پایگاه آموزشی و اطلاع رسانی مهندسی پزشکی

 جام جهانی با دستاورد مهندسان پزشکی افتتاح شد

این مقاله بصورت اختصاصی توسط پایگاه آموزشی و اطلاع رسانی مهندسی پزشکی تهیه شده و در شماره 160 ماهنامه مهندسی پزشکی ایران به چاپ رسیده و منتشر گردیده است.

قطعاً شما هم در هفته‌های اخیر تحت تأثیر هیجان رویداد بزرگی به نام جام جهانی قرار گرفته‌اید. اما جام جهانی امسال برای مهندسان پزشکی رنگ و بوی دیگری داشت.
بیستمین دوره جام جهانی فوتبال از 12 ژوئن تا 13 ژوئیه 2014 میلادی ، در حالی در کشور برزیل برگزار شد که مراسم افتتاحیه آن ، نشانی از تکنولوژی و فناوری‌های نوین داشت. در مراسم افتتاحیه جام جهانی 2014 میلادی که در ورزشگاه آرنا کورینتیانس واقع در شهر سائو‌پائولوی برزیل برگزار شد ، فردی برزیلی که معلولیت حرکتی داشت ، به کمک رباتی پوشیدنی گام برداشته و شوت آغازین این رقابت‌ها را به‌طور نمادین به توپ وارد کرد.

پروژه ساخت این اسکلت پوشیدنی به سرپرستی دکتر "میگوئل نیکوللیس" (Miguel Nicolelis) با هدف انجام فعالیت‌های مکانیکی با استفاده از نیروی ذهن انجام شد. در این پروژه بزرگ ، بیش از 150 دانشمند و متخصص از 25 کشور جهان از جمله ایران همکاری کردند. خانم "المیرا امرالله" که دارای مدرک دکترای مهندسی رباتیک از دانشگاه فرانسه می‌باشند ، در این پروژه وظیفه انجام محاسبات دینامیک ، کنترل راه رفتن و حرکات اسکلت رباتیک را بر عهده داشته است.

