عنوان صفحهفهرست مطالب هشتچکيده........1 فصل اول: مقدمه 21-1 پیشگفتار.. 21-2 آناتومی نخاع و ستون فقرات.. 21-3 صفحات آناتومی بدن انسان و نامگذاری درجات آزادی مرتبط با آن در پایینتنه.. 41-4 انواع آسیبدیدگیهای نخاعی.. 51-5 بررسی مشکلات بیماران ضایعه نخاعی و راهکارها.. 61-6 ارتز.. 81-6-1 ارتزهای غیرفعال.. 91-6-2 ارتزهای فعال.. 91-6-3 اگزوسکلتونهای فعال.. 91-7 کمککنندههای ایستادن و راه رفتن.. 101-8 تاریخچهی کارهای عملی انجامشده در زمینهی ارتزها و اگزوسکلتونهای فعال.. 111-8-1 ارتزهای غیرفعال.. 111-8-2 پاراواکر(اچ جی او).. 111-8-3 آرجیاو.. 131-8-4 ارتز واکاباوت.. 141-9 نتایج مطالعات مقایسهای.. 151-10 ارتزهای فعال پا.. 161-11 اگزوسکلتونهای فعال.. 171-12 مبانی تئوریک طراحی ارتزهای فعال و غیرفعال و اگزوسکلتونها 181-13 مطالعات انجامشده درزمینهی پایداری ایستادن ارتز و اگزوسکلتون 181-13-1 مطالعهی سینماتیک و دینامیک ارتزها و اگزوسکلتونها 191-13-2 مطالعهی کنترل ارتزها و اگزوسکلتونهای فعال.. 191-13-3 مطالعات انجامشده درزمینهی افزایش پایداری ایستادن 201-14 تعریف مسئله.. 20فصل دوم: مفاهیم پایهای پایداری و کنترل 222-1 مقدمه.. 222-2 معرفی ساختمان مورد بررسی.. 232-2-1 ویژگیهای مطلوب برای طراحی ارتز.. 242-2-2 نقش بخشهای مختلف سیستم.. 252-2-3 انتخاب مواد مورد استفاده در ساختمان ارتز.. 261.مواد انتخابشده برای بخشهای مختلف مفصل ران........ ............................ 262.مواد انتخابشده برای بخش تنه...................... ........................................................................... 273.مواد انتخابشده برای بخش مفصل زانو................ ....................................................... 274.مواد انتخابشده برای ارتزهای زانو-قوزک-پا......... ................................ 272-2-4 طراحی نهایی.. 272-2-5 طراحی و ارزیابی نسل دوم ارتز جدید.. 282-2-6 پایداری ایستادن با نسل دوم ارتز.. 292-3 محاسبه جرم، طول، مرکز جرم و ممان اینرسی اندامهای مختلف بدن 292-4 گشتاور مفاصل بدن یک فرد دارای آسیب نخاعی.. 312-5 مدل دینامیکی مورد استفاده.. 322-6 استخراج معادلات حرکت.. 332-7 نگاهی دقیقتر به ماهیت دینامیکی سیستم.. 352-8 تعيينمحدودههايپايداريبراييكجرممشخصوزمانمشخصحركتدست 362-9 بحث.. 372-10 قیود پایداری.. 382-11 بهکارگیری استراتژی حرکت بالاتنه.. 39فصل سوم: قیود سینماتیکی ایستادن، تعیین زوایای ارتز و نقطهی تعادل بالاتنه 413-1 مقدمه.. 413-2 قید سینماتیکی کف پا.. 413-3 معادلات قیود سینماتیکی کف پا.. 423-3-2 بررسی قید عدم حرکت در راستای محور y. 433-3-3 بررسی قید عدم سرخوردن در راستای محور x. 443-3-4 بررسی قید عدم واژگونی از سمت پاشنه یا پنجه.. 453-3-5 بررسی سه قید.. 463-4 بدست آوردن محدودهی گشتاورها با اعمال پارامترهای اعضای بدن 463-5 بررسی قید عدم واژگونی.. 483-6 بدست آوردن زوایای پایینتنه ارتز.. 513-7 نقطهی تعادل زاویهی بالاتنه.. 54فصل چهارم: معادلات دینامیکی 574-1 مقدمه.. 574-2 ارزیابی انتخاب مکانیزم و جانمایی عملگر الکتریکی.. 574-3 بررسی فنر بکار رفته در مفصل ران.. 604-4 طراحی فنر مفصل ران.. 624-5 انتخاب عملگر و گیربکس مناسب.. 664-6 جانمایی عملگر.. 684-6-1 چرخدندهی ساده.. 684-6-2 چرخ حلزون.. 694-6-3 گیربکس اسپیندل.. 694-6-4 انتخاب مکانیزم مناسب.. 704-7 خطی سازی معادلات.. 704-8 کنترلر.. 724-8-2 کنترلر جانمایی قطبها.. 74 فصل پنجم: بررسی پایداری به همراه حرکت دست 765-1 مقدمه.. 765-2 مدل سه لینکی فرد و ارتز.. 765-2-2 معادلات دینامیکی.. 775-2-3 انرژی جنبشی.. 785-2-4 انرژی پتانسیل.. 785-3 اعتبار سنجی شبیهسازی.. 795-4 بررسی پایداری حرکت دست با اعمال کنترلر CTM در مدل سه درجه آزادی 825-4-2 حرکت منفرد بالاتنه.. 845-4-3 حرکت منفرد دست.. 855-4-4 حرکت همزمان دست و بالاتنه.. 865-5 بررسی پایداری با حرکت دست با استفاده از کنترلرهای طراحیشده 885-5-1 مدل دو درجه آزادی.. 885-5-2 بررسی کنترلر.. 885-5-3 بررسی کنترلر جانمایی قطبها.. 89فصل ششم: نتیجهگیری و پیشنهادات 936-1 نتیجهگیری.. 936-2 پیشنهادات.. 94 شكل1-1 آناتومی نخاع3شكل1-2 صفحات آناتومی بدن انسان 4شكل1-3 درجات آزادی مربوط به پا 5شكل1-4 شبکه عصبی بدن انسان 6شكل1-5 به ترتیب از راست به چپ 1) کین 2) عصای زیر بغلی 3) چارچوب راه رفتن 10شكل1-6 1) ارتزهای قوزک-پا 2) ارتزهای زانو-قوزک-پا 3) ارتزهای ران-زانو-قوزک-پا 11شكل1-7 ارتز پاراواکر یا اچ جی او 12شكل1-8 ارتز آرجیاو 13شكل1-9 ارتز آرجیاو ایزوسنتریک 14شكل1-10 یک ارتز واکاباوت و مفصل تکمحوره میانی آن 15شكل1-11 ارتز کاب، اگزوسکلتون میهایلو پاپین، ویسکانسن، اگزوسکلتون دانشگاه سوگانگ 17شكل1-12 مکانیزم یان ، اگزوسکلتون هاردیمن، بلیکس، سارکز 17شكل1-13 اگزوسکلتون دانشگاه امآیتی، هال ،موسسهی کاگناوا، روبونی 18شكل2-1 وضعیت ایستادن سی برای یک فرد آسیب نخاعی و موقعیت مرکز جرم و اندامهای مختلف بدن 23شكل2-2 طراحی نهایی نسل اول ارتز 27شكل2-3 ارتزMTK-RGO 29A:اجزای ارتز 29شكل2-4 طول اعضا مختلف بدن، برگرفته از مدل وینتر 30شكل2-5 مدل مورد استفاده برای تحلیل ایستادن فرد مبتلابه