دنیای جذاب و پرکاربرد بیومکانیک؛ آنالیز بیومکانیک در ارتزها

به دنیای جذاب بیومکانیک خوش آمدید. در این قسمت سعی داریم به تدریج وارد دنیای بیومکانیک ارتوپدی بشویم و به‌طور نمونه، یکی از ارتزهای اندام فوقانی را از منظر اسکلتی عضلانی مورد تحلیل بیومکانیکی قرار دهیم. به امید خدا در مقالات آتی نمونه‌های بیشتری را در حوزه ارتوپدی و توانبخشی مورد تحلیل و ارزیابی قرار خواهیم داد.

در کل ارتزها کنار عضو بدن قرار می‌گیرند تا به بهبود ناهنجاری و آسیب آن کمک کنند و تا حد امکان عملکرد عضو را به حالت طبیعی نزدیک کنند. ارتزهای اندام فوقانی نیز از این امر مستثنی نیستند. به عنوان نمونه، ارتزهایی که در مقصل آرنج به کار می‌روند می‌توانند عملکردهایی نظیر محدودیت یا تثبیت حرکت، کنترل حرکت آرنج، تسکین درد یا کاهش اثر وزن، کمک به حرکت آرنج، تقویت عضلات یا کاهش نیروی عضلات اطراف آرنج و… داشته باشند. همچنین می‌توانند ارتزهای فعال باشند که به کمک محرک یا اکچویتر (Actuator) خارجی مانند موتورهای الکتریکی، اکچویتر هیدرولیکی، نیوماتیکی، هیبریدی و… باعث ایجاد حرکت عضو شوند. شکل 1 برخی از نمونه ارتزهای مفصل آرنج را نشان می‌دهد.

یک نمونه از ارتزهایی که از قدیم نیز وجود داشته ‌است، به منظور نگهداشتن آرنج در وضعیت خمیده یا فلکشن، جلوگیری از افتادن ساعد، و حتی کمک به فلکشن آرنج (یا بعبارتی کمک به عضلات فلکسور) به کار می‌رفته ‌است، که در شکل 2 نشان داده شده ‌است. وجود پدهایی (صفحاتی) که بر روی سطوح پوست ساعد و بازو فشاری نسبتاً یکنواخت ایجاد می‌کنند از ویژگی‌های بارز این ارتز هستند. منتهی در برخی طرح‌های دیگر این ارتز از فنر یا لینک کمکی برای خمیده نگداشتن آرنج تا تثبیت و محدودیت زاویه خمش آن استفاده شده ‌است. جهت نیروهای وارد بر دست از طرف پدهای ارتز و عکس العمل آن‌ها نیز در شکل 2 نشان داده شده ‌است.

در کل، در تحلیل نیروهای وارد بر ارتز و عضو متصل به آن، باید نمودار جسم آزاد نیروهای هر کدام را بطور جدا رسم و بررسی کرد که در ادامه مثالی را بررسی می‌کنیم. منتهی پیش از آن، در شکل 3 نمودار جسم آزاد نیروهای وارد بر نمونه‌ای از ارتز آرنج رسم شده‌ است که دارای المان کشسان (الاستیک) کمک فلکسوری در مفصل آرنج است. این المان کشسان یا فنر می‌تواند به طرق مختلف و در فواصل گشتاور مختلف از مفصل آرنج ارتز، متصل شود که سه نمونه از آن در شکل 3 نشان داده شده ‌است. هر چه بازو گشتاور فنر بیشتر شود، برای اعمال یک گشتاور فلکسور ثابت مشخص، نیروی کمتری نیاز دارد و بالعکس.

لازم به ذکر است که حتی ممکن است در برخی از طرح‌ها، مکانیزم قفل کننده در مفصل آرنج به کار رود تا آن را در زوایای مشخصی تثبیت کند. با در نظرگرفتن این موضوع، در ادامه یک مثال را در شکل 4 مورد بررسی قرار می‌دهیم.

