نرم افزارهای کاربردی در بیومکانیک و نقش این علم در ساخت ارتز و پروتز

مهندسی پزشکی کاربرد علوم مهندسی در حوزه پزشکی برای تشخیص و درمان بیماری‌ها است و به دنبال برطرف کردن نیازهای پزشکی در زمینه طراحی، ساخت، نگهداری تجهیزات و ابزارهای پزشکی برای کاربردهای پیشگیری، تشخیص و درمان بیماری‌ها به کمک علوم مهندسی است. مهندسی پزشکی تخصصی بین رشته‌ای است که علاوه بر کاربردهای فراوان آن در تشخیص و درمان، ارتباط نزدیکی نیز با بسیاری از علوم دیگر دارد. این نکته خود باعث افزایش پیچیدگی و البته جذابیت حوزه مهندسی پزشکی شده است.
داشتن مهارت و تخصص از مهم‌ترین عوامل موفقیت شغلی محسوب می‌شود. امروزه تعداد فارغ التحصیلان دانشگاهی افزایش یافته ولی تعداد افرادی که در حوزه تخصصی خود مهارت و دانشی متمایز با دیگران داشته باشند، بسیار کم است. البته در شرایط فعلی بازار کار نامناسب کشور، مهندس پزشکی که با علاقه وارد این حوزه شده و مهارت و تخصصی کسب کرده است، به راحتی می‌تواند موقعیت‌های شغلی بسیار مناسبی پیدا کند. در این شماره از ماهنامه، مهندس رسول عابدی، دانشجوی دکتری بیومکانیک و از چهره‌های موفق این حوزه به معرفی نرم افزار‌های کاربردی بیومکانیک پرداخته و از نقش کلیدی این تخصص در فرایند ساخت ارتز و پروتز می‌گوید. مهندس عابدی مدرس دانشگاه و مولف چندین کتاب و مقاله در حوزه بیومکانیک است.

نرم افزارهای کاربردی در بیومکانیک
من نرم‌افزارهای پرکاربرد حوزه بیومکانیک در مهندسی پزشکی را به چند دسته تقسیم بندی کرده‌ام. تعداد نرم افزارها بسیار زیاد است و من نام برخی از مهم‌ترین و کاربردی‌ترین آن‌ها را ذکر می‌کنم.
نرم افزارهای حوزه طراحی که خود به دو دسته طراحی مکانیکی و طراحی بیولوژیکی تقسیم می‌شوند. نرم افزار طراحی مکانیکی مانند Catia, SolidWorks, Inventor، طراحی بیولوژیکی که از روی تصاویر دو بعدی پزشکی بافت‌های بیولوژیک مانند استخوان و مفصل را به طور سه بعدی می‌سازند مانند
MIMICS, 3D Doctor, 3D Slicer، و برخی نرم افزارهایی که اصلاح هندسه سطوح بافت‌های مختلف بیولوژیکی و مکانیکی را انجام می‌دهند مانند Meshmixer, Hypermesh. از ترکیب این نرم‌افزارها می‌توان به طراحی‌های فوق‌العاده‌ حرفه‌ای در حوزه ارتوپدی و توانبخشی (مانند ارتز، پروتز، اگزواسکلتون، ایمپلنت، ابزارهای مکانوتراپی و ….) دست یافت البته به شرط آن که به همراه یادگیری نرم‌افزار، دانش و تخصص مربوط به علم طراحی و حوزه مربوطه نیز فرا گرفته شود.
نرم ‌افزارهای حوزه تحلیل المان محدود که عمدتاً به همراه مش‌بندی بافت‌ها، تحلیل‌های مختلف استاتیکی، شبه استاتیکی، دینامیکی، ضربه و… را انجام می‌دهند
مانند ABAQUS, ANSYS, COMSOL که در حوزه مکانیک نیز استفاده می‌شوند. FEBio, Mechanical Finder که مخصوص تحلیل المان محدود در حوزه بیومکانیک و بافت‌های بیولوژیکی نیز ایجاد شده‌اند. در اینجا نکته مهم، لزوم کسب دانش مورد نیاز المان محدود (شناخت انواع المان‌های دو بعدی و سه بعدی و ماتریس سختی و… و همچنین دانش علم خواص مواد) به همراه یادگیری اینگونه نرم افزارهاست. بررسی توزیع تنش، کرنش، انرژی کرنشی و دیگر پارامترهای مکانیکی از خروجی‌های کاربردی اینگونه نرم افزارها در بافت‌های بیولوژیک، ابزارهای ارتوپدی و توانبخشی هستند.
نرم افزارهای حوزه آنالیز حرکت که به تعداد بسیار زیادی وجود دارند و به بررسی دو بعدی و سه بعدی سینماتیک و سینتیک حرکت در فعالیت‌های مختلف (روزمره، ورزشی، تمرین درمانی، حرکات اصلاحی و …) می‌پردازند مانند
Tracker, Kinovea, Mokka, Vicon, Visual 3D, QTM, Xsense. در اینجا نیز دانش و تخصص مربوط به نحوه محاسبات پارامترهای سینماتیکی (مانند موقعیت، سرعت و شتاب خطی و زاویه‌ای، جرک و …) و سینتیکی (مانند نیرو، گشتاور، انرژی، تکانه، توان و…) به همراه به کارگیری این نرم‌افزارها مورد نیاز است تا تحلیل حرکت از منظر بیومکانیکی به منظور تشخیص طبیعی یا ناهنجار بودن فعالیت و ارائه روش درمانی و توانبخشی مناسب صورت پذیرد.
نرم افزارهای حوزه تحلیل اسکلتی عضلانی: این نرم افزارها که به تعداد محدودی وجود دارند علاوه بر بحث محاسبات سینماتیک و سینتیک مفاصل به تحلیل اسکلتی عضلانی، تخمین نیروها و فعالیت‌های عضلانی و بارهای مفصلی می‌پردازند. مانند: AnyBody, OpenSim, MATLAB, BOB. بحث بسیار مهم، لزوم کسب دانش و تخصص لازم در زمینه مدلسازی اسکلتی عضلانی، محاسبات نیروها و تنش‌های عضلانی، روش‌های بهینه سازی و الکترومایوگرافی در تخمین نیروهای عضلانی، کنترل عصبی عضلانی، مکانیک بافت عضله، مفصل، تاندون، لیگامان و… به همراه استفاده از این نرم افزارهاست که می‌تواند کاربردی بسیار وسیع در توانبخشی، فیزیوتراپی، ارتوپدی و ابزارهای کمکی مخصوص ناهنجاری‌های اسکلتی عضلانی داشته باشد.
نرم افزارهای حوزه پردازش تصاویر پزشکی از پرکاربردترین نرم افزارها در کمک به پزشکان و جراحانی هستند که از روی تصاویر مختلف رادیوگرافی، CT, MRI, EOS پارامترها و شاخص‌های مختلف ارتوپدی و بالینی را برای استخوان‌ها، مفاصل و بافت‌های مختلف دیگر بررسی می‌کنند. لذا با کسب مهارت در اینگونه نرم‌ افزارها می‌توان کمک قابل توجهی به جامعه پزشکی کرد مانند قسمت پردازش تصویر نرم افزار MATLAB، خود نرم افزارهای طراحی بیولوژیکی MIMICS, 3D Doctor نیز قسمت پردازش تصویر دارند و نرم افزاری مانند Surgimap که تاکنون بسیار مورد استفاده جراحان ارتوپدی قرار گرفته است. در کنار همه این موارد، لازم است تا دانش و تخصص مربوط به پردازش تصویر، مفاهیم پیکسل و شدت تصویر، کنتراست، رزولوشن، روش‌های افزایش کیفیت تصویر و بهبود کنتراست، لبه ‌یابی، قطعه بندی و …. فرا گرفته شود.