آسیب نخاعی 33شكل2-6 رفتار فنر TLSO 34شكل2-7 (الف) ترسیمه آزاد سیستم در وضعیت تعادل (ب) تقابل میان گشتاورها 36شكل2-8 ناحیهی مجاز زوایای و برای حرکت دست موردنظر در 37شكل2-9 ناحیهی مجاز زوایای و برای حرکت دست به همراه جرم 1.5 کیلوگرم 37شكل2-10 (الف) مدل در نظر بررسیشده (ب)مدل ارائهشده با در نظر گرفتن قید سینماتیکی کف پا 38شكل2-11 حالت ایستادن فرد مورد آزمایش و جهات مورد استفاده برای اعمال اختلال 39شكل2-12 ناحیهی پایداری با کارایی عالی و ضعیف 40شكل3-1 (الف) دیاگرام آزاد بالاتنه (ب) دیاگرام آزاد پایینتنه 42شكل3-2 محدودهی گشتاور مجاز برای برقراری قید عدم حرکت در راستای محور y 47شكل3-3 محدودهی گشتاور مجاز برای برقراری قید عدم سرخوردن در راستای محور x 47شكل3-4 محدودهی گشتاور مجاز برای برقراری قید عدم واژگونی از سمت پاشنه یا پنجه 47شكل3-5 ناحیهی مجاز گشتاور ورودی به بالاتنه در ناحیهی 2 و4 49شكل3-6 محدودهی گشتاورهای رسم شده برای مقادیر مختلف پارامتر a 50شكل3-7 محدودهی گشتاورهای رسم شده برای مقادیر مختلف پارامتر b 50شكل3-8 محدودهی گشتاورهای رسم شده برای مقادیر مختلف پارامتر c 51شكل3-9 مدل نمادگذاری شده برای محاسبهی پارامترهای سیستم 51شكل3-10 تغییرات زاویه عضو ران و ساق برای دستیابی بهتساوی گشتاور اعمالی به بالاتنه 53شكل3-11 تغییرات زاویه ساق و مکان افقی مفصل ران برای دستیابی بهتساوی گشتاور اعمالی به بالاتنه 53شكل3-12 تغییرات مکانی مفصل ران با تغییرات زوایای عضو ران و ساق ارتز 54شكل3-13 ناحیه گشتاور اعمالی برای مفصل ران با در نظر گرفتن قید تساوی گشتاوری 54شكل3-14 گشتاور غیرفعال مفصل ران برای زوایای 5، صفر و 5- عضو ران ارتز () 55شكل3-15 نقطهی تعادل پایدار بالاتنه 55شكل3-16 نقطهی تعادل ناپایدار 56شكل4-1 مکان جانمایی عملگر 58شكل4-2 ارتز MTK-RGO 59شكل4-3 محدودهی مجاز گشتاور اعمالی به بالاتنه برای عدم واژگونی از سمت پاشنه و پنجهی پا 59شكل4-4 نمودار مجموع گشتاور غیرفعال مفصل ران و گشتاور تولیدشده وزن بالاتنه 60شكل4-5 گشتاور غیرفعال مفصل ران 61شكل4-6 نمودار گشتاور ایجادشده توسط وزن بالاتنه و خط مماس بر آن در زاویهی صفر درجه 61شكل4-7 غیرفعال وارد بر مفصل ران پس از استفاده از فنر 62شكل4-8 معادلهی حداکثر جابجایی تیر یکسر درگیر با اعمال بار نقطهای 62شكل4-9 مدل سادهشدهی ارتز به همراه فنر 63شكل4-10 افزایش طول مؤثر تیر با افزایش نیروی اعمالی به آن 63شكل4-11 نمایی از نقطهی تماس TLSO و فنر مفصل ران 64شكل4-12 تغییرات طول مؤثر فنر 64 شكل4-13 تغییرات شیبخط مماس بر تیر به تغییر زاویهی بالاتنه 65شكل4-14 گشتاور وزن و معکوس گشتاور ایجادشده توسط فنر طراحیشده برحسب زاویهی بالاتنه 65شكل4-15 گشتاور غیرفعال مفصل ران پس از استفاده از تیر یکسر 66شكل4-16 فنر پیچشی 66شكل4-17 گشتاورهای مجاز در محدودهی زوایای 67شكل4-18 (الف) چرخدندهی ساده (ب) سیستم تسمه و پولی 68شكل4-19 گیربکس چرخ حلزون (الف) نسب شده بر روی عضو ران (ب) نسب شده بر روی TLSO 69شكل4-20 گیربکس اسپیندل (الف) نسب شده بر روی TLSO (ب) نسب شده بر روی عضو ران 70شكل4-21 کنترلر طراحی شده برای تابع تبدیل ورودی گشتاور به خروجی نقطهی ممان صفر کف پا 72شكل4-22 گشتاور ورودی 73شكل4-23 زاویهی بالاتنه 73شكل4-24 نقطهی ممان صفر کف پا 73شكل4-25 کنترلر جانمایی قطبها 74شكل4-26 زاویهی بالاتنه 75شكل4-27 گشتاور ورودی به بالاتنه 75شكل4-28 مکان نقطهی ممان صفر در کف پا 75شكل5-1 مدل سه لینکی فرد به همراه ارتز 77شكل5-2 زاویهی بالاتنه 80شكل5-3 گشتاور ورودی به بالاتنه 80شكل5-4 مکان نقطهی ممان صفر در کف پا 80شكل5-5 زاویهی بالاتنه 81شكل5-6 گشتاور ورودی به بالاتنه 81شكل5-7 مکان نقطهی ممان صفر در کف پا 81شكل5-8 مسیر و سرعت حرکت بالاتنه برای حرکت منفرد 82شكل5-9 مسیر و سرعت دست برای حرکت منفرد 83شكل5-10 مسیر حرکت بالاتنه در هنگام حرکت دست 83شكل5-11 نمودار زاویه و سرعت زاویهای لینکها 84شكل5-12 نمودار گشتاور ورودی به لینکها 84شكل5-13 تغییرات نقطهی ممان صفر واقع در کف پا 85شكل5-14 نمودار زاویه و سرعت زاویهای لینکها 85شكل5-15 نمودار گشتاور ورودی به لینکها 86شكل5-16 تغییرات نقطهی ممان صفر واقع در کف پا 86شكل5-17 نمودار زاویه و سرعت زاویهای لینکها 87شكل5-18 نمودار گشتاور ورودی به لینکها 87شكل5-19 تغییرات نقطهی ممان صفر واقع در کف پا 88شكل5-20 نمودار زاویه و سرعت زاویهای بالاتنه و دست در حالت مقدار مطلوب صفر برای دست 89شكل5-21 نمودار گشتاور ورودی به بالاتنه و دست در حالت مقدار مطلوب صفر برای دست 89شكل5-22 نقطهی ممان صفر در کف پا در حالت مقدار مطلوب صفر برای دست 90شكل5-23 نمودار زاویه و سرعت زاویهای بالاتنه و دست در حالت دستان آزاد 90شكل5-24 نمودار گشتاور ورودی به بالاتنه و دست در حالت دستان آزاد 90شكل5-25 نقطهی ممان صفر در کف پا در حالت دستان آزاد 91شكل5-26 نمودار زاویه و سرعت زاویهای بالاتنه و دست در هنگام حرکت دست 91شكل5-27 نمودار گشتاور ورودی به بالاتنه و دست در هنگام حرکت دست 92شكل5-28 نقطهی ممان صفر در کف پا در هنگام حرکت دست 92 جدول2-1 خواص مکانیکی آلیاژ آلومینیوم برای ساخت برخی قسمتهای ارتز26جدول2-2 خواص مکانیکی فولاد مورد استفاده