Capítulo 2. CONTEXTO DE LA REHABILITACION CON VIDEOJUEGOS

En este proyecto se aborda el desarrollo de un tipo de serious game en particular: los videojuegos para la terapia de rehabilitación física. A continuación se pone en contexto dicha terapia exponiendo en los siguientes apartados la rehabilitación tradicional, los tipos de sistemas de captura de movimientos existentes, cómo surgió la rehabilitación con videojuegos y, por último, se introduce en qué ámbitos de la medicina se utiliza hoy en día el Leap Motion y su aplicación.

2.1 LA REHABILITACIÓN TRADICIONAL.

Tradicionalmente, la rehabilitación física y su correspondiente evaluación en pacientes se lleva a cabo a través de las indicaciones y supervisión de fisioterapeutas. La terapia de rehabilitación motora se realiza en pacientes que han sufrido algún trastorno o lesión neurológica o musculoesquelética con la finalidad de restaurar su habilidad para realizar con independencia las actividades básicas de la vida diaria (ABVD) o recuperar una función perdida o disminuida realizando ejercicios en una base regular.

Con el fin de realizar estudios más fiables y objetivos, se utilizan métodos estandarizados que pueden ayudar a los fisioterapeutas u otros profesionales de la salud durante el curso del tratamiento a:

• Priorizar las intervenciones en el tratamiento basado en déficits motrices y sensoriales específicos e identificables.
• Crear metas apropiadas a corto y largo plazo para el tratamiento basado en el resultado de las escalas, su experiencia profesional y los deseos del paciente.
• Evaluar la carga potencial de los cuidados y monitorizar cualquier cambio basado tanto en mejoras como en disminución de puntuaciones.

Una escala es un instrumento de trabajo en el que una serie de propiedades que interesa evaluar en pacientes se miden cuantitativa (mucho, bastante, poco, nada) o cualitativamente (siempre, casi siempre, a veces, casi nunca, nunca).

Lo más importante de una escala es que sea:

• Válida, tanto en el contenido como en el criterio.
• Fiable.
• Reproducible, es decir, que se pueda dar en la misma secuencia.
• Sensible, es decir, que detecte los pequeños cambios.

Una de las escalas más completas para valorar la funcionalidad de miembros superiores es el Fugl Meyer Assessment, pero si lo que se desea es valorar la destreza, coordinación y manipulación con las manos, se utilizan, entre otras, las siguientes escalas: Box and Block Test (BBT), Nine Hole Peg Test (NHPT) y Purdue Pegboard Test (PPT). Estos métodos miden la destreza manual (en el caso del BBT), de los dedos (en el caso del NHPT) y de la punta de los dedos (en el caso del PPT) y se trata de pruebas rápidas, sencillas y económicas que se pueden utilizar con una amplia variedad de pacientes. A continuación se expone con más profundidad cada una de estas escalas.

2.1.1 FUGL-MEYER ASSESSMENT.

El Fugl-Meyer Assessment (FMA) es específica para pacientes que han sufrido un derrame cerebral y mide el índice de discapacidad basándose en el desempeño del paciente. Se trata de una evaluación larga de llevar a cabo puesto que puede durar entre 34 y 110 minutos si se realiza entera, por ello suele gestionarse por separado dividiéndola en las siguientes calificaciones: funcionamiento motriz, equilibrio, sentido de la sensación y funcionamiento articular. Se analiza el movimiento, la coordinación y reflejos de hombros, codos, antebrazos, muñecas, manos, cadera, rodillas y tobillos y se aplica clínicamente para determinar la gravedad de la enfermedad, describir la recuperación motriz y para planificar y evaluar el tratamiento.

Tabla 1: Formato de registro de la escala de Fugl-Meyer.

2.1.2 BOX AND BLOCK TEST.

Se trata de un ejercicio en el que el paciente se sienta frente a una caja con dos compartimentos divididos por una partición, donde en uno de ellos se encuentran 150 cubos de madera. El paciente deberá durante un minuto transportar uno a uno el mayor número de cubos posible por encima de la partición y soltarlos en el compartimento de al lado. El ejercicio se realizará primeramente con la mano dominante y al finalizar el test el examinador contará los cubos, resultando una puntuación igual al número de cubos desplazados. Tras ello, se repetirá el test con la mano no dominante, puntuando cada mano por separado.

