BellSoft: un Sistema Basado en Conocimiento para el Tratamiento de la Parálisis Facial

BellSoft: a knowledge-based system for the treatment of facial paralysis

Felipe S. Jácomea, Katia P. Blancoa, Cinthia R. Hernándeza, Ivonne Méndeza, José-Guillermo Hernández Calderóna, y Valeria Soto-Mendozab
aFacultad de Estadística e Informática de la Universidad Veracruzana
Av. Xalapa s/n, Obrero Campesina, C.P. 91020 Xalapa-Enríquez, Veracruz, México
bCentro de Investigación en Matemáticas Aplicadas, Universidad Autónoma de Coahuila
Camporredondo S/N, C.P. 2511 Saltillo, Coahuila, México
Correspondencia para autor: Valeria Soto-Mendoza
Centro de Investigación en Matemáticas Aplicadas, Universidad Autónoma de Coahuila
Correo electrónico: vsoto@uadec.edu.mx

CienciAcierta No. 61, enero-marzo 2020
Artículo PDF

Resumen

La parálisis de Bell se caracteriza por la pérdida o disminución de la función motora y sensorial del nervio facial en su porción periférica, generalmente de inicio súbito. La rehabilitación tiene como objetivo principal recuperar la simetría del rostro. Los centros de rehabilitación proporcionan la atención médica necesaria para llevar las terapias; sin embargo, el número y capacidad de estos centros son limitados, y la mayoría de éstos se encuentran ubicados en ciudades capitales, por lo que las consultas deben ser programadas con tiempo, lo cual representa un problema para los pacientes ya que no reciben la atención oportuna. Se presenta el diseño de un sistema basado en conocimiento, Bellsoft, como herramienta de apoyo en las terapias de parálisis facial siguiendo la metodología de diseño centrado en el usuario. Bellsoft permite que el paciente realice los ejercicios de rehabilitación sin necesidad de trasladarse al centro de rehabilitación y que se pueda atender oportunamente a un mayor número de pacientes.

Palabras clave: parálisis facial, sistema basado en conocimiento, rehabilitación, diseño centrado en el usuario.

Abstract

Bell’s palsy is characterized by the loss or decrease of the motor and sensory function of the facial nerve in its peripheral portion, usually of sudden onset. The main objective of the rehabilitation is to recover the symmetry of the face. Rehabilitation centers provide the necessary medical care to carry the therapies; however, the number and capacity of these centers are limited, and most of these are located in capital cities, so therapies must be scheduled in advance, which represents a problem for patients since they do not receive care timely. A knowledge-based system, Bellsoft, is presented as a support tool in facial palsy therapies following the user-centered design methodology. Bellsoft allows the patient to carry out the rehabilitation exercises without having to move to the rehabilitation center and the rehabilitation centers can treat timely a greater number of patients.

Keywords: facial palsy, knowledge-based system, rehabilitation, user-centered design.

  1. Introducción

En el diseño centrado en el usuario, el desarrollo de proyectos en una comprensión explícita de los usuarios, las tareas y los entornos para capturar cada aspecto de la experiencia del usuario. Idealmente, incluir tanto a un panel de expertos que participan en el diseño como al usuario es indispensable para el diseño del producto y su evaluación (Usability.gov, 2019). Este proceso considera la comprensión y entendimiento del contexto de uso, la especificación de los requisitos del usuario, el diseño de soluciones, la evaluación del diseño contra los requisitos y, en cada iteración, todas las fases son llevadas a cabo hasta que los resultados de la evaluación son satisfactorios.

La parálisis de Bell es una parálisis idiopática, aguda del nervio periférico, que afecta al nervio facial que abastece a todos los músculos de la expresión facial. Algunas veces, cuando es muy sutil la desviación facial, es difícil de detectar a simple vista (Chu, 2011), por lo que requiere personal especializado para su detección y tratamiento. La incidencia anual de la parálisis de Bell es de 15 a 30 por cada 100,000 personas de todas las edades con igual número de hombres y mujeres afectados (Pulec, 1974; Ramírez-Aguirre y col., 2018). Se caracteriza por la pérdida o disminución de la función motora y sensorial del nervio facial en su porción periférica, generalmente de inicio súbito (Dym y Levitt, 1991). La rehabilitación tiene como objetivo principal recuperar la simetría del rostro, además de disminuir el edema facial, evitar las adherencias de cicatrices, lograr la apertura y lateralización mandibular normal, y reeducar la musculatura (IMSS, 2017; AMEFI).