برای ساخت برخی قسمتهای ارتز 27جدول2-3 خواص مکانیکی پیچهای محدودکننده فلکشن-اکستنشن در مفصل ران 27جدول2-4 خواص مکانیکی کوپلیمرپلی پروپیلن برای ساخت ارتزهای زانو-قوزک-پا 27جدول2-5 پارامترهای اعضای بدن با استفاده از مدل وینتر 31جدول2-6 پارامترهای موردنیاز برای محاسبه گشتاور منفعل بر اساس مدل کاگاوا 32جدول2-7 پارامترهای مورد استفاده برای سیستم دینامیکی موردنظر 34جدول2-8 زوایای ارتز در نقطهی تعادل پایدار ایستادن 36جدول5-1 پارامترهای اعضای بدن برای مدل سه لینکی مورد استفاده 77 چکیدهدر سالهای اخیر مطالعات متعددی برای بهبود عملکرد ایستادن و راه رفتن بیماران دارای ضایعهی نخاعی انجام شده است. این افراد میتوانند با استفاده از ابزارهای ارتوپدی به نام ارتز توانایی ایستادن و حرکت نمودن خود را بازیابند. ارتزهابه دو گروهفعالوغيرفعالتقسیم شدهوبستهبهسطحآسيبنخاعيمیتوانندحدموردنيازپشتيبانيرابرايفردناتوانفراهمكنند. دراينپژوهش ابتداساختمانيكارتزران-زانو-قوزك-پای غیرفعالمورد مطالعه قرار گرفته و در ادامه به بهبود عملکرد ایستادن افراد دارای ضایعهی نخاعی استفاده کننده از ارتز، در حالت دستان آزاد (بدون استفاده از تکیهگاه نظیر عصا) پرداختهشده است. برای دستیابی به پایداری ایستادن در حالت دستان آزاد، فرد میتواند با استفاده از ارتز غیرفعال به بخش بالایی ارتز تکیه داده وپایداری خویش را بازیابد. در این حالت فرد آسیبنخاعی شکل ایستادن با خم شدن به سمت عقب را که به آن حالت ایستادن سی میگویند، به خود میگیرد. با توجه به مقایسهی حالت ایستادن فرد آسیب نخاعی در حالت سی با نحوهی ایستادن فرد سالم و مشاهدهی محدودیت فرد در استفاده از دستها، میتوان دریافت این شیوهی ایستادن مناسب نمیباشد. برای دستیابی به حالت درست ایستادن نیاز به قرارگیری بالاتنه در حالتی مشابه با فرد سالم ضروریست. برای دستیابی به این امر نصب عملگر بر روی مفصل ران ارتز غیرفعال ارزیابی شده تا فرد آسیب دیده بتواند در حالت صحیح ایستادن قرارگرفته و با استفاده از استراتژی حرکت بالاتنه پایداری ایستادن را برقرار نماید. برای نصب عملگر در مفصل ران ارتز، فرد به همراه ارتز به صورت مدل سریال چهار لینکی (سه لینک پایینتنه و یک لینک بالاتنه به همراه دست) در نظر گرفتهشده است. سپس با استفاده از قیود سینماتیکی کف پا برای برقراری پایداری ایستادن، محدودهی مجاز گشتاورهای اعمالی به بالاتنه برای حفظ پایداری بدست آمده است. برای استفادهی بهینه از عملگر مکان مناسب مفصل ران بدست آمده و با توجه به آن زوایای ثابت ارتز پایینتنه و نقطهی تعادل بالاتنه محاسبهشده است. در ادامه برای برقراری پایداری بالاتنه دو کنترلر طراحی و عملکرد آنها با استفاده از شبیهسازی مورد مطالعه قرار گرفته است. در نهایت مدل پنج لینکی ارتز و فرد آسیب نخاعی (سه لینک پایینتنه و دو لینک بالاتنه و دست) که پایینتنهی آن با استفاده از ارتز ثابت شده، به مدل دو درجه آزادی بالاتنه و دست تقلیل یافته است. سپس با استفاده از شبیهسازی، عملکرد کنترلرها و عملگر نسب شده در مفصل ران برای برقراری تعادل در هنگام حرکتهای مشخص دست مورد بررسی قرار گرفته است. کلمات کلیدی: آسيب نخاعي،ارتز،سايتادن آرام،ايستادن ديناميكي،پايداري.1- فصل اول مقدمه1-1 پیشگفتارفلج شدگی[1] ازکارافتادگی دائم اندامهای تحتانی بدن است که براثر صدمه وارده به نخاع[2] واقع در ستون فقرات، معمولاً ناشی از حوادث یا بیماری، ایجاد میشود.این امر باعث از بین رفتن توانایی کنترل حرکت و احساس در اندامهای پایینتر از سطحی که نخاع آسیبدیده است، میگردد. نوع فلج شدگی به سطح آسیب بستگی دارد و بر اثر فلج شدن ممکن است علاوه بر اندامهای تحتانی بخشی یا تمام اندامهای فوقانی متأثر گردند.در این قسمت برای بررسی سطح آسیبدیدگی و شناخت اندامهای متأثر شده بر اثر فلجشدگی آناتومی نخاع و ستون فقرات انسان را بررسی میشود.1-2 آناتومی نخاع و ستون فقراتطناب نخاعی از سوراخ پس سری[3] تا سطح نخستین یا دومین مهره کمری امتداد مییابد. سوراخ پس سری، سوراخی است بزرگ در استخوان پس سر که مغز و نخاع در آنجا به یکدیگر متصل میشوند. طناب نخاعی، نخاع شوکی نیز خوانده میشود. از برجستگی کمری به پایین، نخاع شوکی باریک شده و تا ناحیه مخروط انتهایی[4] که دربرگیرندهی بخشهای خاجی[5] طناب نخاعی است ادامه دارد. مخروط انتهایی، پایینترین ناحیه تنه نخاع است.نخاع دو وظیفه اصلی را بر عهده دارد: اول آنکه اعصابی را در بر دارد که نواحی حسی و کنترل حرکتی[6] مغز را به سایر قسمتهای بدن متصل میکند. این اعصاب مسیرهایی را برای هدایت پالسها از دریافتکنندههای حسی[7] بدن به مغز و سپس در جهت عکس توسط عصبهای حرکتی به ماهیچهها و غدد فراهم میکند. دوم آنکه نخاع مستقیماً اعصاب حسی را به اعصاب حرکتی مناسب برای ایجاد پاسخ، بهصورت مستقل از مغز متصل میکند که این امر بهعنوان واکنش نخاعی[8] شناخته میشود. نخاع درون کانال داخلی ستون فقرات[9] قرار دارد. اعصاب نخاعی بهطور کلی به چهار بخش تقسیم میشود که متناظر با ناحیهای از ستون فقرات هستند که در آن قرارگرفتهاند. این بخشها عبارتند از: 1-گردنی[10] 2- سینهای[11] 3-کمری[12] 4 - خاجی[13] ( شكل1-1 ).