1-4 انواع آسیب‌دیدگی‌های نخاعی………………………………. 5
1-5 بررسی مشکلات بیماران ضایعه نخاعی و راهکارها………. 6
1-6 ارتز………………………………………………………………. 8
1-6-1 ارتزهای غیرفعال……………………………………………. 9
1-6-2 ارتزهای فعال…………………………………………………. 9
1-6-3 اگزوسکلتون‌های فعال………………………………………. 9
1-7 کمک‌کننده‌های ایستادن و راه رفتن………………………… 10
1-8 تاریخچه‌ کارهای عملی انجام‌شده در زمینه‌ی ارتزها و اگزوسکلتون‌های فعال….11
1-8-1 ارتزهای غیرفعال……………………………………………. 11
1-8-2 پاراواکر(اچ جی او)………………………………………….. 11
1-8-3 آرجی‌او………………………………………………………. 13
1-8-4 ارتز واک‌اباوت………………………………………………… 14
1-9 نتایج مطالعات مقایسه‌ای……………………………………. 15
1-10 ارتزهای فعال پا……………………………………………….. 16
1-11 اگزوسکلتون‌های فعال……………………………………….. 17
1-12 مبانی تئوریک طراحی ارتزهای فعال و غیرفعال و اگزوسکلتون‌ها….18
1-13 مطالعات انجام‌شده درزمینه‌ی پایداری ایستادن ارتز و اگزوسکلتون….18
1-13-1 مطالعه‌ی سینماتیک و دینامیک ارتزها و اگزوسکلتون‌ها……19
1-13-2 مطالعه‌ی کنترل ارتزها و اگزوسکلتون‌های فعال…………. 19
1-13-3 مطالعات انجام‌شده درزمینه‌ی افزایش پایداری ایستادن…20
1-14 تعریف مسئله…………………………………………………. 20
فصل دوم: مفاهیم پایه‌ای پایداری و کنترل…………………………22
2-1 مقدمه……………………………………………………………..22
2-2 معرفی ساختمان مورد بررسی………………………………… 23
2-2-1 ویژگی‌های مطلوب برای طراحی ارتز……………………….. 24
2-2-2 نقش بخش‌های مختلف سیستم………………………….. 25
2-2-3 انتخاب مواد مورد استفاده در ساختمان ارتز…………………26
1.مواد انتخاب‌شده برای بخش‌های مختلف مفصل ران …………… 26
2.مواد انتخاب‌شده برای بخش تنه……………………………………. 27
3.مواد انتخاب‌شده برای بخش مفصل زانو ………………………….. 27
4.مواد انتخاب‌شده برای ارتزهای زانو-قوزک-پا……………………….27
2-2-4 طراحی نهایی…………………………………………………… 27
2-2-5 طراحی و ارزیابی نسل دوم ارتز جدید……………………….. 28
2-2-6 پایداری ایستادن با نسل دوم ارتز…………………………….. 29
2-3 محاسبه جرم، طول، مرکز جرم و ممان اینرسی اندامهای مختلف بدن….29
2-4 گشتاور مفاصل بدن یک فرد دارای آسیب نخاعی…………….. 31
2-5 مدل دینامیکی مورد استفاده……………………………………. 32
2-6 استخراج معادلات حرکت…………………………………………. 33
2-7 نگاهی دقیقتر به ماهیت دینامیکی سیستم………………….. 35
2-8 تعیین محدوده‌های پایداری برای یک جرم مشخص و زمان مشخص حركت دست…..36
2-9 بحث………………………………………………………………… 37
2-10 قیود پایداری………………………………………………………. 38
2-11 به‌کارگیری استراتژی حرکت بالاتنه………………………………. 39
فصل سوم: قیود سینماتیکی ایستادن، تعیین زوایای ارتز و نقطهی تعادل بالاتنه…41
3-1 مقدمه……………………………………………………………….. 41
3-2 قید سینماتیکی کف پا…………………………………………….. 41
3-3 معادلات قیود سینماتیکی کف پا ………………………………….42
3-3-2 بررسی قید عدم حرکت در راستای محور y……………………
3-3-3 بررسی قید عدم سرخوردن در راستای محور x………………
3-3-4 بررسی قید عدم واژگونی از سمت پاشنه یا پنجه…………… 45
