خط مهندسی
مجله ی آنلاین مهندسی

مهندسی بیومکانیک

0 142

مهندسی پزشکی : رشته ای که این روزها زیاد اسم در کرده

 

مهندسی پزشکی را این روزها زیاد شنیده اید. همانطور که از اسم آن پیداست‌‌ ، رشته ای بین رشته‌های مهندسی و پزشکی. اگر در مرحله‌ی انتخاب رشته برای کنکور هستید با ما همراه باشید تا در ادامه ، کمی تا قسمتی جدی یکی از شاخه های اساسی مهندسی پزشکی ، مهندسی بیومکانیک را بشکافیم.

         مهندسی-پزشکی-معرفی

 

و اما مهندسی پزشکی دقیقا یعنی چه؟

رشته مهندسی پزشکی کاربرد رشته های مهندسی از جمله مهندسی مکانیک ، برق و مواد در علم پزشکی را مورد بررسی قرار می‌دهد. گستردگی مهندسی پزشکی موجب شده است تا مانند سایر رشته‌های تحصیلی ، تحصیل در این رشته به شاخه‌های مختلفی تقسیم شود. اگر به چگونگی طراحی و ساخت اعضای مصنوعی علاقه دارید ، شاخه بیومکانیک و مهندسی بافت احتمالا به دردتان می‌خورد. اگر بیشتر مشتاق به شناخت طراحی پیچیده و شگفت آور ِبدن هستید ، پس به سمت زمینه پردازش سیگنال‌های زیستی ، مدلسازی محاسباتی یا مهندسی عصب شیرجه بزنید.

گرایش‌های مهندسی پزشکی چیست؟

  • ابزار جراحی و تجهیزات پزشکی (Surgical instruments and medical devices)
  • مهندسی بافت (Tissue engineering)
  • بیومواد یا بیومتریال (Biomaterial)
  • مهندسی عصبی (Neural engineering)
  • بیومکانیک (Biomechanics)
  •  پزشکی از راه دور (Telehealth)
  • پردازش سیگنال های زیستی (Biosignal processing)
  • عکس برداری پزشکی (Medical Imaging)
  • مدلسازی محاسباتی (Computational modelling)

 

از سال ۱۳۵۶  قدم هایی برای وارد کردن رشته مهندسی پزشکی در دانشگاه‌های ایران توسط دانشگاه شریف برداشته شد. هم‌اکنون در ایران در مقاطع مختلف آموزش عالی(کارشناسی ، کارشناسی ارشد و دکتری) گرایش‌های رشته مهندسی پزشکی به شرح زیر می باشد:

  • مهندسی پزشکی گرایش بالینی
  • مهندسی پزشکی گرایش بیوالکتریک
  • مهندسی پزشکی گرایش بیومکانیک
  • مهندسی پزشکی گرایش بیومواد(بیومتریال)
  • مهندسی پزشکی گرایش مهندسی بافت
  • مهندسی پزشکی گرایش پردازش تصاویر پزشکی
  • مهندسی پزشکی گرایش مهندسی توانبخشی
  • مهندسی پزشکی گرایش مهندسی ورزش
  • مهندسی پزشکی گرایش مدل سازی سیستم‌های فیزیولوژیکی
  • مهندسی پزشکی گرایش ابزار دقیق در مهندسی پزشکی
  • مهندسی پزشکی گرایش مدیریت فناوری اطلاعات پزشکی

 

که در مقطع کارشناسی گرایش های بیومکانیک ، بیوالکتریک ، بیومتریال و بالینی در دانشگاه های صنعتی امیرکبیر ، اصفهان ، سهند تبریز و شاهد تهران تدریس می شود و در مقطع کارشناسی ارشد دانشگاه های صنعتی شریف ، علم و صنعت و دانشگاه تهران نیز در گرایش های ابزار دقیق ، مهندسی ورزش ، توانبخشی و مهندسی بافت نیز دانشجو می پذیرند.

