پایگاه آموزشی و اطلاع رسانی مهندسی پزشکی

آشنایی با پروژه تحقیقاتی FES

این مقاله توسط سرکار خانم نیلوفر حسن (کارشناس مهندسی پزشکی بالینی) نوشته شده و بصورت اختصاصی در وبسایت قرار داده شده است.

ضايعه نخاعی همواره به عنوان يک ضايعه بدون درمان مطرح بوده است كه توانبخشی جايگاه مهم و تأثيرگذاری در بازگشت حداكثری فعاليت های افراد مبتلا به اين ضايعه دارد. علی رغم روشهای متعدد پيشنهادی مثل سلول درمانی و یا ساخت سیستم عصبی ، امروزه تلاش بر اين است تا با توجه به وجود فلج عضلانی متعاقب اين ضايعه ، سمت و سوی برنامه های توانبخشی با استفاده از روشهای مختلف و تجهيزات كمكی به سمت اجرا و بازگرداندن فعاليت های فانكشنال باشد. با توجه به اينكه بيشترين نوع ضايعات نخاعی از نوع ضايعات پاراپلژی و فلج دو اندام تحتانی می باشد ، اين افراد با توجه به سن خود اگرچه دچار اختلال در انجام فعاليت های مرتبط با اندام تحتانی می شوند اما قادر خواهند بود فعاليت های مرتبط با اندام فوقانی را انجام دهند.
در این گزارش تحقیقاتی به سراغ آقای دکتر امیرمسعود عرب رفتیم که ایشان به همراه تیمی متشکل از پزشکان و مهندسین برق و الکترونیک ، به طراحی و ساخت دستگاهی با عنوان دوچرخه ای برای معلولان اندام تحتانی همت گماردند. ایده و طرح اولیه ی این دستگاه توسط آقای دکتر محمدتقی جغتایی از دانشگاه شفیلد انگلستان و گروه فیزیوتراپی دانشگاه علوم بهزیستی و توانبخشی به همراه دکتر عرب که عضو هیئت علمی دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی و دانشیار دانشگاه علوم پزشکی و توانبخشی شهید بهشتی هستند ، صورت گرفته است. این طرح هم اکنون در مرحله تجاری سازی و تولید نیمه صنعتی قرار دارد.

FES چیست؟
با توجه به اختلالات فیزیکی و حرکتی واضح در بیماران مبتلا به ضايعات نخاعی ، بیشتر مطالعات انجام شده در این حیطه بیشتر بر روی تحريكات الكتريكی عملكردی ((Functional Electrical Stimulation (FES) و تأثیر استفاده از آن بر روی عملکرد و کارایی عضلات معطوف بوده است. ساده ترین نوع استفاده از FES که بطور رایج در بسیاری از مراکز توانبخشی صورت می گیرد ، صرفاً تحريک عضلات آسيب ديده با يک سری الکترود که يا داخل بدن کاشته می شوند و يا بصورت خارجی استفاده می گردند ، می باشد. با اين وجود در اين روش تحريكات الكتريكی صرفاً در يک وضعيت ثابت و استاتيک بر روی عضله اعمال می شود كه نشان داده شده است كارايی اينگونه استفاده از FES چندان بالا نمی باشد و صرفاً می تواند باعث جلوگيری از آتروفی (تحلیل رفتن عضلات اندام های تحتانی و مرکزی بدن) شود. از طرفی اين روش فانكشنال و كاربردی نمی باشد. آنچه امروزه در طرح برنامه های توانبخشی و تمرينات درمانی اهميت دارد و بيشتر مورد تأكيد قرار می گيرد ، استفاده از برنامه های درمانی فانكشنال برای بيماران مختلف اعم از افراد مبتلا به اختلالات اسكلتی-عضلانی و يا اختلالات نوروماسكولار می باشد و تمام سعی و تلاش محققين و گروه های تحقيقاتی مختلف ، كارآمد كردن برنامه های توانبخشی است تا علاوه بر افزايش توانايی های ناحيه آسيب ديده ، كليه سيستم های بدن را نيز تا حد امكان در برگيرد.

استفاده از EFS به شیوه ی جدید در طراحی
با توجه به كاربرد تحريكات الكتريكی جهت فعال كردن عضلات فلج شده و در نظر گرفتن فانكشنال بودن ، یکی از روش هايی كه اخيراً در برنامه های توانبخشی و ساخت تجهيزات موردنياز اهميت يافته است Functional Electrical Stimulation Assisted Rowing Machine است. در این حالت ، با طراحی سيستم Computer-Assisted FES حركت پارو زدن (Rowing) برای فرد شبيه سازی و ايجاد می شود. مزيت فعاليت Rowing نسبت به موارد ديگر اين است كه در اين حركت علاوه بر اندام تحتانی ، اندام فوقاني افراد نيز كاملا درگير می شود كه اين قضيه هم باعث فعاليت بهتر اندام های تحتانی و هم می تواند باعث بهبود بيش از پيش سيستم قلبی ريوی افراد شود.

