İnsan alt ekstremitesinin incelenmesi ve aktif dizüstü protezi tasarımı
The analysis of the human lower limb structure and the design of a new active above knee prosthesis
Yazar: AKIN OĞUZ KAPTI
Danışman: DOÇ. DR. M. SAİT YÜCENUR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü
Derece: Doktora, 2001
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Bacak = Leg ; Diz üstü protezi = Above knee prosthesis ; Yürüme analizi = Gait analysis ; İnsan = Human

Özet:
İNSAN ALT EKSTREMİTESÎNİN İNCELENMESİ VE AKTİF DİZ ÜSTÜ PROTEZİ TASARIMI ÖZET İnsan alt ekstremitesi, hiç biri diğerinin tam eşi olmayan 63 kemik ve 112 kastan oluşan, yüksek oranda mafsallandırılmış bir sistemdir. Son derece karmaşık olan bu yapı fonksiyonel bilek, diz ve kalça eklemi hareketleri üretebilme yeteneğini kazandırmaktadır. Diz üstü ampütasyonu uyluk uzvunun diz ve kalça eklemleri arasındaki bir bölgeden kesilerek vücuttan ayrıldığı bir cerrahi müdahele biçimidir. Kazalar, hastalıklar, doğal afetler ve savaşlar gibi bir takım sebeplerle azımsanmayacak sıklıkta uygulanabilmektedir. Ampütasyondan sonra ayak ve bacak uzuvları tamamen, uyluk uzvu ise kısmen kaybedilir. Ampüte, uzun ve zahmetli bir rehabilitasyon dönemi geçirdikten sonra güdüğünü (ampütasyondan sonra uyluğun kalan kısmı) normal ayağa yakın biçimde hareket ettirebilmekte ve bir soket ile uygun güdük-protez bağlantısı sağlandığında protezin manipülasyonu mümkün olmaktadır. Diz üstü protezleri (DÜP) alt ekstremite hareketlerinin restorasyonu için kullanılan yardımcı gereçlerdir. Ampüte mobilitesi büyük oranda bu yardımcı gereçlere bağlıdır. Bugün kullanılmakta olan pasif yapıdaki protezler ampüte ihtiyaçlarına cevap vermekte yetersiz kalmaktadırlar. Bu tip protezlerle anormal pozisyonlara düşmeden merdiven çıkabilmek veya salınma fazında diz eklemi rijitliğini ayarlayabilmek oldukça güçtür. Yüksek metabolik enerji tüketimi gerektirmesi ve yeterli yürüyüş simetrisi sağlayamaması da pasif protezlerin eksikliklerindendir. Bir diz üstü protezi; basma fazında ampüte ağırlığını normal bacak gibi taşıyabilmeli, ani ve kontrolsüz diz fileksiyonuna engel olabilmeli, normal yürüyüş paternini yeterince iyi bir şekilde taklit edebilmeli, istenmeyen güdük-soket arası basınçlara ve ağrılı kontak noktalarından kaynaklanan yürüyüş bozukluklarına neden olmamalı, tüm donanımını kendi hacmi içinde barındırabilmeli ve ampütenin sağlam uzuvlarına bir takım gereçlerin bağlanmasını gerektirmemelidir. Bu çalışmada, pasif protezlerin yetersiz özelliklerini iyileştirmek ve ampüte ihtiyaçlarına daha iyi cevap veren yardımcı gereçlerin gelişimine katkıda bulunmak amaçlarıyla aktif bir DÜP tasarımı ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Bunun için normal insan yürüyüşünün analizi yapılmıştır. Bu analizde D.A.Winter'ın yürüyüş analizi deneyinin sonuçlarından yararlanılmıştır. Winter bu deneyinde, ayak başparmağı,metatarsal eklemi, topuk, bilek, diz, kalça ve vücut kütle merkezine özel işaretler yerleştirdiği bir gönüllünün kuvvet plakası içeren bir platformdaki yürüyüşünü yüksek hızlı kamerayla