesores de la E.T.S.
Ingenieros de Telecomunicación, seis
Contratados de Investigación y sie-
te médicos de diferentes especiali-
dades, que colaboran en las diver-
sas líneas de investigación. Desde su
creación, el grupo ha experimenta un
notable crecimiento en cuanto al nú-
mero de integrantes, proyectos de in-
vestigación desarrollados de ámbito
nacional e internacional, artículos pu-
blicados en revistas científicas y pre-
mios recibidos. Toda esta información
De izquierda a derecha: Gonzalo Gutiérrez, Rebeca Corralejo, José Víctor Marcos, María García, Carlos Gómez, Laura Martín, se detalla en la página web del grupo:
Roberto Hornero, Jesús Poza y Alejandro Bachiller (Grupo de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Valladolid) / http://www.gib.tel.uva.es/
Foto: D. Juan Miguel Lostau.
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tan variaciones tanto para la • BCI basado en potencia- do sobre la zona visual del traducen el conjunto de carac-
ejecución de un movimien- les evocados visuales de es- córtex cerebral tras haber- terísticas seleccionado en un
to real como para la imagina- tado estable. Los potencia- se aplicado un estímulo vi- comando concreto, relaciona-
ción de un movimiento o la les evocados visuales se sual al usuario. Estos poten- do con la intención del usuario.
preparación al mismo. detectan en el EEG registra- ciales se hacen estables si la
tasa de presentación del es- aplicaciones de los siste-
Los sistemas BCI exógenos tímulo visual está por encima mas bCI
dependen de la actividad elec- Registro del EEG de 6 Hz (6 repeticiones por Envejecimiento y dependen-
trofisiológica evocada por estí- segundo). Cuando el usua- cia son dos términos cada vez
mulos externos y no necesitan rio enfoca su mirada en una más interrelacionados. El in-
de una etapa intensiva de en- imagen que parpadea a una cremento de la esperanza de
trenamiento. A continuación, se frecuencia determinada, es vida de la población en los paí-
describen las principales carac- posible detectar dicha fre- ses occidentales lleva asocia-
terísticas de los sistemas exó- cuencia analizando el es- do un aumento progresivo del
genos basados en potenciales Pre-procesado pectro de la señal EEG, ya número de personas en situa-
(Eliminación de
evocados P300 o en potencia- artefactos) que aumenta la amplitud del ción de dependencia. La evo-
les evocados visuales de esta- SSVEP en la frecuencia de la lución hacia sociedades más
do estable (Steady State Visual imagen parpadeante y en su envejecidas demanda nuevas
Evoked Potentials, SSVEP). segundo y tercer armónico. soluciones para asistir a las
Extracción de personas de avanzada edad
• BCI basado en potencia- El procesado de la señal en que ven limitadas sus capa-
les evocados P300. El po- características sistemas BCI se divide habi- cidades para realizar activi-
tencial P300 es un pico de tualmente en cuatro etapas. dades de la vida diaria y que
amplitud que aparece en el En primer lugar, se realiza una requieren ayuda para su ejecu-
EEG aproximadamente unos Selección de etapa inicial de pre-procesa- ción. En este sentido, los sis-
300 ms después de haberse do en la que se filtran las seña- temas BCI pueden resultar de
producido un estímulo audi- características les EEG y se eliminan algunos gran utilidad, ya que facilitan
tivo o visual poco frecuente. de los posibles artefactos que una nueva forma de interac-
Habitualmente, se presenta se encuentran superpuestos a tuar con los diferentes dispo-
al usuario una tanda de es- la señal de interés (parpadeo, sitivos presentes en su entor-
tímulos de los que solo unos Clasificación de movimiento de los ojos, elec- no habitual. Así, es posible
pocos tienen relación con la características trocardiograma, movimientos satisfacer algunas necesida-
intención del usuario. De es- musculares, etc.). Después, se des fundamentales de comu-
ta forma, los estímulos de in- realiza una segunda etapa que nicación, confort, ocio y des-
terés, al ser infrecuentes y consiste en la extracción de plazamiento. Por tanto, estos
estar mezclados con otros Control de dispositivos determinadas características sistemas contribuyen a un in-
estímulos mucho más co- específicas de la señal EEG. A cremento de la autonomía de
munes, provocan la apari- continuación, se aplican méto- las personas en situación de
ción de un potencial P300 dos de selección de caracterís- dependencia, mejorando tan-
en la actividad cerebral del ticas que escogen las más sig- to su calidad de vida como su
usuario. Dicho potencial se Esquema de procesado de señal nificativas dentro del conjunto integración en la sociedad.
