بیومکانیک و کاربردهای آن
بیومکانیک همانطور که از اسمش پیداست کابرد اصول مکانیک در سازو کارهای زیستی است. اصول ساده ای چون قوانین نیوتن می تواند در بیومکانیک استفاده شود تا به طور خاص ساز و کارهای پاتولوژیک را شناسایی کند و به حوزه پزشکی و جراحان کمک کند.
شاید بتوان گفت اولین دانشمندی که به معنی واقعی مطالعات بیومکانیک انجام داد لئوناردوداوینچی، بوده است. چرا که وی برای اولین بار به مطالعه ی آناتومی از دید مکانیک پرداخت. وی همچنین تلاش کرد تا با آنالیز حرکت برخی جانوران، نحوه تقلید آنها در ماشین خود را دریابد. برای مثال به مطالعه ی پرواز پرندگان پرداخت تا وسایل و طراحی لازم برای به پرواز درآوردن انسان را بیابد. از آنجا که اسب منبع اصلی حرکت در آن زمان بود، با مطالعه سیستم عضلانی آن، تلاش کرد ماشینی را طراحی کند که بازده بهتری نسبت به این حیوان داشته باشد.
برگی از دفتر خاطرات لئوناردو داوینچی
حوزه های کاربردی تحقیقات بیومکانیک شامل، مکانیک مایعات زیستی، آنالیز حرکات، بیومکانیک ورزش، مکانیک بافت، اندام های مصنوعی، بیوربات ها یا جراحی توسط ربات و بیومکانیک سیستم اسکلتی است.
بیومکانیک ورزش، با قوانین فیزیک مکانیک به آنالیز حرکات ورزشکاران و عملکرد عضلات، مفاصل و استخوان ها در هنگام ورزش می پردازد. کاربری این تحقیقات در کاهش صدمات ورزشی است. همچنین از نتایج این تحقیقات در توانبخشی و کمک به بهتر عمل کردن ورزشکاران استفاده می شود.
روش های مطالعاتی بیومکانیک
روش های عددی معمولاً برای اغلب مطالعات بیومکانیکی به کار می رود. تحقیقات در یک فرایند تکراری نظریه و تحقیق صورت می گیرد، که شامل مراحل مدل سازی، شبیه سازی کامپیوتری و ارزیابی های آزمایشگاهی و تجربی می باشد.
شبیه سازی در بیومکانیک
یکی از روش ها مورد استفاده در بیومکانیک شبیه سازی است. شبیه سازی به درک سیستم های زیستی کمک می کند. همچنین در درک شرایط سالم و بیمار یک اندام زیستی نقش دارد. به علاوه با کمک شبیه سازی، دانشمندان می توان طراحی آزمایشات تجربی را با دقت و خطای کمتری انجام دهند. در نهایت از دستاوردهای حاصل در طراحی و ساخت اندام های مصنوعی، ابزارهای پزشکی، ایمپلنت ها و ... بهره جویند. شبیه سازی در بیومکانیک یا به طور کل در مطالعات زیستی ممکن است دقت کافی نداشته باشد ولی برتری هایی نسبت به روش های تجربی دارد از جمله آنکه در شبیه سازی پارامترهای زیادی را می توان بررسی کرد. در یک فرایند زیستی عوامل زیادی دخیل اند، اما در روش شبیه سازی قدرت کنترل این عوامل وجود دارد و می توان نقش یک پارامتر را پررنگ تر از سایر پارامترها بررسی کرد.
از کاربردهای شبیه سازی در بیومکانیک به موارد زیر می توان اشاره کرد:
** محاسبه جریان در ارگان های زیستی، مثل جریان هوا در سیستم تنفس
** آنالیز تنش های سیستم عضله – اسکلت، برای مثال در هنگام تصادفات، برای ارزیابی صدمات و شکستگی ها جهت طراحی ایمپلنت های مناسب
**بررسی سرعت و میزان انتقال حرارت و جرم که برای مثال برای طراحی مناسب سیستم های دارورسانی سودمند است.
** پاسخ سلول ها به تحریکات مکانیکی
** ارزیابی رشد بافت ها و مدلسازی کردن آن
روش عناصر محدود در بیومکانیک
یک روش عددی که مبنای مدلسازی در بیومکانیک است روش «عناصر محدود» (Finite Element Method; FEM ) است. به این صورت با خطوط و نقاط فرضی فضای سطح یا حجم را به المان هایی گسسته سازی می کنند (شکل 1و 2). سپس با معادلات، معادله حرکتی را برای هر یک از عناصر محدود می نویسند (شکل 3). شرایط مرزی هم در معادلات لحاظ می گردد. در نهایت یک «ماتریکس حل» خواهیم داشت.
مسائل زیستی، هندسه پیچیده ای دارند و حل آنالیتیک آن ها دشوار است. استفاده از FEM این شکل های پیچیده را هم پوشش می دهد و با یک راه حل می تواند تعداد زیادی پارامترها را بر روی سیستم اعمال کند. FEM مسائل چند بعدی و چند فازی را در کنار هم بررسی می کند. مسائل استاتیکی و وابسته به زمان به راحتی با این روش شبیه سازی می شود. در حل مسائلی که به روش های دیگر غیرقابل حل و یا پرهزینه هستند، موثر و سریع عمل می کند.
با این روش می توان مسائلی از قبیل هدایت گرمایی، پتانسیل الکتریکی و مغناطیسی، اتصالات الاستیک، جریان سیالات، لرزش و ... و یا ترکیبی از این مسائل را شبیه سازی کرد.
خروجی فرایند در این روش معمولاً تنش، جابه جایی، انرژی و غیره است. ورودی می تواند تصویر MRI بیمار باشد، به طوری که شرایط مرزی از قبیل اتصالات، بارگذاری ها و ... در نظر گرفته شود.
داده حاصل از FEM برای مهره های C4 و C5 در حالت طبیعی (سمت چپ) و ضایعه خمیدگی کمر (سمت راست) تنش در این دو مهره در حالت خمیدگی کمر را نشان می دهد.
سمانه سادات عنایتی بخش دانش و زندگی تبیان
منابع:
Stephen C. Cowin StephenB.Doty. TissueMechanics. 2007 Springer Science.
C. Ross Ethier, Craig A. Simmons. Introductory Biomechanics From Cells to Organisms. CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS.
مطالب مرتبط:
