شبیه‌سازی گام برداشتن در بیماران فلج یک‌سویه و فلج پایین‌تنه با استفاده از مدل‌های اسکلتی عصبی عضلانی

نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی مهندسی مکانیک،دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

3 استاد، دانشکده علوم پزشکی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

10.22041/ijbme.2016.14661

چکیده

در این مقاله به شبیه­سازی رفتارهای بیمارگونه در گام برداشتن بیمار­های مغزی و نخاعی و تأثیر تکنیک­های توان­بخشی در آنها پرداخته شده­است. این شبیه­سازی­ها به شکل قابل­توجهی موجب پیشرفت سطح دانش محققان در حوزه­ی توان­بخشی عصبی درباره مبنای عصب­شناختی ترمیم سامانه­ی عصبی بیماران مغزی و نخاعی در اثر تکنیک­های توان­بخشی می­شوند. با این وجود، این شبیه­سازی­ها تاکنون بسیار محدود بوده­اند و اغلب آنها به صورت موردی به مطالعه­ی برخی از آثار بیماری­های مغزی و نخاعی پرداخته­اند. اما در این مقاله تلاش شده­است که با وارد نمودن اثر اختلالات داده­های مغزی، رفتارهای بیماران دچار سکته­ی مغزی و ضایعه­ی نخاعی با عمق بیشتری مورد مطالعه قرار گیرد. بدین منظور در سامانه­ی عصبی-­عضلانی از معماری مشترک رفلکس و مولد الگوی مرکزی استفاده شده­است، که روی دو مدل اسکلتی-عضلانی دو پا با یک بند و یک پا با دو بند پیاده شده­است. سپس مدل­های راه رفتن فلج یک­سویه و فلج پایین­تنه با ایجاد اختلال در داده­ی مغزی مولد الگوی مرکزی استخراج شده­است. همچنین با استفاده از این مدل­ها اثر تکنیک­های توان­بخشی در بیماران فلج پایین­تنه بررسی شده­اند و با داده های تجربی به صورت کیفی مقایسه شده­اند، که هم­خوانی قابل­قبولی را نشان می­دهند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Simulation of Gait Locomotion for Hemiplegia and Paraplegia Patients Using Neuromusculoskeletal Systems

نویسندگان [English]

  • Mohsen Abedi 1
  • Majid Mohammadi Moghaddam 2
  • Mohammad Firoozabadi 3
1 Ph.D Student, Mechanical Engineering Department, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Mechanical Engineering Department, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
3 Professor, Department of Physiology, School of Medical Sciences Tarbiat Modares Universityو Tehran, Iran
چکیده [English]

In this paper the simulation of pathological behavior in gait locomotion of central nervous system (CNS) diseases and effects of rehabilitation techniques are investigated. These simulations noticeably deepen the knowledge of researches in neurorehabilitation realm about the neuroscientific basis of CNS treatment after a neural disorder. However, only a limited number of these simulations have been proposed in the previous works that issued some aspects of CNS diseases. Due to this limitation, in this paper, a more efficient simulation has been done on pathological behavior of neural disorders with including the brain signal disruption in the models. To do this, combinations of neural reflexes and central pattern generator (CPG) has been incorporated in the neuromuscular system and examined on two different msculoskeletal system containing two leg-one segment and one leg-two segment systems. Then, the locomotion of hemiplegia and paraplegia patients are simulated by inserting a malfunction in the supraspinal signal coming into the CPG. Moreover, the effects of rehabilitation effects on paraplegia patients have been investigated and qualititatively compared to the experimental data.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gait simulation
  • Pathological gait
  • Hemiplegia
  • Paraplegia
[1]           V. Dietz, "Body weight supported gait training: From laboratory to clinical setting," Brain Res Bull, vol. 76, pp. 459-463, 2008.

[2]           R. Grasso, Y. P. Ivanenko, M. Zago, M. Molinari, G. Scivoletto, V. Castellano, et al., "Distributed plasticity of locomotor pattern generators in spinal cord injured patients," Brain vol. 127, p. 16, 2004.

[3]           M. Molinari, "Plasticity properties of CPG circuits in humans: impact on gait recovery," Brain Res Bull, vol. 78, pp. 22-25, Jan 15 2009.

