طراحی وساخت پای مصنوعی (پروتز) با پرینتر سه بعدی

خلاصه

قطع عضو شدن یک تغییرهمیشگی است و برای برخی از بیمارها ، درد یا در اندام آسیب دیده ممکن است پذیرفتنی باشد و اما برای بعضی دیگر از دست دادن یک عضو ، می تواند ناراحتی شدیدی به همراه داشته باشد.علیرغم پروتزهای مدرن، برخی از سازگاری ها مورد نیاز است و افراد در توانایی خود برای تنظیم و قبول تغییر تصویر بدنشان وبعضی اوقات شیوه زندگی خود متفاوت هستند .تکنولوژی های مرتبط با پروتز در دو دهه گذشته به طور قابل ملاحظه ای پیشرفت کرده است که غالبا به دلیل تقاضای قطع عضو شده ها است.

امروزه افرادی که به هر دلیل مجبور به قطع پا شده اند ، دامنه انتخاب وسیعی دارند. نمونه های مختلف پروتز پای مصنوعی برای فعالیت های مختلف ، از پیاده روی  و دویدن گرفته تا دوچرخه سواری ، شنا و حتی اسکی روی برف طراحی شده است .مواد فولادی و چوبی سنگین تر طی سالها با پلاستیک سبک ، آلیاژهای فلزی و کامپوزیت فیبر کربنی جایگزین شده است .بسیاری از پاهای مصنوعی جدید شباهت زیادی به پای طبیعی انسان دارند و بخشی از انرژی تولید شده هنگام راه رفتن را ذخیره میکنند و به بدن برمیگردانند .امروزه افراد سالم با قطع عضو پا تا وسط ساق پا باید بتوانند در زمینه وسیعی از مسئولیت های عادی شرکت کنند و آنها می توانند بدون هیچ لنگ زدنی در فعالیت های تفریحی و ورزشی شرکت کنند.

مقدمه

هنگامی که پا و اعضای دیگر بدن قطع شده و یا از بین می رود، یک دستگاه پروتز، می تواند نقش مهمی در نیروبخشی بازی کند و برای بسیاری از افراد، یک عضو مصنوعی در بدن می تواند حرکت و توانایی مدیریت فعالیت های روزمره را بهبود ببخشد و همچنین ابزارهایی برای آزاد بودن فرد را فراهم آورد.

در کشورهای توسعه یافته علت اصلی قطع عضو اندام تحتانی، اختلال در گردش خون است اگر چه تا یک سوم از بیماران همچنین دچار دیابت نیز هستند. این افراد معمولا نزدیک به 60سال سن یا بالاتر دارند ومعمولا مشکلات پزشکی دیگری نیز دارند که توانایی راه رفتن آن ها را سلب  می کند. با مقایسه در کشورهای توسعه یافته، اکثریت قطع عضوها به علت آسیب های مرتبط به یک حادثه در زمان درگیری یا آسیب های صنعتی یا ترافیکی ایجاد می شوند.

قطعه های پروتز پای مصنوعی و انواع آن

انواع مختلفی از پروتزهای پا طراحی شده اند تا کارکرد و موارد ظاهری مانند یک پای طبیعی را ارائه دهند. اگر چه طرح های مختلفی وجود دارد اما اکثرا قطعات مشابهی دارند این قطعات شامل:

•  سوکت، بخشی از عضو مصنوعی است که انتهای اندام قطع شده در آن قرار می‌گیرد.
•  سیستم تعلیق قسمتی است که پروتز را به انتهای اندام قطع شده وصل می‌کند.
•  بدنه
•  دست، پا یا هوک
•  پوشش خارجی برای زیبایی ظاهر پروتز

مواد سنگین چوبی و استیل در طول سالیان به وسیله پلاستیک های سبک وزن، آلیاژهای فلزی و کامپوزیت های فیبر کربنی جایگزین شده اند و بسیاری از پاهای مصنوعی امروزه مانند بسیاری از پاهای واقعی می توانند مقداری از انرژی تولید شده در طی راه رفتن را ذخیره کنند وبه بدن برگردانند.

در هنگام انتخاب پا مناسب برای شیوه زندگی خود باید چند عامل را در نظر بگیرید این عوامل عبارتند از: درجه و میزان قطع عضو، سن، وزن، اندازه پا، سطح فعالیت، اهداف و نیازهای شغلی وزیبا بودن کاور های بکار رفته در پروتز.

