Actas de las XXXV Jornadas de Automática, 3-5 de septiembre de 2014, ValenciaISBN-13: 978-84-697-0589-6 © 2014 Comité Español de Automática de la IFAC (CEA-IFAC)

Diseno e Implementacion de un Sistema de Control de Entornopara Usuarios con Paralisis Cerebral

Miguel Velasco, Alejandro Clemottemiguel.velasco@csic.es, a.clemotte@alumnos.upm.es

Rafael Raya, Ramon Ceresrafael.raya@csic.es, ramon.ceres@csic.es

Resumen

En este artıculo se describe el diseno e imple-mentacion de un sistema de control de entornopara usuarios con paralisis cerebral (PC). Laplataforma trata de solventar las limitaciones dela domotica actual que, si bien ha demostrado seruna tecnologıa madura y muy extendida para lapoblacion general, apenas se aplica al mundo de ladiscapacidad. El sistema disenado integra diversasinterfaces de acceso alternativo al computador, yasea por movimientos de la cabeza medidos a travesde sensores inerciales, como el seguimiento de lamirada a traves de sistemas de vision infrarrojos,con una interfaz grafica sencilla y facilmente us-able en la que se ha llegado a un compromiso entrela cantidad de botones y el tamano de los mis-mos. En la plataforma, usuarios con PC de AS-PACE Cantabria han podido controlar un equipode musica, television, radio, y elementos de lahabitacion como persianas y climatizadores. Elabaratamiento de esta tecnologıa permitira quepersonas con trastornos motores severos ganen enautonomıa e interaccion con su entorno.

Palabras clave: paralisis cerebral, domotica,control del entorno, accesible, interaccion

1 INTRODUCCION

1.1 PARALISIS CEREBRAL

La paralisis cerebral (PC) es una de las discapaci-dades mas severas en la infancia y supone unaenorme carga tanto para los servicios sanitarios,educativos, sociales ası como las familias y, porsupuesto, el individuo. Paralisis cerebral es untermino muy amplio que engloba una serie detrastornos permanentes no progresivos de diversaındole como consecuencia de lesiones del cerebroinmaduro producidas por traumatismos e hipox-ias durante el parto o infecciones anteriores o pos-teriores al mismo. La PC se manifiesta princi-palmente en disfunciones neuromotoras con al-teraciones en el control motor y postural debidoa trastornos de la coordinacion y del tono muscu-lar pero tambien pueden afectar a la percepcion,

la memoria o el razonamiento [8]. La prevalenciade la PC es a nivel internacional de entre 1.5 y2.8 casos por millar de nacimientos. Solamente enlos Estados Unidos de America medio millon deninos estan afectados. En Europa las cifras sonsimilares e incluso superiores: el ratio global parael periodo entre 1980 y 1990 fue de 2.08 por cada1000 nacimientos.

En cuanto a los diferentes cuadros y variantes dePC, el trabajo [1] presento una clasificacion enterminos de nosologıa, topografıa y funcion. Laclasificacion divide la PC en 3 tipos: espastica,ataxica y discinetica. La PC espastica se caracter-iza por al menos 2 de estos signos: patron anomalode la postura y/o el movimiento, tono muscular in-crementado y reflejos patologicos. Puede ser uni-lateral o bilateral. La PC ataxica se caracterizatanto por la presencia de un patron motor y/opostural anormal como por la perdida de la co-ordinacion muscular; los movimientos se realizancon una fuerza, ritmo y precision anomalos. LaPC discinetica, por su parte, se ve dominada porun trastorno motor y postural, y movimientos in-voluntarios incontrolados, recurrente y ocasional-mente estereotipados.

Es poco frecuente que la PC tenga unicamentemanifestaciones de tipo motor, la mayorıa de lospacientes presenta por lo menos una discapacidadasociada. La deficiencia mental es la deficienciaasociada mas comun, aproximadamente el 70% delos casos la presenta. En algunos casos la PCpuede ser tan sutil que se manifieste solo comoproblemas de aprendizaje, visuales, de psicomot-ricidad y lenguaje, que suelen ser las manifesta-ciones mas leves, e incluso pueden no relacionarsecon la PC.

