YÜRÜME ANALİZİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ BİYOMEKANİK DERS NOTU Doç.Dr. Akın Oğuz KAPTI Yürüme 2 İnsan yürüyüşü, vücut ağırlık merkezinin öne doğru hareketini sağlayacak şekilde alt ekstremitede ve gövdede meydana gelen bir dizi ritmik hareketler bütünüdür. Her kişinin kendisine özgü bir yürüme şekli vardır ve kişilerin yürüme stilleri genel kurallar açısından fazla önem taşımayan farklılıklar gösterirler. 1
Yürüme Evreleri 3 1: İlk temas (topuk teması, initial contact, heel strike) 2: Yüklenme (tam basma, loading response, footflat) 3: Basma ortası (midstance) 4: Basma sonu (topuk kalkışı, terminal stance, heel off, heel rise) 5: Salınım öncesi (parmak kalkışı, preswing, toe off) 6: Erken salınım (hızlanma, initial swing, acceleration) 7: Salınım ortası (salınım ortası, midswing) 8: Salınım sonu (yavaşlama, terminal swing, deceleration) Yürüme Evreleri 4 2
Yürümede Temel Kavramlar 5 Tek destek fazı: Bir ayağın yere değdiği süredir. Çift destek fazı: Her iki ayağın aynı anda yere değdiği süredir. Siklus: Yürüme periyotu, adım. Stance (Basma) Fazı: Ayağın yerde olduğu süre. Swing (Salınma) Fazı: Ayağın havada olduğu süre. Pelvik rotasyon: Pelviste meydana gelen rotasyon hareketi ile vücudun ağırlık merkezinin öne-arkaya ve yukarı-aşağı hareket etmesidir. Vertikal salınım: Tek destek fazında vücudun salınım yapan bacak tarafına düşmemesi için ağırlık merkezinin basan bacak tarafına kayması hareketidir. Yürüme Analizinde Temel Kavramlar 6 Adım uzunluğu: Bir topuğun yere değdiği nokta ile diğer topuğun yere değdiği nokta arasındaki uzaklıktır. Çift adım uzunluğu: Aynı topuğun ard arda iki kez yere değdiği noktalar arası uzaklıktır. Adım genişliği: İki ayak çizgisi arasındaki yanal mesafedir. Topuk ortasından veya ayak bileği eklemi ortasından ölçülür. 3
Yürüme Analizinde Temel Kavramlar 7 Ayak açısı: Gidilen yön ile ayak ekseni arasındaki açıdır. Kadens (Tempo): Dakikadaki adım sayısıdır. Yürüme hızı: Çift adım uzunluğu ile kadens çarpımının yarısıdır. 80 m/dk civarındadır. Dolayısıyla bir yürüme siklusu süresi 1 s den biraz fazladır. Hız arttıkça çift destek fazı kısalır ve kaybolması ile koşma hareketi başlar. Yürüme Analizinde Temel Kavramlar 8 4
Taşınan Birim (HAT) 9 Taşınan birimi oluşturan HAT (Head+Arms+Trunk) vücut ağırlığının %70'idir. Taşınan birimin dik durması ve ağırlık merkezini pelvis üzerinde tutmak için karın ve boyun kasları kasılmakla birlikte taşınan birim yürümede pasif birim sayılır. Kol salınımının rahat yürüme hızında önemli katkısı olmadığı gösterilmiştir. Ayaklar, bacaklar, uyluklar ve pelvis taşıyıcı birimi oluşturur. Bu birimde 11 ana eklem (lumbosakral eklem, sağ ve sol kalça, diz, ayakbileği, subtalar ve metatarsofalangeal eklemler), birbiriyle uyum içinde çalışan 70 kas ve kaldıraç kolları olarak görev yapan pelvis, uyluk, bacak ve ayak kemikleri bulunur. Potansiyel-Kinetik Enerji Dönüşümü 10 Kinetik enerji bir cismi harekete geçirmek veya hareketini sürdürmek için gereken enerjidir. Potansiyel enerji ise yer düzeyinden yükseltilmiş cisimlerde oluşan saklı enerjidir. Yürümede gerek kinetik gerekse de potansiyel enerji en tasarruflu şekilde kullanılır. Basma ortası fazında en yüksek noktaya ulaşan VAM max. potansiyel enerjiye sahiptir. Çift destek fazında VAM en alçak noktaya inerken bu potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşür ve vücudu hızlandırır. Yürümede VAM yükselip alçalırken aralıksız kinetik-potansiyel enerji dönüşümleri gerçekleşir ve en az enerji tüketimiyle ilerleme sağlanır. 5
