نرم افزارهای کاربردی در بیومکانیک

مهندسی پزشکی تخصصی میان رشته ای است که یکی از گرایش های مهم و پرکاربرد آن گرایش بیومکانیک می باشد. هدف اصلی بیومکانیک مطالعه ساختار، حرکت و عملکرد جنبه‌های حرکتی یک سیستم بیولوژیک، از کل ارگانیسم گرفته تا سلول‌ها است.

مهندسی بیومکانیک یا به عبارت دیگر بایومکانیک ، به بررسی علم مکانیک در علوم پزشکی می پردازد. به طور خلاصه ، مهندسی بیومکانیک کاربرد ِترکیبی از اصول مهندسی مکانیک و علوم بیولوژیکی می‌باشد و اینکه چگونه می توان از هر دو برای بهبود کیفیت زندگی انسان ها بهره گرفت. در این مقاله قصد داریم با نرم افزارهای کاربردی در بیومکانیک آشنا بشویم.

آشنایی با نرم افزار های پرکاربرد در بیومکانیک

از نرم افزارهای کاربردی در بیومکانیک میتوان به نرم افزارهای طراحی  مکانیکی از جمله CATIA  و Solidworks و همچنین طراحی بیولوژیکی مانند mimics  و 3D Slicer اشاره کرد.

به عنوان نمونه نرم افزار میمیکس یک نرم‌افزار برای پردازش تصاویر پزشکی و ایجاد مدل‌های سه بعدی است. این نرم‌افزار از تصاویر سطح مقطع دو بعدی پزشکی مانند توموگرافی محاسباتی و تصویربرداری رزونانسی مغناطیسی ، برای ایجاد مدل‌های سه بعدی استفاده می‌کند.

این مدل‌های سه بعدی می‌توانند مستقیماً برای ساخت نمونه سازی سریع ، مدل CAD ، شبیه‌سازی‌های جراحی و تحلیل‌های مهندسی مورد استفاده قرار گیرند.

 برخی نرم افزارها هم اصلاح هندسه سطوح بافت‌های مختلف بیولوژیکی و مکانیکی را انجام می‌دهند مانند Meshmixerو  Hypermesh . از ترکیب این نرم‌افزارها می‌توان به طراحی‌های فوق‌العاده‌ حرفه‌ای در حوزه ارتوپدی و توانبخشی (مانند ارتز، پروتز، اگزواسکلتون، ایمپلنت، ابزارهای مکانوتراپی و ….) دست یافت.

به عنوان مثال در پارس پژوهان دوره ای تحت عنوان تحلیل کامل بیومکانیکی برگزار میشود که این دوره هر سه نرم افزار mimics و CATIA و  Hypermesh را شامل میشود.

از دیگر نرم افزارهای کاربردی در بیومکانیک نرم ‌افزارهای حوزه تحلیل المان محدود هستند که عمدتاً مش‌بندی بافت‌ها، تحلیل‌های مختلف استاتیکی، شبه استاتیکی، دینامیکی، ضربه و… را انجام می‌دهند.

ABAQUS, ANSYS, COMSOL از جمله نرم افزارهای تحلیلی در حوزه بیومکانیک هستند که البته در مکانیک هم استفاده میشوند.

از دیگر نرم افزارهای کاربردی در بیومکانیک نرم افزار های مربوط به آنالیز حرکت هستند که در ادامه به آن میپردازیم.

آشنایی با نرم افزار های آنالیز حرکت در بیومکانیک

 نرم افزار kinovea 

یکی از نرم افزار مطرح در آنالیز حرکت نرم افزار kinovea می باشد. Kinovea یک نرم افزار تجزیه و تحلیل حرکت در افراد است. این نرم افزار قدرتمند برای محاسبه، ذخیره، تجزیه و تحلیل علمی و آماری حرکت های استاتیک و داینامیک به کار می رود. یکی از مزایای این نرم افزار، استفاده از آن به عنوان یک نرم افزار پیشرفته جهت تجزیه و تحلیل حرکت است.

از مزایای Kinovea می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• نرم افزاری سریع و ارزان قیمت
• انجام ارزیابی های استاتیک، داینامیک و کینماتیک بدون تهیه تجهیزات و وسایل گران قیمت
• استخراج گزارش های حاصل از ارزیابی در امور پژوهشی
• قابلیت نصب بر روی کلیه سیستم های کامپیوتری

 نرم افزار Mokka

از دیگر نرم افزارهای مطرح نرم افزار Mokka است که از آن برای آنالیز حرکت استفاده میشود و معمولا برای جدا سازی چرخه قدم ها استفاده میشود.