3-3-5 بررسی سه قید…………………………………………………… 46
3-4 بدست آوردن محدوده‌ی گشتاورها با اعمال پارامترهای اعضای بدن….46
3-5 بررسی قید عدم واژگونی…………………………………………… 48
3-6 بدست آوردن زوایای پایین‌تنه ارتز………………………………….. 51
3-7 نقطه‌ی تعادل زاویه‌ی بالاتنه…………………………………………. 54
فصل چهارم: معادلات دینامیکی…………………………………………. 57
4-1 مقدمه…………………………………………………………………. 57
4-2 ارزیابی انتخاب مکانیزم و جانمایی عملگر الکتریکی…………….. 57
4-3 بررسی فنر بکار رفته در مفصل ران………………………………… 60
4-4 طراحی فنر مفصل ران………………………………………………. 62
4-5 انتخاب عملگر و گیربکس مناسب………………………………….. 66
4-6 جانمایی عملگر………………………………………………………. 68
4-6-1 چرخ‌دنده‌ی ساده…………………………………………………… 68
4-6-2 چرخ حلزون…………………………………………………………. 69

4-6-3 گیربکس اسپیندل…………………………………………………. 69
4-6-4 انتخاب مکانیزم مناسب………………………………………….. 70
4-7 خطی سازی معادلات……………………………………………….. 70
4-8 کنترلر………………………………………………………………….. 72
4-8-2 کنترلر جانمایی قطبها…………………………………………….. 74
فصل پنجم: بررسی پایداری به همراه حرکت دست ………………….. 76
5-1 مقدمه…………………………………………………………………… 76
5-2 مدل سه لینکی فرد و ارتز……………………………………………. 76
5-2-2 معادلات دینامیکی…………………………………………………. 77
5-2-3 انرژی جنبشی……………………………………………………… 78
5-2-4 انرژی پتانسیل………………………………………………………. 78
5-3 اعتبار سنجی شبیه‌سازی…………………………………………… 79
5-4 بررسی پایداری حرکت دست با اعمال کنترلر CTM در مدل سه درجه آزادی….82
5-4-2 حرکت منفرد بالاتنه…………………………………………………. 84
5-4-3 حرکت منفرد دست…………………………………………………. 85
5-4-4 حرکت هم‌زمان دست و بالاتنه……………………………………. 86
5-5 بررسی پایداری با حرکت دست با بهره گرفتن از کنترلرهای طراحی ‌شده….88
5-5-1 مدل دو درجه آزادی…………………………………………………. 88
5-5-2 بررسی کنترلر………………………………………………………. 88
5-5-3 بررسی کنترلر جانمایی قطب‌ها………………………………….. 89
فصل ششم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات……………………………………93
6-1 نتیجه‌گیری………………………………………………………………. 93
6-2 پیشنهادات……………………………………………………………. 94
چکیده:
در سالهای اخیر مطالعات متعددی برای بهبود عملکرد ایستادن و راه رفتن بیماران دارای ضایعه‌ی نخاعی انجام شده است. این افراد می‌توانند با بهره گرفتن از ابزارهای ارتوپدی به نام ارتز توانایی ایستادن و حرکت نمودن خود را بازیابند. ارتزها به دو گروه فعال و غیر فعال تقسیم شده و بسته به سطح آسیب نخاعی می‌توانند حد مورد نیاز پشتیبانی را برای فرد ناتوان فراهم كنند. در این پژوهش ابتدا ساختمان یک ارتز ران-زانو-قوزك-پای غیرفعال مورد مطالعه قرار گرفته و در ادامه به بهبود عملکرد ایستادن افراد دارای ضایعه‌ی نخاعی استفاده کننده از ارتز، در حالت دستان آزاد (بدون استفاده از تکیه‌گاه نظیر عصا) پرداخته ‌شده است. برای دستیابی به پایداری ایستادن در حالت دستان آزاد، فرد می‌تواند با بهره گرفتن از ارتز غیرفعال به