Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Dispositivos Operados Por Lengua Ayudan a Personas Paralizadas

Wednesday, May 26, 2010

 The Tongue Drive System uses ordinary tongue studs that are embedded with permanent magnets that are less than 5mm in diameter.

The Tongue Drive System uses ordinary tongue studs that are embedded with permanent magnets that are less than 5mm in diameter.

Las personas gravemente discapacitadas con problemas del sistema nervioso, especialmente por lesiones del cerebro y la médula espinal, tienen dificultades para llevar a cabo sus tareas cotidianas sin ayuda. La Fundación de Christopher y Dana Reeve informó recientemente que casi 1 de cada 50 personas en los Estados Unidos viven con parálisis, y casi una quinta parte de estas personas necesitan ayuda continua. Cada año se producen 11.000 nuevos casos como resultado de accidentes automovilísticos, actos de violencia, y caídas. Más de la mitad de estas víctimas tienen entre 16 y 30 años de edad y requieren de cuidados especiales por el resto de sus vidas.

La pérdida de control motor reduce significativamente la calidad de vida; los individuos no pueden realizar muchas de las tareas diarias que las personas sin discapacidades dan por sentado, como encender una luz o abrir una puerta. Además obliga a los individuos a depender continuamente de un familiar o cuidador dedicado, lo que puede aumentar significativamente sus costos de atención médica. La movilidad a ruedas para el transporte dentro y fuera del hogar es un factor clave para favorecer aquellos que sufren de parálisis. La mayoría utilizan sillas de ruedas motorizadas por electricidad (PWC) que les permiten realizar las tareas diarias con mayor independencia. Sin embargo, la mayoría de las PWCs son controladas por una palanca de control, que requiere de función manual a menudo carente en personas con discapacidades severas.

 

La Lengua Gana

Las tecnologías de asistencia (ATs) se han desarrollado para controlar dispositivos tales como las PWCs y las computadoras que se utilizan para la vida diaria. Sin embargo, muchos de estos dispositivos tiene comandos limitados, causan fatiga muscular rápida, o interfieren con las funciones básicas del usuario. Por ejemplo, la AT de sorbo y soplo que el fallecido actor Christopher Reeve utilizaba es controlada por succionar o soplar a través de una pajita. Aunque el dispositivo es fácil de usar, es lento y tiene un número limitado de comandos, y la gente en ventiladores no lo pueden utilizar debido a que requiere la presión del aire. Las ATs controladas por la barbilla o movimientos de la cabeza no son adecuadas para algunas personas con déficits motores severos, y pueden hacer que los músculos se fatiguen rápidamente. Las ATs para rastreo de ojo pueden interferir con la visión normal del usuario.

El Dr. Maysam Ghovanloo, Profesor Adjunto y Director del Laboratorio de GT-Biónica en el Instituto Tecnológico de Georgia, y su equipo de investigación han desarrollado una AT operada por lengua llamada Tongue Drive System (TDS), que es discreta, usable, e inalámbrica y que podría sustituir muchas funciones de la mano y el brazo. "El sistema Tongue Drive está diseñado para habilitar a las personas con graves lesiones de la médula espinal que están completamente paralizadas. El objetivo es que los usuarios puedan conducir sus sillas de ruedas, operar sus computadoras, y en general controlar sus entornos de una manera más independiente", dice Ghovanloo. El TDS sólo requiere que el usuario pueda mover su lengua, una función que normalmente se mantiene incluso en lesiones severas de la médula espinal. "Incluso una persona que no puede respirar por sí mismo o hablar todavía puede mover la lengua", agrega Ghovanloo.

An individual with magnetic tongue piercing wearing the Tongue Drive System headset.

An individual with magnetic tongue piercing wearing the Tongue Drive System headset.

Un dispositivo impulsado por la lengua ofrece varias otras ventajas distintivas. El área del cerebro que controla los movimientos de la lengua y la boca es casi del mismo tamaño que el área que controla los dedos y la mano. Por lo tanto, la lengua es capaz de hacer tareas sofisticadas y tener un control motor preciso. La lengua es rápida y ágil, y el músculo de la lengua, al igual que el músculo del corazón, es resistente a la fatiga como es evidente en el hablar y comer de todos los días. Por último, porque la lengua está escondida en la boca, esto le proporciona a los usuarios del TDS un cierto grado de privacidad que no está disponible en los dispositivos que se basan en el control de la cabeza o los movimientos oculares.

