پایگاه آموزشی و اطلاع رسانی مهندسی پزشکی

گام های مكانيكی و الكتريكی با پای مصنوعی

پاهاي مصنوعي از ديرباز مورد استفاده بشر قرار مي گرفتند. در طول زمان با پيشرفت علوم پزشكي و مهندسي، اين ابزار كمكي كامل تر شد كه اين تكامل تا به حال ادامه دارد و هر روز شاهد طرحي جديد و شبيه تر به پاي واقعي هستيم، اما چند سالي است كه با پيشرفت هايي كه در زمينه علوم مهندسي صورت گرفته است، شاهد ساخت نسل جديدي از اين ابزارهستيم كه گاه كارايي آن ها، فرا تر از يك پاي مصنوعي است.
به عنوان نمونه مي توان از پاي مصنوعي چيتا (‌كه براي اسكار پيستوريوس سريع‌ترين دونده جهان - با  دو پاي قطع شده - طراحي شده است) ‌نام برد كه اين امكان را به كاربرش مي دهد تا بتواند با آن حتي مانند يك دونده حرفه اي بدود، تا جايي كه كاربر آن (‌اسكار پيستوريوس) ‌قصد شركت در المپيك پكن را داشت كه البته طبق قوانين كميته المپيك، چون افراد مجاز به استفاده از ابزار كمكي نيستند، از اين كار منع شد.البته ساخت پاهاي پيشرفته به اين نقطه هم محدود نشد. آخرين طرحي كه از اين وسيله ابداع شد(پاي كلينز)، پايي است پيشرفته با قسمت هاي مكانيكي، الكترونيكي و ميكروكنترلي كه نه تنها وسيله اي بسيار كار امد و هوشمند است بلكه به ميزان قابل توجهي سبب كاهش اتلاف انرژي توسط كار بر به نسبت ساير پاهاي مصنوعي (موارد مشابه) مي شود.

انسان ها به طور معمول انرژي قابل توجهي را صرف راه رفتن مي كنند و اين ميزان در افرادي كه از پاي مصنوعي استفاده  مي كنند 23% بيشتر از افراد سالم است. اين امر هم موجب خستگي و هم سبب بروز نا هما هنگي بيشتر در طول راه رفتن براي فرد معلول مي شود.
زماني كه فرد پاشنه پايش با زمين برخورد مي‌كند، تبادل انرژي آغاز شده و سپس پنجه با زميـن بـرخـورد مي كند، در اين لحظه پاشنه از زمين جدا شده و بدن به جلو رانده مي شود كه در اين زمان تبادل انرژي به اوج خود مي رسد.  به طـور معمـول  در ايـن مـرحلـه فـردي كـه از پاي مصنـوعي استفاده مي‌كند، حدودا در طول راه رفتن 23% اتلاف انرژي دارد كه حذف اين اتلاف انــرژي، بــراي راه رفـتــن نــزديــك تــر بــه نـرمـال ضروري است. 
براي حل اين مشكل استيون كلينز از دانشگاه ميشيگان پاي مصنوعي هوشمندي ساخته  است كه به صورت ميكروپرسسوري كنترل مي شود كه از اجزاي مكانيكي و الكترونيكي ساخته شده است.اين پا مي تواند بسياري از انرژي را  كه در سـايـر پـاهـاي مصنـوعـي در حيـن گـام بـرداشتن اتـلاف مـي شـود، در مرحله اي از راه رفتن در سيستم مكانيكي خود ذخيره كند و در مرحله اي ديگراز گام برداشتن به سيستم باز گرداند و از اين طريق اتلاف انرژي فرد را كاهش دهد.
طــبــــق گــــزارش هــــاي حــــاصــــل از انــجــــام آزمــايــش‌هـاي متعـدد كـه سـازنـدگـان آن انجـام داده‌اند، اين پا مي تواند اتلاف انرژيي را كه در پاهاي مصنوعي معمولي در حدود 23% است به 14% كاهش دهد. شايد درك 23% اتلاف انرژي بـراي شـما بي معني باشد. براي درك بهتر اين مـقـدار، بـهـتـر اسـت بـدانـيـد 23% مـصـرف انرژي بيشتر مثل حمل يك وزنه 15 كيلو گرمي  يا 20% سريع تر راه رفتن است.
در رابطه با مشخصات ظاهري اين پا مي توان گـفت : ‌از نظر ابعاد و شكل ظاهري آن بعد از پوشش، شبيه نمونه هاي پاي مصنوعي متداول اسـت. بـا اين تفاوت مهم كه قسمت جلويي و عـقبي در اين پا از هم جدا هستند و مي توانند حركاتي مستقل داشته باشند.