observa principalmente en aplicado al registro de EEG, desde extraído, que codifican la inten-
la adquisición de la señal hasta la
las zonas central y parietal generación de comandos de control de ción del usuario. Finalmente, Las aplicaciones más habi-
del córtex cerebral. las aplicaciones finales. los algoritmos de clasificación tuales están dirigidas a facili-
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tar la comunicación, el control
de sillas de ruedas y prótesis
o el control del entorno. Tam-
bién se han desarrollado apli-
caciones orientadas al control
del ordenador y la navegación
a través de Internet.
Las aplicaciones orientadas
a facilitar la comunicación se
han desarrollado a partir de
sistemas BCI, que presentan
al usuario las letras del abece-
dario en forma de matriz o de
teclado de ordenador. El usua-
rio forma palabras y frases me-
diante la selección de las letras
que las conforman. La técnica
de selección de letras y carac-
teres se ha implementado con Conjunto de dispositivos electrónicos presentes habitualmente en el hogar, que podrían controlarse mediante la aplicación BCI
sistemas BCI de varios tipos: propuesta para incrementar la autonomía de las personas mayores dependientes: televisión, reproductor de DVD, luces, equipo
de música, disco duro multimedia, calefactor, ventilador y teléfono.
basados en P300, en poten-
ciales corticales lentos o en
imágenes motoras. Actual- e incluso desplazarse hasta un Envejecimiento lización de tareas mentales
mente, se está dedicando un punto cercano que el usuario que mejoren las capacidades
gran interés y esfuerzo en el ha seleccionado. Además, las y dependencia cognitivas de los usuarios. Las
desarrollo de sistemas que
combinen la selección de le-
sillas están dotadas de sen-
sores y otros dispositivos que
son dos términos primeras aplicaciones desa-
rrolladas resultan prometedo-
tras con la navegación por In- permiten detectar posibles cada vez más ras, aunque desde el punto de
ternet, de forma que existen obstáculos y ayudan a esqui- vista del entrenamiento cogni-
aplicaciones BCI para la publi- varlos para garantizar siem-
interrelacionados tivo y del retraso de los efectos
cación de mensajes en Twitter pre la seguridad del usuario. del envejecimiento, queda aún
y navegadores BCI para la ex- Una aplicación similar, de con- un largo camino por recorrer.
ploración de páginas web. trol de trayectorias, movimien-
tos y giros, que ha sido imple- En el proyecto «Brain-Compu-
También se han empleado di- mentada con sistemas BCI, es ter Interface for cognitive trai-
ferentes tipos de sistemas la de teleoperación de robots, ning and domotic assistance
BCI, basados en P300 o en es decir, control de robots que against the effects of ageing»,
imágenes motoras, para el pueden estar ubicados a mi- financiado en la convocatoria
control del movimiento de si- les de kilómetros de distancia. de proyectos Cero de la Fun-
llas de ruedas. Dichos siste- dación General del CSIC, se
mas permiten activar o parar Por último, ya se está investi- pretende desarrollar nuevas
el movimiento de la silla, girar- gando en la aplicación de sis- aplicaciones asistivas median-
la a la derecha o a la izquierda temas BCI orientados a la rea- te sistemas BCI basados en
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imágenes motoras y en poten- que produce una pérdida de más, las tareas mentales em- nes de entrenamiento con la
ciales P300. Estas aplicaciones respuesta adaptativa al es- pleadas en algunos tipos de aplicación desarrollada favo-
permitirán entrenar diferentes trés y un mayor riesgo de sufrir sistemas BCI podrían resultar recerá la lentificación del pro-
procesos cognitivos y controlar enfermedades relacionadas útiles para aquellas personas ceso de deterioro cognitivo, e
múltiples dispositivos de clima- con la edad. El envejecimien- en etapas iniciales de enveje- incluso podría llegar a mejorar
tización y calefacción, de ilumi- to puede conllevar situaciones cimiento, de forma que sirvan las capacidades cognitivas de
nación, de entretenimiento (TV, de discapacidad y dependen- para prevenir o frenar su dete- los usuarios.
