Serebral Palsili Çocuklar için Giyilebilir Robotik Sistem Tasarımı ve Simülasyonu

Year 2019, Volume: 3 Issue: 2, 99 - 104, 23.12.2019

Hayriye Altural , Salih Özkan Gizem Yılmaz

Abstract

Serebral palsi (SP), beyinde gerçekleşen ve
progresif olmayan hasarlara bağlı olarak hareket kısıtlamasına sebebiyet veren
bir tür kas aktivitesi sorunudur. Bu kas aktivitesinin normal çalışmaması
kalıcı hareket ve postür gelişim bozukluğuna neden olmaktadır. Bu hastalığa
maruz kalan çocukların yürüme olanakları motor gelişim sürecine bağlı olarak
değişmektedir. Fizik tedavi ve rehabilitasyon, vücudun motor fonksiyonlarını
korumak ve iyileştirmek için temel bir tedavi yöntemi olarak kabul görmektedir.
Bu yüzden fizik tedavi ve rehabilitasyon, SP’li çocukların tedavisinde merkezi
bir rol oynamaktadır. Kas aktivitesi düşük hastalar için tasarlanan robotik
yürüteçler; fonksiyonel kas gücünü, dengeyi, yürüme hızını, dayanıklılığı ve
fonksiyonel yürüyüş performansını arttırabilmektedir. Dolayısıyla kullanılan
mekanik yürüteç düzenekleri, SP’li çocuklar için alt ekstremite kontrolü
sağlayarak kas koordinasyonlarını güçlendirmekle birlikte onların yaşam
kalitesini artırmaya da olanak sağlamaktadır. Bu çalışmanın amacı fizik tedavi
ve rehabilitasyona yönelik SP’nin neden olduğu kas hareketlerine bağlı yürüme
bozukluğunu iyileştirmek için vücut hareketlerini ve kas koordinasyonunu
destekleyici robotik yürüteç tasarımına yönelik simülasyon gerçekleştirmektir. Bu
amaç doğrultusunda robotik sistem destekli bir yürüteç ile yürüme işleminin
gerçekleştirilmesi hedeflenmektedir. Burada tasarlanan sistemin donanımsal ve
yazılımsal olarak çocuğun yapacağı hareketi önceden algılayıp, servo motor
sistemini harekete geçirmesi ve kontrollü bir şekilde yürümeyi sağlaması için
sistemin görsel simülasyonu Unity 3D oyun motoru ile gerçekleştirilmiştir. Simülasyon
sonucu elde edilen veri seti için algoritma geliştirilmiş ve hastanın yaptığı
hareketler sanal bir ortamda izlenmiştir. Bu izleme ile anlık olarak en uygun
hareket-zaman konumlandırması yapılmıştır. 

Keywords

Giyilebilir, robotik sistem, serebral palsi, simülasyon, Unity 3D

Design and Simulation of Wearable Robotic System for Children with Cerebral Palsy

Abstract

Cerebral palsy (CP) is a type of
muscle activity problem that causes movement restriction due to non-progressive
damage to the brain. Failure of this muscle activity to work normally causes
permanent movement and posture development disorder. The walking possibilities
of children exposed to this disease vary depending on the motor development
process. Physical therapy and rehabilitation are accepted as a basic treatment
method to protect and improve the motor functions of the body. Therefore,
physical therapy and rehabilitation play a central role in the treatment of
children with CP. Robotic walkers designed for patients with low muscle
activity can increase functional muscle strength, balance, walking speed,
endurance and functional gait performance. Thus, the mechanical walker
mechanisms used provide strengthening of muscle coordination by providing lower
extremity control for children with CP, and also allow them to improve their
quality of life. The aim of this study is to simulate the design of a robotic
walker to support body movements and muscle coordination to improve gait
disturbance due to CP, for physical therapy and rehabilitation. For this
purpose, it is aimed to perform walking process with a walker supported by
robotic system. Here, the visual simulation of the system was realized with
Unity 3D game engine in order to enable the system to perceive the movement of
the child in advance, to activate the servo motor system and to provide a
controlled walking. The algorithm was developed for the data set obtained from
the simulation and the patient's movements were monitored in a virtual
environment. With this monitoring, the most appropriate motion-time positioning
is performed instantly.

Keywords

Wearable, robotic system, cerebral palsy, simulation, Unity 3D

References

• [1] C. A. Chaze, G. McIlvain, D. R. Smith, G. M. Villermaux, P. L. Delgorio, H. G. Wright, K. J. Rogers, F. Miller, J. R. Crenshaw, and C. L. Johnson, “Altered brain tissue viscoelasticity in pediatric cerebral palsy measured by magnetic resonance elastography,” Neuroimage Clin, vol. 22, pp.1-7, Mar. 2019.
• [2] M. Kerem Günel, “Fizyoterapist bakış açısıyla beyin felçli çocukların rehabilitasyonu,” Acta Orthop Traumatol Turc, vol. 43(2), pp. 173-180, Mar. 2009.
• [3] S. T. Fonseca, K. G. Holt, L. Fetters, and E. Saltzman, “Dynamic resources used in ambulation by children with spastic hemiplegic cerebral palsy: relationship to kinematics, energetics, and asymmetries,” Phys Ther, vol. 84(4), pp. 344-354, Apr. 2004.
• [4] S. Özel, C. Çulha, S. Ünsal-Delialioğlu, İ. F. Sarı, and K. Köklü, “Serebral palsili çocuklarda Kaba Motor Fonksiyon Sınıflama Sistemi düzeyleri ve tedavi yöntemleri arasındaki ilişki,” Turk J Phys Med Rehab, vol. 62(2), pp. 116-122, May. 2015.
• [5] D. G. Whitney, E. A. Hurvitz, M. J. Devlin, M. S. Caird, Z. P. French, E. C. Ellenberg, and M. D. Peterson, “Age trajectories of musculoskeletal morbidities in adults with cerebral palsy,” Bone, pp. 285-291, Sep. 2018.
• [6] C. Bayon, R. Raya, S. L. Lara, O. Ramírez, J. Serrano, and E. Rocon, “Robotic therapies for children with cerebral palsy: a systematic review,” Transl Biomed, vol. 7(1), pp. 1-10, Feb. 2016.
• [7] N. Smania, M. Gandolfi, V. Marconi, A. Calanca, C. Geroin, S. Piazza, ... and D. Conte, “Applicability of a new robotic walking aid in a patient with cerebral palsy,” Eur J Phys Rehabil Med, vol. 47(2), pp. 1-7, Apr. 2011.
• [8] K. R. Mun, S. B. Lim, Z. Guo, and H. Yu, “Biomechanical effects of body weight support with a novel robotic walker for over-ground gait rehabilitation,” Med Biol Eng Comput, vol. 55(2), pp. 315-326, Feb, 2017.
• [9] Y. N. Wu, M. Hwang, Y. Ren, D. Gaebler-Spira, and L. Q. Zhang, “Combined passive stretching and active movement rehabilitation of lower-limb impairments in children with cerebral palsy using a portable robot,” Neurorehabil Neural Repair, vol. 25(4), pp. 378-385, May. 2011.
• [10] H. Zhao, Y. N. Wu, M. Hwang, Y. Ren, F. Gao, D. Gaebler-Spira, and L. Q. Zhang, “Changes of calf muscle-tendon biomechanical properties induced by passive-stretching and active-movement training in children with cerebral palsy,” J Appl Physiol, vol. 111(2), pp. 435-442, Aug. 2011.
• [11] H. Alazem, A. McCormick, S. G. Nicholls, E. Vilé, R. Adler, and G. Tibi, “Development of a robotic walker for individuals with cerebral palsy,” Disabil Rehabil Assist Technol, pp. 1-9, Apr. 2019.
• [12] C. Bayon, O. Ramírez, J. I. Serrano, M. D. Del Castillo, A. Pérez-Somarriba, J. M. Belda-Lois, ... and E. Rocon, “Development and evaluation of a novel robotic platform for gait rehabilitation in patients with Cerebral Palsy: CPWalker,” Robot Auton Syst, vol. 91, pp. 101-114, May. 2017.
• [13] S. Gonizzi Barsanti, G. Caruso, L. L. Micoli, M. Covarrubias Rodriguez, and G. Guidi, “3D visualization of cultural heritage artefacts with virtual reality devices,” in 25th International CIPA Symposium, 2015, pp. 165-172.
• [14] J. Wu, Y. Li, Q. Liu, G. Su, and K. Liu, “Research on Application of Unity3D in Virtual Battlefield Environment,” in 2nd International Conference on CAAI, 2017, pp. 465-468.
• [15] C. Altın and O. Er, “Realization of Flight Control System in Virtual Reality Environment with Biological Signals,” Elec Lett Sci Eng, vol. 13(1), pp. 31-38, Jul. 2017.
• [16] H. S. Shin, A. Ganiev, and K. H. Lee, “Design of a Virtual Robotic Arm based on the EMG variation,” ASTL, vol. 113, pp.38-43, 2015.
• [17] C. P. Guimarães, V. Balbio, G. L. Cid, M. I. Orselli, A. P. Xavier, A. S. Neto, and S. C. Corrêa, “3D Interactive Environment Applied to Fencing Training,” in Proc. icSPORTS, 2016, pp. 39-43.
• [18] B. Sarupuri, S. Hoermann, F. Steinicke, and R. W. Lindeman, “Triggerwalking: a biomechanically-inspired locomotion user interface for efficient realistic virtual walking,” in Proc. of the 5th Symposium on Spatial User Interaction, 2017, pp. 138-147.