اعصاب سینهای (T1-T12) اعصاب خاجی (S1-S5)اعصاب کمری (L1-L5)اعصاب گردنی(C1-C8) شكل1-1 آناتومی نخاعاعصاب نخاعی ۳۱ جفت است که از طناب نخاع منشعب میگردند که عبارتاند از: 1-اعصاب گردنی، هشت زوج 2-اعصاب سینهای، دوازده زوج 3-پنج زوج کمری 4-پنج زوج خاجی 5-یک زوج دنبالچهای.به علت ارتباط نخاع با ۳۱ جفت عصب نخاعی، طناب نخاعی را به ۳۱ قطعه (سگمنت) تقسیم میکنند. یک قطعه نخاعی، استوانهای از طناب نخاعی است که یک عصب نخاعی به آن اتصال مییابد. با توجه به اینکه طول نخاع بهطور متوسط حدود ۲۵ سانتیمتر کمتر از طول ستون فقرات است، بنابراین قطعات نخاعی از سطح گردنی بهطرف انتهاییترین قسمت نخاع در مقایسه با مهرههای همنام، یکسان نبوده و بهتدریج از هم دورتر میگردند. بهعنوان مثال قطعه اول نخاعی (C1)، در سطح مهره اول گردنی قرار میگیرد، در حالی که قطعه اول خاجی (S1) در مجاورت مهره اول کمری است که در شكل1-1 قابلمشاهده است. از هشت زوج عصب گردنی، هفت عصب بالاتر از سطح مهرهی مربوط به خود از نخاع خارج میگردند و فقط زوج هشتم گردنی از زیر مهره هفتم عبور میکند. عصبهای نخاعی سینهای، کمری و خاجی از زیر مهرههای مربوط به خود خارج میشوند.1-3 صفحات آناتومی بدن انسان و نامگذاری درجات آزادی مرتبط با آن در پایینتنهبهمنظور طراحی، بهبود و یا بررسی ساختار ارتزهای مورد استفاده در اندام تحتانی، نیاز به شناخت آناتومی بدن انسان در قسمت پایینتنه و درجات آزادی موجود در این قسمت احساس میشود. پای انسان در حالت کلی بهصورت یک سازه با هفت درجهی آزادی مدل میشود ، به این ترتیب که سه درجهی آزادی در مفصل ران ( لگن)، یک درجهی آزادی در مفصل زانو و سه درجهی آزادی در قوزک پا خواهیم داشت. شكل1-2 صفحات آناتومی بدن انسان را نشان میدهد و همچنین شكل1-3 یک مدل سادهشده از بدن انسان را در درجات آزادی موجود در هر صفحه، به نمایش میگذارد. در این جا، به دوران مفاصل در صفحهی طولی خمش[14] و کشش[15] اطلاق میشود (برای مچ پا الفاظ خمش به عقب[16] و خمش به کف پا[17] به ترتیب بهجای خمش و کشش استفاده میشود). علاوه بر این، حرکت مفصل ران و مچ پا در صفحهی عرضی بدن، دور شدن[18] (هنگامی که پا از بدن دور میشود) و نزدیکی[19] (هنگامی که پا به بدن نزدیک میشود) نامیده میشوند. به درجات آزادی باقیمانده برای ران و قوزک پا دوران[20] میگویند ( شكل1-3 ). شكل1-2 صفحات آناتومی بدن انسان شكل1-3 درجات آزادی مربوط به پا1-4 انواع آسیبدیدگیهای نخاعیامکان آسیب نخاع در هر سطحی از طناب نخاعی وجود دارد. احتمال آسیب در دو ناحیه (C6-C7) و (T12-L1) بیشتر از سایر نواحی طناب نخاعی است که علت آن تحرک زیاد یک قسمت و ثبات (تحرک کمتر) در ناحیه دیگر است. ضایعات ناکامل نخاع در اثر ضربات وارده به طناب نخاعی در ناحیه گردن شیوع بیشتری در مقایسه با قسمت سینهای دارد. سطحی از نخاع که در آن آسیبدیدگی ایجادشدهاست و میزان شدت آسیبدیدگی، درجات متفاوتی از ناتواناییهای عصبشناختی[21]را ایجاد میکند.آسیبدیدگیهای نخاعی ممکن است کامل یا ناقص باشد. در آسیبدیدگیهای نخاعی کامل، نخاع کاملاً قطع میگردد و توانایی کنترل حرکات ارادی و همچنین احساس در سطوح زیر آسیبدیدگی کاملاً از بین میرود. دو نوع اصلی از آسیبدیدگیهای نخاعی ناقص وجود دارد. در نوع اول تمام اعصاب در یک سطح خاص آسیب میبینند، اما این امر باعث قطع کامل عملکرد آنها نمیشود. در نوع دیگر بخشهایی از نخاع کاملاً آسیب دیدهاند درحالیکه بقیه قسمتها سالم ماندهاند.هرچه آسیبدیدگی در سطح بالاتری اتفاق افتد و هرچه شدت آن بیشتر باشد، میزان ازدسترفتگی احساس و ناتوانی در کنترل حرکت اندام تحتانی بیشتر است. اگر ضایعه نخاعی در سطح گردنی باشد، با توجه بهشدت آسیب باعث ایجاد ضعف اندامها یا فلج چهار اندام میگردد. ضایعه در سطح سینهای یا ناحیه کمری منجر به ضعف اندامهای تحتانی یا فلج اندامهای تحتانی میشود.آسیبهای رشتههای دماسبی، نمای بالینی ویژهای بهصورت فلج شل دو پا، بیاختیاری ادرار و مدفوع و همچنین بیحسی نسبت به درد و حرارت در ناحیه زینی[22] ایجاد میکنند.در مورد آسیبهای کامل، سطح آسیب وارده توانایی بیمار برای انجام فعالیتهای مختلف را تحت تأثیر قرار میدهد. سطح T1 بالاترین سطح آسیبدیدگی است که در آن فرد توانایی اندام فوقانی خود را کاملاً حفظ میکند، اما توان ایستادن و راه رفتن را از دست میدهد. در آسیبدیدگی در سطوح T2 تا T5 بیمار دارای اندکی توانایی برای کنترل تنه است و ممکن است با استفاده از عصا بتواند بایستد. در سطوح T6 تا T12 فرد ممکن است بتواند با استفاده از عصا برای فواصل کوتاه راه برود. بیماران سطح L2 تمام حرکات تنه و مفصل کمر را دارند، در حالی که بیماران L3 میتوانند زاویه زانو را نیز تغییر دهند. بیماران سطح L4 میتوانند، ساق پا و قوزک را بهگونهای کنترل کنند که خمش به عقب [23] ایجاد کنند. بیماران سطوح S1 و S2 میتوانند پا را در جهت خمش به کف پا [24] نیز حرکت دهند و مستقلاً بر روی تمام سطوح صاف و ناصاف بدون عصا راه بروند. رشتههای عصبی منشعب شده از نخاع در شكل1-4 نمایش دادهشدهاست. با مقایسهی شكل1-1 و شكل1-4 میتوان درک بهتری از سطح آسیبدیدگی در ستون فقرات و ارتباط آن با از دست دادن توانایی کنترل حرکتی و حسی را به دست آورد.
