دنیای جذاب و پرکاربرد بیومکانیک در ارتزها 

نویسنده متن "آقای دکتر رسول عابدی" دانشجو دکترای بیومکانیک دانشگاه صنعتی امیرکبیر، مؤلف کتاب و مقالات در حوزه بیومکانیک و "آقای دکتر حمیدرضا برنامه ای"دکترای بیومکانیک، نویسنده و مدرس مهندسی پزشکی و مؤلف کتاب

به دنیای جذاب بیومکانیک خوش آمدید! در این قسمت سعی داریم، یکی از ارتزهای بالاتنه را از منظر اسکلتی عضلانی مورد تحلیل بیومکانیکی قرار دهیم، که در کاهش فشار مفاصل کمری در باربرداری، و همچنین توانبخشی بالاتنه می­تواند بسیار کاربرد داشته باشد. ارتزهای کمک باربرداری بالاتنه بسیار گسترده هستند و در برخی طرح­ها نیز حتی به صورت اسکلت خارجی (اگزواسکلتون) با مکانیزم فعال بر رئی بدن قرار می­گیرند. شکل زیر یکی از طرحهای ساده می­باشد که از شانه شخص، با مکانیزم المان کشسان (مثل کش، طناب، فنر و...) و قرقره، با عبور از ستون فقرات وی به پشت زانو متصل می­شود. حال می­خواهیم از منظر بیومکانیک، تأثیر نیروی کشش المان کشسان (F_T) را بر روی عضلات کمر و زانو بررسی کنیم. شکل زیر نمودارهای جسم آزاد ناحیه ستون فقرات و زانو را نشان می­دهد.

 W و W_L به ترتیب، وزن بالاتنه (بالای ستون فقرات) و بار خارجی روی دست فرد هستند. W_b وزن قسمتی از بدن می­باشد که بالای زانو قرار دارد. F_ES، F_qu و F_hm نیز به ترتیب نیروهای گروه عضلانی ارکتور اسپاین (راست کننده ستون فقرات)، چهارسرران و همسترینگ هستند. فاصله عمودی تک تک نیروهای مذکور نیز تا مرکز مفاصل مربوطه با پارامتر d بهمراه اندیس مربوطه نشان داده شده­است. با نوشتن معادلات تعادل گشتاوری حول مفاصل ستون فقرات و زانو در حالت استاتیکی داریم (جهت پادساعتگرد یا اکستنسور هر دو مفصل مثبت فرض شده­است):

از نتایج حاصل شده، متوجه می­شویم که نیروی المان کشسان (F_T) موجب کاهش نیروی عضلات ستون فقرات و کمر (F_ES) می­شود (به دلیل علامت منفی پشت نیروی F_T). در نتیجه می­تواند فشار وارد بر مفاصل (دیسک­های) کمر را نیز کاهش دهد و عمر ستون فقرات یک کارگر باربردار را زیاد کند. در عوض نیروی عضلات چهارسرران را افزایش می­دهد (به دلیل علامت مثبت پشت نیروی F_T) و در نتیجه می­تواند فشار وارد بر زانو را افزایش دهد (هر چند از تأثیر عضلات همسترینگ نیز نباید غافل شد). لذا میتوان تا حدی نتیجه گرفت که در کل این ارتز کمک باربرداری، فشار ستون فقرات را کاهش می­دهد و به مفاصل اندام تحتانی مانند زانو منتقل می­کند. لذا شخص باربردار، قبل از استفاده از این ارتز می­بایست از سلامت و استحکام مفاصل انندام تحتانی خود تا حدی اطمینان داشته باشد. این هم یک تحلیل بیومکانیکی از دنیای وسیع ارتزها و ارتوپدی بود که در این مقاله بطور مختصر بحث شد و به امید خدا در مقالات آتی، نمونه­ های دیگری نیز مورد تحلیل قرار خواهد گرفت.