Es de nuestro interés apoyar en el proceso de rehabilitación de pacientes con parálisis facial a través de un sistema basado en conocimiento siguiendo el proceso de diseño centrado en el usuario. El resto del documento se estructura de la siguiente manera: primero, se aborda el trabajo relacionado con aplicaciones que apoyan el proceso de terapia de la parálisis facial. Después se aborda el modo en que se empleó el proceso de diseño centrado en el usuario para el desarrollo de la propuesta de aplicación describiendo cada una de las fases. Finalmente, se presentan las conclusiones y trabajo futuro.

  • Trabajo relacionado

La rehabilitación, de acuerdo con la Organización Panamericana de la Salud (OPS/OMS), es un conjunto de intervenciones diseñadas para optimizar el funcionamiento y reducir la discapacidad en individuos con condiciones de salud (enfermedades agudas o crónicas, trastornos, lesiones o traumatismo) en la interacción con su entorno. El tratamiento de la parálisis facial se puede abordar de tres maneras: a) tratamiento sistémico, b) tratamiento local y c) tratamiento de rehabilitación. Entre las técnicas utilizadas en el tratamiento de rehabilitación, interés de este trabajo, considera a la electroestimulación, el calor local, masaje, ejercicio, acupuntura y fisioterapia. De acuerdo con (IMSS, 2017; AMEFI), el médico debe especificar el grado de afectación de la parálisis de acuerdo a la clasificación de House-Brackmann y el Sistema Convencional de Clasificación de la Parálisis Facial.

El seguimiento de pacientes con parálisis facial mediante el uso de software que realice de manera automática el análisis de imágenes para el reconocimiento del rostro del paciente es un tema que ha sido abordado en diversos trabajos de investigación. Se mencionan algunos de ellos:

En (Junyu y col., 2008), se plantea un enfoque para estimar, de manera cuantitativa, el nivel de parálisis facial. El método utilizado se compone de 4 etapas: la detección facial, la detección de puntos en el rostro, detección de bordes y el clustering utilizando K-MEANS. Este método es eficiente y sirve como alternativa a la forma tradicional en la que el terapeuta toma las medidas del rostro de manera manual.

En lo que respecta a software para diagnóstico y tratamiento de la parálisis facial, el Instituto de Investigación Biomédica de Bellvitge, desarrolló un software que crea imágenes simétricas en tiempo real para mantener un seguimiento de los pacientes que presentan alguna enfermedad apreciable en el rostro (Itemas, 2018). La herramienta de software que se propone en este trabajo, denominada BellSoft, retoma el uso de imágenes en tiempo real para realizar un análisis del rostro con la ventaja de que este análisis de imágenes sólo considera puntos de interés de la imagen definidos previamente, lo que implica una mejora en cuanto al almacenamiento de la información.

Asimismo, el sistema BellSoft incorpora la técnica de restar imágenes digitalizadas para obtener parámetros que permiten determinar el grado de mejoría del paciente. Esta técnica es utilizada previamente en (Sargent y col., 1998), pero la diferencia es que con BellSoft la comparación entre las imágenes ocurre considerando únicamente ciertos puntos de la imagen, lo que permite eliminar la utilización de imágenes completas y mejorar el tiempo de procesamiento.

BellSoft se enfoca en mejorar las técnicas previamente mencionadas mediante la reducción de información necesaria para realizar el análisis de las imágenes y con ello, disminuir la cantidad de memoria necesaria para albergar la información recolectada. BellSoft determina el nivel de afectación del paciente tomando como referencia la escala de clasificación del nervio facial “HouseBrackmann” (Brackmann y House, 1985).

