Improving the efficiency of physical exercises for knee using biofeedback

Abstract

Dizde oluşan bozukluklar yürüme, koşma, oturma, ayakta durma gibi günlük aktivitelerin kalitesinin düşmesine neden olur. Bozulma düzeyine bağlı olarak, güç, esneklik ve hareket açıklığını geri kazanmak için fiziksel egzersizler yapılır. Egzersizler sırasında geri bildirim sağlanarak egzersizlerin verimliliği artırılabilir. Egzersizler sırasında diz eklemi hareket açıklığı değerlendirildiğinde bazı gelişmeler elde edilebilir. Geri bildirimlere ve hareket değerlendirmelerine sahip otomatik sistemlerin geliştirilmesi artan talep görmektedir.Bu tez çalışması, iki adet mikro-elektro-mekanik oryantasyon sensörünün kullanımı ile diz eklemi hareket açıklığını ölçerek ve bir ses oynatıcı modülü ile önceden belirlenmiş diyalogları çalarak sesli geri bildirim vererek diz için fiziksel egzersizlerin verimliliğini arttırmayı amaçlamaktadır. Otur-kalk, çömelme ve oturarak bacak fleksiyonu-ekstansiyonu olmak üzere üç fiziksel egzersizde sesli geri bildirimin etkinliğini analiz etmek için on beş gönüllü kaydedildi.Oturarak bacak fleksiyon-ekstansiyon egzersizi, otur-kalk ve çömelme egzersizi için Wilcoxon sıra toplamı testi sonuçları, sesli geri bildirimin eklenmesi, otur-kalk (p=.01) ve çömelme egzersizinde (p<.001) istatistiksel olarak anlamlı bir fark olduğunu ama oturarak bacak fleksiyon-ekstansiyon egzersizinde istatistiksel olarak anlamlı bir fark (p=.15) göstermektedir. Sistem Kullanılabilirlik Ölçeği (SKÖ) sonuçları, sesli geri bildirimli egzersizin (SKÖ puanı = 83.0) sesli geri bildirimsiz egzersizden daha yüksek puana sahip olduğunu (SKÖ puanı = 72.2) göstermektedir, ancak bu fark istatistiksel olarak anlamlı değildir (p=.14). Kapalı zincir egzersizlerde sesli geri bildirimin eklenmesi, fiziksel egzersizlerin verimliliğini artırabilir ve dizin tam fleksiyon veya ekstansiyonda kilitleme hareketi ile bitmeyen egzersizlerde bu iyileşme daha şiddetli görülebilir. Gelecekteki çalışmalar, tasarlanan sistemi sağlıklı gönüllülerden ziyade fiziksel rehabilitasyona ihtiyaç duyan gönüllülerle sesli geribildirimin üzerindeki etkilerini incelemek için planlanmaktadır.

Impairments occurred in the knee result in the decline of the quality of daily activities such as walking, running, sitting, and standing. Depending on the level of impairment, physical exercises are subscripted to regain strength, flexibility, and range of motion. The efficiency of the exercises can be improved by supplying a feedback mechanism during the exercises. Meanwhile, some improvements can be obtained when the knee joint range of motion is assessed during the exercises. The development of automated systems having feedbacks and motion assessments is gaining increased demand.This thesis work aims to improve the efficiency of physical exercises for the knee by quantifying the knee joint range of motion with the use of two micro-electro-mechanical orientation sensors, and by giving audio feedback by playing predetermined dialogues with the use of an audio player module. Fifteen volunteers are enrolled to analyze the effectiveness of the audio feedback on three physical exercises namely sit-to-stand, squat, and seated leg flexion-extension.The Wilcoxon rank-sum test results for seated leg flexion-extension exercise, sit-to-stand, and squat exercise shows that the addition of audio feedback shows a statistically significant difference in sit-to-stand (p=.01) and squat exercises (p<.001) but not in seated leg flexion-extension exercise (p=.15). The System Usability Scale (SUS) results show that exercise with audio feedback (SUS score=83.0) has a higher score than exercise without audio feedback (SUS score=72.2), but this increase is not statistically significant (p=0.14). The addition of audio feedback in closed chained exercises may increase the efficiency of the physical exercises. This improvement may be seen more drastic in the exercises that do not end with the movement of locking the knee in full flexion or extension. Future studies are planned to compare the designed system with video-based feedback systems used in physical therapy and to examine the effects of audio feedback on knee-based physical therapy with volunteers requiring physical rehabilitation rather than healthy volunteers.