Alt ekstremite ampute ve replant hastalarının motor ve bilişsel hareketlerinin fnırs temelli analizi
Fnirs-based analysis of motor and cognitivemovements in lower limb amputee and replantation
- Tez No: 941142
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞÜKRÜ ÖZEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Akdeniz Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Bu tez çalışmasında, alt ekstremite amputasyonu ve replantasyonu geçirmiş bireylerde motor hareket ve motor imgeleme görevleri sırasında oluşan kortikal aktivasyon örüntüleri, sağlıklı bireylerle karşılaştırmalı olarak fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS) yöntemiyle değerlendirilmiştir. Çalışmaya, yaş ortalaması 32,33 ± 6,81 olan, sağ taraf baskın 15 sağlıklı birey (10 erkek, 5 kadın) ile çeşitli seviyelerde alt ekstremite amputasyonu ve replantasyonu geçirmiş toplam 9 hasta katılmıştır. Katılımcılara ayak başparmağı, ayak bileği, diz ve kalça eklemlerini içeren toplam 40 farklı motor ve motor imgeleme görevi uygulanmıştır. Öncelikle alt ekstremiteye özgü motor ve motor imgeleme görevlerinin analizine uygun bir kanal konfigürasyonu oluşturulmuştur. 8 kaynak ve 8 dedektörden oluşan sistemde, toplam 21 optik kanal belirlenmiş ve fNIRS verileri kaydedilmiştir. Kanal yerleşimleri, motor korteksin alt ekstremiteyi temsil eden medial yüzeylerine ve birincil somatosensoriyel alanlara odaklanacak şekilde optimize edilmiştir. Veri işleme sürecinde enstrümantal, fizyolojik ve hareket kaynaklı artefaktlar ön işleme sürecinde uygun filtreleme ve düzeltme yöntemleriyle giderilmiştir. Kanal planlamasında M1-bacak, premotor alan, birincil somatosensoriyel korteks ve somatosensoriyel ilişki korteksine karşılık gelen bölgeler önceliklendirilmiştir. Böylece hem sağ hem de sol hemisferde motor aktiviteyi detaylı olarak incelemeye imkân veren, nöroanatomik olarak hedeflenmiş bir konfigürasyon oluşturulmuştur. Bu çalışmada, özellikle, premotor ve ek motor alanlar, birincil motor korteks, birincil somatosensoriyel ve ilişki kortekslerinin reorganizasyon sürecindeki rollerine odaklanılmıştır. Toplam 40 farklı motor ve motor imgeleme görevi (10 sağ motor, 10 sol motor, 10 sağ imgeleme, 10 sol imgeleme) ayak baş parmağı, ayak bileği, diz ve kalça eklemlerini kapsamaktadır. Öncelikle motor görevler ve sonrasında gözler kapalı biçimde sesli komutla yürütülen motor imgeleme görevleri gerçekleştirilmiştir. Tüm görevler, blok tasarımıyla 5 saniye dinlenme, 8 saniye hareket, 8 saniye dinlenme biçiminde 4 tekrarla şeklinde tasarlanmıştır. fNIRS verilerinin analizinden önce, sinyalleri etkileyebilecek farklı kaynaklı gürültü ve artefaktların ortadan kaldırılması amacıyla kapsamlı bir ön işleme süreci uygulanmıştır. Bu ön işleme sürecinde cihaza özgü yüksek frekanslı enstrüman gürültüsünü ortadan kaldırmak amacıyla düşük geçişli filtreleme gerçekleştirilmiş, fizyolojik sinyallerden kaynaklanan artefaktları (kalp atımı, solunum, Mayer dalgaları) bastırmak için ise 0,01–0,20 Hz frekans aralığında bant geçiren filtre kullanılmıştır. Baş hareketleri gibi deneysel kaynaklı artefaktları düzeltmek amacıyla dalgacık tabanlı filtreleme, spline enterpolasyonu ve Savitzky-Golay yöntemlerinin birlikte kullanıldığı hibrit bir yaklaşım kullanılmıştır. Dalgacık tabanlı yöntem ani ve keskin sinyal bozulmalarını giderirken, spline enterpolasyon sinyaldeki düşük frekanslı kaymaları düzeltmede; Savitzky-Golay filtresi ise yüksek frekanslı gürültüyü yumuşatmada etkili olmuştur. Analizler, istatistiksel testler ve kontrast haritaları temel alınarak gerçekleştirilmiş; böylece hem grup düzeyinde anlamlı farkların belirlenmesi hem de bu farkların mekânsal olarak kortikal düzeyde görselleştirilmesi sağlanmıştır. Çalışmada elde edilen bulgular, alt ekstremite amputasyonu sonrası kortikal aktivitenin birincil motor korteksten somatosensoriyel kortekse doğru kaydığını ve bu durumun nöroplastik reorganizasyon süreçlerinin bir göstergesi olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca, replantasyon geçirmiş bireylerde kortikal aktivasyon