هدف:
هدف از این طرح ابتدا طراحی و ساخت دستگاه Functional Electrical Stimulation-Assisted Rowing Machine در افراد مبتلا به ضايعات نخاعی بود. با در نظر گرفتن احتمال تفاوت مشخصات بافتی افراد آسيب ديده از ضايعه نخاعی با افراد سالم ، ابتدا برای انتخاب تحريک الكتريكی مناسب بايد ميزان سفتی و ويسكوزيتی بافتی افراد سنجيده می شد. برای این منظور 15 فرد مبتلا به ضایعه نخاعی پارشیال و 15 فرد سالم مورد آزمایش قرار گرفتند. جهت برآورد پارامترهای وسيكو-الاستيک در اين نرم افزار از تست Passive Pendulum Test استفاده شد. از الكتروگونيامتر (Biometrics) نيز برای اندازه گيری دامنه حركتی مفصل و ميزان نوسان حركت در طول مراحل اندازه گيری استفاده شد.

اصول طراحی و ساخت دوچرخه ی بیماران فلج اندام تحتانی
در اين تحقيق از يک نرم افزار طراحی و تهیه شده (نرم افزار NASTRAN) استفاده شد. جهت تعيين پارامترهای تحریک الکتریکی ، ابتدا مدل مناسب بر مبنای استراتژی های کنترلی مدلسازی شد و از دو روش کنترلی متفاوتی تحت عنوان Proportional Integral Derivative (PID) Control و Fuzzy Controller استفاده شد. جهت بررسی ارتباط میزان تحریک الکتریکی با میزان گشتاور حاصله و ایجاد شده بر روی مفصل ، از مدل عضلانی ارائه شده در این زمینه استفاده شد. ابتدا سیستم موردنظر توسط یک گروه از مهندسین مکانیک و الکترونیک و کامپیوتر ، طراحی و ساخته شد و بر روی چند بیمار تست شد.

طراحی اين سيستم بدينگونه است كه اين دستگاه دارای يک چرخ لنگر می باشد كه مجهز به ترمزهای مغناطيسی با 9 سطح مقاومت قابل تنظيم است. يک صندلی دارای پشتی بر روی آن تعبيه شده است تا فرد مبتلا به ضايعه نخاعی به راحتی بتواند بر روی آن بنشيند. چهار كمربند در نظر گرفته شده است تا از افتادن فرد جلوگيری كند و مكانيسمی طراحی شده است تا پاهای فرد بصورت با ثبات به دستگاه متصل شده و زين به راحتی بتواند جدا شود. دو كمربند یا استرپ برای نگه داشتن اندام های تحتانی در صفحه ساجيتال منظور شده است که از افتادن پاهای فرد به طرفین جلوگيری می كند و پاها را در حالت وضعیت عمود نگه می دارد و دو کمربند یا استرپ نیز از روی شانه ها رد شده و تنه فرد را فیکس و ثابت می کند. در اين روش ، زانوها با استفاده از مكانيسمی در حين حركت می تواند در يک صفحه حركت نموده و همزمان با حركات كل سيستم هماهنگ می شود. يک استرپ مخصوص دور چرخ لنگر قرار می گيرد و به دستگيره ای كه توسط فرد گرفته می شود ، وصل می گردد. بر روی دستگيره يک سوئيچ الكترونيكی قرار داده شده است ؛ بطوريكه فرد بصورت دستی می تواند زمان اعمال تحريک الكتريكی را كنترل و تنظيم كند. همچنين جهت افراد مبتدی سيستمی طراحی شده تا سيگنالهای الكتريكی با توجه به موقعيت چرخشی مفصل زانو به صورت اتوماتيک به الكترودهای جسبيده شده روی عضلات فرستاده شده و تحريک الكتريكی لازم بر روی عضلات اعمال شود. يک استيمولاتور 2 كاناله كه قادر به ايجاد پالسهای Median Frequency می باشد ، با الكترودهای سطحی بر روی عضله كوادريسپس قرار می گيرد تا در زمان موردنياز با اعمال تحريک الكتريكی لازم ، حركت اكستانسيون لازم را برای زانوی فرد ايجاد كند. در حقيقت با استفاده از اين روش ، فرد با كمک اندام فوقانی و كشيدن دستگيره و حركت همزمان اندامهای تحتانی كه با اعمال تحريكات الكتريكی صورت می گيرد ، عمل پارو زدن (Rowing) را انجام می دهد. در سكانس حركتی ، وضعيت شروع تمرين ، وضعيت خم بودن اندام تحتانی (Flexed Position) است كه با فشردن سوئيچ روی دستگيره حفظ می شود. سپس فرد با كمک اندام فوقانی ، دستگيره را كشيده و همزمان اندام های تحتانی به اكستانسيون برود.
سوئيچ روی دستگيره تا انتهای فاز اكستانسيون حفظ می شود تا پا با كمک تحريكات الكتريكی در اكستانسيون باقی بماند. زمانی كه دستگيره تا انتها توسط اندام فوقانی كشيده شد ، در انتهای حركت سوئيچ دستگيره رها می شود و همزمان فرد اندام فوقانی را به جلو حركت داده ؛ به عبارت ديگر اندام فوقانی را به جلو هل می دهد. با اين كار ، فرد توسط نيروی مكانيكی اعمال شده توسط دستگاه به وضعيت اوليه تست برگردانده می شود. زمانی که پای فرد در وضعیت فلکسیون قرار دارد یا به عبارت دیگر ، زمانی که صندلی متحرک دستگاه به انتهای جلویی ریل دستگاه می رسد ، توسط یک سنسور سیستم تحریک الکتریکی تحریک می شود تا سیگنال مورد نظر برای ایجاد اکستانسیون به عضلات چهارسر ران وارد شود و بر عکس زمانی که پای فرد در وضعیت اکستانسیون قرار می گیرد یا به عبارت دیگر ، زمانی که صندلی متحرک دستگاه به انتهای عقبی ریل دستگاه می رسد ، توسط همان سنسور تحریک سیستم جریان الکتریکی قطع می شود تا پس از آن فرد بتواند بدون انقباض بر روی عضلات چهار سر پا را به فلکسیون ببرد.

