نقش استاتیک و مقاومت مصالح در مهندسی پزشکی



نقش استاتیک و مقاومت مصالح در مهندسی پزشکی

چکیده
از دیدگاه مهندسی، بدن انسان ساختاری با سیستم کنترل پیشرفته داخلی است. اگر بخواهیم این سازه را بفهمیم، چگونه ساخته شده است، چگونه رفتار می کند، و به خصوص اگر بخواهیم آن را اصلاح، تعمیر یا بهبود دهیم، باید در مورد اصول اولیه موادی که در بدن انسان یافت می شوند و موادی که می خواهیم در آن قرار دهیم، چیزهایی بدانیم. خواهیم دید که می توانیم از دانش زیادی که مهندسان مکانیک به دست آورده اند استفاده کنیم، اما برای درک بدن انسان از دیدگاه مهندسی مکانیک به حوزه های دیگری از علم (شیمی، بیوشیمی، زیست شناسی) نیز نیاز خواهیم داشت. مهندسان پزشکی تقریباً در تمام جنبه های توسعه فناوری جدید پزشکی درگیر هستند. آنها در طراحی، توسعه و استفاده از مواد، دستگاه ها و تکنیک ها برای تحقیقات و استفاده بالینی مشارکت دارند. مهندسی پزشکی کاربرد اصول مهندسی و مفاهیم طراحی در پزشکی و زیست شناسی برای اهداف مراقبت های بهداشتی است. همچنین مدیریت تجهیزات پزشکی در بیمارستان ها در حالی که استانداردهای صنعت مربوطه را رعایت می کند، تحت حیطه یک مهندس پزشکی قرار دارد. این شامل تهیه، آزمایش معمول، تعمیر و نگهداری و ارائه توصیه های تجهیزات است، نقشی که به عنوان تکنسین تجهیزات زیست پزشکی یا مهندسی بالینی نیز شناخته می شود. در این تحقیق به بررسی کاربرد استاتیک و مقاومت مصالح در مهندسی پزشکی پرداحته شده است.
کلمات کلیدی: مهندسی پزشکی، مقاومت مصالح، استاتیک
مقدمه
تا پیش از سده بیستم میلادی تشخیص و درمان در زمان بیماری بر پایه بررسی حالات بیمار، بررسی سندرم ها و عارضه های مربوط و ارائه مجموع های از روش های شناخته شده مبتنی بر تجویز دارو یا اعمال برخی عمل های جراحی صورت می گرفت. اما در اوایل سده بیستم و در اوج آن در دهه های ۳۰ و ۴۰ مفهوم تازه ای در پزشکی مطرح شد. بر این اساس، ساختار بدن انسان به مشابه یک نظام بسیار هماهنگ مهندسی فرض و بیماری به عنوان عامل بی نظمی در این ساختار مطرح شد. به این ترتیب دانشی به عنوان مهندسی پزشکی بنیان گذاری شد که زمینه فعالیت آن بررسی ساختار بدن انسان به صورت سامانهیک، کشف قوانین فیزیکی و معادلات ریاضی حاکم بر اجزاء سامانه، فهم اندرکنش بین آنها، مدل سازی این فرایندها و بررسی تاثیر بیماری بر روی این ساختار منظم و به تبع آن ارائه روش های تشخیصی و درمانی مفیدتر برای بهبود بیماری ها بود (Saltzman, 2009).
در مهندسی پزشکی با تلفیقی از علوم مهندسی برطرف کردن نیازهای پزشکی در زمینه ساخت و نگهداری تجهیزات و نیز ساخت ابزارهای پزشکی برای کاربردهای پیشگیری، تشخیص و درمان بیماری ها مد نظر است. این رشته کاربرد علوم فنی و مهندسی در یاری رساندن به پزشکان در تشخیص و درمان بیماری ها است. مهندسی زیست پزشکی اخیراً در مقایسه با بسیاری از رشته های مهندسی دیگر به عنوان مطالعه خاص خود ظاهر شده است. چنین تکاملی به عنوان یک انتقال رشته جدید از یک تخصص بین رشته ای در میان رشته های از قبل ایجاد شده به یک رشته به خودی خود، رایج است. بسیاری از کار در مهندسی زیست پزشکی شامل تحقیق و توسعه است که طیف وسیعی از زیر شاخه ها را در بر می گیرد. کاربردهای برجسته مهندسی زیست پزشکی شامل توسعه پروتزهای زیست سازگار، دستگاه های پزشکی تشخیصی و درمانی مختلف از تجهیزات بالینی گرفته تا میکرو ایمپلنت ها، تجهیزات تصویربرداری رایج مانند MRI و EKG/ECG، رشد بافت احیاکننده، داروهای دارویی و بیولوژیک های درمانی است (Enderle & Bronzino, 2012; Fakhrullin & Choi, 2014).
