طراحی و شبیه سازی ارتز قوزک بیمار محور با عملگر فنر پیچشی

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، دانشکده بیومدیکال فیزیولوژی و کینزیولوژی، دانشگاه سایمن فریزر، کانادا

2 نویسنده مسئول، دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، ایران

3 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، ایران

4 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، ایران

چکیده

افتادگی مچ پا یکی از اختلالات عصبی- عضلانی می­باشد که از  ضعف یا فلج بودن عضلات پری­تیبیال نشأت می گیرد. دو عارضه اصلی افتادگی مچ پا، برخورد ضربه­ای کف پا بعد از فاز برخورد اولیه و کشیده شدن انگشتان پا بر زمین در طی فاز گام­برداری می­باشد. در این مقاله با طراحی ارتز مناسب، نیاز بیماران مختلف دارای ضعف عضله­ی پری­تیبیال در دو فاز گام­ برداری و فاز پاسخ بارگزاری پاسخ داده شده است. مقدار گشتاور مورد نیاز در هر گام زمانی برای تقلید سفتی مفصل قوزک سالم با استفاده از نرم افزار اپن سیم و داده برداری آنالیز حرکت، به صورت بهینه شده محاسبه می‌شود. سپس با استفاده از فنر پیچشی، گشتاور مورد نیاز جهت اصلاح سفتی مفصل دو بیمار با مقدار ضعف عضلانی متفاوت را باز تولید کردیم. با طراحی جداگانه ارتز برای هر بیمار با مقدار ضعف عضلانی مختلف، توانستیم با استفاده از ارتز پیشنهاد شده پروفایل سفتی مفصل سالم را تقلید کرده و امکان تجربه سیکل گیت بهتر را برای هر بیمار به وجود بیاوریم.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Deshpande, M., "Towards a Shape Memory Alloy Based Variable Stiffness Ankle Foot
Orthosis", The University of Toledo Publisher, Toledo, United States, (2012).
[2] Simonsen, E. B., Moesby, L. M., Hansen, L. D., Comins, J., and Alkjaer, T., "Redistribution of Joint Moments During Walking in Patients with Drop Foot", Clinical Biomechanics, Vol. 25, No. 9, pp. 949-952, (2010).
[3] Stansbury, L. G., Lalliss, S. J., Branstetter, J. G., Bagg, M. R., and Holcomb, J. B.,
"Amputations in US Military Personnel in the Current Conflicts in Afghanistan and Iraq", Journal of Orthopaedic Trauma, Vol. 22, No. 1, pp. 43-46, (2008).
[4] Gracies, J. M., "Pathophysiology of Spastic Paresis. I: Paresis and Soft Tissue Changes",
Muscle & Nerve, Vol. 31, No. 5, pp. 535-551, (2005).
[5] Gracies, J. M., "Pathophysiology of Spastic Paresis. II: Emergence of Muscle Overactivity", Muscle & Nerve, Vol. 31, No. 5, pp. 552-571, (2005).
[6] Wu, K. K.. "Foot Orthoses: Principles and Clinical Applications", Journal of Prosthetics and Orthotics, Vol. 2, No. 2, pp. 12, (1990).
[7] Nielsen, C. C., "Issues Affecting the Future Demand for Orthotists and Prosthetists: Update 2002: A Study Updated for the National Commission on Orthotic and Prosthetic Education, National Commission on Orthotic and Prosthetic Education, Alexandria, Virginia, United States, May (2002).
[8] Yadollahi, E., "Exoskeleton Robot to Assist in Gait Cycle, MS Thesis", Departement of
Mechanical Engineering, Sharif University of Technology,Tehran, (1390).
[9] Sadeghian, F., Davoudi, M., Meftahi, N., Parnianpour, M., and Karimpour, M., "Analysis
and Simulation of the Effect of Knee Structure on the Condylar Forces", Journal of Clinical
Physiotherapy Research, Vol. 4, No. 3, pp. 20-24, (2016).
[10] Deberg, L., Taheri Andani, M., Hosseinipour, M., and Elahinia, M., "An SMA Passive
Ankle Foot Orthosis: Design, Modeling, and Experimental Evaluation", Smart Materials
Research, Vol. 2014, No. 6, pp. 1-11, (2014).
[11] Andani M. T., and Elahinia, M., "Modeling and Simulation of SMA Medical Devices
