Adolesan idiyopatik skolyoz hastalarında rehabilitasyon süreci kas dinamiklerinin değişiminin modellenmesi ve analizi
Modelling and analysis of changes in muscle dynamics during the rehabilitation process in adolescent idiopathic scoliosis patients
Yazar: ELA NAZ 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 ; Elektromiyografi = Electromyography ; Omurga deformitesi = Spine deformity ; Rehabilitasyon = Rehabilitation ; Skolyoz = Scoliosis

Özet:
Adolesan İdiyopatik Skolyoz (AİS), nedeni belli olmayan omurganın lateral eğriliği ve rotasyonu ile birlikte görülen bir bozukluktur. Bu skolyoz türü bireyin çocukluk dönemi ile gençlik dönemleri (10-18 yaş) arasında görülür. AİS genellikle hızla ilerleyen omurga eğriliği ile karakterize edilen, skolyozlu bireyler arasında en yaygın görülen türdür. Omurga eğriliğinin hızlı ilerlemesi, kritik bir klinik tablo oluşturabilir. Bu sebeple AİS bireylerin erken tanısı önem arz eder. Tanı yöntemlerinde genellikle iskelet sistemi görüntüleme yöntemleri, özellikle röntgen ve tomografi gibi, sıklıkla kullanılmaktadır. Hali hazırda kas dinamiklerinin dahil edildiği tanı prosedürü kullanılmamaktadır. Bununla birlikte, AİS bireylerin omurga eğriliğine bağlı olarak özellikle üst gövde kaslarında (göğüs, abdominal, sırt, bel ve kol kaslarında) boyutsal değişimler mümkün olmaktadır. Literatür çalışmaları kas aktivasyonlarının skolyozlu bireylerde değiştiğinin ve kas dinamiklerinin sağ ve sol arasında asimetrisi oluştuğu yönündedir. Tanı neticesinde uygulanan fiziksel rehabilitasyon süreçleri oluşturulması ve iyileşme takibi de radyolojik incelemelere dayanmaktadır. Bu çalışma da AİS bireylerin Schroth egzersizleri esnasında üst gövde kaslarından 18 kanallı yüzey EMG (sEMG) kaydı, analizi ve değerlendirilmesi yapılmıştır. Çalışmamızın amacı, AİS bireylerin omurga eğriliğine bağlı kas dinamiklerinin değişimini bulmak, sağ ve sol kas arası uyumu incelemek, bireyin rehabilitasyon süreci değerlendirilmesinin yapılmasına olanak sağlamak ve Schroth egzersizinin etkinliğinin kas dinamikleri ile belirlenmesidir. Çalışmada sağlıklı bireyler ve AİS bireyler çalışmaya dahil edilmiştir. Sağlıklı bireyler, adolesan yaş grubunda (yaş aralığı 11-16) olup toplam 16 bireydir. Sağlıklı bireyler, omurga problemlerine sahip olmamalı ve herhangi bir kronik hastalık veya rahatsızlıkla ilişkili belirtiler göstermemektedir. Aynı zamanda sağlıklı bireyler, yaş, cinsiyet ve diğer demografik faktörler açısından AİS bireyler ile benzerlik göstermektedir. AİS bireylerde ise 17 birey çalışmaya dahil edilmiştir. Bütün bireyler için ortak Schroth egzersizlerinin seçimi için AİS bireylerin omurgadaki eğrilerin sınıflandırılması gerçekleştirildi. Kayıt aşaması egzersizleri 6 adet seçilmiştir. Kayıtlardan önce etik kuruldan onay alınmıştır. Kayıt esnasında bireylerin egzersizleri olabildiğince stabil yapılabilmesi için, bir ara yüz tasarlandı. Bu ara yüzde egzersizi yapan bireye ekrandan görsel ve işitsel komutlar verildi. sEMG kayıtları, 2000 Hz örnekleme frekansıyla gerçekleştirilmiştir. Ham sEMG verileri, Butterworth filtre (6. Derece) kullanılarak, 5 Hz yüksek geçiren filtre ve 500 Hz alçak geçiren filtre kullanılmıştır. Filtrelenen sEMG verimizin analizinde Dalgacık Paket Dönüşüm (DPD) yöntemi kullanılmıştır. Ölçekleme ve öteleme parametrelerine bağlı olarak, ayrıntılı frekans aralıklarının tespitine yönelik Dalgacık Paket Enerji (DPE) değerlerin hesabı yapılmıştır. Sağlıklı bireylerin ortalamaları ve AİS bireylerin ortalamaları her hareket için 3 boyutlu ve 2 boyutlu grafikleri oluşturulmuştur. 3 boyutlu grafiklerin eksenleri frekans, sEMG elektrot ve DPE değerleridir. 2 boyutlu grafiklerin eksenleri ise sEMG elektrot ve DPE ortalamalarının değerleridir. DPE ortalamalarının normalizasyon değerleri oluşturduğumuz insan modeli üzerine işlenmiştir. Sonuçların istatiksel anlamlı farklarını belirlemek için Mann whitney u testi yapılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde simetrik kas aktivasyonu gerektiren Egzersiz A ve Egzersiz B hareketlerinde, AİS bireylerin sağlıklı bireylere göre kas aktivasyon düşüklüğü ve sağ-sol kas dinamiklerinde farklılık yani asimetri gözlenmiştir. Bu iki hareketinden postür temelli hareket olması ve AİS bireylerin omuz ve pelvik hizalaması problemli olup egzersizde farklı kas dinamiklerinden destek aldığı belirlenmiştir. Diğer egzersizler ise Schroth egzersizinin omurga eğriliğinin yönüne göre yaptırılan asimetrik egzersizdir. Schroth egzersizin etkinliğini, diğer egzersizlerin kas aktivasyon sonuçlarından belirlenmiştir. Her iki grupta da omurga eğriliğin yönünde oluşturduğu kas aktivasyonu belirlenmiştir. AİS bireylerde omurga eğriliğinin tam tersi tarafındaki kas bölgelerinde de kas aktivasyonları bulunmuştur. Plank egzersizlerinde abdominal bölge kaslarının aktivasyonunu bekleriz. Sağlıklı bireylerde abdominal bölge aktif çıkarken AİS bireylerde sırt kaslarında aktivasyon gözlenmiştir. Sonuç olarak, AİS bireylerin asimetrik kas aktivasyonları, denge problemi, abdominal kas bölgesi zayıflığı ve schroth egzersizlerinin etkinliği belirlenmiştir. Kas dinamiklerinin bilinmesi skolyozlu bireylerini tanı ve tedavisinin oluşturulmasında önemli bilgiler içerdiği kanısındayız.