paternlerinin sağlıklı bireylerden farklılaştığı ve yeniden şekillenmiş temsillerin oluştuğu gözlemlenmiştir. Kontrast haritalar, istatistiksel analizlerin ötesinde mekânsal farkları net biçimde yansıtarak reorganizasyonun daha ayrıntılı olarak izlenmesine olanak sağlamıştır. Motor imgeleme görevleri sırasında ise hem ampute hem de replant bireylerde, sağlıklı bireylere kıyasla daha geniş ve yaygın bir kortikal aktivasyon profili tespit edilmiştir. Özellikle somatosensoriyel alanlardaki aktivite artışları, duyusal-motor entegrasyon süreçlerinin de nöroplastisite kapsamında yeniden yapılandığını göstermiştir. Kanal bazlı zaman serisi veri analizleri ise ampute bireylerde zamanlama epokları açısından da yeniden yapılanmaya işaret etmektedir. Sonuç olarak, bu tez çalışması; alt ekstremite amputasyonu ve replantasyonu sonrası beyin organizasyonunun hem yapısal hem de işlevsel olarak yeniden şekillendiğini, bu süreçlerin fNIRS yöntemiyle güvenilir şekilde izlenebildiğini ve elde edilen verilerin bireyselleştirilmiş rehabilitasyon yaklaşımlarının geliştirilmesinde yol gösterici olabileceğini ortaya koymuştur. Ayrıca çalışma, fNIRS'in alt ekstremiteye özgü motor görevlerdeki duyarlılığını vurgulayarak, gelecekteki beyin-bilgisayar arayüzleri ve nöroteknolojik uygulamalara önemli katkılar sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
In this thesis study, cortical activation patterns during motor execution and motor imagery tasks were evaluated using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) in individuals who had undergone lower limb amputation and replantation, in comparison with healthy individuals. The study included a total of 15 healthy participants (10 males, 5 females) with a mean age of 32.33 ± 6.81 years and right-side dominance, along with 9 patients who had undergone lower limb amputation and replantation at various levels. Participants performed a total of 40 different motor and motor imagery tasks involving the toe, ankle, knee, and hip joints. First, a channel configuration suitable for analyzing lower limb-specific motor and motor imagery tasks was established. In the system consisting of 8 sources and 8 detectors, a total of 21 optical channels were defined, and fNIRS data were recorded. Channel placements were optimized to target the medial surfaces of the motor cortex representing the lower limb and the primary somatosensory areas. During data processing, instrumental, physiological, and motion-related artifacts were eliminated through appropriate filtering and correction methods in the preprocessing stage. The channel planning prioritized regions corresponding to the M1-leg area, premotor cortex, primary somatosensory cortex, and somatosensory association cortex. In this way, a neuroanatomically targeted configuration enabling detailed examination of motor activity in both the left and right hemispheres was achieved. This study particularly focused on the roles of the premotor and supplementary motor areas, primary motor cortex, primary somatosensory cortex, and association cortices in the reorganization process. The 40 motor and motor imagery tasks (10 right motor, 10 left motor, 10 right imagery, 10 left imagery) covered the toe, ankle, knee, and hip joints. Initially, the motor tasks were performed, followed by motor imagery tasks conducted with eyes closed under auditory instruction. All tasks were designed in a block paradigm consisting of 5 seconds of rest, 8 seconds of activity, and 8 seconds of rest, repeated four times. Before analyzing the fNIRS data, a comprehensive preprocessing pipeline was applied to eliminate noise and artifacts from various sources that could affect the signals. A low-pass filter was applied to remove device-specific high-frequency instrumental noise, and a band-pass filter in the range of 0.01–0.20 Hz was used to suppress physiological artifacts (such as heartbeat, respiration, and Mayer waves). To correct for motion artifacts such as head movements, a hybrid approach was adopted that combined wavelet-based