المبادئ الميكانيكية الحيوية في الأطراف الصناعية وتقويم العظام

 

الأجهزة التعويضية والتقويمية التي سيتم مناقشتها هي أجهزة يتم تطبيقها خارجيًا على جسم المستخدم لاستبدال جزء مفقود من الجسم (بدلة) أو لاستبدال وظيفة مفقودة (تقويم العظام). في النهاية، الهدف من الجهاز هو تحسين تنقل المستخدم وقدرته على أداء الوظائف اليومية والأنشطة.

 

من أجل تحقيق أهدافهم، تطبق الأجهزة التعويضية وتقويم العظام قوى على تشريح المستخدم وفقًا لقواعد الميكانيكا. وبالتالي، يجب على الممارسين، الذين يحددون الحاجة إلى التطبيقات ثم يختارون المرضى معهم أو يصفونهم ويلائمون ويدربون المرضى معهم أن يفهموا الميكانيكا الحيوية لكيفية تطبيق الأجهزة للقوى بالإضافة إلى السلوك الميكانيكي الحيوي لوحدة المستخدم أو الجهاز أثناء الأنشطة الوظيفية والتنقل.

 

يتم مناقشة مبادئ النشاط الحيوي المختارة ذات الصلة ويوضح تطبيقاتها في الأجهزة التعويضية وتقويم العظام. بالإضافة إلى ذلك، الطرق الشائعة لتقييم المشية والتنقل الوظيفي، بما في ذلك أمثلة على كيفية استخدام الممارسين لهذه التقييمات في اتخاذ القرارات السريرية مع المرضى الذين يستخدمون الأجهزة التعويضية أو تقويم العظام.

 

تطبيقات في تصميم ووظائف أجهزة تقويم

 

تطبق الأجهزة التعويضية وتقويم العظام قوى على أجزاء الجسم لإنتاج أو تقييد أو التحكم أو منع الحركة من أجل تحقيق وظيفة محسنة لمستخدميها، يتم وصف الطرق التي تولد من خلالها الأجهزة وتتعامل مع القوى واللحظات التي يتم استخدامها بعد ذلك للتأثير على الحركة.

 

كما يتم مناقشة العوامل الميكانيكية الحيوية والبيولوجية التي يجب أخذها في الاعتبار للتفاعل بنجاح بين جهاز تقويمي وعظام اصطناعي مع تشريح المستخدم، يجب أن يفهم الممارسون هذه المبادئ ويطبقونها أثناء الوصفات الطبية والتقويمية والفحص والتقييم والتدريب من أجل تحقيق النتائج الوظيفية المرجوة، فضلاً عن ملاءمة الجهاز ووظيفته وراحته وتكوينه الإجمالي.

 

طرق تطبيق القوة لإنتاج الحركة

 

تسمى الأجهزة أو المكونات المصممة لتوليد القوى التي تنتج الحركة بالديناميكية، هناك مجموعة متنوعة من الطرق التي يمكن من خلالها إنتاج القوى بواسطة هذه الأجهزة الديناميكية وتشمل هذه:

 

  • اختيار المواد والمكونات التي تخزن وتطلق الطاقة.

 

  • تصميم الجهاز وخطوطه الزخرفية لتسهيل الحركة.

 

  • باستخدام محاذاة الجهاز والمكونات أثناء وظيفة حمل الأثقال أو استخدام التحفيز الكهربائي الوظيفي للعضلات غير الوظيفية أو الإشارات الكهربية العضلية المكبرة لتشغيل المحركات الكهربائية الصغيرة لإنتاج الحركة.

 

المواد والمكونات لتخزين وإطلاق الطاقة

 

تستخدم مجموعة متنوعة من المواد المختلفة في تصنيع الأجهزة التعويضية وتقويم العظام، كما يتم وصف هذه المواد وخصائصها، حيث تتمثل إحدى طرق تصنيع التصميم الذي ينقل القوى إلى جزء من الجسم في تكوينه من مواد تخزن الطاقة عند تشوهها وإطلاقها عند عدم تقييدها ومن الأمثلة على هذه المواد المطاط وبعض اللدائن الحرارية والبلاستيك المركب أو الرقائق، مثل ألياف الكربون والمعادن الخفيفة الوزن والقوية مثل التيتانيوم وكثيرًا ما تستخدم الألياف الكربونية والمواد المركبة الأخرى لتحقيق هذا الهدف لأنها متينة وخفيفة الوزن ومقاومة للإجهاد.

 

أحد التطبيقات الشائعة لمواد تخزين الطاقة هو بناء الأجهزة للمرضى الذين يعانون من فقدان الانثناء الاختباري النشط، كما يعد نشاط عضلات الانحناء الأخمصي مكونًا مهمًا في دعم الأطراف السفلية والدفع أثناء مرحلة الوقوف في المشي، كما تُفقد هذه الوظيفة نتيجة تَلَوُّط الأطراف السفلية أو شلل العضلات أو ضعفها الذي قد يحدث مع إصابة الدماغ أو اعتلال الأعصاب المحيطية، يمكن للقدم الاصطناعية الجافة أو جهاز التقويم الصلب أن يوفر بعض الدعم للوسط ولكن لا يمكن أن يساهم في الدفع الديناميكي.

