گرایش بیومکانیک
مهندسی بیومکانیک، تلفیقی از مهندسی مکانیک و سیستم‌های زنده است. به بیان دیگر یک مهندس پزشکی گرایش بیومکانیک، مهندس مکانیک است که حوزۀ کارش انسان و فعالیت‌های زیستی اوست. بیومکانیک مطالعۀ ساختار و عملکرد جنبه‌های مکانیکی سیستم‌های بیولوژیکی با استفاده از روش‌های مکانیکی است. که به بررسی حرکات بدن می‌پردازد. مهندسین متخصص بیومکانیک در طراحی و توسعه محصولاتی که به حرکت در بدن کمک می‌کنند توجه دارند. دریچه‌های مصنوعی قلب و مفصل‌های قابل تعویض نمونه‌هایی از محصولات پزشکی هستند که به ترتیب به جریان خون و عملکرد حرکات کمک می‌کنند. بیومکانیک در واقع مطالعه مکانیک برای حل مشکلات بیولوژیکی یا پزشکی است. تحلیل حرکت انسان و مطالعه جنبش انسانی، از جنبه‌های بسیار مهم است. در نتیجه، لازم است محدودیت‌های اعضای بدن و آناتومی و کنترل حرکتی را به طور کامل درک کرد. افرادی که در گرایش بیومکانیک رشته مهندسی پزشکی مشغول به تحصیل هستند با استفاده از مفاهیم مکانیکی در زمینه‌های پزشکی کار خود را انجام میدهند.
انواع شاخه‌ها و مسائل موجود در رشته بیومکانیک
- بیومکانیک سیالات زیستی: یکی از شاخه های علم مکانیک، تحلیل رفتار انواع سیالات در سیستم‌های مختلف است. در علم بیومکانیک از همین اصول در بررسی سیالات زیستی که در بدن جریان دارند مانند خون و یا هوای درون ریه‌ها، استفاده می‌شود. در بیومکانیک سیالات زیستی با تحلیل جریان خون در سیستم قلبی-عروقی می‌توان به بررسی عوامل پاتوبیولوژیکی موثر پرداخت و راهکارهایی برای کنترل بیماری‌های گسترده قلبی-عروقی و یا ساخت وسایل درمانی درون رگی مانند استنت پیدا کرد. همچنین می‌توان به بررسی مکانیزم‌های پر اهمیت انتقال حرارت و یا انتقال جرم در ارگان‌های زیستی مانند انتقال چربی خون پرداخت و حوزه‌های انتقال دارو و یا سرما و گرما درمانی مثل جراحی با استفاده از سرما و التیام درد با استفاده از حرارت را تحت پوشش در آورد.همچنین در این شاخه از بیومکانیک رفتار و حرکات سیالات زیستی دیگری همچون اسید معده و یا مایع مغزی و جریان‌های هوایی در سیستم تنفسی پرداخته می‌شود. استفاده از این شاخه علم بیومکانیک در ساخت ابزار‌هایی مانند دریچه مصنوعی قلب، استنت رگی، رگ مصنوعی، اسپیرومتر، سیستم‌های دارورسانی و… و همچنین درمان بیماری‌هایی چون نارسایی‌های ریوی، موانع جریان درون رگی خون، اختلالات در عملکرد انقباض و انبساط قلب بسیار مفید میباشد.
- بیومکانیک تحلیل و آنالیز حرکت: در علم مکانیک با به کار بردن یافته‌های دینامیکی و سینماتیکی می‌توان حرکت انواع سازه‌های متحرک مانند دوچرخه را بررسی کرد. در بیومکانیک تحلیل و آنالیز حرکت از همین اصول و یافته‌ها در بررسی انواع حرکت و موقعیت‌ها در انسان و جانوران مانند راه رفتن و یا بلند شدن و ایستادن استفاده می‌شود.بیومکانیک تحلیل و آنالیز حرکت علم بسیار مهمی در ساخت اعضای مصنوعی و بیورباتیک و ارگونومی و همچنین رفع ایرادات و نارسایی‌های حرکتی میباشد.