Abstract:
Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a condition of lateral curvature and rotation of the spine of unknown cause. This type of scoliosis occurs between childhood and adolescence (10-18 years). AIS is the most common type of scoliosis and is usually characterised by rapid progression of spinal curvature. Rapid progression of spinal curvature can lead to a critical clinical picture. Therefore, early diagnosis of subjects with AIS is important. Skeletal imaging techniques, particularly radiography and tomography, are widely used in the diagnostic process. At present, the diagnostic procedure including muscle dynamics is not used. However, dimensional changes are possible, particularly in the upper body muscles (chest, abdominal, back, lumbar and arm muscles) due to spinal curvature in people with AIS. Literature studies suggest that muscle activation changes in subjects with scoliosis and that asymmetry of muscle dynamics occurs between the right and left sides. Radiological studies are also used to determine the physical rehabilitation processes that are applied as a result of the diagnosis and to monitor recovery. In this study, 18-channel surface EMG (sEMG) was recorded, analysed and evaluated from the upper body muscles of subjects with AIS during Schroth exercises. The aims of our study were to determine the change in muscle dynamics in AIS patients due to spinal curvature, to examine the harmony between the right and left muscles, to enable evaluation of the rehabilitation process of the subject and to determine the effectiveness of Schroth exercises on muscle dynamics. Healthy subjects and subjects with AIS were included in the study. The healthy subjects were adolescents (age range 11-16 years) and there were 16 of them. Healthy subjects should have no spinal problems and no symptoms associated with any chronic disease or disorder. The healthy subjects were similar to the AIS subjects in terms of age, gender and other demographic factors. A total of 17 people with AIS were included in the study. Classification of the spinal curves of the AIS subjects was used to select common Schroth exercises for all subjects. In the recording phase, 6 exercises were selected. Ethics committee approval was obtained prior to recording. An interface was designed to make the exercises as stable as possible during recording. On this interface, visual and auditory commands were given to the person performing the exercise on the screen. sEMG recordings were performed at a sampling frequency of 2000 Hz. Butterworth (6th order), 5 Hz high pass and 500 Hz low pass filters were applied to the raw sEMG data. The Wavelet Packet Transform (WPT) method was used to analyse the filtered sEMG data. Wavelet Packet Energy (WPE) values were calculated depending on the scaling and translation parameters to determine the detailed frequency ranges. For each movement, 3D and 2D plots were generated for the mean values of the healthy and AIS subjects. The axes of the 3D plots are frequency, sEMG electrode and WPE values. The axes of the 2D graphs are the sEMG electrode and DPE mean values. The normalisation values of the DPE averages were processed on the human model we created. The Mann-Whitney U test was used to determine statistically significant differences in the results. When the results were analysed, low muscle activation and a difference in right-left muscle dynamics, i.e. asymmetry, were observed in AIS subjects compared to healthy subjects during movements A and B, which require symmetrical muscle activation. It was found that these two movements were postural and that the shoulder and pelvic alignment of AIS subjects was problematic and supported by different muscle dynamics in the exercise. The other exercises were asymmetric exercises performed according to the direction of spinal curvature of the Schroth exercise. The effectiveness of the Schroth exercise was determined from the muscle activation results of the other exercises. In both groups, muscle activation was measured in the direction of the spinal curvature. In people with AIS, muscle activation was also found in muscle regions on the opposite side of the spinal curvature. We expect the abdominal muscles to be activated during the plank exercises. While the abdominal region was active in healthy subjects, activation in the back muscles was observed in AIS subjects. In conclusion, asymmetric muscle activation, balance problems, abdominal muscle weakness and the effectiveness of Schroth exercises were identified. We believe that knowledge of muscle dynamics provides important information for the diagnosis and treatment of people with scoliosis.