Étude de la modélisation de la spasticité et de l’interaction patient-exosquelette dans le cadre de la paralysie cérébrale de l’enfant

National audienceLa paralysie cérébrale (PC) spastique est une pathologie qui touche près d’un enfant sur 500 à la naissance. Cette pathologie crée de nombreux problèmes moteurs notamment lors de la marche comme des mouvements involontaires due à une hypertonie musculaire appelée aussi spasticité. Chaque paralysie cérébrale a sa propre sévérité mesurée par différentes échelles. Actuellement, très peu d’aides motrices sont disponibles pour les enfants, le marché des assistances robotisées se focalisant principalement sur les adultes (anthropométrie constante et pathologie peu évolutive).L’objectif du projet EXOKID, dont cette thèse est issue, est donc de permettre à davantage d’enfants atteints de paralysie cérébrale d’avoir accès à un système robotisé à anthropométrie adaptée. Ce système doit pouvoir évoluer en fonction de leur croissance et de l’évolution de leur pathologie afin d’améliorer leur marche tant dans un contexte de rééducation au sein de structures adaptées que dans leur mobilité quotidienne.L’enfant, atteint de cette paralysie cérébrale, doit être pris en charge le plus tôt possible. Le but est de permettre à ce que l’enfant apprenne à marcher : en effet, la plasticité cérébrale des enfants est plus importante que celle des adultes et permet potentiellement à l’enfant d’apprendre rapidement, malgré d’éventuelles lésions cérébrales.Deux sœurs jumelles, dont l’une est atteinte de PC spastique, ont été étudiées. Cette gémellité nous a permis d’avoir des anthropométries proches et d’utiliser les données de la jumelle saine comme référence pour améliorer la marche spastique de sa sœur.Cette thèse s’articule ainsi autour de deux grands champs : la biomécanique et la robotique. Une étude de l’impact de paralysie cérébrale spastique sur la marche humaine a été réalisée. Cette étude a été suivie par une modélisation de la marche spastique et de l’interaction entre un enfant atteint de PC spastique et un exosquelette dans le but d’améliorer la cinématique de l’enfant.Cette thèse a abouti à la modélisation personnalisée d’une marche spastique ainsi que d’un premier contrôle de cette marche, par le biais d’une interaction exosquelette-humain, afin de la faire converger vers une marche plus saine.Spastic cerebral palsy is a pathology that affects nearly one child in 500 at birth.This pathology creates numerous motor problems, particularly when walking, suchas involuntary movements due to muscular hypertonia, also called spasticity. Eachcerebral palsy has its own severity measured by different scales. Currently, very fewmotor aids are available for children, as the market for robotic aids focuses mainlyon adults (constant anthropometry and pathology that does not evolve much). Theobjective of the EXOKID project, from which this thesis stems, is therefore to allowmore children with cerebral palsy to have access to a robotic system with adaptedanthropometry. This system must be able to evolve according to their growth andthe evolution of their pathology in order to improve their walking both in the contextof rehabilitation within adapted structures and in their daily mobility. The child,suffering from this cerebral palsy, must be taken in charge as soon as possible. Theaim is to enable the child to learn to walk : indeed, the cerebral plasticity of childrenis more important than that of adults and potentially allows the child to learnquickly, despite possible cerebral lesions.Two twin sisters, one of whom has spastic PC, were studied. This twinhood allowedus to have close anthropometries and to use the data of the healthy twin as areference to improve the spastic gait of her sister. This thesis is thus articulatedaround two main fields : biomechanics and robotics. A study of the impact of spasticcerebral palsy on human walking was carried out. This study was followed by amodelling of a spastic walking and the interaction between a child suffering fromspastic cerebral palsy and an exoskeleton with the aim of improving the child’skinematics. This thesis resulted in the personalised modelling of a spastic gait anda first control of this gait, through an exoskeleton-human interaction, in order tomake it converge towards a healthier gait

