مدلی برای ایمنی ستون فقرات
امروزه تحقیق روی ایمنی خودروها یکی از مهمترین مباحث تحقیقاتی در صنعت است. بیشتر ما یا خود تجربه مصدومیت در یک حادثه رانندگی را داریم یا کسانی را می شناسیم که بر اثر تصادفات رانندگی دچار مصدومیت شده اند.
با این تفاسیر محققان سعی کرده اند با تحلیل بیومکانیکی پدیده تصادف ، کنترل کردن شرایط محیطی و وضعیت خودرو هنگام بروز برخورد، به کاهش صدمات به سرنشینان خودرو کمک کنند. مهندس بابک رواجی ، از فارغ التحصیلان مقطع کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی پزشکی دانشگاه صنعتی امیرکبیر نیز یکی از محققانی است که در این راه گام بر می دارد و موفق به طراحی مدل کاهش صدمات به ستون فقرات در تصادفات رانندگی شده است. گفتگوی ما را با وی بخوانید.
صدمات ستون فقرات شامل چه مواردی می شود و در طرحی که شما روی آن کار کردید، کدام دسته از صدمات را مورد بررسی قرار گرفته است؛
ستون فقرات انسان شامل 20 مهره می شود که این مهره ها به 3 دسته کلی تقسیم می شوند: مهره های گردنی ، مهره های سینه ای و مهره های کمری. در بعضی تقسیم بندیها، استخوان خاجی را که انتهای ستون فقرات قرار دارد نیز جزو مهره های ستون فقرات تقسیم بندی می کنند.
همان طور که از اسم این دسته بندی ها مشخص است این تقسیم بندی با توجه به موقعیت مهره ها صورت گرفته است . مهره های هر دسته از نظر شکل و آزادی حرکت نیز تشابهات زیادی دارند. در این طرح بررسی صدمات مهره های گردنی مورد نظر بوده است.
شکستگی انفجاری مهره ها، کنده شدن زوائد استخوان مهره های گردن ، سندرم شریان مهره ای و پاره شدن لیگامانهای بین مهره ای برخی از آسیب های مهره های گردنی هستند که بر اثر حرکات فلکسیون (حرکت گردن به سمت عقب) و هایپراکستانسیون (حرکت مفصل بیش از حد طبیعی) رخ می دهند.اما یکی از شایع ترین صدمات مهره های گردنی به آسیب شلاقی گردن (whiplash injury) معروف است.
به جرات می توان گفت آسیب شلاقی گردن رایج ترین نوع آسیب در تصادفات رانندگی محسوب می شود، چرا که ربط زیادی به سرعت وسیله نقلیه ندارد و در تصادف هایی که در سرعتهای بسیار کم نیز اتفاق می افتند امکان بروز این نوع مصدومیت زیاد است. جالب است بدانید براساس آمار هزینه سالانه این آسیب در انگلستان 2.5 میلیارد پوند است. با توجه به این توضیحات و اهمیت آسیب شلاقی گردن ، در این طرح از میان آسیبهای ناحیه گردن ، صدمات شلاقی مورد بررسی قرار گرفته است.
چگونه و تحت چه روشی از یک سیستم رایانه ای برای بررسی این آسیبها استفاده می شود؛
روش اجزای محدود در رشته های مهندسی و ریاضیات چند سالی است که جای خود را باز کرده است. این اتفاق از زمانی رخ داد که تحول عظیمی در سرعت و قدرت رایانه های شخصی ایجاد شد. در یک تحلیل اجزای محدود، ابتدا مدل مساله به قسمتهای کوچک و بسیار زیادی تقسیم می شود. همان طور که مشخص است انجام محاسبات برای تک تک این قطعات (المان ها) بدون استفاده از رایانه ها غیرممکن است.
در بسیاری از موارد به دلیل پیچیدگی زیاد مسائل از چندین رایانه به طور همزمان برای تحلیل یک مساله استفاده می شود. شاید جالب باشد بدانید که مدلهای شبیه سازی شده برخورد کهکشان ها و سیاهچاله ها بتازگی به وسیله محققان نیز با استفااده از روش اجزای محدود تحلیل شده اند.
طی چه مراحلی این بررسی در مدل ارائه شده صورت می گیرد؛
انجام این طرح در یک دید کلی به 4 فاز تقسیم می شود: جمع آوری اطلاعات لازم ، ساخت مدل رایانه ای از مهره ها و دیسک های گردن ، انجام تحلیل اجزای محدود روی مدل ساخته شده ، استخراج اطلاعات از تحلیل و نتیجه گیری از طرح هر کدام از فازهای کار دارای مراحل و اجزای متعددی هستند. برای ساخت مدل از نرم افزارهای گوناگونی استفاده شد که هر کدام از آنها در بخشی از کار مورد استفاده قرار گرفته اند. برای ساخت مدلهایی که شکل هندسی مشخصی ندارند (همانند اجزای بدن)، روش ساخت مدل با آنچه به طور معمول برای ساخت مدل در نرم افزارها استفاده می شود کاملا متفاوت است.
