Sagittal omurga bozukluklarının biyomekanik ve biyosinyal tabanlı modellenmesi ve rehabilitasyon odaklı değerlendirilmesi
Biomechanic and biosignal based modeling of sagittal spine disorders and rehabilitation focused evaluation
Yazar: KADİR GÖK
Danışman: PROF. DR. ÖMER HALİL ÇOLAK
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fiziksel Tıp ve Rehabilitasyon = Physical Medicine and Rehabilitation ; Radyoloji ve Nükleer Tıp = Radiology and Nuclear Medicine
Dizin: Biyomedikal işaretler = Biomedical signals ; Biyomekanik = Biomechanics ; Biyomekanik modelleme = Biomechanical modelling ; Kifoz = Kyphosis ; Lordoz = Lordosis ; Omurga deformitesi = Spine deformity ; Radyoloji = Radiology ; Radyolojik görüntüleme =

Özet:
Sagittal düzlem deformiteleri, sagittal düzlemde omurganın normal eğriliğinden sapma olarak tanımlanabilir. Bu deformiteler omurganın doğal şeklini bozabilir ve duruş sorunlarına neden olabilir. Son yıllarda günlük yaşamda aktivitenin azalması, bilgisayar ve cep telefonu başında geçirilen sürenin artması ve son pandemi döneminde hareketsizlik gibi etkiler de sagittal düzlem deformitelerinde belirgin bir artışa yol açmıştır. Bu çalışmanın temel amacı, sagittal düzlem deformitelerine sahip bireylerle sağlıklı bireylerin biyomekanik ve biyosinyal tabanlı modellenmesi ve rehabilitasyon odaklı değerlendirilmesidir. Bu kapsamda, sagittal düzlem deformitelerine sahip bireylerle sağlıklı bireyler arasındaki kas aktivasyonlarındaki farklılıkların detaylı analizlerle ortaya konması, tomografi görüntülerinin ayrıntılı analizlerinin gerçekleştirilmesi ve biyomekanik modellerin başarılı bir şekilde oluşturulması hedeflenmiştir. Sagital düzlem deformitesi (SPD) olan bireylerde yaygın olarak görülen torakal kifoz bireyler ve lomber lordoz bireyler çalışmaya dahil edilmiştir. Çalışmanın yüzey EMG (sEMG) verilerinin sağlanması için demografik ve fiziksel özellikleri benzer olan 16 sağlıklı adolesan birey ve sagittal düzlem deformitesi olan 16 adolesan birey çalışmaya dahil edilmiştir. Farklı kas gruplarının aktivasyonlarının değerlendirilmesini sağlamak için 15 hareket belirlenmiştir. Belirlenen bu hareketler süresince sEMG kayıtları alınmıştır. Ham sEMG verileri filtrelendikten sonra analizleri gerçekleştirilmiştir. Düşük ve yüksek frekans bileşenlerine karşılık gelen enerji değerleri hesaplanmıştır. Bu analizlerle bireylerin her bir hareketteki kas aktivasyon dağılımları elde edilmiştir. Bu enerji değerleri, SPD denekleri ile sağlıklı denekler arasındaki kas farklılıklarını belirlemek için Mann-Whitney U testi kullanılarak istatistiksel olarak da analiz edilmiştir. Bu istatistiksel analiz, SPD denekleri ile sağlıklı denekler arasında önemli farklılıklar olan kanalları belirlemiştir. Biyomekanik modellerin oluşturulmasında katılımcıların fiziksel özellikleri ve biyomedikal görüntüleri kullanılmıştır. Sağlıklı bireyleri temsil etmesi için sağlıklı biyomedikal model, kifoz bireyler temsil etmesi için kifoz biyomedikal model ve lordoz bireyleri temsil etmesi için lordoz biyomedikal model tasarlanmıştır. Bireylerin MRI ve tomogrofi görüntüleri analizleri modelin ana yapısını oluşturması için kullanılmıştır. Oluşturulan biyomedikal modelin kas tanımlamaları çalışmada kayıt alınan kas grupları dikkate alınarak modellenmiştir. Modelin doğruluğunu tespit edebilmek için modele her bir hareket algoritma geliştirilerek yaptırılmış ve kas kuvvetlerinin dağılımları analiz edilmiştir. Kanalların kas aktivasyonu karşılaştırıldığında, SPD deneklerinde daha yüksek aktivite bulunurken, bazı hareketlerde SPD deneklerinde ve sağlıklı deneklerde farklı kanallarda aktivasyon bulunmuştur. Yapılan analizler sonucunda, sagittal düzlem deformitelerine sahip bireylerde kas aktivasyonlarında belirgin farklılıklar tespit edilmiştir. Mann-Whitney U testi ile yapılan istatistiksel analiz, sagittal düzlem deformitelerine sahip bireylerle sağlıklı bireyler arasında önemli farklılıkların bulunduğu kanalları belirlemiştir. SPD'li denekler sağlıklı deneklere göre daha fazla kas aktivitesi göstermiş ve hareketlerin kalitesini artırmak ve doğru kas dinamikleri ile gerçekleştirmek için daha fazla enerji harcamışlardır. SPD'li deneklerin postüral değişikliklere bağlı olarak hareketleri doğru yapabilmek için farklı kas bölgelerinden kompansasyonlar geliştirdikleri gözlemlenmiştir. Sağlıklı deneklerde ise hareketlerin, hareketin kinematiğine uygun olarak tamamlandığı ve daha az enerji ile maksimum hareket kalitesine ulaşıldığı gözlemlenmiştir. Elde edilen bulgular, biyomekanik modellerin doğru oluşturulduğunu ve sEMG ile elde edilen verilerle tutarlı olduğunu göstermektedir. Biyomekanik modeller, sagittal düzlem deformitelerinin kas aktivasyonlarına olan etkilerini simüle etmede başarılı bir şekilde kullanılmıştır. Sonuç olarak, bu tez, sagittal düzlem deformitelerinin kas aktivasyonları ve biyomekanik modeller üzerindeki etkilerini anlamak için kapsamlı bir inceleme sunmaktadır. Elde edilen bulgular, omurga sağlığı ve postürle ilgili sorunlara yönelik rehabilitasyon stratejileri geliştirmek adına önemli bir katkı sağlamaktadır.