  • Metodología

El proceso de diseño centrado en el usuario (DCU) consta de 6 fases (ver Figura 1): identificar la necesidad, especificar el contexto de uso, especificar requerimientos, producir soluciones de diseño, evaluar diseño y cuando el sistema satisface los requerimientos (Usability.gov, 2019). A continuación se describe la manera en que se aplicaron las etapas del DCU en el desarrollo de BellSoft.

Figura 1. Metodología de diseño centrado en el usuario.
Fuente: Elaboración propia a partir de Usability.gov (2019).
  1. Identificar la necesidad

Actualmente en Veracruz existen diversos centros de atención a pacientes con discapacidades, como lo es el Centro de Rehabilitación e Inclusión Social de Veracruz (CRISVer). Estos centros proporcionan la atención médica necesaria para el tratamiento de diferentes afecciones físicas, proveen materiales y aparatos para la rehabilitación. Sin embargo, el número y capacidad de estos centros son limitados. La mayoría de éstos se encuentran ubicados en la capital del estado, por lo que las consultas deben ser programadas con tiempo. Un problema para los pacientes es que las consultas no pueden ser tan constantes debido a que es escaso el personal médico y el número de pacientes rebaza la capacidad de atención.

Con base en las necesidades y problemáticas planteadas de los usuarios, se propone diseñar un sistema basado en conocimiento que complemente la función del fisioterapeuta durante las sesiones de rehabilitación para el tratamiento de pacientes con parálisis facial.

  1. Especificar el contexto de uso

En esta etapa de la metodología, se consideraron técnicas manuales de adquisición de conocimiento (entrevista, análisis de protocolo, crítica y teach back) (Hurtado, 2010) las cuales permitieron, mediante una interacción directa con el fisioterapeuta, especificar el contexto de uso, la población objetivo y el impacto social. Lo anterior permitió especificar los requerimientos de diseño para el sistema propuesto. Para conocer las características generales de la parálisis facial, sus causas, el proceso de recuperación, las terapias a seguir y la manera en que el fisioterapeuta realiza sus actividades durante una sesión de terapia, se entrevistó a un fisioterapeuta con dos años de experiencia (ver Figura 2).

Figura 2. Entrevista con fisioterapeuta.
Fuente: Elaboración propia.
  1. Especificar requerimientos

Para definir los requerimientos se utilizó la técnica denominada análisis de protocolos (Ericsson y col.,1984) mediante la cual se busca capturar las acciones realizadas y el proceso mental efectuado por el experto al realizar una actividad o tarea mientras “piensa en voz alta” (Tirkkonen-Condit, 1990). Posteriormente, se utilizó la técnica de codificación abierta (open coding) (Strauss y Corbin, 1998) con la finalidad de identificar los síntomas, causas y factores de riesgo que vuelven a una persona más susceptible a padecer parálisis facial. También se adquirió información sobre la clasificación de los ejercicios realizados por los pacientes en niveles con respecto al grado de afectación y al avance logrado durante las sesiones de rehabilitación.

Se observó que el proceso general que sigue el fisioterapeuta con el paciente desde que inicia la terapia de rehabilitación hasta que éste mejora es el siguiente:

  1. El paciente llega con el fisioterapeuta.
  2. El fisioterapeuta le explica sobre la parálisis facial y recaba los datos de su historial médico.
  3. Se evaluán las posibles causas.
  4. Se identifica el nivel de afectación mediante una inspección visual.
  5. Con ayuda de un espejo, el fisioterapeuta realiza los ejercicios para que el paciente pueda observar lo que hace y éste los realice posteriormente.
  6. Se dictan ejercicios a realizar.
  7. Se captura nuevamente el rostro del paciente y se verifica el avance para asignar nuevos ejercicios o remitir con el terapeuta para una valoración final.

El paciente deberá realizar los ejercicios asignados dos veces al día, todos los días de la semana. Cada repetición consiste en realizar el ejercicio indicado un mínimo de 5 veces y un máximo de 6 veces. Los ejercicios y su clasificación en niveles según “House y Brackmann” (House y Brackmann, 1985) se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Clasificación de los ejercicios de rehabilitación.

