El titreme etkilerini uç nokta konum regülasyonu ile azaltan iki serbestlik dereceli deneysel akıllı bardak platformunun tasarımı, modellenmesi ve kontrolü
Design, modelling and control of a two degrees of freedom experimental smart glass platform to reduce hand tremor effects with using endpoint position regulation
Yazar: ESRA KAYA AYANA
Danışman: PROF. DR. ŞEREF NACİ ENGİN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ CLAUDIA FERNANDA YAŞAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Titreme hastalığı olarak tanımlanan tremor, insan vücudunun belirli bir bölgesinde veya uzvunda istemsiz ve ritmik hareketlere sebep olan nörolojik bir problemdir. El, kol, bacak, baş veya ses tellerinde görülebilen titreme veya tıp dilindeki karşılığıyla "tremor", oluştuğu bölgede kontrol edilemeyen vücut hareketlerine sebep olmaktadır. Bu kontrol edilemeyen vücut hareketleri, tremoru olan kişilerin günlük yaşamında zorluklara sebep olmakta ve kişilerin yaşam kalitesini düşürmektedir. Tremor, oluşma sebeplerine göre dinlenme ve hareket anındaki tremor, esansiyel tremor, ikincil tremor ve psikolojik nedenlerle ortaya çıkan tremor olmak üzere farklı sınıflara ayrılmaktadır. Tremor problemine yönelik araştırmaların başlangıcı çok eski tarihlere dayanmasına rağmen, modern tıp alanında yürütülen çalışmaların tarihi 19. yüzyılın ortalarına uzanmaktadır.
James Parkinson tarafından 1817 yılında ilk kez tanımı yapılan Parkinson hastalığı, çoğunlukla hastalar tarafından fark edilmeden yavaş ilerleyen ve beyindeki dopamin eksikliğinden kaynaklanan nörolojik bir rahatsızlık olup dinlenme anındaki el tremoru ile başlayan ve hastada kas sertliği ve denge kaybına sebep olan hareket bozukluğu durumudur. Parkinson hastalarına yönelik tedavi yöntemleri, tıptaki ilerlemeler ile birlikte ilaç tedavisi, derin beyin stimülasyonu, cerrahi müdahaleler ve rehabilitasyon programları olarak çeşitlenmiştir. Parkinson hastasının yaşı, tremorun türü ve şiddetinin belirlenmesiyle uygun tedavi yönteminin seçilmesi tedavinin başarısında etkilidir.
Mühendislik alanındaki gelişmeler sayesinde Parkinson hastalarına yönelik uygulanan tedavi yöntemlerinde ve rehabilitasyon araçlarında iyileştirmeler yapılmış ve hastaların kullanabileceği teknolojik cihazlar üretilmiştir. Bunlar arasında yapay zekâ destekli tedavi yöntemleri, giyilebilir teknolojiye sahip cihazlar ve sensörler, mekanik tasarım ürünleri ve robotik teknolojiler en yaygın gelişmelerdendir. Bu gelişmelerle Parkinson hastalarının günlük yaşamlarında karşılaştıkları zorlukların azaltılması ve yaşam kalitelerinin artması hedeflenmiştir.
Bu tez çalışmasında, iki serbestlik derecesine (Two Degrees of Freedom-(2-DOF)) sahip bir akıllı bardağın uç nokta kontrolü ile Parkinson hastalarında görülen el titremesinin olumsuz etkilerinin en aza indirilmesi ve hastanın bardağın içerisindeki sıvıyı dökmeden içmesi hedeflenmektedir. Akıllı bardak sisteminde bulunan iki adet enkoderli, redüktörlü doğru akım (Direct Current-DC) motorunun ve iki adet ivmesel ölçme birimi (Inertial Measurement Unit-IMU) sensörün entegrasyonu ile pasif kontrol teknoloji grubundan ayrılarak, aktif kontrol teknoloji grubuna giren bu çalışmada gerçekleştirilen tasarım, simülasyon ve gerçek zamanlı uygulamalar için gerekli yazılım ve donanım kısımları ilgili bölümlerde detaylı olarak verilmiştir.
Gerçek zamanlı uygulama ile akıllı bardak sisteminin pratikte uygulanabilirlik durumunun deneysel olarak incelenmesine ve performans yanıtlarında gerekli iyileştirmelerin yapılmasına imkân tanınmaktadır. Akıllı bardak, iç içe geçmiş iki adet kapalı çevrim döngü içerir. İç çevrim, enkoderli ve redüktörlü doğru akım motorlarının konum kontrolünü gerçekleştirirken dış çevrim ise iç çevrim çıktılarını kullanarak akıllı bardağın uç nokta kontrolünü gerçekleştirir.
Bu tez, Parkinson tremoru alanında devam eden araştırma ve geliştirmelerin giderek daha fazla sayıda hastaya fayda sağlayacak teknolojik çözümlerle sonuçlanabileceğini göstermeyi amaçlamaktadır.

Abstract:
Tremor, an involuntary and rhythmic shaking movement in a part of the body, is a common neurological symptom. It can affect the hand, arm, leg, head, or vocal cords, causing uncontrollable movements that disrupt daily activities and reduce quality of life. Tremor is divided into different classes according to the causes of its occurrence, which includes tremor at rest and during movement, essential tremor, secondary tremor and tremor caused by psychological reasons. While the study of tremor dates back to old times, modern medical research began in the mid-19th century.
Parkinson's disease, which was first described by James Parkinson in 1817, is a neurological disorder caused by dopamine deficiency in the brain that progresses slowly and often goes unnoticed by patients. It is a movement disorder that starts with hand tremor at rest and causes muscle stiffness and loss of balance in the patient. Advancements in medicine have led to diverse treatment options for Parkinson's patients, including drug therapy, deep brain stimulation, surgery, and rehabilitation programs. Choosing the most appropriate treatment depends on the patient's age, the type and severity of tremor, and other factors.
Technological advancements have enabled the development of assistive devices, improved treatment strategies, and provided Parkinson's patients with better rehabilitation tools. These advancements include artificial intelligence-assisted treatment methods, wearable technology with sensors, mechanical aids, and robotic technologies. These developments aim to reduce the difficulties faced by Parkinson's patients in their daily lives and improve their quality of life.
This PhD thesis focuses on minimizing the negative effects of hand tremor in Parkinson's patients. It proposes a smart glass system with two degrees of freedom (2-DOF) that uses endpoint control to allow patients to drink from a cup without spilling. The system integrates two Direct Current (DC) motors with encoders and gearboxes, along with two Inertial Measurement Unit (IMU) sensors. The design, simulation, and real-time application of both the software and hardware components are presented in detail in the following chapters.
The real-time implementation allows for experimental evaluation of the smart glass system's practical applicability and identification of areas for performance improvement. The smart glass contains two nested closed-loops. The inner loop performs the position control of the DC motors with encoders and gearboxes, while the outer loop performs the endpoint control of the smart glass using the outputs of the inner loop.
This thesis aims to demonstrate that continued research and development in Parkinson's tremor can result in increasingly convenient technological solutions leading to benefiting an expanding number of patients.