فهم المبادئ الميكانيكية الحيوية تصميم النكهة الاصطناعية

ويمثل تصميم الركبة الاصطناعية أحد أكثر التحديات تعقيدا في الهندسة الحيوية الحديثة، مما يتطلب فهما عميقا للمبادئ الميكانيكية البيولوجية لإنشاء أجهزة تستعيد التنقل والاستقرار ونوعية الحياة للأفراد الذين يبترون بذرات متعددة، وتتكون الركبتين الاصطناعية من أحدث الأجهزة الطبية التي تستخدم الآليات والمكونات الميكانيكية لتحفيز وظيفة الركبة البيولوجية العادية للأفراد الذين لديهم معارف متطورة في مجال إعادة التأهيل.

The Fundamental Biomechanics of the Human Knee

وفهما لتصميم الركبة الاصطناعية، يجب أن نقدر أولاً التعقيد الملحوظ الذي تتسم به مجموعة الركبة البيولوجية، فالركبة الطبيعية تمثل حلقة وصل حاسمة في السلسلة الحركية للسرطان البشري، مما يوفر الاستقرار أثناء أنشطة رفع الوزن والتنقل أثناء الحركة، وأثناء المشي العادي، تسلسل متطور من الازدهار والحركات الإرشادية، يتم تنسيقه مع التوقيت الدقيق وضبط القوة.

وتقوم الركبة البيولوجية بأداء عدة وظائف حيوية حيوية في آن واحد، ويجب عليها أن تدعم وزن الجسم أثناء مرحلة الغضب، وأن تستوعب الصدمات أثناء ضربات الكعب، وأن تيسر التقدم السلس في أثناء المشي، وأن تسمح بإجراء تعديلات سريعة على الأراضي المتغيرة وسرعة المشي، وبالإضافة إلى ذلك، يجب على الركبة أن تقدم تعليقات من جانبها إلى الجهاز العصبي المركزي، مما يتيح إجراء تعديلات غير واعية تحافظ على التوازن ومنع حدوث انخفاضات.

ونظراً لأن العناصر الاصطناعية تفتقر إلى العضلات والارتباك الحسي، فإن التصميم الاصطناعي يعتمد على المواءمة الميكانيكية، والممتلكات المادية، والمقياس الجيولوجي لتكرار هذه الوظائف بأقصى قدر ممكن من الكفاءة، وهذا التقييد الأساسي يدفع إلى تحقيق قدر كبير من الابتكار في تكنولوجيا الركبة الاصطناعية، حيث يعمل المهندسون على التعويض عن عدم وجود نظم للمراقبة البيولوجية من خلال إيجاد حلول ميكانيكية وإلكترونية متزايدة التطور.

Biomechanical Challenges in Prosthetic Knee Design

وتتصل الآليات الميكانيكية بالأداء المتصور للمسير، بما في ذلك تجنب الخريف، واستيعاب الصدمات، والتفاوت في المراهنة، ويعتبر فهم هذه التحديات الميكانيكية الحيوية أمرا أساسيا لتطوير الركبتين الاصطناعية التي تلبي الاحتياجات المتنوعة للمستعملين عبر مختلف مستويات النشاط والقدرات الوظيفية.

الاستقرار في المرحلة الانتقالية

أحد أهم التحديات الحيوية في تصميم الركبة الاصطناعية هو توفير الاستقرار الكافي خلال مرحلة الغضب، تبدأ مرحلة العزلة عندما يتصل القدم بالأرض في ضربة الكعب ويستمر حتى النهاية، ويمثل حوالي 60 في المائة من دورة القفز أثناء المشي العادي، وخلال هذه المرحلة، يجب أن تدعم الركبة الاصطناعية وزن الجسم الكامل للمستعمل بينما تمنع الارتباك غير المرغوب فيه الذي قد يؤدي إلى القفز.

فالركبة البيولوجية تحقق الاستقرار من خلال السيطرة الفعلية على العضلات، ولا سيما من مجموعة العضلات الرباعية، وفي غياب هذه السيطرة المتحركة، يجب أن تعتمد الركبتان الاصطناعية على النظم الميكانيكية أو الإلكترونية لتوفير الاستقرار المماثل، ويصبح هذا التحدي حادا بصفة خاصة أثناء أنشطة مثل تدنيس المصابيح أو السلالم، حيث تميل قوى الجاذبية إلى تعزيز رف الركب في لحظات تتسم فيها بالاستقرار بأشد الأهمية.

الاضطرابات المبكرة واستيعاب الأحذية

ومع انتقال البتروجين من الوزن إلى الاصطناعي في مرحلة مبكرة، ترتفع الركبة تدريجياً إلى 15 درجة، مما يخفف من أثر قبول الوزن، وتخدم آلية الإزدهار المبكر هذه وظائف حيوية هامة متعددة، وتستوعب الصدمات أثناء ضربات الكعب، وتخفض قوى التأثير المتجهة عبر الركبة إلى الأطراف المتبقية، وتسهم أيضاً في بقاء الجسم بصورة أكثر فعالية.

التحدي في تصميم آليات الإي إف يكمن في تحقيق التوازن بين استيعاب الصدمات مع الاستقرار، ويجب أن تنحني الركبة بما يكفي لتوفير الرعاية الكافية، ولكن ليس بقدر كبير من ذلك، مما يعرّض للخطر شعور المستخدم بالأمن أو يزيد من خطر التباطؤ، بالإضافة إلى أن آلية الإي إس إف يجب أن تُعيّن بعناية وزن المستخدم وسرعة المشي ومستوى النشاط لتوفير الأداء الأمثل عبر مجموعة من الظروف.

Swing Phase Control

مرحلة التأرجح من الغضب تبدأ عندما تغادر القدم الأرض وتستمر حتى ضربة الكعب التالية، وخلال هذه المرحلة، يجب أن تلتف الركبة الاصطناعية لتخلي الأرض، ثم تمتد بسلاسة للتحضير لمرحلة المسافات التالية، والتحدي الميكانيكي الحيوي يكمن في التحكم في معدل ونطاق رف الركبة والتوسع لمطابقة سرعة المستعمل وسرعته.

وفي حالة البهجة البيولوجية، يخضع الركبة المؤقتة لتداخل معقد بين القوى المثقفة والزخم والآثار الجاذبية، ويجب أن تستنسخ الركبتان الاصطناعية هذا الحركة الطبيعية باستخدام نظم المراقبة الميكانيكية أو الإلكترونية، ويجب أن تنحني بسرعة كافية لتوفير التطهير الأرضي المناسب، ولكن ليس بسرعة بحيث يخلق نمطا غير طبيعي أو غير مريح، وبالمثل، يجب أن يحدث تمديد الركبة بتوقيت مناسب وسرعة لتأقلم الموقع.

التكيف مع التضاريس المتغيرة وسرعة المشي

وكثيرا ما تُهمل الميكانيكيات الحيوية للمشيات المتحركة، ومع ذلك فإن القدرة على التكيف مع مختلف التضاريس وسرعة المشي تمثل أحد أهم التحديات الميكانيكية الأحيائية في تصميم الركبة الاصطناعية، ويحتاج المستعملون إلى ركبتين صناعيتين يمكن أن تستوعبا الركود الأرضية العالية، والربع والنسب، والملاحة المسطحة، والتحولات بين مختلف الأسطح والخطوط.

وكل نشاط من هذه الأنشطة يضع مطالب مختلفة في مجال الميكانيكية الحيوية على الركبة الاصطناعية، ويستلزم الارتفاع في الركبة قوة أكبر لتمديد الركبة والاستقرار، بينما يتطلب التعثر في الركود تعزيز الرقابة على الرفوف لمنع الركبة من التلويث تحت القوى الرطبة المتزايدة، ويصعب على نحو خاص الارتطام بالركبة الميكانيكية، بينما يُدعم وزن الجسم الذي تنجزه الركبة البيولوجية من خلال الانكماشتراكبة الكترونية.

العناصر الميكانيكية الأساسية ووظائفها الميكانيكية الحيوية

وتشمل الركبتان الاصطناعية مختلف المكونات الميكانيكية، التي تهدف كل منها إلى معالجة متطلبات كيميائية بيولوجية محددة، ويُفهم كيف تعمل هذه المكونات معاً، ويُتيح فهماً جيداً للهندسة المتطورة التي تتخلل نظم الركبة الاصطناعية الحديثة.

المحور المشترك

إن تشكيلة محور الركبة المشترك تحدد أساسا كيف تتحرك الركبة الاصطناعية وتوفر الاستقرار، إذ أن الركبتين الواحدة تلو الأخرى تتضمنان آلية بسيطة للتنزه مع مركز واحد للتناوب، شبيهة بنقطة الباب، وهذا التصميم يوفر البساطة والدوامة، ولكنه قد لا يكرر تماما الحركة المعقدة للركبة البيولوجية، التي تنطوي فعلا على مزيج من التحركات المتطايرة والتحركة.

وعلى النقيض من ذلك، فإن الركبتين البوليكتين اللتين تُدرجان محورين متعددين للتناوب إلى أكاديميات طبيعية تقريبية، وهذه التصاميم عادة ما تتضمن آلية ربط من أربعة باونات تُنشئ مركز تناوب فورياً يُغيّر في نطاق الحركة، وتتيح هذه التشكيلة عدة مزايا حيوية، بما في ذلك تحسين الاستقرار أثناء المرحلة المبكرة، وتحسين عملية التطهير الأرضية أثناء المرحلة التأرجحية، ونمضة الطبيعية.

نظم المقاومة والدمار

وتتحكم نظم المقاومة والقمامة في معدل رفوف الركبة وتوسيعها، وتؤدي دورا حاسما في استقرار المسافات وفي التحكم في المرحلة المؤقتة، ويمكن تصنيف هذه النظم على نطاق واسع في تصميمات متحركة ومائية وهيدرويلية ومغنطية، ويعرض كل منها خصائص حيوية مختلفة.

وتستخدم النظم القائمة على التطهير آليات الاحتكاك قابلة للتكيف لتوفير مقاومة مستمرة للركبة، وفي حين أن هذه النظم بسيطة وموثوقة، فإنها لا تستطيع التكيف مع التغيرات في سرعة السير أو التضاريس، مما قد يحد من فعاليتها الميكانيكية الأحيائية عبر أنشطة متنوعة.

وتستخدم النظم الناموسية الهواء المضغوط لتوفير مقاومة متغيرة للركبة، ويمكن تصميم هذه النظم لتوفير مستويات مختلفة من المقاومة أثناء القذف والتمديد، مما يتيح التحكم في حركة الركبة بشكل أكثر تطورا، غير أن النظم المضغية قد تكون حساسة إزاء تغير درجات الحرارة ويمكن أن تظهر بعض الفارق في وقت الاستجابة.

وتستخدم النظم الهيدروليكية تدفق السوائل عبر الصمامات والغرف لمراقبة حركة الركبة، وهذه النظم توفر خصائص رقابة ممتازة ويمكن تصميمها لتوفير التخثر المعتمد على السرعة، مما يعني أن المقاومة تزداد مع تحركات الركبة بسرعة، وهذه الملكية الميكانيكية الحيوية تساعد على منع الركبة من التحرك بسرعة كبيرة أثناء مرحلة التأرجح، مع السماح بالحركة السلسة والمتحكمة بالسرعة المناسبة.

آليات المساعدة في التمديد

وتساعد آليات المساعدة على تمديد الركبة الاصطناعية خلال مرحلة التأرجح المتأخرة، والتحضير لإضراب الكعب التالي، وتستخدم هذه الآليات عادة الينابيع أو السلاسل الفلكية لتخزين الطاقة أثناء رفوف الركبة وتخليصها أثناء التمديد، وتتمثل الفائدة الميكانيكية الحيوية للمساعدة في الإرشاد في أنها تقلل من الجهد المضلل المطلوب من المستخدم لوضع الأطراف الاصطناعية بشكل صحيح في ضربات الكعب، مما قد يقلل من نفقات الطاقة وتحسين النسيج.

ويجب أن يوازن تصميم آليات المساعدة الإرشادية بين عدة عوامل متنافسة، إذ يلزم توافر قوة مساعدة كافية لضمان تمديد الركبة بصورة موثوقة، ولكن القوة المفرطة يمكن أن تسبب الركبة في توسيعها بسرعة أو بقوة، أو إيجاد نمط غير طبيعي للغايات، أو حتى التسبب في الركبة إلى ارتفاع ضغط الدم.

هياكل نقل المركبات ذات الوزن المرتفع والارتفاع

وينطوي نقل البضائع على فهم كيفية توزيع القوة من خلال التثبيت لمنع الضغط المفرط على الأطراف المتبقية، ويجب تصميم المكونات الهيكلية للركبة الاصطناعية على نقل القوات من الجوارب بأمان من خلال آلية الركبة إلى القدم الاصطناعية وفي نهاية المطاف إلى الأرض.

هذه الهياكل التحميلية يجب أن تكون قوية بما يكفي لدعم وزن الجسم عدة مرات خلال أنشطة مثل تشغيل أو هبوط السلالم، مع ذلك الضوء بما يكفي لتقليل التكلفة الأيضية لتأرجح الأطراف الاصطناعية.

أنواع النكات الاصطناعية وخصائصها الحيوية

ويمكن تصنيف الركبتين الاصطناعية إلى عدة فئات استنادا إلى آليات الرقابة والتطور التكنولوجي، ويوفر كل نوع خصائص حيوية متميزة تناسب احتياجات المستخدمين ومستويات النشاط.

الكنيوز الميكانيكية

وتخضع الركبتان الميكانيكيتان عادة لقفل آلي أو احتكاك أو سوائل هائية أو هدرائية، وتمثل هذه الركبتان النهج التقليدي لتصميم الركبة الاصطناعية وتظل تستخدم على نطاق واسع بسبب موثوقيتها ودوامتها وانخفاض التكلفة مقارنة بالتكنولوجيات الأكثر تقدما.

فالركع اليدوية المغلقة توفر أقصى قدر من الاستقرار بإتاحة الفرصة للمستعمل لغلق الركبة في مسافات كاملة، وهذا التصميم مناسب بشكل خاص للمستعملين ذوي القوة أو التوازن المحدود، لأنه يزيل خطر قذف الركبة أثناء مرحلة الإيقاف، غير أن المبادلات الميكانيكية الحيوية هي أن الركبة المقفلة تخلق نمطا غير طبيعي وتحتاج إلى أن يفكك المستعمل يدويا قبل الجلوس أو الرفع.

وركبة التحكم بالثبات المرهقة تستخدم وزن الجسم المستخدم لغلق أو تثبيت الركبة تلقائياً أثناء مرحلة الرقص هذه الركبة عادة ما تُظهر آلية مكابح تُستخدم عند تَنقُّل الوزن عند إزالة الوزن، وعادة ما يُستخدم وزن الجسم فقط لتفعيل آلية التحكم بالرقص، مما يؤدي إلى نمط أقل طبيعية للمشي، بينما يوفر هذا التصميم استقراراً جيداً في السير على الأرض، فإنه قد لا يتكيف.

الركبتان المتحركتان ذوتان الوزن الخفيف و كفاءة الطاقة لأن الآليات والعناصر مطابقتان تماماً للميكانيكيات الحيوية المشيّة، لكن الركبتين المُحترفتين تستخدمان الاحتكاك القابل للتعديل لتوفير مقاومة للركبة طوال دورة الـ (غايت)

النكات الهيدروليكية والنوماتية

الركبتين الهيدروليكية والهانوية تمثلان تقدم كبير في تكنولوجيا الركبة الاصطناعية، تعرض مقاومة تعتمد على السرعة تتكيف مع سرعة السير التي يسير بها المستخدم، هذه الركبتين تستخدمان التدفق السوائل أو الهواء عبر الصمامات للتحكم في حركة الركبة، مع تزايد المقاومة تلقائياً مع تحرك الركبة بسرعة.

والميزة الميكانيكية الحيوية للمقاومة المعتمدة على السرعة كبيرة، ففي أثناء السير البطيء، توفر الركبة مقاومة أقل، مما يسمح بالحركة السلسة والسهلة، ومع زيادة سرعة السير، تزداد المقاومة تلقائيا، وتمنع الركبة من التأرجح بسرعة كبيرة، وتساعد على الحفاظ على نمط قذف طبيعي، وهذا السمة التكييفية تسمح للمستعملين بأن يتفاوتوا سرعة المشي بشكل طبيعي أكثر مما يمكن أن يكون مع الركبتين المستمرتين.

وعندما تخضع الضوابط على مراحل التأرجح المغناطيسية أو الوبائية للرقابة السليمة، تسمح للمنتسبين بوضع خطى معدلة مع المبتدئ، من بطيئة جدا إلى سرعة السير على أساس العرق، كما توفر بعض الركبتين الهدرائية المتقدمة أيضاً التحكم في مرحلة الاستقامة، باستخدام المقاومة الهيدروليكية لتوفير المرونة الخاضعة للرقابة أثناء مرحلة مبكرة لامتصاص الصدمات، مع الحفاظ على الاستقرار طوال الفترة المتبقية من مراحل الانطلاق.

أجهزة مجهزة بموجات صغيرة

ركبتا المجهزتان بالمضادات الدقيقة، يشار إليهما أحياناً بالركبتين اللتين تسيطر عليهما الحواسيب، تستخدمان التكنولوجيا التي توفر المشي بشكل أكثر أماناً مع جهد أقل، مما يسهل نقل التلال، والمنحدرات، والأرض غير المتساوية ذات الاستقرار الأكبر، وهذه الأجهزة المتطورة تمثل أحدث ما يحدث في تكنولوجيا الركبة الاصطناعية، وتحتوي على أجهزة الاستشعار، والمعالجات الدقيقة، وأجهزة التحكم المتقدمة لتوفير الظروف البيئية للمستعملين.

نظم الاستشعار واكتساب البيانات

الحساسات داخل الركبتين المجهرية تجمع باستمرار بيانات الحركة والتوقيت التي تفسرها الركبتان لإجراء أي تعديلات ضرورية، وهذه أجهزة الاستشعار عادة ما تتضمن أجهزة استشعار دقيقة تقيس القوى والسخرية التي تعمل على الركبة المشتركة، ومجسات الزاوية التي تتعقب موقع الركبة طوال دورة الجوا، ومواصفات التسارع التي تكشف التغيرات في السرعة والتوجه.

البيانات الميكانيكية الحيوية التي جمعتها هذه أجهزة الاستشعار توفر صورة شاملة لموقع المستخدم في الوقت الحقيقي، من خلال تحليل الأنماط في هذه البيانات، يمكن للمعالجات الدقيقة تحديد أي مرحلة من مراحل القذف التي يعمل بها المستخدم، والتنبؤ بما سيحدث بعد ذلك، وتعديل مقاومة الركبة تبعا لذلك، وهذه الدورة المستمرة للرصد والتكيف تحدث مرات عديدة في الثانية، مما يسمح للركبة بالرد الفوري تقريبا على التغيرات في البيئة.

Control Algorithms and Adaptive Response

ركب المجهزات الدقيقة تستخدم أجهزة الاستشعار والبرمجيات وجهاز حاسوب مبني لتكييف المقاومة المسيله لجهازك الفريد

(أوتوبوك) يرصد باستمرار مراحل صراخك، يتكيف في الوقت الحقيقي لدعمك بينما تسرع أو تبطئ هذه القدرة التكيّفية تمثل ميزة حيوية أساسية على الركبتين الميكانيكيتين، ويمكن للمعالجات الدقيقة أن تضبط مقاومة الركبة لتضاهي سرعة المستعمل، وتوفر الاستقرار المعزز عند هبوط المصابيح أو السلالم، وحتى أن تكتشف العثرات وتزيد المقاومة تلقائياً.

مراقبة المرحلة الانتقالية في أجهزة تجهيزات دقيقة

ويمكن للركبتين اللتين تسيطر عليهما المجهزتان بالمعدات الصغيرة أن تكيفا المقاومة الهيدروليكية في الوقت الحقيقي، وأن توفرا للمرتدي الدعم سواء كانا واقفين أو متحركين، وأثناء مرحلة الاستقامة، يمكن للركبتين المجهزتين بموجات صغيرة أن تراقبا باستمرار القوى التي تعمل على الركبة المشتركة وأن تعدل المقاومة الهيدروليكية لتوفير الاستقرار الأمثل، وعندما تكشف الركبة أن المستخدم لا يزال واقفا أو يسير على الأرض، فإنها توفر مقاومة عالية لمنع حدوث ارتطام غير مرغوب فيه.

يكتشفون حدوث تعثرات في الوقت الحقيقي، ويضبطون تلقائياً مدى تشدتها، ويسمحون للمستعمل بإمساك أنفسهم لتجنب سقوطها، وهذه السمة المتطورة للتعافي تمثل ميزة كبيرة في السلامة الميكانيكية الحيوية، وإذا كشفت أجهزة الاستشعار التابعة للركبة نمط تحميل غير متوقع يوحي بأن المستخدم يصاب بالإلتهاب، فإن المعالجات الدقيقة يمكنها أن تزيد فوراً من مقاومة الركبة،

Swing Phase Control in Microprocessor Knees

وتكشف الركبة التي تسيطر عليها الأجهزة الصغيرة عن طول المدة وتغيير مستويات الركبة لتلائم سرعة السير باستخدام جهاز استشعار محوسب للكشف عن الوقت الذي تم فيه تمديد الركبة بالكامل، ويضع الاصطناعي معايير للغايات يقوم الحاسوب باختيارها وتطبيقها تلقائيا وفقا للوتيرة الحقيقية للضخ، ثم يقوم المجهزون بالتعديلات على المرحلة التأرجحية من القفص، وذلك في محاولة لإنتاج أنماط أكثر طبيعية من المحركات.

وهذه المراقبة التأرجحية التكييفية تتيح للمستعملين السير بسرعة متغيرة دون تعديل نمطهم الواعي، وتوفر الركبة تلقائياً كمية مناسبة من المقاومة أثناء الازدهار للسيطرة على معدل الركبة، ثم تقلل من المقاومة أثناء التمديد للسماح للساق الأدنى بأن يمضي قدماً بسلاسة، ويتم تعديل توقيت وحجم هذه التغييرات المقاومة باستمرار استناداً إلى سرعة المستعمل وسرعته.

القاعد الصناعية الكهربية

فبعد الركبتين اللتين تسيطر عليهما الأجهزة الصغرى والتي تُقلل من المقاومة، طور الباحثون والمصنعون ركبات صناعية قوية يمكن أن تولد بقوة وتتحرك، وركبة صناعية هجينة جارية جمعت بين نظام للمصابين بالطفول، ونظام كهربائي للحركة، ونظام للبث إلى السلالم المكدسة بفعالية، وهذه الأجهزة تمثل الطرف المتطور من تكنولوجيا الركبة الاصطناعية، محاولاً تكراراً كاملاً لتوليد النشط للعضلات البيولوجية.

في الركبتين شبه النشطة، عادة ما تعمل المحركات الكهربائية مع النبضات، أو نظم التهوية الهيدروليكية، أو أجهزة الإلتهاب المغناطيسي للتكيف مع مختلف التضاريس، وتشغل الركبتين شبه النشطة أرضاً متوسطة بين ركبتي الميكروسات السائبة والأجهزة المزودة بالطاقة الكاملة، وتستخدمان محركات صغيرة أو محركات أخرى لتكييف ممتلكات الركبة الآلية أو أسلوب التشغيل، ولكنهما لا يحتاجان إلى أن توفراًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًا.

وتشتمل الركبتان الاصطناعية المتينة على محركات قادرة على توليد حواجز كبيرة لتوسيع أو قذف مفاصل الركبة بصورة نشطة، ويمكن لهذه الأجهزة أن توفر عمل ميكانيكيا إيجابيا صافيا على دورة المرارة، مما قد يقلل من التكلفة الأيضية للمشي، ويمكّن من القيام بأنشطة صعبة أو مستحيلة ذات ركبتين اصطداميتين، مثلا، يمكن للركبتين المتين المتين أن تمكّن المستخدمين من رفع السلالمة إلى أعلى من خطى.

بيد أن الركبتين الاصطناعية المقوىتين تواجهان تحديات كبيرة، إذ تتطلبان طاقة بطارية كبيرة، مما يجعلهما أثقل من الأجهزة السلبية، ومن التحديات التي تواجه المستقبل كيفية إدماج الوزن الخفيف والآليات الوظيفية الفعالة في المحركات للتقليل إلى أدنى حد من التكاليف الأيضية للمستعملين، كما أن نظم التحكم في الركبتين المقوىتين أكثر تعقيدا، إذ يجب ألا تحدد فقط متى تقدم المساعدة بل أيضا مدى القوة التي يمكن توليدها وفي أي اتجاه.

"العملية الغامضة" "وعمل الـ"كوني الاصطناعية

ويعتبر فهم دورة المحركات أمرا أساسيا لتقدير مدى أداء الركبتين الاصطناعية وكيفية معالجة تصميمهما لاحتياجات كيميائية بيولوجية محددة في نقاط مختلفة في دورة المشي، وعادة ما تنقسم دورة المحركات إلى مرحلة الاستقامة والمرحلة المؤقتة، مع تقسيم كل مرحلة إلى أحداث وفترات متميزة.

الاتصال الأولي ورد الرد على القرض

تبدأ دورة القفزة بالتواصل الأولي عندما يضرب الكعب الأرض في المشهد الطبيعي، الركبة ممتدة بالكامل تقريباً عند ضربة الكعب، ثم تتدفق قليلاً (حوالي 15 درجة) أثناء عملية التحميل حيث يتم نقل وزن الجسم إلى أطرافه، وهذا الإزدحام المبكر يخدم أغراضاً حيوية متعددة، فهو يستوعب الصدمة ويخفض قوة الدفع التي تُدفعها الجثة إلى الأمام بشكل سلس، ويساعد على الحفاظ على قوة الدفع الأمامية.

ويجب أن تُكرّر الركبتان الاصطناعية هذا الارتباك المبكر مع الحفاظ على الاستقرار ومنع الركبة من التملّص، وقد ازدادت قابلية هذا التصميم الجديد من الناحية البيولوجية، بازدهار المسافات، مما يجعل من الملامح المغلقة غير ضرورية، وتُدمج في تصميمات الركبة الاصطناعية المتقدمة آليات تتيح الارتباك المراقب أثناء التحميل، مع ضمان بقاء الركبة مستقرة وداعمة.

منتصف المدة والمرحلة النهائية

خلال منتصف الطريق، مركز الجسم ينتقل من على أطراف الدعم، والركبة عادة ما تتراجع إلى الإمداد الكامل، في موقف المحطة، بينما يبدأ العجلة في الرفع وتحول وزن الجسم إلى القدمين، لا تزال الركبة ممتدة لتوفير منبر ثابت للدفع، والركبتين الاصطناعية يجب أن تحافظ على الاستقرار في جميع هذه المراحل

والتحدي الميكانيكي الأحيائي خلال هذه المراحل هو الحفاظ على الاستقرار دون أن يؤدي إلى مقاومة مفرطة من شأنها أن تعوق التقدم إلى الأمام، ويجب أن تكون الركبة مستقرة بما يكفي لدعم وزن الجسم، ولكن لا تضغط بشدة بحيث تتدخل في الحركة الطبيعية للقدم أو تتطلب طاقة مفرطة من المستخدم لدفع الجسم إلى الأمام.

ما قبل الجناحين والوحدة الأولية

كما أن ما قبل الحلق، الذي يسمى بالطين، يُمثل الانتقال من المسافات إلى مرحلة التأرجح، حيث يُنقل وزن الجسم إلى الطرف الآخر، تبدأ الركبة بالارتفاع بسرعة، حيث تصل إلى 60 درجة من الذباب خلال التأرجح الأولي، وهذا الإزدهار ضروري للتخلي عن الأرض، مما يسمح للقدم بإزالة الأرض مع تذبذب أطرافها.

يجب أن تسمح الركبتان الاصطناعية بالارتباك الحر خلال هذه المرحلة بينما تتحكمان في معدل الذباب لمنع الساق الأدنى من التأرجح بسرعة كبيرة، فالانتقال من مرحلة التأرجح أمر بالغ الأهمية، حيث يجب أن تتغير الركبة بسرعة من توفير الاستقرار والدعم للسماح بالحركة الحرة، وتزيد ركبة المعالجات الدقيقة من إدارة هذه المرحلة الانتقالية، باستخدام بيانات الاستشعار لكشف بداية المرحلة التأرجحية، وتكيف على الفور مع خصائص الركبتين.

متوسط الجناحين والقاعدة الطرفية

وخلال منتصف الجناح، تصل الركبة إلى أقصى درجة من الذوبان، ثم تبدأ في التأرجح في ساقها الأدنى، وفي الأرجوحة النهائية، تواصل الركبة توسيعها، حيث تقترب من التمديد الكامل للضربة الكعبية التالية، ويعتبر معدل وتوقيت تمديد الركبة خلال هذه المراحل أمرا بالغ الأهمية لتحقيق نمط من الرماد الطبيعي ووضع القدّم الصحيح للتواصل الأولي.

إن الركبتين الاصطناعية تستخدمان آليات مختلفة لمراقبة الحركة المؤقتة، وتساعد آليات المساعدة على ضمان وصول الركبة إلى الإضراب الخفيف، وتتحكم أنظمة التدمير في معدل التمديد لمنع الركبة من التمدد بسرعة كبيرة، مما قد يتسبب في تأرجح ساقها إلى الأمام بشكل مفاجئ أو حتى فرط الإفراط، والهدف هو تحقيق تمديد سلس ومراقب يطابق سرعة المستعمل وسرعته.

الاعتبارات الميكانيكية الأحيائية المتعلقة بمختلف الأنشطة

وفي حين أن السير على الأرض يمثل النشاط الأكثر شيوعاً للمستخدمين الركبتين الاصطناعية، فإن العديد من الأنشطة اليومية تتطلب قدرات مختلفة في مجال الميكانيكية الأحيائية، ويجب أن تستوعب تصميمات الركبة الاصطناعية المتقدمة هذه المطالب المتنوعة لتزويد المستعملين بأقصى قدر من الاستقلال الوظيفي.

ستايير أسنت

ويمكن أن يشكل السلالم المتسلقة تحدياً كبيراً للمبتورة فوق الكينية نتيجة للأداء الحركي المهين والقيود المفروضة على التصميم الاصطناعي، ويتطلب رفع السلالم الركبة الاصطناعية لدعم وزن الجسم أثناء قذفها، وهي مهمة تحدي من الناحية البيولوجية الميكانيكية للركبتين الاصطناعية المتسربة، ومعظم المستخدمين الذين يرتدون ركبة اصطدامية على السلم من خلال قيادة عملية التكثيث.

وهناك مجموعة جديدة من الركبة الاصطناعية التي تسيطر عليها شركة جينيوم، وهي عبارة عن وظيفة تسمح لمركبة من أعلى من الكيني بتسلق السلالم على خطى أعلى، ولتنفيذ هذه المهمة، تم إدماج عدد من أجهزة الاستشعار المختلفة والمقاييس التحويلية المعقدة في الركبة الاصطناعية، وهذه القدرة تمثل تقدماً حيوياً كبيراً، حيث تتطلب الركبة توفير مشعلات الجسم الاصطناعية.

Stair Descent

وكثيرا ما يعتبر السلالم الخفية أكثر صعوبة من إكسيرها، لأنها تتطلب الركبة الاصطناعية لتوفير شعلة متحكمة في الوقت الذي تدعم فيه وزن الجسم ضد الجاذبية، وفي البقاع البيولوجي، يتم تحقيق السلالة عن طريق الانكماش المركز للعضلات الرباعية التي تتحكم في معدل رف الركبتين بينما تطول العضلات، ويجب أن تستنسخ الركبتين الاصطناعية هذه الوظيفة باستخدام نظم التحكم الميكانيكية أو الإلكترونية.

ويمكن للركبتين المصغّرة أن تكتشفا عندما ينزل المستخدم السلالم ويضبطا خصائص المقاومة وفقا لذلك، فهي توفر مقاومة عالية لرف الركبة، مما يتيح للمستعمل أن يقلل نفسه بطريقة خاضعة للرقابة من خطوة إلى الخطوة التالية، ويجب أن توفر الركبة مقاومة كافية لمنع الإصطدام غير المتحكم به، ولكن ليس بقدر ما لا يمكن للمستعمل أن يضغط على الركبة، وهذا التوازن الدقيق يجري تعديله باستمرار على أساس ردود الفعل المستشعرة، مما يسمح بالنسب السلس.

المشي

والسير على المصابيح سواء كان القذف أو التراجع، يضع مطالب حيوية فريدة على الركبتين الاصطناعية، وعندما تصعد الركبة إلى منحدر، يجب أن توفر الاستقرار بينما مركز الجسم يوضع خلف قاعدة الدعم، ويخلق لحظة ازدهار عند الركبة، وعندما يهبط الركبة، تخلق قوى مقاومه للارتباك أكثر من اللازم، مما يتطلب من الركبة أن توفر راحة كبيرة.

وهذا يجعل من السهل السير بسرعة متفاوتة وسقوط مأمون للدمار والدرجات، ويمكن للركبتين المصغّرة الصغيرة أن تكتشفا الاندفاع في أنماط التحميل وتوقيت أحداث المرارة، ثم تعدل استراتيجياتها الرقابية تبعا لذلك، وأثناء هبوط الركود، توفر الركبة مقاومة متزايدة للازدهار طوال مرحلة الرقص، مما يعطي ثقة المستعملين واستقرارهم، وتحافظ الركبة على الاستقرار أثناء الارتداد، مع السماح بدورة في التقدم الطبيعي.

منطقة غير مساحية

فالسير على أرض غير متماثلة يتطلب إجراء تعديلات مستمرة للمحافظة على التوازن والاستقرار، وتتحقق الركبة البيولوجية من خلال إجراء تعديلات مستمرة على الوعائيات تسترشد بتلقينات عكسية، ويجب أن توفر الركبتين الاصطناعية الاستقرار في مجموعة من ظروف التحميل غير المتوقعة دون الاستفادة من التغذية الحساسة أو السيطرة الوعائية النشطة.

إن ركبات المجهزات الدقيقة هي عموما أفضل من يلائم الناس الذين يعانون من أنماط حياة معتدلة ونشطة ويشعلون فيها تضاريس غير متجانسة أو أكثر من العقبات البيئية الأساسية مثل الكبح والسطح المتخلفة، وقد تؤدي القدرات التكييفية للركبات المجهزة بمضادات صغيرة إلى جعلها مناسبة بشكل خاص بالنسبة للأرض غير المتساوية، ومن خلال الرصد المستمر لأنماط التحميل وتكييف المقاومة في الوقت الحقيقي، فإن هذه الركبات يمكن أن توفر الاستقرار المناسب حتى عندما تكون سطح الأرض غير منتظم أو غير متوقع.

الارتطام والتأثير البيولوجي الميكانيكي

ووفقاً للميكانيكيات الحيوية الاصطناعية التقليدية، فإن المواءمة هي ذات أهمية حاسمة كاختيار المكونات، ويشير مواءمة الركبة الاصطناعية إلى علاقتها المكانية بالجوارب أعلاه والقدم الاصطناعية أدناه، والمواءمة السليمة ضرورية لتحقيق أفضل وظيفة آلية بيولوجية، حيث أن الأخطاء الصغيرة يمكن أن تؤثر تأثيراً كبيراً على الاستقرار وكفاءة الطاقة ونوعية المراهنة.

سحق طائرة ساغيتال

في الطائرة المُتَخَلِّقة (نظرة جانبية)، إنّ مُحَدَّمَة الركبةِ الاصطناعيةِ مقارنةً بالمركبةِ والقدمِ يُحدِّدُ خصائصَ استقرارَ الركبةِ، والمفهوم الرئيسي هو العلاقة بين ناقلِ قوةِ الردّةِ الأرضيةِ والمركزِ المشتركِ للركبةِ، عندما يَتَرْكُ مُرَةِعْبُ الركبةِ.

ويضع المتظاهرون بعناية تكييفا دقيقا للطائرات النباتية لتوفير الاستقرار المناسب لكل مستخدم، ويزيد من الاستقرار في المواءمة، مع محرك قوة الردة الأرضية الذي يمر أمام مركز الركبة، ويوفر قدرا أكبر من الأمن، ولكنه قد يجعل من الأصعب بدء مرحلة التأرجح، ويتطلب الحد الأدنى من الاتساق رقابة أكثر فعالية من المستخدم، ولكنه يسمح بتصفح الركبة بسهولة وبأسلوب أكثر طبيعية، ويتوقف تحقيق التواؤم الأمثل على قوة المستخدم، والتوازن، ومستوى النشاط،

Coronal Plane Alignment

وفي الطائرة الملاحية (النظرة الرئيسية)، يؤثر التواؤم على توزيع القوات عبر الركبة الاصطناعية وتحميل الأطراف المتبقية داخل الترسانة، ويكفل التواؤم السليم للطائرات المتزامنة نقل القوات بكفاءة عن طريق التخدير، وأن يلائم الترس بشكل مريح دون أن يخلق ضغطا مفرطا على أي منطقة معينة من أطرافه المتبقية.

قد يؤدي سوء السلوك في الطائرة الإلتفافية إلى أنماط غير قياسية، مع تحويل المستعمل وزنه إلى جانبي للتعويض عن سوء الفهم، وهذا التعويض يمكن أن يزيد من نفقات الطاقة، ويخلق أنماطاً للتعبئة غير طبيعية قد تؤدي إلى ألم مشترك أو إلى مشاكل أخرى في مجال التشويش، ويقلل ثقة المستخدم في التلقيح.

الارتطام بالتناوب

ويشير التواؤم التناوبي إلى توجه القدم الاصطناعية مقارنة بالجوارب والركبة، ويكفل التواؤم السليم للتناوب أن نقاط القدم في الاتجاه المناسب أثناء المشي، مع تناوب طفيف خارجي (التناوب الخارجي) يبلغ حوالي 5-7 درجات ليتطابق أنماط الغايت العادية.

ويمكن أن يؤدي عدم التوافق التناوبي إلى أن يتجه القدم إلى الداخل أو الخارج، ويخلق حواجز غير عادية على الركبة والواجهة بين الجوارب، مما قد يؤدي إلى عدم الارتياح، وانهيار الجلد، وأنماط الغارة التعويضية التي تزيد من نفقات الطاقة وقد تسبب الألم في مفاصل أخرى.

اختيار المواد والأداء الميكانيكي البيولوجي

المواد المستخدمة في بناء الركبة الاصطناعية تؤثر بشكل كبير على أداء الجهاز الميكانيكي الحيوي، وقابليته للاستمرار، وقبول المستخدمين، الركبتين الاصطناعية الحديثة تتضمن مجموعة متنوعة من المواد المتقدمة، كل منها مختار لممتلكات محددة تسهم في المهمة العامة.

المواد الهيكلية

ويجب أن تكون العناصر الهيكلية للركبتين الاصطناعية قوية بما يكفي لتحمل القوى الكبيرة التي تولدت أثناء المشي والأنشطة الأخرى، مع ذلك الضوء بما يكفي للتقليل إلى أدنى حد من الطاقة اللازمة لتأرجح الأطراف الصناعية.() وتُستخدم سبائك التيتانيوم عادة في المكونات الهيكلية نظراً لنسبة القوة إلى الوزن الممتازة، ومقاومة التآكل، والقابلية للتكافل الأحيائي، وتُعرض الألومنيوم مزايا مماثلة لها حتى وزن أقل.

ويتزايد استخدام مركب ألياف الكربون في بناء الركبة الاصطناعية، لا سيما بالنسبة للمكونات التي تستفيد من ارتفاع درجة الشدة وانخفاض الوزن، ويمكن هندسة هذه المواد لتوفير خصائص ميكانيكية محددة في اتجاهات مختلفة، مما يتيح للمصممين تحقيق الأداء الأمثل مع تقليل الوزن إلى أدنى حد.

بؤر التوتر والملابس

ويجب أن تكون العناصر التي تتحرك فيما بينها، مثل العلامات المشتركة والسطحات المنهارة، مصممة للتقليل إلى أدنى حد من الاحتكاك والارتداء مع الحفاظ على التشغيل السلس على ملايين الدورات، وتستخدم البوليمرات ذات الأداء العالي مثل ثنائي إيثيلين متعدد الأوعية الجزيئية (UHMWPE) عادة لحمل الأسطح بسبب معامل الاحتكاك المنخفض ومقاومة الارتداء الممتازة.

وتشتمل بعض الركبتين الاصطناعية على نظم محملة مختومة مماثلة لتلك المستخدمة في التطبيقات الصناعية، باستخدام كرات دقيقة أو محركات متحركة لتوفير حركة سلسة منخفضة التصويب، ويجب أن تُغلق هذه النظم بعناية لمنع التلوث من التراب أو الماء أو عوامل بيئية أخرى يمكن أن تضر بأدائها.

العجلات الهيدروليكية والبحار

وبالنسبة للركبتين الاصطناعية الهيدروليكية، فإن اختيار السوائل الهيدروليكية ومواد الإغلاق أمر حاسم لأداء طويل الأجل موثوق به، ويجب أن يحافظ السوائل الهيدروليكية على الحساسية المتسقة عبر مجموعة من درجات الحرارة، ويوفر التشحيم الكافي لقطع الغيار، ويقاوم التدهور بمرور الوقت، ويستخدم السوائل الهيدروليكية الاصطناعية عادة بسبب خصائصها الثابتة وحياة الخدمة الطويلة.

ويجب أن تمنع نظم التزلج السوائل الهيدروليكية من التسرب، مع السماح بالحركة السلسة للمكونات المتحركة، وتستخدم الركبتان الاصطناعية الحديثة تصميمات ومواد متطورة للأختام توفر خلاطة موثوقة على ملايين الدورات، مع التقليل إلى أدنى حد من الاحتكاك والارتداء.

النتائج السريرية والفوائد الميكانيكية الحيوية

والمقياس النهائي لنجاح تصميم الركبة الاصطناعية هو التأثير على نتائج المستعملين، وقد أظهرت البحوث أن التصميمات المتقدمة للركبة الاصطناعية، ولا سيما الركبتين اللتين تسيطر عليهما الأجهزة الصغرى، يمكن أن توفر فوائد حيوية وميكانيكية كبيرة مقارنة بالركبتين الميكانيكيتين التقليديتين.

نوعية الغازات والتماثل

وقد أدى استخدام الجيني إلى تيسير المزيد من الميكانيكيات الحيوية للغايت وتوزيع الحمولات في جميع أنحاء الهيكل المتأثر والسليم، ولوحظ ذلك أثناء حالة الهدوء في حالة الهبوط، والسير على الأرض، والسير على أعلى وأعلى من المسامير والسلالم، كما أن تحسين التماثل في الغيوم مهم ليس فقط لأسباب تجميلية، بل أيضاً بالنسبة للإصابات المسببة للاختلال الطويل الأجل.

أظهرت الدراسات أن ركبة الميكروسور يمكنها أن تقلل من عدم تماثل الجايت مقارنة بالركبة الآلية، مما يجعل نمط عظمة المستخدم أقرب إلى الطبيعي، هذا التحسن ناتج عن قدرة الركبة على تكييف خصائص المقاومة لتلائم سرعة المستعمل ومطالب الأنشطة المختلفة، مما يسمح بزيادة حركة الركبة الطبيعية طوال دورة القفز.

نفقات الطاقة وتكاليف الداء

المشي مع أطراف صناعية يتطلب عادة طاقة أكثر من المشي العادي بسبب عدم وجود توليد الطاقة النشطة من العضلات والحاجة إلى التعويض عن قيود التخدير

وقد أظهرت البحوث أن ركبتات تجهيزات دقيقة يمكن أن تقلل من تكلفة المشي مقارنة بالركبتين الميكانيكيتين، ولا سيما أثناء أنشطة مثل السير بسرعة متغيرة أو على تضاريس غير متجانسة، ويمكن لهذا الانخفاض في نفقات الطاقة أن يترجم إلى انخفاض في الضغط، وزيادة تحمل المشي، وزيادة الاستعداد للمشاركة في الأنشطة المادية.

الوقاية من الجوع والسلامة

إن منع وقوع الشلالات هو جانب واحد فقط - وهو الحد من احتمالات وقوع إصابات حادة - ولكن تحقيق الاستقرار الفعال يمكن أن يخفض أيضا المشاكل الطبية التي كثيرا ما يعاني منها المبترون الذين يعانون من الاصطناع التقليدي والمفاصل، مثل الألم المنخفض، والتهاب المفاصل، واستبدال الوركين، وتشكل الشلالات خطرا كبيرا على الأفراد الذين يعانون من بتر أقل من الأطراف، مما قد يؤدي إلى إصابات خطيرة ويقلل من الثقة في استخدام التلقيح.

وقد تبين أن ركبة المجهزات الصغيرة تقلل من معدلات الركبة الآلية، وأن سمات الاستعادة المفاجئة لهذه الأجهزة، التي تكشف أنماط الحمل غير المتوقعة وتزيد من مقاومة الركبة بصورة تلقائية، توفر ميزة أمان هامة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن تعزيز الاستقرار الذي توفره ركبات المعالجات الدقيقة أثناء أنشطة صعبة مثل السدود المهددة أو المشي على أرض غير متجانسة يمكن أن يساعد على منع الحالات التي قد تؤدي إلى سقوطها.

نوعية الحياة والاستحقاقات النفسية

17-16

قام (إم بي كي) بتحسين قدرات المرضى على أداء قدراتهم على القاطرة و أنشطة الحياة اليومية وأظهروا آثاراً إيجابية على تصورات الجسم و حيويته و أعراضه الكئيبة للمشتركين

إن زيادة الثقة التي تأتي من وجود ركبت صناعية أكثر استقرارا واستجابة يمكن أن تشجع المستعملين على المشاركة في مجموعة أوسع من الأنشطة والأوضاع الاجتماعية، وقدرة السير على نحو أكثر طبيعية وبجهد أقل وعيا يمكن أن تقلل من العبء المعرفي المتمثل في استخدام التلقيح الاصطناعي، مما يتيح للمستعملين التركيز على أنشطتهم وتفاعلاتهم بدلا من التحكم في أطرافهم الاصطناعية.

الاتجاهات المستقبلية في تصميم النكهة الاصطناعية

ولا يزال مجال تصميم الركبة الاصطناعية يتطور بسرعة، حيث يعمل الباحثون والمهندسون على معالجة القيود المتبقية وتطوير قدرات جديدة، وقد بدأ عدد من الاتجاهات الواعدة في الظهور التي قد تشكل مستقبل تكنولوجيا الركبة الاصطناعية.

الاعتراف والمكافحة الافتراضية

يجب أن تدرس الدراسات المستقبلية تصميم الاصطناعي الكهربائي الكهربي عبر الحدود استناداً إلى إشارات الكهرومغناطيسية للتنبؤ بشكل أفضل بقصد المبتدئ وتحكمه وفقاً لهذا الغرض، والركبتين الحاليتين للمعالجات الدقيقة تستخدمان أساساً استراتيجيات التحكم التفاعلي، وتعديل سلوكهما استناداً إلى بيانات الاستشعار التي تعكس ما يحدث حالياً، قد تتضمن النظم المستقبلية استراتيجيات للتحكم التنبؤي التي تُعدل نوايا المستخدم.

ومن بين النهج المتبع في التعرف على النوايا استخدام أجهزة الاستشعار الكهروموغرافية لكشف الإشارات الكهربائية من العضلات في الأطراف المتبقية، ومن خلال تحليل الأنماط في هذه الإشارات، يمكن أن تتنبأ نظم المراقبة بما يعتزمه المستخدم من حركة قبل أن يبدأ فعلا، مما يتيح للركبة الاصطناعية الاستعداد على النحو المناسب، مما يمكن من التحكم الأكثر طبيعية واستجابة، ولا سيما أثناء الانتقال بين أنشطة مختلفة مثل الانتقال من المستوى إلى السلك.

تحسين كفاءة الطاقة والطاقة

وفي حين أن الركبتين الاصطناعية المقوىتين توفران مزايا وظيفية كبيرة، فإن استهلاكهما من الطاقة العالية والوزن لا يزالان محدودين بدرجة كبيرة، وقد تركز التطورات المقبلة على تحسين كفاءة المحركات المولدة للطاقة، وتطوير نظم أفضل لتخزين الطاقة، وإدماج تكنولوجيات جمع الطاقة التي يمكن أن تلتقط الطاقة وتعيد استخدامها من دورة الغالي.

وتستكشف بعض الجهود البحثية استخدام المحركات المتغيرة والمحركات المتحركة التي يمكن أن تخزن الطاقة وتطلقها بكفاءة أكبر من النظم التقليدية التي تحركها السيارات، وقد تتيح هذه النهج ركبتين صناعيتين متينتينتين توفران المساعدة الفعالة بينما تستهلكان قدرا أقل من الطاقة وتضيفان وزنا أقل من التصاميم الحالية.

التكامل مع العناصر الاصطناعية الأخرى

ومعظم النظم الصناعية الحالية تعالج الركبة والقدم والجوارب باعتبارها عناصر منفصلة تجمع لخلق عملية تجميل كاملة، وقد تتجلى في النظم المستقبلية زيادة التكامل بين العناصر، مع استراتيجيات رقابة منسقة تحقق أداء الأطراف الصناعية بأكملها بدلا من فرادى العناصر.

فعلى سبيل المثال، يمكن لنظام صناعي متكامل أن ينسق سلوك ركبة مجهزة بالميكروبات وثديية ذات قدم كاحلية قوية لتوفير أنماط أكثر طبيعية للغايت وتحسين الأداء أثناء الأنشطة الصعبة، ويمكن للركبة والكاحل أن يتقاسما بيانات الاستشعار وأن ينسقا استراتيجياتهما للمراقبة لتوفير الدعم والدفع الأمثل طوال دورة الجواد.

التخصيص والتكييف

الركبتان الاصطناعية الحالية عادة ما تُشكل بواسطة مُنتج مُتبنى على خصائص المستخدمين واحتياجاتهم، مع القدرة المحدودة على التكيف مع التغيرات بمرور الوقت، قد تُدمج النظم المستقبلية خوارزميات تعلم الآلات التي تسمح للركبة الاصطناعية بأن تتكيف باستمرار مع احتياجات المستخدمين المتغيرة، وأفضلياتهم وقدراتهم.

هذه الأنظمة التكيّفية يمكنها أن تتعلم أنماط الحركة و أفضليات المستعمل، تُعدّل سلوكهم تلقائياً لكي يقدموا الأداء الأمثل لكل فرد، وقد يكتشفون أيضاً التغيرات في مظهر المستخدم التي قد تدل على الإرهاق أو الألم أو التغييرات في الأطراف المتبقية،

التغذية الحساسة والاعتراض

ومن بين القيود الأساسية للركبتين الاصطناعية الحالية عدم وجود تعليقات حساسة على المستخدم، وفي حين أن التلقيح قد يكون له أجهزة استشعار متطورة توفر بيانات لنظام الرقابة، فإن المستخدم لا يتلقى عادة معلومات حساسة مباشرة عن موقع أو تحميل أطرافه الاصطناعية، وهذا عدم وجود ردود فعل مرئية يتطلب من المستعملين الاعتماد على العينات المرئية ورصدات غير المباشرة التي تنقل عن طريق البروكت.

ويستكشف الباحثون مختلف النهج التي تتيح للمستعملين الاصطناعيين التغذية الحسية، بما في ذلك التحفيز الفيزيائي، وتحفيز الأعصاب الكهربائية، وتقنيات إعادة إحياء العضلات المستهدفة، ويمكن لهذه التكنولوجيات أن تستعيد قدرا من الوعي بالنفس، مما يتيح للمستعملين الشعور بموقع وتعبئة ركبتهم الاصطناعية دون النظر إليها، ويمكن أن يؤدي تعزيز هذه التغذية الحسية إلى تحسين التوازن، والحد من الأعباء المتعاظمة.

النظر في الطلبات واختيار المستعملين

وتتوقف معايير وصف الركبتين الاصطناعية واختيارها على التفاعل بين المستخدم والتلقيح، الذي يشمل خمس مستويات وظيفية من K0 إلى K4. ويوفر نظام التصنيف الوظيفي المتوسطي إطاراً لمطابقة تكنولوجيا الركبة الاصطناعية مع قدرات المستعملين واحتياجاتهم.

وليس لدى مستخدمي المستوى K0 أي قدرة أو إمكانية كمين أو نقل بأمان مع المساعدة أو بدونها، ولا يؤدي التخدير إلى تحسين نوعية حياتهم أو تنقلهم، فالمستخدمون من المستوى K1 لديهم القدرة أو القدرة على استخدام التلقيح في عمليات النقل أو الحرق على السطح في الكوادر الثابتة، كما أن لدى مستخدمي المستوى K2 القدرة على القذف أو الإمكانات اللازمة لإبطال مفعول الحواجز البيئية المنخفضة المستوى مثل الكبح، أو السلالم المتباينة،

ويتمتع مستخدمو المستوى K3 بالقدرة أو الإمكانات اللازمة للضخ في الكوادر المتغيرة والقدرة على تجاوز معظم الحواجز البيئية، وقد يكون لهم نشاط مهني أو علاجي أو ممارسة تتطلب استخداماً اصطناعياً يتجاوز مجرد اللوم، ويتمتع مستخدمو المستوى K4 بالقدرة أو الإمكانية على الضخ المفرط للمهارات الأساسية في مجال الكمين، مما يُظهر أثراً كبيراً أو ضغطاً أو مستويات طاقة.

اختيار الركبة الاصطناعية المناسبة تتضمن تطابق قدرات الركبة مع مستوى المستخدمين الوظيفي وأسلوب الحياة و الأهداف، الركبتين الاصطناعية الأكثر تقدماً، ولا سيما الأجهزة التي تسيطر عليها الأجهزة الصغرى، عادة ما تكون مصممة لمستخدمي المستوى K3 وK4 الذين يمكنهم الاستفادة من قدراتهم المعززة، لكن البحوث أظهرت أن حتى مستخدمي النشاط المنخفض يمكنهم الاستفادة من الركبتين المجهرية من حيث السلامة والثقة.

الصيانة والأداء الطويل الأجل

إن الأداء الميكانيكي الأحيائي للركبة الاصطناعية لا يتوقف على تصميمها الأولي وتركيبها فحسب، بل أيضا على الصيانة السليمة طوال فترة خدمتها، فالركبتين الاصطناعية تتعرضان لملايين دورات التحميل ويجب أن تعملا بشكل موثوق في ظروف بيئية متنوعة، من الحرارة والرطبة إلى البرد والرطب.

فالاستمرارية المنتظمة أمر أساسي لضمان استمرار الأداء الأمثل، ويشمل ذلك التفتيش الدوري للعناصر الميكانيكية للارتداء والفحص والتعديل حسب الحاجة، وتقديم الخدمات للنظم الهيدروليكية أو الناموسية، وقد تكون هناك تحديثات للبرامجيات بالنسبة للركبتين المجهزتين بموجات صغيرة، مما يؤدي إلى تحسين الأداء أو إضافة سمات جديدة، كما أن نظم البطاريات تتطلب القيام بانتظام بشحنات واستبدالها في نهاية المطاف.

وينبغي تثقيف المستخدمين بشأن الرعاية السليمة لركبتهم الاصطناعية، بما في ذلك إجراءات التنظيف، وعلامات المشاكل المحتملة، ومتى يلتمسون الخدمة المهنية، وتشمل الركبتان اللتان تعملان على التخدير قدرات تشخيصية يمكن أن تُنبه المستخدم أو الأخصائي إلى القضايا المحتملة قبل أن تؤدي إلى فشل أو إلى إضعاف الأداء.

دور التأهيل والتدريب

وحتى الركبة الأكثر تقدماً لا يمكنها أن توفر أفضل وظيفة دون إعادة تأهيل وتدريب مناسبين، ويجب على المستعملين أن يتعلموا العمل مع ركبتهم الاصطناعية، وأن يتفهموا قدراتهم وحدودهم، وأن يطوروا المهارات اللازمة لاستخدامها بفعالية عبر مجموعة من الأنشطة.

وتتقدم برامج إعادة تأهيل مستعملي الركبة الاصطناعية عادة عبر عدة مراحل، بدءا بالمهارات الأساسية مثل التوازن الدائم والتحول في الوزن، ثم تتقدم إلى مستوى المشي، وفي نهاية المطاف إلى أنشطة أكثر تحديا مثل السلالم والأوعية والأرض غير المتساوية، ويعمل المعالجون الطبيعيون في هذه العملية مع المستخدمين على تطوير أنماط مناسبة من المراهنة، وبناء القوة والتحمل، وكسب الثقة في استخدام التخدير.

بالنسبة للمستخدمين الذين ينتقلون إلى الركبتين الاصطناعية المتقدمة، ولا سيما الأجهزة التي تسيطر عليها أجهزة صغيرة، قد يلزم تدريب إضافي لتعلم كيفية الاستفادة من قدرات الركبة المعززة، وهذا قد يشمل التعلم من المنحدرات أو السلالم بشكل أكثر طبيعية، والتكيف مع سمات التعافي المفاجئة للركبة، أو استخدام أجهزة الهاتف الذكي لتعديل أماكن الركبة من أجل أنشطة مختلفة.

خاتمة

إن فهم المبادئ الميكانيكية الحيوية وراء تصميم الركبة الاصطناعية يكشف عن التعقيد الهائل والتطور الملحوظ لهذه الأجهزة، ومن التحدي الأساسي المتمثل في تكرار الدور المزدوج للركبة الطبيعية المتمثل في توفير الاستقرار والتنقل، إلى نظم التحكم المعقدة للركبتين المصغرتين الحديثتين، يمثل تصميم الركبتين الاصطناعية توليفة للميكانيكيات الحيوية، وعلوم المواد، وهندسة التحكم، والخبرة السريرية.

وقد أدى تطور تكنولوجيا الركبة الاصطناعية من التلال الميكانيكية البسيطة إلى أجهزة متطورة خاضعة للمراقبة على نطاق صغير إلى تحسين القدرات الوظيفية ونوعية الحياة للأفراد الذين يبترون عبر الحدود، ويمكن للركبتين الاصطناعية الحديثة أن تتكيف مع سرعة السير المتغيرة، وأن توفر استقرارا معززا على الأراضي الصعبة، وأن تكتشف وتسترد من التعثرات، وأن تمكن من القيام بأنشطة كانت صعبة أو مستحيلة في السابق.

ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات كبيرة، فالركع الاصطناعية الحالية، حتى الأكثر تقدما، لا يمكن أن تستنسخ تماما قدرات الركبة البيولوجية، وعدم وجود توليد للطاقة النشطة، والتغذية المرتدة الحسية، والتحكم العصبي المتطور في الأطراف الطبيعية، لا يزال يحد من وظيفة الاصطناعية، وتعالج جهود البحث والتطوير الجارية هذه القيود من خلال المكتظين المزودين بالطاقة الكهربائية، ونظم التعقيب الحسية، والتقديرات المسبقة للتحكم المتحركة على أساس المكائن.

إن مستقبل تصميم الركبة الاصطناعية يبشر باستمرار التقدم، مع وجود تكنولوجيات تؤدي وظائف متزايدة الطبيعة وعجزا، ومع تزايد فهمنا للميكانيكيات الحيوية وتبرز التكنولوجيات الجديدة، فإن الركبتين الاصطناعية ستستمران في التطور، مما يتيح للمستعملين قدرا أكبر من التنقل والاستقلال ونوعية الحياة، والهدف النهائي يظل واضحا: تطوير الركبتين الاصطناعية التي تستنسخ بشكل وثيق المهمة الطبيعية التي يمكن للمستعملين أن يمضيا بها في حياتهم اليومية دون تفكير في تحقيق أهدافهم.

وبالنسبة للمهتمين بالتعلم أكثر عن التكنولوجيا الاصطناعية وإعادة التأهيل، تتاح الموارد من خلال منظمات مثل تحالف المؤلفين ] والمجتمعات المهنية مثل رابطة الأمريكيين الأرثوذكسية والبروستيات ، وتقدم هذه المنظمات معلومات قيمة لمستخدمي التلقين، ومهنيين في مجال الرعاية الصحية، وباحثين يعملون من أجل النهوض بنتائج العمل.