نقش بیومکانیک در ساخت ارتز و پروتز
بیومکانیک بر کیفیت عملکرد مکانیکی ارتز و پروتز تأثیری مستقیم دارد به عنوان نمونه در بیومکانیک بررسی می‌شود که ارتزها و موارد مربوط به آن‌ها (بریس، آتل، اسپلینت، اگزواسکلتون و…) به کدام حرکت کمک می‌کنند، جلوی کدام حرکت مفصل را می‌گیرند، دامنه حرکتی مفصل را چگونه تنظیم می‌کنند، با چه سیستمی اعمال نیرو و فشار بد شکلی یا دفرمیتی مفصل را بهبود می‌دهند، چگونه فشار را از روی مفصل کم می‌کنند، چگونه باعث تقویت عضلات اطراف مفصل می‌شوند، چگونه به عضلات اطراف مفصل جهت اعمال گشتاور کمک می‌کنند و بسیاری موارد مشابه دیگر.
پروتزها و موارد مربوط به آن‌ها یعنی ایمپلنت، فیکساتور، اندام مصنوعی و … نیز در بیومکانیک بررسی می‌شوند که این پروتزها جایگزین کدام عضو یا اعضا می‌شوند، آیا جایگزین ظاهری هستند یا عملکرد مکانیکی هم دارند، وزن آن‌ها چقدر باید باشد تا متناسب با عضو از دست رفته باشند، عملکرد مکانیکی آن‌ها چگونه و با چه منبع قدرتی تنظیم می‌شود (قدرت بدنی یا قدرت منبع خارجی مثل موتور الکتریکی و نیوماتیکی و سیگنال عصبی عضلانی و …)، سرعت و توان حرکت آن‌ها در چه محدوده‌ای باید باشد، در مورد پروتز دست، قدرت و سرعت گرفتن اشیاء چگونه باید تنظیم شود، در مورد پروتزهای پا، نیروی وزن و عکس العمل زمین در چه جهاتی وارد می‌شوند و گشتاور اعمال می‌کنند و راه مقابله مکانیکی با آن‌ها چیست، چگونه به فازهای مختلف راه رفتن فرد از منظر سینماتیکی و سینتیکی کمک می‌کنند، انحناهای مختلف کاسه پروتز چگونه تنظیم می‌شود تا بر قسمت‌های مختلف عضو قطع شده تمرکز فشار ایجاد نکند و بسیاری از موارد مشابه دیگر.
البته ناگفته نماند که تخصص‌های مختلفی درگیر ارتز و پروتز هستند مانند ارتوپدی فنی، توانبخشی، بیوالکتریک، فیزیوتراپی، حرکات اصلاحی، حتی تربیت بدنی و ورزش و … منتهی من از منظر تخصص بیومکانیک این موضوع را مورد بررسی قرار دادم. به طور معمول یک تیم از تخصص‌های مختلف برای ارائه یک ارتز یا پروتز کارآمد تشکیل می‌شود.