مهندسی پزشکی یکی از تازه ترین رشته هایی است که قدم به عرصه دنیای فناوری جهانی نهاده و این رشته بدین منظور شکل یافته تا پزشکان را در تشخیص و درمان یاری دهد. مهندسی پزشکی دقت و تنوع در تشخیص را گسترش داده است به طوری که تشخیص بدون دستگاه ها امکان پذیر نیست. تاکنون دستگاه هایی از جمله EEG ،ECG ،MRI ،CT-Scan کمک بسیار بزرگی به پزشکی نموده اند و هم راستای وسایل تشخیصی وسایل و ملزومات درمانی گسترش یافته تا بیماران را به گونه ای تحت درمان قرار گیرند که می توان سمعک، ونتیلاتور، دیالیز (تراکافت)، فراصوت (اولتراسوند) و کاربردهای گوناگون لیزر را نام برد. مهندس پزشکی در گام های اولیه بهره برداری، تعمیر، پشتیبانی و نگهداری و تنظیم و استانداردسازی دستگاه های پزشکی را انجام می دهد و در مراحل بالاتر توسعه، ارتقاء و بهبود دستگاه های پزشکی یا حتی می تواند به طراحی و ساخت یک دستگاه و عضو مصنوعی اقدام کند. در این رشته به علت نوآوری گسترده ای که صورت می گیرد شاخه های تازه ای از مهندسی پزشکی سازمان می گیرند که شرح کوتاهی از زیرشاخه های این رشته ذکر شده است. مهندسی زیست پزشکی کاربرد اصول و تکنیک های حل مسئله مهندسی در زیست شناسی و پزشکی است. این امر در سراسر مراقبت های بهداشتی، از تشخیص و تجزیه و تحلیل گرفته تا درمان و بهبودی مشهود است، و از طریق گسترش دستگاه های پزشکی قابل کاشت، مانند ضربان ساز و باسن مصنوعی، تا فناوری های آینده نگرانه تر مانند مهندسی سلول های بنیادی و سه بعدی، به وجدان عمومی وارد شده است. چاپ اندام های بیولوژیکی مهندسی به خودی خود یک زمینه نوآورانه است، منشا ایده هایی است که به همه چیز از خودرو گرفته تا هوافضا، آسمان خراش ها تا سونار منتهی می شود. مهندسی زیست پزشکی بر پیشرفت هایی تمرکز دارد که سلامت انسان و مراقبت های بهداشتی را در تمام سطوح بهبود می بخشد (Bronzino & Peterson, 2014).
مهندسان زیست پزشکی با سایر رشته های مهندسی که بر سلامت انسان تاثیر دارند، تفاوت دارند زیرا مهندسان زیست پزشکی از دانش دقیق اصول بیولوژیکی مدرن در فرآیند طراحی مهندسی خود استفاده می کنند و به کار می برند. جنبه های مهندسی مکانیک، مهندسی برق، مهندسی شیمی، علم مواد، شیمی، ریاضیات، و علوم کامپیوتر و مهندسی کامپیوتر همگی با زیست شناسی انسان در مهندسی پزشکی ادغام شده اند تا سلامت انسان را بهبود بخشند، خواه یک اندام مصنوعی پیشرفته باشد یا پیشرفتی در شناسایی پروتئین های درون سلولی. مهندسان زیست پزشکی در طیف گسترده ای از تنظیمات و رشته ها کار می کنند. فرصت هایی در صنعت برای نوآوری، طراحی و توسعه فناوری های جدید، در دانشگاه برای پیشبرد تحقیقات و پیش بردن مرزهای آنچه از نظر پزشکی امکان پذیر است و همچنین آزمایش، اجرا و توسعه ابزارهای تشخیصی جدید و تجهیزات پزشکی و در دولت برای ایجاد استانداردهای ایمنی وجود دارد. برای دستگاه های پزشکی بسیاری از مهندسان زیست پزشکی در شرکت های نوپا یا به عنوان خود کارآفرین استخدام می شوند (Park et al., 2018).
