تبلیغات
جامعه مهندسی پزشکی شیراز - پای مصنوعی ( بیومکانیک ، بیومتریال )
جامعه مهندسی پزشکی شیراز
اطلاعات جامع و تخصصی (مهندسی پزشکی-مهندسی هسته ای و پرتو پزشکی -برق-مکانیک-رباتیک-هوش مصنوعی) کارشناسی / کارشناسی ارشد/دکتری

لینکدونی

آرشیو موضوعی

آرشیو

لینکستان

صفحات جانبی

← آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • بازدید امروز :
  • بازدید دیروز :
  • بازدید این ماه :
  • بازدید ماه قبل :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :

پای مصنوعی ( بیومکانیک ، بیومتریال )


http://www.athletics.ir/wp-content/uploads/2011/08/6a00d8341c630a53ef00e553a8c0398833-800wi1.jpghttp://www.iranbmemag.com/en/editor/images/1_bo-taz1.jpg


پاهای مصنوعی از دیر باز مورد استفاده بشر قرار می گرفتند.در طول زمان با پیشرفت علوم پزشكی و مهندسی، این ابزار كمكی كامل تر شد كه این تكامل تا به حال ادامه دارد و هر روز شاهد طرحی جدید و شبیه تر به پای واقعی هستیم، اما چند سالی است كه با پیشرفت هایی كه در زمینه علوم مهندسی صورت گرفته است، شاهد ساخت نسل جدیدی از این ابزارهستیم كه گاه كارایی آن ها، فرا تر از یك پای مصنوعی است.
 ‌به عنوان نمونه می توان از پای مصنوعی چیتا (‌كه برای اسكار پیستوریوس سریع‌ترین دونده جهان - با  دو پای قطع شده - طراحی شده است ) ‌ نام برد كه این امكان را به كاربرش می دهد تا بتواند با آن حتی مانند یك دونده  حرفه ای بدود، تا جایی كه كار بر آن (‌اسكار پیستوریوس) ‌قصد شركت در المپیك پكن را داشت كه البته طبق قوانین كمیته المپیك، چون افراد مجاز به استفاده از ابزار كمكی نیستند، از این كار منع شد.البته ساخت پاهای پیشرفته به این نقطه هم محدود نشد. آخرین طرحی كه از این وسیله ابداع شد(پای كلینز)، پایی است پیشرفته با قسمت های مكانیكی، الكترونیكی و میكروكنترلی كه نه تنها وسیله ای بسیار كار امد و هوشمند است بلكه به میزان قابل توجهی سبب كاهش اتلاف انرژی توسط كار بر به نسبت سایر پاهای مصنوعی (موارد مشابه) می شود.

انسان ها به طور معمول انرژی قابل توجهی را صرف راه رفتن می كنند و این میزان در افرادی كه از پای مصنوعی استفاده  می كنند 23%بیشتر از افراد سالم است. این امر هم موجب خستگی و هم سبب بروز نا هما هنگی بیشتر در طول راه رفتن برای فرد معلول می شود.
  زمانی كه فرد پاشنه پایش با زمین برخورد می‌كند، تبادل انرژی آغاز شده و سپس پنجه با زمیـن بـرخـورد می كند، در این لحظه پاشنه از زمین جدا شده و بدن به جلو رانده می شود كه در این زمان تبادل انرژی به اوج خود می رسد.  به طـور معمـول  در ایـن مـرحلـه فـردی كـه از پای مصنـوعی استفاده می‌كند، حدودا در طول راه رفتن 23% اتلاف انرژی دارد كه حذف این اتلاف انــرژی، بــرای راه رفـتــن نــزدیــك تــر بــه نـرمـال ضروری است. 
برای حل این مشكل استیون كلینز از دانشگاه میشیگان پای مصنوعی هوشمندی ساخته  است كه به صورت میكروپرسسوری كنترل می شود كه از اجزای مكانیكی و الكترونیكی ساخته شده است.این پا می تواند بسیاری از انرژی را  كه در سـایـر پـاهـای مصنـوعـی در حیـن گـام بـرداشتن اتـلاف مـی شـود، در مرحله ای از راه رفتن در سیستم مكانیكی خود ذخیره كند و در مرحله ای دیگراز گام برداشتن به سیستم باز گرداند و از این طریق اتلاف انرژی فرد را كاهش دهد.
 ‌طــبــــق گــــزارش هــــای حــــاصــــل از انــجــــام آزمــایــش‌هـای متعـدد كـه سـازنـدگـان آن انجـام داده‌اند، این پا می تواند اتلاف انرژیی را كه در پاهای مصنوعی معمولی در حدود 23% است به 14% كاهش دهد. شاید درك 23% اتلاف انرژی بـرای شـما بی معنی باشد. برای درك بهتر این مـقـدار، بـهـتـر اسـت بـدانـیـد 23%مـصـرف انرژی بیشتر مثل حمل یك وزنه 15 كیلو گرمی  یا 20% سریع تر راه رفتن است.
در رابطه با مشخصات ظاهری این پا می توان گـفت : ‌از نظر ابعاد و شكل ظاهری آن بعد از پوشش، شبیه نمونه های پای مصنوعی متداول اسـت. بـا این تفاوت مهم كه قسمت جلویی و عـقبی در این پا از هم جدا هستند و می توانند حركاتی مستقل داشته باشند. 