بخش بالایی ارتز تکیه داده وپایداری خویش را بازیابد. در این حالت فرد آسیب‌نخاعی شکل ایستادن با خم شدن به سمت عقب را که به آن حالت ایستادن سی می‌گویند، به خود می‌گیرد. با توجه به مقایسه‌ی حالت ایستادن فرد آسیب نخاعی در حالت سی با نحوه‌ی ایستادن فرد سالم و مشاهده‌ی محدودیت فرد در استفاده از دست‌ها، می‌توان دریافت این شیوه‌ی ایستادن مناسب نمی‌باشد. برای دستیابی به حالت درست ایستادن نیاز به قرارگیری بالاتنه در حالتی مشابه با فرد سالم ضروریست. برای دستیابی به این امر نصب عملگر بر روی مفصل ران ارتز غیرفعال ارزیابی شده تا فرد آسیب دیده بتواند در حالت صحیح ایستادن قرارگرفته و با بهره گرفتن از استراتژی حرکت بالاتنه پایداری ایستادن را برقرار نماید. برای نصب عملگر در مفصل ران ارتز، فرد به همراه ارتز به صورت مدل سریال چهار لینکی (سه لینک پایین‌تنه و یک لینک بالاتنه به همراه دست) در نظر گرفته‌شده است. سپس با بهره گرفتن از قیود سینماتیکی کف پا برای برقراری پایداری ایستادن، محدوده‌ی مجاز گشتاورهای اعمالی به بالاتنه برای حفظ پایداری بدست آمده است. برای استفاده‌ی بهینه از عملگر مکان مناسب مفصل ران بدست آمده و با توجه به آن زوایای ثابت ارتز پایین‌تنه و نقطه‌ی تعادل بالاتنه محاسبه‌شده است. در ادامه برای برقراری پایداری بالاتنه دو کنترلر طراحی و عملکرد آن‌ ها با بهره گرفتن از شبیه‌سازی مورد مطالعه قرار گرفته است. در نهایت مدل پنج لینکی ارتز و فرد آسیب نخاعی (سه لینک پایین‌تنه و دو لینک بالاتنه و دست) که پایین‌تنه‌ی آن با بهره گرفتن از ارتز ثابت شده، به مدل دو درجه آزادی بالاتنه و دست تقلیل یافته است. سپس  با بهره گرفتن از شبیه‌سازی، عملکرد کنترلرها و عملگر نسب شده در مفصل ران برای برقراری تعادل در هنگام حرکت‌های مشخص دست مورد بررسی قرار گرفته است.
فصل اول: مقدمه
1-1- پیشگفتار
فلج شدگی[1] از­کار­افتادگی دائم اندام­های تحتانی  بدن است که براثر صدمه وارده به نخاع[2] واقع در ستون فقرات، معمولاً ناشی از حوادث یا بیماری، ایجاد می­ شود. این امر باعث از بین رفتن توانایی کنترل حرکت و احساس در اندام­های پایین­تر از سطحی که نخاع آسیب‌دیده است، می­گردد. نوع فلج شدگی به سطح آسیب­ بستگی دارد و بر اثر فلج شدن ممکن است علاوه بر اندام­های تحتانی بخشی یا تمام اندام­های فوقانی متأثر گردند.
در این قسمت برای بررسی سطح آسیب­دیدگی و شناخت اندام­های متأثر شده بر اثر فلج­شدگی آناتومی نخاع و ستون فقرات انسان را بررسی می‌شود.
2-1- آناتومی نخاع و ستون فقرات
طناب نخاعی از سوراخ پس سری[1] تا سطح نخستین یا دومین مهره کمری امتداد می‌یابد. سوراخ پس سری، سوراخی است بزرگ در استخوان پس سر که مغز و نخاع در آنجا به یکدیگر متصل می‌شوند. طناب نخاعی، نخاع شوکی نیز خوانده می‌شود. از برجستگی کمری به پایین، نخاع شوکی باریک شده و تا ناحیه مخروط انتهایی[2] که دربرگیرنده­ی بخش‌های خاجی[3] طناب نخاعی است ادامه دارد. مخروط انتهایی، پایین‌ترین ناحیه تنه نخاع است.
