طراحي و شبيه سازي ارتز زانو با عملگر فنر پيچشي

Design and Simulation of a knee-ankle-foot orthosis using torsional spring

ارتزهاي زانو و قوزك با در بر گرفتن مفاصل زانو و قوزك پا، به اصلاح الگوي راه رفتن بيماران كمك مي كنند. بيماران داراي ضعف عضله ي چهار سر ، به دليل الگوي سفتي غير طبيعي مفصل زانو، از محدوديت هايي در حركات اكستنشن و كنترل فلكشن مفصل زانوي خود در طي سيكل گيت رنج مي‌برند. در اين مقاله با طراحي ارتز مناسب با دو مكانيزم متفاوت در طول فاز هاي ايستادن و گام برداري ، نياز بيماران مختلف داراي ضعف عضله ي چهار سر پاسخ داده شده است. مكانيزم فاز ايستادن، حركت مفصل زانو را از لحظه ي تماس اوليه تا انتهاي فاز ميد-استنس قفل كرده و با توجه به جهت گيري پا بعد از فاز ميد-استنس، مفصل زانو مي تواند آزادانه فلكشن كند. ابتدا با استفاده از نرم افزار اپن سيم و داده برداري آناليز حركت براي هر بيمار، در هر گام زماني مقدار گشتاور مورد نياز براي تقليد سفتي مفصل زانوي طبيعي به صورت بهينه شده محاسبه مي‌شود. سپس با استفاده از فنر پيچشي، گشتاور مورد نياز جهت اصلاح سفتي مفصل زانو دو بيمار با مقدار ضعف عضلاني متفاوت را باز توليد كرديم. با طراحي جداگانه ارتز براي هر بيمار با مقدار ضعف عضلاني مختلف، توانستيم با استفاده از ارتز پيشنهاد شده پروفايل سفتي مفصل سالم را تقليد كرده و امكان تجربه ي سيكل گيت روان تر را براي هر بيمار بوجود بياوريم. استفاده از اين ارتز نه تنها باعث بهبود الگوي گيت بيماران شده بلكه سبب جلوگيري از آسيب به عضلات سالم بيمار نيز مي شود.

Many people suffering from neuromuscular diseases, have some degree of limitations in their walking pattern. Knee-Ankle-Foot Orthoses (KAFOs) help correct patients’ gait pattern by supporting knee and ankle joints. Patients with quadriceps muscle weakness suffer from some restrictions in extension as well as in controlling their flexion during the gait cycle because of abnormal stiffness pattern of the knee joint. This paper addresses patients with quadriceps muscle weakness by designing an appropriate orthosis utilizing two different mechanisms for the stance and swing phases. Stance phase mechanism locks knee joint movement from the initial-contact up to the end of mid-swing phase and with regards to the orientation of the foot after mid-stance phase, the knee joint can flex freely. The required moment to reproduce the stiffness of a normal knee joint is calculated using the OpenSim software package in conjunction with the data collected from the motion analysis of each patient. The required moment to modify the stiffness of the knee joint for two patients with different levels of muscle weakness was reproduced using a torsional spring. By designing patient-specific orthosis, the stiffness profile of normal joint for each patient with distinct level of muscle weakness can be reproduced, allowing patients to experience smother gait cycle. Using this orthosis not only improves the patient’s gait cycle but also prevents potential damage to healthy muscles.