Kas iskelet sisteminin mekaniği ve kuvvet optimizasyonu analizi
Mechanics and force optimization analysis of the musculoskeletal system
Yazar: YUNUS ZİYA ARSLAN
Danışman: PROF. DR. NURKAN YAĞIZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kas kontraksiyonu = Muscle contraction ; Kas kuvveti = Muscle strength ; Kas-iskelet fizyolojik fenomenleri = Musculoskeletal physiological phenomena ; Optimizasyon = Optimization

Özet:
Kas kuvvetlerinin doğrulukla kestirimi çalışmaları biyomekanik alanında aktif olarak yürütülmektedir. Kas kuvvetlerinin teorik olarak kestirimi artıklık (redundancy) probleminin çözümüne bağlıdır. Artıklık, bir kas-iskelet sistemi modelinde, hareketin gerçekleşmesi için aktif olan kas sayısının modelin serbestlik derecesinden fazla olmasından kaynaklanmaktadır. Bu problemi çözmek için tercih edilen yöntemlerin başında statik optimizasyon gelmektedir. Statik optimizasyon yönteminde bir amaç fonksiyonu tasarlanır ve bu fonksiyon optimize edilir. Literatürde mevcut bulunan amaç fonksiyonları tipik olarak, kas kuvvetlerinin bir ağırlık katsayısına bölümünün çeşitli derecelerden kuvvetlerinin toplamı şeklindedir. Bununla birlikte bir hareketin gerçekleştirilmesi sırasında, kasların kasılma koşulları sürekli değişmektedir. Bu çalışmada, kasların kuvvet üretim süreçlerini etkileyen; bir kas içerisinde bulunan farklı tipteki liflerin oranı ve kasın kesit alanı gibi fizyolojik özellikler, kas uzunluğu ve kasılma hızı gibi kasılma koşulları ve kasların aktivasyon seviyesi (EMG sinyali) amaç fonksiyonuna dahil edilmiştir. Bu şekilde, klasik yöntemlerle gerçekleştirilemeyen sinerjistik kaslar arasındaki kuvvet paylaşımının çeşitli özellikleri kestirilebilmiştir. Önerilen yeni yaklaşım özellikle bir serbestlik dereceli kas-iskelet sistemi modellerinde, kuvvetin kaslar arasındaki dağılımının kestirimine olanak sağlamıştır. Ayrıca, deneysel olarak gözlemlenen bir kastaki eş zamanlı kuvvet artımı ile bu kasın agonisti olan kastaki kuvvet azalımı durumunun kestirimini sağlamıştır. Bu sonuçlardan yola çıkarak, kas kasılma koşullarının amaç fonksiyonlarında ağırlık katsayısı olarak kullanılmasının, deneysel olarak da gözlemlenen sinerjistik kas gruplarındaki kuvvet dağılımı karakteristiğinin belirlenmesinde tatmin edici bir yöntem olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
The possibility of accurately predicting individual muscle forces is an active research area in biomechanics. Theoretical calculation of individual muscle forces depends on solving the redundancy problem which arises because the number of muscles in a musculoskeletal model exceeds the number of degrees-of-freedom present. One common approach to this problem is to formulate a static optimization strategy. In static optimization, a cost function is designed and then optimized. Typical cost functions take the form of a weighted sum of muscle forces (raised to some arbitrary power). However, during movements the muscles? contractile conditions are changing continuously. In this study, proposed cost function was modified by incorporating physiological properties of muscular contraction such as muscles? slow twitch fibre composition and physiological cross sectional area, the contractile properties represented by the force-length and force-velocity relationships and, activation level represented by EMG. In doing so, it was able to predict various features of force-sharing among synergistic muscles that cannot be predicted with the classical approach. Specifically, the new approach allows for prediction of force-sharing loops in one degree-of-freedom systems and further permits simultaneous increase in force in one muscle and decrease in a corresponding agonist, observations that have been made experimentally. From these results, it was concluded that incorporation of the contractile conditions in the weighting of the objective function provides a natural way to incorporate observed force-sharing features in synergistic muscles that have eluded satisfactory description.