Interfaz Cerebro-Computador



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Nuevas tecnologías y métodos para la evaluación, rehabilitación y compensación funcional de déficits motores y cognitivos consecuencia de desórdenes neurológicos Estas intervenciones persiguen: restaurar la función perdida induciendo neuroplasticidad al asistir la rehabilitación sustituir la función perdida cuando la rehabilitación no es posible a través de tecnologías protésicas u ortésicas Grupo de bioingeniería: neurorehabilitación
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Grupo de bioingeniería: neurorehabilitación Neuroprótesis Motoras (MNPs) Exoesqueletos vestibles (NeuroRobots, NR) Interacción multimodal Modelado Computacional Cognitivo (MCC) BCI (SNC), MMI (SNC, SP) Tecnologías para la intervención en Rehabilitación Neurológica:
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Grupo de bioingeniería: neurorehabilitación Estas tecnologías se caracterizan por: Interactuar física y cognitivamente con las estructuras corporales y cerebrales del usuario Obtener información sobre la planificación y ejecución de sus movimientos y sobre sus capacidades cognitivas
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MÉTODOS: Análisis EMG. Actividad muscular en tareas funcionales o analíticas Análisis EEG. Planificación de movimentos, capacidades cognitivas (memoria, función ejecutiva, atención) Seguimiento ocular. Información sobre capacidades cognitivas a partir del movimiento de los ojos y la mirada Arquitecturas cognitivas. Modelos de comportamiento humano realizando tareas cognitivas Grupo de bioingeniería: neurorehabilitación
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La Neurorehabilitación con base en la tecnología BCI (Brain Computer Interface) puede ayudar a mejorar la calidad de vida y facilitar la recuperación funcional de personas con discapacidad motora grave BCI: Canal de comunicación del cerebro con el entorno y de control de dispositivos diversos para personas con problemas neuromusculares Desde finales de los años 90 han surgido numerosos programas de investigación en BCI impulsados por: un mayor conocimiento de la función cerebral el bajo coste de equipos computacionales cada vez más potentes una mayor toma de conciencia de las necesidades y del potencial de la gente discapacitada
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Los BCIs actuales: pueden determinar la intención del usuario a partir de distintas señales electrofisiológicas que se transforman en tiempo real en órdenes de control de un dispositivo: ordenador, silla de ruedas, TV, neuroprótesis, … presentan velocidades de transferencia de información en el rango de los 10 a los 25 bits/minuto. Esta velocidad, que puede ser una limitación para determinadas aplicaciones, es más que suficiente para ofrecer una posibilidad de comunicación a personas con discapacidad severa que no pueden beneficiarse de otros métodos para garantizar una respuesta adecuada y estable, el usuario y el sistema BCI deben adaptarse entre sí tanto inicialmente como a lo largo del tiempo
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Son muchas las enfermedades que conducen a una interrupción de la conexión entre el cerebro y los canales neuromusculares que impiden a un sujeto comunicarse e interaccionar con su entorno: Esclerosis Accidente Cerebro Vascular (ictus, derrame) Parálisis Cerebral Parkinson Lesión Medular Sólo en USA afectan a más de 2 millones de personas. Algunas de estas lesiones dan lugar a personas encerradas en un cuerpo inmóvil
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Dado que es imposible reparar la lesión, existen tres vías para restablecer la funcionalidad: incrementar la capacidad de las rutas no dañadas entre el cerebro y el mundo: usar la mirada para manejar un programa de procesamiento de palabras o un sintetizador de voz utilizar la actividad de los músculos no afectados para estimular eléctricamente los músculos paralizados construir BCIs que utilicen la información cerebral para enviar mensajes al mundo exterior
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OPCIONES DE COMUNICACIÓN CON EL MUNDO: A: El canal de comunicación normal del cerebro a la mano derecha está interrumpido B: La comunicación utiliza otra vía como el habla C: La comunicación puede emplear el cerebro y músculos no dañados D: El cerebro establece un canal de comunicación directo con un dispositivo o la mano (BCI)
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Existen distintos métodos para monitorizar la actividad cerebral: electroencefalografía (EEG) magnetoencefalografía (MEG) tomografía por emisión de positrones (PET) resonancia magnética funcional (fMRI) imagen óptica. Tanto PET como MEG, fMRI e imagen óptica exigen una tecnología sofisticada y de cara y las tres últimas, además, dependen del flujo sanguíneo con unas constantes de tiempo largas lo que no les hace idóneas para comunicación en tiempo real EEG tiene una respuesta temporal adecuada, es barata y pueden funcionar en cualquier entorno
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Desde que el psiquiatra alemán Berger en 1929 publicó su trabajo sobre la relación entre la actividad electroencefalográfica (patrones espacio-temporales) y la realización de determinadas funciones o estados del ser humano, el EEG se ha empleado fundamentalmente: para evaluar desórdenes neurológicos desde el punto de vista clínico (epilepsia) para investigar la función cerebral en laboratorio (en estado de relajación, predomina en la actividad los ritmos de 10hz) con fines terapéuticos (enseñar a modular la señal para situarla en los rangos de normalidad)
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Corte vertical del cerebro que muestra las áreas corticales motoras en la zona roja y y las sensoriales en la zona azul. Las áreas de la corteza motora se asocian con las funciones de las distintas partes del cuerpo y las de la corteza sensorial con la función sensorial del cuerpo (Homúnculo de Penfield)
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Desde entonces hasta aquí se ha especulado con la posibilidad de que el EEG sirviera para desentrañar pensamientos e intenciones, posibilidad no explotada hasta hace unas décadas debido a que: la cantidad de datos que subyace a la señal EEG y la variabilidad exponencial de los mismos, incluso realizando la misma función, impedían detectar la información relevante con fiabilidad era muy difícil analizar la señal en tiempo real y, además, la limitada velocidad de comunicación impedía la aplicación en escenarios reales
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Los avances tecnológicos, científicos y la sensibilidad social han dado un vuelco a esta situación: La investigación clínica y básica ha generado conocimiento detallado sobre las señales EEG: se conoce con rigor el origen de ritmos y los potenciales evocados de la señal y su ubicación espacial, además de su relación con la función cerebral. De este modo, es posible establecer qué señales EEG son más adecuadas para usar en aplicaciones de comunicación y control Desarrollo de hardware y software permite el análisis continuo de los datos recogidos por múltiples electrodos La mayor apreciación social de las necesidades de las personas discapacitadas ya que las técnicas convencionales aumentativas no son suficientes para algunas de ellas
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Un BCI, como cualquier sistema de comunicación o control, recibe una entrada la actividad electrofisiológica de un sujeto produce una salida una orden a un dispositivo mediante un algoritmo que transforma la entrada en la salida Es necesario, además, un protocolo que determina la planificación temporal y estructural para recoger los datos de entrada y proporcionar la salida
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DISEÑO Y OPERATIVA BÁSICA DE CUALQUIER SISTEMA BCI: Las señales del cerebro se adquieren de electrodos situados en el cuero cabelludo y se procesan para extraer características específicas de la señal (medidas en los dominios de la frecuencia o del tiempo) que reflejan la intención del usuario. Estas características se trasladan a comandos que controlan un dispositivo (procesador de palabras, una neuroprótesis o una silla de ruedas)