Fuente: Elaboración propia.

Estos ejercicios de rehabilitación son los que el terapeuta realiza con el paciente y su respectiva clasificación por nivel está relacionada a la escala establecida por (House y Brackmann, 1985). Por lo que, en cada nivel se asignaron los ejercicios correspondientes al grado de afectación establecido en la escala.

Se observó que los pacientes con parálisis facial tienden a presentar un desnivel en un lado de su rostro, lo que produce el efecto de una apariencia en la cual la parte afectada del rostro se encuentra “caída” y esto tiende, en la mayoría de los casos, a repercutir directamente en los ojos.

Resultado del análisis de protocolo e información observada, se adquirió el conocimiento del experto, en este caso el fisioterapeuta, lo cual permitió construir la base de conocimiento. Una base de conocimiento es en donde se registran los datos que representan el conocimiento fáctico, práctico y heurístico de la(s) persona(s) experta(s) que han prestado al sistema sus “saberes iniciales”, en este caso el experto es el fisioterapeuta. Los datos recabados se concretan y forman conocimientos estructurados en hechos y reglas, que permiten generar más conocimiento y que permitirán que el sistema aprenda de sus actuaciones (Negnevitsky, 2005).

  1. Producir soluciones de diseño

La Figura 3 muestra la arquitectura propuesta del sistema. Esta arquitectura considera la interacción entre el fisioterapeuta y el paciente con el sistema, y a su vez la consulta de éste a la base de datos y de conocimientos para su adecuado funcionamiento.

Figura 3. Arquitectura del sistema.
Fuente: Elaboración propia.

Para capturar la afectación en el rostro del paciente debido a la parálisis facial, la aplicación captura las coordenadas de los ojos del paciente. Posteriormente, calcula la variación del desnivel que tienen entre ellos y determina el nivel de afectación del usuario. Este nivel se determinó a través de la observación ya que, de acuerdo con las pruebas realizadas con diferentes pacientes, un factor común para notar una afectación en el rostro debido a este padecimiento era que el desnivel presentado entre los ojos es mayor a los 20px de la pantalla.

De manera análoga, al realizar las mismas pruebas con personas sanas y personas que terminaron su tratamiento, se encontró que el paciente muestra un desnivel entre los ojos menor a 5px. De esta forma, se estableció que, si el paciente tiene una desviación de entre los 5px a los 25px entre sus ojos, se encuentra dentro de un rango de afectación de parálisis facial. Los niveles de afectación identificados por BellSoft están determinados por el desnivel en los ojos.

La base de conocimientos incorpora la información recabada de la Fisioterapeuta. Los síntomas del paciente se almacenan como hechos, los cuales corresponden a un cierto nivel con base en la escala “House y Brackmann” (House y Backmann, 1985). Las reglas asignan el nivel al paciente, de acuerdo con el número de síntomas y al nivel de afectación. A este nivel le corresponde una serie de ejercicios de rehabilitación (ver Tabla 1) que el paciente debe realizar para su mejora. Tanto el nivel de afectación del paciente como el número de síntomas son registrados por el fisioterapeuta en el sistema durante la sesión. Esto se realiza para capturar un perfil completo del paciente. Estos datos son almacenados en la base de conocimientos para seleccionar los ejercicios asociados al nivel de afectación. Asimismo, se obtiene de la base de datos la descripción e indicaciones de cada ejercicio para mostrarlas al paciente.

Al finalizar cada semana, el sistema verifica si el nivel se completó enviando a la base de conocimientos las coordenadas capturadas y los ejercicios realizados. La base de conocimientos verifica si la distancia entre los ojos ha disminuido y si el paciente completó de manera satisfactoria los ejercicios. De ser así se avanzará al siguiente nivel. En caso contrario el paciente repetirá el nivel hasta que exista un progreso en su condición.

El diseño de la interfaz incluye cinco pantallas que buscan ayudar durante el proceso de las terapias:

  1. pantalla inicial,
  2. información relevante,
  3. registro e inicio de sesión,
  4. reconocimiento facial y
  5. nivel a realizar.