Patient-exoskeleton interaction in the context of cerebral palsy in children

La paralysie cérébrale (PC) spastique est une pathologie qui touche près d'1 enfant sur 500 à la naissance. Cette pathologie crée de nombreux problèmes moteurs notamment lors de la marche (hyper-flexion du genou notamment) et se caractérise par une hypertonie musculaire. Chaque paralysie cérébrale a sa propre sévérité mesurée par différentes échelles. Actuellement, très peu d'aide motrice sont disponibles pour les enfants. Le marché des assistances robotisées se focalise principalement sur les adultes car ce sont des sujets plus ayant le moins d'évolution (pathologies qui ne changent pas, croissance terminée) et avec lesquels il est plus facile de travailler. L'objectif de ce projet est de permettre à d'avantage d'enfants atteints de paralysie cérébrale d'avoir accès à un système robotisé à anthropométrie adaptée afin d'améliorer leur marche tant dans un contexte de réeducation au sein de structures adaptées mais aussi au quotidien.L'enfant atteint de cette paralysie cérébrale doit être pris en charge le plus tôt possible. Le but est de permettre à ce que l'enfant réapprenne à marcher : en effet, la plasticité cérébrale des enfants est plus importante que celle des adultes et permet potentiellement à l'enfant d'apprendre rapidement.Le but de cette thèse est ainsi de comprendre l'impact de paralysie cérébrale spastique sur la marche humaine ainsi que de la modéliser. Une fois la modélisation réalisée par le biais de différentes expérimentations, une méthode de contrôle de cette spasticité est créée afin de corriger la cinématique pathologique de l'enfant.Cette thèse a abouti à la modélisation personnalisée d'une marche spastique ainsi que d'un premier contrôle de cette marche afin de la faire converger vers une marche plus saine.Spastic cerebral palsy (CP) is a pathology that affects nearly 1 in 500 children at birth. This pathology creates numerous motor problems, particularly when walking (hyper-flexion of the knee in particular) and is characterised by muscular hypertonia. Each cerebral palsy has its own severity measured by different scales. Currently, very few motor aids are available for children. The market for robotic aids is mainly focused on adults because they are the subjects with the least evolution (pathologies that do not change, growth completed) and with whom it is easier to work. The objective of this project is to allow more children suffering from cerebral palsy to have access to a robotic system with adapted anthropometry in order to improve their walking both in the context of rehabilitation within adapted structures and in everyday life. The aim is to enable the child to learn to walk again: indeed, the brain plasticity of children is greater than the one of adults and potentially allows the child to learn quickly.The aim of this thesis is to understand the impact of spastic cerebral palsy on human walking and to model it. Once the modelling is done through different experiments, a method to control this spasticity is created in order to correct the pathological kinematics of the child.This thesis resulted in the personalised modelling of a spastic gait and a first control of this gait in order to make it converge towards a healthier gait

Étude de la modélisation de la spasticité et de l’interaction patient-exosquelette dans le cadre de la paralysie cérébrale de l’enfant