Se desprende de esta clasificacion que el termino“paralisis cerebral” se trata de un termino“paraguas” que engloba una gran variedad detrastornos que tienen su origen como denominadorcomun. Es por ello que existe una gran hetero-geneidad entre los perfiles de discapacidad con losque trabajan psicologos, fisioterapeutas, terapeu-tas ocupacionales y desarrolladores de tecnologıaspara la discapacidad.

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1.2 DOMOTICA Y DISCAPACIDAD

Una investigacion del Instituto Nacional de Es-tadıstica de Espana muestra que el 74% de lapoblacion espanola con discapacidad (2,8 mil-lones) padece algun tipo de limitacion para re-alizar actividades de la vida diaria (AVD), mien-tras que cerca de 1.390.000 no puede realizarningun tipo de AVD en absoluto sin la ayuda depersonal especializado (Instituto Nacional de Es-tadıstica, 2008). Este es, por ejemplo, el caso delas personas afectadas por paralisis cerebral sev-era.

La domotica adaptada podrıa mitigar las dificul-tades de las personas con discapacidad para lle-var a cabo esas actividades, dando la oportunidadde manejar los aparatos electronicos a traves deun sistema especialmente disenado. La domoticatiene que proporcionar interfaces de control es-pecıficas y adaptadas basadas en ComunicacionAumentativa y Alternativa con el fin de ser unasolucion eficaz al problema y permitir a los gru-pos con mayor grado de dependiencia alcanzar elmaximo nivel de autonomıa.

La instalacion de un sistema domotico adaptadopuede hacer la tecnologıa util para aquellas per-sonas con capacidades particulares, aumentandola autonomıa del usuario y permitiendo realizarAVD en un ambiente privado. La apertura de unaventana, encender el televisor y cambiarlo al canalfavorito, el establecimiento de la calefaccion a 22grados, encender la luz, abrir y cerrar la puertao comprobar el estado de las alarmas son solo al-gunos ejemplos de AVD que un sistema domoticoadaptado tiene que ofrecer al usuario.

Machado [4], prueban el sistema Head Pilot, queutiliza un algoritmo robusto que mide en tiemporeal el movimiento de la cabeza con una camaraweb. Head Pilot pretende controlar cualquier in-terfaz informatica y domotica a traves del con-trol del puntero de un ordenador. Este tra-bajo tiene como objetivo crear una tecnologıa deayuda facil de usar, una vez que se ha config-urado. Los usuarios pueden ajustar la config-uracion del sistema para su mayor comodidad.Posada [10], presenta una interfaz basada en elsensor de Kinect para controlar algunas funcionesen una habitacion con un mecanismo de inter-accion natural. Uno de los objetivos de ese tra-bajo es el desarrollo de una aplicacion domoticapara ayudar a las personas con diferentes capaci-dades a ejecutar tareas especıficas en un entornografico amigable. Algunas de estas tareas son: en-cender/apagar una lampara, cerrar/abrir las per-sianas, activar/desactivar el aire acondicionado,activar una alarma para pedir ayuda, etc.

Una interfaz cerebro-ordenador (brain-computerinterface, BCI) es un sistema de comunicacion quemonitoriza la actividad del cerebro y traduce lascaracterısticas especıficas de las senales que re-flejan la intencion del usuario en comandos queoperan un dispositivo. El metodo mas utilizadopara el seguimiento de la actividad cerebral en sis-temas BCI es la electroencefalografıa (EEG). Elregistro del EEG es un metodo no invasivo querequiere un equipo relativamente simple y baratoy es mas facil de usar que otros metodos, talescomo la magnetoencefalografıa (MEG) o la tomo-grafıa por emision de positrones (PET). Algunade las limitaciones de los sistemas BCI es que re-quieren altos niveles de entrenamiento y concen-tracion. Ademas la respuesta del sistema es muylimitada, normalmente tipo binaria (sı/no). Paramas detalles puede referirse a [5], se donde pre-senta una revision de las BCI basadas en EEGpara personas con discapacidad. Mas concreta-mente el estudio de Corralejo [2][3] propone la im-plementacion de una aplicacion BCI para permitirque las personas con discapacidad puedan interac-tuar con los dispositivos presentes en su entornohabitual.

