تقدم علمي بمجال استخدام أجهزة استشعار ذكية في عمليات استبدال الركبة
إذا خضعت لعملية استبدال مفصل الركبة، تخيّل أنك تُوجّه هاتفك نحو ركبتك وتفتح تطبيقًا يُخبرك بمدى الضغط الذي يتعرض له المفصل الاصطناعي.
إن معرفة الأنشطة التي تُسبب أكبر المشاكل - والتي قد تؤدي إلى جراحة استبدال ثانية - ستكون ذات قيمة بالغة.
وقد اقتربت الأبحاث التي تقودها جامعة بينغهامتون من جعل هذه التقنية واقعًا ملموسًا.
ركبة ذكية
عملت البروفيسورة شهرزاد "شيري" توفيقيان، وهي عضو هيئة تدريس من قسم الهندسة الميكانيكية في كلية توماس جيه واتسون للهندسة والعلوم التطبيقية، على تطوير تقنية "الركبة الذكية" على مدى العقد الماضي.
وفقًا للكلية الأمريكية لأمراض الروماتيزم، يتم إجراء ما يقرب من 800000 عملية استبدال كاملة للركبة كل عام في الولايات المتحدة، ومن المتوقع أن يرتفع هذا العدد بشكل حاد بحلول عام 2030 مع تقدم السكان في السن وازدياد شيوع الإصابات الرياضية.
قال توفيغيان: "من المفترض أن تدوم هذه الغرسات مدى الحياة، لا يرغب المرضى في الخضوع لجراحة تصحيحية، ولكن يعاني واحد من كل خمسة مرضى من ارتخاء أو اختلال في المفصل، نحن بحاجة إلى حل هذه المشكلة، لأنه لا توجد حاليًا أي أجهزة استشعار داخل الغرسة لرصد أي مؤشرات للمشاكل، وعندها يصبح من الصعب إصلاحها. إن القدرة على قياس الأحمال بطريقة غير جراحية باستخدام أجهزة استشعار مدمجة ستُمكّن من الكشف المبكر عن الأحمال غير الطبيعية ووضع استراتيجيات علاجية مناسبة".
سيتم تزويد هذه المستشعرات بالطاقة عن طريق محولات الطاقة الكهروإجهادية والكهروإجهادية، والتي تحول حركات الركبة إلى كميات صغيرة من الطاقة.
تركز الأوراق البحثية المنشورة مؤخراً على أفضل مواد التحويل وتصميمات أجهزة استشعار الحمل القائمة على حصاد الطاقة.
للحصول على أفضل النتائج، يبدو أن الحل الأمثل لزراعة " الركبة الذكية " يكمن في الجمع بين توليد الطاقة الكهروإجهادية (عندما يتلامس جسمان أو ينزلقان على بعضهما البعض) وتوليد الطاقة الكهروضغطية (الذي يعتمد على الاهتزازات والضغط). كما توفر المواد المختلفة نطاقًا واسعًا من حساسية المستشعرات.
قال توفيغيان: "بما أن ناتج جهاز الحصاد يتناسب مع الحمل الذي يتلقاه، فإنه يعمل كمستشعر وجهاز حصاد طاقة في آن واحد، وبما أن أحدث دوائر إدارة الطاقة والاتصالات اللاسلكية يمكنها العمل في نطاق الميكروواط الذي ينتجه جهاز الحصاد، فمن الممكن إنشاء مستشعر حمل ذاتي التغذية".
وقال توفيغيان: "قارنّا نتائجنا بجهاز محاكاة مفصلي من إعداد الأستاذ المشارك رايان ويلينغ، المتعاون معنا في جامعة ويسترن، يحاكي هذا الجهاز درجات الحرية الست في مفصل الركبة. وفيما يتعلق بالأداء، نعتقد أننا وصفناه بدقة، يبقى فقط إحكام غلق الجهاز واختباره على أرجل جثث لضمان التوافق الحيوي ودقة أداء المستشعر".
