دانشگاه آزاد اسلامي واحد تهران مركز
چكيده:
امروزه با بكارگيري دانش هاي مهندسي در علوم توانبخشي دريچه جديدي به روي معلولين باز شده و ايشان مي توانند با استفاده از سيستمهاي طراحي شده توسط مهندسين زندگي بهتري را پيش رو داشته باشند .
در اين مقاله مختصري در مورد انواع دست مصنوعي و اجزاء آن شامل پنجه ، سيستم كنترل ، اتصالات لازم براي نصب بر روي معلول و مفصل آرنج توضيح داده شده است.
مقدمه:
هدف از كار برد پروتز دست چاره جويي براي مشكلات حركتي است كه در اثر نقص يا قطع عضو طبيعي در شخص بوجود مي آيد.
در اين راه از گذشته تا كنون افراد زيادي سعي در ساخت وسايلي نموده اند كه معلولين بتوانند از آنها استفاده كنند . اولين وسايل ساخته شده قلابها و چنگك هايي بوده اند كه در گذشته از آنها استفاده شده است و مسير تكامل اين وسايل تا دستهاي پيشرفته امروزي طي شده است .
دست مصنوعي از لحاظ كلي به سه گروه تقسيم مي گردد كه اين سه گروه خود شامل زير شاخه هايي هستندكه بسته به شرايط جسمي معلول و هزينه هاي مربوطه انتخاب مي گردند.
گروه اول:
پروتز هايي مي باشند كه فقط براي زيبايي ساخته شده و پنجه هيچگونه حركتي ندارد.
گروه دوم:
پروتزهايي مي باشند كه علاوه بر زيبايي شامل پنجه متحرك هستند و معلول مي تواند بوسيله آن عمل گرفتن اجسام را انجام دهد ، نيروي لازمه توسط حركت عضلات بدن تأمين مي گردد.
گروه سوم:
وجه تمايز گروه سوم با گروه دوم در اين است كه نيروي لازم براي گرفتن اجسام توسط منبع ذخيره انرژي كه بر روي پروتز نصب مي باشد تأمين مي گردد.
لازم به ذكر است كه گروه سوم كامل ترين نوع پروتز دست است كه در اين مقاله توضيحات مختصري در مورد آن ارائه مي گردد.
پنجه پروتز:
پنجه يكي از بخشهاي پروتز مي باشد كه ايجاد حركت و وارد كردن نيرو به اجسام توسط اين قسمت انجام مي پذيرد . اين قسمت پروتز جايگزين پنج انگشت و كف دست طبيعي مي شود و بايد براي طراحي آن عوامل زير را در نظر گرفت.
1- شكل ظاهري :
يكي از دلايل استفاده از دست مصنوعي رفع مشكلات رواني ناشي از كمبود عضو مي باشد ، لذا دست مصنوعي بايد به گونه اي طراحي گردد كه از لحاظ ظاهري شباهت زيادي به دست طبيعي داشته باشد.
2- اندازه پنجه :
پنجه بايد طوري طراحي شود كه بتوان آن را به اندازه دست طبيعي براي افراد ساخت تا موجب اختلاف طول و حجم بين دست سالم و دست مصنوعي نگردد .
3- وزن پنجه :
بايد پنجه به گونه اي طراحي شود كه حداقل وزن را داشته باشد چرا كه وزن پنجه مستقيماً از طريق سوكت به بدن معلول منتقل و موجب خستگي و ناراحتي شخص مي گردد.
4- نحوه كنترل :
پنجه بايد به طوري طراحي شود كه با سيستم كنترل هاي قابل نصب بر روي بدن كنترل شود.
5- نحوه حركت پنجه :
پنجه بايد به گونه اي طراحي گردد كه نحوه حركت آن مشابه دست طبيعي باشد تا هنگام حركت تفاوتي با دست طبيعي نداشته باشد.
6- ميزان مصرف انرژي :
منبع انرژي مورد نياز بايد به راحتي قابل نصب و حمل با پروتز باشد و بتوان زمان كاري معقولي را براي آن در نظر گرفت .
