بررسي تاثير پروتز ويسكوالاستيك مچ پا بر روي سيكل گيت فرد قطع عضو زير زانو: مدلسازي و شبيه‌سازي

Investigating the effect of viscoelastic ankle foot prosthesis on below-knee amputee gait cycle: Modeling and simulation

هدف از اين مقاله، بررسي تاثير پروتز مچ پنجه ويسكوالاستيك روي سيكل گيت فرد قطع عضو زير زانو با استفاده از شبيه ‌سازي ديناميكي راه رفتن انسان مي‌باشد. مدلي دو بعدي و هفت سگمنتي به منظور شبيه ‌سازي كل سيكل گيت فرد نرمال و فرد قطع عضو ارائه شده است كه مجهز به مدل تقابل بين پا و زمين براي شبيه ‌سازي كل سيكل گيت به صورت يكپارچه مي‌باشد. در مرحله اول، شبيه‌سازي سيكل گيت فرد نرمال با تركيب فرآيند بهينه سازي و روش ديناميك مستقيم انجام شده است. مرحله بعد با جايگزين كردن توليد كننده گشتاور ايده‌آل مچ پا با المانهاي غير فعال كه نشانگر پروتز مچ-پنجه غير فعال مي‌باشند، به منظور شبيه‌سازي سيكل گيت فرد قطع زير زانو آغاز مي‌شود. ضرايب بهينه مفصل‌ها كه از شبيه‌سازي ديناميكي سيكل گيت فرد نرمال بدست مي‌آيند، در مفصل‌هاي سالم مدل فرد قطع عضو استفاده مي‌شوند. با استفاده از روش بهينه سازي ديناميكي مستقيم سه نوع مختلف پروتز مچ پنجه غير فعال بهينه طراحي و نتايج حاصل از شبيه‌سازي به منظور مقايسه عملكرد پروتزها به كار گرفته مي‌شوند. نتايج نشان مي‌دهند كه استفاده از پروتز مچ پنجه ويسكوالاستيك، كار كل نرمال شده با سرعت، تابع هزينه، تلاش ديناميكي را كاهش و سرعت مدل قطع عضو را افزايش مي‌دهد. بنابراين استفاده از پروتز مچ پنجه ويسكوالاستيك مي‌تواند الگوي راه رفتن فرد قطع عضو زير زانو را بهبود مي‌بخشد.

The purpose of this paper is to investigate the effect of viscoelastic ankle foot prosthesis on below-knee amputee gait cycle by using dynamic simulation of human walking. A two-dimensional, seven segment model is developed to simulate normal and amputee entire gait cycle equipped with foot-ground contact model in order to simulate entire gait cycle in an integrated way. In the first step, optimization procedure was coupled with forward dynamic to simulate normal gait cycle. Next step was started by replacing ideal torque generator of ankle joint with passive elements that represents passive prosthetic ankle-foot, in order to simulate below-knee amputee gait cycle. The optimal coefficients of joints that were obtained from dynamic simulation of normal gait cycle were then used for amputee model’s intact joints. Three types of optimal passive ankle foot prosthesis were designed using forward dynamic optimization and the simulation results were employed to compare the performance of different prostheses. The results indicated that using viscoelastic ankle foot prosthesis decreases speed-normalized total work, cost function, dynamic effort and increases speed of the amputee model. Hence, using viscoelastic ankle foot prosthesis can improve below-knee amputee walking pattern.