Uso de tecnologías y videojuegos en la rehabilitación respiratoria de fibrosis pulmonar

Por Ing. Giselle Martinez Hernández, Dr. José Antonio Montero Valverde, M.T.I Rafael Hernández Reyna

 

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Recibido 03012021

Aprobado 02032021

Giselle Martinez Hernández es Ingeniera en Sistemas Computacionales con especialidad de Tecnologías de la Información en el Tecnológico Nacional de México (TecNM), campus Acapulco. Recién egresada de la Maestría en Sistemas Computacionales por el TecNM, campus Acapulco. Ha publicado artículos e impartido ponencias en Congresos Internacionales. Participó en la XXVII Semana Nacional de Ciencia y Tecnología con una videoconferencia donde se abordó el tema de “Rehabilitación pulmonar” en el Centro de Estudios Tecnológicos, industrial y de servicios Nº 116 en Acapulco, Gro, México.

José Antonio Montero Valverde es Doctor en Ciencias Computacionales, ha dirigido seis proyectos de investigación financiados y colaborado en cinco más. Ha dirigido seis tesis de maestría y más de 30 de licenciatura. Ha publicado artículos, capítulos de libros y artículos de divulgación en revistas de cobertura nacional e internacional. Ha impartido cursos a nivel licenciatura y posgrado. Áreas de interés: Inteligencia artificial, aprendizaje automático, razonamiento bajo incertidumbre y modelos probabilísticos.

Rafael Hernández Reyna es profesor en el Instituto Tecnológico de Acapulco, adscrito al Departamento de Sistemas y Computación. Es Maestro en Tecnologías de la Información, ha dirigido un proyecto de investigación financiado y participado como colaborador en cinco proyectos más. Ha dirigido tesis de maestría y de licenciatura, ha publicado artículos en congresos y revistas de divulgación.

 

Resumen

Se presenta una herramienta para apoyar las rehabilitaciones de Fibrosis Pulmonar, dicha herramienta se divide en dos partes: en hardware y en software. Existen diversas enfermedades por las cuales los pulmones se enferman, disminuyendo considerablemente su capacidad vital. Hay muchas formas de medir esta capacidad vital, pero son dispositivos simples llamados espirómetros, los cuales indican el volumen de dicha capacidad. Por otro lado, se ha demostrado que los videojuegos ayudan mucho en las rehabilitaciones, especialmente en pediatría que son pacientes que se distraen mucho o se enfadan de sus rutinarias terapéuticas, estos videojuegos han ayudado en las terapias en un 80 % de satisfacción. Dicho apoyo es independiente y no influye en su tratamiento médico.

Summary

A tool is presented to support Pulmonary Fibrosis rehabilitations, this tool is divided into two parts: hardware and software. There are various reasons why the lungs get sick, considerably reducing their vital capacity. There are many ways to measure this vital capacity, but they are simple devices called spirometers, which indicate the volume of said capacity. On the other hand, it has been shown that video games help a lot in rehabilitation, especially in pediatrics who are patients who are very distracted or angry from their therapeutic routines, these video games have helped in therapies with an 80% satisfaction rate. This support is independent and does not influence your medical treatment.

Palabras clave
Herramienta computacional, rehabilitación respiratoria, terapias basadas en videojuegos, Fibrosis Pulmonar en Pediatría.

Keywords
Computational tool, respiratory rehabilitation, video game-based therapies, Pulmonary Fibrosis in Pediatrics.

 

Introducción

A lo largo de los años, la tecnología ha sufrido cambios importantes, por lo que se ha utilizado en muchos campos, como la rehabilitación respiratoria. El propósito de la rehabilitación respiratoria (RR) es hacer que los niños sean altamente independientes, fomentando el autocuidado y un estilo de vida saludable (Gallardo, 2007), además debe contar con ejercicios y técnicas para poder mejorar su problema respiratorio. 

Actualmente, una forma de aumentar la capacidad pulmonar es a través de espirómetros, estos dispositivos pueden medir y registrar la cantidad o flujo de aire que pasa por los pulmones (Springg, 2008). Dichos dispositivos son costosos, por lo que no todos pueden tenerlos. Derivado de esto, surgió la implementación de un videojuego que ejercita la capacidad pulmonar.

Hoy en día, además de tener un significado cultural especial en los países occidentales, los videojuegos también se están desarrollando rápidamente con el crecimiento de la tecnología (Frasca, 2008). 

El uso de videojuegos favorece el ejercicio físico continuo, y puede ayudar a los pacientes con Fibrosis entre 7 y 18 años a recuperar su capacidad pulmonar. Según el diccionario médico, la fibrosis es la proliferación del tejido conectivo fibroso. El proceso es normal durante la formación de la cicatriz, para sustituir al tejido que se perdió por traumatismo o infección (Mosby, 2004), y se divide en dos tipos: en fibrosis quística y en fibrosis pulmonar idiopática.

 

Metodología

La metodología consta de las siguientes etapas: Componentes físicos, Conexión IDE Arduino Java, Interfaz y Evaluación; tal como se observa en la figura 1. 