National audienceLa paralysie cérébrale (PC) spastique est une pathologie qui touche près d’un enfant sur 500 à la naissance. Cette pathologie crée de nombreux problèmes moteurs notamment lors de la marche comme des mouvements involontaires due à une hypertonie musculaire appelée aussi spasticité. Chaque paralysie cérébrale a sa propre sévérité mesurée par différentes échelles. Actuellement, très peu d’aides motrices sont disponibles pour les enfants, le marché des assistances robotisées se focalisant principalement sur les adultes (anthropométrie constante et pathologie peu évolutive).L’objectif du projet EXOKID, dont cette thèse est issue, est donc de permettre à davantage d’enfants atteints de paralysie cérébrale d’avoir accès à un système robotisé à anthropométrie adaptée. Ce système doit pouvoir évoluer en fonction de leur croissance et de l’évolution de leur pathologie afin d’améliorer leur marche tant dans un contexte de rééducation au sein de structures adaptées que dans leur mobilité quotidienne.L’enfant, atteint de cette paralysie cérébrale, doit être pris en charge le plus tôt possible. Le but est de permettre à ce que l’enfant apprenne à marcher : en effet, la plasticité cérébrale des enfants est plus importante que celle des adultes et permet potentiellement à l’enfant d’apprendre rapidement, malgré d’éventuelles lésions cérébrales.Deux sœurs jumelles, dont l’une est atteinte de PC spastique, ont été étudiées. Cette gémellité nous a permis d’avoir des anthropométries proches et d’utiliser les données de la jumelle saine comme référence pour améliorer la marche spastique de sa sœur.Cette thèse s’articule ainsi autour de deux grands champs : la biomécanique et la robotique. Une étude de l’impact de paralysie cérébrale spastique sur la marche humaine a été réalisée. Cette étude a été suivie par une modélisation de la marche spastique et de l’interaction entre un enfant atteint de PC spastique et un exosquelette dans le but d’améliorer la cinématique de l’enfant.Cette thèse a abouti à la modélisation personnalisée d’une marche spastique ainsi que d’un premier contrôle de cette marche, par le biais d’une interaction exosquelette-humain, afin de la faire converger vers une marche plus saine.Spastic cerebral palsy is a pathology that affects nearly one child in 500 at birth.This pathology creates numerous motor problems, particularly when walking, suchas involuntary movements due to muscular hypertonia, also called spasticity. Eachcerebral palsy has its own severity measured by different scales. Currently, very fewmotor aids are available for children, as the market for robotic aids focuses mainlyon adults (constant anthropometry and pathology that does not evolve much). Theobjective of the EXOKID project, from which this thesis stems, is therefore to allowmore children with cerebral palsy to have access to a robotic system with adaptedanthropometry. This system must be able to evolve according to their growth andthe evolution of their pathology in order to improve their walking both in the contextof rehabilitation within adapted structures and in their daily mobility. The child,suffering from this cerebral palsy, must be taken in charge as soon as possible. Theaim is to enable the child to learn to walk : indeed, the cerebral plasticity of childrenis more important than that of adults and potentially allows the child to learnquickly, despite possible cerebral lesions.Two twin sisters, one of whom has spastic PC, were studied. This twinhood allowedus to have close anthropometries and to use the data of the healthy twin as areference to improve the spastic gait of her sister. This thesis is thus articulatedaround two main fields : biomechanics and robotics. A study of the impact of spasticcerebral palsy on human walking was carried out. This study was followed by amodelling of a spastic walking and the interaction between a child suffering fromspastic cerebral palsy and an exoskeleton with the aim of improving the child’skinematics. This thesis resulted in the personalised modelling of a spastic gait anda first control of this gait, through an exoskeleton-human interaction, in order tomake it converge towards a healthier gait

Étude de la modélisation de la spasticité et de l’interaction patient-exosquelette dans le cadre de la paralysie cérébrale de l’enfant