• مثال: ارتز شکل 4 جهت کمک به فلکشن آرنج به کار می‌رود. با توجه به نیروها و فواصل مشخص شده در شکل، نیروی وارد بر مفصل O در ارتز و رابطه بین نیروی فنر (Fs) در ارتز و نیروی عضله دوسربازو (Fb) را به دست آورید (نیروهای وارد بر ارتز در پایین به طور جدا مشخص شده است و عکس العمل نیروی پدها (Fp) به ساعد وارد می‌شود، مسئله را در دو حالت مفصل O قفل نشده و قفل شده حل کنید).

• حل و تحلیل: پیش از شروع محاسبات حل مسئله، به این نکته توجه داشته باشید که در اینگونه تحلیل اسکلتی عضلانی، می‌بایست نیروهای وارد بر عضو بدن و نیروهای وارد بر ارتز را به طور مجزا تحلیل کنید تا بهتر بتوانید تأثیر عملکرد ارتز را بر نیروهای عضلانی و مفصلی بررسی کنید.

   ابتدا نیروهای وارد بر ارتز را به طور مجزا بررسی می‌کنیم و معادلات تعادل نیروها و گشتاورها را می‌نویسیم. شکل 5 نمودار جسم آزاد نیروهای وارد بر ارتز را با پارامترهای هندسی مورد نیاز نشان می‌دهد. داریم:

روابط تعادل نیروها در راستای افقی و قائم (جهات سمت راست و بالا مثبت):

   از نتایج روابط تعادل نیروها در راستای افقی و قائم متوجه می‌شویم که در راستاهای نشان داده شده برای نیروهای مفصل آرنج ارتز (Ox, Oy) نیروی فنر کمک فلکسوری باعث افزایش نیروهای مفصلی می‌شود.

روابط تعادل گشتاورها حول مفصل آرنج ارتز (جهت پادساعتگرد یا فلکسور مثبت):

 رابطه (*)

   از روابط تعادل گشتاورها، یک رابطه بین نیروی پدهای ارتز و نیروی فنر کمک فلکسوری به دست آمده ‌است. توجه شود که گشتاور M_l که داخل پرانتز نوشته شده ‌است در صورتی اعمال می‌شود که مفصل آرنج ارتز قفل شده باشد (مانند گشتاوری که در تکیه گاه یکسر گیردار تحمل می‌شود). حال در ادامه تعادل گشتاورها را باید برای خود عضو بدن بررسی کنیم تا ارتباط نیروی فنر کمک فلکسوری با نیروی عضله دو سربازو را به دست آوریم. شکل 6 نمودار جسم آزاد عضو مورد بررسی بدن در مسئله را نشان می‌دهد. نکته بسیار مهم در اینجا این است که نیروهای فصل مشترک بین ارتز و ساعد را باید درست منتقل کرد. در واقع عکس العمل نیروهای پدهای ارتز (Fp) به ساعد در جهت مخالف وارد می‌شود که در شکل 6 لحاظ شده‌ است. داریم:

روابط تعادل گشتاورها حول مفصل آرنج (جهت پادساعتگرد یا فلکسور مثبت):

   از نتیجه حاصل شده از تعادل گشتاورهای آرنج، متوجه می‌شویم که نیروی فنر کمک فلکسوری (Fs) و گشتاور ناحیه قفل آرنج ارتز (M_l) باعث کاهش نیروی عضله دوسربازو می‌شوند (پشت هر دو پارامتر در رابطه علامت منفی وجود دارد). از این رو این ارتز موجب کاهش فعالیت عضله فلکسور آرنج و در نتیجه کاهش نیروی مفصل آرنج می‌شود و کمک می‌کند با نیروی کمتری بتوان، فلکشن راحت‌تری به آرنج اعمال کرد.

