ELEKTRONİK DİZ ÜSTÜ PROTEZ TASARIMI

Transkript

1 ELEKTRONİK DİZ ÜSTÜ PROTEZ TASARIMI Dr. Kurtuluş Erinç Akdoğan

2 Diz Üstü Protez Protez (takma), kaybedilen beden uzvunun yerine kullanılan yapay uzuvdur. Her 200 kişiden 1 i uzvunu kaybetmektedir ( kişi) [Muilenburg ve Wilson, 1996]. Bacağın diz üstünden kaybedildiği durumda diz üstü protez kullanılmaktadır. Diz üstü kesiklerin oranı %32.6 [Muilenburg ve Wilson, 1996]. Diz ekleminin vücudun en büyük ve yapı olarak en karmaşık eklemidir [Desdicioğlu, 2008].

3 Diz Üstü Protez Soket: Diz eklemi ile güdük arasındaki bağlantıyı sağlayan reçineden yapılan oyuktur. Diz: hareketi denetleyen mekanizmaların bulunduğu birimdir. Baldır: protezin boyunun ayarlanabilmesi için gerekli metal bir borudan oluşmaktadır. Ayak: protezin yer ile temasını ve kişinin dengesinin sağlanmaktadır. Protezin başarımı, tüm bileşenlerin kullanıcıya uygun tasarlanmasına ve doğru çalışmasına bağlıdır.

4

5 Yürüyüş ve Evreleri

6 Bir Diz Üstü Protezinin Başarım Şartları Vücut ağırlığını desteklemek için yeterli kararlılık. Topuk vuruşu sırasında aniden bükülerek engellinin düşmesine yol açmamak için, diz eklemi soketle uygun bir şekilde hizalanarak kararlı duruma getirilmelidir. Diz protezi, birinci şekilde gösterildiği gibi P ağırlık normalinin gerisine yerleştirildiğinde, P ağırlık normalinin önünde olduğu ikinci şekildeki hizalamaya göre daha kararlı olmaktadır.

7 Bir Diz Üstü Protezinin Başarım Şartları Yürüyüş esnasında topuğun yere değmesi ile oluşan yer tepki kuvvetinin emilimi ve ileri doğru hareketin sağlanması için gerekli diz bükülmesi (duruş bükülmesi) Orta duruş evresinde vücudun bükülmüş diz üzerinde desteklenmesi Salınımdan hemen önce dizin dirençli torku düşük olmalıdır böylece diz kolayca salınım evresine girebilir

8 Salınım evresinde diz en çok bükülme açısına eriştiğinde dirençli tork arttırılmalı ve en çok bükülme açısı, biyolojik sınırı aşmamalıdır. En çok bükülme açısı bu sınırın altında olduğunda diz eklemi uzarken ayak parmak ucu yere temas ederek tökezlemeye yol açabilirken açı, sınırın üstünde olduğunda ise diz, salınımını zamanında tamamlayamayacaktır. Salınım evresinin sonuna yaklaşıldıkça, dizdeki dirençli tork arttırılmalı ve topuk yere temas ettiğinde en yüksek değerine ulaşmalıdır

9 Bir Diz Üstü Protezinin Başarım Şartları Yürüyüşün ritmi arttıkça, uygulanan dirençli torkun şiddeti de ritim artışının karesi ile doğru orantılı arttırılmalıdır Diz protezi değişen hıza, anlık tepki verebilmeli ve kullanıcıya uyumlu olabilmelidir. Erken duruş evresinde bacağın yer ile temas etmesinden kaynaklanan sarsıntının emilmesi için dizin bükülmesi gerekmektedir. Günlük hayatta karşılaşılması olası eğimli yol, merdiven gibi koşullara, oturma ve ayakta durma eylemlerine kendiliğinden uyum göstermelidir.

10 Elektronik Diz Protezi Birimleri Mikrodenetleyici duyargalardan yaklaşık 30ms de bir aldığı yürüyüş bilgisini, hafızasında yer alan dayanak yürüyüş örüntü ile karşılaştırır ve sönümlendiriciyi denetleyerek, dizi belirlenen konuma getirir Duyargalar Jiroskop İvmeölçer Algılama Mikrodenetleyici Denetim Mikro denetleyici Sönümlendirici Duyargalar Sönümlendirici Duyargalar Silindir

11 Hareketlendirici Türleri Elektronik diz protezleri temel olarak etkin diz protezleri ve yarı etkin diz protezleri olarak ikiye ayrılmaktadır. İki diz protezi arasındaki temel fark, etkin diz protezleri hareket üretirken, yarı etkin diz protezlerinin hareketi sönümlendirmesidir. Etkin diz protezleri, hidrolik, silindir ve motor gibi hareketlendiriciye sahip diz eklemlerinden oluşmaktadır. Kullanıcısına merdiven çıkmasını sağlayabilir Yarı etkin diz protezleri, kullanıcının kalçasından kaynaklanan torku, hidrolik, pnömatik ya da MR silindir ile sönümlendirerek diz hareketini denetlemektedir. Etkin Elektronik Diz Yarı Etkin Elektronik Diz Hareketi Hareket üretebilir. Ağır ve kolay bozulan bir mekanizmaya sahiptir. Enerji tüketimi yüksektir. sönümlendirir. Basit bir mekanizmaya sahiptir. Üretimi ucuzdur. Enerji tüketimi düşüktür.

