رشته ی مهندسی پزشکی گرایش بیومکانیک

رشته ی مهندسی پزشکی (Biomedical Engineering) دارای گرایش های مختلفی است ما در اینجا می خواهیم در مورد گرایش بیومکانیک (Biomechanics) از رشته ی مهندسی پزشکی صحبت کنیم. در بخش های دیگر مجله پزشکی دکتر سلام در مورد مهندسی پزشکی صحبت کرده ایم. این قسمت را به رشته مهندسی پزشکی گرایش بیومکانیک اختصاص داده ایم و رشته ی مهندسی پزشکی، گرایش بیومکانیک را معرفی می کنیم. تقریباً در اوایل دههُ ۷۰ میلادی، جامعهُ بین المللی واژه “بیو مکانیک” را برای دانش مطالعه سیستم های حیاتی از دید مکانیکی انتخاب نمود. بیو مکانیک از ابزار مکانیک برای مطالعات آناتومیکی و بررسی کارکرد اندام حیاتی استفاده می کند. ااین علم طیف گسترده ای را از مطالعه تئوری تا کاربردهای عملی می پوشاند. 

مطالعه کامل مکانیک شامل دو موضوع اساسی می باشد: استاتیک، که مطالعه اجسامی است که، در اثر نیرویی که بر آن ها ااعمال می شود، در حال سکونی یا وضعیت تعادل باقی می‌مانند و دینامیک، که مطالعه اجسام متحرک است. دینامیک را به نوبه خود می توان به زیر گروه های سینماتیک و سینتیک تقسیم بندی نمود. سینماتیک را می توان علم حرکت نامید، زیرا ااین علم، در مورد روابطی بحث می کند که مابین جابجایی ها، سرعت ها و شتاب ها در حرکت انتقالی و دورانی وجود دارند. این علم با نیروهای درگیر کاری ندارد بلکه فقط به توصیف حرکت ناشی از آن ها می پردازد. سینتیک در مورد اجسام متحرک و نیروهایی بحث می کند که عمل می نمایند تا ایجاد حرکت کنند. برای روشن شدن این مطلب که مطالب مکانیکی فوق را چگونه در مورد بیومکانیک به کار می بریم، می توان به موارد زیر اشاره کرد:
Eberhort  و همکارانش (۱۹۵۴)، در تحقیق های خود در رابطه با حرکت انسان، ابتدا سینماتیک قدم زدن را مورد بحث قرار دادند و جابجایی های قطعات بدن را در سه صفحه مختصات اصلی توصیف نمودند که این جا بجایی ها شامل تا کردن و باز کردن ران و ساق پا، چرخش لگن و… بود. سپس آن ها سینتیک قدم زدن را با تحلیل نیروهای ماهیچه ای و هم چنین نیروهای گرانشی و عکس العمل سطح، یعنی تمام  نیروهایی که برای فشار بدن به طرف جلو و کنترل جابجایی قطعه ای بدن لازم بودند، بررسی کردند.
Dillman  (۱۹۷۱)، سینماتیک و سینتیک حرکت تاب خوردن پا را در طول دویدن، مطالعه کرد. در حالی که، plangenhoef  (۱۹۶۸)روش مطالعه دینامیک را با استفاده از یک کامپیوتر پیشنهاد نمود. در حال حاضر صدها مطالعه و بررسی مربوط به استاتیک و دینامیک فعالیت های بدن، ارائه و منتشر گردیده است.
با وجود آنکه بیومکانیک از لحاظ انجمن های رسمی بین المللی دانش نوینی به حساب می آید اما تاریخچه پیدایش و ادامه حیات آن چیز دیگری را نشان می دهد:
در بررسی هایی که در مطالعات ارسطو در قرن ۱۴ پیش از میلاد صورت گرفته است، مشخص شده که وی قصد داشته تا با استفاده از تحلیل های هندسی، کارکرد ماهیچه ها را در تولید حرکت حیوانات توصیف کند.
حدود ۲۰۰۰ سال بعد، لئوناردو داوینچی (۱۵۱۹-۱۴۲۵ بعد از میلاد) در نقاشی های آناتومیکی معروفش، مکانیک ایستادن، راه رفتن و پریدن را تشریح کرد و گالیله(۱۶۴۳-۱۵۶۴بعد از میلاد) حدود صد سال بعد اولین تلاش ها را برای آنالیز ریاضی کارکردهای فیزیولوژیکی انجام داد. به خاطر تلاش های پیشگامانهwilliam Harvey (1657-1578 بعد از میلاد) در تعریف آناتومیکی سیرکولاسیون خون در بدن، او را پدر مکانیک سیالات زیستی(biofluid) مدرن می دانند. Alfonso Borelli  را نیز به خاطر فعالیت های گسترده اش در زمینه تفسیر و توضیح نیروهایی که توسط ماهیچه تولید می شود، نقش استخوان ها به عنوان محور و ارتباط تنگاتنگ سیستم استخوانی با ماهیچه ها، پدر مکانیک جامدات زیستی (biosolid) قلمداد می کنند.
از اولین متونی که به بررسی کمی بیومکانیک راه رفتن و آنالیز گیت  (gait) می پرداخت، می توان به کتابDe Muto Animalum نوشتۀ Borelli  اشاره کرد. وی شاگرد گالیله بود و در کارهایش از نتایجی که گالیله در مطالعات خود به دست آورده بود برای پیشبرد اهدافش در زمینه مطالعه بیومکانیک استفاده نمود.