Abstract:
Sagittal plane deformities can be defined as deviations from the normal curvature of the spine in the sagittal plane. These deformities can disrupt the natural shape of the spine and cause postural problems. In recent years, effects such as reduced activity in daily life, increased time spent in front of computers and mobile phones, and inactivity during the recent pandemic period have led to a significant increase in sagittal plane deformities. The main objective of this study is to evaluate the biomechanical and biosignal based modelling and rehabilitation oriented evaluation of subjects with sagittal plane deformities and healthy subjects. In this context, detailed analyses should reveal the differences in muscle activation between subjects with sagittal plane deformities and healthy subjects, detailed analyses of tomography images should be performed and biomechanical models should be successfully created. Subjects with thoracic kyphosis and lumbar lordosis, which are common in subjects with sagittal plane deformity (SPD), were included in the study. To provide surface EMG (sEMG) data, 16 healthy adolescents with similar demographic and physical characteristics and 16 adolescents with sagittal plane deformity were included in the study. To assess the activation of different muscle groups, 15 movements were defined. SEMG recordings were made during these movements. Raw sEMG data were analysed after filtering. Energy values corresponding to low and high frequency components were calculated. These analyses provided muscle activation distributions of subjects in each movement. These energy values were also statistically analysed using the Mann-Whitney U test to determine muscle differences between SPD subjects and healthy subjects. This statistical analysis identified channels with significant differences between SPD subjects and healthy subjects. The physical characteristics and biomedical images of the subjects were used to create the biomechanical models. A healthy biomedical model was created to represent healthy subjects, a kyphosis biomedical model was created to represent kyphosis subjects, and a lordosis biomedical model was created to represent lordosis subjects. Analyses of the subjects' MRI and tomography images were used to form the main structure of the model. The muscle definitions of the biomedical model were modelled by considering the muscle groups recorded in the study. To determine the accuracy of the model, each movement was performed by developing an algorithm and analysing the distribution of muscle forces. When the muscle activation of the channels was compared, higher activation was found in SPD subjects, while in some movements activation was found in different channels in SPD subjects and healthy subjects. As a result of the analyses, significant differences in muscle activation were found in individuals with sagittal plane deformities. Statistical analysis using the Mann-Whitney U test identified the channels in which there were significant differences between subjects with sagittal plane deformities and healthy subjects. Subjects with SPD showed more muscle activity than healthy subjects and expended more energy to improve the quality of movements and to perform them with correct muscle dynamics. It was observed that subjects with SPD developed compensations from different muscle regions in order to perform movements correctly due to postural changes. In healthy subjects it was observed that the movements were performed in accordance with the kinematics of the movement and that the maximum movement quality was achieved with less energy. The results obtained show that the biomechanical models were correctly constructed and in agreement with the data obtained with sEMG. The biomechanical models were successfully used to simulate the effects of sagittal plane deformities on muscle activation. In conclusion, this thesis provides a comprehensive review to understand the effects of sagittal plane deformities on muscle activations and biomechanical models. The findings provide an important contribution to the development of rehabilitation strategies for spinal health and postural problems.