Yürümede Enerji Tüketimi 11 Yürümede enerji hızlanma, frenleme ve şok absorbsiyonu için harcanır. Enerji harcaması dakikadaki O 2 tüketim miktarı ile ölçülür. Bir insanın max. efor sırasında dakikada kilosu başına kullandığı O 2 miktarına max. O 2 tüketim kapasitesi (aerobik kapasite) denir. Rahat yürüme hızında (80 m/dk) kişi maksimum O 2 tüketim kapasitesinin %38'ini kullanır. Bu kadar düşük düzeyde kalmasının sebeplerinden birisi vücut ağırlık merkezinin yer değişikliklerini azaltan hareketlerdir. Yürümede Enerji Tüketimi 12 MPI: Metabolic Power Input MPI = 16,58(Ws/mlO 2 ).VO 2 (ml/s) + 4,51(Ws/mlCO 2 ).VCO 2 (ml/s) 6
Vücut Ağırlık Merkezinin Hareketi 13 Yuvarlanan bir tekerleğin ağırlık merkezi yere paralel ve düz bir çizgide hareket ettiğinden enerji tüketimi açısından en uygun durum gözlenir. İnsan vücudu tekerlek hareketini taklit ederek ağırlık merkezini sağa-sola ve yukarı-aşağı doğrultuda en az yer değiştiren helezonik bir eğride tutmaya çalışır. Vücut ağırlık merkezi (VAM) ikinci sakral vertebranın hemen önünde, her iki kalça eklemi ortasındadır. Ancak, VAM düz çizgiden sapar ve hem sağa-sola ve hem de yukarı-aşağı doğrultuda yer değiştirir. Her iki yer değiştirme miktarı 5 cm kadardır. VAM nin; yukarı-aşağı doğrultuda ulaştığı en yüksek nokta BFON da, en alçak nokta ise çift destek fazındadır. Vücut Ağırlık Merkezinin Hareketi 14 Determinants of gait: Yürüme esnasında VAM (vücudunun ağırlık merkezi) yer değiştirmesini azaltan altı hareket tanımlanmıştır. Yürümeyi kişisel farklılıklardan bağımsız olarak tanımlayan altı değişmez karakteristik özellik olarak belirlenmiş olan bu hareketler sayesinde VAM salınımları en aza indirilerek ani yön değişiklikleri önlenir ve metabolik enerji tüketimi azaltılır. Bu altı hareket sayesinde frontal ve transvers düzlemlerde VAM yer değişimi azalarak 5 cm civarına iner. 7
Vücut Ağırlık Merkezinin Hareketi 15 1. Pelvik rotasyon: Pelvisin düşey eksen etrafındaki dönme hareketidir. Her adımda, salınım fazındaki pelvis transvers düzlemde öne doğru 4 o rotasyon yapar. Bu sayede VAM alçalması azalır, kalça eklemi öne doğru ilerlediğinden adım uzunluğu artar. 2. Pelvik düşme: Pelvisin yatay eksen etrafındaki dönme hareketidir. Her adımda, salınım fazındaki pelvis frontal düzlemde yere doğru alçalır. Pelvik düşme her iki yönde 4 o dir. Salınım fazındaki bacağın pelvisi alçalırken ayağın yere sürtünmemesi için diz ve ayak bileğinde fleksiyon gerekir. 3. Diz fleksiyonu: Basmanın yüklenme fazında oluşan diz fleksiyonu VAM yükselmesini azaltır. Vücut Ağırlık Merkezinin Hareketi 16 4. Ayak bileği plantar fleksiyonu: Basma fazının ilk temas fazında ve basma fazı sonunda oluşan plantar fleksiyon hareketleri VAM alçalmasını azaltırlar. 5. Ayak ve ayak bileği rotasyonu: Basma fazının son döneminden salınma fazına geçişteki bilek hareketidir. Basma fazı ortasından sonra VAM alçalmaya başlarken ayak bileğinde oluşan plantar fleksiyon bacak boyunun kısalmasını önleyerek VAM alçalmasını azaltır. 6. Pelvisin yana kayması: Vücut ağırlığı bir ayaktan diğerine aktarılırken ortaya çıkan lateral yöndeki vücut hareketidir. 8