Se pretende que el sistema tenga una interfaz amigable e intuitiva. La primera versión tiene tonos pastel y colores recomendados por el fisioterapeuta. La pantalla inicial muestra el logo del sistema y un mensaje de bienvenida al paciente. La pantalla de información relevante busca complementar la parte del proceso donde el fisioterapeuta explica la parálisis facial, sus causas, principales características y desarrollo de las terapias, esto con la intención de resolver las dudas más frecuentes que se puedan presentar en los pacientes. El registro del paciente se lleva a cabo en la pantalla de registro e inicio de sesión en donde se recaban los principales datos de identificación y contacto del paciente, además de los síntomas que ha experimentado el paciente recientemente para identificar las posibles causas del padecimiento.

La pantalla de reconocimiento facial (ver Figura 4) permite iniciar la cámara web de la computadora para obtener las coordenadas de los ojos del paciente, así como el posible desnivel que se presenta entre ellos. A través de esta medición es posible identificar en qué nivel se encuentra exactamente el usuario, enviando la información a la base de conocimientos.

Figura 4. Interfaz de usuario mostrando la pantalla de reconocimiento facial.
Fuente: Elaboración propia.

En la pantalla de nivel a realizar se muestran mensajes preguntando al paciente por los ejercicios que ya realizó. Estos ejercicios son tomados de la base de conocimientos, dado que dependiendo del nivel en el que se encuentre el paciente, serán los ejercicios que podrá realizar. Sin embargo, en el caso particular de que el paciente no haya mostrado mejoría, se le solicitará repetir los ejercicios que corresponden al nivel. Por último, se muestra en pantalla el nivel en el que se encuentra el usuario, así como el ejercicio específico a realizar y su respectiva descripción (ver Figura 5).

Figura 5. Interfaz de usuario mostrando las pantallas de a) inicio del sistema, b) formulario de registro, c) inicio de sesión, d) nivel a realizar, e) información relevante y f) reconocimiento facial.
Fuente: Elaboración propia.

Resumiendo, el funcionamiento de BellSoft es el siguiente:

  1. Posterior a realizar su registro dentro del sistema, el usuario ingresa sus síntomas que presenta. Esta selección de síntomas se envía como parámetros a la base de conocimientos que realiza una inferencia para indicar al paciente la posibilidad que tiene de padecer parálisis facial y lo clasifica en un nivel inicial de atención.
  2. Seguido de esto, el usuario inicia sesión y el sistema despliega la pantalla donde se captura su rostro. A partir de esta imagen, el sistema detecta las coordenadas de los ojos del paciente y estos datos se envían a la base de conocimientos.
  3. El sistema hace una evaluación para identificar el nivel de afectación que presenta y los ejercicios que debe realizar el paciente de acuerdo con la distancia que existe entre sus ojos.
  4. Una vez identificados los ejercicios, se hace una consulta a la base de datos para obtener su descripción e instrucciones para que el paciente pueda realizarlos correctamente.
  5. Cuando el usuario completa los ejercicios que le corresponden, es necesario que vuelva a tomar una fotografía de su rostro. También, el paciente debe seleccionar los ejercicios que realizó durante las sesiones, esto con la intención de corroborar que haya realizado todos los ejercicios.
  6. Los datos con las coordenadas de los ojos y los ejercicios realizados, son enviados nuevamente a la base de conocimientos para realizar la evaluación del avance en las terapias del paciente. En este momento, la base de conocimientos valida si la distancia entre los ojos ha disminuido y si el paciente terminó todos los ejercicios asignados; de ser así, se avanzará al siguiente nivel de ejercicios, o de lo contrario, el paciente repetirá el nivel hasta que exista un progreso en su recuperación.
  1. Evaluar el diseño

Para la evaluación del sistema BellSoft, la base de conocimiento se construyó con el lenguaje de programación Prolog. Este programa es usado habitualmente en el campo de la inteligencia artificial, puesto que está basado en reglas lógicas. El desarrollo de la interfaz de usuario se realizó utilizando Java. Java es un lenguaje de programación de propósito general y orientado a objetos que permite que el sistema sea escrito una sola vez y pueda ser ejecutado en cualquier dispositivo. Para la detección del rostro del paciente se utilizó la librería OpenCV, la cual es un conjunto de herramientas y algoritmo de visión de código abierto. Para almacenar la información del paciente, sus síntomas y ejercicios a desarrollar se utilizó MySQL como manejador de base de datos.