و اما در ادامه این بخش میخواهیم با گرایش مهندسی بیومکانیک آشنا شویم. گرایشی که در مقطع کارشناسی ارشد می‌تواند جزء گزینه های ادامه تحصیل برای دانشجویان رشته مهندسی مکانیک نیز باشد.

 

بیومکانیک را تخصصی تر بشناسیم

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.

دو موضوع اساسی در علم مکانیک ، استاتیک و دینامیک می‌باشد.

استاتیک که علم مطالعه ی اجسام ساکن و نیروهای وارده به آنها و در نتیجه ، تعادل و پایداری می باشد. دینامیک نیز اجسام متحرک را بررسی می کند و خود به دو زیرشاخه سینتیک (علم بررسی حرکت اجسام صرفنظر از نیروی وارده به آنها) و سینماتیک (بررسی نیروهای اعمالی به جسم و حرکت ناشی از آن) تقسیم می شود.

و اما برای اینکه بتوانید کاربرد مهندسی مکانیک را در رشته پزشکی متوجه شوید ، بهتر است با این مثال آغاز کنیم :” از زمانی که انسان متولد شده و رشد می کند ، نیروهای خارجی بر نحوه ی رشد بسیار تاثیر می گذارند ؛ همانطور که  بدنسازی موجب شکل گیری ماهیچه ها می شود. ایستادن به صورت عمودی موجب قوی تر شدن ماهیچه های پاها می شود و نه دست‌ها. بدین گونه میتوان مفاهیم تعادل بدن انسان (استاتیک) ، و راه رفتن بر روی دو پا (دینامیک) را به سادگی درک کرد.” مطالعه ی این موضوعات ، منجر به ساخت عضله های مصنوعی شبیه سازی شده برای رفع نقص عضو و یا حتی ایجاد فرآیند معکوس در بدن انسان ها شده است.

گذری بر تولد مهندسی بیومکانیک

اگر به تاریخچه ی علم بیومکانیک نگاهی بیندازیم ، می‌بینیم که چندان هم با رشته ی جدیدی در عرصه ی تاریخ مواجه نیستیم. جالب است بدانید که برای نخستین بار ارسطو در قرن ۱۴ پیش از میلاد قصد داشته تا با استفاده از تحلیل های هندسی ، کارکرد ماهیچه ها را در حرکت حیوانات بررسی کند. حدود ۲۰۰۰ سال بعد یعنی در قرن ۱۵- ۱۶ پس از میلاد ، لئوناردو داوینچی در نقاشی های آناتومیکی معروفش ، مکانیک ایستادن ، راه رفتن و پریدن را تشریح کرد و حدود ۱۰۰ سال بعد اولین تلاش ها برای آنالیز ریاضی کارکرد های فیزیولوژیکی توسط گالیله انجام گرفت. اما پدر مکانیک سیالات زیستی (biofluid) مدرن را ویلیام هاروی (۱۶۵۷-۱۵۷۸ م.) می دانند. وی در زمینه تعریف آناتومیکی سیرکولاسیون خون در بدن تلاش های گسترده ای انجام داد و همچنین آلفونسو بورلی را به دلیل فعالیت های بسیار در زمینه تفسیر و توضیح نیروهای تولید شده توسط ماهیچه ها ، نقش استخوان ها به عنوان محور و ارتباط تنگاتنگ سیستم استخوانی با ماهیچه ها، پدر علم مکانیک جامدات زیستی (biosolid) می نامند. توجه شما را به عکس روبرو جلب میکنیم. عکسی که مشاهده می کنید ، صفحه ای از کتاب آلفونسو بورلی می باشد.

مهندسی-پزشکی-تاریخچه

ادوین موزز قهرمان المپیک مسابقات دو با مانع در مورد قهرمانی های خود می گوید:

 برای آنکه در زمان صرفه جویی کنم، در رقابت هایم از علم بیومکانیک استفاده می‌کردم.  مهندسی-پزشکی-موزز

زمینه‌های تحقیقاتی در رشته مهندسی بیومکانیک

زمینه‌های تحقیق بیومکانیکی در دنیای امروز بسیار متنوع هستند و هر دانشجو و محققی میتواند در هریک از آنها بنا به علایق خود به تحقیق و پژوهش بپردازد. زیرشاخه‌های بیومکانیک را در دسته بندی‌های زیر میتوان خلاصه کرد.