görüntüleyerek, bu noktaların koordinatlarını ve basma fazında ortaya çıkan yer reaksiyon kuvvetlerini tespit etmiştir. Bu çalışmada, yukarıda kısaca anlatılan deneyin sonuçlarını giriş verisi olarak alan ve bu verileri bir eklem-uzuv modeli çerçevesinde işleyen bir bilgisayar programı hazırlanmış ve protez tasarımına esas teşkil etmek üzere eklem açılan, açısal hızları, açısal ivmeleri, momentleri, reaksiyon kuvvetleri ve güçleri hesaplanmıştır. Tasarımı yapılan DÜP, diz ekleminin temel fileksiyon ve ekstansiyon hareketlerinin, 78 w güç ve 3500 rpm devir üreten bir doğru akım motorunun sürdüğü 5 mm hatveli bilyalı vidayla aktif olarak yaptırılması prensibine dayanmaktadır. DÜP'ün dört sensör elemandan oluşan bir setle donatılması düşünülmüştür. Bunlardan birincisi diz fileksiyon açışını ölçen diz potansiyometresi (K), ikincisi bacağın düşey eksene göre açışını ölçen bacak potansiyometresi (9S), üçüncü ve dördüncüsü ise ayak tabanında topuk ve başparmağa yerleştirilen ve açık- kapalı bilgisi veren butanlardır (Tb, Pb). TB PB Şekil : 1 Proteze yerleştirilen sensörler. Tasarımı yapılan DÜP'ün normal insan yürüyüşünü taklit edecek şekilde kontrol edilebilmesi için, yürüme analizi sonuçlarının modifiye edilmesiyle ideal yürüme paternini ifade eden ve diz eklemi fileksiyon açısının bir adım içinde aldığı 70 değeri içeren bir data dosyası elde edilmiştir. Bu değer kesintisiz ve sarsıntısız bir protez adımı için yetersiz olacağından, bir bilgisayar programı kullanılarak 0,0002 s zaman aralıklarına karşılık gelecek şekilde data adedi 5000'e çıkarılmıştır. Diz eklemi fileksiyon açısı bir potansiyometreyle ölçülmektedir. Referans datadosyasındaki değerlerin analog potansiyometre sinyaline dönüşümleri sağlanarak protezin kontrolü gerçekleştirilmiştir. Protezin kontrolü için kural tabanlı kontrol yaklaşımının uygulanması benimsenmiştir. Bu yaklaşım, gerçek dış ortamın çevre şartlarıyla protezin iç yapısal özellikleri arasında iletişimi sağlayan durum-eylem çiftleri şeklindeki kuralların tanımlanmasını gerektirmektedir. Kuralların durum kısımları sensörel bilginin tarif ettiği çevre şartlarının ve protez pozisyonunun algılanması, eylem kısımları ise tarif edilen durumla kural tablosunda mevcut olan senaryolar arasında eşleştirme yapılarak uygun eylemin belirlenmesi ve işletilmesi üzerine kuruludur. Bütün kurallar IF-THEN yapılan şeklinde organize edilirler. IF kısımları sensörel bilginin ifade ettiği durumu tanımaya, THEN kısımları ise suni refleksin belirlenmesine ve işletilmesine karşılık gelir, örneğin oturma başlangıcı eylemi şu şekilde düzenlenebilir : Topuk butonu yere temas ediyor, Parmak butonu yere temas ediyor, Uyluğun düşey eksene göre açısı 18° den fazla, Bacağın düşey eksene göre açısı 18° den fazla, Diz tam ekstansiyon durumunda, Bir önceki pozisyon ayakta durma idi, Fileksiyonu başlat. Kurallar birbirinden bağımsız olmalı, herhangi bir kural herhangi bir anda işletilebilmelidir. Bu modüler yapı sayesinde yeni bir kuralın ilave edilmesi veya eski bir kuralın modifiye edilmesi ya da tamamen kaldırılması