Figura 1: Caja del Box and Block Test.

El número de cubos desplazados permite medir la destreza manual durante la rehabilitación, indicando cuantos más cubos mayor destreza. Los resultados pueden ser comparados con valores referenciados a tests realizados con prótesis o por sujetos sanos. Las instrucciones completas se pueden revisar en [9].

2.1.3 NINE HOLE PEG TEST.

El paciente deberá ir cogiendo una a una las varillas que aparecen en el recipiente de la figura 2 e introduciéndolas en cada uno de los nueve agujeros en cualquier orden hasta rellenarlos todos. Al finalizar, deberá recogerlos uno a uno y devolverlos al recipiente de nuevo. El examinador comenzará a cronometrar el tiempo en el momento en el que el paciente toque la primera varilla y lo parará al introducir la última varilla en el recipiente. El ejercicio se realizará primero con la mano dominante y se repetirá después con la no dominante.

El NHPT mide la destreza de los dedos con una alta fiabilidad y sensibilidad para detectar pequeñas deficiencias en la actividad de la mano.

2.1.4 PURDUE PEGBOARD TEST.

Es un test neuropsicológico que mide la destreza manual y coordinación bimanual. El test implica dos habilidades distintas: movimientos amplios de brazos, manos y dedos y destreza en la yema de los dedos. Un mal desempeño del ejercicio es señal de déficits en movimientos complejos, visualmente guiados o coordinados que están probablemente mediados por circuitos relacionados con los ganglios basales.

Figura 3: Tablero del Purdue Pegboard Test.

En el tablón se encuentran dos filas con 25 agujeros cada una y cuatro recipientes con el material necesario. El paciente deberá introducir las pequeñas varillas metálicas en cada agujero durante 30 segundos, primero con una mano, después con la otra y finalmente con las dos.

Los resultados de un análisis de correlación sugieren que la capacidad de una persona en el PPT es un buen indicador de su habilidad para utilizar un móvil en clima frío y se utiliza también para contratar a los empleados más cualificados en las empresas de cadenas de montaje.

2.2 SISTEMAS DE CAPTURA DE MOVIMIENTOS.

La captura de movimientos humanos para rehabilitación ha sido un tema activo de investigación desde los años 80, provocado por el aumento del número de pacientes que han sufrido un ictus u otra discapacidad motora.

En 1973, Johansson estudió su famoso experimento psicológico Moving Light Display (MLD) para percibir el movimiento biológico. Adjuntó pequeños marcadores reflectantes en las articulaciones de sujetos humanos, lo que permitió que estos marcadores fuesen monitorizados durante su trayectoria. Este experimento se convirtió en un hito del rastreo del movimiento humano.

Figura 4: Persona caminando con Moving Light Display

Figura 5: Persona haciendo flexiones con Moving Light Display

En la figura 4 aparece una persona caminando de frente y en la imagen 5 se muestra una persona haciendo flexiones mientras llevan puestos los marcadores reflectantes.

En este estudio se utilizó en particular un rastreo de movimientos a partir de marcadores adjuntos al cuerpo, pero existe una gran variedad de sensores para este fin. En la tabla 2 se muestran los distintos tipos de sistemas de captura de movimiento (MoCap) que existen, ninguno de ellos se creó con la finalidad de ser utilizados para rehabilitación motora, pero son mayormente los optoelectrónicos los que hoy en día forman parte de los sistemas de rastreo de movimiento de la terapia basada en videojuegos.

Tabla 2: Tipos de sistemas de captura de movimiento.

Tabla 3: Comparación del comportamiento de los distintos sistemas de rastreo de movimiento.

Los sensores optoelectrónicos, como podemos observar en la parte derecha de la tabla 2, rastrean los movimientos haciendo uso de un escaneo basado o bien en el contraste o bien en la profundidad. Los sistemas de percepción de colores, en ingeniería de rehabilitación, pueden rastrear marcadores de un color específico que se encuentran adjuntos al cuerpo y que representan cada segmento del esqueleto y las articulaciones para obtener su posición y orientación, o pueden rastrear el color de la piel del paciente. Por otro lado, los sistemas basados en profundidad segmentan y rastrean el cuerpo humano por las secuencias de la profundidad de las imágenes. Este último tipo de escaneo aporta la importante característica de rastrear el esqueleto y lo aportan dispositivos como el Microsoft Kinect o el Leap Motion. Ambos proporcionan un kit de desarrollo de software (SDK) que da acceso a los desarrolladores a las posiciones y orientaciones de las articulaciones del cuerpo, en el caso de la Kinect, y de las articulaciones de la mano en el caso del Leap Motion. Una imagen en profundidad contiene información relacionada con la distancia entre las superficies del objeto 3D y la cámara y con esta información se hace considerablemente más fácil y preciso segmentar.