اجسام و قطعاتی که در دستگاه ها و اماکن صنعتی موجود هستند، عموما دارای شکلهای هندسی ساده ای هستند. روش ساخت مدل این قطعات در نرم افزار معمولا شبیه همان روشی است که آن قطعه در عمل نیز ساخته می شود. اما همانطور که ناگفته پیداست ، اجزا و قطعات بدن یک موجود زنده دارای چنین ویژگی های ساده هندسی نیستند که با دستورهای معمول بتوان آنها را مدل کرد.
|
مصدومیت شلاقی چیست؛ هنوز مکانیسم دقیق مصدومیت شلاقی مشخص نشده است. محققان نظریه های مختلفی درباره آن ارائه کرده اند که در این پروژه به آنها اشاره شده است. برای طراحی این مدل صندلی 3 خط مشی مشخص وجود داشته است که به نوعی خلاصه ای از نظریه های ارائه شده درباره آسیب شلاقی است: 1- کاهش شتاب سرنشین 2- حداقل کردن حرکات نسبی اجزای ستون مهره ها 3- حداقل کردن بازگشت به سمت کمربند عقیده بر این است که اگر از این 3 خط مشی پیروی شود، آسیبهای گردن و ستون فقرات به حداقل کاهش خواهند یافت. برای رسیدن به صندلی های WHIPS از 2 چرخنده جدید، پشتی اصلاح شده و پشت سری استفاده شده است. چرخ دنده ها طوری طراحی و نصب شده اند که در تصادفات از عقب حرکت کنترل شده ای رو به عقب به صندلی بدهند. هنگامی که شدت تصادف به اندازه کافی شدید باشد این چرخدنده ها وارد عمل می شوند و در 2 مرحله وضعیت صندلی را تغییر می دهند. این 2 مرحله با توجه به وزن و وضعیت نشستن سرنشین و نیز شدت تصادف ممکن است همپوشانی داشته باشند |
در این روش که در طرح حاضر نیز از این شیوه استفاده شده است ، روش کار به این ترتیب است که ابتدا باید تصاویر سی تی اسکن یا ام آرآی مناسب برای ساخت مدل تهیه کرد. در واقع در این روش همان کاری که از سوی اسکنرهای 3 بعدی بصورت خودکار انجام می پذیرد را به صورت دستی و به کمک نرم افزار باید انجام داد. برای ساخت مدل از نسج نرم لازم است تا تصاویر ام آی آر (MRI) تهیه شود، چرا که در تصاویر سی تی (CT) نسج نرم قابل رویت نیستند، اما برای ساخت مدل از قطعات استخوانی ، عکس های CT که با کیفیت تهیه شده باشند ارجحیت دارند، چرا که از زواید تصویر کاسته شده و رویت بافت استخوانی راحت تر است.
بیان خلاصه این که در نرم افزار مدلسازی باید لایه های مختلف بافت را درست کرد (بصورت 2 بعدی) و درنهایت از این لایه ها جسم 3 بعدی که همان مدل نهایی خواهد بود، ساخته می شود.
ضریب دقت این بررسی چه میزان است؛
دقت نتایج بدست آمده تا حد بسیار زیادی وابسته به ساده سازی هایی است که در مرحله ساخت مدل و تعریف خواص مکانیکی صورت گرفته است. به هر میزان این ساده سازی ها کمتر باشند نتایج از دقت بیشتری برخوردار خواهند بود. به جرات می توان گفت روش مورد استفاده (روش اجزای محدود) به دلیل ماهیت ریاضی که دارد خطا ندارد، البته به شرط آن که از نرم افزار مناسب استفاده شده باشد و فرد طراح اشراف کاملی بر مساله و نظریه های روش اجزای محدود داشته باشد.
در طرح شما چه راهکارهایی برای کاهش صدمات وارده ارائه می شود؛
استفاده از صندلی های WHIPS برای کاهش مصدومیت های شلاقی درسرنشینان جلوی خودرو بسیار مفید است. طراحی این صندلی بسیار ساده است و نمونه نقشه آن در متن طرحی که به دانشگاه ارائه شد، آمده است. در انتها بخش مربوط به توضیحات WHIPS آمده است. مورد دیگر استفاده از کیسه های هوای جانبی در خودرو می تواند تا حد زیادی کاهش مصدومیت های شلاقی را به دنبال داشته باشد.
مورد دیگری که در این تحقیق درخصوص آن بحث شده احتمال بروز ترکهای کوچک در مهره های بالایی در موقعیت هایی نظیر آسیبهای شلاقی که حرکت ناگهانی و نیروهای زیاد اینرسی دلیل آن است ، مشاهده این ترک ها در معاینات و تصویربرداری های معمول آسان نیست و نیاز به بررسی های بیشتر و کاملتری از سوی پزشکان متخصص دارد. نتایج به دست آمده از این پروژه بروز چنین وضعیت هایی را توجیه می کند. طراحی ایده آل پشت سری برای سرنشینان خودرو آن است که به طور دائم با سر سرنشین در تماس باشد. این مطلب را به سادگی می توان این گونه مطرح کرد که اگر هیچ گونه حرکتی وجود نداشته باشد، طبیعتا هیچ گونه آسیب و مصدومیتی نیز به وجود نخواهد آمد. هراندازه که سر فاصله کمتری با پشت سری داشته باشد، حرکت آن کمتر می شود.
پونه شیرازی
گفت و گو
نادر فریادشیران در گفت و گوی اختصاصی با جام جم آنلاین؛
۱۶ نفر را با خودم به جام جهانی نمیبردم / فرانسه، شانس اول قهرمانی