genel yapıyı etkilemez. Emniyetli kullanımı sağlayabilmek için, sensörel bilgideki belirsizlikler, donanımdaki yetersizlikler ve yürüyüş sırasında ortaya çıkan beklenmedik olaylardan ötürü oluşabilecek çetrefilli durumlara karşı bir takım tehlike kuralları da tanımlanmış olmalıdır. Sistem ilk açıldığında protezin mevcut durumuyla ilgili ilk bilgiler kazanılır. Ampütenin günlük yaşam aktiviteleriyle ilgili kullanım senaryoları önceden oluşturulmuş olmalıdır ve kural tablosunda mevcut kurallardan birisiyle uyumlu olan hareketler ampüte tarafından gönüllü olarak üretilmelidir. Bu şekilde gerçekleştirilmek istenilen eylem belirlendikten sonra ilgili kurallar işletilir. Düz yolda yürüme, merdiven çıkma, geri yürüme, oturma-kalkma, yürüme hızını değiştirme gibi modlara uyum sağlanabilmesi için sensörel bilgi gereklidir. Örneğin, ayak butonlarının sinyalleri arasındaki zaman aralığı ile yürüme hızı arasında bir ilişki kurulabilir ve bu özellikten yararlanarak yürüme hızı değiştirilebilir. Bu çalışmada, suni diz ekleminin temel fileksiyon ve ekstansiyon hareketlerinin doğru akım motoruyla aktif olarak yaptırılması prensibine dayanan yeni bir DÜP'ün tasarımı ve üretimi yapılmıştır. Bu DÜP'ün normal insan yürüyüşünütaklit edecek şekilde kontrolü de gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, insan alt ekstremitesi hareketlerinin analizini yapan bir bilgisayar programı geliştirilmiş ve elde edilen sonuçlardan protez tasarımı ve kontrolü aşamalarında da yararlanılmıştır. Titanyum, alüminyum ve poliamid gibi hafif malzemeler kullanılarak protez ağırlığının 65 N mertebesinde olması sağlanmıştır. Ancak ampütenin kapasite kaybı ve enerji kaynağı, kontrol elemanları, motor sürücüsü ve soket gibi ilave parçaların ağırlığı daha da arttıracak olmaları protez ağırlığının daha düşük olmasını gerektirmektedir. Basma fazı sonlarına doğru bilek ekleminde ortaya çıkan ani kas kontraksiyonu ve güç sıçraması, en önemli ideal DÜP gereksinimlerinden birisinin de aktif bilek eklemi olduğunu düşündürmektedir. İhtiyaç duyulan enerjinin bir bölümünü üretmek için topukların altına yerleştirilebilecek boyutlarda bir düzenek üzerinde çalışılabilir. Üzerinde çalışılabilecek alternatif yöntemlerden birisi de herhangi bir protezin EMG sinyallerinden yararlanılarak kontrol edilmesidir. Diz üstü protezleri için teorik olarak bu tarz yaklaşımlardan sonuç alınabileceği kabul edilmekle birlikte, kalça eklemi etrafındaki kas yapısının son derece karmaşık olması, alınan EMG sinyallerinin ayırt; edilmesi ve yorumlanmasındaki güçlükler ve yanı sura ampütasyondan sonra bölgedeki kasların nasıl yeniden yapılandıklarının tam olarak bilinememesi EMG ile kontrol yaklaşımından tatminkar sonuçlar alınmasını güçleştirmektedir. Diğer bir alternatif yaklaşım, protezin kontrolüne esas teşkil edecek işaretlerin sağlam olan diğer bacaktan alınabileceği olmuştur. Ancak bu yaklaşımın önünde de, protez bacak hareketlerinin sağlam bacağınkinden farklı olması ve sağlam bacağa yerleştirilecek donanımın ampüteye vereceği rahatsızlık gibi engeller bulunmaktadır.