نخاع دو وظیفه اصلی را بر عهده دارد: اول آن­که اعصابی را در بر دارد که نواحی حسی و کنترل حرکتی[4] مغز را به سایر قسمت ­های بدن متصل می­ کند. این اعصاب مسیرهایی را برای هدایت پالس­ها از دریافت­کننده­ های حسی[5] بدن به مغز و سپس در جهت عکس توسط عصب­های حرکتی به ماهیچه­ها و غدد فراهم می­ کند. دوم آن‌که نخاع مستقیماً اعصاب حسی را به اعصاب حرکتی مناسب برای ایجاد پاسخ، به‌صورت مستقل از مغز متصل می­ کند که این امر به‌عنوان واکنش نخاعی[6] شناخته می­ شود. نخاع درون کانال داخلی ستون فقرات[7] قرار دارد. اعصاب نخاعی به‌طور کلی به چهار بخش تقسیم می‌شود که متناظر با ناحیه­ای ­از ستون فقرات هستند که در آن قرارگرفته­اند. این بخش­ها عبارتند از: 1-گردنی[8] 2- سینه­ای[9] 3-کمری[10] 4 – خاجی[11] (‏ شكل1-1 ).
اعصاب نخاعی ۳۱ جفت است که از طناب نخاع منشعب می‌گردند که عبارت‌اند از: 1-اعصاب گردنی، هشت زوج 2-اعصاب سینه‌ای، دوازده زوج 3-پنج زوج کمری 4-پنج زوج خاجی 5-یک زوج دنبالچه‌ای.
به علت ارتباط نخاع با ۳۱ جفت عصب نخاعی، طناب نخاعی را به ۳۱ قطعه (سگمنت) تقسیم می‌کنند. یک قطعه نخاعی، استوانه‌ای از طناب نخاعی است که یک عصب نخاعی به آن اتصال می‌یابد. با توجه به اینکه طول نخاع به‌طور متوسط حدود ۲۵ سانتی‌متر کمتر از طول ستون فقرات است، بنابراین قطعات نخاعی از سطح گردنی به‌طرف انتهایی‌ترین قسمت نخاع در مقایسه با مهره‌های همنام، یکسان نبوده و به‌تدریج از هم دورتر می‌گردند. به‌عنوان مثال قطعه اول نخاعی (C1)، در سطح مهره اول گردنی قرار می‌گیرد، در حالی که قطعه اول خاجی (S1) در مجاورت مهره اول کمری است که در ‏ شكل1-1  قابل‌مشاهده است. از هشت زوج عصب گردنی، هفت عصب بالاتر از سطح مهره‌ی مربوط به خود از نخاع خارج می‌گردند و فقط زوج هشتم گردنی از زیر مهره هفتم عبور می‌کند. عصب‌های نخاعی سینه‌ای، کمری و خاجی از زیر مهره‌های مربوط به خود خارج می‌شوند.
3-1- صفحات آناتومی بدن انسان و نام‌گذاری درجات آزادی مرتبط با آن در پایین‌تنه
به‌منظور طراحی، بهبود و یا بررسی ساختار ارتز­های مورد استفاده در اندام تحتانی، نیاز به شناخت آناتومی بدن انسان در قسمت پایین­تنه و درجات آزادی موجود در این قسمت احساس می‌شود. پای انسان در حالت کلی به‌صورت یک سازه با هفت درجه­ آزادی مدل می­ شود ، به این ترتیب که سه درجه­ آزادی در مفصل ران ( لگن)، یک درجه­ آزادی در مفصل زانو و سه درجه­ آزادی در قوزک پا خواهیم داشت. ‏ شكل1-2  صفحات آناتومی بدن انسان را نشان می­دهد و همچنین ‏ شكل1-3  یک مدل ساده‌شده از بدن انسان را در درجات آزادی موجود در هر صفحه، به نمایش می­گذارد. در این جا، به دوران مفاصل در صفحه­ی طولی خمش[1] و کشش[2] اطلاق می­ شود (برای مچ پا الفاظ خمش به عقب[3] و خمش به کف پا[4] به ترتیب به‌جای خمش و کشش استفاده می­ شود). علاوه بر این، حرکت مفصل ران و مچ پا در صفحه­ی عرضی بدن، دور شدن [5] (هنگامی که پا از بدن دور می­ شود) و نزدیکی[6] (هنگامی که پا  به بدن نزدیک می­ شود) نامیده می­شوند. به درجات آزادی باقیمانده برای ران و قوزک پا دوران[7] می­گویند (‏ شكل1-3 ).