 

ومع ذلك، فإن القدم الاصطناعية أو أجهزة التقويم المصنوعة من مواد مرنة لتخزين الطاقة تتشوه أثناء الانثناء الظهري السلبي للوسط عندما ينزلق الجسم للأمام فوق قدم الوقوف (تخزين الطاقة) ثم يطلق الطاقة كقوة للثني الأخمصي في الموقف المتأخر أثناء تفريغ الطرف.

 

هذا الإجراء من الطرف أو التقويم يسهل بعض الدفع الديناميكي. في هذا المثال، تتشوه المواد التعويضية التقويمية المرنة لتخزين الطاقة بشكل مشابه للطريقة التي تنحرف فيها لوحة الغوص عندما يهبط الغطاس. أثناء هذا الانحراف، تخزن لوحة الغوص الطاقة التي تعيدها لأنها تدفع الغطاس في الهواء، كما تعمل المكونات الاصطناعية وتقويم العظام المختلفة العصابات المرنة، بشكل ديناميكي لإنتاج قوى تحل محل الوظائف المفقودة.

 

على سبيل المثال، يمكن للمريض الذي يعاني من ضعف وظيفة العضلات الباسطة في اليد استخدام جبيرة ديناميكية ذات أشرطة مرنة لتحل محل الامتداد النشط المفقود للمفاصل السنعية الدماغيّة، كما يمكن توفير القوة المساعدة لعطف القدم للمريض الذي يعاني من انخفاض القدم عن طريق اختيار مفصل الكاحل لتقويم العظام مع زنبركات موصلة بحيث يتم ضغطها أثناء الانثناء الأخمصي والارتداد (مما ينتج عنه عطف ظهري) عندما يتم تفريغ الطرف أثناء التأرجح.

 

تصميم الأجهزة

 

يتم تصنيع الأجهزة من مجموعة متنوعة من المواد البلاستيكية الحرارية التي يتم تشكيلها وفقًا لجسم المريض. بالإضافة إلى الخصائص الميكانيكية للمواد المستخدمة، يؤثر تصميم الجهاز أو شكله على صلابته أو مرونته وبالتالي قدرته على الحد من الحركة أو تسهيلها، كما يوفر البلاستيك المقولب شائع الاستخدام مثالاً على تأثير موقع خط التشذيب على مرونة تقويم العظام.

 

يشتمل المقولب على لوحة القدم (حشوة الحذاء) وقذيفة العجل الخلفي، كما يحدد موقع خطوط القطع (حواف الجهاز) عرض التورم في الكاحل وصدفة الساق، يزداد العرض ويصبح الجهاز التقويمي أكثر صلابة وأكثر تقييدًا للحركة، يحدث تشوه أثناء الوقوف و الربيع الذي يؤدي إلى ثني ظهري أثناء التأرجح، كما يسمح تصميمه لهذا الجهاز المكون من قطعة واحدة بدون أجزاء متحركة، بالتصرف بشكل مشابه للجهاز المحمّل بالزنبرك.

 

التحفيز الكهربائي الوظيفي

 

عندما يكون تقلص العضلات ضعيفًا جدًا بحيث لا ينتج عنه قوة كافية للأنشطة الوظيفية، فإن التحفيز الكهربائي البديل لجهاز تقويم تقليدي قد يكون أكثر تجميليًا وأقل حجمًا وأقل تقييدًا، كما تم استخدام التحفيز الكهربائي إلى العصب أو العضلات بمفرده أو بالاشتراك مع جهاز تقويم لتحسين الوظيفة لدى الأفراد الذين يعانون من اضطرابات عضلية عصبية مثل السكتة الدماغية أو إصابة الحبل الشوكي غير المكتملة. على سبيل المثال، تم استخدام التحفيز الكهربائي للعصب الشظوي الشائع لتحسين عطف ظهري لتحسين إزالة الأطراف أثناء التأرجح والمشي والسرعة والقدرة على التحمل.

 

مصادر الطاقة الخارجية

 

تستخدم بعض الأجهزة التعويضية وتقويم العظام مصادر قوة خارجية لإنتاج القوى اللازمة للحركة. من الأمثلة على مصادر الطاقة الخارجية المستخدمة في الأجهزة التعويضية أو أجهزة تقويم العظام المحركات الكهربائية الصغيرة التي يتم التحكم فيها بواسطة الإشارات الكهربية العضلية للمستخدم والعضلات الهوائية المتصلة بأجهزة تقويم العظام.

 

على الرغم من أن الأطراف الصناعية العلوية التي يتم التحكم فيها كهربائيًا عضليًا كانت قيد الاستخدام التجاري لعدة سنوات، يتم استخدام العضلات الهوائية المرتبطة بأجهزة تقويم العظام بشكل تجريبي في الوقت الحالي ولكن التطبيقات التجارية في إعادة التأهيل ما زالت في مراحل التطوير، أحد التطبيقات الواعدة هو عضلة هوائية يتم التحكم فيها عن طريق الكهربي العضلي متصلة بجهاز تقويم لمساعدة الانثناء العضلي.