National audienceLa paralysie cérébrale (PC) spastique est une pathologie qui touche près d’un enfant sur 500 à la naissance. Cette pathologie crée de nombreux problèmes moteurs notamment lors de la marche comme des mouvements involontaires due à une hypertonie musculaire appelée aussi spasticité. Chaque paralysie cérébrale a sa propre sévérité mesurée par différentes échelles. Actuellement, très peu d’aides motrices sont disponibles pour les enfants, le marché des assistances robotisées se focalisant principalement sur les adultes (anthropométrie constante et pathologie peu évolutive).L’objectif du projet EXOKID, dont cette thèse est issue, est donc de permettre à davantage d’enfants atteints de paralysie cérébrale d’avoir accès à un système robotisé à anthropométrie adaptée. Ce système doit pouvoir évoluer en fonction de leur croissance et de l’évolution de leur pathologie afin d’améliorer leur marche tant dans un contexte de rééducation au sein de structures adaptées que dans leur mobilité quotidienne.L’enfant, atteint de cette paralysie cérébrale, doit être pris en charge le plus tôt possible. Le but est de permettre à ce que l’enfant apprenne à marcher : en effet, la plasticité cérébrale des enfants est plus importante que celle des adultes et permet potentiellement à l’enfant d’apprendre rapidement, malgré d’éventuelles lésions cérébrales.Deux sœurs jumelles, dont l’une est atteinte de PC spastique, ont été étudiées. Cette gémellité nous a permis d’avoir des anthropométries proches et d’utiliser les données de la jumelle saine comme référence pour améliorer la marche spastique de sa sœur.Cette thèse s’articule ainsi autour de deux grands champs : la biomécanique et la robotique. Une étude de l’impact de paralysie cérébrale spastique sur la marche humaine a été réalisée. Cette étude a été suivie par une modélisation de la marche spastique et de l’interaction entre un enfant atteint de PC spastique et un exosquelette dans le but d’améliorer la cinématique de l’enfant.Cette thèse a abouti à la modélisation personnalisée d’une marche spastique ainsi que d’un premier contrôle de cette marche, par le biais d’une interaction exosquelette-humain, afin de la faire converger vers une marche plus saine.Spastic cerebral palsy is a pathology that affects nearly one child in 500 at birth.This pathology creates numerous motor problems, particularly when walking, suchas involuntary movements due to muscular hypertonia, also called spasticity. Eachcerebral palsy has its own severity measured by different scales. Currently, very fewmotor aids are available for children, as the market for robotic aids focuses mainlyon adults (constant anthropometry and pathology that does not evolve much). Theobjective of the EXOKID project, from which this thesis stems, is therefore to allowmore children with cerebral palsy to have access to a robotic system with adaptedanthropometry. This system must be able to evolve according to their growth andthe evolution of their pathology in order to improve their walking both in the contextof rehabilitation within adapted structures and in their daily mobility. The child,suffering from this cerebral palsy, must be taken in charge as soon as possible. Theaim is to enable the child to learn to walk : indeed, the cerebral plasticity of childrenis more important than that of adults and potentially allows the child to learnquickly, despite possible cerebral lesions.Two twin sisters, one of whom has spastic PC, were studied. This twinhood allowedus to have close anthropometries and to use the data of the healthy twin as areference to improve the spastic gait of her sister. This thesis is thus articulatedaround two main fields : biomechanics and robotics. A study of the impact of spasticcerebral palsy on human walking was carried out. This study was followed by amodelling of a spastic walking and the interaction between a child suffering fromspastic cerebral palsy and an exoskeleton with the aim of improving the child’skinematics. This thesis resulted in the personalised modelling of a spastic gait anda first control of this gait, through an exoskeleton-human interaction, in order tomake it converge towards a healthier gait

Comparison of muscles activity of two twins, one with cerebral palsy

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Spasticity model based on muscular activations using genetic algorithm

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Spasticity model based on muscular activations using genetic algorithm

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A complete framework for personalised modeling and control of children's cerebral palsy

International audienceTwo 9 years old twin sisters, one with spastic cerebral palsy (C) and the other healthy (H) without any impairments, performed the pendulum drop test with EMG acquisitions. The purpose of this paper is to present a way to model the knee's spastic angular displacement of C and H using mechanical differential equations. Then, we propose a controller to correct the knee's angular displacement of C. and make it converge towards the one of H. To this end, we use a PID controller to correct the angular position. Both models of the spasticity and the controller were computed using a genetic algorithm (GA). Angular trajectories were modeled with a determination coefficient (R 2) higher than 95% for both spastic and non-spastic cases, and R 2 > 87% for the corrected angular position of C

Gait cycle modeling in cerebral palsy condition

International audienceAutonomous gait is a fundamental element for access to independent life and avoiding the de-socialization of people with motor disabilities. In this context, this research is part of the EXOKID project which aims at designing a personalized exoskeleton for children with cerebral palsy. For such personalisation, two 9 years old twin sisters, one with spastic cerebral palsy (C) and a healthy one (H) without any impairments, performed several walks with electromyography (EMG), kinematics and force acquisitions. This paper presents a model of the knee and hip's spastic angular displacement of C during a walk using mechanical differential equations. Two models were designed: one based on the timing of the muscular activation, the other where the timing is defined using a genetic algorithm (GA). These models highlight the spastic contributions of the muscles involved in the walk (agonists and antagonists of the joints studied) and their activations. The amplitude of the activations for both models was carried out using GA. Gait cycles were modeled with a determination coefficient (R 2) higher than 84% for both models

Spasticity model based on muscular activations using genetic algorithm

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