نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک و صنایع، دانشگاه آزاد اسلامی واحد قزوین

2 استاد، گروه مهندسی و فیزیک پزشکی، دانشکده پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی

3 استادیار، گروه مهندسی پزشکی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شاهد

4 استادیار، گروه بیوالکتریک، دانشکده مهندسی پزشکی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی

10.22041/ijbme.2010.13294

چکیده

در این مطالعه از یک مدل ساده آونگ واژگون با کنترل‌کننده تناسبی-انتگرال‌گیر- مشتق‌گیر دارای بازخورد تأخیری برای مدلسازی سیستم کنترل وضعیت و شبیه‌سازی الگوهای نوسان‌های وضعیتی بهره گرفته شده است. هدف این بوده تا به جای استفاده از شاخص‌های متداول ارزیابی نوسان‌های وضعیتی که عمدتاً تعاریفی کیفی از سیستم کنترل وضعیت ارائه می‌دهند، با بهره‌گیری از این مدل بتوان به اطلاعاتی درباره نحوه عملکرد سیستم کنترل وضعیت دست یافت. با استفاده از اطلاعات و یافته‌های تجربی و به‌کارگیری الگوریتم ژنتیک، ضرایب مدل به گونه‌ای تعیین شدند که نتایجی مشابه با نتایج شاخص‌های مرسومِ ارزیابی نوسان‌های وضعیتی سیستم‌های کنترل وضعیت طبیعی و تغییریافته ایجاد کنند. ضرایب به‌کار گرفته شده در مدل و کنترل‌کننده، تعابیر معناداری منطبق بر ذات سیستم کنترل وضعیت می‌یابند که زوال این سیستم به واسطه ضایعات عصبی-عضلانی، آنها را هدف قرار می‌دهد. نتایج این مطالعه نشان دادند که اگرچه مدل‌های ساده سیستم کنترل وضعیت قادر به بیان پیچیدگی‌های سیستم کنترل وضعیت و تعامل بین اجزاء سیستم نیستند ولی می‌توانند به درک بهتر نحوه عملکرد سیستم کنترل وضعیت، ویژگی‌های کلّی آن و نحوه تغییرات آنها کمک کنند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Analysis of Postural Control System Degeneration Using an Inverted Pendulum Model with PID Controller and Delayed Feedback

نویسندگان [English]

  • Hamed Ghomashchi 1
  • Ali Esteki 2
  • Ali Motie Nasrabadi 3
  • Fereydoun Nowshiravan Rahatabad 4

1 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Mechanical and Industrial Engineering, Islamic Azad University, Qazvin Branch

2 Professor, Department of Medical Physics and Engineering, Faculty of Medicine, Medical Campus, Shahid Beheshti University

3 Assistant Professor, Department of Biomedical Engineering, Faculty of Engineering, Shahed University

4 Assistant Professor, Department of Biomedical Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University

چکیده [English]

In this study a simple inverted pendulum model with PID controller and delayed feedback is used to model standing-still postural control system for the purpose of achieving useful information about its underlying control structure. Using the Genetic algorithm and an experimental study results, the model and the controller parameters were estimated in a way that the model mimics real experimental sway patterns. The controller parameters found meaningful interpretations and it is shown that degeneration of postural control system affects the values of the parameters. Our findings indicate that although the simple models are not able to describe complexities of postural control system and interactions between its components, they can help us to improve our understanding of postural control system, its performance, its features and the way that the features change.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Modeling
  • Postural control system
  • genetic algorithm
  • Neuromuscular impairments
  • Postural sway patterns

[1]      Davids K., Bennett S., Newell K., Movement System Variability, First ed., Human Kinetics, USA, 2006.

[2]      Hof A.L., The equations of motion for a standing human reveal three mechanisms for balance, Journal of Biomechanics, 2007; 40: 451-457.

[3]      Edwards W.T., Effect of joint stiffness on standing stability, Gait & posture, 2007; 25: 432-439.

[4]      Winter D.A., Human balance and posture control during standing and walking, Gait & Posture, 1995; 3: 193-214.

[5]      Winter D.A., Patla A.E., Prince F., Ishac M., Gielo-Perczak K., Stiffness control of balance in quiet standing, Journal of Neurophysiology, 1998; 80: 1211-1221.

[6]      Johansson R., Magnusson M., Akesson M., Identification of human postural dynamics, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1988; 35: 858-869.

[7]      Maurer C., Peterka R.J., A new interpretation of spontaneous sway measures based on a simple model of human postural control, Journal of Neurophysiology, 2005; 93: 189-200.

[8]      Peterka R.J., Postural control model interpretation of stabilogram diffusion analysis, Biol Cybern, 2000; 82: 335-343.

[9]      Prieto T.E., Measures of postural steadiness: differences between healthy young and elderly adults, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1996; 43(9): 956-966.

[10]   Chiari L., Rocchi L., Cappello A., Stabilometric parameters are affected by anthropometry and foot placement, Clinical Biomechanics, 2002; 17: 666-677.

[11]   Norris J.A., Marsh A.P., Smith I.J., Kohut R.I., Miller M.E., Ability of static and statistical mechanics posturographic measures to distinguish between age and fall risk, Journal of Biomechanics, 2005; 38: 1263-1272.