از نظرشکل ساختاری پروتزها می تواند به دو دسته تقسیم شود:

• پروتزهایی با پیوستگی سفت و سخت به مفصل ساق پا (بدون مفصل)
• پروتزهای که دارای مکانیزم مفصل پای لولادار هستند (مفصل).

از نظرکارکرد، پای مصنوعی از مچ را می توان به گروه های زیر تقسیم کرد:

• پروتز پای مصنوعی SACH
• پروتز پای الاستیک(Eladtic Keel Foot)
• پروتز پای تک محوری
• پروتز پای چندمحوری
• پروتز واکنش نشان دهنده (Dynamic Foot)
• پروتز کنترل شونده با ریزپردازنده(Microprocessor Foot)

SACH و پای Elastic

اساسی ترین نوع پای پروتز پا به دو نوع تقسیم می شود:

1-مچ پای ثابت با پاشنه نرم (SACH) و پای Elastic

این پاها(SACH)  به جذب انرژی کمک می کنند اما به به اندازه پاهای پویا انرژی را ذخیره نمی کنند و بازنمی گردانند. پاهای Elasticمعمولا برای افراد قطع عضو شده ای تجویز می شوند که فعالیتشان به مقدار کمی پیاده روی با سرعت کم محدود می شود.

SACH ساده ترین نوع پای مصنوعی بدون مفصل است .پای SACH در ارتفاع پاشنه های مختلف در دسترس است تا با کفش های مختلف و با ارتفاع پاشنه های مختلف هماهنگ باشند.

2-پای پروتز مصنوعی تک محور (Single-Axis Foot)

استفاده کننده پروتز باید پروتز را به طور کار آمد کنترل کرده تا از لرزیدن زانوی خود جلوگیری کند و سازوکارپای تک محور باعث کم شدن نیاز به این کنترل کردن مداوم می شود.متاسفانه مچ پا تک محوری، وزن پروتز را افزایش می دهد، نیاز به خدمات دوره ای دارد و کمی گران تر از پای SACH است و پای تک محوری ممکن است برای افرادی مناسب تر باشد که پایداری برایشان مهم است.

پای پروتز مصنوعی چند محور(Multi-Axis Foot)

اگر چه ازنظر وزن، پایدار بودن و هزینه شبیه پای تک محور است اما پای چندمحور روی سطوح ناهموار عملکرد بهتری دارد. علاوه بر حرکت بالا و پایین پای تک محور، یک پای چند محور می تواند به چپ و راست نیز حرکت کند و از آنجا که مفصل مچ پا می تواند مقداری از فشارهای پیاده روی را جذب کند، می تواند به محافظت از پوست و پروتز کمک می کند.

پای مصنوعی پروتز  پویا (Dynamic-Response Foot)

کسانی با شیوه زندگی فعال و پرکارتر به طور معمول یک پای واکنش نشان دهنده را ترجیح می دهند. پای پویا برای افرادی خوب است که می خواهند سرعت پیاده روی را افزایش دهند، مسیرها را سریع تغییر داده و یا فاصله های زیادی را طی کنند.پاهای پویا، انرژی را درمدت زمان راه رفتن ذخیره کرده و سپس آزاد می کند و علاوه بر این، این پاها یک منطقه معمول تر حرکت و یک مدل راه رفتن قرینه را ارائه می دهند.

پای مصنوعی پروتز کنترل شونده با ریزپردازنده (Microprocessor Foot)

یک گروه نسبتا جدید از اجزای پروتزی هستند.

این اجزاها پاها ومچ پا دارای سنسورهای کوچک کنترل کامپیوتری هستند.ریزپردازنده دستورهایی را برای قسمت های مختلف پروتز فراهم می کند تا عملکرد دلخواه پا را تولید کند. مچ های پا با MPC اکنون از سنسورهای مختلف از جمله سنسورهای زاویه مچ پا، شتاب سنج، ژیروسکوپ ها و سنسورهای گشتاور استفاده می کنند سپس ریزپردازنده ها در این سیستم ها سیگنال های ورودی را دریافت می کنند و تصمیم می گیرند که چگونه موقعیت مچ پا را معلوم کنند، چگونه می توان پایداری مچ پا را افزایش داده و چگونه موتور مچ پا را در فاز ایستاده تنظیم کنند.

