ODTÜ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜNDE BİYOMEKANİK ARAŞTIRMALARI

1. ORTA DOĞU TEKNİK ÜNİVERSİTESİ – Makina Mühendisliği Bölümü ODTÜ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜNDEBİYOMEKANİK ARAŞTIRMALARI Turgut Tümer ODTÜ Kuzey Kıbrıs Kampusu tumer@metu.edu.tr Boğaziçi Üniversitesi 11 Kasım 2005 İstanbul

2. ODTÜ Makina Mühendisliği BölümündeBiyomekanik Araştırmalar - 1 • Yürüyüş Analizi • Kiss Yürüyüş Analizi Sistemi • Klinik Uygulamalar • Bilgi Sistemi (Yeni – CEng ile) • Biyomekanik Modelleme: • Eklemler: Diz Eklemi, Omuz Kompleksi • Aktiviteler: Yük kaldırma, zıplama, tekerlekli sandalye ile hızlanma • Postür Dinamiği ve Stabilitesi (ES ile) • Fizyolojik Kontrol (Yeni - ES ile: Clonus) • Spor Biyomekaniği:Okçulukta parmak ekstansiyonu, voleybolda zıplama, ..

3. ODTÜ Makina Mühendisliği BölümündeBiyomekanik Araştırmalar - 2 • Yumuşak Doku Mekanik Özellikleri • Indentör tasarım ve imalatı • Ampute güdük için soket tasarımına uygulaması • Ortopedi / Anatomi: • Fibula hareketinin araştırılması • Tibio-fibular eklemindeki yeni bir ligamanın işlevi • Dirsekteki annular ligamanın biyomekanik işlevi • Distal femur ve proksimal tibianın menisküs yırtılmalarına etkisi • Tıbbi görüntülemeden yüzey modelleme • Dental implantlar:Kemik-protez etkileşimi, Tork ölçme cihazı

4. Yürüyüş Analiziİnsan yürüyüşü ile ilgilimekanik (kuvvet ve hareket) parametrelerin saptanması. Temel Amaç Normal yürüyüşü sayısal verilerle, bireysel farklılıklardan bağımsız olarak tanımlamak. Normalden farklı yürüyüş şeklini, bu farklılığın altında yatan patoloji veya fonksiyonel adaptasyon ile ilişkilendirmek.

5. Yürüyüş Analizi – Biyomekanik parametreler Zaman-uzaklık parametreleri: Kadans, hız, adım uzunluğu, iki-adım uzunluğu, yürüyüş çevriminin zamanlaması,... Yer tepki kuvvetleri Eklem açıları (ayak bileği, diz, kalça) Eklem momentleri Eklem güçleri Pelvis hareketi Enerji harcanımı (mekanik / metabolik) EMG kayıtları

6. ODTÜ Yürüyüş Analizi Sistemi - KISS Hareket ölçümü İşaret noktaları 6 IR video kamera Kuvvet ölçümü 2 Kuvvet platformu Yardımcı ekipman Kalibrasyon, linearizasyon Modele dayalı hesaplamalar EMG

7. Kuvvet Platformları:Yer Tepki Kuvvet ve Momentleri

8. Linearizasyon Marker Seti Kalibrasyon

9. ODTÜ Yürüyüş Analizi Sistemi – KISS Yazılım Veri Toplama: KISS-DAQ Arayüz (Veri kayıt, kalibrasyon, linearizasyon) Kamera görüntülerinin işlenmesi (2-boyutlu marker koordinatları) Marker eşleşmesi (3-boyutlu marker koordinatları) Marker yörüngelerinin saptanması Yürüyüş Analizi: KISS-GAIT Protokol Biyomekanik model Kullanıcı arayüzü

10. Sub-marker and overlap tests With all advanced test No advanced tests Sub-marker test Piksel Gruplama ve Marker Tanıma

11. 2- Boyutlu kamera görüntüleri

12. Kamera-r Kamera-s Görüntü -i Uzaysal eşleşme Zamansal eşleşme Zamansal eşleşme Görüntü -i+1 Marker eşleştirme

13. 3-Boyutlu marker hareketleri

14. Marker yörüngeleri

15. Antropometrik Ölçümler Kuvvet Platformu Kayıtları EMG Kayıtları Kalibrasyon noktalarının gerçek koordinatları Uzuv Modeli ÇIKTI Kalibrasyon noktalarının kamera görüntü koordinatları Uzuv parametreleri Eklem moment ve güçleri Kinetik Model Kamera Kalibrasyonu Eklem hız ve ivmeleri ÇIKTI Yürüyüş Deneyi: Marker görüntü koordinatları Marker Eşleştirme Nümerik Türev StatikGörüntü Eklem açıları ÇIKTI Marker Yörüngeleri Uzuvların 3-boyutlu kinematiği Sayısal Filitre Eklem Modeli Uzuvların bağıl hareketleri