 

Está en La Punta de Mi Lengua

Otros sistemas operados por lengua, como el teclado por toque lingual, son voluminosos y pueden afectar el habla y la respiración. El dispositivo del Dr. Ghovanloo consiste de un diminuto imán sujetado a la lengua, un auricular regular, y una computadora compacta. El imán es aproximadamente del tamaño de un grano de arroz y se sujeta a la lengua con adhesivo tisular especial. Para realizar una tarea, el usuario realiza un movimiento de lengua deliberado que se asocia con una acción específica. Por ejemplo, tocar un molar inferior izquierdo con la punta de la lengua significa "mover la silla de ruedas o el cursor del ratón hacia la izquierda."

Los movimientos de la lengua cambian el campo magnético alrededor de la boca, lo cual es detectado por pequeños sensores magnéticos montados en el auricular cerca de las mejillas del usuario. "Los sensores magnéticos son del mismo tipo que se utilizan en dispositivos GPS para detectar el campo magnético de la tierra, así que son muy sensibles", dice Ghovanloo. Un transmisor en el auricular envía información de los sensores a la computadora que traduce los cambios del campo magnético a los comandos deseados por el usuario. Dependiendo de la velocidad de procesamiento del computador, el tiempo entre el movimiento de la lengua y la acción se produce en cuestión de milisegundos, un retraso que no es percibido por el usuario.

 

Lo Que Su Lengua Puede Hacer Por Usted

Antes de utilizar el TDS, el usuario debe entrenar el sistema para asociar cada movimiento designado de la lengua a una acción. El entrenamiento exige comandos que se repitan varias veces para el reconocimiento por computador, pero es relativamente rápido. Cada comando se define mediante la recopilación de los cambios en el campo magnético en relación a la posición de la lengua. "El dispositivo permite en la actualidad seis comandos que están disponibles para el usuario al mismo tiempo. El objetivo final es permitirle al usuario que designe un comando a cada diente", dice Ghovanloo. La mayoría de los humanos adultos tienen 32 dientes, y varios comandos se pueden vincular a una combinación de dientes o gestos de la lengua, haciendo que haya una infinidad de posibilidades.

A través de una red de área local inalámbrica (WLAN), el TDS puede enlazarse a las tecnologías actualmente disponibles de telefonía inteligente (SmartphoneTM) que controlan electrodomésticos, luces, cerraduras, calefacción/aire acondicionado, etc. El dispositivo también podría controlar brazos y piernas protésicas. "Una extremidad protésica puede tener todas las capacidades de una extremidad natural, pero si tu no puedes controlarla, esas capacidades son inútiles", dice Ghovanloo. "Con el sistema Tongue Drive, el usuario puede tomar ventaja de todas las capacidades de la lengua para controlar su prótesis", añade.

 

Trabalenguas

Aunque puede haber cierto grado de error cuando se traduce el movimiento a la acción, el TDS ha demostrado un alto grado de precisión. La mayoría de los errores son consecuencia de los errores del usuario, como hacer el movimiento incorrecto. En experimentos iniciales, todos los sujetos examinados fueron ingenuos al sistema, y a veces se olvidaron de la asociación entre movimiento de lengua y acción. Los sujetos con mas experiencia en el sistema tuvieron una tasa de error muy baja, y mayor precisión con el tiempo. El Dr. Ghovanloo está llevando a cabo estudios a largo plazo para evaluar esta tecnología y la velocidad de aprendizaje en las personas con discapacidades de alto nivel. Sin embargo, en su mayor parte, el aprendizaje previo es muy rápido y fácil de recordar, y se espera que sea intuitivo con el tiempo.