میکروپروسسور یا پایه پروتزهای متحرک نیاز به باطری دارند تا تراشه ها، سنسورها، موتورها و محرک ها را به نیرو برسانند. علاوه بر این، قطعات الکترونیکی همراه با سیستم های ریزپردازنده، آن ها را حساس تر از همتایان غیرفعال خود می سازند خیلی از آن ها نباید در آب و یا در مکان های پر گرد و غبار یا کثیف استفاده شوند.

با توجه به قطعات اضافی مورد نیاز با افزودن ریزپردازنده، آن ها معمولا وزن بیشتری نسبت به دیگر پروتزهای بدن دارند و کاربران ممکن است در زمانی که ریزپردازنده اطلاعات را در می آورد و مدل های مختلف مچ پا یا پا را تنظیم می کند، متوجه صداهایی از پروتز شوند.

در آخر، سطح بالاتری از تکنولوژی و طراحی مبهم این درجه از پروتزهای پا به این مفهوم است که هزینه ی آن ها نیز بیشتر است.

احیای دوباره صنعت پروتز با روکشهای ساخته شده توسط پرینتر سه بعدی

افراد معلول بیشتر اوقات احساس استثنا بودن می کنند چرا که پروتزها همیشه با رنگ پوست ساخته می شود تا همانند پوست واقعی به نظر برسد.پوشش ها در شکل ها و رنگ های مختلفی تولید می شوند کاربران می توانند شیوه ای را که علاقه دارند انتخاب کنند و آن را به آسانی بر روی پروتز خود بچسبانند. روکش ها با تسمه های پلی اورتان و قلاب های فلزی به پروتز می چسبد.

روکش ها با کیفیت بالا و با استفاده از پلاستیک ABS ساخته می شود و آن ها محکم، بسیار سبک ودارای انعطاف هستند و به راحتی تمیز می شوند.

بهتر شدن زندگی افراد قطع عضوشده با روش جدید تولید لاینر پروتز پا توسط پرینتر سه بعدی

روش نوینی برای طراحی و ساخت لاینر پروتز پا و با خرید پرینتر سه بعدی در زمانی کمتر از یک روزانجام دادند که با ترکیب علم رایانه و یک فرآیند نوآورانه ساخت پروتز، که توانستنه لاینرهای پروتزبه صرفه برای افراد قطع عضو پا تولید کرد.برای افراد قطع عضو از ناحیه پا، واسطه میانی بخش باقی مانده عضو قطع شده و اندام مصنوعی از اهمیت بسیاری دارد لاینر یک واسطه کاربری نرم است. وظیفه ی اصلی لاینر پروتز پا، جذب نیروهایی است که فرد قطع عضو هنگام راه رفتن بر پروتز مصنوعی خود وارد می کند.لاینرها کمک می کنند تا اندام باقی مانده فرد قطع عضو، سالم باقی بماند و فرد قطع عضو بتواند پروتز پا را برای مدت طولانی استفاده کند.

پرینت سه بعدی

ازپرینت سه بعدی برای ایجاد کردن یک مدل کامل ودیجیتال از اندام باقی مانده استفاده می شود،که در ساخت لاینر سفارشی و شخصی سازی شده نقش مهمی دارد.

لاینر با روش سردسازی و(cryogenic) ساخته می شود که این روش سازندگان لاینرها و اندام های مصنوعی را از ساخت قالب های پیچیده ومبهم و وقت گیر بی نیاز میسازد.

جنس لاینرها، یک نوع پلیمر نرم مشابه (neoprene)است نئوپرن از یک خانواده لاستیک مصنوعی است و این نوع لاینر در مقایسه با لاینرهای سیلیکونی رایج بسیار راحت ترهستند. فرآیند ساخت لاینر از مرحله ی اسکن تا تولیدآن لاینر کمتر از یک روز طول می کشد.برای آزمایش کردن لاینر جدید ازتعدادی حسگر فشار در محل اتصال سوکت ولاینر قرار داده شد وحرکت پای فرد داوطلب با سامانه آنالیز حرکتی مورد بررسی قرار گرفت.این لاینر جدید،فشار وارده به پای فرد فطع عضو و خطر آسیب وارد شدن به بافت وپوست را به طور قابل ملاحظه ای کاهش داد.