Onlarca yıllık geliştirme çabalarından sonra, insan yürüyüşü analizi için nicel araçlar keşfedilmiştir. Bunlar yürüme anormallikleriyle kendini gösteren altta yatan patolojileri ortaya çıkarmak için önemli bir araç haline gelmiştir. Bununla birlikte, altın standart cihazlar (örneğin, optik hareket yakalama sistemleri) genellikle pahalı ve karmaşıktır, ancak uzman çalıştırma ve bakım gerektirir ve bu nedenle az sayıda özel yürüyüş laboratuvarı ile sınırlıdır. Bu nedenle, mevcut klinik ortamlarda, yürüme analizi hala esas olarak görsel gözlem ve değerlendirmeye dayanmaktadır.
Mikroelektromekanik sistemler (MEMS) teknolojisindeki son gelişmeler nedeniyle, jiroskopların maliyeti ve boyutu azalırken, doğruluk iyileştirilir ve bu da yürüyüş özelliklerini nitelendirmek için etkili bir yol sağlar. Bu bölüm, jiroskop tabanlı giyilebilir teknoloji kullanılarak insan yürüyüş modellerinin (normal ve anormal) yakından incelenmesini amaçlamaktadır. Deneye hem sağlıklı denekler hem de hemiparezi hastaları katıldı ve deneysel sonuçlar, ayaklı jiroskopların hem zamansal hem de uzaysal alanlarda yürüyüş anormalliklerini değerlendirebildiğini gösteriyor.
Giyilebilir jiroskoplardan yapılan yürüyüş analiz sistemleri, hem klinik hem de ev ortamlarında, işletim, bakım ve çalışma ortamı için çok az gereksinimi olan altın standart muadillerinden daha kolay kullanılabilir ve bu nedenle yürüyüş analizi için umut verici bir gelecek sunar. Deneysel sonuçlar, ayaklı jiroskopların hem zamansal hem de uzaysal alanlarda yürüyüş anormalliklerini değerlendirebildiğini göstermektedir.
Yürüyüş Verisi Toplama
Yürüme analizi, ölçüm cihazlarından algılanan verilerin modellerini inceleyerek gerçekleştirilebilir. Çalışmamızda iki yürüyüş verisi kaynağı vardır, yani eylemsizlik verileri ve optoelektronik veriler. Optoelektronik veri Vicon kullanılarak ölçülür, optik hareket yakalama sistemi yürüme analizi algoritmaları için kesin sağlamak için referans veri olarak kullanılır. MEMS atalet sensörleri ve Vicon retroreflektif belirteçler hastanın alt uzuvlarda bağlıdır. Bununla birlikte, gösterim amacıyla, bu bölümde kısmi büyütülmüş çizimde gösterildiği gibi, bu bölümde yalnızca ayaklı cihazlardan alınan ölçümler dikkate alınmıştır.
MEMSense IMU
Çalışmada kullanılan atalet sensörleri birinci tip MEMSense Nimu olan bir küçük boyutlu ve düşük ağırlıklı bir MEMS ünitesi ve $ yaklaşık 1300 maliyetlerinormal altında veri toplama işlemini görüntülemektedir. NIMU, kablolu bir sensör düğümü olduğu için, onunla iletişim kurarken, önce onu bir USB arayüz kartına bağlamanız ve ardından USB arayüz kartını daha fazla işlem için bir bilgisayara bağlamanız gerekir. Algılanan verileri elde etmek ve depolamak için kullanılan yazılım, konsol tabanlı, menüye dayalı bir uygulama olan ve belirli bir RS422 protokolü kullanarak temel görüntüleme ve toplamaya izin veren MEMSense IMU Veri Konsoludur (IDC).
NIMU, sapmaya ve ölçek faktörüne karşı sıcaklık hassasiyetleri için telafi edilir ve 150 Hz örnekleme hızıyla 3D hızlanma, 3D açısal hız ve 3D manyetik alan yoğunluğu dahil olmak üzere seri çıktılar sağlar. 
MEMSense nIMU’da Jiroskopun Temel Özellikleri.