La tecnología sensorial y computacional que puede ser utilizada para la captura de movimientos ha avanzado drásticamente en los últimos años, volviéndose más cualificados y asequibles y registrando datos sobre la cinemática del cuerpo humano con alta precisión y fiabilidad. Esto ha liderado a una explosión en nuevas tecnologías, especialmente en dispositivos de bajo coste para videojuegos basados en sistemas de rastreo óptico, frecuencias de radio, cámaras infrarrojas y tecnología táctil que se han vuelto accesibles para casi todo el mundo.

La rehabilitación física es un proceso dinámico que utiliza instalaciones disponibles para corregir cualquier movimiento indeseado en el comportamiento con el fin de alcanzar una expectación (por ejemplo la postura ideal). Por tanto, durante el transcurso de la terapia el movimiento de los pacientes necesita ser continuamente monitorizado y rectificado para mantener un patrón de moción correcto. En consecuencia, detectar los movimientos humanos resulta vital y necesario en el diseño de videojuegos enfocados a la rehabilitación.

2.3 REHABILITACIÓN CON VIDEOJUEGOS.

Los ejercicios efectuados durante las terapias de rehabilitación física tienen en común que se realizan en grandes instalaciones que no son siempre accesibles para todos los pacientes, son supervisadas bajo la subjetividad del terapeuta encargado de llevarlas a cabo y pueden resultar pesadas a quien las debe realizar frecuentemente para hacer posible su recuperación. Es por ello que desde hace unos 15 años se viene aplicando la tecnología de captura de los movimientos humanos a través de la realidad virtual en prácticas de rehabilitación. Son muchas las ventajas que aporta la terapia basada en videojuegos frente a la terapia convencional y se exponen a continuación.

Entre las principales ventajas encontramos la de aportar especificidad y adaptabilidad a cada paciente y enfermedad debido a que el entorno artificial puede ser fácilmente modificado, permitiendo así un diseño óptimo para una terapia individualizada. Los ejercicios de la terapia requieren de una repetitividad que es fácilmente proporcionada a través de un videojuego y, además, se pueden llevar a cabo más repeticiones en cada sesión ya que se envían los estímulos al paciente con mayor rapidez. Una de las características más significativas de esta tecnología es que tiene la habilidad de enganchar al paciente puesto que aporta estímulos ricos y funcionales y un contexto motivador, aumentando así la participación activa del sujeto en su programa de rehabilitación física. Para solventar el problema de la subjetividad de la terapia convencional que mencionábamos anteriormente, la tecnología aporta la capacidad de una evaluación precisa a través de la captura de movimientos del cuerpo que se detalló en el apartado 2.2., liberando al terapeuta para involucrarse más en guiar físicamente al paciente. También se hacía referencia a la necesidad de grandes instalaciones donde llevar a cabo las terapias de rehabilitación motora donde se albergan equipos grandes, cualificados y caros, pero a las que no todos los pacientes pueden desplazarse con la frecuencia que se requiere, mientras que la rehabilitación basada en videojuegos da paso a la tele-rehabilitación, es decir, los usuarios pueden rehabilitarse cómodamente en su casa y los terapeutas pueden acceder a los resultados de la sesión correspondiente a través de un acceso remoto para su evaluación. Por último, esta forma de terapia propuesta garantiza la seguridad necesaria para los pacientes en rehabilitación física.

No obstante, ¿son igual de efectivos ambos tipos de terapias? A lo largo del tiempo se vienen realizando estudios que lo analizan. Se ha demostrado la eficacia de adicionar a la rehabilitación tradicional sesiones de terapia basada en videojuegos  puesto que se extiende el tiempo dedicado a ejercitar, con la ventaja de que los juegos ofrecen el potencial de enganchar al paciente hasta el punto de no enfocarse en el hecho de que están en una sesión de rehabilitación. Pero también se ha demostrado la viabilidad de la terapia realizada a través de realidad virtual y que es igual de efectiva en comparación con la terapia estándar.