- بیومکانیک در ورزش: بیومکانیک ورزشی در واقع تحلیل حرکات ورزشی به منظور کاهش آسیب‌ها و خطرات و بهبود کیفیت انجام حرکات ورزشی است. در بیومکانیک ورزشی حرکات ورزشی با استدلال‌های مکانیکی بررسی می‌شوند. اصول بیومکانیک در ورزش را می‌توان بر پایه عملکرد سیستم اسکلتی و عضلانی و عملکرد مفصل‌ها دانست.استفاده از این شاخه علم بیومکانیک در ساخت وسایل ورزشی همچون وسایل بدنسازی و تجهیزات الکترومکانیکی ورزشی و تجهیزات تربیت بدنی و همچنین در توانبخشی و درمان ورزشکاران آسیب دیده و در کمک به ورزشکاران برای بالا بردن سطح توانایی و مهارت ورزشی و به خصوص در طراحی تمرینات ورزشی و مقاومتی مانند حرکات اصلاحی می‌تواند بسیار کارا باشد.
- بیومکانیک شغلی: انسان همواره در طول عمرش به فعالیت‌های بسیار متنوعی می‌پردازد که هر کدام حرکات خاص خود را دارند. از این رو در علم بیومکانیک بحثی مطرح می‌شود که چگونه می‌توانیم این امکان را فراهم کنیم تا افراد فعالیت‌های زندگیشان را در آسایش و به دور از آسیب‌ها و سختی‌ها انجام بدهند و به حداکثر بازده کاری خود برسند. به عنوان مثال رانندگانی که در خودرو های ماشین سنگین و ترانزیتی کار می‌کنند نیاز به این دارند که صندلی و سیستم تعلیق ماشینشان به گونه‌ای طراحی شود که به مفاصل و استخوان های کمری و بالاتنه آن‌ها و همچنین به چشمشان آسیب و فشار جدی وارد نشود. یا مثلا فردی که در طول روز چندین ساعت را در پشت یک میز و به حالت نشسته به سر می‌برد به یک صندلی طبی یا یک پشتی طبی نیاز دارد.
این بخش از بیومکانیک در بحث ارگونومی و طراحی لوازم زندگی و شغلی و همچنین رفع مشکلات جسمانی که در اثر فعالیت‌های شغلی ایجاد شده است، کاربرد بسزایی دارد.
- بیومکانیک توانبخشی: سلامت دستگاه اسکلتی عضلانی از مهم‌ترین موضوعات موثر در سلامت انسان میباشد. هرگونه اختلال در هر بخش از این دستگاه سایر نقاط بدن را نیز متاثر نموده و در بلند مدت سبب ایجاد مشکلات جدی‌تری در افراد می‌شود. اختلالاتی اعم از اختلالات کف پا، زانو و ستون فقرات از مهم‌ترین مسائل به شمار می‌روند. بیماری‌های عصبی که بر عملکرد سیستم عضلانی و حرکت انسان تاثیر می‌گذارند مانند ام‌اس یا پارکینسون هم از جمله اختلالاتی می‌باشند که دنیای علم همواره تلاش کرده است برای درمان و یا بهبود این اختلالات راه حل‌هایی بیابد.
در بیومکانیک توانبخشی با به کار بردن تحلیل‌های مکانیکی و استفاده از ابزارها و تجهیزاتی همچون ابزارهای فیزیوتراپی و ثبت سیگنال EMG و دستگاه FES به دنبال بهبود این اختلالات هستند.
علاوه بر کاربرد بیومکانیک توانبخشی در بهبود این اختلالات، در ساخت تجهیزاتی همچون ویلچر و ربات‌های توانبخشی و قاشق مخصوص کنترل لرزش دست و وسایل فیزیوتراپی و… هم کاربرد بسیار زیادی دارد.
- بیومکانیک سلولی و مولکولی یا مکانوبیولوژی: در بیومکانیک می‌توانیم تمرکز خودمان را در مقیاس سلولی بگذاریم. این ایده در مکانوبیولوژی مطرح می‌شود. در مکانوبیولوژی به فرایندهای بین سلولی و کنش و واکنش سلول‌ها در این فرایندها و عوامل مکانیکی موثر بر شکل‌دهی سلول‌ها می‌پردازند.با استفاده از این تحلیل‌ها می‌توان با مدلسازی مکانیزم‌های رشد و ترمیم و بازسازی بافت‌های زنده را مورد بررسی قرار داد. به عنوان نحوه و فرایند جوش خوردن دو قسمت استخوان ترک خورده را می‌توان مورد بررسی قرار داد. حال با استفاده از این داده‌ها می‌توان راهکارهایی برای ترمیم مناسب بافت‌ها ارائه داد.
