Detección y seguimiento de objetos en vídeos de actividades de vida diaria para rehabilitación de pacientes con daño cerebral adquirido

Las técnicas de rehabilitación permiten la recuperación y mejora de las funciones dañadas o deterioradas y ayuda al paciente con DCA a adaptarse a su nueva situación. El avance tecnológico que se ha producido en las últimas décadas, ha impulsado la investigación en el diseño y desarrollo de nuevos modelos de rehabilitación. La tecnología de vídeo interactivo se convierte en un elemento de apoyo en estos nuevos modelos rehabilitadores. Se hace necesario desarrollar nuevos algoritmos de segmentación y seguimiento que permitan dotar de información adicional a los vídeos. En este trabajo se han implementado y evaluado dos métodos que permiten realizar la detección y el seguimiento de objetos de interés.

Metodologías de modelado, monitorización y asistencia robótica en neurorrehabilitación funcional de extremidad superior

La Organización Mundial de la Salud (OMS) prevé que para el año 2020, el Daño Cerebral Adquirido (DCA) estará entre las 10 causas más comunes de discapacidad. Estas lesiones, dadas sus consecuencias físicas, sensoriales, cognitivas, emocionales y socioeconómicas, cambian dramáticamente la vida de los pacientes y sus familias. Las nuevas técnicas de intervención precoz y el desarrollo de la medicina intensiva en la atención al DCA han mejorado notablemente la probabilidad de supervivencia. Sin embargo, hoy por hoy, las lesiones cerebrales no tienen ningún tratamiento quirúrgico que tenga por objetivo restablecer la funcionalidad perdida, sino que las terapias rehabilitadoras se dirigen hacia la compensación de los déficits producidos. Uno de los objetivos principales de la neurorrehabilitación es, por tanto, dotar al paciente de la capacidad necesaria para ejecutar las Actividades de Vida Diaria (AVDs) necesarias para desarrollar una vida independiente, siendo fundamentales aquellas en las que la Extremidad Superior (ES) está directamente implicada, dada su gran importancia a la hora de la manipulación de objetos. Con la incorporación de nuevas soluciones tecnológicas al proceso de neurorrehabilitación se pretende alcanzar un nuevo paradigma centrado en ofrecer una práctica personalizada, monitorizada y ubicua con una valoración continua de la eficacia y de la eficiencia de los procedimientos y con capacidad de generar conocimientos que impulsen la ruptura del paradigma de actual. Los nuevos objetivos consistirán en minimizar el impacto de las enfermedades que afectan a la capacidad funcional de las personas, disminuir el tiempo de incapacidad y permitir una gestión más eficiente de los recursos. Estos objetivos clínicos, de gran impacto socio-económico, sólo pueden alcanzarse desde una apuesta decidida en nuevas tecnologías, metodologías y algoritmos capaces de ocasionar la ruptura tecnológica necesaria que permita superar las barreras que hasta el momento han impedido la penetración tecnológica en el campo de la rehabilitación de manera universal. De esta forma, los trabajos y resultados alcanzados en la Tesis son los siguientes: 1. Modelado de AVDs: como paso previo a la incorporación de ayudas tecnológicas al proceso rehabilitador, se hace necesaria una primera fase de modelado y formalización del conocimiento asociado a la ejecución de las actividades que se realizan como parte de la terapia. En particular, las tareas más complejas y a su vez con mayor repercusión terapéutica son las AVDs, cuya formalización permitirá disponer de modelos de movimiento sanos que actuarán de referencia para futuros desarrollos tecnológicos dirigidos a personas con DCA. Siguiendo una metodología basada en diagramas de estados UML se han modelado las AVDs 'servir agua de una jarra' y 'coger un botella' 2. Monitorización ubícua del movimiento de la ES: se ha diseñado, desarrollado y validado un sistema de adquisición de movimiento basado en tecnología inercial que mejora las limitaciones de los dispositivos comerciales actuales (coste muy elevado e incapacidad para trabajar en entornos no controlados); los altos coeficientes de correlación y los bajos niveles de error obtenidos en los corregistros llevados a cabo con el sistema comercial BTS SMART-D demuestran la alta precisión del sistema. También se ha realizado un trabajo de investigación exploratorio de un sistema de captura de movimiento de coste muy reducido basado en visión estereoscópica, habiéndose detectado los puntos clave donde se hace necesario incidir desde un punto de vista tecnológico para su incorporación en un entorno real 3. Resolución del Problema Cinemático Inverso (PCI): se ha diseñado, desarrollado y validado una solución al PCI cuando el manipulador se corresponde con una ES humana estudiándose 2 posibles alternativas, una basada en la utilización de un Perceptrón Multicapa (PMC) y otra basada en sistemas Artificial Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS). La validación, llevada a cabo utilizando información relativa a los modelos disponibles de AVDs, indica que una solución basada en un PMC con 3 neuronas en la capa de entrada, una capa oculta también de 3 neuronas y una capa de salida con tantas neuronas como Grados de Libertad (GdLs) tenga el modelo de la ES, proporciona resultados, tanto de precisión como de tiempo de cálculo, que la hacen idónea para trabajar en sistemas con requisitos de tiempo real 4. Control inteligente assisted-as-needed: se ha diseñado, desarrollado y validado un algoritmo de control assisted-as-needed para una ortesis robótica con capacidades de actuación anticipatoria de la que existe un prototipo implementado en la actualidad. Los resultados obtenidos demuestran cómo el sistema es capaz de adaptarse al perfil disfuncional del paciente activando la ayuda en instantes anteriores a la ocurrencia de movimientos incorrectos. Esta estrategia implica un aumento en la participación del paciente y, por tanto, en su actividad muscular, fomentándose los procesos la plasticidad cerebral responsables del reaprendizaje o readaptación motora 5. Simuladores robóticos para planificación: se propone la utilización de un simulador robótico assisted-as-needed como herramienta de planificación de sesiones de rehabilitación personalizadas y con un objetivo