رشته مهندسی پزشکی درگرایش بیومکانیک
تقریباً در اوایل دههُ 70 میلادی، جامعهُ بین المللی واژه "بیو مکانیک" را برای دانش مطالعه سیستم های حیاتی از دید مکانیکی انتخاب نمود. بیو مکانیک از ابزار مکانیک برای مطالعات آناتومیکی و بررسی کارکرد اندام حیاتی استفاده می کند. این علم طیف گسترده ای را از مطالعه تئوری تا کاربردهای عملی می پوشاند.
مطالعه کامل مکانیک شامل دو موضوع اساسی می باشد: استاتیک، که مطالعه اجسامی است که، در اثر نیرویی که بر آن ها ااعمال می شود، در حال سکونی یا وضعیت تعادل باقی می‌مانند و دینامیک، که مطالعه اجسام متحرک است. دینامیک را به نوبه خود می توان به زیر گروه های سینماتیک و سینتیک تقسیم بندی نمود. سینماتیک را می توان علم حرکت نامید، زیرا ااین علم، در مورد روابطی بحث می کند که مابین جابجایی ها، سرعت ها و شتاب ها در حرکت انتقالی و دورانی وجود دارند. این علم با نیروهای درگیر کاری ندارد بلکه فقط به توصیف حرکت ناشی از آن ها می پردازد. سینتیک در مورد اجسام متحرک و نیروهایی بحث می کند که عمل می نمایند تا ایجاد حرکت کنند. برای روشن شدن این مطلب که مطالب مکانیکی فوق را چگونه در مورد بیومکانیک به کار می بریم، می توان به موارد زیر اشاره کرد:
Eberhort و همکارانش (1954)، در تحقیق های خود در رابطه با حرکت انسان، ابتدا سینماتیک قدم زدن را مورد بحث قرار دادند و جابجایی های قطعات بدن را در سه صفحه مختصات اصلی توصیف نمودند که این جا بجایی ها شامل تا کردن و باز کردن ران و ساق پا، چرخش لگن و... بود. سپس آن ها سینتیک قدم زدن را با تحلیل نیروهای ماهیچه ای و هم چنین نیروهای گرانشی و عکس العمل سطح، یعنی تمام نیروهایی که برای فشار بدن به طرف جلو و کنترل جابجایی قطعه ای بدن لازم بودند، بررسی کردند.
Dillman (1971)، سینماتیک و سینتیک حرکت تاب خوردن پا را در طول دویدن، مطالعه کرد. در حالی که، plangenhoef (1968)روش مطالعه دینامیک را با استفاده از یک کامپیوتر پیشنهاد نمود. در حال حاضر صدها مطالعه و بررسی مربوط به استاتیک و دینامیک فعالیت های بدن، ارائه و منتشر گردیده است.
با وجود آن که بیومکانیک از لحاظ انجمن های رسمی بین المللی دانش نوینی به حساب می آید اما تاریخچه پیدایش و ادامه حیات آن چیز دیگری را نشان می دهد:
در بررسی هایی که در مطالعات ارسطو در قرن 14 پیش از میلاد صورت گرفته است، مشخص شده که وی قصد داشته تا با استفاده از تحلیل های هندسی، کارکرد ماهیچه ها را در تولید حرکت حیوانات توصیف کند.
حدود 2000 سال بعد، لئوناردو داوینچی (1519-1425 بعد از میلاد) در نقاشی های آناتومیکی معروفش، مکانیک ایستادن، راه رفتن و پریدن را تشریح کرد و گالیله(1643-1564بعد از میلاد) حدود صد سال بعد اولین تلاش ها را برای آنالیز ریاضی کارکردهای فیزیولوژیکی انجام داد. به خاطر تلاش های پیشگامانهwilliam Harvey (1657-1578 بعد از میلاد) در تعریف آناتومیکی سیرکولاسیون خون در بدن، او را پدر مكانیك سیالات زیستی(biofluid) مدرن می دانند. Alfonso Borelli را نیز به خاطر فعالیت های گسترده اش در زمینه تفسیر و توضیح نیروهایی که توسط ماهیچه تولید می شود، نقش استخوان ها به عنوان محور و ارتباط تنگاتنگ سیستم استخوانی با ماهیچه ها، پدر مکانیک جامدات زیستی (biosolid) قلمداد می کنند.