IMU’lar kişinin ayaklarına yerleştirildiği için jiroskop ölçümleri yürüyüş aşamalarının geçişlerine göre periyodik ve tekrarlayan desenler içerir. Bu modeller, temel yürüyüş olaylarının ve ilgili yürüyüş aşamalarının buna göre tespitini kolaylaştırarak yürüyüş analizi için faydalıdır. Ayaklar, HS olaylarında oldukça aşırı dinamiklere maruz kaldığından, nIMU’daki jiroskobun bant genişliği ve dinamik aralıklarının optimal yürüyüş karakterizasyonu için yetersiz olduğu bulunmuştur.
Bu yetersizlikler, sistemde sistematik ölçüm ve modelleme hatalarına neden olacaktır. Sensörü yürüyüş için test ederken, elde edilen izleme sonuçları makuldür, ancak jiroskop yeterli dinamik aralığa sahipse, ayağın zemine etkisini doğru bir şekilde izlemek için önemli ölçüde iyileşecektir. Araştırmalara göre , buruna monteli jiroskopların deneyimlediği maksimum açısal hız koşu sırasında 1500 ° / s’ye ve sprint sırasında 2000 ° / s’ye ulaşabilir. Bunun nedeni, özellikle en yüksek açısal hızı sergileyen ayak parmağı hareketi için, yürüyüş döngüsü boyunca ayak tutumunun çok hızlı değişmesidir. Topuk, ayak bileği ve kaval kemiği tarafından deneyimlenen maksimum açısal hızlar koşu sırasında 1000 ° / s’den yüksek değildir.
Analog Cihazlar IMU
Çalışmalarda kullanılan diğer atalet sensörleri türü , endüstri lideri i MEMS ® teknolojisini dinamik performansı optimize eden sinyal koşullandırma ile birleştiren ve yaklaşık 600 $ maliyeti olan ADIS16448 i Sensor cihazıdır ADIS16448, aşağıda gösterildiği gibi standart bir bağlayıcı arabirimine sahip bir modül içinde paketlenmiştir. Bir devlet hastanesinin fizik tedavi ve rehabilitasyon bölümünde veri toplama sürecini tasvir eder. SPI ve kayıt yapıları, veri toplama ve konfigürasyon kontrolü için basit bir arayüz sağlar. ADIS16448, şu anda diğer Analog Devices, Inc., IMU ürünlerini kullanan sistemler için uyumlu bir pinout’a sahiptir.
Her ADIS16448 bir üç eksenli jiroskop, bir üç eksenli ivmeölçer, bir üç eksenli manyetometre ve basınç sensörleri içerir. Fabrika kalibrasyonu her bir sensörü hassasiyet, önyargı ve hizalama açısından karakterize eder. Bu nedenle, her sensör, doğru sensör ölçümleri sağlayan kendi dinamik kompanzasyon formüllerine sahiptir.
ADIS16448 i Sensor Cihazında Jiroskobun Temel Özellikleri
Tüm algılama tertibatının boyutları 4,5 × 3,5 × 2,25 cm ve örnekleme hızı 400 Hz’dir. Ana bileşenler, ADIS16448 IMU, bir mikro denetleyiciye sahip bir baskılı devre düzeneği (PCA), bir güç kaynağı ve tüm bileşenleri içeren bir kasa içerir. Toplanan veriler önce dahili bellekte saklandı ve ardından daha fazla işlenmek üzere harici bir bilgisayara aktarılmıştır. Sensör okumaları yürüyüş sırasında ve değişen hızlarda koşarken bu dinamik aralık içinde kaldığından, ± 1000 ° / s jiroskop aralığının daha uygun olacağı görülebilir.
Yürüme Analizi Deneyi![Yürüme Analizi İçin Nicel Araçlarda Analiz İçin Veri Toplama]()
Genellikle, patolojik yürüyüş, kısaltılmış duruş fazı ve adım uzunluğu, azaltılmış yürüyüş kadansı ve yürüme hızı ve azalmış ekstansiyon-fleksiyon hareketi gibi sınırlı aralık ve hıza sahip karakteristik bir yürüyüş paterni sergiler. Giyilebilir yürüyüş analiz sisteminin çıktıları, bu anormalliklerin hızlı ve doğru bir şekilde ölçülmesine olanak tanıyan, insan yürüyüşünün yakından incelenmesi için çok kullanışlıdır. Bu bölümde önce deneylerin kurulumu ve sonuçları sunulmakta, daha sonra deneysel sonuçlarla ilgili bazı tartışmalar yapılmakta ve son olarak IMU tabanlı yürüyüş analiz sisteminin rehabilitasyon sürecini takip etme kabiliyeti doğrulanmaktadır.