دنیای جذاب مهندسی ستون فقرات

ناهنجاری های ستون فقرات رتبه ی نخست را در ناهنجاری های اسکلتی عضلانی دارد، و اغلب افراد حداقل یک بار در طول زندگی خود دچار کمردرد شده اند. لذا یکی از کاربردهای مهندسی پزشکی در بررسی ستون فقرات، کمک به سلامت و افزایش طول عمر آن، افزایش توانمندی در حرکات سنگین، ورزشی وغیره و بحث توانبخشی و بهبود ناهنجاری های آن از منظر تحلیل های و محاسبات مهندسی می باشد. ستون فقرات گردنی برای ایجاد تحرک و ثبات سر می باشد. درحالی که آخرین مهره گردنی به ستون فقرات سینه ای که نسبتاً بی حرکت می باشد متصل می باشد. حرکت تکان دادن سر عمدتاً از طریق فلکشن و اکستنشن در مفصل بین اطلس و استخوان پس سری، مفصل آتلانتو اکسیپیتال صورت می گیرد. با این حال، ستون فقرات گردنی نسبتاً متحرک هست و برخی از اجزای این حرکت به دلیل فلکشن و اکستنشن و حرکت کلی خود ستون مهره است. حرکت چرخش محوری سر به چپ و راست تقریباً به طور کامل در مفصل بین اطلس و اکسیس، مفصل آتلانتو اکسیس اتفاق می افتد. یکی از عوامل آسیب زننده به سیستم اسکلتی عضلانی گردنی، افزایش بارهای مفصلی است که بیشتر به دلیل پاسچر وضعیتی غلط در گردن ایجاد می شود. از جمله پاسچرهای غلط، کار با تلفن‌های هوشمند و کامپیوتر است. یکی از بخش های مربوطه مهندسی بالینی و اسکلتی عضلانی ستون فقرات می باشد. در این بخش به تحلیل پارامترهای اسکلتی عضلانی ستون فقرات پرداخته می شود، تا پارامترهای بیومکانیکی آن از قبیل سینماتیک حرکت (مانند زوایا و سرعت) مفاصل ستون فقرات، سینتیک حرکت (مانند گشتاورهای) مفاصل ستون فقرات، نیروهای عضلانی و لیگامانی، نیروها و بارهای مفصلی، و تنش های دیسک بین مهره ای (مانند فشار درون دیسکی) تخمین زده شود. هر یک از پارامترهای بیومکانیکی مذکور در مطالعات بسیار بررسی شده است و دلیل تخمین آن ها این است که ببینم، آیا بطور مثال نیروی عضلات ارکتور اسپاین، یا فشار دیسک بین مهره ای در محدوده ی طبیعی قرار دارد، یا در معرض ریسک آسیب است؟؟؟ این امر بسیار حائز اهمیت است، زیرا تشخیص ریسک آسیب و جلوگیری از آن بویژه در فعالیت ها و مشاغل سنگین (مانند باربرداری) در سلامت و کیفیت زندگی مؤثر خواهد بود. از پرکاربردترین نرم افزارهای این حوزه می توان به AnyBody, OpenSim, 3DSSPP اشاره نمود. بخش های دیگری در بحث مهندسی ستون فقرات مانند، مهندسی ارتوپدی و توانبخشی وجود دارند، که هر یک به امید خدا در مقالات آینده بهمراه نرم افزارهای مربوطه بررسی خواهند شد. در این رابطه توصیه می شود که کتاب بیومکانیک ستون مهره ها (نویسندگان: حامد اسدی و دکتر نوید ارجمند) مطالعه شود.

کاربرد مدلسازی اسکلتی عضلانی در پیش بینی جراحی های ارتوپدی

با درک سیستم اسکلتی و عضلانی، توضیح چگونگی اتصال یک استخوان به سایر استخوان‌ها و نیز فیبرهای ماهیچه‌ای از طریق بافت‌های همبند مانند تاندون‌ها و لیگامان‌ها ساده‌تر خواهد بود. درمان بیماری‌های سیستم اسکلتی و عضلانی به‌دلیل پیچیده بودن آن مشکل است. مشکلات مربوط به این سیستم به پزشک توانبخشی و ارتوپدی مربوط می‌شوند که با کمک مهندس پزشک در شبیه سازی های بیومکانیکی میتواند تسهیل شود. جراحی تاندون ترانسفر یا انتقال تاندون نوعی عمل می باشد که طی آن به انتقال محل اتصال استخوان یک تاندونی که فعال می باشد از یک استخوان به دیگر استخوان پرداخته می شود. در نهایت حرکتی که از بین رفته است مجددا اصلاح خواهد شد. دلایل این نوع جراحی می تواند به دلایل مادرزادی و ژنتیکی، فلج شدگی عصبی، حادثه، سکته مغزی و فلج مغزی باشد. زمانی که یک تاندون و یا عضله به هر دلیل نمی توانند کار کنند و موجب حرکت استخوان مربوطه شوند، این جراحی کمک می کند تا محل اتصال تاندون ها طوری تنظیم شود که تاندون دیگری بتوانید این وظیفه را انجام دهد. در واقع کاربرد مهم این عمل این است که عضله ناکارآمد را وارد به حرکت دیگری می کند. یکی از ریسک های جراحی انتقال تاندون از دست رفتن کارایی طبیعی شخص بعد از عمل میباشد که نیاز به جراحی اصلاحی دیگر خواهد داشت. یکی از راه های پیشگیری از ریسک های عمل جراحی انتقال تاندون و افزایش کارآمدی این جراحی، استفاده از مدلسازی اسکلتی عضلانی است که توسط مهندس پزشک انجام می شود. با استفاده از مدلسازی اسکلتی عضلانی می توان عمل جراحی را شبیه سازی کرد. مدل های اسکلتی عضلانی شامل سیستم اسکلتی، سیستم عضلانی، مفاصل و قیود سینماتیکی هستند. اجزا یک مدل اسکلتی عضلانی که ارتباط دهنده یک سیستم فیزیکی و سیستم محاسباتی است را نشان می دهد. شبیه سازی اسکلتی عضلانی کاربردهای متنوعی در علوم پزشکی، علوم مهندسی و علوم ورزشی دارد و به منظور افزایش کارایی و پیشگیری از آسیب های اسکلتی عضلانی مورد استفاده قرار می گیرد.