12 Yarı Etkin Elektronik Dizlerin Karşılaştırılması Hidrolik tabanlı protezler, engellinin güvenliğini öncelikli tutarken silindirin uzun tepki zamanı nedeni ile bu protezin başarımı, yüksek yürüyüş hızlarında düşmektedir. Pnömatik ve MR silindirler ise sahip oldukları kısa tepki süreleri sayesinde yüksek hızda yürüyüşler için daha uygundur. Bu protezler arasında en doğal yürüyüşü veren ise pnömatik silindirdir. MR sönümlendiricinin sertliği akım ile denetlenmesinden ötürü bu silindirin denetlenebilirliği, adım motorlu bir iğne denetlenen hidrolik ve pnömatiğinkine göre daha iyidir. Hidrolik ve MR silindirler sıvısını zaman içinde sızdırabilir. Pil ömrü, her türlü elektronik diz protezi çeşidi için önemli bir sınırlandırmadır. Pil bittiğinde Hız Hidrolik Pnömatik MR Yavaş ve Yavaş, orta ve Yavaş, orta ve orta hızlı hızlı Duruş Kilitlenir Mekanik fren Direnç yok Salınım Kilitlenir Normal Serbest Pnömatik Diz hareket Pil 1 gün 2 gün 2 yıl 1-2 gün Güvenlik Yüksek Orta Orta

13 Duyargalar

14 Elektronik Diz Üstü Protez Çeşitleri Etkin Dizler Bir diğer adı güçlendirilmiş dizler Yarı etkin dizlerin yapamadığı merdiven çıkma, zıplama ve koşma hareketlerinin yapılabilmesi için tasarlanmışlardır. Güç kaynağının çok yer kaplaması ve çabuk tükenmesi bu protezlerin uygulanabilirliği oldukça azaltmaktadır. Hareketlendiricilerin ürettiği kuvvet düşüktür. [Flowers W., 1977], Belgrade dizi [Popovic D., 1988], [Ju M., 1995], [Goldfarb M. 2007], hidrolik silindir kullanarak etkin diz protezleri üretmişlerdir. Motorlu düzenek [Kaptı A.O., 2006] Ticari ürün olarak tek etkin diz üstü protezi Power knee [Ossur, 2006]. Fiyatı yaklaşık $ dır.

15 Elektronik Diz Üstü Protez Çeşitleri Yarı etkin diz üstü protezler Dizin sönümlemesini ve sertliğini değiştirerek mekanik direnci denetlerler. Üç çeşit silindir kullanmaktadırlar Pünomatik, [Pelisse F., 1992] Hidrolik, [Zlatnik D., 2001] MR silindir, [Kim J.H., 2001], [Carlson J. D., 2001], [Wilkenfield A, Herr H., 2001] Protezin kullanım esnasındaki durumunu diz açısı, hızı, EMG sinyalleri ve kuvvet bilgileri incelenerek belirlenir. Üretim maliyeti düşüktür Ticari ürün olarak yarı etkin diz üstü protezleri Hidrolik silindirli C-leg $ MR sönümlendiricili Rheo knee, $

16 Flowers 1974, Donanım Hidrolik silindir kullanan etkin bir diz protezidir. Protez seri iletişim ile dışarıdan bir bilgisayar ile denetlenmektedir. EMG sinyalleri, kullanıcının amacını kestirebilmek için kullanılmaktadır. Diğer duyarga bilgileri Diz açısı Açısal hız Moment bilgisi Protezi ağırlığı 6.5 pound= 2.94 kg Hareketlendiricinin etkin gerilme ve bükülme torku 90.4 Nm Hareketlendiricinin en çok çevrim sıklığı w 2π rad/sn

17 Flowers 1974, Donanım MR sönümlendiriciye benzer bir silindir ile çalışan bu protez yarı etkin bir dizdir Dizin denetimi seri iletişim ile bağlı olduğu dışarıdan bir bilgisayar ile gerçekleştirilmektedir. Kullanılan duyarga verileri EMG sinyali Diz açısı Açısal hız Moment Hareketlendiricinin verebildiği en çok direçli tork 17 Nm

18 Flowers 1974, Sonuç İlk protezde salınım denetimi hidrolik silindir ile yapılırken, duruş evresinde aşırı uzatma ile denetim yapılmaktadır EMG sinyalleri ile protezin hareket özellikleri denetlenebilmektedir Manyetik parçacıklı frene sahip ikinci protez, ilk protezin dinamik aralığına sahip değildir. Performasın düşük olmasına rağmen, bu sistem salınım denetimi ve sınırlı duruş denetimi için gerekli beceriye sahiptir. Bu çalışma daha sonra yapılan protezler için referans olmuştur.