 

Lengua En La Mejilla

Algunos movimientos de la lengua – como el hablar, tragar, toser, o estornudar - podrían interferir con el funcionamiento correcto del TDS si los comandos de lengua no están definidos correctamente. Dado que estos movimientos naturales de la lengua ocurren a menudo en el plano sagital (en el centro de la boca), los comandos del TDS se definen mediante mociones de la lengua ya sea en el lado izquierdo o derecho de la boca. Comer es una excepción, no obstante, porque la lengua se mueve por todas partes en la boca. Para hacer frente a este tipo de interferencia, el dispositivo tiene un comando predefinido de espera o sueño. Cuando está listo para comer, el usuario emite el comando de sueño tocando con la lengua la parte izquierda de la mejilla y sosteniéndola allí durante 3 segundos. Después de comer, el mismo comando regresa el TDS a modo activo. La flexibilidad del TDS en la definición de un conjunto único de comandos de lengua para cada usuario, es especialmente útil para algunos pacientes con accidentes cerebrovasculares que pueden perder la movilidad en un lado de su cuerpo. Estos individuos pueden definir todos sus comandos de lengua en la parte funcional de su boca.

 

Lo Que Viene

El dispositivo del Dr. Ghovanloo ha pasado por seis o siete rondas de pruebas experimentales a pequeña escala en los sujetos sanos, con mejoramientos realizados en todas las rondas sucesivas. El primer ensayo clínico se llevó a cabo en 2009 en el Centro Shepherd en Atlanta, uno de los centros de rehabilitación más destacados de la nación. Trece sujetos con lesiones de alto nivel en la columna participaron en este estudio y los resultados se publicaron en el Journal of Neural Engineering (or in Spanish: El Boletín De Ingeniería Neural). El Dr. Ghovanloo ha obtenido financiación adicional a través del NIBIB para llevar a cabo un ensayo multicéntrico en el que el imán será unido a la lengua por perforación en lugar de pegamento. La perforación de lengua TDS es muy similar a una perforación ornamental de lengua excepto que, en lugar de joyas, un diminuto imán estará incrustado en el arete. A largo plazo esto permite el uso semi-permanente del dispositivo, a diferencia del método anterior que sólo dura unas pocas horas antes de que el imán se deba volver a pegar. El imán ha sido completamente encerrado dentro de una esfera de titanio soldada con láser que cuesta alrededor de $50.

Aunque el TDS actual es tecnología de vanguardia, el Dr. Ghovanloo ya tiene planes para mejorarlo. Con el tiempo, un implante dental podría reemplazar el auricular que transmite los cambios del campo magnético, una opción para los usuarios que quieren que su AT esté completamente oculto a la vista. Para agilizar aún más el dispositivo, este estará sujetado a un teléfono inteligente que se pueda llevar puesto, como un iPhoneTM, que transmite las señales desde el imán a la red del usuario (por ejemplo, casa, silla de ruedas) eliminando la necesidad de llevar una computadora en una silla de ruedas.

 

Sostén Tu Lengua

El dispositivo de lengua del Dr. Ghovanloo ya ha recibido mucha atención y cobertura de los medios. "Hay un enorme interés en esta tecnología porque no hay nada en el mercado que puede proporcionar este nivel de capacidad", dice Ghovanloo. Se espera que el dispositivo esté listo para el mercado comercial a finales de 2011.

Para ver un videoclip del dispositivo en acción, o escuchar las historias reales de personas con lesiones de la médula espinal por favor visite:http://www.nsf.gov/news/special_reports/science_nation/tonguedriver.jsp and http://www.cnn.com/2010/HEALTH/01/25/hm.wheelchair.tongue/index.html.

Este trabajo está apoyado en parte por la Fundación Nacional de la Ciencia, la Fundación de Dana y Christopher Reeve, la Oficina de Investigación del Ejército de los EE.UU., y los fondos de la Ley de Reinversión y Recuperación de los Estados Unidos a través del Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágines Biomédicas.

 

 

Referencias

Huo X, Ghovanloo M. Evaluation of a wireless wearable tongue-computer interface by individuals with high-level spinal cord injuries. J Neural Eng. 2010 Apr;7(2):26008.

Huo X, Ghovanloo M. Using unconstrained tongue motion as an alternative control mechanism for wheeled mobility. IEEE Trans Biomed Eng. 2009 Jun;56(6):1719-26.

Huo X, Wang J, Ghovanloo M. Wireless control of powered wheelchairs with tongue motion using tongue drive assistive technology. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2008:4199-202.