En cada una de las etapas se muestra el procedimiento para la construcción del entrenador y los resultados que se obtuvieron.

Fig. 1. Etapas de la metodología

Componentes físicos
En esta etapa, se ha desarrollado el hardware. A continuación, se describen brevemente los componentes:

  • Boquilla desechable
  • Manguera
  • Sensor Mpx5100dp
  • Arduino Mega 2650

IDE Arduino Java
Como primer paso se creó un boceto con su extensión (.ino) en Arduino, para crear y compilar correctamente el código en él. El boceto contiene dos métodos: El primero, llamado método de configuración (void setup), es en donde se configuró la comunicación serial de la placa a una velocidad de 9600 baudios y el segundo, método del bucle (void loop), es en donde se obtuvieron los datos enviados por el sensor desde la entrada analógica a0 y, a su vez, se imprimieron en el puerto serial, cada 1000 milisegundos.

Después de una compilación exitosa, se carga en la placa Arduino, obteniendo los datos proporcionados por el sensor, y en donde se observaron dichos datos desde el monitor serial, que son los que más adelante se ocuparon para darle movilidad al avatar del videojuego. Además, se puede apreciar que cuando alguien sopla suben los datos a un rango pasados de los 100 kPa mientras que, si no se sopla, mantiene el rango de los 90 kPa.

 

Interfaz de usuario
En la tercera etapa se creó la interfaz del videojuego, pero se dividió en dos partes. La primera parte concernió a la interfaz de conexión y a su configuración correspondiente, mientras que la segunda parte, a la interfaz del juego.

 

Conexión de la placa Arduino Mega 2650 al lenguaje Java desde NetBeans IDE
Como primer paso, para poder conectar la placa de desarrollo Arduino a Java, se necesita de una librería llamada PanamaHitek_Arduino-2.8.3, que es una colección de métodos para facilitar la recepción y transmisión de datos entre Arduino y Java (González, 2018).

Pasos para establecer una conexión:

  1. El proyecto fue creado en NetBeans, en el cual se muestra una ventana principal y contiene un menú de configuración, que a su vez tiene un submenú de Puerto Serial para poder configurar el puerto del prototipo físico en la computadora.
  2. En la opción Puerto Serial se crea una ventana de conexión del puerto serie, que incluye el puerto para detectar la placa de desarrollo Arduino Mega 2650.

Esta ventana tiene las siguientes características:

  • Tiene una lista de puertos disponibles para la computadora y se selecciona el puerto correspondiente en donde se encuentra el prototipo físico.
  • Dispone de dos botones, el primero es el botón de actualizar, que permite restablecer la lista de puertos disponibles para la conexión, mientras que el segundo botón de conexión autoriza la activación de esta, al prototipo detectado.
  • Si la conexión es incorrecta, debe enviar un mensaje de error al usuario.

 

Juego
Una vez que la conexión es exitosa, la ventana de configuración del puerto serie del prototipo se cierra y regresa a la ventana principal del juego. Contiene un botón rojo en el centro, el cual se utiliza para iniciar.

Al hacer clic en el botón, se abre el juego llamado Shirito Game. El juego incluye un vuelo en globo soplando el prototipo para alcanzar el objetivo de llegar a la meta. El juego comienza con el registro del participante.

Después de registrar a los participantes, se hace clic en el botón “JUGAR” y comienza el recorrido del globo, pasa por obstáculos que se va encontrando en el camino, como se puede observar en la figura 2.

Fig. 2. Obstáculos en Shirito Game

Evidentemente, el juego termina cuando se produce un choque y da por finalizada la sesión; por último, se abre una ventana en la que se obtienen los puntos obtenidos en el recorrido.

 

Evaluación 
En la etapa de evaluación se utilizó una metodología Smart y una escala Goal Attainment Scaling (GAS) para marcar el grado de logro de cada meta.

Para la definición de metas, se usó una escala cinco puntos o nivel de logro, a continuación, se describirán en qué consisten:

-2 es la línea base del tratamiento.
-1 representa el progreso para lograr la meta.
0 es el nivel esperado después del tratamiento 
1 significa resultados mejores de lo esperado.
2 es el mejor resultado que se puede esperar para este propósito (Relvas, 2014)

Para marcar el logro de objetivos se hace uso de la ecuación 1:

En donde:
Xi = es la puntuación de GAS
Wi = peso de cada escala de recompensa objetivo
ρ = el coeficiente de correlación entre cada escala

 

Resultados
Cada jugador se sienta en una silla a 15 cm de la computadora en donde se encuentra el entrenador y el prototipo físico, para las pruebas los tutores firmaron un consentimiento informado.

 

Jugador 1
En la tabla 1, se observan los resultados del primer jugador llamado Miley Dessire de 7 años de edad.

Tabla 1. Resultados de las pruebas del primer jugador

Participante 1 Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Prueba 4 Prueba 5
Tiempo en llegar a la meta 0 200.05 100.2 52.54 52.45
Tiempo en Caer 250.4 0 0 0 0
Total de Soplidos 20 18 17 11 14

De acuerdo a los objetivos descritos se califican los logros y se obtiene la puntuación de: -2, 0, +1, +2, +2, con esto se efectúo el cálculo de la ecuación 1 y se obtuvo que el nivel inicial es de 22.3 y el final es de 68.9, lo que señaló que obtuvo 46.6 puntos de mejoría en su sesión final.