19 Aeyels 1990, Donanım Manyetik parçacıklı fren kullanan gömülü bir sistemdir Uyumlamalı bir denetim algoritmasına sahip olan protez temel olarak soket için yerleştirilen elektrotlardan ölçtüğü EMG sinyallerini kullanmaktadır. Diz seviyesinden Diz açısı Açısal hız ölçülmektedir Protez ayağın altından farklı noktalardan kuvvet ölçülmektedir. Motorola 68HC11 üzerinde denetim algoritmasının koşulmaktadır. Denetim algoritması bir sınırlı durum denetim algoritmasıdır. Durumlar eğimli, eğimsiz yolda yürüme, oturma, merdivenden aşağı inme, tökezleme kiplerinden oluşmaktadır Herbir kip kendi içinden evrelere ayrılmakta ve bu evreler için dirençli tork belirlenmektedir

20 Aeyels 1990, EMG sinyalleri Protez sistemlerinde ortak olan sorun kullanıcının amacının ve hareket kipinin iyi tanımlanması gerekliliği ve denetimin kiplere göre yapılmasıdır. Kendine yeten (self contained), öz bir sistem oluşturmak amacıyla bu çalışmada, kalçadan ve güdükten ölçülen EMG sinyallerini kullanarak, kip ve amaç tanıma gerçekleştirilmektedir. İncelenen kaslar Rectus fomeris 4m Gluteus maximus 6m Gluteus Medius Adductor longus 6º, 9º Tensor fasciae latae Hamstring 5m Normal 12 kişilik 2 öbek insan üzerinde inceleme gerçekleştirilmiştir. İlk öbekte kip tanıma çalışması yapılmıştır, ikinci öbek üzerinde ise kip ve amaç tanıma çalışması yapılmıştır. Son olarak, bir protezli hasta üzerinde tüm kipler için belirtilen kasların etkinliği incelenmiştir.

21 Aeyels 1990, Sonuçlar Normal insanlar ile yapılan deneyler sonucu aşağıda sıralanmış üç kasın ayak temas sinyalleri ile birlikte kip tanıma için yeterli olduğu sonucuna varılmıştır. Gluteus maximus Gluteus medius Tensor fascia latae Üç farklı yürüyüş koşulu için faz ve genlikte oluşan değişimler üç kasta birbirinden farklı etkinlik göstermektedir a) diz açısı, b) fascia latae c) Gluteus maximus d) Gluteus medius Δ eğimsiz yürüyüş, ν yokuş aşağı, o yokuş yukarı

22 Aeyels 1990, Sonuçlar Sunulan sonuçlar, kip tanıma için tasarlanmış bir algoritma ile elde edilmiştir. Yapılan bu çalışmada farklı sorun kaynakları ile karşılaşılmıştır. Öncelikli sorun kaynağı, kullanılan proteze göre kalça ve güdük kaslarında gözlemlenen etkinliğin değişilik göstermesidir. Bu sorun yapay zeka kullanılarak aşılabilir. Elektrotların kayması, elektrotlardaki gürültü önemli sorun kaynaklarıdır. Kiplerin ve kipler arasındaki geçişlerin sayısının artması ölçüm için kullanılıcak elektrot sayısını arttırmaktadır. Engelliler üzerinde yapılan testler protezin başarımının tatmin edici olduğunu göstermektedir.

23 Pelisse 1992, Donanım 4 barlı bir diz eklemi kullanılmaktadır Pünomatik silindir ile çalışmaktadır Mikrodenetleyici olarak 8051 kullanılmaktadır Duyarga olarak üç adet anahtar kullanılmaktadır Protezin ağırlığı 3 kg dır Pilin ömrü yaklaşık 14 saattir

24 Pelisse 1992, Algılama A ve B anahtarları ayağın duruş evresindeki durumunu göstermektedirler. Anahtarların kapalı olduğu süre yürüyüş peryodunu hesaplanmaktadır C anahtarı eklemde yer almaktadır, kapalı iken diz uzatılmış konumdadır E diz açısını göstermektedir F Pünomatik silindire uygulanan kuvveti göstermektedir D, pünomatik silidirin elektromagnetik valfini denetleyen sinyali göstermektedir

25 Pelisse 1992, Sonuç Farklı hızlarda yürüyebilen bir diz üstü protez prototipi üretilmiştir. Protez dizin uzaması gerekli ilk hız vermekte ve diz hareketini sönümleyebilmektedir. Etkin bir elektronik diz protezi örneğidir. Duruş evresinde diz bükülememektedir. Pünomatik silindiri diz protezi, pil bittiği takdirde sabit sönümleme ile engelliye hareket imkanı vermektedir. Diz protezinin daha uzun süre çalışabilmesi için daha iyi pillere ve daha az enerji kullanan bir mikrodenetleyiciye sahip olması gerekmektedir. Farklı ortam koşulları ve farklı vücut ölçülerine sahip insanlar için denenmemiştir.

26 Herr Wilkenfield, 2003, Donanım Döner bir MR sönümlendirici kullanmaktadır. (1) Duyargalar, potensiyometre (2), gerginlik ölçer (3), pil ve elektronik kart (4). Gömülü bir sistemdir, mikroişlemci olarak Motorola 6812 işlemci kullanmaktadır.

