30027

طراحي بهينه پروتز زانوي مصنوعي به منظور بهبود پايداري و خواص سينماتيكي، همزمان با تطبيق بهتر با ICR زانوي طبيعي

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك_بيومكانيك

1402

1402/6/29

دكتر سياوش كاظمي راد

مكانيك

هدف: هدف اصلي از اين پژوهش ارائه يك پروتز پايدار پسيو زانو با استفاده از مكانيزم چهار ميله اي و بهينه سازي اين مكانيزم به منظور ارضاي چندين پارامتر مهم در راستاي خواص سينماتيكي زانو است. هدف ثانويه اين پژوهش نيز طراحي يك پروتز چهار ميله اي زانو با استفاده از داده هاي بهينه شده هدف قبلي است. مواد و روش‌ها: به منظور بهينه سازي مكانيزم از نرم افزار متلب استفاده شد. روش هاي بهينه سازي مختلفي بررسي گرديد و در نهايت از روش بهينه سازي TLBO يا همان روش بهينه سازي مبتني بر آموزش و يادگيري استفاده شد. با استفاده از اين روش در نرم افزار متلب بهينه سازي انجام گرفت و داده هاي مورد نياز براي طراحي مكانيزم استخراج شد و سپس اين داده ها در نرم افزار كتيا مورد بررسي قرار گرفت و در نهايت در نرم افزار SAM بر روي يك مكانيزم چهار ميله اي پياده شد و داده هاي مورد نياز براي تحليل مكانيزم از آن بدست آمد. اساس مقايسه در بهينه سازي مكانيزم چهار ميله اي، مركز چرخش آني مكانيزم و مقايسه آن با مركز چرخش زانوي نرمال در يك پژوهش پيشين بود. در نهايت بهترين مكانيزم بهينه شده در نرم افزار كتيا طراحي و در نرم افزار ساليدورك شبيه سازي شد. يافته‌ها: بهينه سازي انجام گرفت و داده هاي بسياري در نرم افزار SAM شكل گرفت و با مركز چرخش آني زانوي طبيعي مقايسه شد و در نهايت سه مكانيزم چهار ميله اي مختلف به منظور ارائه قابليت هاي گوناگون معرفي گرديد. مكانيزم اول يك پروتز به منظور راه رفتن فرد در درجات فلكشن تا محدوده 70 درجه بود. اين پروتز نسبت به پروتز مورد مقايسه انطباق بيشتر با مركز چرخش آني زانو را تا 93 درصد نشان ميداد. مكانيزم دوم به منظور ارائه يك پروتز با درجات فلكشن بسيار بالا بود. اين مكانيزم نيز با ابعادي قابل قبول خطاي تعريف شده كد بهينه سازي را 85 درصد كاهش مي داد. در نهايت ماحصل اين پژوهش ارائه يك مكانيزم چهار ميله اي با چند خصوصيت مهم بود. اين مكانيزم نهايي علاوه بر انطباق قابل قبول با مركز چرخش آني در نقاط حساس قادر به ارائه درجات فلكشن بالايي نيز بود كه خصوصيات دو پروتز قبلي را در بر مي گرفت. هم چنين مكانيزم نهايي ارائه شده پايداري قابل توجهي را در ابتداي فاز ايستايش ارائه مي داد كه يكي از اهداف اين پژوهش بود. نتيجه‌گيري: باتوجه به يافته هاي پژوهش مي توان مكانيزمي چهار ميله اي و پسيو را براي ساخت يك پروتز زانو به كار برد. پروتز ساخته شده با اين ابعاد و ويژگي هاي بهينه شده قادر خواهد بود كه 125 درجه فلكشن را در اختيار كاربر قرار دهد و در درجات ابتدايي فاز ايستايش پايداري قابل قبولي را از خود نشان دهد.

1402/08/21

Optimal design of an artificial knee prosthesis to improve stability and kinematic properties, while better matching the ICR of the natural knee

9/19/2024 12:00:00 AM

Purpose: The main purpose of this research is to present a stable passive knee prosthesis using a four-bar mechanism and to optimize this mechanism in order to satisfy several important parameters in line with the kinematic properties of the knee. The secondary goal of this research is to design a four-bar knee prosthesis using the optimized data of the previous goal. Materials and methods: MATLAB software was used to optimize the mechanism. Various optimization methods were investigated and finally the TLBO optimization method or the optimization method based on training and learning was used. Using this method, optimization was done in MATLAB software and the data required for the design of the mechanism was extracted, and then these data were analyzed in the Katia software and finally in the SAM software on a four-bar mechanism. It was implemented and the data needed to analyze the mechanism was obtained from it. The basis of the comparison in the optimization of the four-bar mechanism was the instantaneous rotation center of the mechanism and its comparison with the normal knee rotation center in a previous research. Finally, the best optimized mechanism was designed in Katia software and simulated in SolidWorks software. Findings: optimization was done and a lot of data was formed in SAM software and compared with the instantaneous center of rotation of the natural knee, and finally three different four-bar mechanisms were introduced in order to provide different capabilities. The first mechanism was a prosthesis for the person to walk in degrees of flexion up to 70 degrees. Compared to the compared prosthesis, this prosthesis showed greater compliance with the center of instantaneous rotation of the knee up to 93%. The second mechanism was to provide a prosthesis with very high degrees of flexion. This mechanism also reduced the defined error of the optimization code by 85% with acceptable dimensions. Finally, the result of this research was to present a four-bar mechanism with several important features. This final mechanism, in addition to acceptable compliance with the instantaneous center of rotation in sensitive points, was also able to provide high degrees of flexion, which included the characteristics of the two previous prostheses. Also, the presented final mechanism provided significant stability at the beginning of the stop phase, which was one of the goals of this research. Conclusion: According to the findings of the research, a passive four-bar mechanism can be used to make a knee prosthesis. The prosthesis made with these dimensions and optimized features will be able to provide the user with 125 degrees of flexion and show acceptable stability in the initial stages of the standing phase.

پروتز , مكانيزم چهار ميله اي , مركز چرخش زانو

Prosthesis , four-bar mechanism , knee rotation center

Mohammadreza salamatvash

siavash kazemi rad