Geri Dön

Stochastic analysis of human postural sway

İnsan dik duruşunun olasılıksal analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 766492
  2. Yazar: NACİ BARIŞ YARADANAKUL
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SENİH GÜRSES
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Matematik, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Biyoloji, Mathematics, Physics and Physics Engineering, Biology
  6. Anahtar Kelimeler: Beden durumu, Eşik değer dinamikleri, Modern olasılık teorisi, Stokastik analiz, Postural sway, Threshold dynamics, Modern probability theory, Stochastic analysis
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Biyomekanik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu tezde insan dik duruşunun kararlı olmayan dinamiği olasılıksal özellikleri dikkate alınarak uzay zaman perspektifine sahip bir şekilde stokastik dinamik sistem teorisinin ve istatistiksel mekaniğin araçlarının kullanılmasıyla incelenmiştir. Araştırma sırasında mekanik yaklaşım ve kontrol teorisi göz önünde bulundurulmazmıştır. Fakat dört duyunun, eyleyici kasların, vücudun ve sinir sisteminin ortak çıktısı CoPx sinyali üzerinden bir kara kutu olarak karakterize edilmiştir. Tezin ilk kısmı postür salınımlarının felsefi içeriğe yoğunlaşmıştır. Bunun yanında Newton determinizmini Boltzmann anlayışıyla zaman, zamanın yönü, nedensellik anlamlarında karşılaştırılmasına yer verilmiştir. Kısım 1.2'de ise önceki kısımda geliştirilen fikirlerin incelenecek dinamik sistem üzerine uygulamalarından bahsedilmiştir. Ayrıca postür salınımlarını idare eden rastgelelik yapısını anlamaya yönelik girişimlerde bulunulmuştur. Devamında gelen Kısım 2'de asla durmayan postür salınımlarının arkasındaki nörofizyolojik nedenler incelenerek devam edilmiştir. Söz konusu karmaşık sistemin temel çıktılarından olan CoPx zaman serisinin ikili salınım yapısıyla ilgili Zatsiorksky, Gurfinkel, Feldman ve Hogan'ın benzer çalışmaları açıklanmıştır. Devamında postür salınımlarının ölçüm prensipleri özetlenmiştir. Takip eden Kısım 3'te ise CoPx zaman serisini temsil eden stokastik diferansiyel denklemin formu aranmış ve hızların normal dağıldığı görsel olarak kanıtlanmıştır. Birinci aşamada difüzyon denklemi ve Wiener süreci kullanılmıştır. Fakat bu modellerin rastgeleliliği yakalasa bile varyansları sürekli olarak arttığı için uygun bir seçim olmadığına karar verilmiştir. Bu yüzden ikinci aşamada Ornstein Uhlenbeck süreci kullanılarak varyansın artışı kısıtlanmıştır. Daha sonra postür salınımlarının ikili yapısının incelenmesi gözetilerek çift Ornstein Uhlenbeck stokastik süreci tanımlanmıştır. Yeni tanımlanmış stokastik sürecin çift üstelli formu üzerinden postür literatürüyle tutarlı sonuçlar bulunmuştur. Son olarak ise kübik bir polinomun kullanılmasıyla CoPx'in çok modlu olasılıksal dağılımına ulaşılmıştır.

Özet (Çeviri)

“The decisive step in the transition from ape to man”, in other words, inherently unstable dynamics of human erect posture, is investigated throughout the thesis considering the random features with a spatiotemporal perspective employing stochastic dynamical system theory and statistical mechanics. During the investigation, mechanistic reasoning and control theory is not mentioned, but the complex dynamical output of four basic sensors somatosensory, vestibular, visual and proprioceptive, physicochemical actuator striated muscles, multidegree of freedom plant having redundancies depending on the task, and the nervous system, namely postural sway, is modeled as a black box that is characterized by CoPx time series. Keeping this objective in mind, the first chapter is devoted to the explanation of the loaded philosophical content of postural sway with a phylogenetic and ontogenetic point of view. Furthermore, the contrast between Newtonian determinism in time and Boltzmanian understanding of chance in space are considered in terms of the concept of time, its direction, causality, and entropy to clarify the spatiotemporal domain, in which the dynamics of interest to be analyzed with stochastic analytical tools. In this context, in Section 1.2, philosophical ideas that have been developed were employed in an attempt to explain the particular problem by means of stochastic process and cybernetics to answer the question“What is the dice ruling the postural sway?”. Besides the philosophical content, Chapter 2 continued with neurophysiological reasons behind the never-ending postural sway, possibly serving for the ecological search of the equilibrium point (conservative level) and the boundaries of stability (operative level) with trial and error. For instance, the output of this complex system, CoPx, two superposed oscillations at different frequencies constituting postural sway are explained considering the works of Zatsiorsky's rambling trembling decomposition, Gurfinkel's conservative and operative levels, Feldman's $\lambda$-threshold theory, and Hogan's virtual trajectory explanation; in spirit, all reconciling similar dualities. Considering the neurophysiological aspects in Section 2.2, measurement methods of postural sway are explained for the quantification of the problem. Later, stochastic dynamics of the CoPx signal are investigated in a pathwise manner with proposed stochastic differential equations starting from the visual verification of normality of decision makings, i.e., displacements. The first step is started with the integration of the Wiener process obeying s (\Delta t)^{1/2} N(0,1). Due to the linearly increasing variance, which would result in falling down, linear mean reversion was imposed on the dice ruling the sway to constraint the variance inside the area under the foot. While the resulting process is named as Ornstein Uhlenbeck, it is linked to viscoelasticity known as Langevin Equation. For the analytical consideration of the two-level nature of postural sway, the double Ornstein Uhlenbeck process was defined. In this way, the baseline fluctuations around zero are converted into oscillations around $\theta_t$ which describes the rambling equilibria. The covariance function of the proposed system of differential equations having a double exponential form revealed distinct time scales consistent with the posture literature. A final improvement was performed by imposing a cubic nonlinearity on the model for the assessment of the multimodality of sway.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    176762

    Linear and nonlinear analysis of human postural sway

    Duruş sapmasının doğrusal ve doğrusal olmayan analiz yöntemleri ile araştırılması

    HÜSEYİN ÇELİK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    BiyomühendislikOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TURGUT TOKDEMİR

    YRD. DOÇ. DR. SENİH GÜRSES

  2. Tez No

    119513

    Postural dynamics and stability

    Beden durumu dinamiği ve kararlılığı

    SENİH GÜRSES

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2002

    Mühendislik BilimleriOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURİ AKKAŞ

  3. Tez No

    363839

    Yüksek Yapılarda Rüzgâr Etkilerinin Stokastik Yöntemle Çözümlenmesi ve Baskın Etkilerin Parametrik İncelemesi

    Stochastic Analysis Of Wind Induced High-Rise Buildings And Parametric Assessment Of Dominant Characteristics

    ÖNDER UMUT

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEKİ HASGÜR

    PROF. DR. BÜLENT AKBAŞ

  4. Tez No

    763524

    Meta-analysis of gene expression heterogeneity in brain development and aging

    Beyin gelişimi ve yaşlanmasında gen anlatımı heterojenliğinin meta-analizi

    ULAŞ IŞILDAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    BiyolojiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Biyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET SOMEL

  5. Tez No

    338816

    Bayesian network based pathway analysis of high throughput biological data

    Yüksek çıktılı biyolojik verilerin bayes ağları kullanılarak patika düzleminde analizi

    MELİKE KORUCUOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ARZUCAN ÖZGÜR

    YRD. DOÇ. DR. HASAN HÜSEYİN OTU

Geri Dön