Fusion of virtual reality and brain-machine interfaces for the assessment and rehabilitation of patients with spinal cord injury

Abstract

La presente tesis está centrada en la utilización de nuevas tecnologías (Interfaces Cerebro-Máquina y Realidad Virtual). En la primera parte de la tesis se describe la definición y la aplicación de un conjunto de métricas para evaluar el estado funcional de los pacientes con lesión medular en el contexto de un sistema de realidad virtual para la rehabilitación de los miembros superiores. El objetivo de este primer estudio es demostrar que la realidad virtual puede utilizarse, en combinación con sensores inerciales para rehabilitar y evaluar simultáneamente. 15 pacientes con lesión medular llevaron a cabo 3 sesiones con el sistema de realidad virtual Toyra y se aplicó el conjunto definido de métricas a las grabaciones obtenidas con los sensores inerciales. Se encontraron correlaciones entre algunas de las métricas definidas y algunas de las escalas clínicas utilizadas con frecuencia en el contexto de la rehabilitación. En la segunda parte de la tesis se ha combinado una retroalimentación virtual con un estimulador eléctrico funcional (en adelante FES, por sus siglas en inglés Functional Electrical Stimulator), ambos controlados por un Interfaz Cerebro-Máquina (BMI por sus siglas en inglés Brain-Machine Interface), para desarrollar un nuevo tipo de enfoque terapéutico para los pacientes. El sistema ha sido utilizado por 4 pacientes con lesión medular que intentaron mover sus manos. Esta intención desencadenó simultáneamente el FES y la retroalimentación virtual, cerrando la mano de los pacientes y mostrándoles una fuente adicional de retroalimentación para complementar la terapia. Este trabajo es, de acuerdo al estado del arte revisado, el primero que integra BMI, FES y realidad virtual como terapia para pacientes con lesión medular. Se han obtenido resultados clínicos prometedores por 4 pacientes con lesión medular después de realizar 5 sesiones de terapia con el sistema, mostrando buenos niveles de precisión en las diferentes sesiones (79,13% en promedio). En la tercera parte de la tesis se ha definido una nueva métrica para estudiar los cambios de conectividad cerebral en los pacientes con lesión medular, que incluye información de las interacciones neuronales entre diferentes áreas. El objetivo de este estudio ha sido extraer información clínicamente relevante de la actividad del EEG cuando se realizan terapias basadas en BMI.