[12]   Raymakers J.A., Samson M.M., Verhaar H.J.J., The assessment of body sway and the choice of the stability parameter(s), Gait & posture, 2005; 21: 48-58.

[13]   Collins J.J., DeLuca C.J. Random Walking during Quiet Standing. Physical Review Letters. 1994; 73(5): 764-7.

[14]   Collins J.J., DeLuca C.J., Open loop and closed loop control of posture: a random walk analysis of center of pressure trajectories, Experimental Brain Research, 1993; 95: 308-318.

[15]   Yamada N., Chaotic swaying of upright posture, Human movement science, 1995; 14: 711-726.

[16]   Ladislao L., Fioretti S., Nonlinear analysis of posturographic data, Med Bio Eng Comput, 2007; 45: 679–688.

[17]   قماشچی حامد، استکی علی، مطیع نصرآبادی علی، ارزیابی دینامیک حاکم بر سیستم کنترل تعادل حین ایستادن کامل در فرد سالم و بیمار همی‌پلژی، مجله مهندسی پزشکی زیستی، 1387؛ (2) 2: 95-108.

[18]   Newell K.M., Slobounov S.M., Slobounova E.S., Molenaar P.C.M., Stochastic processes in postural center of pressure profiles. Experimental Brain Research, 1997; 113: 158-164.

[19]   Riley M.A., Balasubramaniam R., Mitra S., Turvey M.T., Visual influences on center of pressure dynamics in upright posture, Ecological Psychology, 1998; 10(2): 65-91.

[20]   Nichols D.S., Balance retraining after stroke using force platform biofeedback, Physical Therapy, 1997; 77(5): 553-558.

[21]   Nichols D.S., Glenn T.M., Hutchinson K.J., Changes in mean center of balance during balance testing in young adults, Physical Therapy, 1995; 75(8): 699-706.

[22]   DeHaart M., Geurts A.C., Huidekoper S.C., Fasotti L., Limbeek J.V., Recovery of standing balance in postacute stroke patients: A rehabilitation cohort study, Arch Phys Med Rehabil, 2004; 85: 886-895.

[23]   Esteki A., Ghomashchi H., Rajabali S., Can linear posturographic measures discriminate healthy subject from CVA patient during quiet standing?, 15th Iranian Conference on Biomedical Engineering, Mashhad, Iran, 2009.

[24]   Maki B.E., Holliday P.J., Fernie G.R., Aging and postural control: A comparison of spontaneous and induced sway balance tests, J Amer Geriatr Soc., 1990; 38: 1-9.

[25]   Nagy E., Feher-Kiss A., Barnai M., Domjan-Preszner A., Angyan L., Horvath G., Postural control in elderly subjects participating in balance training, Eur J Appl Physiol, 2007; 100: 97-104.

[26]   Newell K.M., VanEmmerik R.E.A., Lee D., Sprague R.L., On postural stability and variability, Gait & Posture, 1993; 4: 225-230.

[27]   Roerdink M., DeHaart M., Daffertshofer A., Donker S.F., Geurts A.C.H., Beek P.J., Dynamical structure of center of pressure trajectories in patients recovering from stroke, Experimental Brain Research, 2006; 174: 256–269.

[28]   Schmit J.M., Riley M.A., Dalvi A., Sahay A., Shear P.K., Shockley K.D., Pun R.Y.K., Deterministic center of pressure patterns characterize postural instability in Parkinson’s disease, Experimental Brain Research, 2006; 168: 357-367.

[29]   Pascolo P.B., Marini A., Carniel R., Barazza F., Posture as a chaotic system and an application to the Parkinsons disease, Chaos, Solitons and Fractals, 2005; 24: 1343-1346.

[30]   Cavanaugh J.T., Guskiewicz K.M., Giuliani C., Marshall S., Mercer V., Stergiou N., Detecting altered postural control after cerebral concussion in athletes with normal postural stability, Br J Sports Med, 2005; 39: 805-811.

[31]   Cavanaugh J.T., Guskiewicz K.M., Giuliani C., Marshall S., Mercer V.S., Stergiou N., Recovery of postural control after cerebral concussion: new insights using approximate entropy, Journal of Athletic Training, 2006; 41(3): 305-313.

[32]   Cavanaugh J.T., Mercer V.S., Stergiou N., Approximate entropy detects the effect of a secondary cognitive task on postural control in healthy young adults: a methodological report, Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 2007; 4(42): 1-7.

[33]   رجبعلی ساناز، ارزیابی شاخص‌های تعادلی خطی وضعیت ایستاده در بیماران سکته مغزی همی‌پلژی و بررسی روند بهبود بیماران در دو گروه با و بدون تمرینات تعادلی، پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی- بیومکانیک، دانشکده مهندسی پزشکی، واحد علوم و تحقیقات؛ دانشگاه آزاد اسلامی، 1388.

[34]   NeuroCom Internatinal Inc., EquiTest System Version 8.0, Operator's Manual, Clackamas, Oregon; 2001.

[35]   Shumway-Cook A., Woollacott M.H., Motor control: Translating research into clinical practice, Third ed., Lippincott Williams & Wilkins, USA, 2006.