 

Jugador 2
El segundo jugador de tres años, llamado Eliam, obtuvo los resultados de la tabla 2.

Tabla 2. Resultados de las pruebas del segundo jugador

Participante 2 Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Prueba 4 Prueba 5
Tiempo en llegar a la meta 0 230.38 100.54 53.16 51.42
Tiempo en Caer 100.23 0 0 0 0
Total de Soplidos 21 20 17 12 11

Conforme al logro de objetivos se obtiene la puntuación de -2, -1, +1, +2, +2, al utilizar la ecuación 1 se obtuvo el nivel inicial de 22.3 y el final de 70.4, lo que indicó que tuvo 48 puntos de mejoría.

 

Jugador 3
El tercer jugador llamado Katia Stephania de 6 años obtuvo los resultados de la tabla 3.

Tabla 3. Resultados de las pruebas del tercer jugador

Participante 3 Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Prueba 4 Prueba 5
Tiempo en llegar a la meta 0 199.3 99.37 53.37 53.23
Tiempo en Caer 92.36 0 0 0 0
Total de Soplidos 22 17 16 10 11

La puntuación de su logro de objetivos es de -2, 0, +1, +2, +2. Con base en los logros, se demostró que el nivel inicial es de 22.3 y el final es de 71.1, lo que indicó que tiene 48.8 puntos de mejoría.

 

Jugador 4
El cuarto jugador llamado León Manuel de 4 años obtuvo los siguientes resultados.

Tabla 4. Resultados de las pruebas del cuarto jugador

Participante 4 Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Prueba 4 Prueba 5
Tiempo en llegar a la meta 169.08 140.02 128.05 0 54.4
Tiempo en Caer 0 011111 0 43.59 0
Total de Soplidos 20 19 15 12 16

La puntuación respecto al logro de objetivos es de 0, +1, +1, -2, +2, lo que muestra que el nivel inicial es de 22.3 y el final es de 74.7, lo que indicó que tiene 52.4 puntos de mejoría.

 

Jugador 5
El último jugador llamado Kelly Renata de 7 años obtuvo los siguientes resultados de la tabla 5.

Tabla 5. Resultados de las pruebas del quinto jugador

Participante 5 Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Prueba 4 Prueba 5
Tiempo en llegar a la meta 0 89.08 71.25 52.94 53.08
Tiempo en Caer 50.02 0 0 0 0
Total de Soplidos 19 16 13 12 10

La puntuación conforme al logro de objetivos es de -2, +2, +2, +2, +2, lo cual señala que el nivel inicial es de 22.3 y su nivel final es de 72.6, lo que indicó que tiene 50.2 puntos de mejoría.

 

Conclusiones
El entrenador permitió generar empatía con el niño, facilitando el juego simbólico, además de que gracias a la evaluación cuantitativa de la escala GAS se pudo obtener un valor numérico que indica la mejoría del paciente, haciendo que el apoyo de la herramienta sea más efectivo que la rehabilitación convencional.

Las pruebas realizadas con el entrenador demostraron cierta mejoría al problema de la motivación, a pesar de que algunos jugadores eran demasiado pequeños, comprendieron las instrucciones y dieron muy buenos resultados en su evaluación, conforme al logro de objetivos.

Además, los pacientes describen una menor sensación de disnea al realizar esta práctica durante el lapso de 5 meses, que corresponde a la duración de las pruebas. Aunado a ello, aumentaron la fuerza muscular inspiratoria tras rehabilitación, lo que ayuda mucho a la sensación de disnea que presentaban al inicio.

Con esto se concluye que, al igual que al practicar algún deporte, utilizar de manera cotidiana el entrenador pulmonar, tendrá resultados favorables para los usuarios, aumentando su capacidad pulmonar con otra alternativa a lo que ya se tiene en el mercado, como el Microsoft Kinect, innovando y aplicando algunos conocimientos para que se cumplieran las necesidades de una persona con una enfermedad respiratoria.

 

Referencias 
Frasca, Gonzalo. 2008. Ludology. http://www.ludology.org/articles/VGT_final.pdf.
Gallardo, H.P. (2007). Rehabilitación respiratoria en pediatría. Neumol Pediat.
González, G. A. PanamaHitek. 2018. http://panamahitek.com/arduino-java-facil-y-rapido/
Mosby, O. Diccionario de Medicina. Barcelona. Océano, 2004. p. 577.
Relvas, L. S. y. A. Escala de Objetivos Atingidos (GAS). Imprensa da Universidade de Coimbra, pp. 177-200, 2014.
Springg, E. The history of spirometry. ELSEVIER. pp. 165-180, 1978.

 

Referencia de imagen
11333328 (2019)
Recuperada de https://pixabay.com/es/photos/fortnite-juego-de-ordenador-juego-4129124/ (imagen publicada bajo licencia Creative Commons de Atribución-No comercial Genérica 2.5 de acuerdo a: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/mx/).