16. Statik Görüntü

17. Yürüyüş Deneyi

18. KISS Protokolü:İşaret (referans) noktaları

19. Biyomekanik modelleme

20. Gait Analysis Software: KISS-GAIT

21. Gait Analysis Software: KISS-GAIT

22. KISS-GAIT : Joint Angles

23. KISS-GAIT : Joint Moments

24. Yürüyüş Analizinin Kullanım Alanları (1/2) Klinik Araştırma Çeşitli hastalıkların nedenlerinin ve/veya etkilerinin araştırılması (Çocuk felci, romatizma, omurilik hasarları, beyin zedelenmeleri, kemik kırıkları, bağ kopuşları, vb.) Çeşitli tedavi yöntemlerinin sonuçlarının incelenmesi ve yöntemlerin karşılaştırılması Yeni tedavi yöntemlerinin geliştirilmesi Yeni protez ve ortez cihazlarının geliştirilmesi

25. Yürüyüş Analizinin Kullanım Alanları (2/2) Klinik Uygulama Tanı koyma Tedavi yöntemiyle ilgili karar alma (amaliyat / konservatif tedavi) Tedavi sonucu izleme / değerlendirme Fonksiyonel adaptasyonu primer patalojiden ayırdetme Uygun ortodik cihaz seçimi Protez ayarları

26. İntraartiküler kalkaneus kırığı Kırık Normal (49 yaşında, Erkek, Sağ, Konservatif tedavi) Eklem Momenti Eklem Gücü

27. Talektomi Eklem Momentleri Kırık Normal (31 yaşında, Erkek, Sol, Talektomi sonrası tibiotalar artrodez) Plantar fleksiyon Kalça abduksiyon

28. Gonartroz Eklem Açıları (Diz fleksiyonu) Normal Artroz (74 yaşında, Erkek, Bilateral, Cerrahi öncesi)

29. Serebral Paralizi Eklem Açıları Normal Diz fleksiyonu Ayak dorsal fleksiyonu Pelvik rotasyon Kalça fleksiyonu (Sağ hemiplejik CP, 11 yaşında, Erkek) Serebral paralizi

30. Hareket Analizi sistemlerinin farklı uygulama alanları • Postür analizi (kuvvet platformu) • Tekerlekli sandalyede hızlanma (görüntü) • Yük kaldırma sırasında L5/S1 eklemine etkiyen kuvvetler (kuvvet platformu, görüntü) • Okçulukta parmak ekstansiyonu (EMG) • Voleybolda zıplama tekniği (kuvvet platformu, görüntü) • Klonus’da reaksiyon zamanı (görüntü)

31. Temel sorunlar ve sınırlamalar (1/2) Yüksek yatırım maliyeti Yüksek teknik beceri ve deneyim gereksinimi Zaman alıcı testin uygulanması veri düzenleme işlemleri Sonuçların yorumundaki güçlükler Henüz bir çok kas-iskelet ve nörolojik hastalıklar için yeterli klinik araştırma yapılmamış, YA’nin standart bir klinik ugulama haline gelmemiş olması Klinisyenlerin ve mühendislerin ortak çalışması gereği

32. Temel sorunlar ve sınırlamalar (2/2) Farklı laboratuvarlarda yapılan analizleri karşılaştırmadaki güçlükler (protokol ve yöntem farklılıkları) Sonuçların güvenilirliği ve tekrar edilebilirliği (hata ve hassasiyet sorunları) Anatomik referans noktalarının palpe edilmesi Yumuşak doku hareketleri Yöntemden kaynaklanan teknik sınırlamalar: Görüntü alma sisteminin hızı ve çözünürlüğü Rijit cisim varsayımı ve basitleştirimiş eklem modeli Veri filitreleme ve sayısal türev alma işlemleri (hız ve ivme hataları)