Yürümede Çalışan Kaslar 17 Yürümede insan vücudundaki toplam 306 kastan alt ekstremitelerdeki 35 er kas (ayak kasları hariç) görev alır. Bu kaslar yaptıkları iş bakımından şu şekilde sınıflandırılır: Hızlandıran kaslar (accelerator) Frenleyen kaslar (decelerator) Şok absorbe eden kaslar (shock absorber) Stabilize eden kaslar (stabiliser) Eklemi aynı yönde hareket ettiren kaslar (Sinerjik kaslar) Eklemi karşıt yönlerde hareket ettiren kaslar (Antagonist kaslar) Tek eklemi hareket ettiren kaslar (Monoartiküler kaslar) Çift eklemi hareket ettiren kaslar (Biartiküler kaslar) Yürüyüş Analizi (Gait Analysis) 18 Yürüme sırasında oluşan eklem açılarının ve reaksiyon kuvvetlerinin kamera ve kuvvet platformu sistemleriyle ölçülmesi ve grafikler halinde sunulmasıyla, yürüyüşün kinematik (doğrusal/açısal yer değiştirme, hız ve ivmeler) ve kinetik (kas kuvvetleri, reaksiyon kuvvetleri ve eklem momentleri) analizinin yapılmasıdır. Yürüme analizi yürümenin sayısal olarak değerlendirilmesi, tanımlanması ve yorumlanmasıdır. Yürüme patolojisi sorunlarını sayısal olarak yorumlamak, kaydedip daha sonra yeniden değerlendirmek ve yapılan tedavinin etkinliğini nesnel biçimde ortaya koymak için yürüme analizi uygulanmaktadır. 9
Yürüyüş Analizi (Gait Analysis) 19 Yürüyüş Analizi (Gait Analysis) 20 Yürüme analizi laboratuvarında hastanın yürüyüşü önce gözle bakarak ve video kayıtlarıyla değerlendirilir. Daha sonra hastanın vücudundaki uygun noktalara bağlanan marker lar (verici veya yansıtıcı minik toplar) aracılığıyla hareket verileri bilgisayara aktarılır. Ayrıca yere monte edilmiş bir kuvvet platformuna basarken ölçülen yer tepkimesi kuvveti değişimleri de bilgisayara yüklenir. Bu verilere ek olarak hastaya dinamik EMG ve enerji ölçümleri de yapılır. Tüm bu bilgiler özel yazılımlar aracılığıyla sayısal verilere dönüştürülür. Son olarak veriler hastanın klinik durumu ile birlikte değerlendirilerek hekim tarafından yorumlanır ve rapor yazılır. 10
Yürüyüş Analizi (Gait Analysis) 21 Yürüyüş analizi şu alanlarda önemli bir değerlendirme aracıdır: Alt ekstremite düzensizliklerinin teşhisinde, Operasyondan önce karar verme aşamasında, Operasyon öncesi ve sonrası yürüyüş parametrelerinin karşılaştırılmasında, İmplant protez mafsal yerleştirme operasyonlarının değerlendirilmesinde, Harici protezlerin performans testlerinde, Spor biyomekaniğinde Yürüyüş Analizi (Gait Analysis) 22 Yürüyüş analizinin şu amaçlarla kullanılır: Tedavi planını çizmek Tedavinin etkilerini değerlendirmek Kalıcı bir kayıt sağlamak Bilimsel araştırma yapmak Tedavi protokolleri geliştirmek ve farklı tedavileri kıyaslamak Ortez ve protezlerin etkinliğini araştırmak Yeni protez dizaynlarını geliştirmek Eğitim 11
Standart Yürüme Analizi Ekipmanları 23 6 ila 16 adet infrared TVC kamera (100 Hz veya üzeri) TVC kamera ayakları 1 veya 2 adet video kamera 1, 2 veya 4 adet kuvvet platformu (Force Plate) 8 ila 32 kanallı dinamik Elektromiyografi sistemi (Telemetrik) 6 adet ayak pedalı (6 footswitch chanel) Özel Yürüme bandı Bilgisayar Markörler (infrared ışınlarını geri yansıtan plastik toplar) Alerjik reaksiyona neden olmayan stickerlar Optik bağlantı kabloları Anatomik Protokoller (Klinik, Biyomekanik) 3D Klinik yazılım Yürüyüş Analizi (Gait Analysis) 24 12
Yürüyüş Analizi (Gait Analysis) 25 ODTÜ Yürüme Analiz Laboratuvarı 26 13
Yürüme Analizi Stick Diyagramı 27 Eklem Fileksiyon Açıları ( b, d, k ) 28 14