بیوانفورماتیک یک حوزه بین رشته ای است که روش ها و ابزارهای نرم افزاری را برای درک داده های بیولوژیکی توسعه می دهد. بیوانفورماتیک به عنوان یک رشته علمی میان رشته ای، علوم کامپیوتر، آمار، ریاضیات و مهندسی را برای تجزیه و تحلیل و تفسیر داده های بیولوژیکی ترکیب می کند. بیوانفورماتیک هم به عنوان یک اصطلاح جامع برای مجموعه مطالعات بیولوژیکی در نظر گرفته می شود که از برنامه نویسی کامپیوتری به عنوان بخشی از روش شناسی خود استفاده می کنند، و هم اشاره ای به "خطوط" تجزیه و تحلیل خاص که به طور مکرر به ویژه در زمینه ژنومیک استفاده می شود. کاربردهای رایج بیوانفورماتیک شامل شناسایی ژن ها و نوکلئوتیدهای کاندید است. اغلب، چنین شناسایی با هدف درک بهتر اساس ژنتیکی بیماری، سازگاری های منحصر به فرد، ویژگی های مطلوب یا تفاوت بین جمعیت ها انجام می شود. به روشی کمتر رسمی، بیوانفورماتیک همچنین سعی می کند اصول سازمانی را در توالی اسید نوکلئیک و پروتئین درک کند (Diniz & Canduri, 2017).
بیومکانیک مطالعه ساختار و عملکرد جنبه های مکانیکی سیستم های بیولوژیکی در هر سطحی از موجودات کامل گرفته تا اندام ها، سلول ها و اندامک های سلولی با استفاده از روش های مکانیک است (Alexander, 2005).
بیومتریال هر ماده، سطح یا ساختاری است که با سیستم های زنده در تعامل باشد. به عنوان یک علم، بیومواد حدود پنجاه سال قدمت دارد. به مطالعه بیومواد علم زیست مواد یا مهندسی زیست مواد می گویند. این شرکت در طول تاریخ خود رشد ثابت و قوی را تجربه کرده است، به طوری که بسیاری از شرکت ها مبالغ زیادی را برای توسعه محصولات جدید سرمایه گذاری می کنند. علم بیومواد عناصری از پزشکی، زیست شناسی، شیمی، مهندسی بافت و علم مواد را در بر می گیرد (Mitragotri & Lahann, 2009).
اپتیک زیست پزشکی اصول فیزیک، مهندسی و زیست شناسی را برای مطالعه برهمکنش بافت بیولوژیکی و نور و چگونگی استفاده از آن برای سنجش، تصویربرداری و درمان ترکیب می کند. طیف وسیعی از کاربردها، از جمله تصویربرداری نوری، میکروسکوپ، افتالموسکوپی، طیف سنجی و درمان را دارد. نمونه هایی از تکنیک ها و فناوری های اپتیک زیست پزشکی شامل توموگرافی انسجام نوری (OCT)، میکروسکوپ فلورسانس، میکروسکوپ کانفوکال و فتودینامیک درمانی (PDT) است. برای مثال OCT از نور برای ایجاد تصاویر سه بعدی با وضوح بالا از ساختارهای داخلی مانند شبکیه چشم یا عروق کرونر در قلب استفاده می کند. میکروسکوپ فلورسانس شامل برچسب زدن مولکول های خاص با رنگ های فلورسنت و تجسم آنها با استفاده از نور، ارائه بینشی در مورد فرآیندهای بیولوژیکی و مکانیسم های بیماری است. اخیراً، اپتیک تطبیقی با اصلاح انحرافات در بافت بیولوژیکی، امکان تصویربرداری با وضوح بالاتر و بهبود دقت در روش هایی مانند جراحی لیزر و تصویربرداری شبکیه به تصویربرداری کمک می کند (Wang & Wu, 2012).