[4]           M. Knikou, "Neural control of locomotion and training-induced plasticity after spinal and cerebral lesions," Clinical Neurophysiology, vol. 121, pp. 1655–1668, 2010.

[5]           A. Etlin, E. Finkel, M. Cherniak, A. Lev-Tov, and L. Anglister, "The Motor Output of Hindlimb Innervating Segments of the Spinal Cord is Modulated by Cholinergic Activation of Rostrally Projecting Sacral Relay Neurons," J Mol Neurosci, Jun 29 2014.

[6]           B. K. Hillen, J. J. Abbas, and R. Jung, "Accelerating locomotor recovery after incomplete spinal injury," Ann N Y Acad Sci, vol. 1279, pp. 164-74, Mar 2013.

[7]           M. Hubli and V. Dietz, "The physiological basis of neurorehabilitation-locomotor training after spinal cord injury," J Neuroeng Rehabil, vol. 10, pp. 1-8, 2013.

[8]           F. E. Zajac, R. R. Neptune, and S. A. Kautz, "Biomechanics and muscle coordination of human walking Part II: Lessons from dynamical simulations and clinical implications," Gait and Posture, vol. 17, p. 17, 2003.

[9]           T. Komura, A. Nagano, H. Leung, and Y. Shinagawa, "Simulating Pathological Gait using the Enhanced Linear Inverted Pendulum Model," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 52, p. 12, 2004.

[10]         F. Martínez, C. Cifuentes, and E. Romero, "Simulation of normal and pathological gaits using a fusion knowledge strategy," Journal of Neuroengineering and Rehabilitation, vol. 10, p. 12, 2013.

[11]         I. A. R. David A. McCreaa, "Organization of mammalian locomotor rhythm and pattern generation," BR AIN RESEARCH REVIEWS, vol. 57, pp. 134 - 146, 2008.

[12]         J. Duysens, B. C. Baken, L. Burgers, F. M. Plat, A. R. den Otter, and H. P. Kremer, "Cutaneous reflexes from the foot during gait in hereditary spastic paraparesis," Clin Neurophysiol, vol. 115, pp. 1057-62, May 2004.

[13]         C. Paul, M. Bellotti, S. Jezernik, and A. Curt, "Development of a human neuro-musculo-skeletal model for investigation of spinal cord injury," Biol Cybern, vol. 93, pp. 153-70, Sep 2005.

[14]         K. Jansen, F. D. Groote, W. Aerts, J. D. Schutter, J. Duysens, and I. Jonkers, "Altering length and velocity feedback during a neuro-musculoskeletal simulation of normal gait contributes to hemiparetic gait characteristics," JOURNAL OF NEUROENGINEERING AND REHABILITATION, vol. 11, p. 15, 2014.

[15]         S. N. Markin, A. N. Klishko, N. A. Shevtsova, M. A. Lemay, B. I. Prilutsky, and I. A. Rybak, "Afferent control of locomotor CPG: insights from a simple neuromechanical model," Ann N Y Acad Sci, vol. 1198, pp. 21-34, Jun 2010.

[16]         L. E. Spardy, S. N. Markin, N. A. Shevtsova, B. I. Prilutsky, I. A. Rybak, and J. E. Rubin, "A dynamical systems analysis of afferent control in a neuromechanical model of locomotion: I. Rhythm generation," J Neural Eng, vol. 8, Dec 2011.

[17]         H. C. Pinnington, D. G. Lloyd, T. F. Besier, and B. Dawson, "Kinematic and electromyography analysis of submaximal differences running on a firm surface compared with soft, dry sand," Eur J Appl Physiol, vol. 94, pp. 242-53, Jun 2005.

 [18]        I. Milovanović and D. B. Popović, "Principal Component Analysis of Gait Kinematics Data in Acute and Chronic Stroke Patients," Computational and Mathematical Methods in Medicine, vol. 2012, pp. 1-8, 2012.

[19]         J. A. Beres-Jones and S. J. Harkema, "The human spinal cord interprets velocity-dependent afferent input during stepping," Brain, vol. 127, pp. 2232-46, Oct 2004.