27 Herr Wilkenfield, 2003, Denetim Protez diz denetleyicisi bir durum makinesi gibi çalışmaktadır. Herbir evre, denetleme algoritmasındaki bir duruma karşılık gelmektedir 2 Torque B(V) B katsayısı herbir evre için farklı değere sahiptir ve bir evre boyunca sabit kalmaktadır. Kullanıcıya uyumlu denetleme algoritması, herhangi bir kullanıcı için sağlam ve kesik bacak arasındaki simetriyi arttıracak şekilde herbir yürüyüş evresi için bir B belirlemeyi hedeflemektedir. Ayağın yerler temas süresinden yürüyüş hızı tespit edilmektedir. B yürüyüş hızına bağlı olarak değiştirilmelidir. B=0 B yükse k B düşük B ~ en çok salınım açısı B ~ bir önceki evre

28 Herr Wilkenfield, 2003, Denetim B parametresi, evre 1 ve 2 de yaklaşık 20 adımda ölçülen en çok eksen kuvvetlerinin ortalamasına bağlı olarak, kullanıcının ihtiyacına göre belirlenir. Evre 4 te evre 1 ve 2 de ölçülen yürüyüş hızın ve en çok salınım bükülme açısına göre belirlenir ve 20 adım boyunca elde edilen veriler kaydedilir. Kullanıcının farklı durumlar ve yürüyüş hızları için yürüyüş bilgisi sistemde kaydedilir. Biyolojik yürüyüşün sınırlarını aşmayacak şekilde ayarlanan bu veriler, uyumlamalı algoritma için kullanılmaktadır.

29 Herr Wilkenfield, 2003, Sonuç Kullanıcıya uyumlu denetim yordamı ve algılanan verilerle çalışan doğal yürüyüşe yakın bir yürüyüş sergileyen bir prototip diz tasarlanmıştır. Protez dize engelli kişiye özel kullanım öncesinde yapılması gereken ayarlamalara ihtiyaç kalmamaktadır. Erken duruş evresinde biyolojik olarak gerçekçi en çok bükülme açısına ulaşmak, yer tepki kuvvetinin oluşturduğu sarsıntıyı emmektedir. Protez diz tekrar yüklenmeden 1 gün süre ile kullanılabilmektedir. Diz protezinin daha uzun ömüre sahip pil kullanması ya da enerji verimliliğinin arttırılması gerekmektedir. Duyargalardan alınan veriler, kullanıcının amacını kestirmek için yeterli değildir.

30 Carlson, 2001, Donanım Bu diz protezi gömülü bir düzenekten oluşmaktadır. Diz üstü protezde sönümlendirici olarak doğrusal MR sönümlendirici kullanılmaktadır. Diz açısı diz eklemindeki bir döner açı ölçer ile denetlenmektedir Diz açısının yanı sıra, bir analog devre ile diz açısal hızı da hesaplanmaktadır. Eksen kuvvetini ve bükülme momenti verisi gerginlik ölçer ile algılanmaktadır Güç kaynağı olarak kullanılan lityum-ion pil 2 gün yetmektedir.

31 Carlson, 2001, Denetim Duruş Evresi Salınım Evresi Adım Süresi Yürüyüş biçiminin belirleyen özellikler en çok diz bükülme açısı, adım hızıdır. İkinci adımda ölçülen adım bilgileri hedef adım bilgileri ile karşılaştırılmaktadır. Çeşitli yürüyüş ve çevre koşulları için optimum zamana karşılık yürüyüş eğrileri deneysel çalışmalarla elde edilmiştir. Bir diğer önemli yürüyüş parametresi ise farklı yürüyüş hızları için en çok diz açısı değerleridir. MR sönümlendiricinin farklı hızlar da yapması gereken sönümleme miktarı, bir protez teknisyeni tarafından engellinin protez ile yapacağı sınama yürüyüşlerinde belirlenmekte ve hafızaya kaydedilmektedir

32 Carlson, 2001, Sonuç Bu protez değişen işleyiş koşullarından bağımsız olarak kendisini giyen kullanıcısına ve yürüyüş dinamiklerinde bir değişikliğe uyum sağlayabilmektedir. Kullanıcının bilinçli olarak denetlemesine gerek kalmadan, yürüyüş hızına uyum gösterebilmekte, merdiven inebilmekte ve bisiklete binebilmesini sağlamaktadır. Pil ömrü 2 gündür. Duruş evresinde bacak bükülmediği, yer tepki kuvvetinin yarattığı sarsıntı engellenememektedir.

33 Bu çalışmada MR sönümlendirici gömülü bir sistem oluşturulmuştur. Yürüyüş esnasındaki kalça hareketi bir benzetleyici ile oluşturulmuştur. Yürüyüş peryodunu ölçmek için bir adet jiroskop kullanılmıştır. Mikrodenetleyici olarak TMS320F240 DSP kartı kullanılmıştır. Kim, 2001, Donanım Diz Üstü Protez

34 Kim, 2001, Denetim Yürüyüş hareketinin dinamik modeli oluşturulmuştur Hesaplanmış denetim yöntemi ile model doğrusallaştırılmıştır. Kısmi türev denetimi ile hedef açı yörüngesi ile elde edilen açı arasıdaki hata miktarı sistemin geri beslemesi olarak kullanılmaktadır. Hatayı azaltmak için tekrarlayan denetim algoritması da kullanılmıştır. Jiro duyarga elde edilen hız bilgisine göre referans yürüyüş eğrisi belirlenmektedir

35 Kim, 2001, Sonuç Farklı yürüyüş hızlarına uyum gösterebilen MR sönümlendiricili, gömülü bir sistemden oluşan bir prototip üretilmiştir. Kalça hareketi üreten bir yürüyüş benzetleyicisi tasarlanmıştır. Benzetleyici vücut ağırlığını proteze veremediği için bacağın duruş evresindeki başarımı yeterli değildir. Farklı ortam koşulları ve farklı kullanıcılar için göstereceği başarım incelenmemiştir.