از اولین متونی كه به بررسی كمی بیومكانیك راه رفتن و آنالیز گیت (gait) می پرداخت، می توان به كتابDe Muto Animalum نوشتۀ Borelli اشاره كرد. وی شاگرد گالیله بود و در كارهایش از نتایجی كه گالیله در مطالعات خود به دست آورده بود برای پیشبرد اهدافش در زمینه مطالعه بیومكانیك استفاده نمود.
كارهای این پیشگامان در زمینه بیومكانیك توسط افراد بزرگی نظیر Isaac Newoton (1727-1642بعد از میلاد)، Danie Bernoulli(1782-1700بعداز میلاد)،Jean.L.M Poiseuille (1869-1799بعد از میلاد)، Thomas Young(1829-1773بعد از میلاد) و بسیاری دیگر پیگیری شد. بررسی تمام فعالیت ها و اقدامات این افراد در زمینه بیومكانیك نیاز به فضایی بسیار زیاد برای توضیح دارد كه در این بحث نمی گنجد. اما با نگاهی گذرا به این اسامی قوانین معتبر علوم فیزیكی و مهندسی به ذهن می آید. برای مثال معادله برنولی در هیدرودینامیك، مدول یانگ در تئوری الاستیسیته، معادله پویسوله برای سیالات و... . براستی اولین جرقه ها برای بیان این قوانین و معادلات از كجا آغاز شد؟ از بررسی سیستم های صنعتی!!!؟ بسیاری از این قوانین و معادلات از مطالعات فیزیولوژیكی و پزشكی برای بررسی و تشریح ساختار و كاركرد سیستم های حیاتی نشأت گرفته اند.
اما نكته بسیار مضحك در این زمینه، این است كه تأثیر این قوانین بر پیشرفت صنعت بیش از اثری بود كه مطالعات فیزیولوژیك گذاشتند. این امر ضرورت وجود شاخه ای از علوم مهندسی به نام مهندسی پزشكی را به خوبی روشن می كند. دانشی كه امروزه در سرتاسر دنیا به صورت گسترده ای مورد توجه قرار گرفته است.
اما سوالی كه ممكن است در این قسمت مطرح شود این است كه وارد كردن علم مكانیك در حوزه مباحث زیستی و حیاتی چه ثمری دارد؟ و اگر علمی به نام بیومكانیك وجود نمی داشت، چه اتفاقی رخ می داد؟
برای پاسخ به این گونه سؤالات و روشن شدن ضرورت وجود دانش بیومكانیك چند مثال می زنیم:
رشد و نمو در انسان از آغاز تولد شروع می شود و به صور مختلفی در بخش های متفاوت بدن، در تمام طول حیات ادامه می یابد. نیروهای مكانیكی می توانند اثر عمده ای بر رشد بدن ایجاد كنند. نیروهای عمود بر بدن به آن اجازه می دهند تا به یك روش نمونه رشد كند. برای مثال ساختار داخلی كلی استخوان عمدتاً با تعداد دفعات بارگذاری بر روی استخوان كنترل می شود. حال فرض كنید در زمان رشد سریع، نیروهایی غیر طبیعی بر بدن وارد شود، این مسئله می تواند منجر به الگوهای رشد غیر عادی شود.
اگر بتوانیم تعیین كنیم كه یك تغییر شكل چگونه ایجاد شده یا می شود، قادر خواهیم بود تا نیروهای تغییر شكل دهنده را رفع كنیم و نیروهایی را به كار بریم كه می توانند فرآیند را معكوس نموده و آن را تصحیح نمایند. درمان بسیاری از تغییر شكل های مادرزادی و غیرمادرزادی توسط ابزارآلات توانبخشی نظیر ارتزها، نمونه هایی برای فهم اصول بیومكانیكی به كاررفته در رشد و نمو می باشند.