clínico marcado en las que interviene una ortesis robotizada. Los resultados obtenidos evidencian como, tras la ejecución de ciertos algoritmos sencillos, es posible seleccionar automáticamente una configuración para el algoritmo de control assisted-as-needed que consigue que la ortesis se adapte a los criterios establecidos desde un punto de vista clínico en función del paciente estudiado. Estos resultados invitan a profundizar en el desarrollo de algoritmos más avanzados de selección de parámetros a partir de baterías de simulaciones Estos trabajos han servido para corroborar las hipótesis de investigación planteadas al inicio de la misma, permitiendo, asimismo, la apertura de nuevas líneas de investigación. Summary The World Health Organization (WHO) predicts that by the year 2020, Acquired Brain Injury (ABI) will be among the ten most common ailments. These injuries dramatically change the life of the patients and their families due to their physical, sensory, cognitive, emotional and socio-economic consequences. New techniques of early intervention and the development of intensive ABI care have noticeably improved the survival rate. However, in spite of these advances, brain injuries still have no surgical or pharmacological treatment to re-establish the lost functions. Neurorehabilitation therapies address this problem by restoring, minimizing or compensating the functional alterations in a person disabled because of a nervous system injury. One of the main objectives of Neurorehabilitation is to provide patients with the capacity to perform specific Activities of the Daily Life (ADL) required for an independent life, especially those in which the Upper Limb (UL) is directly involved due to its great importance in manipulating objects within the patients' environment. The incorporation of new technological aids to the neurorehabilitation process tries to reach a new paradigm focused on offering a personalized, monitored and ubiquitous practise with continuous assessment of both the efficacy and the efficiency of the procedures and with the capacity of generating new knowledge. New targets will be to minimize the impact of the sicknesses affecting the functional capabilitiies of the subjects, to decrease the time of the physical handicap and to allow a more efficient resources handling. These targets, of a great socio-economic impact, can only be achieved by means of new technologies and algorithms able to provoke the technological break needed to beat the barriers that are stopping the universal penetration of the technology in the field of rehabilitation. In this way, this PhD Thesis has achieved the following results: 1. ADL Modeling: as a previous step to the incorporation of technological aids to the neurorehabilitation process, it is necessary a first modelling and formalization phase of the knowledge associated to the execution of the activities that are performed as a part of the therapy. In particular, the most complex and therapeutically relevant tasks are the ADLs, whose formalization will produce healthy motion models to be used as a reference for future technological developments. Following a methodology based on UML state-chart diagrams, the ADLs 'serving water from a jar' and 'picking up a bottle' have been modelled 2. Ubiquitous monitoring of the UL movement: it has been designed, developed and validated a motion acquisition system based on inertial technology that improves the limitations of the current devices (high monetary cost and inability of working within uncontrolled environments); the high correlation coefficients and the low error levels obtained throughout several co-registration sessions with the commercial sys- tem BTS SMART-D show the high precision of the system. Besides an exploration of a very low cost stereoscopic vision-based motion capture system has been carried out and the key points where it is necessary to insist from a technological point of view have been detected 3. Inverse Kinematics (IK) problem solving: a solution to the IK problem has been proposed for a manipulator that corresponds to a human UL. This solution has been faced by means of two different alternatives, one based on a Mulilayer Perceptron (MLP) and another based on Artificial Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS). The validation of these solutions, carried out using the information regarding the previously generated motion models, indicate that a MLP-based solution, with an architecture consisting in 3 neurons in the input layer, one hidden layer of 3 neurons and an output layer with as many neurons as the number of Degrees of Freedom (DoFs) that the UL model has, is the one that provides the best results both in terms of precission and in terms of processing time, making in idoneous to be integrated within a system with real time restrictions 4. Assisted-as-needed intelligent control: an assisted-as-needed control algorithm with anticipatory actuation capabilities has been designed, developed and validated for a robotic orthosis of which there is an already implemented prototype. Obtained results demonstrate that the control system is able to adapt to the dysfunctional profile of the patient by triggering the assistance right before an incorrect movement is going to take place. This strategy implies an increase in the participation of the patients and in his or her muscle activity, encouraging the neural plasticity processes in charge of the motor learning 5. Planification with a robotic simulator: in this work a robotic simulator is proposed as a planification tool for personalized rehabilitation sessions under a certain clinical criterium. Obtained results indicate that, after the execution of simple parameter selection algorithms, it is possible to automatically choose a specific configuration that makes the assisted-as-needed control algorithm to adapt both to the clinical criteria and to the patient. These results invite researchers to work in the development of more complex parameter selection algorithms departing from simulation batteries Obtained results have been useful to corroborate the hypotheses set out at the beginning of this PhD Thesis. Besides, they have allowed the creation of new research lines in all the studied application fields.