filtering, spline interpolation, and Savitzky-Golay smoothing. While the wavelet-based method effectively removed abrupt and sharp signal distortions, spline interpolation corrected low-frequency drifts, and the Savitzky-Golay filter was effective in smoothing high-frequency noise. Analyses were conducted based on statistical tests and contrast maps, allowing for the identification of significant group-level differences and their spatial visualization at the cortical level. The findings of the study revealed that, following lower limb amputation, cortical activity shifted from the primary motor cortex to the somatosensory cortex, indicating a process of neuroplastic reorganization. Moreover, in individuals who had undergone replantation, cortical activation patterns differed from those of healthy individuals, with evidence of reshaped cortical representations. Contrast maps provided a clear spatial depiction of these differences beyond statistical results, enabling a more detailed tracking of reorganization. During motor imagery tasks, both amputee and replanted individuals exhibited a broader and more widespread cortical activation profile compared to healthy participants. Increased activity particularly in the somatosensory areas suggested that sensory-motor integration processes were also restructured within the scope of neuroplasticity. Channel-based time series data analyses also suggested reorganization in terms of temporal epochs in amputee individuals. In conclusion, this thesis demonstrates that brain organization undergoes both structural and functional reconfiguration following lower limb amputation and replantation. These processes can be reliably monitored using the fNIRS method, and the obtained data have the potential to guide the development of individualized rehabilitation approaches. Furthermore, the study emphasizes the sensitivity of fNIRS in detecting motor tasks specific to the lower limb, offering significant contributions to future brain-computer interface applications and neurotechnological developments.
Benzer Tezler
- Alt ekstremite hastalarında motor hareketlerin sEMG tabanlı analizi ve değerlendirilmesi
sEMG-based analysis and evaluation of motor movements in lower extremity patients
BUKET ŞİMŞEK
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAkdeniz ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER HALİL ÇOLAK
- Ampute yüzücülerde kinetik ve kinematik parametrelerdeki değişimin performansa etkisi
The effects of kinetic and kinematic parameter changes on front crawl performance in amputee swimmers
NEJLA GERÇEK
- Tek taraflı diz altı ampüte olan hastalarda ampüte taraf ile sağlam tarafın femoral kıkırdak kalınlığı, kuadriseps kas boyutu ve peroneal sinir boyutu açısından ultrason ve direk grafi ile incelenmesi
Başlık çevirisi yok
HANDE ORAY
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2020
Fiziksel Tıp ve RehabilitasyonSağlık Bilimleri ÜniversitesiFiziksel Tıp ve Rehabilitasyon Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KORAY AYDEMİR
- Alt ekstremite ampute hastalarda diz kıkırdak kalınlığının ultrasonografik değerlendirmesi ve klinik parametrelere etkisi
Ultrasonographic evaluation of femoral cartilage thickness among lower extremity amputee i̇ndividiuals and effect on clinic parameters
HABİP CAN KÜÇÜK
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2019
Fiziksel Tıp ve RehabilitasyonSağlık Bilimleri ÜniversitesiFiziksel Tıp ve Rehabilitasyon Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NAZLI DERYA BUĞDAYCI
- Alt ekstremite ampute hastalarda konvansiyonel tedaviye eklenen fonksiyonel kapalı kinetik zincir egzersizlerinin dinamik denge üzerine etkisinin araştırılması
Investigation the effect of functional ckc exercises on dynamic balance with conventional treatment in patients with lower extremity amputation
GÜL İŞLER
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2017
Fiziksel Tıp ve RehabilitasyonPamukkale ÜniversitesiFiziksel Tıp ve Rehabilitasyon Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NURAY AKKAYA