33. Hareket Beyin Deformasyon Kuvvet İskelet & Yumuşak Doku Sinyal Kas & Tendon Omurilik Kas Modeli Boy, Hız Proprioseptif geri besleme Kuvvet Yakın duyu geri besleme (vestibular, somato sensor) Çevre Uzak duyu geri besleme (görsel, işitsel, vb.) Mekanik Model Denetim Modeli İnsan hareketi için modeller

34. Diz Ekleminin Dinamik Modeli

35. Sayısal MR Verileri: Martelli, Italya Üç Boyutlu Statik Diz Modeli (1/5)(Ahmer Erdemir, Master Tezi, ODTÜ, 1998) Tibia Platoları: Düzlem Femur Kondilleri: Elipsoid

36. 4 Ligament + Kapsül  16 sertleşen yay Üç Boyutlu Statik Diz Modeli (2/5) Yayların serbest uzunlukları: 1- Ortalama diz hareketi zarfı sırasında (Walker), maksimum uzunlukta deneysel maksimum gerilme değeri elde edilecek şekilde ayarlandı. 2- Powel optimizasyon yöntemiyle, deneysel ön-arka ve iç-dış laksite değerlerinden (Mommersteeg) en az sapmayı veren değerler bulundu

37. İki Temas algoritması geliştirildi: • 1- İki noktada rijit temas modeli • 16 bilinmeyen (6 bağıl konum, 2x4 temas noktası, 2 temas kuvveti) • 16 denklem (6 denge, 2x3 ortak temas noktası koşulu, 2x2 ortak temas normali koşulu) Üç Boyutlu Statik Diz Modeli (3/5) • 2- Elastik temas modeli (Blankevoort) • 6 bilinmeyen (bağıl konum parametreleri) • 6 denklem (denge denklemleri)

38. İki Boyutlu Normal – Üç Boyutlu Normal – Üç Boyutlu Ön İç Bağı Kopuk Diz Üç Boyutlu Statik Diz Modeli (5/5)

39. Yük kaldırmada L5/S1 eklem kuvveti

40. Omuz İçin Kinematik Model(Geometrik hareket sınırları – Joint sinus cone ) Dempster (1965): Kadavra Çalışması

41. Canlı Yumuşak Dokuların Malzeme Özelliklerinin Araştırılması (Gülhane Askeri Tıp Akademisi Ortopedi ve Travmatoloji Anabilim Dalı ve Protez-Ortez Laboratuarı ile) • Diz altı amputasyon cerrahisi geçirmiş gönüllü bireylerin amputasyon güdüğü- protez soketi mekanik etkileşimini daha iyi anlayabilmek için kas-iskelet sistemi ile protez soketi arasındaki tek arayüzü oluşturan yumuşak dokuların karmaşık mekanik malzeme özellikleri hakkında daha ayrıntılı bilgi edinmek için yumuşak doku deneyleri yapacak bir cihaz tasarlanmış ve üretilmiştir. • Aynı cihaz ile in vivo veya in vitro yumuşak doku deneyleri yapılabilir.

42. Dental İmplantlar • Değişik tipte implantların kemikle etkileşiminin bilgisayar ortamında modellenmesi

43. Tıbbi Görüntüleme Tekniklerinden Üç Boyutlu Model Oluşturma • Bilgisayarlı tomografi, manyetik rezonans gibi tıbbi görüntüleme yöntemlerinden üç boyutlu katı model oluşturulması

44. Alt Ekstremite Deformitelerinin Belirlenmesi ve Fibulanın Dinamik Fonksiyonlarının Araştırılması(Dr. Muhittin Ülker Acil Yardım ve Travmatoloji Hastanesi, Ankara Üniversitesi Anatomi Anabilim Dalı) • Taze kadavralarda ayak bileği hareketi ile fibulanın tibiaya göre bağıl hareketinin araştırılması için bir aparat tasarımı, üretimi ve kullanımı

45. Alt Ekstremite Deformitelerinin Belirlenmesi ve Fibulanın Dinamik Fonksiyonlarının Araştırılması(Dr. Muhittin Ülker Acil Yardım ve Travmatoloji Hastanesi, Ankara Üniversitesi Anatomi Anabilim Dalı) • Bu çalışmalar sırasında daha önce dokümante edilmemiş meniskofibular ligaman “keşfedildi”.

46. ORTA DOĞU TEKNİK ÜNİVERSİTESİ – Makina Mühendisliği Bölümü dinlediğiniz için teşekkürler... tumer@metu.edu.tr