خواندنی ها

بیونیک چیست؟

مهندسی بیومکاترونیک

  • بیومکانیک بافت های سخت (Hard Tissue Biomechanics) / بافت های نرم (Soft Tissue Biomechanics)

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 مکانیسم 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 مکانیسم‌های 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.


  • مکانوبیولوژی (Mechanobiology)

مکانوبیولوژی را میتوان از تازه ترین شاخه های بیومکانیک دانست که البته از نظر اسم ، تشابه زیادی به بیومکانیک دارد. در بیومکانیک ِ، مکانوبیولوژی می توان نگاهی در مقیاس سلولی داشت و به بررسی مکانیزمهای سلولی و یا اثر نیروهای مکانیکی بر شکل دهی سلولها پرداخت. همچنین می توان به مدلسازی رشد ، ترمیم و بازسازی بافتهای زنده و بررسی عوامل موثر بر آن پرداخت. برای مثال، برای اینکه یک بافت بتواند به حیات خود ادامه دهد و بافتی سالم با متابولیسم صحیح داشته باشیم، باید به آن تنش های طبیعی مکانیکی وارد کنیم. در واقع مکانوبیولوژی فرایندی است که این نیروهای مکانیکی را به زبان بیولوژیکی بیان می کند.


  • آنالیز حرکت/گام برداشتم انسان (Human Movement/ Gait Analysis)

همانطور که از نام این شاخه به راحتی میتوان فهمید، در بیومکانیک می توان حرکت انسان و یا سایر جانوران را تحلیل کرد و برای بیورباتیک و یا ساخت اعضاء و اندامهای مصنوعی الگو گرفت.


  • بیومکانیک سیالات زیستی / قلبی-عروقی (Biofluid / Cardiovascular Biomechanics)

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 پیدا کرد. همچنین می توان به بررسی مکانیزمهای پراهمیت انتقال حرارت و یا انتقال جرم در ارگانهای زیستی پرداخت و حوزه های انتقال دارو و یا سرما و گرما درمانی را تحت پوشش در آورد.


  • مدلسازی بر پایه تصویربرداری (Image-Based Modelling)

یک مهندسی بیومکانیک در زمینه مدلسازی با استفاده از نرم افزارهای لازم که در ادامه در سایت معرفی خواهیم کرد ، باید بتواند با استفاده از عکس های گرفته شده توسط دستگاه های مخصوص ، اندام یا بافت مورد نظر را مدلسازی کند تا مطالعات آسان تر شود.


  • بیومکانیک شغلی/ توانبخشی (Occupational Biomechanics/Rehabilitation)

از مهم ترین موضوعات موثر در سلامت انسان ، سلامت دستگاه اسکلتی عضلانی می باشد. هرگونه اختلال در هر بخش از این دستگاه سایر نقاط بدن را نیز متاثر نموده و در بلند مدت سبب ایجاد مشکلات جدی تری در افراد می شود. اختلالاتی اعم از اختلالات کف پا ، زانو و  ستون فقرات از مهم ترین مسائل به شمار می روند. با استفاده از علم توانبخشی، این اختلالات با استفاده از تجهیزات مشخص قابل پیشگیری و درمان می باشند. همچنین دستگاه های مورد استفاده در فیزیوتراپی نیز توسط مهندسین بیومکانیک طراحی و تولید میشوند.


  • بیومکانیک صدمه / ضربه (Impact/Injury Biomechanics)

بیومکانیک صدمه ، رابطه ی بین نیروهای مکانیکی وارد بر بدن انسان و صدمه ی ایجاد شده بر اندام های بدن انسان را بررسی می کند و دلیل آسیب های وارده را مشخص می کند. از این علم برای تشخیص مواردی همچون نحوه مرگ ، آسیب های شخصی و یا پرونده های جنایی استفاده می شود.