Seguimiento de la actividad de pacientes en ensayos clínicos en redes sociales y otros repositorios públicos

Actualmente nos encontramos en la era de Internet y las nuevas tecnologías. Esto supone que queremos utilizar Internet para casi cualquier problema que se nos presente hoy en día. Al mismo tiempo vivimos un momento en el que los ensayos clínicos están siendo cruciales para la cura de enfermedades, algo que supone si no el más sí uno de los aspectos más importantes en nuestra vida. Pero el seguimiento de los ensayos clínicos presenta el problema de que finalizados tras cinco años de duración, toda comunicación con los pacientes que participaron en ellos se pierde y volver a contactar con ellos se convierte en una tarea ardua. De estas ideas básicas surge el desarrollo de este proyecto. Se ha querido unir las nuevas tecnologías y el beneficioso uso de Internet con la posibilidad de encontrar a pacientes sin tener que perder demasiado tiempo en ello y sin molestar a nadie por el camino. La aplicación que se plantea en este proyecto es, por tanto, una aplicación web basada en PHP, HTML5 y CSS3 que sea capaz de leer información personal de pacientes almacenada en CRFs y que con ella realice búsquedas en redes sociales destinadas a la medicina y así, de esta manera, poder constatar qué ha sido del paciente. Para ello primero se tendrá que realizar un exhaustivo estudio de las redes sociales y repositorios electrónicos clínicos que hay actualmente en el mercado. Una vez identificados estos recursos y sus posibles elementos de desarrollo se estudiarán las herramientas de manejo de Case Report Forms disponibles, que sean de código abierto, para poder usarlas como punto de lectura de los datos del paciente. Una vez disponible esta información sólo será necesario hacer que la aplicación lea los datos y realice las búsquedas en las redes sociales seleccionadas. En definitiva, se ha diseñado un sistema que facilite el seguimiento de pacientes de estudios clínicos al equipo médico.

Ejercicio físico y enfermedad renal crónica. Directrices de trabajo con ejercicio físico en pacientes en tratamiento de hemodiálisis

La enfermedad renal crónica es una de las enfermedades con mayor prevalencia a nivel mundial debido al crecimiento y envejecimiento de la población de los países desarrollados. El número de pacientes con enfermedad crónica terminal aumenta cada año siendo la hemodiálisis el tratamiento de sustitución más común en esta población. A medida que progresa la enfermedad y el tiempo de tratamiento van apareciendo una serie de complicaciones que afectan a los principales sistemas del organismo, produciendo alteraciones musculo-esqueléticas que limitan la capacidad funcional del paciente afectando negativamente a la calidad de vida. Además, muchas de las alteraciones tienen relación con el sistema cardiovascular aumentando el riesgo de mortalidad en el paciente de hemodiálisis. Muchos factores están relacionados con la calidad de vida del paciente, entre ellos el ejercicio físico. Por ello se realiza una revisión de los artículos publicados que relacionan la enfermedad renal y el ejercicio físico con el objetivo de proporcionar unas directrices de trabajo para esta población.

Determinación del estado metabólico de pacientes con diabetes gestacional mediante autómatas finitos

Los nuevos criterios de diagnóstico de la diabetes gestacional recomendados por la IADPSGC disminuyen los efectos adversos de la hiperglucemia tanto en la madre como en el recién nacido, pero su aplicación supondría un aumento de la prevalencia llegando a triplicar el número de casos actual. Para que los Servicios de Endocrinología y Nutrición puedan hacer frente a la carga que supondría este aumento de prevalencia es necesario emplear nuevos procesos asistenciales que incluyan el uso de las TICs. Este trabajo presenta una herramienta de análisis automático de datos de monitorización que determina el estado metabólico de las pacientes con diabetes gestacional a partir de sus datos de glucemia, dieta y cetonuria. Su diseño se basa en dos autómatas finitos, uno para el análisis de la glucemia y de la dieta y el otro para el análisis de la cetonuria. La salida de ambos autómatas se combina para determinar el estado metabólico de la paciente a lo largo del tiempo. La herramienta se ha evaluado con datos retrospectivos de 25 pacientes pertenecientes al Hospital Parc Taulí de Sabadell comparando los 1288 estados metabólicos resultantes con los 47 ajustes de terapia realizados por el equipo médico. Se observó que el 91,49% de los cambios de tratamiento coincidieron con estados metabólicos deficientes determinados por la herramienta de análisis. La herramienta ayuda a diferenciar pacientes complejas que requieren una evaluación exhaustiva y un ajuste de terapia de las que tienen buen control metabólico y no necesitan ser evaluadas por el personal médico.

Sistema de alarmas asistenciales para hospitales y residencias

En los hospitales y residencias geriátricas de hoy en día es necesario que tengan un sistema asistencial paciente-enfermera. Este sistema debe ser capaz de controlar y gestionar cada una de las alarmas que se puedan generar en el menor tiempo posible y con la mayor eficacia. Para ello se ha diseñado una solución completa llamada ConnectCare. La arquitectura modular del sistema y la utilización de comunicación IP permiten adaptar el sistema a cada situación proporcionando soluciones específicas a medida. Este sistema se compone de un software llamado Buslogic que gestiona las alarmas en un servidor y de unos dispositivos llamados Fonet Control TCP/IP que posee una doble función: por una parte, sirve como dispositivo intercomunicador telefónico y por otra parte, sirve como dispositivo de gestión de alarmas y control de otros dispositivos externos. Como dispositivo intercomunicador telefónico, se integra en la red telefónica como un terminal de extensión analógica permitiendo la intercomunicación entre el paciente y el personal sanitario. Se hará una breve descripción de la parte intercomunicadora pero no es el objeto de este proyecto. En cambio, en la parte de control se hará más hincapié del diseño y su funcionamiento ya que sí es el objeto de este proyecto. La placa de control permite la recepción de señales provenientes de dispositivos de llamadas cableados, como son pulsadores asistenciales tipo “pera” o tiradores de baño. También es posible recibir señales de alerta de dispositivos no estrictamente asistenciales como detectores de humo o detectores de presencia. Además, permite controlar las luces de las habitaciones de los residentes y actuar sobre otros dispositivos externos. A continuación se mostrará un presupuesto para tener una idea del coste que supone. El presupuesto se divide en dos partes, la primera corresponde en el diseño de la placa de control y la segunda corresponde a la fabricación en serie de la misma. Después hablaremos sobre las conclusiones que hemos sacado tras la realización de este proyecto y sobre las posibles mejoras, terminando con una demostración del funcionamiento del equipo en la vida real. ABSTRACT. Nowadays, in hospitals and nursing homes it is required to have a patient-nurse care system. This system must be able to control and manage each one of the alarms, in the shortest possible time and with maximum efficiency. For this, we have designed a complete solution called ConnectCare. The system architecture is modular and the communication is by IP protocol. This allows the system to adapt to each situation and providing specific solutions. This system is composed by a software, called Buslogic, which it manages the alarms in the PC server and a hardware, called Fonet Control TCP / IP, which it has a dual role: the first role, it is a telephone intercom device and second role, it is a system alarm manager and it can control some external devices. As telephone intercom device, it is integrated into the telephone network and also it is an analog extension terminal allowing intercommunication between the patient and the health personnel. A short description of this intercommunication system will be made, because it is not the subject of this project. Otherwise, the control system will be described with more emphasis on the design and operation point of view, because this is the subject of this project. The control board allows the reception of signals from wired devices, such as pushbutton handset or bathroom pullcord. It is also possible to receive warning signals of non nurse call devices such as smoke detectors or motion detectors. Moreover, it allows to control the lights of the patients’ rooms and to act on other external devices. Then, a budget will be showed. The budget is divided into two parts, the first one is related with the design of the control board and the second one corresponds to the serial production of it. Then, it is discussed the conclusions of this project and the possible improvements, ending with a demonstration of the equipment in real life.

