Hayriye ALTURAL, Salih ÖZKAN, Gizem YILMAZ

Serebral Palsili Çocuklar için Giyilebilir Robotik Sistem Tasarımı ve Simülasyonu

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.

Anahtar Kelimeler:

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

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

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,

PDF

___

[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.