در رابطه با عملكرد سيستم مكانيكی اين پا 
زماني كه پاشنه پا در ابتداي حركت با زمين بــرخــورد مــي كـنــد، تـنـهــا قـسـمــت عـقـبــي پـاي مصنـوعـي حركت مي كند واين حركت سبب فـشــرده شــدن يــك فـنــر در سـيـسـتــم مـكـانيكـي مي‌شود، فشار در پاشنه زماني كه به ماكزيمم مقدار مي رسد، هم زمان با فشرده شدن فنر، قسمت عقبي پاي مصنوعي به وسيله كلاچي كه در سيستم مكانيكي تعبيه شده است، قفل مي شود.  با اين كار انرژي در سيستم ذخيره مي شود تا در مرحله بعد گام برداشتن از آن استفاده شود.
حال قسمت جلويي پا با زمين تماس پيدا مي كند، در اين مرحله زماني كه مقدار خاصي از بار را قسمت جلويي پا حس كرد ، فنر كه در مرحله قبل فشرده شده، به صورت خــود كــار آزاد شـده و انـرژي ذخيـره شـده از مـرحلـه قبـل را در ايـن مـرحلـه استفـاده مي‌كند،سپس يك فنر كوچك كه در قسمت جلوي پا قرار دارد، قسمت كلاچ را با آزاد كردن قفل آن، به حالت اوليه بر مي گرداند كه آماده براي قدم بعدي شود. 
براي بهبود عملكرد پاي مصنوعي، اجزاي مكانيكي طوري طراحي شده اند كه از نظر زماني، وقفه اي در عملكرد سيستم ايجاد نكنند.
تمامي قسمت هاي مكانيكي، انرژي مورد نياز خود براي هر مرحله را از حركات فرد به دست مي آورند. تنها انرژي ميكروكنترلر و دو موتور، كه يكي انرژي ذخيره شده در فنر را آزاد مي كند و ديگري مكانيسم فنري را كه قفل مي شود، Reset مي كند، از منبع خارجي تامين مي شوند. تغذيه اين وسيله به وسيله يك باطري 8/0 واتي انجام مي شود.
در كل مي توان تفاوت اين وسيله با نمونه هاي مرسوم را در اين موارد ديد:
1.استفاده از قسمت هاي الكترونيكي به منظور كنترل هوشمند به همراه قسمت هاي مكانيكي شامل فنر ها و كلاچ
2.جدا بودن قسمت جلوي پا از قسمت عقبي آن
3. استفاده از موتور هاي الكتريكي
4.صرف انژي كمتر توسط فرد و در نتيجه خستگي كمتر و راه رفتني شبيه تر به راه رفتن معمولي

نتايج به دست آمده از آزمايش اين پای مصنوعی بر روی افراد
اين آزمايش بر روي فردي سالم در محدوده سني 19-28 سال صورت گرفت. براي اين كار پاي مصنوعي را به پاي سالم آن متصل كردند، سپس مچ طبيعي آن را ثابت كردند تا دقيقا مانند فرد معلول شود. براي برقراري تعادل فرد، يك كفش با ارتفاع بيشتر در پاي ديگر آن قرار دادند تا ارتفاع دو پاي فرد برابر شود. تمامي آزمايش ها بر روي يك ترد ميل انجام مي شود و براي يكسان بودن شرايط، همگي در يك سرعت انجام شده اند(در حدود 25/1متر بر ثانيه.)
درمرحله اول  اين آزمايش از يك شبيه ساز كه شبيه يك پاي مصنوعي معمولي است، استفاده مي شود. اين شبيه ساز وزني در حدود 37/1 كيلو گرم دارد و مانند يك كفش سخت عمل كرده و مچ سالم را مانند پاي مصنوعي ثابت نگه مي دارد.حال شرايط براي بررسي راه رفتن با پاي مصنوعي متداول فراهم است.
در مرحله دوم، اين آزمايش ها را براي پاي كلينز انجام داده و در نهايت آزمايش را براي يك پاي سالم انجام دادند. همچنين براي تخمين كار انجام شده، داده هاي مربوط به جابجايي و نيرو همگي وهمچنين ميزان مصرف اكسيژن فرد نيز در مراحل مختلف آزمايش ثبت شد.

نتايج آزمايش به صورت كيفی 
استفاده از پاهاي مصنوعي رايج، بازده فرد را در راه رفتن كاهش مي دهد. براي استفاده كنندگان از پاهاي مصنوعي معمولي اين عدد در حدود 23% و براي استفاده‌كنندگان پاي كلينز 14% تخمين زده شد.همين طورسوخت و ســاز و صــرف انـرژي در افـرادي كـه از پـاهـاي مصنوعي رايج استفاده مي كنند، بيشتر از استفاده كنندگان از پاي كلينز است.
در حين انجام آزمايش ها متعدد مشاهده شد كه همچنان مشكل اتصال اندام مصنوعي به بدن فـرد  وجود دارد و هرچند كه از اندام پيشرفته استفاده مي شود ولي باز در ناحيه اتصال، فرد دست كم تا مدتي كه به ابزار عادت كنند احساس ناراحتي مي كند.
به طور كلي مي توان به اين نتيجه رسيد كه استفاده از ابزاري كه توانايي بهينه سازي در ذخيره سازي انرژي خود فرد در يك مرحله و استفاده مجدد از آن را در مرحله ديگر دارند، در تمام اندام هاي مصنوعي مي تواند ايده‌اي مناسب براي به دست آوردن بيشترين بازده باشد.
البته مي توان براي درك درست تري از پاي مورد نظر، به مفاهيمي چون "پاي هوشمند" يا "نيمه اتوماتيك" هم اشاره كرد كه مي توانند جايگزيني براي تركيب "پاي پيشرفته" باشند.

مؤلف: مهندس کیارش بداغی

کلمات کلیدی: biomedical engineering ، مهندسی پزشکی ، آشنایی با مهندسی پزشکی ، معرفی مهندسی پزشکی ، مهندسی پزشکی گرایش بالینی ، مهندسی پزشکی گرایش بیومکانیک ، مهندسی پزشکی گرایش بیوالکتریک ، مهندسی پزشکی گرایش بیومتریال (بیومواد) ، مهندسی پزشکی ایران ، مهندسی پزشکی دانشگاه پیام نور ، پایگاه آموزشی و اطلاع رسانی مهندسی پزشکی ، اخبار و تازه های مهندسی پزشکی ، مقالات مهندسی پزشکی ، آموزش مهندسی پزشکی ، دانلود کتاب های مهندسی پزشکی ، دانلود جزوه های مهندسی پزشکی ، دانلود نمونه سوالات امتحانی مهندسی پزشکی ، تجهیزات پزشکی ، آشنایی با تجهیزات پزشکی ، گام های مكانيكی و الكتريكی با پای مصنوعی