Desarrollo de una herramienta interactiva para la visualización y el entrenamiento de sinergias musculares

Abstract

Los patrones de coordinación muscular son cruciales para el control del movimiento. Eventos como los accidentes cerebrovasculares pueden afectar estos patrones. Este vínculo sugiere que el entrenamiento de patrones de coordinación muscular específicos podría ser una terapia de rehabilitación efectiva para la recuperación del movimiento. En este proyecto, se desarrolló una herramienta específica para evaluar su potencial terapéutico. En particular, se desarrolló una interfaz hombre-computadora, en la que la actividad muscular del sujeto, obtenida a través de electromiografía de superficie, controla un cursor bidimensional en una pantalla, pero solo si dicha actividad incluye el reclutamiento de patrones específicos de coordinación muscular. A través de la visualización del movimiento del cursor en la pantalla, la herramienta permite que el sujeto reciba retroalimentación en tiempo real sobre sus patrones de coordinación muscular, estableciendo un sistema de control de retroalimentación human-in-the-loop. El sistema desarrollado consta de cuatro módulos interconectados a través de protocolos de comunicación estándar. Las señales de electromiografía de superficie se obtienen utilizando sensores de Delsys, Inc., que entregan datos a través de ocho canales a 2 kHz. Estas muestras son recolectadas por un módulo responsable de comunicarlas a un módulo de procesamiento. Este segundo módulo es responsable de detectar la activación muscular a través de la detección de envolvente, y calcular el desplazamiento del cursor a través de un control por velocidad. Finalmente, se diseñaron dos interfaces de usuario. La primera interfaz utiliza los datos procesados para generar un juego bidimensional con objetivos claros. La segunda interfaz muestra un historial en tiempo real de las activaciones musculares proporcionando información sobre el desempeño del paciente. En una etapa posterior a este proyecto, se validará el uso de la herramienta con fines de rehabilitación.

Muscle coordination patterns are crucial for movement control. Events like strokes can disrupt these patterns. This disruption has been correlated with movement dexterity, which implies that the recruitment of muscle coordination patterns may be an effective target for rehabilitation therapies to restore dexterous movement. In this project, a specific tool was developed to evaluate this potential therapeutic effect. Specifically, a human-computer interface was developed, in which a subject's muscle activity, obtained through surface electromyography, controls a two-dimensional cursor on a screen but only if said activity includes the recruitment of specific muscle coordination patterns. Through visualization of the cursor's movement on the screen, the tool allows for the subject to receive real-time feedback about their muscle coordination patterns, establishing a "human-in-the-loop" feedback control system. The developed system consists of four interconnected modules through standard communication protocols. Surface electromyography signals are obtained using sensors from Delsys, Inc., which deliver data through eight channels at 2kHz. These samples are collected by a module responsible for serving them to a downstream processing module. This second module is responsible for detecting muscle activation through envelope detection and determination of cursor displacement through a movement speed controller. Finally, two application modules were designed. The first one utilizes the processed data to generate a two-dimensional game with clear objectives for the user and the second one displays a realtime history of muscle activations providing information about the patient's performance. Future work will validate the usage of this tool for rehabilitation purposes.