36 Zlatnik, 2002 Donanım Duyargalardan alınan veriler incelenmek üzere seri bağlantı ile protez ile iletişim kuran bir bilgisayara aktarılmaktadır. Uygun denetim parametrelerini belirlemek üzere MATLAB da veriler incelenmektedir. Algoritmanın sonucu hidrolik silindirin yapacağı sönümleme katsayısıdır. Sonuç seri iletişim ile protez aktarılır.

37 Zlatnik, 2002 Denetim Yürüyüş evre tespiti duyarga ölçümleri temel alınarak yapılmaktadır Yürüyüş denetimi şimdiki ve geçmiş yürüyüşlere göre yapılmaktadır. Hidrolik denetimi, silindir içindeki sıvı akışını ayarlayan valfin açısal konumunun denetlenmesidir Yürüyüş hızı, yürüyüş ve hidrolik denetimini etkiler

38 Zlatnik, 2002 Denetim Denetim sistemi bilgi tabanı, veri tabanı ve sonuç motorunu birleştirmektedir Bilgi tabanı yürüyüş evreleri ile evrelere uygun hidrolik dizin denetiminden oluşmaktadır. Kural tabanlı sistem, ölçülen verileri eşik değerinden geçirerek sınıflandırıldıktan sonra kuralın koşul bölümü ile eşleştirmeye çalışılır ve eşleşme sağlanırsa seçilen kuralın etkinlik bölümü çalıştırılır. Örneğin ft IS Positive,AND fr IS High AND dq IS Low,THEN Input=FF,(*MST*) f r f t θ

39 Zlatnik, 2002 Denetim Evreler ED OD GD ES OS GS Yürüyüşü evrelere bölmek denetim parametrelerinin ayarlanması ve ortak temelli performans karşılaştırılması için gereklidir. Hız değişimi yapılması gereken sönümleme miktarını değiştirir GS de dizin sert çarpmaması için hız arttıkça sönümlemede artar Bir çevrimden diğer çevrime peryodik olarak tekrar eden evreler arasından geçen süre hesaplanarak hız ölçülebilir. Böylelikle bir çevrimde olabilecek hız değişimi yakalanabilir.

40 Zlatnik 2002, Sonuç Sınırlı durum denetimi yöntemi ile kaydedilen, nicel analitik değişkenler yerine kaydedilen kurallar ve insana özgü değişkenler kullanılmıştır. Sınırlı durum denetiminin götürüsü, tanıma ve denetimin ayrık olmasıdır. Bulanık mantık denetleyicisi için ilk adımdır. Yeni bir hız ölçme ve algılama yöntemi uygulanmıştır. Bir prototip tasarlanmış ve klinik ortamda hasta üzerinde uygulanmıştır. Yavaş ve orta yürüyüş hızlarında başarı sağlanmıştır Ancak hızlı yürüyüşte hidrolik silindirin geç tepki vermesi nedeniyle tatmin edici bir sonuç elde edilememiştir Merdiven inme başarılırken, merdiven çıkmada diğer protezlerdeki gibi yarım adımla sınırlanmıştır.

41 ELEKTRONİK DİZ PROTEZİNİN ELEKTRONİK VE MEKANİK AKSAMLARIN TASARIMI Mekanik aksam unsurlarını temel olarak üç parçaya ayrılabilir: protez gövdesi, diz eklemi, silindir En önemli ve karmaşık birim olan silindirler, elektronik aksam tarafından denetlenerek doğal diz hareketinin oluşmasını sağlamaktadır. Tez çalışması kapsamında iki adet silindir üretilmiştir. Pnömatik MR

42 Pnömatik Silindir Dizin salınım evresi öncesi bükülme açısının, doğal diz hareketinde gözlemlenen en çok bükülme açısını geçmemesi için yürüyüş hızına bağlı olarak denetlenmesi gerekmektedir. Diz bükülürken silindirin içersindeki hava, kırmızı okla gösterilen yönde A odacığından B odacığına geçmektedir. Bu esnada geçiş için kullanılan kanalın genişliği bir doğrusal motor ile denetlenmektedir. Kanal kapatıldıkça, silindirin gösterdiği direnç artmakta ve piston daha az içeri girmektedir. Silindir kabı Piston İğneli valf Doğrusal Motor Yastıklama ayar vidası Odacık B Odacık A Mikrodenetleyici

43 MR Sönümlendirici MR silindirin içerisinde manyetik alana duyarlı, 1-5 μm çaplarında demir-penta-karbonil parçacıkları ve çeşitli eklentiler içeren bir taşıyıcı sıvı bulunmaktadır Bu sıvı manyetik bir alan etkisi altında kaldığında demir parçacıkları manyetik akı çizgileri boyunca dizilerek, bir zincir yapı oluştururlar. Bu yapı basınca maruz kaldığında, şekil değiştirerek bir tepki kuvveti üretmektedir. Uygulanacak akım sonucu oluşan manyetik alan ile kanal civarındaki MR sıvısı sertleştirilerek ya da serbest bırakılarak sıvının geçişi denetlenebilmektedir.