در رابطه با عملكرد سیستم مكانیكی این پا
 ‌زمانی كه پاشنه پا در ابتدای حركت با زمین بــرخــورد مــی كـنــد، تـنـهــا قـسـمــت عـقـبــی پـای مصنـوعـی حركت می كند واین حركت سبب فـشــرده شــدن یــك فـنــر در سـیـسـتــم مـكـانیكـی می‌شود، فشار در پاشنه زمانی كه به ماكزیمم مقدار می رسد، هم زمان با فشرده شدن فنر، قسمت عقبی پای مصنوعی به وسیله كلاچی كه در سیستم مكانیكی تعبیه شده است، قفل می شود.  با این كار انرژی در سیستم ذخیره می شود تا در مرحله بعد گام برداشتن از آن استفاده شود.
 ‌حال قسمت جلویی پا با زمین تماس پیدا می كند، در این مرحله زمانی كه مقدار خاصی از بار را قسمت جلویی پا حس كرد ، فنر كه در مرحله قبل فشرده شده، به صورت خــود كــار آزاد شـده و انـرژی ذخیـره شـده از مـرحلـه قبـل را در ایـن مـرحلـه استفـاده می‌كند،سپس یك فنر كوچك كه در قسمت جلوی پا قرار دارد، قسمت كلاچ را با آزاد كردن قفل آن، به حالت اولیه بر می گرداند كه آماده برای قدم بعدی شود. 
برای بهبود عملكرد پای مصنوعی، اجزای مكانیكی طوری طراحی شده اند كه از نظر زمانی، وقفه ای در عملكرد سیستم ایجاد نكنند.
تمامی قسمت های مكانیكی، انرژی مورد نیاز خود برای هر مرحله را از حركات فرد به دست می آورند. تنها انرژی میكروكنترلر و دو موتور، كه یكی انرژی ذخیره شده در فنر را آزاد می كند و دیگری مكانیسم فنری را كه قفل می شود، Reset می كند، از منبع خارجی تامین می شوند. تغذیه این وسیله به وسیله یك باطری 8/0 واتی انجام می شود.
در كل می توان تفاوت این وسیله با نمونه های مرسوم را در این موارد دید:
1.استفاده از قسمت های الكترونیكی به منظور كنترل هوشمند به همراه قسمت های مكانیكی شامل فنر ها و كلاچ
2.جدا بودن قسمت جلوی پا از قسمت عقبی آن
3. استفاده از موتور های الكتریكی
4.صرف انژی كمتر توسط فرد و در نتیجه خستگی كمتر و راه رفتنی شبیه تر به راه رفتن معمولی

نتایج به دست آمده از آزمایش این پای مصنوعی بر روی افراد
  این آزمایش بر روی فردی سالم در محدوده سنی 19-28 سال صورت گرفت. برای این كار پای مصنوعی را به پای سالم آن متصل كردند، سپس مچ طبیعی آن را ثابت كردند تا دقیقا مانند فرد معلول شود. برای برقراری تعادل فرد، یك كفش با ارتفاع بیشتر در پای دیگر آن قرار دادند تا ارتفاع دو پای فرد برابر شود. تمامی آزمایش ها بر روی یك ترد میل انجام می شود و برای یكسان بودن شرایط، همگی در یك سرعت انجام شده اند(در حدود 25/1متر بر ثانیه.)
  درمرحله اول  این آزمایش از یك شبیه ساز كه شبیه یك پای مصنوعی معمولی است، استفاده می شود. این شبیه ساز وزنی در حدود 37/1 كیلو گرم دارد و مانند یك كفش سخت عمل كرده و مچ سالم را مانند پای مصنوعی ثابت نگه می دارد.حال شرایط برای بررسی راه رفتن با پای مصنوعی متداول فراهم است.
  در مرحله دوم، این آزمایش ها را برای پای كلینز انجام داده و در نهایت آزمایش را برای یك پای سالم انجام دادند. همچنین برای تخمین كار انجام شده، داده های مربوط به جابجایی و نیرو همگی وهمچنین میزان مصرف اكسیژن فرد نیز در مراحل مختلف آزمایش ثبت شد.