استاتیک در مهندسی پزشکی
استاتیک شاخه ای از مکانیک است که با اجسام در حال سکون یا نیروهای در حالت تعادل سروکار دارد. تعادل ایستا یک حالت فیزیکی است که در آن نیروی خالص وارد شده به سیستم صفر است و اجزای سیستم در حالت سکون هستند. الکترواستاتیک شاخه ای از فیزیک است که به بارهای الکتریکی در حالت سکون می پردازد. برای توانمند ساختن خریداران برای مقایسه ابزارهای موجود تجاری و ارزیابی طرح های ابزار جدید، معیارهای کمی برای عملکرد ابزار مورد نیاز است. این معیارها باید به وضوح مشخص کنند که یک ابزار چقدر ورودی مورد نظر را اندازه گیری می کند و چقدر خروجی به ورودی های تداخلی و اصلاحی بستگی دارد. مشخصه های عملکرد ابزار معمولاً بر اساس فرکانس سیگنال های ورودی به دو دسته تقسیم می شوند. ویژگی های استاتیک عملکرد ابزارها را برای ورودی های dc یا فرکانس بسیار پایین توصیف می کند. ویژگی های خروجی برای طیف وسیعی از ورودی های ثابت، کیفیت اندازه گیری، از جمله اثرات غیرخطی و آماری را نشان می دهد. برخی از سنسورها و ابزارها، مانند دستگاه های پیزوالکتریک، تنها به ورودی های متغیر با زمان پاسخ می دهند و هیچ ویژگی ایستایی ندارند. ویژگی های دینامیکی نیاز به استفاده از معادلات دیفرانسیل و/یا انتگرال برای توصیف کیفیت اندازه گیری ها دارد. اگرچه مشخصه های دینامیکی معمولاً به ویژگی های استاتیکی بستگی دارند، اما غیرخطی ها و متغیرهای آماری معمولاً برای ورودی های دینامیکی نادیده گرفته می شوند، زیرا حل معادلات دیفرانسیل دشوار می شود. مشخصه های کامل با مجموع مشخصه های استاتیکی و دینامیکی تقریبی می شوند. این ساده سازی بیش از حد ضروری اغلب مسئول تفاوت بین عملکرد ابزار واقعی و ایده آل است (Biomedical, 2016).
دقت یک کمیت اندازه گیری شده، تفاوت بین مقدار واقعی و مقدار اندازه گیری شده تقسیم بر مقدار واقعی است. این نسبت معمولاً به صورت درصد بیان می شود. از آنجایی که مقدار واقعی به ندرت در دسترس است، ارزش واقعی پذیرفته شده یا مقدار مرجع باید در موسسه ملی استاندارد و فناوری قابل ردیابی باشد. دقت معمولاً در محدوده نرمال کمیت اندازه گیری شده متفاوت است، معمولاً با کاهش مقدار تمام مقیاس کمیت در یک ابزار چند دامنه ای کاهش می یابد، و همچنین اغلب با فرکانس ورودی های دلخواه، مداخله گر و اصلاح کننده تغییر می کند. دقت اندازه گیری کل خطا بدون توجه به نوع یا منبع خطا است. احتمال کم بودن اندازه گیری و زیاد بودن آن برابر فرض می شود. دقت را می توان به صورت درصد خواندن، درصد مقیاس کامل، (+/-) تعداد ارقام برای بازخوانی های دیجیتال، یا (+/-) 1/2 کوچکترین تقسیم در مقیاس آنالوگ بیان کرد. اغلب دقت به صورت مجموع این موارد بیان می شود، به عنوان مثال، در یک دستگاه دیجیتال، (+/-) 0.01٪ از خواندن (+/-) 0.015٪ از مقیاس کامل (+/-) 1 رقم. اگر دقت به صورت درصدی بیان شود، معمولاً مقیاس کامل در نظر گرفته می شود. برخی از سازندگان ابزار دقت را فقط برای مدت زمان محدودی مشخص می کنند. دقت اندازه گیری تعداد گزینه های قابل تشخیصی را بیان می کند که یک نتیجه معین از آنها انتخاب می شود. برای مثال، دقتی که ولتاژ 2.434 ولت را نمایش می دهد، دقیق تر از دقتی است که 2.43 ولت را نشان می دهد. با این حال، اندازه گیری های با دقت بالا به معنای دقت بالایی نیستند، زیرا دقت هیچ مقایسه ای با مقدار واقعی ندارد. کوچکترین کمیت افزایشی که می توان با قطعیت اندازه گیری کرد وضوح است. اگر کمیت اندازه گیری شده از صفر شروع شود، اصطلاح آستانه مترادف با وضوح است. وضوح بیانگر درجه ای است که می توان مقادیر تقریباً مساوی یک کمیت را متمایز کرد. توانایی یک ابزار برای دادن خروجی یکسان برای ورودی های مساوی اعمال شده در یک دوره زمانی تکرارپذیری یا تکرارپذیری نامیده می شود. تکرارپذیری به معنای دقت نیست. به عنوان مثال، یک ساعت دیجیتال شکسته با یک نشانگر AMor PM مقادیر بسیار قابل تکراری را ارائه می دهد که فقط یک بار در روز دقیق هستند (Biomedical, 2016).