4-1- انواع آسیب دیدگی های نخاعی
امکان آسیب نخاع در هر سطحی از طناب نخاعی وجود دارد. احتمال آسیب در دو ناحیه (C6-C7) و (T12-L1)  بیشتر از سایر نواحی طناب نخاعی است که علت آن تحرک زیاد یک قسمت و ثبات (تحرک کمتر) در ناحیه دیگر است. ضایعات ناکامل نخاع در اثر ضربات وارده به طناب نخاعی در ناحیه گردن شیوع بیشتری در مقایسه با قسمت سینه‌ای دارد. سطحی از نخاع که در آن آسیب­دیدگی ایجادشده­است و میزان شدت آسیب­دیدگی، درجات متفاوتی از ناتوانایی­های عصب‌شناختی[1]را ایجاد می­ کند.
آسیب­دیدگی­های نخاعی ممکن است کامل یا ناقص باشد. در آسیب­دیدگی­های نخاعی کامل، نخاع کاملاً قطع می­گردد و توانایی کنترل حرکات ارادی و همچنین احساس در سطوح زیر آسیب­دیدگی کاملاً  از بین­ می­رود. دو نوع اصلی از آسیب­دیدگی­های نخاعی ناقص وجود دارد. در نوع اول تمام اعصاب در یک سطح خاص آسیب می­بینند، اما این امر باعث قطع کامل عملکرد آن‌ ها نمی­ شود. در نوع دیگر بخش­هایی از نخاع کاملاً  آسیب دیده­اند درحالی­که بقیه قسمت ­ها سالم مانده­اند.
هرچه آسیب­دیدگی در سطح بالاتری اتفاق افتد و هرچه شدت آن بیشتر باشد، میزان ازدست­رفتگی احساس و ناتوانی در کنترل حرکت اندام تحتانی بیشتر است. اگر ضایعه نخاعی در سطح گردنی باشد، با توجه به‌شدت آسیب باعث ایجاد ضعف اندام‌ها یا فلج چهار اندام می‌گردد. ضایعه در سطح سینه‌ای یا ناحیه کمری منجر به ضعف اندام‌های تحتانی یا فلج اندام‌های تحتانی می‌شود.آسیب‌های رشته‌های دم‌اسبی، نمای بالینی ویژه‌ای به‌صورت فلج شل دو پا، بی‌اختیاری ادرار و مدفوع و همچنین بی‌حسی نسبت به درد و حرارت در ناحیه زینی[2] ایجاد می‌کنند.
در مورد آسیب­های کامل، سطح آسیب وارده توانایی بیمار برای انجام فعالیت­های مختلف را تحت تأثیر قرار می­دهد. سطح T1  بالاترین سطح آسیب­دیدگی است که در آن فرد توانایی اندام فوقانی خود را کاملاً حفظ می­ کند، اما توان ایستادن و راه رفتن را از دست می­دهد. در آسیب­دیدگی در سطوح T2 تا T5 بیمار دارای اندکی توانایی برای کنترل تنه است و ممکن است با بهره گرفتن از عصا بتواند بایستد. در سطوح T6 تا T12 فرد ممکن است بتواند با بهره گرفتن از عصا برای فواصل کوتاه راه برود. بیماران سطح L2  تمام حرکات تنه و مفصل کمر را دارند، در حالی که بیماران L3  می­توانند زاویه زانو را نیز تغییر دهند. بیماران سطح L4  می­توانند، ساق پا و قوزک را به‌گونه‌ای کنترل کنند که خمش به عقب [3] ایجاد کنند. بیماران سطوح S1 و S2  می­توانند پا را در جهت خمش به کف پا [4] نیز حرکت دهند و مستقلاً بر روی تمام سطوح صاف و ناصاف بدون عصا راه بروند. رشته­های عصبی منشعب شده از نخاع در ‏ شكل1-4  نمایش داده‌شده­است. با مقایسه­ ‏ شكل1-1  و ‏ شكل1-4  می­توان درک بهتری از سطح آسیب­دیدگی در ستون فقرات و ارتباط آن با از دست دادن توانایی کنترل حرکتی و حسی را به دست آورد.
[1]Neurological
[2]Saddle anesthesia
[3]Dorsiflexion
[4]Plantarflexion
[1]Flexion
[2]Extension
[3] dorsiflexion
[4] Plantar flexion
[5]Abduction
[6]Adduction
[7]Rotation
[1] Foramen magnum