Deney Kurulumu
Çalışmamıza rehabilitasyon sürecinde olan hastalar gönüllü olarak alındı. Karşılaştırma amacıyla, genç sağlıklı denekler de çalışmaya katılmaları için gönüllü olarak işe alındı. Her denemeden önce, deneklerden sistemin ilk hizalamasını gerçekleştirmek için birkaç saniye hareketsiz durmaları istenmiştir. Her deneme sırasında hastalara, hastane koridoru boyunca uzanan ve engelsiz, yaklaşık 10 m uzunluğunda düz bir yol boyunca rahat hızlarında yürümeleri talimatı verildi. Tüm hastalardan sırasıyla ileri ve geri yönde iki ardışık yürüyüş yapmaları ve her denemenin sonunda başlangıç pozisyonunda geri dönmeleri istendi. Sağlıklı denekler için, deney aynı prosedürle gerçekleştirildi, ancak arka arkaya dört yürüyüş gerçekleştirilmiştir ve önceden tanımlanmış yol modern bir ofis binasının düz bir katında 20 m uzunluğundaydı.
Deney Sonuçları ve Tekli Deneme
Yürüyüş olayları doğru bir şekilde tespit edildiğinde, tek bir deneme yürüyüş fazı süresi, yürüyüş döngüsü dağılımı, ayak açısı, adım uzunluğu ve yürüyüş hızı gibi uzay-zamansal yürüyüş parametreleri çıkarılabilir. bir yürüyüş döngüsü, aşağıdaki gibi tanımlanan dört ardışık aşamaya bölünmüştür:
• HS (HS-FF): HS olayından FF olayına kadar süren aşama
• ST (FF-HO): duruş aşaması
• HO (HO-TO): HO olayından TO olayına kadar süren aşama
• SW (HO-HS): salınım aşaması
Hemiparezi tek taraflı pareze, yani vücudun bir tarafında zayıflığa yol açabilir. Sağlıklı deneklerin normal yürüyüşü ile karşılaştırıldığında, hastaların patolojik yürüyüşü için birkaç sonuç çıkarılabilir , bunlardan bazıları aşağıdaki gibidir:
• Hasta, daha uzun yürüyüş döngüsü ve düzensiz ve asimetrik bir yürüyüş paterni ile azaltılmış bir yürüyüş temposu sergiler.
• Sol ayağın duruş fazları sağ taraftan daha kısa olduğu için hasta sol taraftan etkilenirken, bunun tersi, etkilenen alt ekstremitenin ayağı destekleyememesi nedeniyle sallanma fazları için doğrudur. Vücut ağırlığı tek başına iyi ve oldukça dengesiz bir durum yaratır.
• Hasta, özellikle sol ayağı için önemli ölçüde azalmış bir ekstansiyon-fleksiyon ayak hareketi sergiler; burada kısaltılmış HS fazları, salınım fazı sırasında yetersiz ayak dorsifleksiyonunun belirtileridir.
• Hasta kısaltılmış bir adım uzunluğu sergiler, sanki hastanın kat edilen mesafesi sağlıklı deneğin yarısı kadar olsa da, atılan adım sayısı hemen hemen aynısıdır.
• Hastanın her iki ayağının yürüme hızları açıkça azalır ve her iki alt ekstremitenin adım uzunlukları büyük ölçüde kısalır, bu da sağlıklı tarafın etkilenen taraftan etkilendiği hipotezini destekler ve bu nedenle hastanın asemptomatik tarafı bile yoktur ve bunlara telafi edici yanıtlar denir.
Yukarıda tartışıldığı gibi, ayak hareketinin yetersiz dorsifleksiyonu, hastanın sallanma fazı sırasında parmağını yeterince kaldıramaması ve böylece salınımdan duruşa hızlı bir dönüşümle sonuçlanması anlamına gelir. Bu bozukluk, yürüyüş simetrisini ve yürüyüş düzenini etkileyen anormal oranlarda yürüme fazları oluşturmakla kalmaz, aynı zamanda yük dağılımını değiştirdiği için yüksek düşme riski nedeniyle hastalar için tehlikeli olabilir.