2 MOTIVACION

El sistema domotico presentado surge dentro delmarco de actividades del Proyecto IVANPACEcomo aplicacion de los trabajos anteriores enrelacion al acceso alternativo al computador parapersonas con trastornos motores severos. La final-idad de IVANPACE es la elaboracion de nuevastecnicas y herramientas tecnologicas de rehabil-itacion y compensacion funcional de personas conPC y sındromes afines a partir de una colabo-racion estable y multidisciplinar que favorezca unmejor conocimiento de las deficiencias neuromo-toras y la puesta a punto de productos o serviciosespecıficos de apoyo. Son igualmente objeto deinteres los sistemas que permitan potenciar la ac-tividad humana y su relacion con el medio, ya seaen el ambito de la salud o en el de la autonomıade personas con discapacidad.

El mundo de la domotica tiene un largo recorridoy esta su tecnologıa muy desarrollada tanto desdeel punto de vista de hardware como de software.Sin embargo, se ha detectado que su uso en elmundo de la discapacidad y, de manera especial,de la paralisis cerebral es muy reducido debido alas grandes limitaciones que este tipo de usuariostienen para manejar la tecnologıa y acceder a losdiferentes interfaces de control. Estas interfacessuelen estar por lo general, salvo alguna expecioncomo las mencionadas en el apartado anterior,disenadas para usuarios con plenas capacidades

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Figura 1: Elementos y canales de comunicacion del control de entorno

motoras. Para solventar dichas dificultades de ac-ceso a la tecnologıa, se presenta una plataformauniversal que combina diversas interfaces de ac-ceso alternativo al computador que se ajustan alos diversos grados de trastorno motor, un entornografico sencillo y usable en el usuario pueda inter-actuar intuitivamente con todos los dispositivos dela plataforma.

3 DESCRIPCION DEL DISENO

En las siguientes secciones se hace una descripciondetallada de los elementos integrantes del sistemade control de entorno: electrodomesticos y ele-mentos del hogar motorizados, elementos actu-adores (receptores y emisores de senales de infrar-rojos y radiofrecuencia) y el interfaz multiaccesode manejo del sistema (mostrado en Figura 1).

3.1 ELEMENTOS CONTROLADOS

En consenso con terapeutas y cuidadores deASPACE Cantabria se decidio estudiar la im-plantacion del sistema completo en la sala de estarde la residencia de esta Entidad, proponiendo lossiguientes dispositivos del entorno a controlar:

• Por canal de infrarrojos (elementos de la saladotados de mando de control remoto por IR)

- Televisor: encendido/apagado, seleccionde canal, volumen y silencio

- Equipo de musica: encendido/apagado,reproduccion, pausa, pasar a la cancionanterior/siguiente, volumen y silencio

- Aire acondicionado: encendido/apagadoy ajuste de la temperatura

- Estor: subida y bajada

- Persiana veneciana: subida, bajada, yapertura y cierre de las lamas

• Por canal de radiofrecuencia (elemento situ-ado en alguna habitacion proxima conectadoal receptor RF)

- Accionamiento de una alarma parapeticion de ayuda

• Por medio del computador, acceso a radio yotros contenidos en Internet.

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Figura 2: Elementos receptores y emisores comer-ciales

3.2 ELEMENTOS EMISORES YRECEPTORES

El control de entorno planteado utiliza una estruc-tura centralizada de emisor unico y diversos re-ceptores pasivos que permanecen ininterrumpida-mente a la escucha. El emisor se comunica con losreceptores con enlaces inalambricos de dos tipos:infrarrojos (39 KHz) y radiofrecuencia en la bandaICM (433 MHz). Acompana al emisor un softwareespecıfico que permite el registro de codigos deaquellos controles remotos que sean enfrentados alemisor. De esta manera, se puede construir un en-lace de IR con cualquier dispositivo que dispongade control remoto. Para la utilizacion de enlacesRF se necesita incorporar al sistema un recep-tor de radiofrecuencia adicional que actuara comoconmutador ON/OFF para el encendido o apa-gado de un tercer dispositivo. Vease la Figura 2.Todos estos elementos—emisor, receptores de RFy software de control—se han adquirido de la em-presa BJ Adaptaciones S.L. El control central delsistema se puede hacer desde un computador me-diante el software BJ Control, que trabajara ensegundo plano y de manera totalmente transpar-ente para el usuario (Figura 4).