از زمانی كه رونگتن اشعه ایكس را به صورت اتفاقی كشف نمود تا به امروز تحقیقات و مطالعات فراوانی بر روی تجهیزات و روش های تشخیصی در پزشكی انجام گرفته است. بسیاری از این روش ها بر مبنای خواص مكانیكی بافت های مختلف بدن صورت گرفته است. یكی از جدید ترین بررسی ها در این زمینه " الاستوگرافی" است.
الاستوگرافی با استفاده از تكنیك امواج فرا صوتی (Ultrasound) میزان سختی و سفتی بافت ها را تصویر می كند. تفاوت میزان سختی در بافت های سرطانی نسبت به بافت های اطرافشان باعث بروز كنتراست در تصویر حاصل می شود و تشخیص سرطان (خصوصاً در سرطان سینه و پروستات) را برای پزشك به سادگی ممكن می كند. این مثال نیز كاربرد بیومكانیك را در مددرسانی به رشته پزشكی به خوبی روشن می كند.
از این دست مثال ها به فراوانی می توان در زندگی روزمره انسان ها، در محیط كار و زندگی مشاهده كرد. در یك محیط كار سالم و امن در درجه اول حفظ سلامت كارگر در محیط كار مطرح می شود نه ساخت مصنوعات صنعتی. كارگران در محیط كارشان با وسایل مختلفی سروكار دارند كه هر یك می توانند سلامت آن ها را به مخاطره بیاندازد. ارگونومی رشته ای است كه در رابطه با طراحی دستگاه ها، ابزار، تجهیزات و وظایفی می باشد كه سازگار با ویژگی های آناتومیك، فیزیولوژیك، ادراكی، رفتاری و مكانیكی انسان ها هستند. تحلیل مكانیكی حركت و وضعیت بدن در طول كار به ارگونومیست اجازه می دهد تا اعمال غیرایمن و شرایط غیر ایمن را تشخیص دهد.
منبع: www.dezmed.com
/س
مطالعه کامل مکانیک شامل دو موضوع اساسی می باشد: استاتیک، که مطالعه اجسامی است که، در اثر نیرویی که بر آن ها ااعمال می شود، در حال سکونی یا وضعیت تعادل باقی می‌مانند و دینامیک، که مطالعه اجسام متحرک است. دینامیک را به نوبه خود می توان به زیر گروه های سینماتیک و سینتیک تقسیم بندی نمود. سینماتیک را می توان علم حرکت نامید، زیرا ااین علم، در مورد روابطی بحث می کند که مابین جابجایی ها، سرعت ها و شتاب ها در حرکت انتقالی و دورانی وجود دارند. این علم با نیروهای درگیر کاری ندارد بلکه فقط به توصیف حرکت ناشی از آن ها می پردازد. سینتیک در مورد اجسام متحرک و نیروهایی بحث می کند که عمل می نمایند تا ایجاد حرکت کنند. برای روشن شدن این مطلب که مطالب مکانیکی فوق را چگونه در مورد بیومکانیک به کار می بریم، می توان به موارد زیر اشاره کرد:
Eberhort و همکارانش (1954)، در تحقیق های خود در رابطه با حرکت انسان، ابتدا سینماتیک قدم زدن را مورد بحث قرار دادند و جابجایی های قطعات بدن را در سه صفحه مختصات اصلی توصیف نمودند که این جا بجایی ها شامل تا کردن و باز کردن ران و ساق پا، چرخش لگن و... بود. سپس آن ها سینتیک قدم زدن را با تحلیل نیروهای ماهیچه ای و هم چنین نیروهای گرانشی و عکس العمل سطح، یعنی تمام نیروهایی که برای فشار بدن به طرف جلو و کنترل جابجایی قطعه ای بدن لازم بودند، بررسی کردند.