  • بیومکانیک ورزش (Sport Biomechanics)

به طور عمومی مطالعه و آنالیز کمی ورزشکاران حرفه‌ای و فعالیت‌های ورزشی است. به طور ساده می‌توان از آن به عنوان فیزیک ورزش‌ها یاد کرد و یا به بحثهای ارگونومی و هدایت صحیح ورزشکاران پرداخت. در این زیر شاخه بیومکانیک ، قوانین مکانیک اعمال می‌شوند تا بوسیله مدل سازی ریاضی ، شبیه سازی کامپیوتری و اندازه گیری ، درک بیشتری از اجرای ورزشی حاصل شود.


  • بیومکانیک مولکولی و سلولی (Cellular and Molecular Biomechanics)

بیومکانیک مولکولی و سلولی نیز به ساختار و فرآیند های بین مولکولی و سلولی پرداخته و کنش ها و واکنش های آن ها را مورد بررسی قرار می دهد. به عنوان نمونه مطالعه ی تبدیل سیگنال های شیمیایی و مکانیکی خارج سلولی به سیگنال های بین سلولی را در فرآیند جوش خوردن استخوان و رشد دوباره آن ، در حوزه ی بیومکانیک مولکولی و سلولی می باشد.



نرم افزار های بیومکانیک :

 

زمینه‌هایی که نرم افزار متلب به آنها پرداخته است ، شامل پردازش تصویر ، پردازش صوت،  پردازش ویدیو ، پردازش سیگنال ، محاسبات ریاضی ، شبکه‌های عصبی ، هوش مصنوعی و … است. نرم افزار متلب جعبه ابزارهای متعددی دارد که پرکاربردترین آن‌ها در مهندسی زیست پزشکی شامل جعبه ابزارهای پردازش تصویر ، پردازش سیگنال ، پردازش صوت ، سیمولینک ، شبکه‌های عصبی و بیوانفورماتیک است. بخش اعظم مورد استفاده از آن در آنالیز تصاویر بر گرفته از مغز در تشخیص حالت‌های روحی ، سرطانی ، تومور و مدل کردن آن‌ها برای پیش بینی است. این نرم افزار در گروه بیو الکتریک قرار می گیرد اما به دلیل گستردگی آن مهندسی بیومکانیک نیز از آن بی نیاز نیست.

 

با استفاده از این نرم افزار، مدل سازی، شبیه سازی، نقشه کشی و مونتاژ قطعات تجهیزات پزشکی ، ربات‌های پزشکی ، بیوربات ها ، اندام ها ، ارگان‌های بدن ، تجهیزات توانبخشی ، ارتز و پروتز و سیستم‌های بیولوژیکی و فیزیولوژیکی ، میسر می‌شود.

 

از قابلیت‌های نرم افزار کتیا می‌توان به طراحی قطعات ، مونتاژ قطعات ، طراحی سطوح ، نقشه کشی ، شبیه سازی ، طراحی سازه ، قالب سازی ، ماشین کاری ، برنامه نویسی و انتشار نقشه‌های ساخت اشاره کرد ، که گستره ی وسیعی از علم مهندسی زیست پزشکی و زمینه‌های تحقیقاتی آن  همچون: ” مکاترونیک ، بیومکانیک ، طراحی اندام‌ها و ارگان ها ، طراحی سیستم‌های بیولوژیکی و فیزیولوژیکی ، ارتز و پروتز ، مهندسی توانبخشی و شبیه سازی‌های قطعات ربات‌های پزشکی و تجهیزات پزشکی” را شامل می‌شود. این نرم افزار در گروه بیومکانیک قرار می‌گیرد و کاربردهای دیگری همچون طراحی و مدل سازی سه بعدی استخوان‌ها و اندام‌های مصنوعی را نیز در قابلیت‌های  خود دارد.