نتایج آزمایش به صورت كیفی
  استفاده از پاهای مصنوعی رایج، بازده فرد را در راه رفتن كاهش می دهد. برای استفاده كنندگان از پاهای مصنوعی معمولی این عدد در حدود 23% و برای استفاده‌كنندگان پای كلینز 14% تخمین زده شد.همین طورسوخت و ســاز و صــرف انـرژی در افـرادی كـه از پـاهـای مصنوعی رایج استفاده می كنند، بیشتر از استفاده كنندگان از پای كلینز است.
  در حین انجام آزمایش ها متعدد مشاهده شد كه همچنان مشكل اتصال اندام مصنوعی به بدن فـرد  وجود دارد و هرچند كه از اندام پیشرفته استفاده می شود ولی باز در ناحیه اتصال، فرد دست كم تا مدتی كه به ابزار عادت كنند احساس ناراحتی می كند.
  به طور كلی می توان به این نتیجه رسید كه استفاده از ابزاری كه توانایی بهینه سازی در ذخیره سازی انرژی خود فرد در یك مرحله و استفاده مجدد از آن را در مرحله دیگر دارند، در تمام اندام های مصنوعی می تواند ایده‌ای مناسب برای به دست آوردن بیشترین بازده باشد.
البته می توان برای درك درست تری از پای مورد نظر، به مفاهیمی چون <پای هوشمند> یا <نیمه اتوماتیك> هم اشاره كرد كه می توانند جایگزینی برای تركیب <پای پیشرفته> باشند



پنجه های پروتز                                                                  Prosthetic  Feet  
پنجه پروتز قسمت انتهایی یک پروتز است که به آن متصل می گردد و انواع بسیار متنوعی دارد. پنجه یکی از مهمترین قطعات در ساختار پروتز است، منظور از پنجه پروتز قسمت انتهایی پای مصنوعی بدون ساق می باشد. انتخاب پنجه برای فرد استفاده کننده از پروتز نیز مرحله مهمی از ساخت پروتز است. پنجه ها دارای 5 خانواده کلی و دارای تنوع بسیار زیاد می باشند که با در نظر گرفتن شرکتهای سازنده آنها تنوع آنها بسیار زیاد تر می شود. دسته بندی پنجه ها به شرح زیر است:
1-     پنجه های ثابت: پنجه هایی که دارای قطعه متحرکی درون خود نیستند و تنها حرکت آنها مربوط به انعطاف مواد تشکیل دهنده آنهاست. ساختار این پنجه ها معمولا یکنواخت، جنس آنها مقاوم و سبک و ارزان قیمت می باشند. معروفترین پنجه از این خانواده پنجه ساچ SACH  می باشد.
2-     پنجه های متحرک: پنجه هایی هستند که درون ساختار خود یک قطعه متحرک دارند که اصطلاحا مفصل خوانده می شود. حرکت این پنجه ها به گونه ای است که هنگام برخورد پاشنه به زمین مفصل آنها در محور خود حرکت می نماید تا کف پنجه زودتر با زمین برخورد نماید. در هیچ یک از پنجه های مصنوعی که تا کنون ساخته شده هنوز حرکتی در انگشتان پا اختراع نشده است و حرکت پنجه مربوط به مفصل آن است که تقریبا به مچ پا شبیه است.در بعضی از مدلها مفصل پنجه تنها در یک جهت (عقب و جلو ) و در بعضی مدلها در دو جهت ( عقب- جلو و چپ – راست ) حرکت می نماید. همچنین جنس این مفصلها می تواند از استیل (سنگین تر ) و یا از تیتان (سبک تر ) باشد. از معروفترین این پنجه ها می توان پنجه سینگل ( Single axis foot) و پنجه گرزینگر(Greissinger) را نام برد.
 
3-     پنجه های داینامیک: پنجه های داینامیک پنجه هایی هستند که ساختار داخلی آنها به گونه ای طراحی شده است که در جذب و بازده انرژی شبیه به پای طبیعی عمل می کنند. در ساختار این پنجه ها مفصلی وجود ندارد اما طراحی داخلی و جنس مواد تشکیل دهنده آنها باعث انعطاف مناسب در راه رفتن می شوند.از معروفترین آنها می توان به پنجه داینامیک اتوبوک و داینامیک موشن اشاره نمود.

