دنیای جذاب بیومکانیک؛ بررسی بیومکانیک سیستم اسکلتی عضلانی

به دنیای جذاب بیومکانیک خوش آمدید در این شماره از ماهنامه، موارد بنیادی و اساسی در حوزه پرکاربرد بیومکانیک بررسی خواهند شد که البته قابل تعمیم به دیگر حوزه‌های مهندسی پزشکی و مرتبط با سلامت نیز هستند.

حوزه‌های کلی فعالیت یک متخصص بیومکانیک
از نظر نگارنده سه حوزه کلی برای فعالیت در تخصص بیومکانیک وجود دارد.
پیشگیری، بهداشت و سلامت: یکی از مهمترین حوزه‌هاست که البته اغلب به آن کم توجهی می‌شود و آنچنان که باید در خصوص آن فرهنگ‌سازی نشده‌ است. به عنوان نمونه، طراحی محیط کار باید به گونه‌ای باشد که از منظر بیومکانیکی ریسک آسیب به سیستم اسکلتی عضلانی بدن انسان به حداقل خود برسد که این موضوع در زمینه مشترک ارگونومی و بیومکانیک شغلی به طور مفصل بررسی می‌شود. به عنوان مثال طراحی ارگونومی صندلی محیط کار (یا حتی منزل) باید به شکلی باشد که ریسک آسیب به دیسک‌های ستون فقرات، مفاصل اندام تحتانی، عضلات گردنی و کمری و حتی عضلات چشم در طولانی مدت به حداقل خود برسد. یک مثال دیگر بحث مشاغل باربرداری است که نیازمند طراحی مناسب محیط کار و ابزار باربرداری است تا ریسک آسیب به عضلات و دیسک کمر را در بلند مدت به حداقل برساند (با توجه به جرم و شکل و فاصله بار از بدن و تعداد بار در روز و…). در کل امیدواریم که «فرهنگ پیشگیری بهتر از درمان» به طور روز افزون در جامعه مهندسی پزشکی و بیومکانیک نیز مورد توجه قرار گیرد، که این موضوع سرعت سلامت و پیشرفت جامعه را چندین برابر خواهد کرد (همانگونه که در کشورهای توسعه یافته مشاهده می‌کنیم). شکل 1 را مشاهده کنید.

شکل 1. نمونه کاربردهای بیومکانیک در پیشگیری، بهداشت و سلامت افراد

تشخیص ناهنجاری‌ها و بیماری‌ها: ناهنجاری‌های مختلفی ممکن است در بدن به ویژه سیستم اسکلتی عضلانی رخ دهد که از منظر بیومکانیکی قابل تشخیص باشد. ناهنجاری‌هایی از قبیل دفرمیتی‌ها یا بدشکلی‌های مفاصل (مثل پای ضربدری و پای پرانتزی در زانو، صافی کف پا، اسکولیوز یا انحراف جانبی ستون فقرات و…)، ضعف عضلات و تأثیر آن‌ها در مفصل (مثل افتادگی پا به دلیل ضعف عضله تیبیالیس قدامی)، ضعف یا اختلال اعصاب حرکتی مربوط به عضلات (مانند ضعف اعصاب پرونئال مربوط به عضله تیبیالیس قدامی در همان افتادگی پا)، شکستگی‌های مختلف استخوان‌ها، دررفتگی‌های مفاصل، کشیدگی یا پارگی تاندون‌ها و لیگامان‌ها، التهاب یا سائیدگی غضروف مفصلی و بسیاری از ناهنجاری‌های مشابه دیگر. بسیاری از اینگونه ناهنجاری‌ها تأثیر خود را در آنالیز بیومکانیک حرکت بدن نشان می‌دهند. به طور مثال دفرمیتی‌های مفاصل یا ضعف عضلات، تأثیر خود را در آنالیز سینماتیکی و سینتیکی مفاصل اندام تحتانی بدن حین راه رفتن (Gait) نشان می‌دهند که از نظر کمّی قابل محاسبه و ارزیابی است، لذا اینگونه تحلیل بیومکانیک حرکت می‌تواند در تشخیص نوع ناهنجاری و بیماری کمک‌کننده باشد. شکل 2 را مشاهده کنید.

شکل 2. نمونه کاربردهای بیومکانیک در تشخیص ناهنجاری‌های اسکلتی عضلانی مفصلی

طراحی و تحلیل ابزارهای کمکی درمانی و توانبخشی: حوزه‌ای بسیار مهم و حیاتی است به این معنی که پس از تشخیص ناهنجاری‌های مذکور، علم بیومکانیک یا به بهبود روند درمان و توانبخشی کمک کند، یا در طراحی ابزارهای درمانی و توانبخشی ایفای نقش کند. به عنوان نمونه ابزارهای مختلفی در حوزه توانبخشی و ارتوپدی وجود دارند (از قبیل ارتز، پروتز، بریس، آتل یا اسپلینت، ایمپلنت، فیکساتور، اگزواسکلتون و…) که روند طراحی و بکارگیری آن‌ها در طول دوره درمان و توانبخشی از منظر بیومکانیکی قابل تحلیل و بررسی است. در کل می‌توان بررسی کرد که این ابزارها در حین بهبود ناهنجاری چه تأثیری بر سیستم اسکلتی عضلانی بدن می‌گذارند، به کدام عضلات کمک می‌کنند، کدام عضلات را تقویت می‌کنند، کدام درجات آزادی مفاصل را محدود می‌کنند، به کدام حرکات مفاصل کمک می‌کنند، فشار را از روی کدام مفاصل کاهش می‌دهند، به کدام نقاط اعضای بدن فشار بیشتری اعمال می‌کنند، چه نیروها و گشتاورهای کمکی به عضلات و مفاصل اعمال می‌کنند و دیگر پارامترهای مشابه که در علم بیومکانیک قابل بررسی است. حتی به طور آزمایشگاهی نیز می‌توان پارامترهای مذکور را برای بررسی کیفیت درمان و توانبخشی در تحلیل بیومکانیک حرکت بیمار محاسبه کرد. شکل 3 را ببینید.

شکل 3. نمونه کاربردهای بیومکانیک در طراحی و تحلیل ابزارهای درمانی و توانبخشی

حال به طور خاص بیومکانیک سیستم اسکلتی ‌عضلانی یک دنیای بسیار بسیار گسترده است که با زمینه‌های مختلفی از قبیل ورزش، ارتوپدی، توانبخشی، فیزیوتراپی و… در ارتباط است. اصلی‌ترین هدف بررسی بیومکانیکی یک سیستم اسکلتی ‌عضلانی، تخمین نیروها و فعالیت‌های عضلانی و به تبع آن، تخمین نیروها و تنش‌های مفصلی است.
از نمونه کاربردهای بیومکانیک اسکلتی‌عضلانی می‌توان به این موارد اشاره کرد (شکل 4):

شکل ۴. برخی از مهمترین کاربردهای تحلیل بیومکانیکی سیستم اسکلتی‌عضلانی بدن

استخراج یک الگوی حرکت حرفه‌ای برای فعالیت عضلات و سینماتیک مفاصل در بیومکانیک ورزش

تخمین ریسک آسیب‌های عضلانی و مفصلی فعالیت‌های مختلف در ارگونومی و بیومکانیک شغلی

بررسی تأثیر ابزارهای کمکی ارتوپدی و توانبخشی در بهبود سینماتیک و سینتیک سیستم اسکلتی‌عضلانی
و…
آگاهی و تسلط کافی بر یکسری مباحث و زمینه‌های تخصصی، لازمه تحلیل بیومکانیک اسکلتی‌عضلانی است؛ مهم‌ترین این زمینه‌ها شامل موارد ذیل هستند.
1- آنتروپومتری: علم اندازه‌گیری و محاسبات پارامترهای فیزیکی طول، جرم، مرکز جرم، چگالی، حجم، ممان اینرسی، شعاع ژیراسیون، سطح مقطع و پارامترهای مشابه برای اعضای مختلف بدن (شکل 5).

شکل 5. برخی پارامترهای اندام سنجی در علم آنتروپومتری

2- کینزیولوژی: علمی مربوط به حرکت شناسی که لازمه آن بررسی آناتومی عملکردی سیستم اسکلتی عضلانی است و بخش عمده آن مربوط به موارد زیر است:

• محل اتصال مبدأ یا ثابت (Origin) و مقصد یا متحرک (Insertion) هر عضله در کدام قسمت است.

• عملکرد عضله روی مفصل چگونه است و چه حرکاتی به آن اعمال می‌کند.

• درجات آزادی و محدودیت حرکات هر مفصل چگونه است و … (شکل 6)

شکل 6. برخی از مهمترین پارامترهای مورد بررسی در کینزیولوژی

3- فیزیک حرکت: روابط مختلف موجود در بحث فیزیک حرکات مختلف مثل حرکت شتابدار، حرکت پرتابه، سقوط آزاد، حرکات دورانی و جانب مرکز و … که روابط فیزیکی مشخصی دارند (شکل 7).

شکل 7. برخی از روابط سینماتیکی در فیزیک مکانیک حرکت اعضای بدن

4- آنالیز حرکت: بررسی خود سیستم‌های مربوط به آنالیز حرکت از قبیل: دوربین و مارکر، زاویه سنج، شتاب سنج، ژیروسکوپ، سنسورهای اینرشیال و… و روابط و محاسبات مربوط به آن‌ها مانند: محاسبات سرعت و شتاب خطی و زاویه‌ای از روی داده‌های مختصات موقعیت مارکرها و زوایای اعضا و مفاصل بدن، به همراه پردازش سیگنال‌های حاصل از مشتق‌گیری یا انتگرال‌گیری پارامترهای سینماتیکی مذکور (شکل 8).