Cabe destacar que en el caso de los canales IR uti-lizados, los controles remotos originales no quedaninhabilitados sino que pueden ser utilizados demanera simultanea por familiares o cuidadores deASPACE. Asimismo, se ha modificado el recep-tor de RF de manera que pueda ser utilizado condispositivos de mayor potencia como calefactoreselectricos, lo cuales recibiran la alimentacion delpropio receptor en funcion de los comandos quelleguen desde el control central. El nuevo el-emento incluye ademas la posibilidad de lanzaruna alarma sonora que solo se desactivara cuandoel cuidador atienda la llamada (mostrada en laFigura 3).

La comunicacion entre emisores y receptores paralos dos tipos de enlace en terminos de directivi-dad o longitud maxima de enlace ha sido testada

Figura 3: Adaptacion del receptor de RF para elcontrol dde la alarma sonora remota de llamadaal cuidador

Figura 4: Software BJ Control de comunicacioncon los receptores/actuadores comerciales

en laboratorio con resultados satisfactorios para elentorno de trabajo definido.

3.3 INTERFAZ DE CONTROL

3.3.1 Interfaz grafica

Se ha disenado un software en Visual Studio 2010y en el lenguaje de programacion C# compatiblecon el software de control del emisor de IR/RF. Lainterfaz creada (ver Figura 5) permite al usuarioacceder a los distintos dispositivos de una manerasencilla e intuitiva, y esta adaptada a sus capaci-dades cognitivas y motoras. Es por ello que esaccesible con el raton convencional o, como vere-mos mas adelante, sistemas apuntadores basadosen sensores inerciales como ENLAZA o eyetrack-ers como Iriscom o Tobii. La interfaz proporcionaademas una realimentacion visual y sonora paracualquier accion ejecutada por el usuario.

Se ha buscado realizar un diseno amigableque maximice la usabilidad para personas con

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Figura 5: Ejemplos de pantallas del control de entorno

trastornos visuales. Todas las pantallas tienen unacantidad reducida de botones, estos tienen buencontraste con el fondo y estan agrupados por uncodigo de colores: rojo para el sistema de alarmaremota, naranja para los elementos relacionadoscon el ocio (TV, musica, contenidos en Internet) yverde para los elementos de control del ambiente:aire acondicionado, persianas. El color amarilloesta reservado para los botones relacionados conla propia interfaz: retorno a la pantalla previa ybloqueo de la pantalla. Ver Figura 5, en su parteinferior derecha.

Por otro lado, la estructuracion de los botones enlas diferentes ventanas—en las cuales en ninguncaso 2 botones de pantallas consecutivas se en-cuentran localizados en la misma posicion—se harealizado para evitar que un usuario realice un clicerroneo al pasar a la nueva pantalla tras hacer clicen la pantalla inicial.

3.3.2 Interfaces de acceso alternativo

Como se ha comentado anteriormente se pretendeque el acceso al sistema sea universal, independi-entemente de la solucion de acceso alternativo alcomputador elegida por el usuario. Con ese fin, seha realizado una integracion del sistema con inter-faces alternativos como son ENLAZA e IRISCOM(mostrados en la Figura 6).

La interfaz ENLAZA es un sistema apuntador deacceso al computador por movimientos de cabezaque ha sido desarrollado por el Grupo de Bioin-genierıa del CSIC en colaboracion con ASPACECantabria y la empresa Technaid S.L. basado en

Figura 6: Sistemas de acceso alternativo al com-putador: ENLAZA e IRISCOM

sensores inerciales o IMUs [7]. Un sensor inerciales un dispositivo que, por medio de acelerometros,giroscopos y magnetometros tridimensionales, escapaz de medir movimientos. ENLAZA constade un IMU a situar en la cabeza del usuario queestima la orientacion de esta a partir de la acel-eracion y el campo magnetico medidos y la tra-duce a una posicion del cursor en pantalla. Elmovimiento involuntario de la cabeza, que nat-uralmente se extiende a la trayectoria tomarıa elcursor en la pantalla es filtrado con la ayuda de unfiltro de adaptativo [6]. El filtro trata de discernirentre las componentes voluntarias e involuntariasdel movimiento, reduciendo considerablemente es-tas ultimas y suavizando ası la trayectoria del cur-sor, lo que facilita en gran medida la interacciondel usuario con el computador

Palomo y otros [9] han desarrollado IRISCOM elcual es un dispositivo, disenado para personas conalta limitacion en su funcionalidad motriz, quepermite el control de un ordenador PC medianteel movimiento de los ojos. Se trata de un disposi-

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Figura 7: Usuario con paralisis cerebral duranteuna sesion de prueba del sistema de control deentorno en la sede de ASPACE Cantabria. El ac-ceso al computador se realiza mediante la interfazENLAZA

tivo que reemplaza al raton manual, posibilitandoque las personas que no pueden manejar el ratoncon las manos, consigan practicamente los mismosresultados mirando simplemente al lugar deseado.