DVD, equipos de música, etc.) cia con el paso del tiempo. En rioro cognitivo.
y de comunicación (control del 2008, se estimaba que había La aplicación BCI de entre-
teléfono). más de 3.7 millones de per- Este Proyecto Cero nace con namiento cognitivo empleará
sonas discapacitadas en Es- el objetivo de desarrollar nue- los ritmos sensoriomotores µ
Proyecto Cero de la Funda- paña. Casi 3 millones tenían vas herramientas que faci- (8-12 Hz) y ß (16-24 Hz). Es-
ción General CSIC: « bra- algún impedimento para rea- liten la vida diaria de las per- tos ritmos presentan variacio-
in-Computer Interface for lizar actividades de la vida dia- sonas mayores. Para ello, se nes sobre la zona motora del
cognitive training and do- ria (AVD) y de ellas, más de 1.7 propone el empleo de siste- córtex cerebral cuando se rea-
motic assistance against millones eran personas mayo- mas BCI. Se pretende, por un liza un movimiento y, también,
the effects of ageing» res de 64 años. Una aplicación lado, prevenir o frenar el dete- cuando un usuario observa el
De acuerdo con la Organi- BCI de control domótico per- rioro cognitivo asociado al en- movimiento o lo imagina. Pa-
zación Mundial de la Salud mitiría a muchas de estas per- vejecimiento y, por otro lado, ra identificar adecuadamente
(OMS), el envejecimiento es sonas interactuar con su en- facilitar el acceso de las perso- la intención del usuario, se rea-
el deterioro progresivo y ge- torno habitual e incrementar nas dependientes a los dispo- lizará una revisión en profundi-
neralizado de las funciones, su autonomía personal. Ade- sitivos presentes en su entor- dad del estado del arte de los
no habitual. métodos de procesado de la
señal EEG para el control de
En primer lugar, se propone sistemas BCI basados en imá-
el desarrollo de una aplica- genes motoras. Se estudiarán
ción de entrenamiento cogniti- métodos de análisis espec-
vo empleando un sistema BCI tral basados en la transforma-
basado en imágenes motoras. da de Fourier, en wavelets o en
Este tipo de sistemas BCI ne- modelos autorregresivos; mé-
cesitan una etapa intensiva de todos de filtrado espacial co-
entrenamiento. En dicha eta- mo el método de patrones es-
pa, los usuarios han de reali- paciales comunes (Common
zar diferentes tareas mentales Spatial Patterns, CSP) y mé-
(visualización del movimiento todos no lineales. Para llevar
de las manos, pies, lengua, ro- a cabo la selección y clasifica-
tación de un cubo, operacio- ción de características se es-
nes aritméticas, etc.). El obje- tudiarán métodos evolutivos y
tivo consiste en adaptar esas de reconocimiento de patro-
tareas mentales para que sean nes, como algoritmos genéti-
tareas de entrenamiento cog- cos, clasificador discriminan-
nitivo válidas para las perso- te lineal, clasificador de Bayes,
Usuario realizando pruebas con un sistema BCI. En la fotografía se puede observar
el montaje de electrodos necesario para el registro de la actividad EEG, así como el nas mayores. De esta forma, máquinas de soporte vectorial
amplificador de señales biomédicas empleado, que destaca por su pequeño tamaño. la realización de varias sesio- o redes neuronales.