طراحی یک سیستم فعال برای پایدار سازی ایستادن افراد دارای ضایعه نخاعی در صفحه¬ی طولی بر مبنای استراتژی حرکت بالا تنه
عنوان صفحهفهرست مطالب هشتچکيده........1 فصل اول: مقدمه 21-1 پیشگفتار.. 21-2 آناتومی نخاع و ستون فقرات.. 21-3 صفحات آناتومی بدن انسان و نامگذاری درجات آزادی مرتبط با آن در پایینتنه.. 41-4 انواع آسیبدیدگیهای نخاعی.. 51-5 بررسی مشکلات بیماران ضایعه نخاعی و راهکارها.. 61-6 ارتز.. 81-6-1 ارتزهای غیرفعال.. 91-6-2 ارتزهای فعال.. 91-6-3 اگزوسکلتونهای فعال.. 91-7 کمککنندههای ایستادن و راه رفتن.. 101-8 تاریخچهی کارهای عملی انجامشده در زمینهی ارتزها و اگزوسکلتونهای فعال.. 111-8-1 ارتزهای غیرفعال.. 111-8-2 پاراواکر(اچ جی او).. 111-8-3 آرجیاو.. 131-8-4 ارتز واکاباوت.. 141-9 نتایج مطالعات مقایسهای.. 151-10 ارتزهای فعال پا.. 161-11 اگزوسکلتونهای فعال.. 171-12 مبانی تئوریک طراحی ارتزهای فعال و غیرفعال و اگزوسکلتونها 181-13 مطالعات انجامشده درزمینهی پایداری ایستادن ارتز و اگزوسکلتون 181-13-1 مطالعهی سینماتیک و دینامیک ارتزها و اگزوسکلتونها 191-13-2 مطالعهی کنترل ارتزها و اگزوسکلتونهای فعال.. 191-13-3 مطالعات انجامشده درزمینهی افزایش پایداری ایستادن 201-14 تعریف مسئله.. 20فصل دوم: مفاهیم پایهای پایداری و کنترل 222-1 مقدمه.. 222-2 معرفی ساختمان مورد بررسی.. 232-2-1 ویژگیهای مطلوب برای طراحی ارتز.. 242-2-2 نقش بخشهای مختلف سیستم.. 252-2-3 انتخاب مواد مورد استفاده در ساختمان ارتز.. 261.مواد انتخابشده برای بخشهای مختلف مفصل ران........ ............................ 262.مواد انتخابشده برای بخش تنه...................... ........................................................................... 273.مواد انتخابشده برای بخش مفصل زانو................ ....................................................... 274.مواد انتخابشده برای ارتزهای زانو-قوزک-پا......... ................................ 272-2-4 طراحی نهایی.. 272-2-5 طراحی و ارزیابی نسل دوم ارتز جدید.. 282-2-6 پایداری ایستادن با نسل دوم ارتز.. 292-3 محاسبه جرم، طول، مرکز جرم و ممان اینرسی اندامهای مختلف بدن 292-4 گشتاور مفاصل بدن یک فرد دارای آسیب نخاعی.. 312-5 مدل دینامیکی مورد استفاده.. 322-6 استخراج معادلات حرکت.. 332-7 نگاهی دقیقتر به ماهیت دینامیکی سیستم.. 352-8 تعيينمحدودههايپايداريبراييكجرممشخصوزمانمشخصحركتدست 362-9 بحث.. 372-10 قیود پایداری.. 382-11 بهکارگیری استراتژی حرکت بالاتنه.. 39فصل سوم: قیود سینماتیکی ایستادن، تعیین زوایای ارتز و نقطهی تعادل بالاتنه 413-1 مقدمه.. 413-2 قید سینماتیکی کف پا.. 413-3 معادلات قیود سینماتیکی کف پا.. 423-3-2 بررسی قید عدم حرکت در راستای محور y. 433-3-3 بررسی قید عدم سرخوردن در راستای محور x. 443-3-4 بررسی قید عدم واژگونی از سمت پاشنه یا پنجه.. 453-3-5 بررسی سه قید.. 463-4 بدست آوردن محدودهی گشتاورها با اعمال پارامترهای اعضای بدن 463-5 بررسی قید عدم واژگونی.. 483-6 بدست آوردن زوایای پایینتنه ارتز.. 513-7 نقطهی تعادل زاویهی بالاتنه.. 54فصل چهارم: معادلات دینامیکی 574-1 مقدمه.. 574-2 ارزیابی انتخاب مکانیزم و جانمایی عملگر الکتریکی.. 574-3 بررسی فنر بکار رفته در مفصل ران.. 604-4 طراحی فنر مفصل ران.. 624-5 انتخاب عملگر و گیربکس مناسب.. 664-6 جانمایی عملگر.. 684-6-1 چرخدندهی ساده.. 684-6-2 چرخ حلزون.. 694-6-3 گیربکس اسپیندل.. 694-6-4 انتخاب مکانیزم مناسب.. 704-7 خطی سازی معادلات.. 704-8 کنترلر.. 724-8-2 کنترلر جانمایی قطبها.. 74 فصل پنجم: بررسی پایداری به همراه حرکت دست 765-1 مقدمه.. 765-2 مدل سه لینکی فرد و ارتز.. 765-2-2 معادلات دینامیکی.. 775-2-3 انرژی جنبشی.. 785-2-4 انرژی پتانسیل.. 785-3 اعتبار سنجی شبیهسازی.. 795-4 بررسی پایداری حرکت دست با اعمال کنترلر CTM در مدل سه درجه آزادی 825-4-2 حرکت منفرد بالاتنه.. 845-4-3 حرکت منفرد دست.. 855-4-4 حرکت همزمان دست و بالاتنه.. 865-5 بررسی پایداری با حرکت دست با استفاده از کنترلرهای طراحیشده 885-5-1 مدل دو درجه آزادی.. 885-5-2 بررسی کنترلر.. 885-5-3 بررسی کنترلر جانمایی قطبها.. 89فصل ششم: نتیجهگیری و پیشنهادات 936-1 نتیجهگیری.. 936-2 پیشنهادات.. 94 شكل1-1 آناتومی نخاع3شكل1-2 صفحات آناتومی بدن انسان 4شكل1-3 درجات آزادی مربوط به پا 5شكل1-4 شبکه عصبی بدن انسان 6شكل1-5 به ترتیب از راست به چپ 1) کین 2) عصای زیر بغلی 3) چارچوب راه رفتن 10شكل1-6 1) ارتزهای قوزک-پا 2) ارتزهای زانو-قوزک-پا 3) ارتزهای ران-زانو-قوزک-پا 11شكل1-7 ارتز پاراواکر یا اچ جی او 12شكل1-8 ارتز آرجیاو 13شكل1-9 ارتز آرجیاو ایزوسنتریک 14شكل1-10 یک ارتز واکاباوت و مفصل تکمحوره میانی آن 15شكل1-11 ارتز کاب، اگزوسکلتون میهایلو پاپین، ویسکانسن، اگزوسکلتون دانشگاه سوگانگ 17شكل1-12 مکانیزم یان ، اگزوسکلتون هاردیمن، بلیکس، سارکز 17شكل1-13 اگزوسکلتون دانشگاه امآیتی، هال ،موسسهی کاگناوا، روبونی 18شكل2-1 وضعیت ایستادن سی برای یک فرد آسیب نخاعی و موقعیت مرکز جرم و اندامهای مختلف بدن 23شكل2-2 طراحی نهایی نسل اول ارتز 27شكل2-3 ارتزMTK-RGO 29A:اجزای ارتز 29شكل2-4 طول اعضا مختلف بدن، برگرفته از مدل وینتر 