Modelling activities of daily living applied to cognitive rehabilitation
- Autores: Javier Ignacio Rojo Lacal
- Directores de la Tesis: Manuel Ferre Pérez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2016
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Teresa Arredondo Waldmeyer (presid.), Claudio Rossi (secret.), Christos Giachritsis (voc.), José María Azorín Poveda (voc.), Antonio Gimenez Fernandez (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
El modelado de tareas describe las actividades que se deben realizar a fin de alcanzar un objetivo. Para que el modelo sea completo se deben contemplar las diferentes formas de alcanzar dicho objetivo dentro del modelo. El modelado de tareas se ha constituido como un campo de estudio con un amplio conjunto de aplicaciones. Estas aplicaciones nacen de la observación y tienen como finalidad mejorar la eficiencia del sistema en el que se aplican. Se pueden enunciar los tres grandes campos de aplicación del modelado de tareas. Estos campos son la monitorización, el diseño y, principalmente, la toma de decisiones. En esta tesis, en particular, se ha realizado una revisión en el marco de la rehabilitación, en concreto, la rehabilitación cognitiva. En primer lugar, se ha realizado una reseña del estado actual del modelado de actividades, a partir de ella se busca profundizar en las ventajas que presenta el modelado de tareas y sus posibles aplicaciones. Posteriormente se indaga brevemente en los primeros estudios que se realizaron para modelar la actividad humana. A partir de estos primeros estudios se busca conocer las motivaciones intrínsecas que suscitan aplicar el modelado. A continuación se detallan las técnicas más interesantes para aplicar un modelo que actúe como crítico de las acciones realizadas por un actor. Este modelo deriva del famoso modelo sugerido por los padres del aprendizaje por refuerzo, Sutton y Barto, y los modelos que se derivaron de su estudio. Por otro lado, es preciso detallar el papel de la rehabilitación cognitiva en la actualidad y las posibles consecuencias derivadas de padecer un accidente cerebro-vascular. El papel de la tecnología para paliar los efectos que puede tener en el día a día de las personas que padecen secuelas de un ictus es tratado con un enfoque novedoso. Para entender la importancia del marco de esta tesis, se presenta varias de las principales enfermedades cognitivas asociadas al ictus y se introducen las consecuencias que tienen en la ejecución de tareas de la vida diaria. A continuación, se plantea un modelo para la toma de decisiones que actúa como núcleo de un sistema de asistencia para la realización de tareas. A partir de una pre-evaluación del sistema se detectan las carencias de aplicar una estrategia simple y se muestra una posible solución a partir de un sistema supervisor basado en el contraste del modelo proponiendo un sistema distribuido más efectivo que el inicial. Posteriormente, se analiza la aplicación de este modelo al guiado y se presenta una interfaz multimodal efectiva para guiar a un usuario a través de tareas secuenciales. Se destacan los criterios y funcionalidades necesarias para dicha aplicación. Un pequeño experimento permite comprobar la efectividad de la aplicación para su finalidad principal, el aprendizaje. La monitorización del usuario también ha sido analizada. Tres aspectos han sido contemplados, el seguimiento supervisado de tareas a partir de técnicas mínimamente invasivas; un sensor de profundidad de bajo coste basado en infrarrojos, el tiempo de reacción a estímulos del usuario; se demuestra la utilidad de una herramienta dedicada, diseñada para dicho propósito, frente a programas existentes no dedicados y, por último, un sistema de medida de la presión arterial para estimar diversos parámetros fisiológicos del usuario. Por último, el modelo descrito es implementado y evaluado dentro de una plataforma más compleja dedicada a la rehabilitación cognitiva. Esta herramienta busca facilitar la rehabilitación del paciente en tareas cotidianas dentro del entorno doméstico. A partir de las valoraciones de clínicos y pacientes y de diversos test para determinar la eficacia de la herramienta se concluye que el modelo utilizado tiene una gran utilidad. La conclusión de esta tesis es que el modelado de tareas permite mejoras cualitativas en los sistemas que requieren alguna de sus tres principales áreas de aplicación previamente citadas. En particular, se ha demostrado su efectividad aplicada a tareas de rehabilitación cognitiva. Cómo trabajos futuros se plantea la utilización del modelo en otros campos de aplicación y se comentan brevemente las líneas de investigación actuales que auguran un escenario futuro prometedor para la aplicación de las técnicas presentadas. ABSTRACT A task model describes the activities to be performed to achieve a goal, and the different ways to achieve the target. Modelling has been established as a field of study with a large set of applications. These applications came from observation and are intended to improve the efficiency of the system in which it is applied. It can be stated that the three major fields of application of tasks modelling are monitoring, design and, mainly, decision making. This thesis has been focussed on a review within the framework of rehabilitation with special attention in cognitive rehabilitation. First, a review of the current status of modelling activities, in order to deep in the advantages of modelling tasks and their possible applications is introduced. Then, this thesis briefly explores the first studies which were performed to model human activity. From the report of these early studies it is intended to understand the intrinsic motivations hereby aroused applied modelling. Up to this point, the most interesting techniques are described for applying a model to act as critic of the actions taken by an actor. This model is derived from the famous model suggested by the parents of reinforcement learning, Sutton and Barto, and the models derived from their study. On the other hand, it is necessary to detail the role of cognitive rehabilitation at present and some of the possible consequences of suffering a cerebrovascular accident. The role of technology to mitigate the effects and sequelae of stroke on the daily lives of people is treated with a novel approach. To understand the importance of the framework of this thesis, a summary of the main cognitive disorders is presented and the implications in performing daily activities are mentioned. Following the description of the problematic which aims this study, a decision-making model to act as the core of an assistive system, while performing tasks, is proposed. From a pre-evaluation of the system deficiencies of applying a simple strategy based on markovian methods are detected and, consequently, a possible solution from a supervisory system based on model checking is presented. I t is concluded that a distributed system is more effective than the initial system in this context. Subsequently, the application of this model for guidance is analysed. An effective multimodal interface for guiding the user through sequential tasks is described. To evaluate the reaction time to stimuli, the usefulness of a dedicated tool, designed for this purpose, is reported, the designed system is compared with existing programs. User monitoring has also been briefly analysed from minimally invasive techniques; a low cost infrared-based depth sensor and a blood pressure module. Finally the model described is implemented and evaluated in a more complex platform dedicated to cognitive rehabilitation. This tool aims to facilitate the rehabilitation of the patient in everyday tasks in the home environment. From clinical and patient assessments and various test to determine the effectiveness of the tool it is concluded that the model presented is effective for its’ purpose. The possibility of future work looking to expand the fields of application of the model and to improve the techniques presented are discussed. To that end, some guidelines have been suggested.