44 Elektronik Aksam Hareket Ölçüm Düzeneği İvmeölçer Jiroskop Kolay yerleştirim Düşük maliyet Düşük enerji tüketimi Hareketli parçası yok Mikrodenetleyici ve Elektronik Kart Pnömatik Silindir Denetleyicisi 16 bit genel amaçlı 40Mhz Duyarga girişleri Programlama portu Tuş takımından iğne konumu ayarlanabilir. İğne konumu LCD den görülebilmektedir.

45 HAREKET ÖLÇÜM SİSTEMLERİ İnsan hareketlerinin incelenmesinde doğrudan ölçüm yöntemleri ve görüntüleme yöntemleri olmak üzere iki ayrı yöntem kullanılmaktadır [Winter D., 2005] Görüntüleme yöntemlerinden elde edilen verilerin çeşitliliğinin ve doğruluğunun yüksektir[winter D., 2005]. Doğrudan ölçüm düzeneklerinin taşınabilir oldukları için çeşitli günlük etkinlikleri uzun süre incelenebilir. Elektronik diz protezi tasarımında protezin içinde yer alan bir doğrudan ölçüm düzeneğinin kullanılması şarttır. Protez, hedef olarak belirlenen doğal yürüyüşü sağlayabilmek için dayanak verilere ihtiyaç duymaktadır. Görüntü Tabanlı Duyarga Tabanlı

46 Görüntü Tabanlı Ölçüm Düzeneği Düzenek, kamera, sabit ışık kaynağı, bilgisayar ve bir koşu bandından oluşmaktadır. Görüntünün aktarımı ve işlenerek yürüyüş verilerinin elde edilmesi MATLAB programlama ortamında gerçekleştirilmektedir.

47 İşaretleyicilerin Merkezlerinin Belirlenmesi

48 Bir İşaretleyicinin Merkez Koordinatları Kamera 720x480 çözünürlüğe sahiptir. Pikseller sol üst köşeden başyarak sağ alt köşeye kadar artmaktadır.

49 Kinematik veriler ve İşaretleyici Kurulumu ij arctan Bağlantı Açıları y x j j y x i (1) i i,j: işaretleyiciler Gövde açısı θ 21, uyluk açısı θ 32, baldır açısı θ 54 Eklem Açıları kalça diz (2) (3) İşaretleyicilerin yerleştirimi Açılar, bir bağlantı üzerinde yer alan iki işaretleyicinin (i,j) merkez koordinatları x i, y i ve x j, y j görüntüden bulunarak eş. 1 de gösterildiği gibi hesaplanmaktadır.

50 Kinematik veriler ve İşaretleyici Kurulumu İşaretleyicilerin yerleştirimi Görüntüleme sisteminin örnekleme periyodu Δt ile gösterilmektedir ve T uzunluğunda bir süre boyunca görüntü kaydedildiğinde m=t/δt adet, θ(i), i=1...m, verisi toplanmaktadır. Ölçülen bir θ(i), i=1...m, verisinden açısal hız aşağıdaki eşitlik ile hesaplanabilir. Örnek k anındaki açısal hız, k+1 anındaki açı bilgisinden k-1 anındaki açısal hız bilgisi çıkarılarak, elde edilen değerin iki örnek arasında geçen süreye, 2Δt, bölünmesi ile elde edilir. Açısal Hız k 2t k1 k 1 Hesaplanan açısal hızdan, benzer yöntem kullanılarak açısal ivme aşağıdaki eşitlikle elde edilir. Açısal İvme k 2t k1 k 1

51 Acceleration ( /s 2 ) Speed ( /s) Angle ( ) Measured Kinematic Variables 100 Relative Knee Angle Relative Knee Angular Speed x 104 Relative Knee Angular Acceleration Time (s) Figure 3: Relative knee kinematics measured from designed MMS a) angle, b)angular speed and c) acceleration Measured kinematic variables belong to an healthy subject walking at 2 km/h on a treadmill. Camcorder having frame rate, captured the video of this gait for s consisting of 260 frames with 480x720 resolution

52 ÖRNEK Çerçeve sıklığı (frame rate) 30 çerçeve/sn (frame/s) olan bir kameradan alınan arka arkaya çekilmiş 5 fotoğraftan bacağa tutturulmuş işaretleyiciler ayıklanarak merkez koordinatları bulunmuş. İşaretleyiciler yukarıdan aşağıya 1, 2, 3, 4 ve 5 sayıları ile tanımlanmıştır. İlk çerçeve ve işaretleyici merkezleri şekilde gösterilmektedir. Kameranın çözünürlüğü 720x480 dir. Kameradan alınan fotoğraflarının sol üst köşesinde yer alan ilk imgeciğinin (piksel), konaçları (koordinatları), (x,y) biçiminde (1,1) konumunda tanımlanmıştır. y değişkeni aşağıya doğru 480 e kadar artmakta, x değişkeni 720 ye kadar sağa doğru artmaktadır.