30شكل2-5 مدل مورد استفاده برای تحلیل ایستادن فرد مبتلابه آسیب نخاعی 33شكل2-6 رفتار فنر TLSO 34شكل2-7 (الف) ترسیمه آزاد سیستم در وضعیت تعادل (ب) تقابل میان گشتاورها 36شكل2-8 ناحیهی مجاز زوایای و برای حرکت دست موردنظر در 37شكل2-9 ناحیهی مجاز زوایای و برای حرکت دست به همراه جرم 1.5 کیلوگرم 37شكل2-10 (الف) مدل در نظر بررسیشده (ب)مدل ارائهشده با در نظر گرفتن قید سینماتیکی کف پا 38شكل2-11 حالت ایستادن فرد مورد آزمایش و جهات مورد استفاده برای اعمال اختلال 39شكل2-12 ناحیهی پایداری با کارایی عالی و ضعیف 40شكل3-1 (الف) دیاگرام آزاد بالاتنه (ب) دیاگرام آزاد پایینتنه 42شكل3-2 محدودهی گشتاور مجاز برای برقراری قید عدم حرکت در راستای محور y 47شكل3-3 محدودهی گشتاور مجاز برای برقراری قید عدم سرخوردن در راستای محور x 47شكل3-4 محدودهی گشتاور مجاز برای برقراری قید عدم واژگونی از سمت پاشنه یا پنجه 47شكل3-5 ناحیهی مجاز گشتاور ورودی به بالاتنه در ناحیهی 2 و4 49شكل3-6 محدودهی گشتاورهای رسم شده برای مقادیر مختلف پارامتر a 50شكل3-7 محدودهی گشتاورهای رسم شده برای مقادیر مختلف پارامتر b 50شكل3-8 محدودهی گشتاورهای رسم شده برای مقادیر مختلف پارامتر c 51شكل3-9 مدل نمادگذاری شده برای محاسبهی پارامترهای سیستم 51شكل3-10 تغییرات زاویه عضو ران و ساق برای دستیابی بهتساوی گشتاور اعمالی به بالاتنه 53شكل3-11 تغییرات زاویه ساق و مکان افقی مفصل ران برای دستیابی بهتساوی گشتاور اعمالی به بالاتنه 53شكل3-12 تغییرات مکانی مفصل ران با تغییرات زوایای عضو ران و ساق ارتز 54شكل3-13 ناحیه گشتاور اعمالی برای مفصل ران با در نظر گرفتن قید تساوی گشتاوری 54شكل3-14 گشتاور غیرفعال مفصل ران برای زوایای 5، صفر و 5- عضو ران ارتز () 55شكل3-15 نقطهی تعادل پایدار بالاتنه 55شكل3-16 نقطهی تعادل ناپایدار 56شكل4-1 مکان جانمایی عملگر 58شكل4-2 ارتز MTK-RGO 59شكل4-3 محدودهی مجاز گشتاور اعمالی به بالاتنه برای عدم واژگونی از سمت پاشنه و پنجهی پا 59شكل4-4 نمودار مجموع گشتاور غیرفعال مفصل ران و گشتاور تولیدشده وزن بالاتنه 60شكل4-5 گشتاور غیرفعال مفصل ران 61شكل4-6 نمودار گشتاور ایجادشده توسط وزن بالاتنه و خط مماس بر آن در زاویهی صفر درجه 61شكل4-7 غیرفعال وارد بر مفصل ران پس از استفاده از فنر 62شكل4-8 معادلهی حداکثر جابجایی تیر یکسر درگیر با اعمال بار نقطهای 62شكل4-9 مدل سادهشدهی ارتز به همراه فنر 63شكل4-10 افزایش طول مؤثر تیر با افزایش نیروی اعمالی به آن 63شكل4-11 نمایی از نقطهی تماس TLSO و فنر مفصل ران 64شكل4-12 تغییرات طول مؤثر فنر 64 شكل4-13 تغییرات شیبخط مماس بر تیر به تغییر زاویهی بالاتنه 65شكل4-14 گشتاور وزن و معکوس گشتاور ایجادشده توسط فنر طراحیشده برحسب زاویهی بالاتنه 65شكل4-15 گشتاور غیرفعال مفصل ران پس از استفاده از تیر یکسر 66شكل4-16 فنر پیچشی 66شكل4-17 گشتاورهای مجاز در محدودهی زوایای 67شكل4-18 (الف) چرخدندهی ساده (ب) سیستم تسمه و پولی 68شكل4-19 گیربکس چرخ حلزون (الف) نسب شده بر روی عضو ران (ب) نسب شده بر روی TLSO 69شكل4-20 گیربکس اسپیندل (الف) نسب شده بر روی TLSO (ب) نسب شده بر روی عضو ران 70شكل4-21 کنترلر طراحی شده برای تابع تبدیل ورودی گشتاور به خروجی نقطهی ممان صفر کف پا 72شكل4-22 گشتاور ورودی 73شكل4-23 زاویهی بالاتنه 73شكل4-24 نقطهی ممان صفر کف پا 73شكل4-25 کنترلر جانمایی قطبها 74شكل4-26 زاویهی بالاتنه 75شكل4-27 گشتاور ورودی به بالاتنه 75شكل4-28 مکان نقطهی ممان صفر در کف پا 75شكل5-1 مدل سه لینکی فرد به همراه ارتز 77شكل5-2 زاویهی بالاتنه 80شكل5-3 گشتاور ورودی به بالاتنه 80شكل5-4 مکان نقطهی ممان صفر در کف پا 80شكل5-5 زاویهی بالاتنه 81شكل5-6 گشتاور ورودی به بالاتنه 81شكل5-7 مکان نقطهی ممان صفر در کف پا 81شكل5-8 مسیر و سرعت حرکت بالاتنه برای حرکت منفرد 82شكل5-9 مسیر و سرعت دست برای حرکت منفرد 83شكل5-10 مسیر حرکت بالاتنه در هنگام حرکت دست 83شكل5-11 نمودار زاویه و سرعت زاویهای لینکها 84شكل5-12 نمودار گشتاور ورودی به لینکها 84شكل5-13 تغییرات نقطهی ممان صفر واقع در کف پا 85شكل5-14 نمودار زاویه و سرعت زاویهای لینکها 85شكل5-15 نمودار گشتاور ورودی به لینکها 86شكل5-16 تغییرات نقطهی ممان صفر واقع در کف پا 86شكل5-17 نمودار زاویه و سرعت زاویهای لینکها 87شكل5-18 نمودار گشتاور ورودی به لینکها 87شكل5-19 تغییرات نقطهی ممان صفر واقع در کف پا 88شكل5-20 نمودار زاویه و سرعت زاویهای بالاتنه و دست در حالت مقدار مطلوب صفر برای دست 89شكل5-21 نمودار گشتاور ورودی به بالاتنه و دست در حالت مقدار مطلوب صفر برای دست 89شكل5-22 نقطهی ممان صفر در کف پا در حالت مقدار مطلوب صفر برای دست 90شكل5-23 نمودار زاویه و سرعت زاویهای بالاتنه و دست در حالت دستان آزاد 90شكل5-24 نمودار گشتاور ورودی به بالاتنه و دست در حالت دستان آزاد 90شكل5-25 نقطهی ممان صفر در کف پا در حالت دستان آزاد 91شكل5-26 نمودار زاویه و سرعت زاویهای بالاتنه و دست در هنگام حرکت دست 91شكل5-27 نمودار گشتاور ورودی به بالاتنه و دست در هنگام حرکت دست 92شكل5-28 نقطهی ممان صفر در کف پا در هنگام حرکت دست 92 جدول2-1 خواص مکانیکی آلیاژ آلومینیوم برای ساخت