 
مقایسه با نمونه ی خارجی
این دستگاه بر خلاف موارد قبلی قابلیت آن را دارد که برای جلوگیری از خستگی بیمار در فواصل زمانی بین فلکسیون و اکستانسیون یا به عبارت دیگر ، در دو انتهای حرکت ریل به فرد استراحت دهد که زمان این استراحت نیز قابل تنظیم است.
در موارد مشابه قبلی که در خارج از کشور ساخته شده ، انجام حرکت فلکسیون و اکستانسیون زانو یا به عبارت دیگر ، حرکت رفت و برگشت صندلی به دو انتهای ریل به طور مداوم ، متناوب و پی در پی و بدون هیچگونه مکث و استراحتی تنظیم شده بود که این مسئله می توانست باعث خستگی فرد شود اما در ساخت این سیستم ، این مسئله نیز لحاظ شده است.

مشخصات و نحوه ی کار سیستم الکتریکی روش FES
سیستم الکترونیکی ایجاد تحریک الکتریکی نیز خود شامل دو قسمت است: یک قسمت اصلی و یک قسمت فرستنده و گیرنده تحریکات. قسمت اصلی که صفحه تنظیمات نیز بر روی آن لحاظ شده است ، در اختیار فرد و در کنار وی قرار می گیرد تا بر اساس شرایط فرد مشخصات پالس اعمال شده بر روی عضلات فرد تنظیم شود و قسمت فرستنده و گیرنده تحریکات نیر در قسمت زیرین صندلی فیکس شده است تا به محض برخورد قسمت زیرین صندلی بر روی ریل به سنسور جلویی یا عقبی ، بتواند تحریک الکتریکی را اعمال یا قطع کند. قسمت اصلی سیستم ایجاد تحریک الکتریکی به گونه ای طراحی شده است که پارامترهای مختلفی را شامل می شود و ویژگی های پالس ارسالی بر روی عضلات بر مبنای مشخصات افراد مختلف با توجه به تنظیم پارامترها می تواند متفاوت باشد تا برای هر فرد بتوان تحریک مناسب را اعمال کرد. این پارامترها به شرح زیر است:
- تنظیم سرعت اولیه دستگاه (V ref) (100%-0)
- سرعت حرکت دستگاه (Vel)
- میزان تأخیر شروع دوباره حرکت دستگاه (Dly)
- فرکانس دستگاه (Frq) (Hz 50-13)
- پهنای پالس اولیه دستگاه (W-F) (µs 1242-0)
- پهنای پالس تنظیم توسط فیدبک دستگاه (W-S) (µs 1242-0)
- پهنای پالس نهایی اعمالی به الکترودها (W-F) (µs1242-0)
- شمارش میزان دفعات حرکات دستگاه

هر یک از پارامترهای نامبرده بر اساس شرایط بیمار قابل تنظیم است تا تحریک مناسب بر روی عضلات اعمال شود. این تحریکات برای هر دو پا بطور جداگانه و مستقل قابل تنظیم است. بدین صورت که شدت هر جریان برای هر پا توسط یک سوئیچ جداگانه تنظیم می شود.

* با تشکر از خانم نیلوفر حسن (کارشناس مهندسی پزشکی بالینی) که این مقاله را در اختیار سایت قرار دادند.

* مطالب مرتبط:

ابداع دوچرخه ای توسط محققان ایرانی برای معلولان اندام تحتانی

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 ، توانبخشی ، ضایعه نخاعی ، دکتر عرب