El sistema BellSoft se probó en una computadora con las siguientes características:

  • Procesador Intel(R) Core(TM) i5-7200U 2.50GHz 2.70GHz
  • RAM de 8.00GB
  • SSD de 256GB
  • Pantalla de 13,3 pulg. y 1080p
  • Cámara web HD integrada de pantalla ancha (720p) con micrófono digital

Una vez que se terminó el diseño y la implementación del sistema en una primera iteración, se acudió con el fisioterapeuta para que lo evaluara y probara. Durante la sesión de evaluación se le pidió al fisioterapeuta que simulara ser un paciente y se siguió el proceso típico de una terapia.

El fisioterapeuta mencionó que el sistema le parecía muy adecuado, que el objetivo se había cumplido y que el sistema funcionaba correctamente “…funciona bien la detección de los ojos y ver la distancia entre ellos, … veo adecuado utilizarlo en mis terapias” [Fisioterapeuta].

Por otra parte, mencionó que para mejorar la funcionalidad del sistema, podría implementarse que el reconocimiento incluyera más áreas del rostro (por ejemplo, la boca); así como permitir que el paciente realice los ejercicios viéndose en la cámara como si fuese un espejo y que el sistema le marcará en pantalla cómo realizar los ejercicios mientras se ve “sería bueno incluir otras áreas del rostro en la detección … También puede incluirse un espejo para que el paciente se vea al realizar el ejercicio” [Fisioterapeuta].

En otro punto sugirió cuáles debían ser los colores más comunes a utilizar dado que es un sistema orientado al área de la salud “Utilizar colores amigables para el paciente y relacionados con la enfermedad, como morado y verde” [Fisioterapeuta]. En este sentido, se incorporarán los lineamientos de diseño de aplicaciones médicas (Shestel, 2018) para la siguiente versión de BellSoft. Y que de manera general el sistema estaba bien realizado “es muy interesante lo que lograron realizar en este tiempo y será de utilidad en las terapias” [Fisioterapeuta].

  • Conclusiones

Este trabajo presenta el proceso de diseño de un sistema basado en conocimiento para apoyar las terapias de pacientes con parálisis facial siguiendo la metodología de diseño centrado en el usuario y técnicas manuales de adquisición de conocimiento. Este sistema puede funcionar como una herramienta que apoya la labor del fisioterapeuta para empoderar al paciente y que realice los ejercicios de rehabilitación sin necesidad de trasladarse al centro de salud. De esta manera, se disminuye la frecuencia de las sesiones de terapia del paciente quedando espacio para atender a un mayor número de pacientes y se apoya la economía del paciente disminuyendo también el número de traslados al centro de salud.

Como trabajo futuro se considera asistir al Centro de Rehabilitación e Inclusión Social de Veracruz para trabajar de manera conjunta con fisioterapeutas y pacientes, y de esta manera contribuir, con el mejoramiento del software, en las terapias para pacientes con parálisis facial. Además, se realizará trabajo multidisciplinario con médicos y fisioterapeutas para evaluar la incorporación del Sistema Convencional de Calificación de la Parálisis Facial y el desempeño de la aplicación en pacientes con parálisis facial. Finalmente, también se considera investigar y evaluar distintos enfoques para determinar el nivel de afectación utilizando técnicas de visión computacional para clasificar al paciente de acuerdo al nivel presentado.

  • Agradecimientos

Se agradece la participación de la Lic. Yamileth Sinaí Hernández González quien voluntariamente contribuyó a la realización de este trabajo.

Referencias

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Post Author: Valeria Soto Mendoza