لبولوژی ۱۱۱
در هر شماره از لبولوژی تلاش می‌کنیم که یکی از آزمایشگاه‌های دانشکده را معرفی نماییم و اطلاعات مناسبی برای دانشجویان مشتاق به فعالیت در آزمایشگاه‌ها ارائه کنیم.
در این شماره از لبولوژی با تلاش و کمک جناب آقای دکتر نوید ارجمند (در مقام سرپرست و استاد)، به سراغ آزمایشگاه ایشان، آزمایشگاه بیومکانیک ستون مهره‌ها رفته‌ایم. دستیار آزمایشگاه، آقای مهندس حامد ناظمی از دانشجویان دکتری این آزمایشگاه هستند.
اطلاعات آزمایشگاه
نام آزمایشگاه: آزمایشگاه بیومکانیک ستون فقرات
سرپرست و استاد آزمایشگاه: دکتر نوید ارجمند
دستیار آزمایشگاه: مهندس حامد ناظمی (دانشجوی دکتری)
مکان آزمایشگاه: دانشکدۀ مهندسی مکانیک، طبقه اول، اتاق 111
راه ارتباطی با آزمایشگاه: حضوری، پست الکترونیکی (hamed.nazemi@mech.sharif.edu) و شبکه مجازی تلگرام (@hamed_nazemi)
گرایش مرتبط: بیومکانیک
بیومکانیک یا زیست‌مکانیک (به انگلیسی: Biomechanics) شاخه‌ای از بیوفیزیک است که دامنۀ بسیار وسیعی را شامل می‌شود، اما در تعریفی کوتاه، بیومکانیک را می‌توان علم استفاده از اصول مکانیک در سیستم‌های بیولوژیکی مانند انسان، جانوران، گیاهان، اندام‌ها و یاخته‌ها (سلول) دانست؛ شاید یکی از بهترین تعاریف از بیومکانیک را «هربرت هتزه» در سال ۱۹۷۴ میلادی بیان کرده است: «بیومکانیک مطالعۀ ساختار و عملکرد سیستم‌های بیولوژیکی با روش‌های مکانیک است». واژۀ بیومکانیک در ابتدای دهۀ ۱۹۷۰ توسعه یافت که توصیف‌کنندۀ استفاده از مهندسی مکانیک در سامانه‌های زیست‌شناسی و مهندسی پزشکی (مهندسی بیومکانیک) است.
اما به‌دنبال تعریف بیومکانیک، انحصاراً برای تعریف بیومکانیک ستون مهره‌ها باید کمی عمیق‌تر شویم و وارد زمینۀ فعالیت‌های آموزشی این آزمایشگاه شویم.
دروس مرتبط با این آزمایشگاه که همگی توسط دکتر ارجمند ارائه می‌شوند عبارتند از:
در مقطع کارشناسی: درس بیومکانیک مقدماتی ارائه می‌شود. در این درس، الفبای علم بیومکانیک با تمرکز ویژه بر ستون فقرات مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. ارزیابی این درس توسط دو امتحان میان‌ترم و پایان‌ترم انجام می‌شود و دانشجویان شناخت مناسبی از بیومکانیک پیدا خواهند کرد.
در مقطع تحصیلات تکمیلی: دروس بیومکانیک شغلی و بیومکانیک ستون فقرات ارائه می‌شود. در درس بیومکانیک شغلی، ابزارهای متنوعی برای ارزیابی ریسک در محیط‌های شغلی معرفی و مورد استفاده قرار می‌گیرد. درصد زیادی از نمرۀ نهایی این درس به پروژه اختصاص دارد. در این پروژه از ابزارهای گوناگون استفاده خواهد شد تا ریسک فعالیت‌های شغلی ارزیابی شود و سپس این ریسک با مداخلات پیشنهادی کاهش یابد. در درس بیومکانیک ستون فقرات پس از آشنایی ابتدایی با مباحث آناتومی ستون فقرات، روش‌های تحلیل و محاسبه نیروها در این ارگان حیاتی مورد بحث قرار می‌گیرد.