شکل 1) پرچم ایران بر روی اسکلت رباتیک جام جهانی

دکتر میگوثل نیکوللیس فارغ التحصیل رشته پزشکی و دارای مدرک دکترای فیزیولوژی عمومی از دانشگاه سائوپائولوی برزیل است. وی در حال حاضر دانشمند علوم اعصاب دانشگاه دوک آمریکا است.
دکتر نیکوللیس درباره چگونگی ساخت این اسکلت پوشیدنی گفت: "ایده و طرح اولیه این اسکلت پوشیدنی در سال 2002 میلادی و درست در زمانی که ساخت قطعات رباتیک را آغاز کرده بودیم ، به ذهنم خطور کرده و طرح اولیه ربات امروزی به آن زمان برمی‌گردد."
تیم تحقیقاتی دکتر نیکوللیس در سال 2008 میلادی و در دانشگاه دوک (Duke) ، تحقیقاتی را با عنوان "مغز و ماشین" روی یک میمون آغاز کرده بودند. در این تحقیقات ، حسگرهای نازک و انعطاف پذیری که به‌عنوان Microwires شناخته می‌شوند ، در مغز یک میمون کاشته شدند. این شاخک‌های الکتریکی انعطاف پذیر می‌توانند سیگنال‌های الکتریکی یا پتانسیل عمل را که توسط صدها نورون منحصربفرد در سراسر پیشانی و بخش جداری قشر مغز تولید می‌شود ، تشخیص دهند. این ناحیه از سر که مدار گسترده مغزی نامیده می‌شود ، مسئول تولید حرکات اختیاری است. این تحقیقات با هدف انجام فعالیت‌های مکانیکی با استفاده از نیروی ذهن و کنترل دست رباتیک توسط مغز میمون انجام شده بود.
پس از آن ، پروژه راه رفتن دوباره (Walk Again) با هدف توسعه فناوری رابط بین مغز و ماشین آغاز شد تا افرادی که محدودیت حرکتی دارند را قادر سازد با استفاده از ذهن خود ، یک مکانیزم خارجی را کنترل کرده و جایگزین اندام تحتانی خود کنند.
نخستین مرحله پروژه ، طراحی و توسعه یک فناوری است که بتواند سیگنال‌های الکتریکی که توسط مغز تولید می‌شود را خوانده و بر اساس این سیگنال‌ها ، کنترل ربات را در دست بگیرد. پس از آن لازم است که چرخه کنترل با ارسال سیگنال‌های بازگشتی از ربات به مغز تکمیل شود.
برای این که عمل راه رفتن با این اسکلت پوشیدنی بیشتر به واقعیت نزدیک شود ، داشتن حس لامسه از اندام تحتانی مهم است. برای این منظور ، یک فناوری عکس‌العملی لمسی یا پوست مصنوعی به عنوان یک ابزار ضروری برای بازگرداندن حس لامسه و حس عمقی (توانایی تشخیص موقعیت فضایی بدن) به اندام تحتانی فرد معلول در نظر گرفته شده است.
پوست مصنوعی که توسط گروهی از محققان به رهبری گوردون چِنگ (Gordon Cheng) از دانشگاه فنی مونیخ آلمان طراحی شده است ، شامل حسگرهایی برای دما ، فشار و سرعت می‌باشد. در هنگام راه رفتن با اسکلت پوشیدنی ، این پوست مصنوعی که بر روی انگشتان پای فرد معلول قرار داده شده است ، با هر تماس پا با سطح زمین ، یک تحریک لمسی را دریافت کرده و آن را به ناحیه‌ای در قسمت فوقانی بدن نظیر ساعد دست ارسال می‌کند.
به‌وسیله این انتقال از پا به ساعد دست ، فرد معلول توسط مغز خود وادار به جایگزینی حس‌های لامسه و منتقل کردن حس گام برداشتن بر روی سطح زمین می‌شود ؛ مانند راه رفتن در حالتی که هیچ معلولیتی وجود ندارد.
تی‌شرتی که فرد معلول در طول مراسم افتتاحیه جام جهانی بر تن می‌کند ، او را قادر می‌سازد تا حس لامسه‌ای که پوست مصنوعی تولید می‌کند را بر روی سطح ساعدهای دست خود دریافت نماید. این تی‌شرت توسط دکتر هانس بلولر (Hannes Bleuler) از گروه EPFL در لوزان سوییس طراحی شده است.
پس از آزمایشات و تمرینات متعدد با بیماران داوطلب ، سرانجام در 29 آوریل 2014 میلادی یکی از بیماران موفق شد نخستین گام‌ها را با ربات پوشیدنی که تنها با استفاده از مغز فرمان می‌گیرد ، بردارد. در 20 مِی ، هر یک از بیماران توانستند با این اسکلت پوشیدنی به طور متوسط 120 گام بردارند.

ساختار دستگاه
این ربات پوشیدنی از سه بخش اصلی شامل اسکلت خارجی ، رایانه پردازش کننده و یک کلاه الکترونیکی تشکیل شده است. کلاه الکترونیکی امواج مغزی را به‌صورت غیرتهاجمی تشخیص می‌دهد و این سیگنال‌های مغزی را به یک رایانه می‌فرستد. عمل دریافت امواج مغزی توسط الکترودهای EEG که در سراسر این کلاه تعبیه شده‌اند ، انجام می‌شود.

شکل 2) اسکلت خارجی پوشیدنی توسط امواج مغزی که توسط الکترودهای EEG دریافت می‌شوند ، کنترل می‌شود.