Determinación automática de la eficiencia volumétrica y otros parámetros de operación de bombas alternativas de hormigón mediante análisis de los pulsos de presión en su salida

La medición del volumen de hormigón puesto en obra con la mayor precisión posible es de la mayor importancia cuando este se coloca sin utilizar encofrados que restrinjan su movimiento, como puede ocurrir durante la ejecución de pilotes in situ por el método de barrena continua con inyección de hormigón a través de la misma (Pilotes CFA) o en la ejecución del sostenimiento de túneles mediante el método de proyección de hormigón. En ambos casos se utilizan bombas alternativas para transportar el hormigón, y en ambos casos un control de calidad adecuado requeriría efectuar una correlación entre la posición del útil de colocación de hormigón (extremo inyector de la barrena para los pilotes CFA, tobera o boquilla en las máquinas de proyectar hormigón) y el volumen de hormigón colocado. La medición continua volumen -normalmente obtenido integrando el caudal- no ha sido sin embargo resuelta de forma satisfactoria. La práctica habitual de contar emboladas, multiplicarlas por el volumen de cada una y por la eficiencia de la bomba, es propensa a error, y propuestas innovadoras como la de R. D. Browne y P. B. Bamforth para la determinación en línea de la eficiencia no se han implementado en la práctica. El trabajo que se presenta en esta Tesis Doctoral pretende aportar nueva luz sobre el problema de la estimación en línea del volumen bombeado, cuando se utilizan bombas alternativas para la puesta en obra del mismo, con independencia del tipo de mezcla que se emplee. El estudio intenta abarcar todo el proceso de bombeo desde que la mezcla suministrada entra en la tolva de la máquina hasta que la misma llega al final del circuito de transporte. El trabajo se inicia con una exposición del problema y un estudio crítico del estado del arte, seguido por la presentación de la instalación experimental con la que se efectuó un importante número de ensayos de bombeo, en los que se obtuvieron registros continuos y discontinuos de las variables que intervienen en el proceso y de los resultados del mismo (volumen bombeado). Se realiza a continuación un primer análisis de los datos obtenidos, que incluye el del comportamiento de las mezclas en el bombeo y su evolución en el tiempo, la forma en que los parámetros de mezcla y operación afectan a la forma de los pulsos de presión y una comparación entre los volúmenes medidos y los estimados por el método utilizado en la actualidad y por el propuesto por Browne y Bamforth, que pone de manifiesto los errores a que estos pueden conducir. Posteriormente, se realiza un conjunto de análisis que permite establecer un modelo del proceso de bombeo tanto en régimen estacionario como transitorio, que a su vez permite calcular numéricamente la evolución en el tiempo de la presión en cualquier punto de una tubería de transporte de este material para una instalación, mezcla y condiciones de operación dadas. Este modelo depende de un conjunto de 9 parámetros, que en su mayoría, o bien son fijos, o son medibles, o son calculables en forma continua, siendo el resto, entre ellos la eficiencia volumétrica de la bomba, medibles de forma discontinua. En la práctica, si se instala sobre una bomba la instrumentación adecuada, solo uno de los parámetros del modelo puede considerarse como incógnita: la eficiencia volumétrica de la bomba. Sobre esta base, por último, se propone un método para la estimación en línea de la eficiencia volumétrica, basado en un ajuste paramétrico utilizando el modelo del proceso, que permite estimar el volumen bombeado con una precisión del orden del 1%. Como resultado adicional, pero con entidad propia, se propone un método para el control en línea de la bombeabilidad del hormigón, basado en datos obtenidos monitorizando el proceso de bombeo.