Biceps brachii kasının sagittal düzlemde hill kas modeli ile yenilikçi algoritması

Abstract

Hill tipi kas modelleri, özellikle kas kuvvetlerinin doğrudan ölçümünün zor olduğu durumlarda, kas davranışını tahmin etmek ve anlamak için biyomekanik alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca, anatomik yapılar üzerindeki iç kuvvetleri etkileyen dış yüklerden kaynaklanan insan vücudunun anatomik yapılarındaki değişiklikleri değerlendirmede değerli olduklarını kanıtlamaktadırlar. Bu dış yükler fiziksel çalışma ortamından kaynaklanabilir ve daha sonra uzuvların ve vücudun biyomekaniği yoluyla ortaya çıkabilir, böylece in vivo olarak çeşitli dokuları, kasları ve tendonları etkileyen iç yükleri etkileyebilir. Bu çalışmanın temel amacı; pandemi süreci ile masa başı çalışmaların artması, depremzedelerde kas iskelet sistemi deformasyonları oluşması, gündemde olan savaşlarda yaralanan kişi sayısında artış olması, sporcuların yaralanması sonucu rehabilitasyon süreci ve gündelik işlerde farkında olmadan kas iskelet sistemi kümülatif yaralanmaları gibi sebeplerin yanı sıra işle ilgili ya da günlük rutinlerdeki dış yüklerin neden olduğu iç kuvvetlerdeki değişiklikleri tahmin etmek, değerlendirmek ve önceden ele almak amacıyla Hill modeline dayalı bir modelleme çerçevesi oluşturmaktır. Bunların sonucu olarak, zaman içinde kademeli olarak biriken faktörlerin karmaşık bir etkileşimi olarak kas deformasyonları ortaya çıkabilir. Bu amaç doğrultusunda, Hill kas modeline dayalı matematiksel model tasarlanmış ve hem deneysel hem de sayısal yollarla doğrulanmıştır. Öncelikle Biceps Brachii kasının ve bu kasın alt tendonu olan Bisipital Aponevroz’un kas-tendon modellemesi yapılmıştır. Daha sonra Biopac Cihazı kullanılarak EMG sinyalleri elde edilmiştir. Biceps Brachii kasının matematiksel modeli oluşturulmuştur. Matlab’da kas-tendon modeline bağlı olarak ölçümlerde elde edilen EMG sinyalleri simüle edilmiştir. Sonuç olarak bu çerçevede; iç kuvvetlerin mevcut ve gelecekteki durumlarını değerlendirmek, kas iskelet sistemi bozukluklarını/rahatsızlıklarını tahmin etmek ve başka kaslar için de benzer analizlerin yapılabileceği, kas performansını etkileyen faktörleri araştırmak için bir platform sağlanmıştır. Ayrıca, protez ve ortez tasarımı ile rehabilitasyon süreçlerinin iyileştirilmesi, Parkinson hastalarının yaşam kalitesinin iyileştirilmesi gibi konularda gelecek vadedecek bir çalışma ortaya konmuştur. Hill-type muscle models are widely used in the field of biomechanics to predict and understand muscle behavior, especially when direct measurement of muscle forces is difficult. They are also proving to be valuable in assessing changes in the anatomical structures of the human body caused by external loads that affect the internal forces on the anatomical structures. These external loads can originate from the physical working environment and then manifest through the biomechanics of the limbs and body, thus influencing the internal loads affecting various tissues, muscles and tendons in vivo. The main purpose of this study is to create a modeling framework based on the Hill model to predict, evaluate and preemptively address changes in internal forces caused by external loads in work-related or daily routines, as well as reasons such as increased desk work with the pandemic process, musculoskeletal deformations in earthquake victims, an increase in the number of people injured in wars on the agenda, rehabilitation process as a result of injuries to athletes, and cumulative injuries to the musculoskeletal system unknowingly in daily work. As a result, muscle deformations can occur as a complex interaction of factors that gradually accumulate over time. For this purpose, a mathematical model based on the Hill muscle model was designed and validated both experimentally and numerically. First of all, muscle-tendon modeling of the Biceps Brachii muscle and its inferior tendon, the Bicipital Aponeurosis, was performed. Then EMG signals were obtained using the Biopac System. A mathematical model of the Biceps Brachii muscle was created. EMG signals obtained in measurements were simulated in Matlab depending on the muscle-tendon model. As a result, this framework provides a platform for evaluating the current and future status of internal forces, predicting musculoskeletal disorders/discomforts, and investigating the factors affecting muscle performance, where similar analyses can be performed for other muscles. In addition, a promising study on prosthesis and orthosis design, improving rehabilitation processes and improving the quality of life of Parkinson's patients has been put forward.