30381

طراحي ارتز كامپوزيتي جهت بهبود عملكرد مفصل زانو

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- طراحي كاربردي ـ مكانيك جامدات

1400

1402/6/31

بيژن محمدي

مهندسي مكانيك

بيماري استئوآرتريت زانو يكي از شايع ترين و ناتوان كننده ترين آسيب‌هاي مفصلي است. در ميان روش‌هاي درماني مختلف، يكي از روش‌هاي بسيار تاثيرگذار و غيرتهاجمي، استفاده از ارتزهاي كاهنده نيروي تماس مفصلي مي‌باشد. استفاده از اين ارتزها مي‌تواند موجب كاهش درد بيمار و در نتيجه افزايش فعاليت و سطح كيفيت زندگي گردد. با توجه به اهميت استئوآرتريت مفصل پاتلافمورال و عدم وجود ارتز پيشرفته جهت كاهش نيروهاي تماسي اين مفصل، در كشور و نيز محدود بودن آن در بازار جهاني، طراحي علمي و تحليل اين دستگاه در اين پژوهش انجام گرفته‌است. عامل ايجاد نيروي برايند فشاري بر مفصل پاتلافمورال، اعمال نيروي عضله چهارسر و به دنبال آن نيروي كششي در تاندون پاتلا مي‌باشد. به اين منظور در طراحي ارتز، مكانيزمي به صورت موازي با عضله چهارسر و با همان عملكرد طراحي شد تا بتواند فعاليت اين عضله را كاهش دهد. سپس بررسي اثر ارتز طراحي شده بر بهبود عملكرد مفصل زانو، از طريق تحليل‌هاي بيومكانيكي در نرم افزار اپن‌سيم صورت گرفت. به اين منظور، ابتدا در محيط نرم افزار، مدل‌سازي ارتز به صورت يك عملگر با خواص مكانيكي مشخص انجام شد. سپس شبيه‌سازي و تحليل حركت اسكات و راه رفتن با استفاده از يك مدل اسكلتي‌عضلاني معتبر و نيز داده‌هاي آزمايشگاهي آناليز حركتي مربوط به يك فرد با مشخصات فيزيكي معين، انجام گرفت. در نتيجه كاهش نيروي فشاري مفصل پاتلافمورال، به‌ازاي عملگر با سفتي 10000N⁄m براي فردي با وزن 66/6 كيلوگرم، در حركت اسكات و در فلكشن 90 درجه، مقدار60 درصد گزارش شد. در نهايت براي كاهش نيروي همسترينگ در حركت راه رفتن، مكانيزم دستگاه، اصلاح شده و به سيستم خودكار تغيير سفتي عملگر مجهز گرديد. در ادامه به‌منظور مشاهده دقيق عملكرد مكانيزم طراحي شده و بررسي الزامات مونتاژ صحيح قطعات، نمونه سازي اوليه مكانيزم، به‌روش چاپ 3 بعدي انجام شد و مونتاژ مكانيزم بر روي بدنه يك ارتز سه نقطه ‌فشار اصلاحي، صورت گرفت. همچنين جهت اطمينان از استحكام ارتز و انتخاب صحيح مواد سازنده آن، با انجام تحليل اجزاء محدود، تنش‌هاي وارد بر قطعات اصلي مكانيزم و بدنه ارتز و نيز اجزاء اتصال دهنده، بررسي و با مقادير استحكامي هر كدام، مقايسه شد و در نهايت ايمني سازه طراحي شده، تاييد ‌گرديد.

1402/11/03

Designing a composite orthosis to improve knee joint function

1/1/1900 12:00:00 AM

Osteoarthritis of the knee is one of the most common and disabling joint disorders. Among various treatment methods, one highly effective and non-invasive approach is the use of joint-contact force-reducing orthoses. The use of these orthoses can lead to a reduction in patient pain, consequently increasing activity and improving quality of life. Given the importance of patellofemoral joint osteoarthritis and the lack of advanced orthoses to reduce contact forces in this joint, both nationally and globally, scientific design and analysis of such a device were conducted in this study. The factor generating forces on the patellofemoral joint is the pressure on the patellofemoral joint, the force exerted by the quadriceps muscle, and the subsequent tensile force on the patellar tendon. Therefore, in the orthosis design, a mechanism parallel to the quadriceps muscle with the same function was designed to reduce the activity of this muscle. Subsequently, the effect of the designed orthosis on improving knee joint function was investigated through biomechanical analyses in the OpenSim software. For this purpose, orthosis modeling was initially performed as an operator with specific mechanical properties in the software environment. Then, simulation and analysis of squatting and walking movements were carried out using a valid musculoskeletal model and laboratory motion analysis data related to an individual with specific physical characteristics.As a result, a 60% reduction in patellofemoral joint pressure force was reported for an individual with a weight of 66.6 kg, using an orthosis with a stiffness of 10000 N/m in a squatting motion at a 90-degree flexion. Finally, to reduce hamstring force during walking, the mechanism of the device was modified, and an automatic system for adjusting the operator's stiffness was added. Further, for a detailed observation of the performance of the designed mechanism and the examination of the requirements for proper assembly of components, the initial prototype of the mechanism was 3D-printed, and the mechanism was assembled on the body of a three-point corrective pressure orthosis. Additionally, to ensure the strength of the orthosis and the proper selection of its constituent materials, finite element analysis was conducted to examine the stresses imposed on the main components of the mechanism, orthosis body, and connecting elements. The results were compared with the strength values of each, and ultimately, the safety of the designed structure was confirmed.

آرتريت زانو , ارتزكاهنده نيروي تماس مفصلي , مفصل پاتلافمورال , شبيه‌سازي حركتي

Knee arthritis , joint-contact force-reducing orthosis , patellofemoral joint , motion simulation

Mohammad Yoosef Salehabadi

Dr. Bijan Mohammadi