براي طراحي اين قسمت مطالعاتي بر روي آناتومي دست طبيعي صورت گرفت . در ضمن چگونگي ارسال فرمان از مغز و انتقال سيگنال به عضلات و لغزش رشته هاي اكتين بر روي ميوزين ها وكوتاه شدن طول عضله وانتقال نيروي ايجاد شده توسط تاندون ها به مفاصل و ايجاد حركت در پنجه مورد بررسي قرار گرفت .
سپس به بررسي حركتهاي گوناگوني كه دست طبيعي انجام مي دهد پرداخته و در نهايت كار طراحي پنجه را شروع كرديم.
ابتدا حركاتي را كه دست طبيعي براي برداشتن اجسام با شكلهاي هندسي متفاوت انجام مي دهد خلاصه نموديم و حركاتي را براي پنجه در نظر گرفتيم كه معلول بتواند با آن بيشتر كارهاي روزمره خود را انجام دهد و از حركات كم مصرف صرفنظر شد . براي اين منظور چندين سيستم مكانيكي طراحي شد كه به توسط سرووموتورهاي تعبيه شده به حركت در مي آيند ، بسته به نوع سيستم طراحي شده مي توان از سرووموتورهايي با اختلاف پتانسيل 6 الي 12 ولت استفاده نمود.
دست مصنوعي با پانزده مفصل متحرك
در سيستم انتقال قدرت پنجه هاي ساخته شده ، از گيربكسهاي كاهنده دور استفاده شده است كه براي موتورهاي مختلف به نسبت دورهاي 1 : 800 الي 1 : 1750 طراحي شده اند.
براي هر كدام از پنجه هاي ساخته شده مجموعه اي از قطعات ، مفصلها و لينكها طراحي و ساخته شده كه با يكديگر متفاوت مي باشند. مجموعه اين قطعات براي ساده ترين پنجه حدود 150 عدد و براي كاملترين آن 300 عدد مي باشد .
لازم به ذكر است كه ساده ترين پنجه حدود 250 گرم وكاملترين آن حدود 400 گرم وزن داشته و بدليل انتخاب مناسب موتور و باطري پنجه هاي مورد نظر براي 12 ساعت كار متوسط قابل استفاده مي باشند كه بعد از آن نياز به شارژ مجدد باطري مي باشد.
دست مصنوعي با سه مفصل متحرك
با پيشرفتهايي كه در علم مكانيك صورت گرفته مي توان روبوتهايي طراحي نمود كه كليه حركات دست طبيعي را حتي كاملتر از دست طبيعي انجام دهد اما دست روبوتيك با توجه به نوع آن با برنامه هاي مختلفي كنترل مي شوند ، كه بوسيله كامپيوترهاي پيشرفته قابل اجرا مي باشد در حالي كه پنجه مصنوعي بايد بگونهاي طراحي شود كه بوسيله سيستم كنترلهاي خاصي كه فرمان را به طرق مختلف از بدن دريافت مي كنند فعال شود.
نحوه كنترل دست مصنوعي :
اگر دست مصنوعي بخواهد كار دست طبيعي را بصورت كاملاً ارادي انجام دهد لازم است فيدبكها و عصبهاي قطع شده به نحوي جبران گردد . اين فيدبكها و فرمانها توسط سنسورهايي كه بر روي بدن معلول نصب مي گردند دريافت شده و پس از پردازش و تركيب با اطلاعات فيدبكي موجود در سيستم كنترل پنجه مصنوعي به سرووموتورهائي كه نقش عضله را ايفا مي نمايند ارسال مي شود و اين سرووموتورها كار عضله را انجام داده و موجب حركت پنجه مصنوعي مي شوند.
براي دريافت فرمانهاي حركت از عضو باقيمانده معلول و كنترل دست مصنوعي از طريق اين فرمان ها سنسورهاي مختلفي طراحي شده است . اين سنسورها بسته به شرايط جسمي و حركتي معلول و همچنين ميزان قطعي عضو در حالات مختلف قابل استفاده مي باشند كه در زير پنج مدل مختلف از آنها را نام مي بريم :
1- سنسورهاي الكترومكانيكي كه توسط انقباض عضله تحريك مي شوند .
2- سنسورهاي الكترومكانيكي كه توسط حركت شانه تحريك مي شوند .
