RT Dissertation/Thesis
T1 Methods and metrics for the improvement of the interaction and the rehabilitation of cerebral palsy through inertial technology
A1 Velasco Garasa, Miguel Ángel
AB Cerebral palsy (CP) is one of the most limiting disabilities in childhood, with 2.2 casesper 1000 1-year survivors. It is a disorder of movement and posture due to a defect orlesion of the immature brain during the pregnancy or the birth. These motor limitationsappear frequently in combination with sensory and cognitive alterations generally resultin great difficulties for some people with CP to manipulate objects, communicate andinteract with their environment, as well as limiting their mobility.Over the last decades, instruments such as personal computers have become a populartool to overcome some of the motor limitations and promote neural plasticity, especiallyduring childhood. According to some estimations, 65% of youths with CP that presentseverely limited manipulation skills cannot use standard mice nor keyboards. Unfortunately,even when people with CP use assistive technology for computer access, they facebarriers that lead to the use of typical mice, track balls or touch screens for practicalreasons. Nevertheless, with the proper customization, novel developments of alternativeinput devices such as head mice or eye trackers can be a valuable solution for theseindividuals.This thesis presents a collection of novel mapping functions and facilitation algorithmsthat were proposed and designed to ease the act of pointing to graphical elements onthe screen—the most elemental task in human-computer interaction—to individuals withCP. These developments were implemented to be used with any head mouse, althoughthey were all tested with the ENLAZA, an inertial interface. The development of suchtechniques required the following approach:  Developing a methodology to evaluate the performance of individuals with CP inpointing tasks, which are usually described as two sequential subtasks: navigationand targeting.  Identifying the main motor abnormalities that are present in individuals with CPas well as assessing the compliance of these people with standard motor behaviourmodels such as Fitts’ law.Designing and validating three novel pointing facilitation techniques to be implementedin a head mouse. They were conceived for users with CP and muscleweakness that have great difficulties to maintain their heads in a stable position.The first two algorithms consist in two novel mapping functions that aim to facilitatethe navigation phase, whereas the third technique is based in gravity wellsand was specially developed to facilitate the selection of elements in the screen.  In parallel with the development of the facilitation techniques for the interactionprocess, we evaluated the feasibility of use inertial technology for the control ofserious videogames as a complement to traditional rehabilitation therapies of postureand balance. The experimental validation here presented confirms that thisconcept could be implemented in clinical practice with good results.In summary, the works here presented prove the suitability of using inertial technologyfor the development of an alternative pointing device—and pointing algorithms—basedon movements of the head for individuals with CP and severely limited manipulationskills and new rehabilitation therapies for the improvement of posture and balance. Allthe contributions were validated in collaboration with several centres specialized in CPand similar disorders and users with disability recruited in those centres.
AB La parálisis cerebral (PC) es una de las deficiencias más limitantes de la infancia, conun incidencia de 2.2 casos por cada 1000 supervivientes tras un año de vida. La PCse manifiesta principalmente como una alteración del movimiento y la postura y esconsecuencia de un defecto o lesión en el cerebro inmaduro durante el embarazo o elparto. Las limitaciones motrices suelen aparecer además en compañía de alteracionessensoriales y cognitivas, lo que provoca por lo general grandes dificultades de movilidad,de manipulación, de relación y de interacción con el entorno.En las últimas décadas, el ordenador personal se ha extendido como herramienta para lacompensación de parte de estas limitaciones motoras y como medio de promoción de laneuroplasticidad, especialmente durante la infancia. Desafortunadamente, cerca de un65% de las personas PC que son diagnosticadas con limitaciones severas de manipulaciónson incapaces de utilizar ratones o teclados convencionales. A veces, ni siquiera latecnología asistencial les resulta de utilidad ya que se encuentran con impedimentos quehacen que opten por usar dispositivos tradicionales aun sin dominar su manejo. Paraestas personas, los desarrollos recientes de ratones operados a través de movimientosresiduales con la cabeza o la mirada podrían ser una solución válida, siempre y cuandose personalice su manejo.Esta tesis presenta un conjunto de novedosas funciones de mapeo y algoritmos de facilitación que se han propuesto y diseñado con el ánimo de ayudar a personas con PCen las tareas de apuntamiento de objetos en la pantalla —las más elementales dentrode la interacción con el ordenador. Aunque todas las contribuciones se evaluaron conla interfaz inercial ENLAZA, desarrollada igualmente en nuestro grupo, podrían seraplicadas a cualquier ratón basado en movimientos de cabeza. El desarrollo de lostrabajos se resume en las siguientes tareas abordadas:  Desarrollo de una metodología para la evaluación de la habilidad de usuarios conPC en tareas de apuntamiento, que se contemplan como el encadenamiento de dossub-tareas: navegación (alcance) y selección (clic).  Identificación de los tipos de alteraciones motrices presentes en individuos con PCy el grado de ajuste de éstos a modelos estándares de comportamiento motriz comopuede ser la ley de Fitts.Propuesta y validación de tres técnicas de facilitación del alcance para ser implementadasen un ratón basado en movimientos de cabeza. La facilitación se ha centradoen personas que presentan debilidad muscular y dificultades para mantenerla posición de la cabeza. Mientras que los dos primeros algoritmos se centraronen facilitar la navegación, el tercero tuvo como objetivo ayudar en la selección através de una técnica basada en pozos gravitatorios de proximidad.  En paralelo al desarrollo de estos algoritmos de facilitación de la interacción, evaluamosla posibilidad de utilizar tecnología inercial para el control de videojuegos enrehabilitación. Nuestra validación experimental demostró que este concepto puedeimplementarse en la práctica clínica como complemento a terapias tradicionales derehabilitación de la postura y el equilibrio.Como conclusión, los trabajos desarrollados en esta tesis vienen a constatar la idoneidadde utilizar sensores inerciales para el desarrollo de interfaces de accesso alternativo alordenador basados en movimientos residuales de la cabeza para personas con limitacionesseveras de manipulación. Esta solución se complementa con algoritmos de facilitacióndel alcance. Por otra parte, estas soluciones tecnológicas de interfaz con el ordenadorrepresentan igualmente un complemento de terapias tradicionales de rehabilitación dela postura y el equilibrio. Todas las contribuciones se validaron en colaboración conuna serie de centros especializados en parálisis cerebral y trastornos afines contando conusuarios con discapacidad reclutados en dichos centros.
YR 2017
FD 2017-03
LK https://hdl.handle.net/10016/24990
UL https://hdl.handle.net/10016/24990
LA eng
NO This thesis was completed in the Group of Neural and Cognitive Engineering (gNEC) of the CAR UPM-CSIC with the financial support of the FP7 Framework EU Research Project ABC (EU-2012-287774), the IVANPACE Project (funded by Obra Social de Caja Cantabria, 2012-2013), and the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness in the framework of two projects: the Interplay Project (RTC-2014-1812-1) and mostrecently the InterAAC Project (RTC-2015-4327-1)
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RD 16 jul. 2024