Diseño de interfaces cerebro-máquina y hombre-máquina controlados por señalización biológica

En este trabajo se aborda el diseño y construcción de un dispositivo portátil e inalámbrico de estimulación visual que funcione en una interfaz cerebro–máquina, con el objetivo de ofrecer un medio de comunicación a personas con discapacidades físicas y motoras que les impidan el movimiento o incluso el habla. Este dispositivo deberá ser capaz de adaptarse a cada usuario y modificar los valores de sus parámetros para conseguir los mejores resultados. Para ello, se comenzará realizando un estudio sobre la situación actual de las interfaces cerebro-máquina explicando qué son, cuál es su utilidad, su funcionamiento y los distintos sistemas de adquisición y de estimulación que pueden ser utilizados. Una vez entendida la necesidad de este dispositivo, se contemplarán las distintas alternativas a la hora de implementarlo, explicando cada opción, sus ventajas y sus inconvenientes. Se optará finalmente por un diseño híbrido hardware-software basado en la plataforma Arduino-Yún, y se explicarán sus características, desarrollando cada una de las partes y explicando los procedimientos que se han seguido para llegar al diseño final. El resultado será un dispositivo de estimulación visual de bajo coste, capaz no solamente de encender cada LED a una frecuencia distinta, sino de comunicarse con la interfaz para ir cambiando parámetros de forma que se ajusten a cada sujeto, además de permitir almacenar los datos de frecuencias de cada usuario y minimizar las molestias visuales a la hora de ser utilizado. A lo largo del trabajo se valida la funcionalidad de este dispositivo, verificando la precisión temporal del estímulo, su capacidad de comunicación inalámbrica, la eficacia de la configuración y el consumo reducido. Con el dispositivo desarrollado, se analizarán los resultados obtenidos en un total de 23 sujetos voluntarios, primero con el objetivo de comprobar si su funcionamiento es correcto y después para fijar los parámetros de diseño que maximizan dichos resultados, como pueden ser las frecuencias escogidas, la distancia entre focos de luz, el brillo, color, etc. Se ha querido evaluar el funcionamiento de este dispositivo más allá de las pruebas con sujetos sanos, para ver si verdaderamente es posible utilizarlo como medio de comunicación en personas discapacitadas. Por esta razón, se incluye un análisis de las pruebas que se han realizado en el centro “Cottolengo”, una residencia de mujeres discapacitadas situado en Algete. Por último, se evaluarán los resultados obtenidos, comentando las conclusiones a las que se han llegado a partir de ellos, y se sugerirán unas líneas de estudio futuro para seguir avanzando en el diseño de este tipo de sistemas basados en la adaptación a cada sujeto.The aim of this project is to develop a portable, wireless visual stimulating device that works under a brain-computer interface, with the goal of providing a way of communication to people with physical or motor disabilities that prevent them from moving or even talking. This device must be able to adapt itself to every user, and modify its parameters to ensure the best results. In order to achieve that, the first step is to carry out an investigation about the current situation of brain-computer interfaces (BCI), explaining what they are, their serviceability and the different acquisition and stimulation systems that can be used along with the BCI. Once the need for this device has been justified, different ways of implementation will be considered, explaining every option with its advantages and drawbacks. The Arduino-based software-hardware hybrid design will be the final choice, and its hardware and software features will be explained, developing each part and explaining the procedures that lead to the final design. The final result will be a low cost visual stimulating device able not only of configuring each LED to a different frequency, but to communicate with the interface in order to switch parameters to offer each subject his best frequencies, moreover the device is able to load and save data to a card, and it is designed to minimize the annoyance in the users. During this work the functionality of this device will be validated, checking the temporal resolution of the stimuli, its wireless features, the effectiveness of the configuration and its reduced consumption. With the final device developed, the results will be analyzed in a total of 23 volunteers, to test if it works as expected and also to fix the design parameters that optimize the results, for example the frequencies, distance between LEDs, brightness, color, etc. In addition to this evaluation on healthy subjects, there is a chapter in this project in which the device is tested on handicapped people, to check if the goal of this work is achieved. Those tests were done in “Cottolengo”, a center for disabled women in the town of Algete. Finally, the results obtained will be used to draw the conclusions about the performance of the device; moreover some guidelines about further work on these interfaces will be included