از جمله کاربردهای انسیس می‌توان به بررسی استحکام و ضریب اطمینان در تجهیزات پزشکی ، بهینه سازی در طراحی و ساخت دندان‌های مصنوعی و ایمپلنت ها ، بهینه سازی در طراحی اندام‌های مصنوعی اعم از زانو با روش اِلمان محدود ، شبیه سازی حرکات جریانی خون در پردازش بیماری‌های قلبی و عروقی ، شبیه سازی عملکرد دریچه‌های قلب و کاهش زمان و هزینه در مدل سازی مغزی اشاره نمود.

 

این نرم افزار در طراحی و مدل سازی اندام‌ها و ارگان‌های بدن ، شبیه سازی سیستم‌های تجهیزات پزشکی و بیولوژیکی ، ایجاد نقشه طرح استخوان‌ها و مفاصل و تعیین پارامترهای مکانیکی موجود در سیستم‌های بیولوژیکی ، انتقال حرارت ، انتشار جرم ، مدیریت حرارت اجزای الکتریکی ، مسائل مربوط به صوت و التراسوند و تحلیل‌های پیزوالکتریک ، کاربرد تخصصی دارد. نرم افزار آباکوس در گروه بیومکانیک قرار می‌گیرد ، که با استفاده از آن می‌توان به : “طراحی تجهیزات مختلف پزشکی ، طراحی رابط‌های مکانیکی که عموماً در تجهیزات پزشکی استفاده می‌شوند ، طراحی انواع پروتزها از قبیل پروتزهای زانو و پروتزهای دندان ، شبیه سازی فرسودگی و اثرات ضربه برای افزایش طول عمر و قابلیت اعتماد ایمپلنت‌ها ، طراحی دریچه قلب ، ارزیابی و پیش بینی جراحت‌ها ، طراحی سیستم‌های داروسازی ، مدل سازی مفاصل و شبیه سازی فیزیولوژیکی پاسخ سیستم‌های مختلف بدن” پرداخت.

 

به وسیله میمیکس می‌توان تصاویر دریافتی از اِم آر آی ، سی تی اسکن و اِف اِم آر آی را در سه برش اصلی آکسیال ، کرونال و ساجیتال ارائه کرد که به وسیله این برش‌ها می‌توان تصویری سه بعدی از عضو مورد مطالعه را جهت بارگذاری‌های نیرو و محاسبات مربوط به مقاومت مصالح و استاتیک اعضا به دست آورد. قابلیت‌های این نرم افزار به طراحی‌ها محدود نمی‌شود؛ چرا که در انجام جراحی هایی چون جراحی عروق و اعصاب و جراحی‌های مغز مثل خارج کردن تومورها از نواحی مختلف مغز و دیگر نقاط بدن نیز کاربرد داشته و جهت بدست آوردن تصویر سه بعدی و دقیق از محل و شکل تومور به یاری پزشکان می‌آید. در این نرم افزار می توان بافت نرم ، عضله ، عروق ، اعصاب و بافت سخت را به تفکیک از یکدیگر بدست آورد و مدل سه بعدی از آن‌ها ترسیم نمود.

 


 

و اما مهندسی پزشکی و تک تک گرایشات آن دنیایی است از دانش و اطلاعات. اطلاعاتی که با پیشرفت هر روزه‌ی علوم مهندسی و علوم پزشکی و همچنین نیاز بشر ، در حال گسترش چشم‌گیری می‌باشد. اگر می‌خواهید از راه مهندسی مکانیک دستی هم در درمان بیماری‌ها داشته باشید، رشته مهندسی بیومکانیک میتواند شیرین ترین راه ممکن برای رسیدن به اهداف بشردوستانه باشد.

 

در  زمینه‌ی بیومکانیک مطلب برای بیان کردن زیاد است و زمان کم. لذا در این پست همین مقدار به بحث راجع به مهندسی بیومکانیک بسنده می‌کنیم. برای مطالب بیشتر در هفته های آتی با ما همراه باشید.

جمع‌آوری و نگارش: خط مهندسی
منبع: خط مهندسی