4-     پنجه های کربنی: پنجه های کربنی تقریبا پیشرفته ترین نوع پنجه ها هستند که به صورت گسترده استفاده می شوند. ماده تشکیل دهنده اصلی این پنجه ها تیغه ای کربنی است که در جذب و انتقال انرژی بسیار شبیه به پای نرمال عمل می نماید. این پنجه ها معمولا سبک و مقاوم اما بسیار گران هستند و البته تجویز آنها باید با دقت صورت پذیرد. پنجه های ورزشی نیز در این خانواده قرار می گیرند. ذکر این نکته ضروری است که پنجه های مخصوص دویدن یا پریدن پنجه هایی ورزشی هستند که به صورت عادی و در فعالیتهای روزمره قابل استفاده نیستند. از معروفترین پنجه های کربنی می توان به سی-واک (C-Walk) و وَری فلکس (VariFlex) ، چیتا (Cheetah) و فلکس فوت(Flex-Foot) اشاره نمود.

5-     پنجه های بیونیک( پنجه هوشمند): این مدل پنجه جدیدترین نوع پنجه ای است که ساخته شده است. ساختار این پنجه ها از طبیعت مدلسازی شده است و سنسورهای به کار رفته در آن بعلاوه پیستون هیدرولیک موجود در آن باعث می شود تا میزان زاویه پنجه با ساق پا و میزان نرمی آن هنگام تماس با سطوح مختلف به صورت خودکار تنظیم شود. گرچه کارایی این پنجه بسیار دقیق است اما وزن زیاد، قیمت گران و طول بلند آن موانع بزرگی برای استفاده گسترده از آن است.
نکات مهم در انتخاب پنجه پروتز:
باید به این نکته اشاره نمود که پنجه پیشرفته تر لزوما پنجه مناسب تری نیست. انتخاب پنجه به آیتم های خاصی مربوط می شود که بهتر است متخصص ساخت پروتز آن را انتخاب نماید. برخی از نکات قابل توجه در انتخاب پنجه را در ذیل مشاهده می فرمایید:
-          سن فرد قطع عضو شده                      - سطح قطع عضو ( از کجا قطع عضو صورت گرفته است)
-          فاصله انتهای استمپ تا زمین                 - میزان فعالیت فرد

منبع  :

Recycling Energy to Restore Impaired Ankle Function
during Human Walking
Steven H. Collins1*, Arthur D. Kuo2
1 Department of Biomechanical Engineering, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands, 2 Departments of Mechanical and Biomedical Engineering, University
of Michigan, Ann Arbor, Michigan, United States of America
Published February 17, 2010
Citation: Collins SH, Kuo AD (2010) Recycling Energy to Restore Impaired Ankle Function during Human Walking. PLoS ONE 5(2): e9307. doi:10.1371/journal


درباره وبلاگ

با سلام ( خوش آمدید )

این وبلاگ در جهت معرفی علوم نوین بین رشته ای از جمله مهندسی پزشکی ، مهندسی هسته ای و پرتو پزشکی ، مهندسی برق و الکترونیک و رباتیک و کاربردهای آن در جهت کمک به مهندسان ، پزشکان ، دانشجویان عزیز و سایر علاقمندان در سرتاسر کشور عزیزمان به ویژه همه دانشجویان دانشگاه شیراز در سال 1391 شروع به فعالیت کرد. همچنین این وبسایت در جهت ارتقا سطح علمی و دست یابی راحت دوستان به مقالات علمی مهندسی پزشکی و همچنین مکانی برای تبادل نظرات و پیشنهادات دانشجویان در سراسر کشور فعالیت میکند. بدیهی است که مطالب و نظرات ارزشمند شما عزیزان ما را در این امر یاری خواهد کرد.

تدریس خصوصی کلیه دروس مهندسی برق و مهندسی پزشکی و انجام پروژه های پژوهشی و دانشجویی


dr.elecx@gmail.com


باتشکر مدیریت وبلاگ (کارشناس ارشد مهندسی پزشکی-بیوالکتریک دانشگاه شیراز)
مدیر وبلاگ : محمد مهربهشتی

آخرین پست ها

جستجو

نظرسنجی

  • به کدام مطالب حوزه مهندسی و پزشکی بیشتر علاقمندید؟










نویسندگان

Search Engine Submission - AddMe