3- سنسورهايي كه توسط كيسه هاي هوا با بدن در ارتباط هستند .
4- سنسورهاي تماسي .
5- سنسورهاي ميوالكتريك .
سنسورهاي ميوالكتريك :
بخاطر محاسن بسيار ، اندامهاي مصنوعي ميوالكتريكي نه تنها براي افرادي كه زير آرنج قطع عضو شده اند قابل استفاده است بلكه براي بالاي آرنج ، بيماراني با شانه ناسالم و حتي در بيماراني كه بطور مادر زاد يك يا چند قسمت از اندام را ندارند نيز مناسب است .
بهترين حالت بچه ها و بزرگسالاني هستند كه دست آنها از زير آرنج قطع شده است.
همانطور كه ذكر گرديد پروتزهاي ميوالكتريكي محدوده وسيعي از بيماران را تحت پوشش قرار مي دهند.
اين نوع دريافت كننده ، پتانسيل ايجاد شده در غشاء عضله را دريافت نموده كه اين عمل با تحريك عضله توسط سيستم عصبي ايجاد مي گردد ، نيروي حاصله در عضله بطور خطي با تغييرات ولتاژ و با فركانس تحريك سيستم عصبي متناسب است .
اين دريافت كننده داراي چند ورودي مي باشد كه با غشاء خارجي عضله روي سطح پوست در تماس است . عمل تحريك عضله توسط سيستم عصبي باعث انقباض عضله مي گردد . انقباض عضله باعث ايجاد پتانسيل در غشاء عضله گرديده كه ميزان آن با نيروي حاصله در عضله متناسب است در حقيقت هر چه ميزان انقباض بيشتر باشد پتانسيل ايجاد شده نيز به نسبت تغيير خواهد كرد.
ورودي هاي سنسور ، پتانسيل ايجاد شده را دريافت نموده پس از تقويت و انجام فيلترهاي لازمه آن را بجاي فرمان ارسالي از مغز معلول در نظر گرفته و سيگنال خاصي را براي كنترل دست به برد كنترل ارسال مي نمايد .
برد كنترل وظيفه پردازش سيگنالهاي ورودي از سنسورها و همچنين فيدبكهاي دريافتي از پنجه را بعهده دارد . به محض دريافت سيگنال از سنسور ، برد اصلي با توجه به فيدبكهاي دريافتي از پنجه فرمان مورد نظر را به پنجه ارسال مي نمايد و پنجه حركت مورد نظر را انجام مي دهد.
طريقه اتصال پنجه به عضو باقيمانده :
پنجه از طريق اتصال به پوسته خارجي و سوكت با عضو باقيمانده در تماس است.
سوكت براي قطعي از زير آرنج
سوكت ارتباط دهنده مستقيم اندام مصنوعي با بدن معلول مي باشد . بدليل ارتباط مستقيم سوكت با سطح پوست از مواد خاصي كه به هيچ عنوان بر روي سطح پوست حسساسيت ايجاد نمي كند براي ساخت آن استفاده مي شود.
سوكتها بسته به وضعيت اندام باقيمانده براي هر يك از معلولين بطور اختصاصي ساخته مي شوند.
براي ساخت سوكت ابتدا بايد يك نمونه گچي از عضو باقيمانده ساخت تا كليه عمليات ساخت سوكت بر روي آن انجام پذيرد.
براي اين منظور نمونه گچي را عايق بندي نموده تا از نفوذ موادي كه براي ساخت سوكت استفاده مي شود به داخل حفره هاي ريز گچ جلوگيري و سطح داخل سوكت صاف و شفاف گردد.
فرم دهي به مواد قبل از خشك شدن
سپس مواد اوليه را بين دو لايه عايق تزريق كرده و سطح خارجي سوكت را طوري در نظر مي گيرند كه به راحتي بر روي پوسته خارجي نصب گردد.
بعد از حالت گرفتن و خشك شدن مواد ، سوكت را از نمونه گچي و عايقها جدا مي نمايند و پرداخت كاري صورت مي گيرد .