شکل 8. سیستم‌های مختلف آنالیز حرکت به همراه محاسبات آزمایشگاهی موقعیت‌ها، سرعت‌ها و شتاب‌های خطی و زاویه‌ای

5- مدلسازی: یا همان شبیه‌سازی سیستم اسکلتی‌عضلانی بدن به صورت المان‌های فیزیکی با فرضیاتی مشخص که معمولاً ساده‌سازی شده‌اند و هر یک، محاسبات ریاضی مربوط به خود را دارند. در ادامه انواع مدلسازی بررسی می‌شود.

مدلسازی اسکلتی: این روش که اغلب به صورت مدلسازی عضوی-مفصلی (Link-Segment) است و اعضای بدن در مفاصل به صورت لولایی یا گوی و کاسه‌ای یا ترکیبی از این‌ها (بسته به دو بعدی یا سه بعدی بودن مدل) لینک می‌شوند. در این حالت با داشتن سینماتیک اعضا و مفاصل و آنالیز دینامیک معکوس، پارامترهای سینتیکی مانند نیروها و گشتاورهای برآیند مفصلی قابل محاسبه هستند. معادلات تعادل نیرویی و گشتاوری اغلب به روش‌های نیوتن-اویلر یا لاگرانژ در سیستم اسکلتی قابل بررسی هستند (شکل 9).

شکل 9. مدلسازی اسکلتی (دو بعدی و سه بعدی) با مشخص کردن نیروها و گشتاورهای برآیند مفصلی و بررسی آن‌ها از طریق معادلات تعادل دینامیکی نیوتن-اویلر و یا دینامیک لاگرانژ

مدلسازی عضله: تأثیر عضله در سیستم‌های اسکلتی‌عضلانی به شیوه‌های مختلفی می‌تواند اعمال شود. تا کنون عضله با المان‌های مکانیکی مختلف از قبیل رشته نیرویی، فنر (خطی یا غیرخطی)، ترکیب فنر و دمپر، ترکیب فنر و دمپر و المان انقباضی (مدل هیل) و مدل‌های پیچیده‌تر (هاکسلی، زهلک و …) شبیه‌سازی شده‌اند. به عنوان نمونه در مدل هیل، یک المان انقباضی وجود دارد که نمایانگر بخش فعال عضله است که با تعامل بین اکتین و میوزین نیروی فعال تولید می‌کند و دو المان فنر سری و موازی وجود دارد که به ترتیب نمایانگر بافت‌های همبند تاندون و فاشیا هستند که کشش غیر فعال تحمل می‌کنند. به عبارتی، نیروی فعال عضله ناشی از عصب دهی به آن و رخداد فرآیندهای شیمیایی بین اکتین و میوزین و تبدیل آن به ایجاد نیروی مکانیکی ایجاد می‌شود و طول سارکومر حاوی اکتین و میوزین در اثر انقباض کاهش می‌یابد، حال آنکه نیروی غیرفعال ناشی از خاصیت ارتجاعی (کشسانی) بافت‌های همبند عضله در کشش است. روابط محاسباتی برای بخش فعال و غیرفعال مدل هیل وجود دارند که تأثیر تغییر طول، سرعت انقباض و میزان فعالسازی فیبرهای عضله در آن‌ها وجود دارد (شکل 10).

شکل 10. مدلسازی عضله با المان‌های مکانیکی مختلف (فنر، دمپر، المان انقباضی و …) و نمونه روابط مدل هیل برای عضله

مدلسازی اسکلتی‌عضلانی: اگر بخواهیم به طور سفارشی برای هر شخص مدلسازی اسکلتی‌عضلانی انجام دهیم، باید در ابتدا تصویربرداری پزشکی از شخص به روشی صورت بگیرد که هم هندسه بافت‌های نرم (عضلات) و هم هندسه بافت سخت (استخوانی) قابل استخراج و بازسازی باشد (مانند CT و MRI). پس از بازسازی سه ‌بعدی سیستم اسکلتی‌عضلانی از قطعات تصاویر پزشکی دو بعدی، بر حسب اینکه حجم و سطح نواحی اتصال عضلات به چه میزان است، با یک یا چند رشته یا فیبر عضلانی در مدل تخمین زده می‌شوند و به نمایش در می‌آیند که به نوعی یک مدل عملکردی (Functional) به دست می‌آید. اینکه هندسه بخش استخوان‌های مدل چه میزان آناتومیکی یا عملکردی باشد به دقت و کاربرد مدلسازی بستگی دارد. حتی نحوه تحلیل خود مدل می‌تواند به صورت دو بعدی (در یک صفحه آناتومیکی مثل ساجیتال) یا سه ‌بعدی (در سه صفحه آناتومیکی) باشد (شکل 11).

شکل 11. مدلسازی اسکلتی‌عضلانی به طور سفارشی پس از ساخت هندسه سه ‌بعدی مدل از روی تصاویر پزشکی دو بعدی

به دوستانی که در حوزه‌های مرتبط با بیومکانیک فعالیت می‌کنند توصیه می‌شود منابع زیر را که از جمله منابع اساسی و بنیادین بیومکانیک هستند مطالعه کنند.