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Las tareas cognitivas imple- El objetivo es • Disco duro multimedia: al iluminarse. Así, se identifica-
mentadas en la aplicación BCI encender o apagar, explorar rá la intención del usuario y se
de entrenamiento serán dise- facilitar la el contenido del disco duro, ejecutará el comando oportu-
ñadas en colaboración con
los terapeutas y usuarios ma-
interacción de las reproducir, pausar o parar
una película, etc.
no. Para identificar adecuada-
mente la intención del usuario,
yores del Centro de Referen- personas mayores se revisará en profundidad el
cia Estatal (CRE) de Discapa- • Teléfono: colgar, descol- estado del arte de los métodos
cidad y Dependencia de San
con los dispositivos gar, marcar un número de de procesado de la señal EEG
Andrés del Rabanedo (León). electrónicos del teléfono, acceder a la agen- en sistemas BCI basados en
Las tareas propuestas se di- da, consultar las listas de lla- P300. Se estudiarán métodos
vidirán en diferentes grupos y
hogar madas perdidas, recibidas y de minimización de artefactos y
niveles de dificultad para eva- realizadas, etc. de detección de pico en el do-
luar el progreso de las habili- minio del tiempo. Para la selec-
dades cognitivas del usua- • Luces: encender, apagar, ción y clasificación de caracte-
rio. Así, se pretende que la cambiar de color y aumen- rísticas se estudiarán métodos
aplicación entrene y refuer- tar o disminuir la intensidad como el discriminante lineal de
ce las capacidades cogniti- tendrá en cuenta las principa- de la luz. Fisher, el discriminante lineal
vas de los usuarios, de forma les necesidades de los usua- paso a paso (StepWise Linear
que permita prevenir o frenar rios finales: entretenimiento, • Calefacción: encender, Discriminant Analysis, SWL-
los efectos del envejecimiento. confort, comunicación, etc. apagar, subir o bajar la tem- DA), la correlación de Pearson
Para ello, permitirá controlar peratura, activar o desacti- o las redes SVM.
En segundo lugar, se desarro- los dispositivos domóticos y var el temporizador, etc.
llará una aplicación de control electrónicos más habituales Al igual que para la aplicación
domótico empleando un siste- dentro del hogar y sus princi- • Ventilador: encender, apa- de entrenamiento cognitivo,
ma BCI basado en potencia- pales funcionalidades: gar, aumentar o disminuir la se tendrá en cuenta a los tera-
les evocados P300. El objetivo potencia, activar o desacti- peutas y usuarios del CRE de
consiste en facilitar la interac- • Televisor: encender, apa- var el temporizador, etc. Discapacidad y Dependencia.
ción de las personas mayores gar, subir o bajar el volumen, De nuevo, la evaluación de la
en situación de dependencia silenciar, seleccionar cana- La aplicación de control domó- aplicación domótica será reali-
con los dispositivos electróni- les, acceder al menú de tico empleará los potenciales zada por usuarios mayores del
cos presentes en el hogar, de configuración, etc. P300 que se producen cuan- centro, que realizarán diferen-
forma que puedan llevar una do se muestra al usuario un tes sesiones con la aplicación
vida más cómoda e indepen- • Reproductor de DVD: en- estímulo infrecuente mezcla- controlando los dispositivos
diente. Puesto que los siste- cender, apagar, explorar el do con múltiples estímulos fre- de su entorno.
mas BCI basados en P300 no contenido del DVD, repro- cuentes. Para ello, se mostrará
requieren de una etapa de en- ducir, pausar o parar una al usuario una serie de imáge- Finalmente, ambas aplicacio-
trenamiento, esta aplicación película, etc. nes representando los diferen- nes serán evaluadas de forma
va dirigida a personas en eta- tes dispositivos y comandos a global. En concreto, se analiza-
pas más avanzadas del enve- • Equipo de música: en- ejecutar, que se irán iluminan- rá si el haber realizado tareas de
jecimiento y en situación de cender, apagar, subir o bajar do aleatoriamente. El sistema entrenamiento cognitivo con la
dependencia, con el objetivo el volumen, silenciar, cam- BCI identificará qué opción de primera aplicación favorece una
de incrementar su autonomía biar a la función radio o CD, entre todas las mostradas en mejora de las habilidades cogni-
en el hogar y mejorar su cali- seleccionar una pista o emi- la pantalla fue la que provocó tivas y, por tanto, un mejor con-
dad de vida. Esta aplicación sora, etc. el potencial P300 en el usuario trol de la aplicación domótica.
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