برخی قسمتهای ارتز26جدول2-2 خواص مکانیکی فولاد مورد استفاده برای ساخت برخی قسمتهای ارتز 27جدول2-3 خواص مکانیکی پیچهای محدودکننده فلکشن-اکستنشن در مفصل ران 27جدول2-4 خواص مکانیکی کوپلیمرپلی پروپیلن برای ساخت ارتزهای زانو-قوزک-پا 27جدول2-5 پارامترهای اعضای بدن با استفاده از مدل وینتر 31جدول2-6 پارامترهای موردنیاز برای محاسبه گشتاور منفعل بر اساس مدل کاگاوا 32جدول2-7 پارامترهای مورد استفاده برای سیستم دینامیکی موردنظر 34جدول2-8 زوایای ارتز در نقطهی تعادل پایدار ایستادن 36جدول5-1 پارامترهای اعضای بدن برای مدل سه لینکی مورد استفاده 77 چکیدهدر سالهای اخیر مطالعات متعددی برای بهبود عملکرد ایستادن و راه رفتن بیماران دارای ضایعهی نخاعی انجام شده است. این افراد میتوانند با استفاده از ابزارهای ارتوپدی به نام ارتز توانایی ایستادن و حرکت نمودن خود را بازیابند. ارتزهابه دو گروهفعالوغيرفعالتقسیم شدهوبستهبهسطحآسيبنخاعيمیتوانندحدموردنيازپشتيبانيرابرايفردناتوانفراهمكنند. دراينپژوهش ابتداساختمانيكارتزران-زانو-قوزك-پای غیرفعالمورد مطالعه قرار گرفته و در ادامه به بهبود عملکرد ایستادن افراد دارای ضایعهی نخاعی استفاده کننده از ارتز، در حالت دستان آزاد (بدون استفاده از تکیهگاه نظیر عصا) پرداختهشده است. برای دستیابی به پایداری ایستادن در حالت دستان آزاد، فرد میتواند با استفاده از ارتز غیرفعال به بخش بالایی ارتز تکیه داده وپایداری خویش را بازیابد. در این حالت فرد آسیبنخاعی شکل ایستادن با خم شدن به سمت عقب را که به آن حالت ایستادن سی میگویند، به خود میگیرد. با توجه به مقایسهی حالت ایستادن فرد آسیب نخاعی در حالت سی با نحوهی ایستادن فرد سالم و مشاهدهی محدودیت فرد در استفاده از دستها، میتوان دریافت این شیوهی ایستادن مناسب نمیباشد. برای دستیابی به حالت درست ایستادن نیاز به قرارگیری بالاتنه در حالتی مشابه با فرد سالم ضروریست. برای دستیابی به این امر نصب عملگر بر روی مفصل ران ارتز غیرفعال ارزیابی شده تا فرد آسیب دیده بتواند در حالت صحیح ایستادن قرارگرفته و با استفاده از استراتژی حرکت بالاتنه پایداری ایستادن را برقرار نماید. برای نصب عملگر در مفصل ران ارتز، فرد به همراه ارتز به صورت مدل سریال چهار لینکی (سه لینک پایینتنه و یک لینک بالاتنه به همراه دست) در نظر گرفتهشده است. سپس با استفاده از قیود سینماتیکی کف پا برای برقراری پایداری ایستادن، محدودهی مجاز گشتاورهای اعمالی به بالاتنه برای حفظ پایداری بدست آمده است. برای استفادهی بهینه از عملگر مکان مناسب مفصل ران بدست آمده و با توجه به آن زوایای ثابت ارتز پایینتنه و نقطهی تعادل بالاتنه محاسبهشده است. در ادامه برای برقراری پایداری بالاتنه دو کنترلر طراحی و عملکرد آنها با استفاده از شبیهسازی مورد مطالعه قرار گرفته است. در نهایت مدل پنج لینکی ارتز و فرد آسیب نخاعی (سه لینک پایینتنه و دو لینک بالاتنه و دست) که پایینتنهی آن با استفاده از ارتز ثابت شده، به مدل دو درجه آزادی بالاتنه و دست تقلیل یافته است. سپس با استفاده از شبیهسازی، عملکرد کنترلرها و عملگر نسب شده در مفصل ران برای برقراری تعادل در هنگام حرکتهای مشخص دست مورد بررسی قرار گرفته است. کلمات کلیدی: آسيب نخاعي،ارتز،سايتادن آرام،ايستادن ديناميكي،پايداري.1- فصل اول مقدمه1-1 پیشگفتارفلج شدگی[1] ازکارافتادگی دائم اندامهای تحتانی بدن است که براثر صدمه وارده به نخاع[2] واقع در ستون فقرات، معمولاً ناشی از حوادث یا بیماری، ایجاد میشود.این امر باعث از بین رفتن توانایی کنترل حرکت و احساس در اندامهای پایینتر از سطحی که نخاع آسیبدیده است، میگردد. نوع فلج شدگی به سطح آسیب بستگی دارد و بر اثر فلج شدن ممکن است علاوه بر اندامهای تحتانی بخشی یا تمام اندامهای فوقانی متأثر گردند.در این قسمت برای بررسی سطح آسیبدیدگی و شناخت اندامهای متأثر شده بر اثر فلجشدگی آناتومی نخاع و ستون فقرات انسان را بررسی میشود.1-2 آناتومی نخاع و ستون فقراتطناب نخاعی از سوراخ پس سری[3] تا سطح نخستین یا دومین مهره کمری امتداد مییابد. سوراخ پس سری، سوراخی است بزرگ در استخوان پس سر که مغز و نخاع در آنجا به یکدیگر متصل میشوند. طناب نخاعی، نخاع شوکی نیز خوانده میشود. از برجستگی کمری به پایین، نخاع شوکی باریک شده و تا ناحیه مخروط انتهایی[4] که دربرگیرندهی بخشهای خاجی[5] طناب نخاعی است ادامه دارد. مخروط انتهایی، پایینترین ناحیه تنه نخاع است.نخاع دو وظیفه اصلی را بر عهده دارد: اول آنکه اعصابی را در بر دارد که نواحی حسی و کنترل حرکتی[6] مغز را به سایر قسمتهای بدن متصل میکند. این اعصاب مسیرهایی را برای هدایت پالسها از دریافتکنندههای حسی[7] بدن به مغز و سپس در جهت عکس توسط عصبهای حرکتی به ماهیچهها و غدد فراهم میکند. دوم آنکه نخاع مستقیماً اعصاب حسی را به اعصاب حرکتی مناسب برای ایجاد پاسخ، بهصورت مستقل از مغز متصل میکند که این امر بهعنوان واکنش نخاعی[8] شناخته میشود. نخاع درون کانال داخلی ستون فقرات[9] قرار دارد. اعصاب نخاعی بهطور کلی به چهار بخش تقسیم میشود که متناظر با ناحیهای از ستون فقرات هستند که در آن قرارگرفتهاند. این بخشها عبارتند از: 1-گردنی[10] 2- سینهای[11] 3-کمری[12] 4 - خاجی[13] ( شكل1-1 ).