Dillman (1971)، سینماتیک و سینتیک حرکت تاب خوردن پا را در طول دویدن، مطالعه کرد. در حالی که، plangenhoef (1968)روش مطالعه دینامیک را با استفاده از یک کامپیوتر پیشنهاد نمود. در حال حاضر صدها مطالعه و بررسی مربوط به استاتیک و دینامیک فعالیت های بدن، ارائه و منتشر گردیده است.
با وجود آن که بیومکانیک از لحاظ انجمن های رسمی بین المللی دانش نوینی به حساب می آید اما تاریخچه پیدایش و ادامه حیات آن چیز دیگری را نشان می دهد:
در بررسی هایی که در مطالعات ارسطو در قرن 14 پیش از میلاد صورت گرفته است، مشخص شده که وی قصد داشته تا با استفاده از تحلیل های هندسی، کارکرد ماهیچه ها را در تولید حرکت حیوانات توصیف کند.
حدود 2000 سال بعد، لئوناردو داوینچی (1519-1425 بعد از میلاد) در نقاشی های آناتومیکی معروفش، مکانیک ایستادن، راه رفتن و پریدن را تشریح کرد و گالیله(1643-1564بعد از میلاد) حدود صد سال بعد اولین تلاش ها را برای آنالیز ریاضی کارکردهای فیزیولوژیکی انجام داد. به خاطر تلاش های پیشگامانهwilliam Harvey (1657-1578 بعد از میلاد) در تعریف آناتومیکی سیرکولاسیون خون در بدن، او را پدر مكانیك سیالات زیستی(biofluid) مدرن می دانند. Alfonso Borelli را نیز به خاطر فعالیت های گسترده اش در زمینه تفسیر و توضیح نیروهایی که توسط ماهیچه تولید می شود، نقش استخوان ها به عنوان محور و ارتباط تنگاتنگ سیستم استخوانی با ماهیچه ها، پدر مکانیک جامدات زیستی (biosolid) قلمداد می کنند.
از اولین متونی كه به بررسی كمی بیومكانیك راه رفتن و آنالیز گیت (gait) می پرداخت، می توان به كتابDe Muto Animalum نوشتۀ Borelli اشاره كرد. وی شاگرد گالیله بود و در كارهایش از نتایجی كه گالیله در مطالعات خود به دست آورده بود برای پیشبرد اهدافش در زمینه مطالعه بیومكانیك استفاده نمود.
كارهای این پیشگامان در زمینه بیومكانیك توسط افراد بزرگی نظیر Isaac Newoton (1727-1642بعد از میلاد)، Danie Bernoulli(1782-1700بعداز میلاد)،Jean.L.M Poiseuille (1869-1799بعد از میلاد)، Thomas Young(1829-1773بعد از میلاد) و بسیاری دیگر پیگیری شد. بررسی تمام فعالیت ها و اقدامات این افراد در زمینه بیومكانیك نیاز به فضایی بسیار زیاد برای توضیح دارد كه در این بحث نمی گنجد. اما با نگاهی گذرا به این اسامی قوانین معتبر علوم فیزیكی و مهندسی به ذهن می آید. برای مثال معادله برنولی در هیدرودینامیك، مدول یانگ در تئوری الاستیسیته، معادله پویسوله برای سیالات و... . براستی اولین جرقه ها برای بیان این قوانین و معادلات از كجا آغاز شد؟ از بررسی سیستم های صنعتی!!!؟ بسیاری از این قوانین و معادلات از مطالعات فیزیولوژیكی و پزشكی برای بررسی و تشریح ساختار و كاركرد سیستم های حیاتی نشأت گرفته اند.