Abstract:
THE ANALYSIS OF THE HUMAN LOWER LIMB STRUCTURE AND THE DESIGN OF A NEW ACTIVE ABOVE KNEE PROSTHESIS SUMMARY Human lower limbs have a highly articulated structure which cosists of 63 bones and 112 muscles, none of them exactly identical with each other. This very complex structure is able to generate sophisticated and versatile functional ankle, knee and hip joint movements. The above knee amputation is a kind of surgical interference which severs the thigh segment between the knee and hip joints. It is generally applicable when some accidents, diseases and traumatic events happened. After amputation, the foot and the shank segments are lost completely and the thigh segment partially. After rehabilitation period, the amputee can move his stump, the remaining part of the thigh segment, in a similar way with a normal leg. This means he can manipulate an artificial leg by using the socket which provides suitable connection between the stump and the prosthetic leg. Above knee prosthesis (AKP) is used for gait restoration. Mobility of the amputees relies very much on this assistive devices. Currently used passive AKPs do not respond to the needs of daily living activities of many amputees. For example, it is difficult to climb stairs with naturel posture and to adjust the stiffness of the knee joint motion during the swing phase. High metabolic energy consumption and insufficient gait symmetry are consequence of nonpowered knee joint. The AKP must support the body weight of the amputee like a normal limb during the stance phase and it must avoid sudden and uncontrolled knee joint flexion. The second requirement is that it duplicate the normal gait at maximum extent. The third requirement is that an undesirable socket-stump interface pressure and gait abnormalities due to painful contact be prevented. In addition, the AKP must contain all its parts such as actuator, energy source, controller and sensors. This is called self- contained principle. Because of the insufficient properties of the passive AKPs, an active one is designed in this study in order to help developments of new kinds of assistive systems better matched to an amputee's needs. For this purpose, it was necessary to analyse the gait pattern of normal walking. The results of the D.A. Winter's gait analysis experiment are used. In this experiment he has located the markers on the XVtoe, 5. metatarsal, heel, ankle, knee, hip and base rib cage points of a volunteer and asked him to walk on a force platform. He recorded this walking by using a high speed camera and determined the locations of each marker points and the ground reaction forces emerged during the stance phase. Joint angular trajectories, velocities and accelerations, joint reaction forces, torques and powers in a normal walking gait is obtained by establishing a link-segment model and a computer code using the results of the walking experiment above as input data. The results of above analysis is utilized for controlling of the AKP as the refference pattern. The essential part of this AKP is the knee joint actuator that is based on active control of basic flexion and extention function of the knee joint with the dc-motor which drives the ball-screw producing 5 mm longitudinal displacement for each revolution. The dc-motor specifications are 78 w power and 3500 rpm speed. The AKP is equipped with a set of sensor which consists of four components. First one is knee potentiometer which measures net knee joint angle (0k). Second one is a pendulum type shank segment potentiometer, instead of the hip joint potentiometer fulfilling self-contained principle, which measures the angle of the shank to the vertical line (0S). Third and fourth ones are the foot switches located under heel and toe zones (Tb, Pb). [HAT] hip İTHIGHİ knee 1st » Knee potentiometer l 8° means the thigh segment is in front of the vertical line, AND 0S>1 8° means the shank segment is in front of the vertical line, AND K>1 75° means there is no flexion at the knee joint, AND previous situation was standing, THEN initiate the flexion. The rules must be independent from one another. Any rule can be activated at any moment. Because of this modularity such a system can be easily modified. The addition of a new rule and deletion or modification of an old one does not affect the structure of the computer code. Conflict situations may occur due to uncertainity of the available sensory information, hardware limitations and unexpected gait events. Hazard rules spesific to such conflict situations must be defined for providing safe use. When the system is first switched on, the database is empty. After beginning searching, information related with the current position of the AKP is obtained. The amputee should voluntarily produce the spesific sensory patern which matches the one of the rules. Some scripts which are related the basic daily living activities of the amputee must be generated. When the action is selected, the corresponding subset of the rules will be initiated. Sensory information is necessary for adaptation of gait mode such as level, slope or stairs walking, sitting or standing, changing the walking speed and the like. For example, the walking speed can be changed by utilizing the XVUtime interval between the foot switches signals. This time interval can be acquired and the relation can be established between the time interval and the gait velocity. In this study, an AKP which is based on active control of flexion and extention movement of the artificial knee joint with the dc-motor is designed and produced. The control of this AKP in the imitating manner of the normal human walking gait is realized. A computer code which is able to analyse the lower limb activities is evolved and the obtained results are utilized in the design process. The weight of the AKP is appeared as 65 N due to usage of the light materials such as titanium, aluminium and polyamide. But, the capacity loss of the amputee and the extra components such as the energy source, socket and motor driver entail the more decreasing of total weight The importance of the push effect, arised from the sudden contraction of the back face muscles of the shank, during the second half of the stance phase, is showed by the analysis of human walking. This indicates that the active ankle joint is also one of the most important necessities of ideal AKP. The amputee can produce a part of energy requirement, by using his own body weight during walking, with a special designed mechanism which is located under the sole of the AKP. It is assumed that myoelectirical control could be applied. Howewer, very complex muscular structure around the hip joint and unpredictable relocations of muscles after amputation made myoelectric control unsatisfactory. Another approach is that the main signals can be acquired from the sound leg. The AKP imitates the movements of the sound leg with a predefined time delay, and a kind of master-slave system can be realized. But, there are some difficulties in front of this approach too, such that the prosthetic leg movements differ from the sound leg's, and discomfort of the amputee because of the equipment which is placed on the sound leg.