53 ÖRNEK İşaretleyicileri ayıklanmış, merkez konaçları belirlenmiş ilk çerçeve şekilde gösterilmektedir. İlk ve diğer dört çerçevedeki işaretleyicilerin merkez konaçları, çizelgede verilmiştir. (1, 1) (720, 1) 1 (30, 10) 2 (25, 20) 3 (30, 40) 4 (25, 50) (1, 480) 5 (20, 70) (720, 480) İşaretleyiciler 1. Çerçeve 2. Çerçeve 3. Çerçeve 4. Çerçeve 5. Çerçeve 1 30, 10 29, 11 28, 12 27, 13 26, , 20 25, 20 25, 20 25, 20 25, , 40 32, 38 34, 36 36, 34 38, , 50 27, 48 29, 46 31, 44 33, , 70 24, 64 28, 60 32, 56 36, 52

54 Bağlantı ve Eklem Açılarının Hesaplanması İlk çerçeve için bağlantı ve eklem açılarının hesaplanması sağ taraftaki eşitlikler ile gösterilmiştir. Aşağıdaki çizelgede tüm çerçeveler için yapılmış açı hesaplamaları gösterilmektedir. Gövde açısı θ 21, uyluk açısı θ 32, baldır açısı θ 54 Kalça açısı θ kalça ve diz açısı θ diz ile gösterilmektedir kalça diz y2 y arctan arctan 63.4 x1 x y3 y arctan arctan x2 x y5 y arctan arctan 76 x4 x Açılar 1. Çerçeve 2. Çerçeve 3. Çerçeve 4. Çerçeve 5. Çerçeve θ θ θ θ kalça θ diz

55 Bağlantı ve Eklem Açılarının Hesaplanması Açısal hız ve ivme, belirli bir k çerçevesi için k-1 ve k-2 çerçevelerindeki bilgi kullanılarak bulunmaktadır. Örnek olarak uyluk açısı θ 21 için, belirli bir k anı için açısal hız ve ivme hesaplanmıştır. X işareti ile önce ya da sonrasında veri olmadığı için hesaplanamayan değişkenler gösterilmektedir. 1 2t 21k 21k 1 21k 90 / 1 2t Açısal Hız Açısal İvme k 21k 1 21k k= Açısal Hızlar 1. Çerçeve 2. Çerçeve 3. Çerçeve 4. Çerçeve 5. Çerçeve (derece/sn) θ 21 X X θ 32 X X θ 45 X X θ kalça X X θ diz X X Açısal İvme 1. Çerçeve 2. Çerçeve 3. Çerçeve 4. Çerçeve 5. Çerçeve (derece/sn 2 ) θ 21 X X X X θ 32 X X 3105 X X θ 45 X X 2450 X X θ kalça X X 1957,5 X X θ diz X X X X sn k=3

56 Doğrudan Ölçüm Düzeneklerinde Kullanılan Duyargalar Sağlam bacaktaki düzeneklerde elektronik açıölçer ivmeölçer Jiroskop Protezdeki düzeneklerde potensiyometre ivmeölçer jiroskop Duyargaların Karşılaştırılması Elektronik açı ölçer en doğru sonucu verir ancak kullanımı güçtür, çok enerji tüketir. Potensiyometrenin kullanımdan kaynaklanan yıpranması fazladır. İvmeölçer ve jiroskop küçük, hafif, düşük maliyetli ve uygulaması kolaydır. İvmeölçer ölçümü gürültülüdür. Jiroskoptan açı ölçümü yanlılık içerir Ölçüm düzeneğinde kullanılmak üzere MEM tabanlı ivmeölçer ve jiroskop duyargaları belirlenmiştir.

57 Tek Eklemli Düzenekte İvmeölçer ve Jiroskop Duyargaları ile Açı Ölçümü Duyargaları sınamak, Diz protezine yerleştirilecek konumları belirlemek Açı bulma yöntemlerini sınamak için bir benzetim düzeneği oluşturulmuştur. NXT veri alma birimi Hitechnic ivmeölçer ve duyargalar Duyargalar İşaretleyiciler Kamera ile görüntülenen işaretleyiciler

58 Açı Ölçme Yöntemleri İvmeölçer İvmeölçer + Jiroskop Sanal Duyarga cos 1 İvmeölçer S y ( ) sin g 1 S x ( ) tan g 1 S ( S x y ) S y1, u y1 φ -g A S x1, u x1 90 İvmeölçer + Jiroskop r w i 1 N ivme ( k) N k 1 jiro t t ( t) ( t) dt i 1 S y2, u y2 θ d Sanal Duyarga B S x2, u x2 S S x1 y1 S S x2 y2 rw rw 2

