Serebral palsili çocuklarda yürüme analizi destekli kas-iskelet sistemi modellemesi ve bulanık mantık ile farklı cerrahi yaklaşımların değerlendirilmesi
Gait analysis assisted musculoskeletal modeling in children with cerebral palsy and evaluation of different surgical approaches with fuzzy logic
Yazar: DERYA KARABULUT
Danışman: PROF. DR. YUNUS ZİYA ARSLAN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Benzetim = Simulation ; Bulanık mantık = Fuzzy logic ; Modelleme = Modelling ; Serebral palsi = Cerebral palsy ; Yürüme analizi = Gait analysis

Özet:
Bükük diz yürüyüşü serebral palsili (SP) hastalarda görülen yürüme bozukluklarının başında gelmektedir. Bükük diz yürüyüşünün tedavisi için pek çok cerrahi işlem uygulanmaktadır. Bu yöntemlerin seçiminde operasyonun yapıldığı merkezler ve operasyonu gerçekleştiren hekimin kişisel tecrübesi önemli rol oynamaktadır. Patellar tendon ilerletme (PTİ) operasyonu da özellikle distal femoral ekstansiyon osteotomi operasyonunun uygulandığı durumda sıklıkla tercih edilen yöntemlerden biridir. Buradaki amaç, diz ekstansiyon momentini artırarak bükük diz yürüyüşünün tedavisini sağlamaktır. Ancak PTİ operasyonu diğer cerrahi işlemlere ek olarak yapıldığı için izole etkisi tam olarak bilinmemektedir. Uygulanan cerrahi işlemlerin postoperatif dönemde diz fonksiyonu üzerindeki etkisinin değerlendirilmesinde patellar yükseklik değerli bir ölçüdür. Literatürde, patella yüksekliğini ölçmek için onaylanmış bir prosedür yoktur. Bu tez çalışmasında i) kas-iskelet modellemesi ile patella pozisyonunun belirlenmesi, ii) PTİ operasyonu için uygulanan iki cerrahi işlemin etkilerinin araştırılması, iii) PTİ'nin patella yüksekliği üzerindeki etkisinin değerlendirilmesi, iv) PTİ'nin diz eklemi momenti ve kas kuvvetleri üzerindeki etkisinin kas-iskelet modellemesi yoluyla belirlenmesi ve v) hastalara uygulanacak cerrahi işlemlere karar verme sürecine destek olacak bir bulanık mantık algoritmasının geliştirilmesi amaçlandı. Bükük diz yürüyüşüne sahip SP'li hastalar pek çok operasyona ek olarak PTİ operasyonuna maruz kalanlar (PTİ grubu, n=18) ve PTİ operasyonuna maruz kalmayanlar (PTİ'siz grup, n=18) olarak ikiye ayrıldı. Hastaların üç boyutlu yürüme analizi ve Xray verisi restrospektif olarak preoperatif ve post operatif dönemde incelendi. Ameliyat öncesi ve sonrası patella pozisyonunu, diz ekstansiyon moment kolunu, diz eklemi açısını, diz eklem momentini ve kas kuvvetini ölçmek için hesaplamalı bir kas-iskelet modeli kullanıldı. Uygulanacak operasyon yöntemlerine karar vermek için bulanık mantık algoritması kullanıldı. Cerrahlar tarafından dikkate alınan parametreler, algoritmaya tanımlandı. Elde edilen sonuçlar göstermiştir ki, PTİ operasyonu bükük diz yürüyüşünün tedavisinde etkili bir tedavi yöntemidir. Modelleme ve simülasyon programları aracılığıyla patella yüksekliğinin objektif bir protokolde ölçümü mümkündür. Ayrıca geliştirilen bulanık mantık algoritması, SP'li hastalarda uygulanacak operasyonlara karar verme aşamasında hekimlere destek sağlayabilecek potansiyele sahiptir.

Abstract:
Crouch gait is the most common gait disorder in patients with cerebral palsy (CP). There are many surgical procedures for the treatment of crouch gait. For the decision-making process, the centers where the operation is performed and the personal experience of the surgeon who performs the operation play an important role. Patellar tendon advancement (PTA) is also one of the frequently preferred methods, especially when distal femoral extension osteotomy is performed in patients with CP to provide the treatment of crouch gait by increasing the knee extension moment. However, since the PTA is performed in addition to other surgical procedures, its isolated effect is not clearly known. Patellar height is a valuable measure in evaluating the effect of surgical procedures on knee function in the postoperative period. In the literature, there is no approved procedure to measure patella height objectively. In this thesis, it was aimed to i) determine the patella position with musculoskeletal modeling,  ii) investigate the effects of two surgical procedures applied for PTA, iii) evaluate the effect of PTA on the patellar height, iv) determine the effect of PTA on knee joint moment and muscle force through musculoskeletal modeling, and v) develop a fuzzy logic algorithm that would support the decision-making process of surgical procedures. Patients with CP with crouch gait were divided into two groups if they had received a SEMLS in combination with PTA (PTA group, n=18) or without PTA (NoPTA group, n=18). Three-dimensional gait and X-ray data of the patients were retrospectively analyzed in the preoperative and postoperative period. A computational musculoskeletal model was used to quantify patella position, knee extension moment arm, knee joint angles, knee joint moments and muscle forces before and after surgery. Fuzzy logic algorithm was used to decide the operation methods. The parameters considered by the surgeons were defined into the algorithm. Obtained results showed that PTA is an effective treatment method in the treatment of crouch gait. Measurement of patella height in a standard protocol is possible through modeling and simulation software. In addition, the developed fuzzy logic algorithm has the potential to provide support to the decision-making process of surgical procedures to be performed in patients with CP.