Eklem Açısal Hızları (W b, W d, W k ) 29 Eklem Açısal Hızları (W b, W d, W k ) 30 Diz eklemi salınma fazı başında 45 o fileksiyondadır. Fileksiyon açısı bir süre daha artmaya devam eder ve ekstansiyon hareketi başlar. Diz eklemi açısal hızı parmak ayrılması anında 5 rad/s iken, diz ekstansiyonu sırasında artarak 6 rad/s ile en büyük değerine ulaşır. 15
Eklem Açısal Hızları (W b, W d, W k ) 31 Daha sonra kalça bölgesi kaslarının aktiviteleri ile frenlenerek yavaşlar, topuk teması öncesinde sıfıra düşer, basma fazı boyunca bir süre fileksiyon ve bir süre de ekstansiyon sağlayacak yönlerde nispeten küçük değerler alır, basma fazı sonlarına doğru ise yeniden artma eğilimine girer. Eklem Açısal Hızları (W b, W d, W k ) 32 Yürümede diz eklemi açısal hızı bir periyot içinde dört kez yön değiştirmekte ve değeri sürekli olarak değişmektedir. Bilek ve kalça eklemlerinin açısal hızları diz eklemine nazaran daha düşük seviyelerde ortaya çıkmaktadır. 16
Eklem Momentleri (M b, M d, M k ) 33 Eklem Momentleri (M b, M d, M k ) 34 Bilek eklemi momenti salınma fazı boyunca sıfıra yakındır. Basma fazında, bacak arka yüzündeki geniş kesitli kaslarının ani kasılmalarıyla ve topuk kemiğinin bilek eklem merkezine göre büyük moment kolu sağlamasının etkisiyle değeri hızla artan bir moment oluşur ve topuk ayrılması sırasında 90 Nm (1,5 Nm/kg) değerine kadar çıkar. İtme Fazı olarak da adlandırılan bu durum salınma fazına geçişte bacağın ileri doğru hızlanmasını sağlar. 17
Eklem Momentleri (M b, M d, M k ) Salınma fazı boyunca diz ekleminde ciddi bir moment oluşmamaktadır. Basma fazında 40 Nm (0,7 Nm/kg) değerleri arasında değişir. Diz eklemi momenti topuk teması sonrasında vücut ağırlığının yere basan ayak tarafına kaymasıyla birlikte artarak tek destek fazı başlarında en yüksek değerine ulaşmaktadır. Bu moment, diz ekleminin vücut ağırlığı etkisi altında kontrolsüz fileksiyon yapmasını önler. 35 Eklem Momentleri (M b, M d, M k ) 36 Kalça eklem momenti de dize benzer bir seyir takip ederek salınma fazı başında pozitif bir değerle başlamakta, topuk teması anında -60 Nm değerine ulaşan bir sıçramanın ardından basma fazı sonlarına doğru 40 Nm değerine ulaşacak şekilde bir değişim göstermektedir. 18
Eklem Güçleri (P b, P d, P k ) 37 Eklem Güçleri (P b, P d, P k ) 38 Diz ekleminde ortaya çıkan güç 60 W aralığında değişir. (ortalama güç: 23 W). Güç grafiği pozitif ve negatif bölgelerde sürekli yön değiştirmektedir. 19
Eklem Güçleri (P b, P d, P k ) 39 Pozitif kas gücü, kas momenti ile eklem açısal hızının aynı yönlü olması durumunda (aktif durumdaki kasın aynı zamanda boyu da kısalıyorsa) ortaya çıkar. Negatif kas gücü ise, kas momenti ile eklem açısal hızının zıt yönlü olması durumunda ortaya çıkar (uzva etki eden dış kuvvetin eklem üzerinde kas momentinden daha büyük bir moment oluşturması halidir). Eklem Güçleri (P b, P d, P k ) Periyodun ilk % 80 lik bölümünde ciddi bir güç oluşumunun gözlenmediği bilek ekleminde, son % 20 lik bölümde 240 W lık güç sıçraması ortaya çıkmaktadır. Bacak arka yüz kasları geniş kesitlidir ve büyük tendon çekme kuvveti uygularlar. Ayrıca calcaneus büyük kuvvet kolu mesafesi sağlar. Bu faktörlerin sonucu olarak, bilek ekleminde yüksek değerlerde eklem momenti ve açısal hızı ortaya çıkmaktadır. 40 20
Eklem Reaksiyon Kuvvetleri 41 KAYNAKLAR 42 [1] Berker, N., Yalçın, S., Yavuzer, G., Gök, H., Yürüme Analizi. [2] Kaptı, A.O., İnsan Alt Ekstremitesinin İncelenmesi ve Aktif Diz Üstü Protezi Tasarımı, Doktora Tezi, İTÜ, FBE, Makine Müh. Konstrüksiyon ve İmalat Programı, 2001. 21