59 Örnek Protez bacak A noktası sabit kalacak şekilde saat yönünün tersinde döndürüldüğü anda arka arkaya 30çerçeve/sn sıklıkla çekilmiş üç fotoğraftan belirlenen işaretleyici konumları aşağıda verilmiştir. S y1, u y1 φ -g A S x1, u x1 İşaretleyici 1. Çerçeve 2. Çerçeve 3. Çerçeve A 100, , , 100 B 110, , , 170 r w İmgeciklerin konumları bir önceki örnekte olduğu gibi tanımlanmıştır. S y2, u y2 θ d Görüntü ile eş zamanlı olarak 30Hz sıklıkla ivmeölçer ve jiroskop verisi de toplanmıştır. B S x2, u x2 A konumundaki iki eksenli ivmeölçerden ölçülen veriler aşağıda gösterilmiştir. Sx, x eksenini, Sy y ekseninin göstermektedir. İvme (m/sn 2 ) 1. Çerçeve 2. Çerçeve 3. Çerçeve Sx 1,61 3,63 4,85 Sy

60 Örnek Görüntüden açı hesaplama yöntemi kullanılarak ilk çerçeve için bağlantı açısı hesaplanmıştır. y2 y arctan arctan x1 x S y1, u y1 φ -g A S x1, u x1 İki önceki yansıda verilen ivmeölçerli açı hesaplama eşitliği kullanılarak bağlantı açısı, Sy değerinden hesaplanabilir. r w cos S 1 y ( ) cos g ( ) Hesaplanan değer, görüntüden elde edilen açı değeri ile aynıdır. S y2, u y2 θ d B S x2, u x2

61 Örnek Jiroskop kullanılarak da açı hesaplanabilir. Protez bacak ilk anda sabit kabul edildiği için açısal hızı sıfırdır. İkinci ve üçüncü çerçevede ise hareketlidir. Ölçülen açısal değerleri aşağıdaki çizelgede verilmiştir. S y1, u y1 φ -g A S x1, u x1 Açısal Hız (derece/sn) 1. Çerçeve 2. Çerçeve 3. Çerçeve w 0 370,2 237 r w Jiroskopla açı ölçümünde, ölçüme başlanan ilk çerçevedeki açının bilinmesi gerekmektedir. İkinci çerçevedeki açı ölçülen açısal hızın integrali alınarak ve ilk açı ile toplanarak elde edilmektedir. S y2, u y2 B θ d S x2, u x2 jiro ( t) t t1 ( t) dt i k 2 k j1 2 j1 w t j w t w j i i w i

62 Örnek Hesaplanan açı görüntüden hesaplanan açı ile aynıdır. Üç yöntem ile her bir çerçeve için hesaplanmış açılar çizelgede gösterilmektedir. S y1, u y1 φ -g A S x1, u x1 Uygulamada en doğru sonucu görüntü tabanlı ölçüm vermektedir. w İvmeölçer hareketsiz durumlarda açı ölçümü için kullanılır. Hareket olduğunda, yerçekimi ivmesine hareketin de ivmesi eklendiğinden açı ölçümleri hatalı olmaktadır. Jiroskop ise hareketli ölçümlerde oldukça başarılıdır. Ancak ilk açıyı ölçmek için ivmeölçere ihtiyaç duymaktadır. r S y2, u y2 θ d B S x2, u x2 Yöntem 1. Çerçeve 2. Çerçeve 3. Çerçeve Görüntüden İvmeölçer Jiroskop

63 Parça Açısı (derece) Parça Açısı (derece) İvmeölçerle Açı Ölçümü Protez bacağa belirli bir süre serbest salınım yaptırılmıştır. Hareket her iki ölçüm düzeneği ile ölçülerek bağlantı açısı hesaplanmıştır. Kullanılan ilk yöntemde bir ivmeölçer kullanılmıştır. Dizden ve ayak bileğine yerleştirilen iki ivmeölçerden iki ayrı açı ölçülüp karşılaştırılmıştır 120 Döndürülmüş Ham Dayanak Birinci İvmeÖlçerden ve Görüntüden Açı Hesaplanması Çerçeve Sayısı 130 Döndürülmüş Ham Dayanak İkinci İvmeÖlçer ve Görüntüden Açı Hesaplanması Çerçeve Sayısı

64 Parça Açısı (derece) Parça Açısı (derece/sn) İvmeölçer + Jiroskop ile Açı Ölçümü Diz ve ayak bileğine bağlanan iki jiroskoptan iki açısal hız ve açı verisi elde edilmiştir 100 Goruntu 1. jiro 2. jiro Birinci, İkinci Jiroskop Verileri Çerçeve Sayısı Jiro 2. Jiro Dayanak Jiroskoplardan ve Görüntüden Açı Hesaplanması Çerçeve Sayısı

65 İvmeölçer ve Jiroskop Duyargalarının Sağlıklı İnsan Yürüyüşünün Ölçümü İçin Kullanımı Yürüyüş hareketinin doğrudan ve dolaylı yoldan incelenebilmesi yürüyüş inceleme düzeneği kurulmuştur. Her bir yöntem için kullanılan duyarga sayısı iki katına çıkmıştır. Denek koşu bandı üzerinde sabit bir hızda ve belirli bir yol eğiminde yürürken veri toplanmaktadır. Bacakta bulunan kas ve yağ dokusu nedeniyle, duyargaların konumlandırılmaları açısından güçlükler doğmaktadır. 1. İvmeölçer, 1. Jiroskop 2. İvmeölçer, 2. Jiroskop