برای این که فردی بتواند دو اندام را بطور همزمان با استفاده از امواج مغزی خود کنترل کند ، شاید صدها سلول عصبی هم کافی نباشد. دکتر نیکوللیس می‌گوید: "شما به دستیابی به هزاران نورون نیاز دارید." به همین دلیل ، تیم تحقیقاتی او نوع جدیدی از حسگرها را تولید کرده‌اند که مانند ساختار یک درخت ، حجم بیشتری از مغز را پوشش می‌دهد.
بالا بردن شمار نورون‌ها ممکن است به افزایش طول عمر ناچیز نوروپروتز‌ها کمک کند. وقتی که چندین سال از قرار داشتن حسگر در مغز می‌گذرد ، ممکن است به دلیل مرگ سلول‌ها یا حرکت خارج از محدوده ، برخی از سیگنال‌هایی که حسگر شناسایی می‌کرده است ، ناپدید شوند. دسترسی به هزاران نورون می‌تواند ناپدید شدن برخی از سیگنال‌ها در طول زمان را جبران کند.
اسکلت خارجی پوشیدنی ، حالت تعادلی فرد معلول را به‌وسیله ژیروسکوپ حفظ می‌کند و توسط یک باتری که در کوله پشتی او قرار دارد ، تغذیه می شود. این باتری می‌تواند به طور مداوم به مدت 2 ساعت کار کند. این اسکلت پوشیدنی از آلیاژهایی با وزن کم ساخته شده و از نیروی هیدرولیک قدرت می‌گیرد.

عملکرد دستگاه
سیگنال‌های الکتریکی مغزی که از کلاه مخصوص فرد معلول دریافت می‌شوند ، به رایانه درون کوله پشتی او منتقل می‌گردند. سپس رایانه این سیگنال‌ها را پردازش کرده و برای تولید حرکت به قسمت هیدرولیکی ربات ارسال می‌کند.
پاهای فرد معلول در این اسکلت پوشیدنی بر روی صفحاتی قرار می‌گیرند که دارای حسگرهایی برای دریافت حس تماس پا با سطح زمین می‌باشد. با هر گام ، یک سیگنال به دستگاه ارتعاش کننده‌ای که در ناحیه ساعد دست به لباس فرد دوخته شده است ، ارسال می‌شود. این دستگاه به ظاهر مغز را فریب می‌دهد تا تصور کند این حس را از پاهای فرد معلول دریافت کرده است! در شبیه سازی واقعیت مجازی ، بیماران حس می‌کنند که پاهای آن‌ها در حال حرکت بوده و می‌تواند اشیاء را لمس کند.

شکل 3) قسمت‌های مختلف اسکلت پوشیدنی

یکی از بیماران داوطلب در این پروژه که آسیب نخاعی دیده است ، بدین معنا که نمی‌تواند پاهایش را حس کند یا حرکت دهد ، پس از انجام آزمایشات متعدد با این اسکلت پوشیدنی به دکتر نیکوللیس گفت: "حس من شبیه این است که در حالی که می‌توانم ماسه‌ها را لمس کنم ، بر روی ساحل راه می‌روم."
این اسکلت پوشیدنی آزمون‌های ایمنی متعددی را پشت سر گذاشته است. این اسکلت رباتیک مجهز به چندین ژیروسکوپ بوده تا از سقوط فرد جلوگیری کرده و تعادل او را در هنگام راه رفتن با دو پا حفظ نماید. به‌عنوان یک اقدام ایمنی تکمیلی ، این اسکلت پوشیدنی به چندین کیسه هوا نیز مجهز شده است.

شکل 4) انجام آزمایشات متعدد بر روی اسکلت پوشیدنی

دکتر نیکوللیس معتقد است فناوری به نقطه‌ای رسیده است که می تواند دستگاه‌های روزمره را برای کمک به معلولان متحول کند و در نهایت بتواند جایگزین صندلی‌های چرخ‌دار شود.

مؤلف: آرمین مقصودلو ،‌ مهندسی پزشکی بیومکانیک و نیلوفر حسن ،‌ مهندسی پزشکی بالینی

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 ، جام جهانی ، Miguel Nicolelis ، اسکلت پوشیدنی ، معلولان