در شکل بالا سیستم فیزیکی، مدل اسکلتی عضلانی و سیستم محاسباتی که برای شبیه سازی اسکلتی عضلانی مورد استفاده قرار میگیرد. مدل های اسکلتی عضلانی شامل سیستم اسکلتی، سیستم عضلانی، مفاصل و قیود سینماتیکی هستند. در این روش مهندس پزشک با همکاری پزشک، شبیه سازی اسکلتی عضلانی بیمار را انجام می دهد تا از نتایج جراحی که پزشک می خواهد اتخاذ کند اطلاعاتی را پیش بینی کند. این پیش بینی های اسکلتی عضلانی، عیوب جراحی را مشخص میکند. در نتیجه پزشک میتواند قبل از جراحی روش خود را کار آمدتر کرده تا از آسیب های احتمالی بعدی پیشگیری شده و همچنین عمل جراحی کارآمدتر شود. لازم به ذکر است که این روش نیاز به تداوم جلسات پزشک و مهندس پزشک دارد تا نهایتا روش جراحی ایده آل انتخاب شود. یکی از نرم افزارهای شبیه سازی اسکلتی عضلانی نرم افزار اپن سیم (OpenSim) است. اپن‌سیم یک نرم‌افزار متن باز برای شبیه‌سازی، مدل‌سازی و آنالیز در زمینه بیومکانیک است. هدف این نرم ارائه ابزار رایگان و گسترده برای تحقیق در زمینه بیومکانیک و علم کنترل موتور است. این نرم افزار طیف گسترده‌ای از مطالعات در مورد آنالیز دینامیک راه رفتن، عملکردهای ورزشی، شبیه‌سازی روش‌های جراحی، آنالیز عملکرد مفاصل، طراحی دستگاه‌های پزشکی و شبیه‌سازی حرکات انسان‌ها و حیوانات را فراهم می‌کند. این نرم‌افزار تجزیه و تحلیل دینامیک معکوس و شبیه‌سازی دینامیک رو به جلو را انجام می‌دهد. اوپن‌سیم در صدها آزمایشگاه بیومکانیک در سراسر جهان برای مطالعه حرکت‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌است و دارای جامعه توسعه دهنده نرم‌افزاری است.

شکل بالا محیط کاربری نرم افزار اپنسیم به همراه ابزارهای آن را نشان میدهد. همانطور که در قسمت قبل اشاره شد، جراحی انتقال تاندون در قسمت های مختلف بدن مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان مثال در شکل زیر، دو جراحی رایج برای درمان آرتروز مچ دست که عبارتند از کارپکتومی ردیف پروگزیمال و فیوژن چهار گوشه اسکافوئید با شبیه سازی اسکلتی عضلانی بررسی شده است. با استفاده از مدلسازی این جراحی‌ها، شبیه‌سازی‌های اسکلتی عضلانی برای این جراحی ها انجام شده است. مقایسه این دو روش جراحی قبل از عمل جراحی اصلی میتواند پزشک را از مزایا و معایب هر دو روش جراحی آگاه کند تا ریسک های احتمالی به حداقل برسد.

شکل بالا شبیه سازی اسکلتی عضلانی دو جراحی رایج برای درمان آرتروز مچ دست که عبارتند از کارپکتومی ردیف پروگزیمال و فیوژن چهار گوشه اسکافوئید. خطوط قرمز رنگ مدل های تاندونی عضلانی هستند. به عنوان نتیجه گیری می توان گفت که شبیه سازی اسکلتی عضلانی که بر مبنای اصول مهندسی پزشکی و بیومکانیکی استوار است، می تواند جراحی های انتقال تاندون را شبیه سازی کند و درک درستی از عمل جراحی به پزشک ارائه دهد تا از ریسک های جراحی بعد از عمل جلوگیری شود. با شبیه سازی های اسکلتی عضلانی می توان حرکات مختلفی که فرد بعد از عمل جراحی انجام خواهد داد را شبیه سازی کرد تا درک درستی از اثرات جراحی در زندگی روزمره بیمار در آینده پیدا کرد و اگر احیانا اختلالی در سیستم اسکلتی عضلانی وجود داشته باشد می توان با شبیه سازی اسکلتی عضلانی و قبل از عمل جراحی اصلی به آن پی برد و تغییراتی را با نظر مهندسی پزشک در جراحی ایجاد کرد تا اختلال بر طرف شود.