Prototipo a escala de una cama hospitalaria antiescaras para pacientes con lesiones medulares controlada por potenciales evocados en estado estacionario (SSVEP)

Resumen

En Colombia hay 40 pacientes con Úlceras por presión (UPP), para una prevalencia de un 14.1% [Corral, 2018]. Las UPP aparecen en un 65% de los pacientes hospitalizados, estos al no poder adoptar distintas posiciones muestran una incidencia en la tasa de desarrollo de una nueva UPP que oscila entre 7,7% y 26,9% diarias [de Salud y Protección Social, 2016], si no es tratado a tiempo las UPP ocasionan a los pacientes un aumento en la tasa de morbimortalidad hospitalaria del 23% al 27% [Arango Salazar C., 2017]. Se evidencia que si estas son prevenidas a tiempo y con un mejor cuidado el 95% de los pacientes mejoran [de Salud y Protección Social, 2016]. Por lo anterior el resultado de este trabajo de grado es demostrar que personas con tetraplejia pueden cambiar su punto de presión o apoyo de manera autónoma sin ayuda externa (enfermera o familiar), por medio de una Interfaz cerebro - computadora (BCI) controlada por Potenciales evocados visuales a eventos de estado estacionario (SSVEP) siendo estos estímulos parpadeantes a diferentes frecuencias (6 Hz, 7 Hz, 7.5 Hz y 8.2), con el fin de prevenir las UPP en la zona lumbar (superior e inferior) y mejorar su calidad de vida, evidenciado en un prototipo a escala de cama hospitalaria. Esto se logró por la unión de dos metodologías. La metodología para el software la cual consta de un pre-procesamiento, procesamiento de la señal para extraer características específicas (centroide, correlación canónica, cruce en cero y la frecuencia máxima de la transformada de hilbert), uso de un clasificador (Máquina de Soporte Vectorial) y validación cruzada donde se obtuvo una precisión del 97 %, 99% de especificidad y 97% de sensibilidad para detectar de manera correcta a que estimulo parpadeante esta visualizando los pacientes con el fin de generar comandos mentales. Los cuales serán entregados a los diferentes actuadores para generar el nuevo punto de apoyo en el prototipo. Como resultado final se obtiene una interfaz con los cuatro estímulos parpadeantes, al seleccionar uno de ellos el algoritmo va a desarrollar la metodología mencionada anteriormente. La metodología de hardware donde se desarrolló un prototipo a escala de cama hospitalaria mediante impresiones 3D con PLA, dos servomotores para generar los diferentes movimientos para producir nuevos puntos de presión o apoyo y un motor paso-paso para generar el movimiento de RCP anti-trendelemburg y trendelemburg. Como resultado final se obtuvo un prototipo funcional a escala (1:4) de una cama hospitalaria controlada por un sistema BCI por estímulos parpadeantes con SSVEP para que los pacientes con lesiones medulares (tetraplejia) cambien el punto de presión de su zona de apoyo con el fin de prevenir las UPP en la zona lumbar. cabe resaltar que la señal utilizada para la elaboración de este proyecto de grado es de la base de datos de AVI SSVEP [Vilic, 2013].

Descripción

Abstract

In Colombia, 65% of all patients on hospital beds suffer from pressure ulcers (PU). Due to the difficulty in mobility, patients have difficulty adapting their positions. The onset of new Pus can range between 7.7% to 26.9% daily [de Salud y Protección Social, 2016 ]. PUs that have not been addressed in a timely manner have caused mortality rates to increase from 23% to 27% [Arango Salazar C., 2017]. However, if PUs are treated, or prevented in time, 95% of patients experience a full recovery. Prevention of PUs can occur by responding to prolonged amounts of pressure on a particular skin area. Detection of PUs are currently performed by nurses or care-giving tasks at their discretion, and often goes unnoticed when patients are non-verbal or have severe motor deficits [de Salud y Protección Social, 2016]. This motivated the design of an automated PU prevention system that can autonomously alter a patient’s position and alleviate potential skin harm using brain-computer interface (BCI), without the physical intervention of a caregiver. The BCI responds to steady state evoked potentials (SSVEPs) in response to visual stimuli blinking at different frequencies; 6 Hz, 7 Hz, and 8.2 Hz. SSVEPs resonating at each frequency would alter pressure points through linear actuators locating in the lumbar and posterior thoracic regions of the bed which move the patient accordingly. The functionality of the proposed system involves the union between two components; mechanical intervention to manipulate the position of a patient in response to the BCI’s interpretation to the SSVEPs. Extracting information from evoked potentials involves signal processing and statistical interpolation using Fourier and Hilbert transforms and applying canonical correlations, respectively. The resulting information characterizes the resonant frequency of the SSVEP corresponding to the input visual stimuli. A support vector machine model was trained using cross-validation based on these characteristics into the 3 blinking frequencies with a precision of 97 %, specificity of 99% and sensitivity of 97 %. The prediction of the SVM prompted the appropriate mechanical actuator to move the patient. The mechanical hardware prototype was developed using PLA 3D printed materials. Two servomotors generate torque to actuate and manipulate pressure release from a specific region on the patient’s surface. A stepper motor was used to generate the anti-trendelemburg CPR movement and trendelemburg. As a final result, a functional prototype was obtained at scale (1: 4) of a hospital bed controlled by a BCI system by blinking stimuli with SSVEP so that patients with spinal cord injuries (tetraplegia) change the pressure point of their support zone with in order to prevent PUs in the lumbar area. It should be noted that the signal used for the preparation of this degree project is from the AVI SSVEP database [Vilic, 2013].

Palabras clave

Tetraplejia, Úlceras por presión (UPP), Potenciales evocados visuales a eventos de estado estacionario (SSVEP), Interfaz cerebro - computadora (BCI), prototipo de cama hospitalaria

Keywords

Tetraplegia, pressure ulcers (UP), Steady state visually evoked potencial (SSVEP), Brain computer interface (BCI), hospital bed prototype

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