مدل‌سازي راه رفتن در بيماران پاركينسون و بررسي روش‌هاي بالابردن سرعت حركت

Modeling Parkinsonian Gait and Investigating some Approaches to Increase the Gait Speed

بيماري پاركينسون يك اختلال عصبي است كه به طور عمده بر نورون­هاي توليد كننده­ي دوپامين تاثير گذاشته و موجب اختلال در سيستم حركتي مي­شود. بارزترين علايم اين بيماري شامل لرزش، حركت آهسته، سفتي و دشواري در راه رفتن است. راه رفتن بيماران پاركينسون با كندي در حركت همراه است. در اين مقاله با استفاده از روش­هاي رياضي و كامپيوتري، راه رفتن بيماران پاركينسون مدل‌سازي شده است. اين مدل متشكل از ساختارهاي درگير در بيماري پاركينسون بوده كه از مغز شروع شده و تا مفصل زانو ادامه دارد و شامل عقده­هاي قاعده­اي، تالاموس، كورتكس، ناحيه‌ي موتوري تكميلي (SMA)، عضله و مفصل مي­باشد. خروجي مدل به صورت سرعت راه رفتن در بيماران پاركينسون بوده و برابر با 0/83 m/s به دست آمده است كه در محدوده­ي گزارش شده توسط نتايج كلينيكي (0/18 – 1/21 m/s) قرار دارد. در اين مطالعه روش­هايي براي افزايش سرعت راه رفتن در بيماران پاركينسون مورد بررسي قرار گرفته كه شامل تحريك عمقي مغز، استفاده از دارو و تقويت عضله است. نتايج نشان مي­دهد كه هر يك از اين روش­ها موجب بهبود سرعت راه رفتن شده است. در واقع با به كارگيري اين روش­ها روي مدل، مقدار خروجي افزايش يافته و به محدوده­ي سرعت راه رفتن در افراد سالم (1/30 – 1/36 m/s) نزديك شده است. هم‌چنين اثر سفتي روي سرعت راه رفتن مورد مطالعه قرار گرفته و مشاهده شده است كه سفتي عضلاني با سرعت رابطه­ ي عكس دارد. در پايان نيز يك روش كنترلي براي بهبود سرعت پيشنهاد شده كه با افزايش پاسخ سيستم حلقه بسته موجب افزايش سرعت راه رفتن شده است.

Parkinson's disease (PD) is a neurological disorder that mainly affects dopamine-producing neurons and motor system. The most obvious symptoms of PD are tremor, slow movement, stiffness and difficulty with walking. Walking in PD is slower than normal walking. In this paper, the gait in patients with PD is modeled by a mathematical and computational method. This model includes structures which are involved in PD, such as basal ganglia, thalamus, cortex, supplementary motor area (SMA), muscle and joint-load dynamics. The output of the model is walking speed in PD. The output value is 0.83 m/s, which is in the range reported by clinical results (0.18-1.21 m/s). Some methods which increase the gait speed in PD are investigated too. These methods include deep brain stimulation, drug prescription and strengthening the muscles. The results show that each of these methods will improve the gait speed, in fact, by using these methods, the value of output increases and approaches the walking speed range in healthy individuals (1.36-1.30 m/s). Moreover, the effect of rigidity on gait speed is studied; it has been observed that the stiffness and speed of the gait are inversely related. Finally a control method is offered which improve the gait speed by increasing the magnitude response of the closed-loop system.