اعصاب سینهای (T1-T12) اعصاب خاجی (S1-S5)اعصاب کمری (L1-L5)اعصاب گردنی(C1-C8) شكل1-1 آناتومی نخاعاعصاب نخاعی ۳۱ جفت است که از طناب نخاع منشعب میگردند که عبارتاند از: 1-اعصاب گردنی، هشت زوج 2-اعصاب سینهای، دوازده زوج 3-پنج زوج کمری 4-پنج زوج خاجی 5-یک زوج دنبالچهای.به علت ارتباط نخاع با ۳۱ جفت عصب نخاعی، طناب نخاعی را به ۳۱ قطعه (سگمنت) تقسیم میکنند. یک قطعه نخاعی، استوانهای از طناب نخاعی است که یک عصب نخاعی به آن اتصال مییابد. با توجه به اینکه طول نخاع بهطور متوسط حدود ۲۵ سانتیمتر کمتر از طول ستون فقرات است، بنابراین قطعات نخاعی از سطح گردنی بهطرف انتهاییترین قسمت نخاع در مقایسه با مهرههای همنام، یکسان نبوده و بهتدریج از هم دورتر میگردند. بهعنوان مثال قطعه اول نخاعی (C1)، در سطح مهره اول گردنی قرار میگیرد، در حالی که قطعه اول خاجی (S1) در مجاورت مهره اول کمری است که در شكل1-1 قابلمشاهده است. از هشت زوج عصب گردنی، هفت عصب بالاتر از سطح مهرهی مربوط به خود از نخاع خارج میگردند و فقط زوج هشتم گردنی از زیر مهره هفتم عبور میکند. عصبهای نخاعی سینهای، کمری و خاجی از زیر مهرههای مربوط به خود خارج میشوند.1-3 صفحات آناتومی بدن انسان و نامگذاری درجات آزادی مرتبط با آن در پایینتنهبهمنظور طراحی، بهبود و یا بررسی ساختار ارتزهای مورد استفاده در اندام تحتانی، نیاز به شناخت آناتومی بدن انسان در قسمت پایینتنه و درجات آزادی موجود در این قسمت احساس میشود. پای انسان در حالت کلی بهصورت یک سازه با هفت درجهی آزادی مدل میشود ، به این ترتیب که سه درجهی آزادی در مفصل ران ( لگن)، یک درجهی آزادی در مفصل زانو و سه درجهی آزادی در قوزک پا خواهیم داشت. شكل1-2 صفحات آناتومی بدن انسان را نشان میدهد و همچنین شكل1-3 یک مدل سادهشده از بدن انسان را در درجات آزادی موجود در هر صفحه، به نمایش میگذارد. در این جا، به دوران مفاصل در صفحهی طولی خمش[14] و کشش[15] اطلاق میشود (برای مچ پا الفاظ خمش به عقب[16] و خمش به کف پا[17] به ترتیب بهجای خمش و کشش استفاده میشود). علاوه بر این، حرکت مفصل ران و مچ پا در صفحهی عرضی بدن، دور شدن[18] (هنگامی که پا از بدن دور میشود) و نزدیکی[19] (هنگامی که پا به بدن نزدیک میشود) نامیده میشوند. به درجات آزادی باقیمانده برای ران و قوزک پا دوران[20] میگویند ( شكل1-3 ). شكل1-2 صفحات آناتومی بدن انسان شكل1-3 درجات آزادی مربوط به پا1-4 انواع آسیبدیدگیهای نخاعیامکان آسیب نخاع در هر سطحی از طناب نخاعی وجود دارد. احتمال آسیب در دو ناحیه (C6-C7) و (T12-L1) بیشتر از سایر نواحی طناب نخاعی است که علت آن تحرک زیاد یک قسمت و ثبات (تحرک کمتر) در ناحیه دیگر است. ضایعات ناکامل نخاع در اثر ضربات وارده به طناب نخاعی در ناحیه گردن شیوع بیشتری در مقایسه با قسمت سینهای دارد. سطحی از نخاع که در آن آسیبدیدگی ایجادشدهاست و میزان شدت آسیبدیدگی، درجات متفاوتی از ناتواناییهای عصبشناختی[21]را ایجاد میکند.آسیبدیدگیهای نخاعی ممکن است کامل یا ناقص باشد. در آسیبدیدگیهای نخاعی کامل، نخاع کاملاً قطع میگردد و توانایی کنترل حرکات ارادی و همچنین احساس در سطوح زیر آسیبدیدگی کاملاً از بین میرود. دو نوع اصلی از آسیبدیدگیهای نخاعی ناقص وجود دارد. در نوع اول تمام اعصاب در یک سطح خاص آسیب میبینند، اما این امر باعث قطع کامل عملکرد آنها نمیشود. در نوع دیگر بخشهایی از نخاع کاملاً آسیب دیدهاند درحالیکه بقیه قسمتها سالم ماندهاند.هرچه آسیبدیدگی در سطح بالاتری اتفاق افتد و هرچه شدت آن بیشتر باشد، میزان ازدسترفتگی احساس و ناتوانی در کنترل حرکت اندام تحتانی بیشتر است. اگر ضایعه نخاعی در سطح گردنی باشد، با توجه بهشدت آسیب باعث ایجاد ضعف اندامها یا فلج چهار اندام میگردد. ضایعه در سطح سینهای یا ناحیه کمری منجر به ضعف اندامهای تحتانی یا فلج اندامهای تحتانی میشود.آسیبهای رشتههای دماسبی، نمای بالینی ویژهای بهصورت فلج شل دو پا، بیاختیاری ادرار و مدفوع و همچنین بیحسی نسبت به درد و حرارت در ناحیه زینی[22] ایجاد میکنند.در مورد آسیبهای کامل، سطح آسیب وارده توانایی بیمار برای انجام فعالیتهای مختلف را تحت تأثیر قرار میدهد. سطح T1 بالاترین سطح آسیبدیدگی است که در آن فرد توانایی اندام فوقانی خود را کاملاً حفظ میکند، اما توان ایستادن و راه رفتن را از دست میدهد. در آسیبدیدگی در سطوح T2 تا T5 بیمار دارای اندکی توانایی برای کنترل تنه است و ممکن است با استفاده از عصا بتواند بایستد. در سطوح T6 تا T12 فرد ممکن است بتواند با استفاده از عصا برای فواصل کوتاه راه برود. بیماران سطح L2 تمام حرکات تنه و مفصل کمر را دارند، در حالی که بیماران L3 میتوانند زاویه زانو را نیز تغییر دهند. بیماران سطح L4 میتوانند، ساق پا و قوزک را بهگونهای کنترل کنند که خمش به عقب [23] ایجاد کنند. بیماران سطوح S1 و S2 میتوانند پا را در جهت خمش به کف پا [24] نیز حرکت دهند و مستقلاً بر روی تمام سطوح صاف و ناصاف بدون عصا راه بروند. رشتههای عصبی منشعب شده از نخاع در شكل1-4 نمایش دادهشدهاست. با مقایسهی شكل1-1 و شكل1-4 میتوان درک بهتری از سطح آسیبدیدگی در ستون فقرات و ارتباط آن با از دست دادن توانایی کنترل حرکتی و حسی را به دست آورد.