En estos videojuegos se utiliza la realidad virtual, en la que los usuarios interactúan con las imágenes que se muestran, moviendo y manipulando objetos virtuales y desempeñando otras acciones de una manera que trata de sumergirlos en un ambiente simulado de modo que se genera una sensación de presencia en el mundo virtual. Se usa una cámara de video y un software para rastrear los movimientos humanos, sin necesidad de colocar marcadores en lugares específicos del cuerpo. Para poder llevar a cabo esta interacción se utilizan dispositivos de captura de movimiento humano que permiten la monitorización necesaria de los movimientos del sujeto.

Dispositivos como la Kinect, Nintendo Wii, Sony X-Box, EyeToy o el Leap Motion, son algunos de los sistemas de captura óptica que, además de ser populares entre los videojuegos, están siendo utilizados como detectores en rehabilitación física.

El brazo Rutgers es uno de los primeros prototipos compuestos por un PC, un sistema de captura de movimientos y una mesa de baja fricción para la rehabilitación de las extremidades superiores. El sistema fue testado en pacientes con ictus crónico y demostraron mejoras en el control motor del brazo y el rango de movimiento del brazo (calificación de Fugl-Meyer test).

Figura 6: Paciente con ictus utilizando el brazo Rutgers.

Hoy en día existen sistemas más modernos como VirtualRehab [18]. Se trata de un sistema de rehabilitación física clínicamente validado que usa la tecnología de videojuegos y permite la monitorización del progreso de los pacientes desde cualquier lugar del mundo. Se trata del primer software de rehabilitación virtual en ser clasificado como un producto sanitario, consiguiendo la marca CE cumpliendo con el sistema regulatorio de la directiva sobre productos sanitarios. Como se puede observar en la figura 7, utilizan la Kinect (imagen de la izquierda) y el Leap Motion (derecha).

Figura 7: Juegos de VirtualRehab.

Un último ejemplo de rehabilitación con videojuegos es Visual Touch Therapy, un programa de software y plataforma de juegos que utiliza el controlador de gestos Leap Motion como un régimen de terapia asequible y que pueden utilizar en casa las personas con dificultades para usar sus habilidades motrices.

Incluye retos convencionales de los videojuegos que pueden ser vencidos usando ejercicios de movimientos repetitivos para proveer un método de terapia que, al contrario que la ejercitación, es constantemente gratificante y da un feedback más inmediato que los métodos tradicionales.

Figura 8: Juego Rocketdog de Visual Touch Therapy

2.4 LEAP MOTION EN MEDICINA.

La tecnología del Leap Motion está transformando el mundo de la atención médica con desarrollos en las aplicaciones por todo un gran rango de campos, desde terapia física, accesibilidad de necesidades especiales, investigación hospitalaria para entrenamiento quirúrgico e interfaces médicas. Con recientes innovaciones en módulos integrados, Leap Motion está ya haciendo posible a los cirujanos el acceso a información médica vital manteniendo un ambiente esterilizado.

De la sala de operaciones a la realidad virtual, hay 5 maneras en las que la gente está utilizando la tecnología del Leap Motion para aplicaciones médicas y de asistencia.

1. Escaneo médico. Los rayos X y las imágenes de las resonancias magnéticas juegan un papel importante en las salas de operaciones en todo el mundo.

Problema: La esterilización es esencial en las salas de operaciones. Los cirujanos no pueden tocar el ratón de un ordenador sin arriesgarse a contaminación cruzada.

Solución: TedCas está desarrollando una consola «enchufa y juega» que permite a los cirujanos navegar por las imágenes de forma rápida, intuitiva y segura. El dispositivo está en ensayos clínicos.

2. Pérdida de oído. Cientos de miles de personas usan el lenguaje de signos en su vida diaria.

Problema: Desde su casa al lugar de trabajo y durante todo el trayecto entre medias, las personas sordas se enfrentan a serias barreras de comunicación.

Solución: Una de las mejores 25 invenciones de 2014 publicadas en la revista TIME: MotionSavvy’s UNI . Es una herramienta de comunicación bidireccional para sordos que utiliza Leap Motion y tecnologías de voz.

Figura 9: UNI utilizando Leap Motion.