Undergoing Complex Thermo Mechanical Loadings", Journal of Materials Engineering
and Performance, Vol. 23, No. 7, pp. 2574-2583, (2014).
[12] Mataee, M. G., Andani, M. T., and Elahinia, M., "Adaptive Ankle Foot Orthoses Based on Superelasticity of Shape Memory Alloys", Journal of Intelligent Material Systems and
Structures, Vol. 26, No. 6, pp. 639-651, https://doi.org/10.1177/1045389X14544145,
(2014).
[13] Mataee, M. G., Andani, M. T., and Elahinia, M., "Adaptive Ankle Foot Orthoses Based on Superelasticity of Shape Memory Alloys", Journal of Intelligent Material Systems and
Structures, Vol. 26, No. 6, pp. 639-651, (2015).
[14] Pittaccio, S., and Viscuso, S., "Shape Memory Actuators for Medical Rehabilitation and
Neuroscience", Intech Open Access Publisher, Picardy, France, (2012).
[15] Sadeghian, F., Zakerzadeh, M. R., Karimpour, M., and Baghani, M., "Compliant Orthoses for Repositioning of Knee Joint Based on Super Elasticity of Shape Memory Alloys", Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 29, No. 15, pp. 3136-3150, (2018).
[16] Sadeghian, F., Zakerzadeh, M. R., Karimpour, M., and Baghani, M., "Numerical Study of Patient Specific Ankle Foot Orthoses for Drop Foot Patients using Shape Memory Alloy",
Medical Engineering & physics, Vol. 69, No. 5, pp. 123-133, (2019).
[17] Vaughan, C. L., Davis, B. L., and O'connor, J. C., "Dynamics of Human Gait, Human
Kinetics", Publishers Champaign, Illinois, United States, (1992).
[18] Gage, J., "An Overview of Normal Walking", Journal of Instructional Course Lectures,
Vol. 39, No. 2, pp. 291, (1990).
[19] Perry, J., and Davids, J. R., "Gait Analysis: Normal and Pathological Function", Journal of Pediatric Orthopaedics, Vol. 12, No. 6, pp. 815, (1992).
[20] Capaday, C., "The Special Nature of Human Walking and Its Neural Control", Trends in
Neurosciences, Vol. 25, No. 7, pp. 370-376, (2002).
[21] Ludvig, D., and Kearney, R. E., "Intrinsic, Reflex and Voluntary Contributions to Task
Dependent Joint Stiffness", in Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC),
August 2010 Annual International Conference of the IEEE, Buenos Aires, Argentina,
(2010).
[22] Delp, S. L., Loan, J. P., Hoy, M. G., Zajac, F. E., Topp, E. L., and Rosen, J. M., "An
Interactive Graphics Based Model of the Lower Extremity to Study Orthopaedic Surgical
Procedures", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 37, No. 8, pp. 757-767,
(1990).
[23] "http://simtk-confluence.stanford.edu:8080/display/OpenSim/How+Scaling+Works.."
[24]"http://simtkconfluence.stanford.edu:8080/display/OpenSim/How+Inverse+Kinematics+
Works.."
[25] Seth, A., Sherman, M., Reinbolt, J. A., and Delp, S. L., "OpenSim: A Musculoskeletal
Modeling and Simulation Framework for in Silico Investigations and Exchange", Procedia
Iutam, Vol. 2, No. 1, pp. 212-232, (2011).
[26] "http://simtk-confluence.stanford.edu:8080/display/OpenSim/How+CMC+Works.."
[27] Sadeghian, F., Karimpour, M., Zakerzadeh, M. R., and Baghani, M., "Design and Analysis of a Knee Ankle Foot Orthosis using Torsional Spring", Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 10, pp. 185-193, (2017).
[28] Thelen, D. G., and Anderson, F. C., "Using Computed Muscle Control to Generate
Forward Dynamic Simulations of Human Walking from Experimental Data", Journal of
Biomechanics, Vol. 39, No. 6, pp. 1107-1115, (2006).