کارهای این پیشگامان در زمینه بیومکانیک توسط افراد بزرگی نظیر Isaac Newoton (1727-1642بعد از میلاد)، Danie Bernoulli(1782-1700بعداز میلاد)،Jean.L.M Poiseuille (1869-1799بعد از میلاد)،  Thomas Young(1829-1773بعد از میلاد) و بسیاری دیگر پیگیری شد. بررسی تمام فعالیت ها و اقدامات این افراد در زمینه بیومکانیک نیاز به فضایی بسیار زیاد برای توضیح دارد که در این بحث نمی گنجد. اما با نگاهی گذرا به این اسامی قوانین معتبر علوم فیزیکی و مهندسی به ذهن می آید. برای مثال معادله برنولی در هیدرودینامیک، مدول یانگ در تئوری الاستیسیته، معادله پویسوله برای سیالات و… . براستی اولین جرقه ها برای بیان این قوانین و معادلات از کجا آغاز شد؟  از بررسی سیستم های صنعتی!!!؟ بسیاری از این قوانین و معادلات از مطالعات فیزیولوژیکی و پزشکی برای بررسی و تشریح ساختار و کارکرد سیستم های حیاتی نشأت گرفته اند.
اما نکته بسیار مضحک در این زمینه، این است که تأثیر این قوانین بر پیشرفت صنعت بیش از اثری بود که مطالعات فیزیولوژیک گذاشتند. این امر ضرورت وجود شاخه ای از علوم مهندسی به نام مهندسی پزشکی را به خوبی روشن می کند. دانشی که امروزه در سرتاسر دنیا به صورت گسترده ای مورد توجه قرار گرفته است.
اما سوالی که ممکن است در این قسمت مطرح شود این است که وارد کردن علم مکانیک در حوزه مباحث زیستی و حیاتی چه ثمری دارد؟  و اگر علمی به نام بیومکانیک وجود نمی داشت، چه اتفاقی رخ می داد؟
برای پاسخ به این گونه سؤالات و روشن شدن ضرورت وجود دانش بیومکانیک چند مثال می زنیم:
رشد و نمو در انسان از آغاز تولد شروع می شود و به صور مختلفی در بخش های متفاوت بدن، در تمام طول حیات ادامه می یابد. نیروهای مکانیکی می توانند اثر عمده ای بر رشد بدن ایجاد کنند. نیروهای عمود بر بدن به آن اجازه می دهند تا به یک روش نمونه رشد کند. برای مثال ساختار داخلی کلی استخوان عمدتاً با تعداد دفعات بارگذاری بر روی استخوان کنترل می شود. حال فرض کنید در زمان رشد سریع، نیروهایی غیر طبیعی بر بدن وارد شود، این مسئله می تواند منجر به الگوهای رشد غیر عادی شود.
اگر بتوانیم تعیین کنیم که یک تغییر شکل چگونه ایجاد شده یا می شود، قادر خواهیم بود تا نیروهای تغییر شکل دهنده را رفع کنیم و نیروهایی را به کار بریم که می توانند فرآیند را معکوس نموده و آن را تصحیح نمایند. درمان بسیاری از تغییر شکل های مادرزادی و غیرمادرزادی توسط ابزارآلات توانبخشی نظیر ارتزها، نمونه هایی برای فهم اصول بیومکانیکی به کاررفته در رشد و نمو می باشند.
از زمانی که رونگتن اشعه ایکس را به صورت اتفاقی کشف نمود تا به امروز تحقیقات و مطالعات فراوانی بر روی تجهیزات و روش های تشخیصی در پزشکی انجام گرفته است. بسیاری از این روش ها بر مبنای خواص مکانیکی بافت های مختلف بدن صورت گرفته است. یکی از جدید ترین بررسی ها در این زمینه ” الاستوگرافی” است.
الاستوگرافی با استفاده از تکنیک امواج فرا صوتی (Ultrasound) میزان سختی و سفتی بافت ها را تصویر می کند. تفاوت میزان سختی در بافت های سرطانی نسبت به بافت های اطرافشان باعث بروز کنتراست در تصویر حاصل می شود و تشخیص سرطان (خصوصاً در سرطان سینه و پروستات) را برای پزشک به سادگی ممکن می کند. این مثال نیز کاربرد بیومکانیک را در مددرسانی به رشته پزشکی به خوبی روشن می کند.
از این دست مثال ها به فراوانی می توان در زندگی روزمره انسان ها، در محیط کار و زندگی مشاهده کرد. در یک محیط کار سالم و امن در درجه اول حفظ سلامت کارگر در محیط کار مطرح می شود نه ساخت مصنوعات صنعتی. کارگران در محیط کارشان با وسایل مختلفی سروکار دارند که هر یک می توانند سلامت آن ها را به مخاطره بیاندازد. ارگونومی رشته ای است که در رابطه با طراحی دستگاه ها، ابزار، تجهیزات و وظایفی می باشد که سازگار با ویژگی های آناتومیک، فیزیولوژیک، ادراکی، رفتاری و مکانیکی انسان ها هستند. تحلیل مکانیکی حرکت و وضعیت بدن در طول کار به ارگونومیست اجازه می دهد تا اعمال غیرایمن و شرایط غیر ایمن را تشخیص دهد.