دقت یک ابزار معنی ندارد مگر اینکه همه عوامل مانند محیط و روش استفاده در نظر گرفته شود. کنترل آماری تضمین می کند که تغییرات تصادفی در مقادیر اندازه گیری شده که ناشی از همه عوامل موثر بر فرآیند اندازه گیری است، قابل تحمل است. هر گونه خطا یا سوگیری سیستماتیک را می توان با عوامل کالیبراسیون و اصلاح حذف کرد، اما تغییرات تصادفی مشکل دشوارتری ایجاد می کند. اندازه گیری و/یا ابزار ممکن است تغییرات آماری را معرفی کند که خروجی ها را غیرقابل تکرار کند. اگر علت این تغییرپذیری قابل حذف نباشد، باید از تجزیه و تحلیل آماری برای تعیین تغییرات خطا استفاده کرد. انجام چندین اندازه گیری و میانگین گیری نتایج می تواند تخمین مقدار واقعی را بهبود بخشد (Biomedical, 2016).
مقاومت مصالح در مهندسی پزشکی
تولید پزشکی شامل ابزار، ایمپلنت ها و تجهیزات مورد استفاده برای تشخیص، درمان و نظارت است. این شامل تعویض مفصل ران و زانو و سایر دستگاه های ترمیمی به همراه مانیتورهای قابل کاشت مانند مواردی است که برای مراقبت از قلب استفاده می شود. خواص ساخت مواد مورد استفاده در محیط های پزشکی، به ویژه که با بیمار تماس دارند، باید درجه پزشکی باشد. هیچ استانداردی برای اینکه دقیقاً "درجه پزشکی" به چه معناست وجود ندارد. آنچه توافق شده است این است که مواد تماس با بیمار باید زیست سازگار باشند. این شامل ارزیابی سازگاری دستگاه های پزشکی حاصل با یک سیستم بیولوژیکی است. مواد پزشکی روی دستگاه که با بدن انسان در تماس هستند از نظر زیست سازگاری و ایمنی آزمایش خواهند شد. این شامل آزمایش سمیت، تخریب و حساسیت پوست می شود. آزمایش باید با پیروی از استانداردهای ISO مربوطه، که در سراسر جهان شناخته شده است، انجام شود. ایالات متحده از تست USP برای پلیمرها استفاده می کند، اما ISO را نیز به رسمیت می شناسد. در اینجا می توانید درباره تست USP اطلاعات بیشتری کسب کنید. استاندارد ISO برای زیست سازگاری ISO 10993 است. آزمایش زیست سازگاری دستگاه شما شامل جمع آوری داده های کمی و کیفی در مورد مواد در زمینه ایمنی بیولوژیکی است. مطابق با الزامات ISO 10993، مواد دستگاه را به عنوان درجه پزشکی تعیین می کند. ISO سازمان بین المللی استانداردسازی است. فرآیند تولید می تواند نحوه واکنش مواد را تغییر دهد، بنابراین منطقی است که استانداردها برای دستگاه ها اعمال شود، نه مواد. اگر دستگاه به طور کلی مطابق با مقررات FDA یا اتحادیه اروپا (MDR) باشد، نیازی به اثبات مناسب بودن خود مواد نیست. بنابراین، به عبارت دیگر، هیچ مواد مورد تایید اتحادیه اروپا (MDR) یا FDA برای دستگاه های پزشکی وجود ندارد، و همچنین هیچ استاندارد ISO برای مواد دستگاه های پزشکی وجود ندارد. هرگز نمی توان گفت ماده A برای همه دستگاه های پزشکی قابل قبول است. متغیرهای زیادی درگیر هستند، از فرمولاسیون مواد گرفته تا سیستم های مدیریت کیفیت. بیوموادها زیرمجموعه هایی در طبقه بندی مواد فوق هستند. اینها می توانند مواد مصنوعی یا طبیعی باشند که با سیستم های بیولوژیکی بدن در تعامل هستند. شایان ذکر است که به طور سنتی، مواد رایج مورد استفاده در دستگاه های پزشکی از نظر طراحی بی اثر بوده