Novas abordagens para aumentar a interação homem-máquina (HMI) revelaram-se extremamente úteis na mitigação dos efeitos de doenças e lesões neurológicas. Antes de nos aprofundarmos nas complexidades dessas tecnologias, vamos aprender como a IHM funciona em termos simples.
As tecnologias e os sistemas informáticos estão a assumir tarefas importantes na nossa vida quotidiana e funcionam de forma visível ou nos bastidores. É bem sabido agora que a comunicação suave entre pessoas e máquinas requer interfaces – o local onde ou a ação pela qual um usuário interage com a máquina. Usando certos sensores e interfaces, essas máquinas podem ser controladas por mouse, telas sensíveis ao toque, voz ou gestos. Em um nível mais avançado, os óculos de realidade virtual (VR) permitem que os engenheiros caminhem pelos edifícios planejados da fábrica e os chatbots respondam automaticamente às solicitações dos clientes.
HMIenvolve interação e comunicação de pessoas e sistemas automatizados entre si. Há muito que deixou de estar confinado apenas às máquinas tradicionais da indústria, mas agora diz respeito a computadores, sistemas ou dispositivos digitais, graças ao desenvolvimento da Internet das Coisas (IoT). Neste sistema, cada vez mais dispositivos estão interligados e transportam automaticamente fora das tarefas.
Como o HMI é útil no tratamento de doenças neurológicas
Milhões de pessoas experimentam algum tipo de doença cerebral durante a vida. A doença de Alzheimer e outras perturbações mentais neurodegenerativas ou relacionadas com a idade são bastante comuns hoje em dia. Doenças neuromusculares, como a esclerose lateral amiotrófica (ELA), tornam as pessoas incapazes de comunicação. A ELA faz com que as pessoas acabem perdendo toda a capacidade de usar os músculos e se comunicar por meio da fala, balançar a cabeça ou até mesmo piscar ou olhar.
Torna-se urgente encontrar melhores formas de prevenir e tratar doenças cerebrais e compreender como funciona o nosso cérebro é importante para manter as nossas economias na vanguarda das novas tecnologias e serviços de informação.
Existem muitos dispositivos ou sistemas, como interfaces neurais, operando na intersecção do sistema nervoso e um dispositivo interno ou externo. Interfaces como próteses neurais são extensões artificiais do corpo que restauram ou complementam a função do sistema nervoso perdida durante doenças ou lesões. Essas interfaces são usadas para permitir que indivíduos com deficiência tenham a capacidade de controlar seus próprios corpos e levar uma vida mais plena e gratificante.
O advento do BCI
Interface Cérebro-Computador (BCI) é uma forma avançada de IHM que envolve a análise e tradução de sinais cerebrais em comandos que são retransmitidos para dispositivos de saída que executam as ações desejadas. Provou ser uma ferramenta muito útil para fornecer comunicação alternativa e mobilidade a pacientes que sofrem de lesões no sistema nervoso. Além disso, a tecnologia BCI está evoluindo para proporcionar benefícios terapêuticos, induzindo a reorganização cortical através da plasticidade neuronal. Para lidar de forma mais eficiente com problemas de saúde como ELA, doença de Parkinson, lesões na medula espinhal, acidente vascular cerebral e distúrbios de consciência, esta tecnologia demonstrou ser muito eficaz no tratamento de distúrbios neurológicos.
A BCI pode ser definida como uma via de comunicação direta entre um cérebro aprimorado ou conectado e um dispositivo externo. Direcionado para pesquisar, mapear, auxiliar, aumentar ou reparar a função cognitiva ou sensório-motora humana, o BCI tornou até mesmo sistemas complexos mais fáceis de usar. Essas máquinas são capazes de se adaptar cada vez mais aos hábitos e necessidades humanas e com isso os humanos estão expandindo seu âmbito de experiência e campo de ação.
Em 1924, Hans Berge foi o primeiro a registrar a atividade elétrica do cérebro humano com o desenvolvimento da eletroencefalografia (EEG). Ele analisou a inter-relação das alternâncias nos diagramas de ondas do EEG com doenças cerebrais. Na década de 70, o professor Jacques Vidal cunhou o termo “BCI”, ao demonstrar o controle de dispositivos baseados em um único neurônio, permitindo que os computadores fossem uma extensão protética do cérebro.
Como A tecnologia BCI funciona?
A tecnologia BCI é usada para registrar e analisar sinais cerebrais para determinar a saída desejada pelo usuário; por exemplo, qual letra selecionar para soletrar uma palavra ou para indicar em qual direção mover o cursor e assim por diante. O principal objetivo dos sistemas clínicos BCI é ajudar os pacientes a se comunicarem com seu ambiente ou auxiliar na sua recuperação. O BCI pode ser usado para substituir, restaurar, aprimorar, complementar ou melhorar a produção natural do Sistema Neural Central (SNC).
Esta etapa de processamento de sinal tem duas fases:
A primeira fase é conhecida como recurso Extração que é a medição das características dos sinais que codificam a saída. Essas características podem ser medidas simples, como as amplitudes de potenciais evocados específicos de ritmos específicos, como ritmos sensório-motores ou as taxas de disparo de neurônios corticais individuais, ou podem ser medidas ainda mais complexas, como coerências espectrais. Para fornecer um desempenho BCI eficaz, o componente de extração de recursos do estágio de processamento de sinal precisa se concentrar nos recursos que codificam a saída relevante e precisa extrair esses recursos específicos com precisão.