- بیومکانیک بافت نرم و سخت: همواره در علم مکانیک مطالعه رفتار انواع مواد تحت عوامل مکانیکی همچون نیرو و گشتاورها بسیار اهمیت دارد. بررسی این رفتار به ما در طراحی و ساخت و تعمیر انواع سازه‌ها کمک زیادی می‌کند. یکی از کاربردهای این مطالعه در بررسی بافت‌های بدن میباشد که در آن از همین الگوهای مکانیکی استفاده می‌شود. این کار در بیومکانیک بافت‌های نرم و سخت انجام می‌شود.هدف این شاخه که در اواخر قرن بیستم پایه‌گذاری شده است، مطالعه و تهیه مدل‌های ایده‌آل از ماکرومولکول‌ها و ساختار سلولی است که منجر به درک بهتر پدیده‌های درون یاخته‌ای و همچنین فهم عمیق‌تر مکانیزم تأثیر عملکرد ناصحیح آن‌ها در بروز حالات بیماری می‌شود. به علاوه این مدل‌ها سبب ارزیابی موثرتر فرضیه‌ها و نظریه‌های درمانی می‌گردد. از جمله اهداف دیگر این شاخه، مطالعه و مدلسازی ساختار سلول و فرایند بازیابی جراحات در بافت‌های آسیب‌دیده به منظور ارائه روش‌های درمانی بهینه‌تر جهت تقلیل و رفع ضایعات بافتی و همچنین تولید نمونه‌های مصنوعی برای جایگزینی آن‌هاست.
به این منظور علل و مکانیزم‌های تبدیل سلول‌های بنیادی به بافت‌ها و ارگان‌های مختلف بررسی و با استفاده از مدل‌های بدست آمده، بافت‌های آسیب دیده ترمیم یا در خارج از بدن به صورت مصنوعی تولید می‌شود. از جمله این بافت‌ها و ارگان‌ها می‌توان به استخوان، غضروف (بافت‌های سخت) و کبد، پانکراس، پوست و رگ‌های خونی (بافت‌های نرم) اشاره کرد. یکی از پرطرفدارترین موضوعات این شاخه از رشته بیومکانیک در واقع بیومکانیک ارتوپدی میباشد که مربوط به تحلیل‌های حوزه سیستم اسکلتی و عضلانی است. استفاده از بیومکانیک بافت در ساخت ابزاری همچون ایمپلنت‌ها و پروتز‌ها و پودرهای استخوانی و بافت مصنوعی و یا رفع مشکلاتی همچون سایش‌های استخوانی و شکستگی و درد‌های مربوط به سیستم اسکلتی و حرکتی و یا کشت بافت مصنوعی برای جایگزینی با بافت ناسالم بسیار پرکاربرد است.
- بیومکانیک صدمه و آسیب: افرادی که با مفهوم دینامیک و مکانیک ضربه و تکانه آشنا هستند می‌دانند که بررسی تکانه اصل ضربه در بررسی خرابی سازه‌ها بسیار اهمیت دارد. بررسی این اصول در مورد سلامتی بدن به خصوص سیستم اسکلتی بسیار مهم است. در بیومکانیک صدمه رابطه بین نیروها و ضربات وارد بر بدن و آسیب‌های وارد شده بر اندام بررسی می‌شود. مانند شکستگی پای یک فوتبالیست در اثر ضرباتی که ممکن است در هنگام مسابقه به پای او وارد شود.
از کاربردهای این شاخه از بیومکانیک می‌توان به بررسی آسیب‌های شخصی و نحوه و دلیل مرگ و آسیب‌های جنایی اشاره کرد.
- تصویربرداری در علم بیومکانیک: یک مهندس بیومکانیک باید بتواند از طریق تحلیل تصویرهای پزشکی گرفته شده با دستگاه‌های مختلف بافت یا اندام مورد نظر را مدلسازی کند. در این راستا از تعدادی نرم افزار هم استفاده می‌شود که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنیم.
