Estimating muscle forces in patients with cerebral palsy during walking using optimization approaches
Serebral palsili hastalarda yürüme sırasında kas kuvvetlerinin optimizasyon yaklaşımlarıyla tahmini
- Tez No: 846986
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERGİN TÖNÜK, PROF. DR. YUNUS ZİYA ARSLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 106
Özet
In vivo kas kuvveti ölçümü, sinir ve kas fonksiyonlarını etkileyebilecek invaziv teknikler gerektirdiğinden etik açıdan sorgulanabilmekte ve pratik olarak uygulanamamaktadır. Bu nedenle, kas kuvvetlerini hesaplamak için özellikle optimizasyon tekniklerine dayanan farklı teorik yaklaşımlar önerilmiştir. Kas kuvveti tahminleri, kas-iskelet sistemi özellikleri ve nöral kontroldeki çeşitlilik nedeniyle kişiye özel niteliklere duyarlıdır. Bu nedenle, belirli hareket bozuklukları bağlamında karşılaştırılmaları gerekebilir. Serebral palsili (SP) birçok kişi, aşırı diz ve kalça fleksiyonu ve ayak bileği dorsifleksiyonu ile karakterize bükük diz yürüyüşüne sahiptir ve bu da birçok hastanın yürüme yeteneğini kaybetmesine neden olmaktadır. Böylesi hasta grupları için kas kuvveti tahminleri klinik karar verme sürecine yardımcı olabilir. Birkaç çalışma, SP'li ve sağlıklı çocuklar için optimizasyon yöntemlerini EMG ile desteklenmiş yöntemlerle karşılaştırmış ve ikinci yaklaşımın daha üstün ve SP'deki değişmiş sinirsel kontrolü daha yansıtıcı bulunmuştur. Bununla birlikte, bu çalışmalar, fonksiyonel etkilenim seviyeleri de dahil olmak üzere bükük diz yürüyüşünü ele almamıştır. Uygulaması daha kolay olan optimizasyon yöntemleri de bu bağlamda karşılaştırılmamıştır. Bu nedenle, bu tezde yaygın olarak kullanılan iki optimizasyon yöntemi olan statik optimizasyon (SO) ve hesaplanmış kas kontrolü (CMC), SP'li hasta grubu için kuvvet tahminlerinin doğrulama performansı açısından karşılaştırılmıştır. SO'dan farklı olarak CMC, kas aktivitesi tahminleri üzerinde EMG tabanlı kısıtlamalara izin verir ve pasif kas kuvvetlerini ve aktivasyon-kasılma dinamiklerinin geçmişe bağımlılığını modeller. Her iki teknik de sağlıklı düzeyde yürüme için iyi çalıştığı bilinen fenomenolojik bir maliyet fonksiyonu kullanır. SP hastalarının kas aktivitesinin normalden uzaklaştığı ve bu uzaklaşmaya ilişkin bilgileri optimizasyona dahil etmeden kolayca tahmin edilemeyeceği göz önüne alındığında, tezde CMC tarafından tahmin edilen kas aktivitesinin EMG verilerine daha yakın olacağı varsayılmıştır. Ayrıca, daha yüksek çömelme şiddeti seviyelerinde kas aktivitesi giderek daha patolojik hale geldiğinden, CMC'nin orta ve şiddetli çömelme için SO'ya göre giderek daha üstün olması beklenmiştir. Hafif, orta ve şiddetli bükük diz yürüyüşüne sahip üçer hastadan toplam dokuz hastaya ait açık erişimli bir hareket analizi veri seti kullanılarak, kas kuvvetlerini ve aktivitesini tahmin etmek için OpenSim'in SO ve CMC araçları kullanılmıştır. Tahmin edilen kas aktivitesinin EMG ile nicel olarak karşılaştırılması yoluyla yapılan doğrulama, CMC'nin SO'ya göre üstünlüğü olmadığını ve fonksiyonel etkilenenim seviyesinin artması ile kas kuvvetlerinin kestirimin performasında önemli bir farklılık olmadığını ortaya koymuştur. Her iki tekniğin de yüksek başarılı bir doğrulama performansı sağlamadığı göz önüne alındığında, EMG ile bilgilendirilmiş yöntemler klinik uygulama için daha uygun olabilir.
Özet (Çeviri)
In vivo muscle force measurement is ethically questionable and practically infeasible since it requires invasive techniques which can impact nerve and muscle function. Therefore, different theoretical approaches have been proposed to calculate muscle forces, especially based on optimization techniques. Muscle force predictions are sensitive to subject population owing to diversity in musculoskeletal properties and neural control. Thus, they need to be compared in context, e.g., of specific movement disorders. Several people with cerebral palsy (CP) exhibit the crouch gait pattern characterized by excessive knee and hip flexion and ankle dorsiflexion, which leads many to lose walking ability. Muscle force estimates for this population can aid clinical decision-making. Several studies have compared optimization methods to EMG-informed methods (which employ more experimental information than the former) for children with CP and healthy children and deemed the latter superior and more reflective of the altered neural control in CP. However, these studies have not addressed crouch gait, including its severity levels. Nor have optimization methods, which are easier to implement, been compared in this context. Therefore, this thesis compared two commonly used optimization methods, static optimization (SO) and computed muscle control (CMC), in terms of the validation performance of their force predictions for this patient group. Unlike SO, CMC allows EMG-based constraints on muscle activity predictions and models passive muscle forces and the history dependency of activation-contraction dynamics. Both techniques use a phenomenological cost function known to work well for healthy level walking. Given the departure of CP patients' muscle activity from normal that may not be easily predicted without incorporating information on this departure into the optimization, the thesis hypothesized that CMC-predicted muscle activity would be closer to EMG data. Additionally, since muscle activity is increasingly pathological in higher crouch severity levels, CMC was expected to be increasingly superior to SO for moderate and severe crouch. Using an open-access motion analysis dataset of nine subjects, uniformly divided into mild, moderate, and severe crouch, OpenSim's SO and CMC tools were used to estimate muscle forces and activity. Validation through a quantitative comparison of predicted muscle activity with EMG revealed no superiority of CMC over SO nor any major improvements in validation performance with crouch severity. Given that neither provided excellent validation performance, EMG-informed methods may be better suited for clinical implementation.
Benzer Tezler
- Biyomagnetik olaylar
Başlık çevirisi yok
M.TOGAN ÇANDIR
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. İNCİ AKKAY
- İnsanın iki kolunun ortak hareketi esnasında oluşan eklem momentlerinin elektromyografi sinyalleri yardımıyla analizi
The analysis of joint torques during bimanual manipulation of two human arms by using EMG signals
YUNUS ZİYA ARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
Makine Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. MEHMET ARİF ADLI
PROF.DR. NURKAN YAĞIZ
- Diz ortezi giymiş insan kas iskelet örneği üzerinde derin pekiştirmeli öğrenmeyle yürüme öğrenmesi
Learning to walk on a human musculoskeletal model wearing a knee orthosis via deep reinforcement learning
ÖMER KAYAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜLYA YALÇIN
- Ön kol kas kuvvetlerinin EMG sinyalleri ile belirlenmesi ve yapay sinir ağlarıyla tahmini
Determining front arm muscular strengths with EMG signals and estimating artificial neural networks
ÇAĞATAY TAŞDEMİRCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
BiyomühendislikKocaeli ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YASİN KİŞİOĞLU
- EMG işaretlerinden motor birim aksiyon potansiyellerinin ayrıştırılması
Decomposition of motor unit action potantials from EMG signals
İBRAHİM MUSTAFA EKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. TEMEL KAYIKÇIOĞLU