 در ادامه سعی داریم، یکی از ارتزهای بالاتنه را از منظر اسکلتی عضلانی مورد تحلیل بیومکانیکی قرار دهیم، که در کاهش فشار مفاصل کمری در باربرداری و همچنین توانبخشی بالاتنه می‌تواند بسیار کاربرد داشته باشد. ارتزهای کمک باربرداری بالاتنه بسیار گسترده هستند و در برخی طرح‌ها نیز حتی به صورت اسکلت خارجی (اگزواسکلتون) با مکانیزم فعال بر روی بدن قرار می‌گیرند. شکل زیر یکی از طرح‌های ساده است که از شانه شخص، با مکانیزم المان کشسان (مثل کش، طناب، فنر و…) و قرقره، با عبور از ستون فقرات وی به پشت زانو متصل می‌شود.

   حال می‌خواهیم از منظر بیومکانیک، تأثیر نیروی کشش المان کشسان (F_T) را بر روی عضلات کمر و زانو بررسی کنیم. شکل زیر نمودارهای جسم آزاد ناحیه ستون فقرات و زانو را نشان می‌دهد.

   W و W_L به ترتیب، وزن بالاتنه (بالای ستون فقرات) و بار خارجی روی دست فرد هستند. W_b وزن قسمتی از بدن است که بالای زانو قرار دارد. F_ES، F_qu و F_hm نیز به ترتیب نیروهای گروه عضلانی ارکتور اسپاین (راست کننده ستون فقرات)، چهارسرران و همسترینگ هستند. فاصله عمودی تک تک نیروهای مذکور نیز تا مرکز مفاصل مربوطه با پارامتر d به همراه اندیس مربوطه نشان داده شده ‌است. با نوشتن معادلات تعادل گشتاوری حول مفاصل ستون فقرات و زانو در حالت استاتیکی داریم (جهت پادساعتگرد یا اکستنسور هر دو مفصل مثبت فرض شده ‌است):

   از نتایج حاصل شده، متوجه می‌شویم که نیروی المان کشسان (F_T) موجب کاهش نیروی عضلات ستون فقرات و کمر (F_ES) می‌شود (به دلیل علامت منفی پشت نیروی F_T). در نتیجه می‌تواند فشار وارد بر مفاصل (دیسک‌های) کمر را نیز کاهش دهد و عمر ستون فقرات یک کارگر باربردار را زیاد کند. در عوض نیروی عضلات چهارسرران را افزایش می‌دهد (به دلیل علامت مثبت پشت نیروی F_T) و در نتیجه می‌تواند فشار وارد بر زانو را افزایش دهد (هر چند از تأثیر عضلات همسترینگ نیز نباید غافل شد).

لذا می‌توان تا حدی نتیجه گرفت که در کل این ارتز کمک باربرداری، فشار ستون فقرات را کاهش می‌دهد و به مفاصل اندام تحتانی مانند زانو منتقل می‌کند. لذا شخص باربردار، قبل از استفاده از این ارتز می‌بایست از سلامت و استحکام مفاصل اندام تحتانی خود تا حدی اطمینان داشته باشد.

   توجه کنید که این موارد، تحلیل‌های نسبتاً ساده سازی شده با لحاظ تعادل استاتیکی و مدل‌های تک عضله‌ای بود، تحلیل‌های بسیار پیچیده‌تری هم می‌تواند در حین حرکت شتابدار با لحاظ عضلات بیشتر انجام شود که در این مقاله نمی‌گنجد. فقط هدف این بود که تا حدی با نمونه‌ای از تحلیل بیومکانیک اسکلتی عضلانی در حوزه ارتوپدی آشنا شوید. به امید خدا در مقالات آینده نمونه تحلیل‌های بیشتری در حوزه بیومکانیک ارتوپدی انجام خواهیم داد.

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.

• Biomechanics and motor control of human movement, David A. Winter.
• Fundamentals of biomechanics, Equilibrium, Motion, and Deformation, Nihat Ozkaya, Dawn Leger, David Goldsheyder, Margareta Nordin.
• Kinesiology of the musculoskeletal system, Foundations for Rehabilitation, Donald A. Neumann.
• Biomechanical basis of human movement, Josef Hamill, Kathleen M. Knutzen, Timothy R. Derrick.
• Basic Biomechanics, Susan J. Hall.