A segunda fase do processamento do sinal BCI é a tradução de sinais recursos em comandos do dispositivo usando um algoritmo de tradução. Certas características dos sinais cerebrais, como amplitudes de ritmo ou taxas de disparo neuronal, são traduzidas em comandos que especificam saídas, como seleção de letras, movimento do cursor ou operação da prótese. Os algoritmos de tradução podem ser simples ou complexos, como redes neurais ou máquinas de vetores de suporte.
Benefícios das tecnologias BCI
Permitindo uma forma de interação entre um ser humano e uma máquina por meio de mensagens ou comando de voz, os aplicativos BCI têm muitos usos possíveis, desde o uso clínico simples até o uso clínico ilimitado. Estes incluem sistemas para responder “sim” ou “não” a perguntas, gerenciar o controle básico do ambiente do usuário, como luzes e temperatura, controlar uma televisão ou abrir e fechar uma órtese manual. As funções desses sistemas incluem processamento básico de texto, envio de e-mails, acesso à internet ou operação de cadeira de rodas motorizada.
Fig. 1: Imagem de uma cadeira de rodas controlada pela mente
As aplicações BCI podem permitir que pessoas que estão quase totalmente paralisado ter uma maior qualidade de vida que também pode ser produtiva. Segundo os pesquisadores, com cuidados de suporte adequados e capacidade de comunicação básicagravemente paralisado os pacientes podem ter o que consideram ser uma qualidade de vida razoável.Hoje em dia pessoas com deficiência grave usam sistemas BCI para fins importantes em suas vidas diárias. As tecnologias BCI também podem suportar aplicações mais complexas, como a operação de um braço robótico ou de um membro neuroprotético que proporciona movimento multidimensional.
Fig. 2: Imagem do tipo de paralisia BCI com precisão
As tecnologias BCI podem revelar-se benéficas para pessoas para as quais os métodos convencionais de comunicação assistiva não são eficazes, porque deficiências motoras graves impedirão o uso do controlo muscular voluntário do qual dependem os métodos convencionais. Aqueles com maior probabilidade de se beneficiarem incluem pessoas que decidem aceitar ventilação artificial para prolongar a vida à medida que a doença progride, crianças e adultos com paralisia cerebral grave que não têm controle muscular útil, pacientes com derrame cerebral que têm controle mínimo dos movimentos oculares, indivíduos com distrofias musculares graves ou neuropatias periféricas e possivelmente pessoas com distúrbios agudos que causam paralisia extensa. A tecnologia BCI pode ser útil para pacientes com lesões na medula espinhal cervical alta, uma vez que os métodos convencionais de comunicação assistiva exigem o uso do controle muscular voluntário restante.
Uma história de sucesso
Pesquisadores do Centro Nacional de Neurotecnologias Adaptativas (NCAN) de Wadsworth desenvolveram um sistema BCI que ajuda pessoas paralisadas a se comunicarem. O sistema Wadsworth BCI, criado pelo Dr. Jonathan R. Wolpaw, registra a atividade elétrica do cérebro usando eletrodos presos a um boné usado pelo usuário, que pode executar diversas funções, como processamento de texto, escrever e-mails, selecionar ícones de computador ou mover um braço robótico.
Figura 3: Representativo Imagem do braço de plástico de gerenciamento com ajuda do pensamento
O Wadsworth BCI permitiu que Scott Mackler, neurocientista da Universidade da Pensilvânia com ELA em estágio avançado, continuasse sua pesquisa. Anteriormente, ele não conseguia trabalhar de forma independente sem ele, mas mais tarde ele poderia digitar com suas ondas cerebrais com o sistema que lhe permitia escolher entre uma matriz de letras, números e códigos de função. A NCAN iniciou agora uma pesquisa sobre reabilitação do movimento após acidente vascular cerebral e lesão da medula espinal.
Necessidade de equilíbrio
Quanto mais complexa for a contribuição das máquinas, mais importante será a comunicação eficiente entre elas e os usuários. Daí surge a questão: a tecnologia permite que a máquina compreenda exatamente o comando tal como ele é pretendido? Caso contrário, existe sempre o risco de mal-entendidos, fazendo com que o sistema muitas vezes não funcione como deveria.
Pode-se dizer que a tecnologia BCI ainda tem um longo caminho para apresentar uma substituição adequada das tecnologias existentes para comunicação e controle em pacientes com um mínimo de função motora e cognitiva preservada. A reabilitação em doenças e lesões neurológicas parece ser a área que proporciona a medida mais imediata de benefício para um utilizador, mas isto é normalmente realizado num ambiente clínico operado por pessoas clinicamente treinadas.
Portanto, o usuário deve ser levado em consideração no desenvolvimento de interfaces e sensores para tais dispositivos. Os sistemas e dispositivos precisam ser intuitivos e não devem impor exigências excessivas ao usuário. Operar uma máquina não deve ser muito complexo e exigir muita familiarização. Uma comunicação ideal entre homem e máquina envolve o menor tempo de resposta possível entre comando e ação. Se a resposta não ocorrer, os usuários podem não perceber a interação como útil, especialmente no caso de doenças e lesões neurológicas.