پیشنیاز دروس مذکور، ریاضیات پایه، استاتیک و دینامیک می‌باشند. در این دروس، ابزارهای گوناگونی از جمله نرم‌افزارهای شبیه‌سازی اسکلتی-عضلانی و نرم‌افزارهای ارگونومیکی معرفی و استفاده می‌شوند. به‌عنوان مثال نرم‌افزارهای AnyBody و OpenSim دو نرم‌افزار بسیار معروف در حوزۀ شبیه‌سازی اسکلتی عضلانی هستند که در پروژۀ درس بیومکانیک شغلی استفاده می‌شوند. همچنین یادگیری نرم‌افزارهای ارگونومیکی از جمله CATIA, 3DSSPP و JACK می‌تواند سودمند باشد. پژوهش‌هایی که در آزمایشگاه بیومکانیک ستون فقرات تعریف و انجام می‌شوند، در عین استقلال، با همدیگر بسیار مرتبط هستند و این موضوع باعث می‌شود که روحیه همکاری و همدلی در میان دانشجویان آزمایشگاه تقویت شود.
اما از بهترین بخش‌های این آزمایشگاه برای اهل علم، زمینه‌های تحقیقاتی آن است. جایی که تمام دروس گرایش جامدات در کنار هم به کار آمده‌اند و به کمک تلاش بیش از پیش دانشجویانی مانند شما، دنیای جدیدی از اطلاعات مهندسی پزشکی تشکیل می‌شود.
به‌صورت کلی می‌توان زمینه‌های فعالیت تحقیقاتی آزمایشگاه را به سه دسته تقسیم‌بندی کرد:
پروژه‌های مرتبط با مدل‌سازی‌های اسکلتی-عضلانی و بیومکانیک شغلی: هدف از این پژوهش‌ها را می‌توان تخمین نیروهای ایجاد شده در ستون فقرات در فعالیت‌های باربرداری دانست. این پژوهش‌ها شامل مراحل داده‌برداری در مرکز موفقیان، تحلیل و تمیزسازی داده‌ها، شبیه‌سازی اسکلتی-عضلانی در نرم‌افزار AnyBody و تحلیل نتایج می‌باشد. تحلیل نتایج عموماً به وسیله هوش مصنوعی و آموزش شبکه‌های عصبی انجام می‌شود. از جمله مقالات منتشرشده در این حوزه می‌توان به مقالۀ زیر اشاره کرد. پایان‌نامه دانشجویان کارشناسی عمدتاً بر موضوع بیومکانیک شغلی و طراحی مداخله به منظور کاهش ریسک آسیب متمرکز است.
Evaluation of ground reaction forces and centers of pressure predicted by AnyBody Modeling System during load reaching/handling activities and effects of the prediction errors on model-estimated spinal loads (Daroudi et al. Journal of Biomechanics)
پروژه‌های مرتبط با شبیه‌سازی المان محدود ستون فقرات: مدل المان محدود کوپل اسکلتی-عضلانی که در این آزمایشگاه توسعه داده شده است در حال حاضر کامل‌ترین و پیچیده‌ترین مدل موجود است. از این مدل به منظور بررسی اثرات انواع حرکت‌های بدن و جراحی‌های ستون فقرات و ... بر توزیع تنش و نیروی حاصل در ستون فقرات و دیسک‌ها استفاده می‌شود. یکی از مقالات بسیار مهم که در راستای توسعه این مدل منتشر شده است، مقالۀ زیر است.
Adjacent segments biomechanics following lumbar fusion surgery: a musculoskeletal finite element model study (Ebrahimkhani et al. European Spine Journal)
پروژه‌های مرتبط با تجهیزات جراحی‌های ستون فقرات: امروزه جراحی‌های متعددی روی ستون فقرات انجام می‌شود و تحلیل‌های آماری نشان می‌دهد که تعداد این جراحی‌ها با نرخ فزاینده‌ای رو به رشد است. یکی از جراحی‌های مرسوم جراحی فیوژن است که در این جراحی دیسک‌های بین مهره‌ای حذف شده و با گرفت استخوانی و کِیج‌ها جایگزین می‌شوند. در فرآیند این جراحی نیاز است که پیچ‌ها وارد قسمت پدیکل مهره شوند، که فرآیند بسیار دقیق و حساس است. پدیکل مهره‌ها ناحیه‌ای بسیار کوچک و نزدیک به اندام حیاتی بدن است و در صورت جای‌گذاری اشتباه پیچ در مهره منجر به آسیب به نخاع، رگ‌ها و ... خواهد شد. از جمله پژوهش‌های تعریف شده در این زمینه می‌توان به طراحی قالب‌های هدایتگر پیچ در جراحی فیوژن اشاره کرد. مقالۀ زیر یک نمونه از قالب‌های طراحی شده است که توسط اعضای آزمایشگاه طراحی شده است. علاوه بر قالب‌های هدایتگر در حال حاضر پژوهش‌هایی در رابط با طراحی کِیج‌ها نیز در حال انجام است.