4 PRUEBAS REALIZADAS

La plataforma al completo ha sido probada in situcon usuarios de ASPACE Cantabria con resulta-dos muy prometedores. Aquellos usuarios que ensu vida diaria usaban sistemas de rastreo de la mi-rada para acceder al ordenador accedieron al inter-faz grafico por medio de Iriscom, mientras aquelloscuyos perfiles de trastorno motor no hacian posibleel uso de esta tecnologıa, interactuaron con el sis-tema mediante ENLAZA y su sistema de filtradode los movimientos involuntarios (ver Figura 7).

La respuesta de los usuarios fue en general buena.Como propuestas para la mejora continuada delsistema se plantea flexibilizar el diseno de maneraque tanto usuarios como terapeutas puedan per-sonalizar las pantallas, cambiando el numero debotones por pantalla, el tamano de los mismos yla imagen mostrada por cada uno de ellos.

La plataforma de control de entorno se encuentraactualmente instalada en una sala de uso comunde la sede en Santander de ASPACE Cantabria.A medio-largo plazo lo deseable serıa instalar sis-temas similares en los hogares y habitaciones delos usuarios para que estos pudieran incorporar-los en su rutina habitual. En la practica, el mayorobstaculo con el que se encuentran las familias es elalto coste de motorizar elementos como persianas,ventanas o puertas, aunque el hecho de que cadavez se encuentre en el mercado mayor variedad de

motores accionados por infrarrojos es una buenasenal del abaratamiento progresivo de este tipo desoluciones.

Agradecimientos

Los autores quieren a agradecer a los profesionalesy usuarios de ASPACE Cantabria su colaboracionen el diseno y validacion del sistema de control.Este trabajo ha sido posible gracias a la finan-ciacion proporcionada por la Obra Social de CajaCantabria para el Proyecto IVANPACE.

Referencias

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[3] Corralejo, R., Hornero, R., Alvarez, D.(2011). “A Domotic Control System Us-ing Brain-Computer Interface ( BCI ). In11th International Work-Conference on Ar-tificial Neural Networks”, IWANN 2011 (pp.345–352). Torremolinos.

[4] Machado, M.-L., Guincestre, J.-Y., Aime,M., Drouet, M.-H., Giry, C., LeDoze,F., Besnard, S. (2013). “Head Pilot:A new webcam-based Head Track-ing System tested in permanently dis-abled patients”. IRBM, 34(2), 124–130.doi:10.1016/j.irbm.2013.02.001

[5] Moghimi, S., Kushki, A., Marie Guerguerian,A., Chau, T. (2013). “A Review of EEG-Based Brain-Computer Interfaces as AccessPathways for Individuals with Severe Disabil-ities”. Assistive Technology, 25(2), 99–110.

[6] Raya, R., Rocon, E., Gallego, J.A., Ceres,R., Pons, J.L. (2012) “A Robust Kalman Al-gorithm to Facilitate Human-Computer In-teraction for People with Cerebral Palsy, Us-ing a New Interface Based on Inertial Sen-sors”. Sensors. doi:10.3390/s120303049. 12.3. 3049-3067.

[7] Raya, R., Velasco, M.A., Rocon, E., Ceres, R.(2013) “Design of input/output mapping fora head mounted interface according to motor

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[8] Ruiz, A., Arteaga, R., “Paralisis Cerebraly Sındromes Especıficos e Individualidaden los Apoyos. Santander”. Universidad deCantabria y otros.

[9] Palomo, P., Gonzalez, T., Rivas, R., Iraza-bal, I., Ruiz, A. (2009). “IRISCOM. ProyectoIRIS”. In IV Jornadas Iberoamericanas deTecnologıas de Apoyo a la Discapacidad. Lastecnologıas de apoyo en paralisis cerebral (pp.87–91).

[10] Posada-Gomez, R., Rodriguez-Bernardo, C.(2012). “Development of a natural interactioninterface for people with disabilities in a homeautomation control room”. In Workshop Pro-ceedings of the 8th International Conferenceon Intelligent Environments (pp. 353–361).