لازم به ذكر است كه در زمان عايق كاري و تزريق مواد بايد محل نصب سنسورها را در سوكت تعبيه نمود كه اين محل قبلاً بسته به نوع سنسور تعيين شده و توسط يك قطعه مشابه در سوكت جا سازي مي گردد و بعد از اتمام كار از سوكت خارج شده و محفظه سنسور در سوكت باقي مي ماند .
بعد از قالبگيري سوكت و ساخت آن براي ارتباط دادن پنجه به سوكت از قطعه اي بنام پوسته خارجي استفاده مي شود . پوسته خارجي و قطعات مرتبط با آن براي معلولين با قطع عضو از مقاطع مختلف متفاوت است براي قطع عضو از ناحيه زير آرنج پوسته خارجي شكل ظاهري مشابه ساعد داشته و داخل آن سوكت و ابتداي آن پنجه نصب مي گردد در ضمن كليه مدارهاي الكترونيكي و سيستمهاي رابط و باطري در پوسته خارجي جاسازي مي گردد.
ارتباط پوسته خارجي با سوكت
براي قطع عضو از ناحيه بالاي آرنج پوسته خارجي از دو قسمت بالاي آرنج و زير آرنج تشكيل مي گردد . سوكت در قسمت انتهاي پوسته بالاي آرنج نصب مي گردد و قسمت ابتداي آن نيز به مفصل آرنج متصل مي گردد.
مفصل آرنج به شكلهاي گوناگون براي شرايط مختلف ساخته مي شود :
نوع اول : يك مفصل ساده مي باشد كه توسط نيروي خارجي در زواياي مختلف قرار داده مي شود و در همان زاويه ثابت مي گردد.
نوع دوم : مفصل آرنج با ضامن و فنر است كه در اين حالت معلول مي تواند با استفاده از نيروي وزن پروتز و همچنين حركت سريع كتف مفصل آرنج را به ميزان 180 درجه باز نمايد و انرژي را در يك فنر كه در مفصل تعبيه شده ذخيره نمايد و هنگام نياز با آزاد كردن ضامن مفصل كه از طريق كابل به بانداژهاي روي كتف ارتباط پيدا مي كند مي تواند انرژي ذخيره شده را آزاد و به كمك آن مفصل را تا زاويه 30 درجه جمع نمايد.
نوع سوم : مفصل الكترومكانيكي است كه براي حركت مفصل آرنج از الكتروموتور استفاده مي شود براي كاهش دور الكتروموتور از گيربكس كاهنده استفاده مي شود گيربكس طوري طراحي مي گردد كه علاوه بر نسبت دور مناسب در محفظه آرنج قرار گرفته وحداقل وزن را داشته باشد .
براي قطع عضو از ناحيه كتف يك مفصل براي كتف در نظر گرفته مي شود كه به بخش انتهايي پوسته خارجي بالاي آرنج وصل مي گردد و انتهاي آن به سوكت وصل شده و سوكت از طريق بانداژهاي خاصي به بدن معلول متصل مي گردد .
پروتز براي قطعي عضو از ناحيه كتف بابانداژهاي مربوطه
معلول با وارد كردن نيروي خارجي به اين مفصل مي تواند پروتز را در حالتهاي گوناگون ثابت نمايد و كارهاي مورد نظر را انجام دهد.
خلاصه ، نتايج وكاربردها:
نمونه ساخته شده يك پنجه مي باشد كه توسط سنسورهاي ميوالكتريك كنترل مي شود . به اين ترتيب مي توان پنجه مذكور را بوسيله سوكت و لوازم جانبي ديگر بر روي معلول نصب نمود.
معلول مي تواند با ارسال فرمان از مغز عضله خود را منقبض نمايد بدين ترتيب سنسور ميوالكتريك نصب شده ، فرمان را دريافت و به مدار كنترل ارسال مي نمايد سپس مدار كنترل دستورات لازمه را به پنجه پروتز ارسال تا پنجه كه بسته به نوع آن شامل 200 الي 300 قطعه مكانيكي مي باشد ، حركات مورد نظر را انجام دهد . بدين ترتيب معلول مي تواند اجسام مورد نياز خود را برداشته و استفاده نمايد .
مراجع :
منبع : انجمن اینترنتی مهدسان مکانیک ایران