Çoklu Deneme
Yürüyüş modellerinin değişkenliğini artırmak için zengin bir veri için daha fazla deneme yapılmıştır. Gösteri amacıyla, her yürüyüş fazının sürelerinin ortalama değerleri, standart sapmaları ve bunların her yürüyüş döngüsündeki nispi yüzdeleri, tüm denemelerin ilgili her yürüyüş fazı için hesaplanır . Birden fazla denemenin sonucu, tek bir denemeden elde edilen sonuçları daha da doğrular.
Rehabilitasyon Süreci Değerlendirmesi
Rehabilitasyon sürecini değerlendirmek için IMU tabanlı yürüyüş analiz sisteminin yeteneğini doğrulamak için, bir hastanın yürüyüşü 1 ay boyunca haftada bir ölçüldü. Ekstansiyon-fleksiyon hareketinin tahmini ayak gösterilmektedir , burada maksimum ayak dorsifleksiyon açılarının her bir bölgesi bir elips ile işaretlenmiştir. Daha iyi bir karşılaştırma için, birbirini izleyen yürüyüş döngüleri üzerindeki açılar bölümlere ayrılır ve aynı başlangıç noktası ile zaman ekseni boyunca hizalanır.
Beklendiği gibi, etkilenen ayağın dorsifleksiyon aralığı tedavi ilerledikçe kademeli olarak arttı. Aksi takdirde, sağlık uzmanlarının tedavi planlarını değiştirmeleri gerekebilir. Bu arada, ilgili her aşamada harcanan yürüyüş döngülerinin yüzdeleri açısından hastanın yürüyüş simetrisi de geliştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar , elde edilen verilenlerle tutarlıdır. Jiroskop tabanlı ayağa monte yürüyüş analiz sistemi tarafından sağlanan ölçülen uzay-zamansal yürüyüş parametrelerine dayalı olarak, uygun tıbbi müdahaleye karar vermek için yararlı olan yürüme anormallikleri olan hastaların rehabilitasyon sürecini değerlendirmek için yürüyüş performansı karakterize edilebilir.
Deney Sonuçları
Giyilebilir atalet sensörleri aracılığıyla insan yürüyüşünün nicelendirilmesi, patolojik tanıya yardımcı olmak, uygun tedaviyi seçmek, tedavi etkinliğini değerlendirmek ve rehabilitasyon sonuçlarını değerlendirmekten yürüyüş bozulmasını izlemeye, düşme risklerini tahmin etmeye ve yaşlı düşmeleri önlemeye kadar son yıllarda artan ilgi çekmektedir. Ayaklı MEMS jiroskoplarından yapılan yürüyüş analizi sisteminin uzay-zamansal yürüyüş parametrelerini tahmin etmek için umut verici bir yol sağlayabileceğini ve gelecekteki araştırma ve klinik uygulamalarda çeşitli potansiyel kullanımları olduğunu göstermiştir.
Bu tür sistemler sadece klinik tanı ve tedavi kullanımı için uygun olmakla kalmaz, aynı zamanda klinik olmayan ortamlarda yürüyüş değişikliklerini sürekli olarak izleyebilir, böylece klinikten gerçek dünya ayarlarına kadar kesintisiz yürüyüş analizi sağlar. Bununla birlikte, giyilebilir teknolojiler daha etkili, kullanışlı ve ekonomik bir yürüyüş analizi teknolojisi oluşturmak için çözümler olarak görülse de, yürüyüş analizinin potansiyelinden şimdiye kadar tam olarak yararlanılmamıştır. Yaygın kullanımı için hala yapılacak çok şey var.
Gelecekteki çalışmalarda, kişinin patolojik yürüyüşünü kapsamlı bir şekilde incelemek için uzay-zamansal alanda daha fazla yürüyüş parametresi yakından incelenecektir. Ayrıca, yürüyüş performansını olabildiğince tam olarak değerlendirmek için makul indeksler araştırılacak ve insan hareketini yöneten nöromüsküler kontrol süreçleri hakkında bilgi sağlamak için bazı doğrusal olmayan analiz teknikleri kullanılacaktır.
Kaynakça:
https://www.researchgate.net/publication/297049078_Qualitative_and_quantitative_methods_of_assessing_gait_disorders
https://www.researchgate.net/publication/230708510_Methods_and_Technologies_for_Gait_Analysis
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu