Biyomekanik Protezler nasıl çalışır? Protezlerin çalışma prensibi nelerdir?
İnsan vücudu üzerine etki eden iç ve dış kuvvetleri ve bu kuvvetlerin meydana getirdiği etkilerini inceleyen bilim dalına biyomekanik adı verilir. Kas iskelet sisteminin mükemmel karmaşık dizaynını inceleyen bu bilim dalı sayesinde biyomateryal tasarımları ve vücudumuza olan uyumu sağlanmaya çalışılmaktadır.
İnsan, hayvan, bitki, organ ve hücre gibi biyolojik sistemlerin fonksiyon ve yapısı üzerine yapılan çalışmalar biyomekaniğin konusudur. İnsan dokularının özellikleri ve mekanik streslere dokuların yanıtı ne olacaktır sorusuyla ilgilenir. Mühendislik biliminin daha çok üzerinde durduğu bu konu tıp alanında da yeni ve geniş fikirlere kapı açmaktadır. Başarılı bir biyomekanik mühendisliği sayesinde yeni ve en uygun materyal tasarımları yapılmaya çalışılmaktadır.
Protez nedir? Ne işe Yarar?
Protezler, canlı vücudunda eksik olan vücut uzuvlarını taklit edecek şekilde tasarlanmış aygıtlara verilen genel bir isimdir. Diğer bir tanımla Protezler, organ veya uzuv kaybında uzvun yerine yapılan yapay organdır. Ortez ise herhangi bir nedenle desteklenmesi, korunması, sabitlenmesi veya düzeltilmesi gereken vücut kısımlarına uygulanan yardımcı cihazlar olarak tanımlanır.
19. yüz yıl ortasından itibaren yabancı malzemelerin vücut içerisinde Protez olarak kullanımına ilişkin ciddi ilerlemeler kaydedilmiştir. İnsan vücudunda kullanılmak üzere geliştirilen ilk metal "Vanadyum Çeliği" olup 1938 yılında üretilmeye başlanılmış olup, kemik kırıklarında plaka ve vida olarak kullanılmıştır. 1960 lı yıllara kadar kullanılan bu Protezler, korozyana uğradığındanda ciddi tehlikeler oluşturmuştur. 1972'li yıllarda aluminyum ve zirkonyum, herhangi bir biyolojik olumsuzluk oluşturmaksızın Protezlerde kullanılmaya başlanılmış, ancak inert yapıdaki bu seramiklerin dokuya bağlanmaları zayıf olduğundan yine bir takım sorunlarla karşılaşılmıştır. İlerleyen yıllarda Hench tarafından geliştirlen biyocam ve diroksiapatit gibi biyoaktif seramikler ile bu problem kısmen de olsa çözülmüştür.
Biyomalzemeler, yalızca Protez olarak değil, ekstrakorporeal cihazlarda (vücut dışına yerleştirlen ama vücutla etkileşim halindeki cihazlar), çeşitli eczacılık ürünlerinde ve teşhis kitlerinde de yaygın olarak kullanılmaktadır.
Biyomalzemelerin kullanım alanlarına bakıldığında insan hayatını çepeçevre kuşattığı görülmektedir.
1- Hastalı veya hasar görmüş kısımların yerine (diyaliz, Protezler),
2- İyileşmeye yardımcı olmak (ameliyat ipliği, vidalar ve teller),
3- Fonsiyonelliği artırmak (lens, kalp pili, işitme cihazları),
4- Kozmetik problemleri düzenlemek (diş teli, deri implantasyonu ve silikonlar),
5- Tedaviye yardımcı olmak (kateter ve drenaj),
6- Teşhise yardmcı olmak (biyoalgılayıcılar, endoskopi, enjektör),
6- Fonksiyon bozukluklarını düzenlemek (omurga fiksatörleri)
Protezler uygulandıkları bölgeye göre şu şekilde adlandırılırlar. Çene-yüz Protezleri, diş protezleri, kol, el, bacak protezleri, kulak protezleri, saç protezleri, göz protezleri gibi isimleri adlandırılmaktadır.
Her geçen gün teknolojinin ilerlemesi ile birlikte Protezlerde günümüz teknolojisi ile harmonize edilerek geliştirilmektedir. Günümüzde elektronik kol, bacak ve diğer Protezlerin kullanımı bir hayli artmış insanların günlük aktivitelerini rahatlıkla yerine getirebilmeleri için geliştirilmiş ve geliştirilmeye de devam edilmektedir.
Protezlerin Sınıflandırılması
İÇ PROTEZLER: Kemik parçalarını birleştirmek ve eksik kısımlarını tamamlamak için kullanılan Protezlerdir. İç Protez yapımı için dayanıklı ve organizmaca tahammül edilen maddeler vardır. Bu maddelerin en çok kullanılanları ise plastik maddeler, sentetik dokular ve madenlerdir. En çok kullanılan madenler ise özel çelikler ve urtalyumdur.
VÜCUT İÇİ PROTEZLER:
- Omuz Protezleri: Üç ana parçadan oluşur. Bunlar; glenoid parça (omuz eklem çukuru), humerus başı ve humerus gövdesidir.
-El Bileği Protezleri: Normal bilek hareketlerinin gerçekleştirebileceği şekilde tasarlanmıştır.İki parçadan oluşur; kola takılan kısım (metacarpal).En iyi sonucu alabilmek için sağ ve sol olarak ve farklı boylarda imal edilirler. Yapıştırıcı madde ile yapılan sabitlemelerde en iyi sonucu almak için temas yerleri gözenekli yapıdadır.
-El Eklem Protezleri: Romatoid, dejeneratif veya romatik artritlerde kullanılırlar. Çoğunlukla silikondan imal edilirler.Bunun ise silikonun esnek olmasından dolayı ele daha az baskı olmasını sağlar.
-Kalça Protezleri: Gövde ve baş kısmı olmak üzere iki bölümden oluşur. Gövde kısmı değişik durumlar için farklı boylarda olabilmektedir. Baş kısmında ise seramik veya kobalt-krom alaşımı kullanılır.
-Diz Protezleri: Kobalt krom PMM ayraçlı temoral parça metal etkileşimini engeller.
-Ayak Bileği Protezleri
ORTOPEDİK PROTEZLER: Ortopedik Protezler el-kol, bacak-ayak Protezleridir. Bu Protezler, söz konusu edilmiş organları kesilmiş ya da felç olmuş kişilerin kayıp organlarının ya da organ parçalarının yerini tutar.
Protezler ya kullanan kişinin kasları ya basınçlı gaz tüpleri ya da elektrik bataryaları tarafından hareket ettirilir. Biyoelektrik olarak nitelendirilen Protezler kısa kalmış organın, omuzun ya da bedenin bir başka bölümündeki kasların kasılmasıyla oluşturulan akım sayesinde, hareket ettirilir. Özle bir sistem bu akımı yükseltir ve Protezin hareketine komuta eden bir elektrik motoruna iletir.
Kol ya da ön kolun felçli olduğu durumlarda kullanılan el Protezleri, hasta tarafından hareket ettirilen süyeklerden oluşur. Bacak Protezlerinin amacı taşımadır; dolayısı ile güç ve esneklik temeline dayanır. Pratik olarak normal bir yürüme sağlayan birçok sistem geliştirilmiştir. Ortopedik Protezler arasında eklem Protezleri de yer alır. Bunlar kısmi ya da tam diz, dirsek ve kalça Protezleridir. Ortopedik Protezlerin en çok kullanılanı uyluk-kalça eklemi Protezleridir. Uyluk Protezlerinin hepsi bugün için madenidir. Plastik maddeler bu iş için yeteri kadar dayanıklı değildir.
DAMAR PROTEZLERİ: Bu tür Protezlerdeki amaç atardamar ya da toplardamar parçalarının yerini tutmaktır. Yapımlarında teflon, dakron gibi maddeler kullanılır.
KALP PROTEZLERİ: Madeni veya maden-plastik karışımı kapaklardır.
VÜCUT DIŞI PROTEZLERİ: Vücut dışı Protezleri, kaza, amputasyon gibi çeşitli nedenlerle kol ve bacaklarını yitirmiş olan kişilere uygulanmaktadır.
Temelde Protez ihtiyacı olan bir kişinin yapabileceği belli başlı tercihler söz konusudur:
A-Kozmetik Restorasyon: Pasif Protez olarak da adlandırılır. Temel olarak üç temel maddeden yapılır.
- Esnek Kauçuk Kaplama: En çok kullanılan malzemedir. Genelde sabit renkte tedarik edilip boyanarak kullanılır. Kolaylıkla çıkarılıp takılabilecek özelliktedir.
- Sert PVC: Daha çok, bilek seviyesinin yukarısında olan amputasyonlarda kullanılır. Değişik renk ve boyutları mevcuttur. Genelde doğuştan kısa kol veya bacağı olan hastalarda iyi sonuçlar vermektedir.
- Silikon: Diğer maddelere oranla daha gerçekçi ve uzun süreli bir restorasyon sağlar. Silikon dokusu, değişik boy ve şekillerde olması ve sağlam organın uygulanabilmesi gerçekçiliğini arttıran yönleridir.
B-Beden Gücüyle Çalışan Protezler: Bunlar konvansiyonel Protez olarak da adlandırılabilir ve beden hareketleri ile kontrol edilirler. Bu tür hareketler için hastanın yeterli kol-bacak uzunluğuna, kas gücüne ve hareket yeteneğine sahip olmalıdırlar. Bu tür Protezler hastanın kontrol yeteneklerini arttırır.
C-Elektrik Gücüyle Çalışan Protezler: Bu tür Protezler, işlevlerini gerçekleştirebilmek için küçük elektrikli motorlar kullanırlar. Bu Protez kavrayış gücünü arttırıcı niteliktedir. Protez kontrolü için farklı yollar vardır;
-Miyoelektrik kontrol
-Serva kontrol
-Düğmeli kontrol
-Koşum düğmeli (Harness Switch)
D-Karma Protezler: Bunlar, vücut gücü ve elektrik gücünü tek Protezde birleştiren sistemlerdir. Daha çok, dirsek üstü amputasyonlarda kullanılırlar. Bu Protezlerde, ya dirsek ve yukarısı veya kavrama kısmı(bilek ya da el) elektriklidir. Hangisinin kullanılacağı kişinin ihtiyaçlarına, hareket sırasındaki EMG sinyallerine göre değişir.
E-Etkinliğe Özel Protezler: Bunlar; pasif, vücut veya elektrik gücüyle çalışan ya da karma Protezler kullanılarak belirli bir etkinliği gerçekleştirmeye yönelik olarak yapılan Protezlerdir. Daha çok yüzme, golf, bisiklet sürme, ağırlık kaldırma gibi amaçlara yöneliktir.
Protezler, biyomekanik kurallar doğrultusunda, hastanın anatomik yapısına uygun olarak şekillendirilmelidir. Aksi halde vücut hareket sistemine ve anatomisine uyum sağlamaz ise istenilen verim alınamaz.
Biyomedikal Mühendislik ve Mekatronik
Biyomedikal mühendisler, teşhis ve tedavi amaçlı olarak kullanılan tıbbi cihazların tasarımı, üretimi, bakım, onarım ve kalibrasyonu ile ilgilenirler. Aynı zamanda fonksiyonlarını kaybetmiş organların veya dokuların yerine tutabilecek Protezler, yapay organlar, diz, kol, bacak gibi protezler ve dental implantlar tasarlayıp üretebilir.
Biyomedikal kavramı, günümüzde sağlık alanında teşhis ve tedavi amacıyla kullanılan mekanik, elektronik cihaz ve sistemlerden oluşmaktadır. Günümüz modern tıbbının hastalıklarının tanı ve teşhisinde; hekimlere kılavuzluk etmek amacıyla Mühendislerce geliştirilen cihazlar, kısaca Biyomedikal Cihaz olarak anılır ve tamamıyla yüksek özen ve dikkat isteyen süreçler sonucu üretilmiş cihazlardır. Bu cihazlar hekimlere, tıbbi uygulamalarda yüksek rahatlık ve konforu sunarken; hastaların bu müdahalelerden en az etkilenmelerini sağlamak için üretilirler.
Tıp Elektroniği, hastalıklarla mücadelede artık vazgeçilmez bir ana unsurdur. Gelişen tıp teknolojisiyle hekimler gün geçtikçe daha çok hastaya ulaşmakta aynı zamanda hastalıklardan geri dönüşümde ve tedavi kararlarında daha ileriye gitmektedirler. 20 yıl öncesine baktığımızda teknolojinin -özellilkle tıp tekniğinin- gelişimine paralel olarak tıbbın da tahmin edilenden daha hızlı geliştiği aşikardır.
Son yıllarda artan mekatronik mühendisliği programları ile beraber biyomekatronik alanındaki çalışmalarda hız kazanmıştır.
Bilindiği üzere mekatronik bir sistem; mekanizma, bu mekanizmayı tahrik eden tahrik elemanları, çevreyle etkileşim halinde olan mekanizmadan gelen değişken parametreler içeren geribesleme bilgilerini sağlayan sensörler, mekanizmanın kontrolünü sağlayan elektronik donanım ve yazılımdan meydana gelir. Biyomekatronik sistemlerde ise buna ek olarak insan vücudundan gelen biyolojik geri beslemelerde biyolojik sensörler yolu ile algılanır ve kontrolde kullanılır. Biyomekatronik sistemlerin amacı, uzuv hareketlerinin desteklenmesi, uzuvların güçlendirilmesi, sorunlu vücut fonksiyonlarının işler hale getirilmesi veya bu fonksiyonları yerine getiren birimlerin bizzat yerini alarak fonksiyonları gerçekleştirmesidir.
İnsan hareketlerinin kontrolü, ortez-protez ve hareket destekçi tasarımları, motor bozukluğu olan bireylerin rehabilitasyonu, arayüz tasarımları, biyolojik ve mekanik sensör geliştirme, dış iskelet robotları, yürüme analizleri, elektriksel stimulasyon, yapay organlar, biyolojik işaret işleme biyomekatroniğin ilgilendiği konulardır.
Etkili bir biyomekatronik sistem tasarımı için insan vücudunun sinirsel ve fizyolojik yapısının iyi kavranması gerekmektedir. Bunun yanısıra bireye özel sistemler, kullanışlı arayüz tasarımları da biyomekatronik sistemlerin vazgeçilmez unsurları arasında sayılabilir.
Protezlerin çalışma prensipleri
Ortopedik Protez el, ayak ve benzeri organların kaybı durumunda, bu organların işlevlerini kısmen de olsa yerine getirecek olan yapay organlar (Protezlerin) ya da vücutta desteklenmesi, korunması ve düzeltilmesi gereken kısımlara uygulanan yardımcı cihazlardır. (ortezlerin)
Protezler çoğunlukla kauçuk, vinil, akrilik, porselen, titanyum, altın ve benzeri çeşitli maddelerden tasarlanabilmektedir.
Protezleri vücuda tutturmak için çoğunlukla organ hasarının olduğu kısımda Protezin girip tutunabileceği bir mekanik tutucu alan varsa mekanik tutuculukla, mekanik tutuculuğun az olduğu durumda ise sap, klemp, kıskaç, kanca, kroşe gibi yardımcı elemanlar kullanılabilmektedir.
Tüm bu Protezlerin tasarlanması veya yapılması için veya yapay vücut parçalarını geliştirmek için biyouyumlu malzemeler kullanmak zorunludur. Biyouyumluluk bir malzemenin canlı vücudu ile uyuşabilirliği olarak tanımlanabilir. Biyouyumlu malzemeler kendilerini çevreleyen dokuların işleyişine engel olmaz aksine yardımcı olurlar.
Protez yapımında şu prensip ve kurallara uyulmalıdır: Her Protez üç boyutlu yapılandırılır ve üç boyutlu yapı kriterlerine dayanır. Bunun anlamı, Protezin:
A-P yönünde (ön-arka yönü),
M-L yönünde (yanal olarak sağ-sol yönü),
Dikey yönde (yukarı-aşağı yönü) referans çizgileri ve yardımcı aletler (Şakül, ayar cihazları gibi) yardımıyla yapılmış olmasıdır.
1-Kozmetik Protezler
Kozmetik kol protezleri dış görünümüne önem veren kişiler tarafından tercih edilmektedir.Bazı kullanıcılarımız protez dizaynı, kullanım kolaylığını, ağırlığını protezin fonksiyonel olmasından daha önemli olduğunu düşünmektedir. Firmamız doğal görünümlü, kozmetik kol Protezlerini üretmektedir.
2-Mekanik Protezler
Bu tip Protezler, kişinin kendi mekanik gücüyle hareket eden Protezlerdir. Güdük ve sırt üzerinden sağlam kola geçirilen bir kuvvet transferine yarayan bandaj sistemi sayesinde omuz hareketleri Proteze iletilir ve böylece Protezin el kısmı açılır kapanır. Dirsek üstü Protezler de 3 aşamalı çekme mekanizması kullanılarak el açma kapama, dirsek bükme ve belli bir açıda kilitleme işlevleri yerine getirebilir. Kişinin kendi kuvveti ve hareketiyle Protezi harekete geçirmesi, Protez hareketleriyle ilgili bir his sağlar ki bu da Protez işlevlerinin daha iyi kontrol edilmesi ve benimsenmesi açısından önemlidir. Ancak bu sanıldığı gibi kolay gerçekleşmez. Yoğun bir eğitim dönemi ve çok fazla tekrar ile pratik etmeyi gerektirir. Mekanik bir Protezin avantajları, oldukça basit bir mekaniğe sahip olması ve nispeten daha ucuz olmasıdır. Bunu yanında çok fazla su ve sıvı ile işi olan kişiler için tercih edilebilir. Dezavantajları ise, Protezin kontrolü için gerekli olan kısmen doğal olmayan vücut hareketleri ve harness sistemine alışma süreci olarak sıralanabilir.
3-Elektronik Protezler
Bu tip gelişmiş elektronik Protezler kişinin estetik görünümünü güzelleştiren, günlük ihtiyaçlarını yerine getirmede yardımcı olan ve hayatı kolaylaştıran Protezlerdir.
Çoğunlukla çalışır durumdaki kaslardan alınan hareket sinyalleri sensörler ve elektrot adı verilen yapılar vasıtasıyla sinyale dönüştürülerek biyomedikal Protezin motor kısmına iletilir. Motor bu sinyalleri harekete dönüştürerek Protezin çalışmasına yardımcı olur. Bu tip Protezlerde kullanıcı kası kasıldığında sinyaler harekete dönüşür. Kas kasılmasını kullanıcı durdurduğu anda motorda hareketi durdurur.
Elektronik kol Protezleri bir motor, pil ve kullanıcının kas hareketleri sayesinde; elin açılma, kapanma ve bilekten dönme hareketini yapmasını sağlar.
Yukarıda da bahsedildiği gibi bu hareketler tamamen kullanıcının kontrolü altındadır. Kullanıcı kası kasıldığında sinyaler harekete dönüşür ve kullanıcı kas kasılmasını durdurduğu anda motorda hareketi durdurur.
Elektronik kol Protezleri, elektronik olarak kontrol edilen motorlar ile çalışan Protezlerdir. Protez, tıpkı normal kaslar gibi, farklı hareket ve taleplere göre sürekli değişen çevre koşullarına uyum sağlar. Bu özellikleriyle insan hareketlerine uyum sağlamaya çalışır.
Proteze entegre edilmiş otomatik önkol dengeleyici mekanizmalar ile daha önceki protezlerde mümkün olmayan kolay hareketi ve doğal bir serbest salınım elde edilmiş olur.
Kullanıcı pozisyonu, kuvveti ve hızı elektrot aracılığı ile ilettiği kas kasılma sinyalleri yoluyla yönetilebilir. Kas kasılması miyovolt cinsinden bir elektrik enerejisi yaratır. Kastan alınan sinyaller elektrotlar tarafından alınır. Kontrol sinyalleri olarak Protezin elektronik aksamına iletilir. Gelen sinyalin gücü birçok Protezde hareketin hızına yansır ve Protez işlemini tamamlamış olur.
İleri teknoloji ürünü bu Protezlere (el ve parmak ucu gibi bölümlerine) ısıya, sertlik veya yumuşaklığa duyarlı sensörlerde takılmaya başlanılmıştır.
Teknolojik gelişmeler amputelerin Protezleriyle spor yapabilmelerine olanak sağlamıştır. Protez kullanıcısı olarak amputeler, karbon veya termoplastik materyallerden yapılmış güdük ile iyi uyumlu, tam temaslı, suspansiyon yönünden başarılı soketler; koşmaya uyumlu, hafif ve doğal hareket akışı sağlayan, stabil spora özgü dizayn edilmiş teknolojik diz eklemleri; koşma ve yürümeye iyi uyum sağlayan esnek, dayanıklı, koşma, zıplama ve hızlı yön değiştirmeye olanak sağlayan teknolojik protez ayaklar ile profesyonel sporcu olabilmektedirler.
Kaynaklar:
- Akdoğan, E. bir alt disiplin olarak biyomekatronik Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK2013, 26-28 Eylül 2013, Malatya
- http://somamyo.cbu.edu.tr/elektronik-ve-otomasyon/biyomedikal-cihaz-teknolojisi.4472.tr.html
- http://azkurs.org/biyomedikal-cihazlar-ve-biyomedikal-goruntuleme-cihazlar-gunum.html
- https://uskudar.edu.tr/shmyo/tr/sayfa/biyomedikal-cihaz-teknolojisi-program-hakkinda
- www.vikipedia
- MEBGEP Biyomedikal Cihaz Teknolojileri Ankara 2007
- https://indigodergisi.com/2018/01/biyonik-el/
- https://saymer.emu.edu.tr/tr/unitelerimiz/protez-ortez-ve-biyomekanik
- Başal, Ö. Biyomekanik ve Biyomateryaller
Biyolojik Gelişmeler
-
Avustralya fosili, fotosentezin en az 1,75 milyar yıl önce evrimleştiğini öne sürüyor
-
Böcek kanatlarının solungaçlardan evrimleştiğine dair yeni kanıtlar
-
Denizyıldızının Başı Neresi? Tahmininiz Büyük İhtimalle Yanlış
-
Biyoloji bölümü seçenler ve biyolojiye ilgi duyanlar için bazı öneriler
-
Canlıların Gizemli Dünyasını Keşfetmek: Biyologların Gözüyle Doğa, Genetik ve Evrim
-
Biyolojik ve Kimyasal Silahlar Ne Zamandan Beri Var?
-
Filler Gerçekten ‘Asla Unutmaz’ mı?
-
Sibirya’da Bulunan Ayı Mumyası, Mağara Ayısı Değilmiş
-
California Bilimler Akademisi Bilim adamları 2022'de 146 yeni tür tanımladı
-
Yapay zeka hücre hareketini mikroskop altında analiz edebiliyor.
-
Ağaçlardan Önce Yeryüzünde Devasa Mantarlar Vardı
-
Biyoloji Terimleri Sözlüğü Yayımlandı
-
Avcı-Toplayıcılıktan Tarıma Geçiş Tam Olarak Nasıl Gerçekleşti?
-
Kök Hücre Nedir?
-
Tat hücreleri hayvanın yiyecek arama stratejisini nasıl kontrol edebilir?