اما نكته بسیار مضحك در این زمینه، این است كه تأثیر این قوانین بر پیشرفت صنعت بیش از اثری بود كه مطالعات فیزیولوژیك گذاشتند. این امر ضرورت وجود شاخه ای از علوم مهندسی به نام مهندسی پزشكی را به خوبی روشن می كند. دانشی كه امروزه در سرتاسر دنیا به صورت گسترده ای مورد توجه قرار گرفته است.
اما سوالی كه ممكن است در این قسمت مطرح شود این است كه وارد كردن علم مكانیك در حوزه مباحث زیستی و حیاتی چه ثمری دارد؟ و اگر علمی به نام بیومكانیك وجود نمی داشت، چه اتفاقی رخ می داد؟
برای پاسخ به این گونه سؤالات و روشن شدن ضرورت وجود دانش بیومكانیك چند مثال می زنیم:
رشد و نمو در انسان از آغاز تولد شروع می شود و به صور مختلفی در بخش های متفاوت بدن، در تمام طول حیات ادامه می یابد. نیروهای مكانیكی می توانند اثر عمده ای بر رشد بدن ایجاد كنند. نیروهای عمود بر بدن به آن اجازه می دهند تا به یك روش نمونه رشد كند. برای مثال ساختار داخلی كلی استخوان عمدتاً با تعداد دفعات بارگذاری بر روی استخوان كنترل می شود. حال فرض كنید در زمان رشد سریع، نیروهایی غیر طبیعی بر بدن وارد شود، این مسئله می تواند منجر به الگوهای رشد غیر عادی شود.
اگر بتوانیم تعیین كنیم كه یك تغییر شكل چگونه ایجاد شده یا می شود، قادر خواهیم بود تا نیروهای تغییر شكل دهنده را رفع كنیم و نیروهایی را به كار بریم كه می توانند فرآیند را معكوس نموده و آن را تصحیح نمایند. درمان بسیاری از تغییر شكل های مادرزادی و غیرمادرزادی توسط ابزارآلات توانبخشی نظیر ارتزها، نمونه هایی برای فهم اصول بیومكانیكی به كاررفته در رشد و نمو می باشند.
از زمانی كه رونگتن اشعه ایكس را به صورت اتفاقی كشف نمود تا به امروز تحقیقات و مطالعات فراوانی بر روی تجهیزات و روش های تشخیصی در پزشكی انجام گرفته است. بسیاری از این روش ها بر مبنای خواص مكانیكی بافت های مختلف بدن صورت گرفته است. یكی از جدید ترین بررسی ها در این زمینه " الاستوگرافی" است.
الاستوگرافی با استفاده از تكنیك امواج فرا صوتی (Ultrasound) میزان سختی و سفتی بافت ها را تصویر می كند. تفاوت میزان سختی در بافت های سرطانی نسبت به بافت های اطرافشان باعث بروز كنتراست در تصویر حاصل می شود و تشخیص سرطان (خصوصاً در سرطان سینه و پروستات) را برای پزشك به سادگی ممكن می كند. این مثال نیز كاربرد بیومكانیك را در مددرسانی به رشته پزشكی به خوبی روشن می كند.
از این دست مثال ها به فراوانی می توان در زندگی روزمره انسان ها، در محیط كار و زندگی مشاهده كرد. در یك محیط كار سالم و امن در درجه اول حفظ سلامت كارگر در محیط كار مطرح می شود نه ساخت مصنوعات صنعتی. كارگران در محیط كارشان با وسایل مختلفی سروكار دارند كه هر یك می توانند سلامت آن ها را به مخاطره بیاندازد. ارگونومی رشته ای است كه در رابطه با طراحی دستگاه ها، ابزار، تجهیزات و وظایفی می باشد كه سازگار با ویژگی های آناتومیك، فیزیولوژیك، ادراكی، رفتاری و مكانیكی انسان ها هستند. تحلیل مكانیكی حركت و وضعیت بدن در طول كار به ارگونومیست اجازه می دهد تا اعمال غیرایمن و شرایط غیر ایمن را تشخیص دهد.
منبع: www.dezmed.com
/س