نرم افزار Opensim

Opensim یکی دیگر از نرم افزار های  مربوط به آنالیز حرکت است.  Opensim  یک نرم‌افزار متن باز برای شبیه‌سازی، مدل‌سازی و آنالیز در زمینه بیومکانیک است. هدف این نرم ارائه ابزار رایگان و گسترده برای تحقیق در زمینه بیومکانیک و علم کنترل موتور می باشد.

Opensim  طیف گسترده‌ای از مطالعات در مورد آنالیز دینامیک راه رفتن، عملکردهای ورزشی، شبیه‌سازی روش‌های جراحی، آنالیز عملکرد مفاصل، طراحی دستگاه‌های پزشکی و شبیه‌سازی حرکات انسان‌ها و حیوانات را ایجاد می‌کند. این نرم‌افزار تجزیه و تحلیل دینامیک معکوس و شبیه‌سازی دینامیک رو به جلو را انجام می‌دهد. اوپن‌سیم در صدها آزمایشگاه بیومکانیک در سراسر جهان برای مطالعه حرکت‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌است.

نرم افزار anybody 

از دیگر نرم افزارهای کاربردی در بیومکانیک حوزه آنالیز حرکت نرم افزار anybody  را میتوان نام برد.

نرم‌افزار مدل‌سازی AnyBody به عنوان قوی‌ترین ابزار مدل‌سازی و شبیه سازی  می باشد که نمونه های مدل‌سازی شده در این نرم‌افزار به صورت آزمایشگاهی تأیید شده‌ و مقالات علمی قابل توجهی در زمینه مهندسی پزشکی به آن ارجاع داده شده‌اند، لذا برای بیشتر پروژه های مهندسی پزشکی جهت مدل‌سازی و شبیه سازی بیومکانیکی از نرم‌افزار AnyBody استفاده می شود.

نرم افزار مدل‌سازی AnyBody کاری از گروه AnyBody Technology A/S می‌باشد که می‌تواند رفتار مکانیکی بدن انسان در حین ارتباط با محیط را مدل‌سازی کند که در آن محیط به صورت نیروهای خارجی و شرایط مرزی تعریف می‌شود و کاربر می‌تواند تعدادی از اطلاعات ضبط شده و یا حالت‌هایی از نحوه قرار گرفتن بدن را به مدل اضافه کند. نرم افزار AnyBody پس از ثبت اطلاعات توسط کاربر به محاسبه, مدل‌سازی و شبیه سازی خصوصیات سیستم بدن و محیط اطراف می پردازد.

ما می توانیم از این نرم افزارهای کاربردی در بیومکانیک و تخصصی داده‌های نیروی هر عضله، نیروی اتصالات و مفاصل، متابولیسم بدن ، انرژی الاستیک در تاندون‌ها، رفتار عضله‌های متقابل و غیره را بدست آوریم. نرم افزار مدل‌سازی AnyBody همچنین می‌تواند مدل های خود را چنان مقیاس کند که به هر شخص یا جمعیتی انطباق پیدا کند و همچنین می‌تواند با تعریف پارمتری مدل، امکان همخوانی بین پارامترها برای طراحی و یا بهینه کردن پارمترها، به دلایل خاص را فراهم آورد.

ویژگی های نرم افزار مدل سازی AnyBody در مهندسی پزشکی

• امکان مدیریت مدل عضو یا بدن با جزئیات بی سابقه (تا ۱۰۰۰ عضله)
• به دست آوردن شناخت و اطلاعات بی نظیر از سینتیک داخل بدن برای یک محیط معین
•  امکان ایجاد تغییرات در مدل با استفاده از زبان برنامه نویسی AnyScript،
•  فراهم سازی امکان طراحی محصول با استفاده از بهینه سازی پارامترهای مدل،
•  امکان وارد کردن اطلاعات حاصل از سیستم‌های ضبط حرکات به مدل برای به راه اندازی مدل AnyBody،
•  امکان استخراج اطلاعات بدست آمده از تحلیل مدل برای وارد کردن به نرم افزارهای تحلیلی اجزاء محدود،
• امکان اجرا بر روی کامپیوترهای خانگی.

همچنین از نرم افزار MATLAB هم برای آنالیز داده های حرکت و سیگنال EMG در حوزه بیومکانیک نیز استفاده می شود.

جمع بندی

همانطور که گفته شد نرم افزارهای کاربردی در بیومکانیک در سه حوزه طراحی و تحلیل المان محدود و آنالیز حرکت تقسیم میشوند و هر کدام از این نرم افزارهای نام برده در حوزه مربوط به خود کاربرد دارد. دانش پژوهان با توجه به حوزه کاری و تحقیقاتی خود میتوانند یک یا چند مورد از این نرم افزارها آموزش ببینند تا از آنها استفاده کنند.

نویسنده : سمانه خان بیگی، کارشناس دپارتمان مهندسی پزشکی گروه آموزشی پارس پژوهان