اند. این از جذب مواد توسط بافت یا تخریب دستگاه از طریق تماس جلوگیری می کند. دانشمندان در حال بررسی موادی هستند که می توانند با طراحی جذب شوند یا به طور طبیعی از بین بروند و ایمپلنت ها را قادر می سازند تا عملکرد خود را تا زمانی که دیگر مورد نیاز نباشند انجام دهند. این امر باعث می شود که بیمار مجبور به جراحی بیشتر نشود. آنها همچنین موادی را برای تبدیل شدن به بخشی از بدن طراحی می کنند. چرا از پلاتین در ابزار جراحی استفاده می شود؟ پلاتین مقاومت فوق العاده ای در برابر خوردگی دارد. همچنین بی اثر است، بنابراین وقتی ابزار با اندام ها یا بافت ها تماس می گیرد، هیچ مشکلی وجود نخواهد داشت. همچنین به همین دلیل است که فولاد ضد زنگ در دستگاه های پزشکی بسیار محبوب است، به ویژه درجه 304. از نظر شیمیایی با بافت بدن واکنش نشان نمی دهد. تیتانیوم در کاربردهای پزشکی به دلیل استفاده از آن در تعویض مفصل ران و مفاصل به خوبی شناخته شده است. برای ایمپلنت ها و دستگاه های جراحی استفاده می شود، زیرا باعث تقویت استخوان سازی (رشد با استخوان و بافت) می شود. ISO در سراسر جهان به رسمیت شناخته شده است. ابزار و دستگاه های پزشکی ایالات متحده نیز از ISO پیروی می کنند. این استانداردها با سه قسمت مشخص می شوند. اول "ISO" است، دوم یک عدد و به دنبال آن سال صدور است. دستورالعمل های ISO برای تجهیزات پزشکی شامل استانداردهایی برای سیستم های مدیریت کیفیت است. توجه: گواهی آزمایش دستگاه پزشکی توسط تستر محصولی که استفاده می کنید اعطا یا رد می شود (Essentracomponents.com).
منابع
Alexander, R. M. (2005). Mechanics of animal movement. Current biology, 15(16), R616-R619.
Biomedical, (2016). Static Characteristics of Biomedical Instruments. https://biomedikal.in/2011/05/static-characterstics-of-biomedical-instruments/
Bronzino, J. D., & Peterson, D. R. (2014). Biomedical engineering fundamentals. CRC press.
Diniz, W. J. D. S., & Canduri, F. (2017). Bioinformatics: an overview and its applications. Genet Mol Res, 16(1), 17.
Enderle, J., & Bronzino, J. (Eds.). (2012). Introduction to biomedical engineering. Academic press.
Essentracomponents.com, What are the material standards for medical manufacturing?. https://www.essentracomponents.com/en-gb/news/industries/medical-equipment/material-standards-for-medical-manufacturing
Fakhrullin, R., & Choi, I. (Eds.). (2014). Cell surface engineering: fabrication of functional nanoshells (Vol. 9). Royal Society of Chemistry.
Mitragotri, S., & Lahann, J. (2009). Physical approaches to biomaterial design. Nature materials, 8(1), 15-23.
Park, C., Took, C. C., & Seong, J. K. (2018). Machine learning in biomedical engineering. Biomedical Engineering Letters, 8, 1-3.
Saltzman, W. M. (2009). Biomedical engineering: bridging medicine and technology. Cambridge University Press.
Wang, L. V., & Wu, H. I. (2012). Biomedical optics: principles and imaging. John Wiley & Sons.
2