3. Temblores de manos. El Parkinson, la enfermedad de Wilson, la distonía y otras enfermedades dificultan la vida diaria de millones de personas.

Problema: No hay muchas maneras en que los pacientes y doctores puedan rastrear la progresión en el tiempo de los temblores de forma rápida y fiable.

Solución: Desarrolladores e investigadores han estado experimentando utilizando la tecnología del Leap Motion para medir temblores de mano.

4. Distorsiones en la vista. El estrabismo y los ojos vagos aparecen cuando el cerebro humano ignora la entrada de información por el ojo no dominante.

Problema: No hay muchas maneras de entrenar el cerebro de estas personas más allá de los aburridos ejercicios clínicos.

Solución: Vivid Vision apuesta por la realidad virtual y los controles de movimientos para engañar al cerebro del jugador y fortalecer el ojo más débil. Su tecnología está ahora extendiéndose a clínicas oftalmológicas.

5. Terapia física. Después de un ictus u otra enfermedad paralizante, los pacientes tienen un largo recorrido para recuperar el funcionamiento normal de sus manos.

Problema: Los ejercicios de rehabilitación pueden parecer poco productivos y repetitivos. Los pacientes a menudo necesitan permanecer en grandes instalaciones porque las tecnologías que se necesitan son caras y difíciles de instalar.

Solución: El instituto Burke Medical Research, Ten Ton Raygun y otros han diseñado juegos experimentales usando la tecnología del Leap Motion para pacientes que han sufrido derrames cerebrales.

La rehabilitación con videojuegos, también conocida como «rehabilitación mediante juegos serios» o «gamificación en rehabilitación», se refiere al uso de videojuegos y tecnología interactiva para facilitar y mejorar el proceso de rehabilitación física, cognitiva o emocional en individuos que han sufrido lesiones, enfermedades o discapacidades. Este enfoque aprovecha la motivación intrínseca y el compromiso que los videojuegos pueden ofrecer para hacer que la terapia sea más atractiva y efectiva:

1. Motivación y Compromiso:

• Los videojuegos son conocidos por su capacidad para motivar y comprometer a los jugadores. Esta característica se utiliza en el contexto de la rehabilitación para fomentar la participación constante y el esfuerzo por parte de los pacientes.

2. Personalización y Adaptabilidad:

• Los videojuegos permiten la personalización de la experiencia de juego, adaptándose a las necesidades y habilidades individuales de cada paciente. Esto es especialmente beneficioso en situaciones de rehabilitación donde las capacidades pueden variar ampliamente.

3. Feedback Inmediato:

• Los videojuegos ofrecen feedback inmediato sobre el rendimiento del jugador. En el contexto de la rehabilitación, esto puede ser esencial para que los pacientes ajusten sus movimientos o ejercicios de manera adecuada.

4. Variedad de Terapias:

• Se han desarrollado videojuegos para abordar una variedad de áreas terapéuticas, que incluyen la rehabilitación física, la terapia ocupacional, la terapia del habla y la terapia cognitiva. Los videojuegos pueden ser adaptados para enfocarse en áreas específicas de rehabilitación.

5. Accesibilidad y Costo:

• Los videojuegos pueden ser más accesibles y rentables que ciertos equipos de rehabilitación tradicionales. Algunas terapias basadas en juegos pueden realizarse en entornos domésticos, lo que aumenta la accesibilidad.

6. Registro de Datos y Seguimiento:

• Los videojuegos de rehabilitación pueden registrar datos sobre el progreso del paciente. Estos datos son útiles para los profesionales de la salud para realizar un seguimiento del rendimiento y ajustar las intervenciones según sea necesario.

7. Adaptación a Diferentes Edades:

• Los videojuegos de rehabilitación pueden diseñarse para adaptarse a diferentes grupos de edad, desde niños hasta adultos mayores. Esto facilita la participación de una amplia gama de pacientes.

8. Entornos Virtuales y Simulación:

• La realidad virtual se utiliza en algunos juegos de rehabilitación para crear entornos simulados que imitan situaciones de la vida real. Esto puede ser beneficioso para la rehabilitación de habilidades motoras y cognitivas.

9. Colaboración Interdisciplinaria:

• La implementación exitosa de la rehabilitación con videojuegos a menudo implica la colaboración interdisciplinaria entre desarrolladores de juegos, terapeutas y profesionales de la salud.

10. Investigación y Validación: