Resumen de Nuevas estrategias para la interacción y la movilidad de niños con parálisis cerebral según un modelo convergente

Rafael Raya López

• español

  En esta memoria de tesis doctoral se presenta la concepción, la implementación y la validación de nuevas estrategias para la interacción y la movilidad de niños parálisis cerebral (PC) y síndromes afines, todo ello siguiendo un modelo convergente. Inicialmente, se plantea el desarrollo de un vehículo robótico para promover las aptitudes físicas y cognitivas a través de experiencias de movilidad. Pese a la versatilidad del vehículo, muchos de estos niños presentan limitaciones neuromotoras graves, que le impiden interactuar con la consola de conducción del vehículo en las diferentes modalidades. Por ello, para mejorar la accesibilidad del vehículo, no basta dotar a éste de diferentes modos de conducción y de mando, sino que de forma complementaria, se propone una nueva interfaz persona-máquina que potencie la actividad voluntaria y reduzca los efectos de los movimientos involuntarios. La motivación de este trabajo se basa en que la autonomía de locomoción es esencial para el desarrollo perceptivo, motor y social en los primeros años de vida. La revisión del estado del arte de los dispositivos de apoyo a la movilidad para personas con PC, muestra que pocos de ellos tienen como objetivo potenciar el desarrollo integral de la persona. Por otro lado, la interacción entre la máquina y el usuario con PC resulta un factor crítico. Un estudio bibliográfico de las interfaces persona-computador para usuarios con PC mostró que, aunque existen diversas soluciones, la usabilidad de las interfaces decrece drásticamente cuando existen afectaciones motoras graves, que dificultan el control voluntario.

  De acuerdo a estas consideraciones, se han detectado las siguientes necesidades:

  -Mejorar la interacción del niño con su entorno físico y social a través de experiencias de movilidad como medio esencial del desarrollo integral del niño.

  -Caracterizar las limitaciones de control causadas por las alteraciones de postura y movimiento de estos colectivos.

  -Facilitar la interacción entre el niño y el dispositivo de apoyo a través de estrategias de filtrado del movimiento involuntario.

  En este contexto, las principales aportaciones científicas han sido:

  -Propuesta de un modelo conceptual para formalizar la aplicación de las tecnologías de apoyo a personas con PC. El modelo define tres tipos de dispositivos de apoyo: general, personal y de entorno que han de interactuar de forma convergente para aproximar el dispositivo al usuario, y ambos, al entorno.

  -Diseño y construcción de un nuevo vehículo robótico preindustrial como dispositivo de apoyo al desarrollo integral de los niños con PC.

  -Diseño y evaluación de un algoritmo para estimación precisa y fiable de distancias a obstáculos empleando sensores ultrasónicos, para apoyar al niño en la conducción del vehículo.

  -Desarrollo de una herramienta para la captura y el análisis del ejercicio de conducción para la objetivación del proceso terapéutico.

  -Diseño y construcción de una nueva interfaz persona-máquina basada en tecnología inercial.

  -Caracterización de la postura y del movimiento alterados de las personas con PC en el control del dispositivo inercial mediante el registro y el análisis de parámetros relacionados con estas alteraciones y la definición de métricas para su objetivación.

  -Diseño y validación de una estrategia eficaz de filtrado para la reducción del efecto del movimiento involuntario en el control de la interfaz inercial.

  -Validación funcional de la interfaz inercial como dispositivo de entrada al computador para su uso en aplicaciones diversas.

  -Validación funcional de la interfaz inercial como dispositivo específico para la conducción del vehículo.

  -Implementación práctica y validación del modelo conceptual de interacción convergente propuesto.

  Las soluciones y métodos planteados han sido validados de manera experimental con personas con PC. El criterio de selección de los participantes ha incluido a personas con graves dificultades para acceder a interfaces convencionales e incluso avanzadas. El trabajo se ha realizado en el marco de los proyectos PALMIBER (IBEROEKA), ENLAZA (IMSERSO) e HYPER (CONSOLIDER-Ingenio). En todo el transcurso de esta tesis se ha trabajado con un equipo de profesionales multidisciplinar desde el estudio de las necesidades del usuario hasta la construcción y validación de los dispostivos de apoyo desarrollados. Los resultados obtenidos muestran que se han obtenido mejoras funcionales altamente positivas, que son expuestas en la memoria. El vehículo se ha mostrado como una herramienta eficaz para motivar al niño a interactuar con su entorno.

  La interfaz inercial ha demostrado ser un canal de interacción adecuado para estas personas, tanto para el acceso al computador como para la conducción del vehículo. Con todo, el resultado más significativo de esta tesis doctoral ha sido la creación de los dispositivos de apoyo (vehículo e interfaz) según un modelo de tecnología convergente de apoyo, con lo que se pretende aportar mayor autonomía y calidad de vida a las personas con PC.

• English

  In this PhD thesis, the conceptualization, implementation and validation of novel strategies for the interaction and mobility of infants with cerebral palsy (CP) and similar disorders is presented under a converging model of technology. Initially, the design of a robotic vehicle is proposed. It aims to promote the physical and cognitive skills through mobility experiences. Despite the versatility of the vehicle, some children present severe motor limitations hindering the control of the direction console. In order to increase the accessibility of the vehicle, different driving modes are not enough. For this reason, a novel person-computer interface is proposed. It has been designed specifically to empower the user’s capabilities reducing the effect of the involuntary posture and movements. The motivation of this work is based on the fact that self-produced locomotion is essential for child’s development at the early ages. According to the state of the art of mobility devices for people with CP, most devices are more focused on mobility than the integral development. On the other hand, the human-machine interaction is a critical factor. According to the state of the art of person-computer interfaces for people with CP, there is a wide diversity of solutions. However, authors assert that the usability decreases dramatically when users have a severe motor disability.

  From such considerations, the following needs are identified:

  -To improve the learning of the physical and cognitive skills through mobility experiences as an essential way for the integral development of the child.

  -To characterize the control limitations caused by posture and motor disorders of these collectives.

  -To facilitate the interaction between the child and the assistive device by filtering the involuntary movements and postures.

  In this context, the main contributions of this PhD thesis are:

  -Proposal of a new conceptual model to formalize how assistive technology could be truly useful for people with CP. The model defines three types of assistive products: general, personal and environment. The model establishes that these products must converge to reduce the gap between the user, the assistive product and the environment.

  -Design and evaluation of a pre-industrial robotic vehicle as assistive device for the integral development of children with CP.

  -Design and evaluation of a fast model-based algorithm for ultrasonic range measurements for driving assistance.

  -Development of a software tool for objective evaluation of the driving task (therapy impact) and interfaces.

  -Design and evaluation of a novel person-computer interface based on inertial technology.

  -Characterization of the posture and motor disorders of people with CP using the inertial interface by means of capturing and analyzing the parameters related to these disorders and definition of metrics for quantifying them.

  -Design and validation of a effective filtering technique to reduce the effect of the involuntary movements on the control of the inertial device.

  -Functional validation of the inertial interface as pointing device for the computer on using diverse applications.

  -Functional validation of the inertial interface as specific input device for driving the vehicle.

  -Practical implementation and validation of the proposed conceptual converging model.

  The solutions and methods proposed in this PhD Thesis have been validated experimentally.

  The inclusion criterion for the participants was people who have severe limitations using conventional and even advanced interfaces. The work has been performed in the framework of the projects PALMIBER (CYTED-IBEROEKA), ENLAZA (IMSERSO) and HYPER (ConsoliderIngenio). A multidisciplinar team has participated during the different phases of the work from the study of the user’s needs to the construction and validation of the devices. The results show that meaningful functional improvements have been reached with the devices proposed. The vehicle has been validated as an effective tool to motivate the child to interact with the environment. The inertial interface has become an adequate communication channel for both the computer and the vehicle.

  In conclusion, the most significant contribution of this PhD. thesis has been the creation of the assistive devices (vehicle and interface) according to the model of converging Assistive Technology which aims to improve the quality of life of people with CP.