Design, Fabrication, and Accuracy of a Novel Noncovering Lock-Mechanism Bilateral Patient-Specific Drill Guide Template for Nondeformed and Deformed Thoracic Spines (Ashoury et al. The Musculoskeletal Journal of Hospital for Special Surgery)
اما بر خلاف آنچه که درباره عموم آزمایشگاه‌های دانشکده به نظر می‌رسد، این آزمایشگاه هم دروازه‌ای به دنیای صنعت دارد که در ادامه به‌طور خاص به آن اشاره می‌کنیم.
در هر یک از سه زمینۀ مطرح شده در بخش پژوهشی و تحقیقاتی ارتباط موثری بین آزمایشگاه و صنعت وجود دارد. به‌عنوان مثال، پروژه‌های کارشناسی دانشجویان و پروژه‌های درس بیومکانیک شغلی به صورت مستقیم از صنعت تعریف می‌شوند. در این پروژه‌ها پس از ارزیابی ریسک آسیب به کارگران در یک محیط صنعتی سعی می‌شود با پیشنهاد مداخلات و ارزیابی مجدد ریسک پس از اعمال مداخلات، ریسک آسیب کاهش یابد و به نهاد صنعتی گزارش ارسال شود.
همچنین در حال حاضر، پروژه طراحی قالب‌های هدایتگر پیچ برای جراحی فیوژن در حال توسعه و تبدیل به یک شرکت است. نتایج پژوهش‌های دیگری که توسط دانشجویان انجام شده نیز در حال تبدیل به یک نرم‌افزار جامع تخمین وضعیت بدن و نیرو در ستون فقرات است.
امکانات و دستگاه‌ها
پژوهش‌های انجام شده در آزمایشگاه عمدتاً با همکاری مرکز توانبخشی موفقیان صورت می‌گیرد و تجهیزات مورد نیاز در این مرکز قرار دارند. از جمله تجهیزات مرکز آزمایشگاه آنالیز گِیت (گام‌زنی) است. این آزمایشگاه مجهز به دوربین‌های ثبت حرکت، مارکرها، حسگرهای EMG و IMU و Force plate می‌باشد. همانطور که پیش از این ذکر شد، مرحله داده‌برداری در این مرکز انجام می‌شود و پس از آن به منظور پردازش داده‌ها دانشجویان از لپ‌تاپ شخصی یا سیستم‌های دانشکده استفاده خواهند کرد.
روابط آزمایشگاه، با دانشگاه‌های دیگر که در زمینه مرتبط فعالیت می‌کنند، چگونه است؟
همکاری‌های بین‌المللی متنوعی با دانشمندان مختلفی از کشورهای ایالات متحده، کانادا و آلمان در گذشته و حال وجود دارد که در مقالات منتشر شده و گرنت های اخذ شده قابل رؤیت است.
وجه تمایز مثبتی در امکانات دانشکده با آزمایشگاه‌های مشابه وجود دارد؟
وجه تمایز آن در امکانات و تجهیزات موجود در آزمایشگاه موفقیان می‌باشد که مرتبط با آزمایشگاه گیت است.
تسهیلات آزمایشگاه برای دانشجو
با عضویت در آزمایشگاه علاوه بر عمیق‌شدن در یک موضوع تخصصی روز دنیای علم، دانشجویان می‌توانند در یک هم‌افزایی از تجربیات و مهارت‌های دیگر افراد آزمایشگاه بهره‌مند بشوند. عموماً پژوهش‌های انجام شده در این آزمایشگاه منجر به انتشار مقاله، تقویت رزومۀ دانشجویان و آشنایی ایشان با صنعت مرتبط می‌شود.
اگر مایل به عضویت در آزمایشگاه هستید در اولین گام باید از طریق ایمیل این موضوع را به اطلاع دکتر ارجمند، سرپرست آزمایشگاه بیومکانیک ستون فقرات، برسانید. در متن و پیوست ایمیل، زمینۀ مورد علاقه و رزومۀ خود را ارائه نمایید و منتظر پاسخ از جانب ایشان باشید.
_ سیدعطاالله طباطبایی‌فرد
_ ورودی 1401 مکانیک
و
_ هادی دشتی
_ ورودی 1401 مکانیک
