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

ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümünde Biyomekanik 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, ..

ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümünde Biyomekanik 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

Yürüyüş Analizi İnsan yürüyüşü ile ilgili mekanik (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.

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

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

Kuvvet Platformları: Yer Tepki Kuvvet ve Momentleri

Linearizasyon Marker Seti Kalibrasyon

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

Piksel Gruplama ve Marker Tanıma With all advanced test Sub-marker and overlap tests Sub-marker test No advanced tests Some results: - simple marker identification - with sub-marker detection. - with sub-marker and overlap detection. - previous & with size limits Now we have marker-image coordinates (2D) for each frame of each camera. Two types of matching are required: - Frame to Frame - Camera to Camera these are...

2- Boyutlu kamera görüntüleri

Marker eşleştirme Uzaysal eşleşme Zamansal eşleşme Görüntü - i Kamera-r Kamera-s Zamansal eşleşme Uzaysal eşleşme Explain matching: First temporal and then Spatial In order to obtain CTC matching the concept of epipolar lines is used.

3-Boyutlu marker hareketleri

Marker yörüngeleri

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

Statik Görüntü

Yürüyüş Deneyi

KISS Protokolü: İşaret (referans) noktaları

Biyomekanik modelleme

Gait Analysis Software: KISS-GAIT

Gait Analysis Software: KISS-GAIT

KISS-GAIT : Joint Angles

KISS-GAIT : Joint Moments

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

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

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

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

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

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

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)

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

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)

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

Diz Ekleminin Dinamik Modeli

Sayısal MR Verileri: Martelli, Italya Üç Boyutlu Statik Diz Modeli (1/5) (Ahmer Erdemir, Master Tezi, ODTÜ, 1998) Sayısal MR Verileri: Martelli, Italya Tibia Platoları: Düzlem Femur Kondilleri: Elipsoid εmax (mm) σ (mm) Lateral Tibia Platosu 7.4 3.6 Medial Tibia Platosu 5.5 2.6 Lateral Femur Kondili 4.0 0.7 Medial Femur Kondili 2.5 0.6

Üç Boyutlu Statik Diz Modeli (2/5) 4 Ligament + Kapsül  16 sertleşen yay 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

Üç Boyutlu Statik Diz Modeli (3/5) 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) 2- Elastik temas modeli (Blankevoort) 6 bilinmeyen (bağıl konum parametreleri) 6 denklem (denge denklemleri)

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

Yük kaldırmada L5/S1 eklem kuvveti

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

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. Another research conducted in our department is so-called soft tissue identification. This research is focused on below knee (or so-called trans tibial) amputees. The soft tissue of the residual limp is the mechanical interface that carries the body weight during ambulation. In a healthy person, the soft tissue of the foot forms this interface, and is resistant to weight bearing. However the soft tissue of the residual limb is not “designed” for this purpose and does not perform in weight carrying as good as foot soft tissue. This causes problems in amputees. Therefore, with Gülhane Military Medical Academy, we started an investigation on residual limb soft tissues. Our goals are to understand the mechanical behavior of residual limb soft tissues, to construct a residual limb model on computer and finally design better prosthesis.

Dental İmplantlar Değişik tipte implantların kemikle etkileşiminin bilgisayar ortamında modellenmesi ...by using these estimated material coefficients we simulate the loading condition of the whole residual limb with different prostheses and walking conditions to see the areas of stress concentration (which causes discomfort) etc. on a computer model.

Tıbbi Görüntüleme Tekniklerinden Üç Boyutlu Model Oluşturma Bilgisayarlı tomografi, manyetik rezonans gibi tıbbi görüntüleme yöntemlerinden üç boyutlu katı model oluşturulması ...by using these estimated material coefficients we simulate the loading condition of the whole residual limb with different prostheses and walking conditions to see the areas of stress concentration (which causes discomfort) etc. on a computer model.

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 Another research we have started recently is with Dr. Muhittin Ülker Acil Yardım and Travmatoloji Hospital or more commonly known as “Trafik Hastanesi” is about determination of lower extremity (i.e. legs) deformities. These two pictures are three dimensional reconstruction of the bones just below the knee joint. The blue bone, which is larger is so-called tibia and the yellow bone which is smaller is so-called fibula. Since these bones do not have regular geometries like machine elements we first try to establish a measuerement technique. Then we make measurements on healthy individuals and individuals with clinical sympoms to determine the “normal” and “deformed”. Further we will try to determine the relation between the clinical symptoms and the measured deformities. After locating the mechanical problems (i.e. deformities in the bones) treatment planning may be done. Further, the gait patterns of “deformed” patients before and after the treatment may be evaluated.

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”. Another research we have started recently is with Dr. Muhittin Ülker Acil Yardım and Travmatoloji Hospital or more commonly known as “Trafik Hastanesi” is about determination of lower extremity (i.e. legs) deformities. These two pictures are three dimensional reconstruction of the bones just below the knee joint. The blue bone, which is larger is so-called tibia and the yellow bone which is smaller is so-called fibula. Since these bones do not have regular geometries like machine elements we first try to establish a measuerement technique. Then we make measurements on healthy individuals and individuals with clinical sympoms to determine the “normal” and “deformed”. Further we will try to determine the relation between the clinical symptoms and the measured deformities. After locating the mechanical problems (i.e. deformities in the bones) treatment planning may be done. Further, the gait patterns of “deformed” patients before and after the treatment may be evaluated.

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