ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ της φοιτήτριας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών:

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ της φοιτήτριας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΗΛΙΟΠΟΥΛΟΥ ΒΑΣΙΛΙΚΗΣ Α.Μ. : 5331 Θέμα: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΠΛΑΤΦΟΡΜΕΣ ΟΣΤΕΟΓΕΝΕΣΗΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ : ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΖΕΣ ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ : ΠΑΤΡΑ 2010

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΠΛΑΤΦΟΡΜΕΣ ΟΣΤΕΟΓΕΝΕΣΗΣ της φοιτήτριας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών: ΗΛΙΟΠΟΥΛΟΥ ΒΑΣΙΛΙΚΗΣ (Α.Μ. 5331) παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών στις 13/10/2010. Ο επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Καθηγητής Τζές Αντώνιος Καθηγητής Κούσουλας Νικόλαος

ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ : Τίτλος: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΠΛΑΤΦΟΡΜΕΣ ΟΣΤΕΟΓΕΝΕΣΗΣ Φοιτήτρια: Ηλιοπούλου Βασιλική Επιβλέπων: Τζές Αντώνιος, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η διπλωματική αυτή εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της μεθόδου Ilizarov καθώς και το σχεδιασμό, την κατασκευή και τον έλεγχο ενός ισοδύναμου με ένα βαθμό ελευθερίας του πλαισίου Taylor στοιχείου δράσης, του οποίου η ενεργοποίηση επιτυγχάνεται με τη χρήση έξυπνων υλικών και συγκεκριμένα μεταλλικών κραμάτων με μνήμη της μορφής (SMA). Πρωτεύον μέλημά μας αποτελεί η μελέτη των γενικών χαρακτηριστικών της εξωτερικής σταθεροποίησης και η κατανόηση της μεθόδου Ilizarov με τη χρήση του πλαισίου Taylor (Κεφάλαιο 2). Ακολούθως, κάνουμε λόγο για τους ενεργοποιητές που χρησιμοποιούνται στη διάταξή μας, αναλύοντας εκτενώς τις ιδιότητες των κραμάτων με μνήμη της μορφής και πιο συγκεκριμένα των κραμάτων NiTi (Κεφάλαιο 3). Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα προηγούμενα, είμαστε σε θέση να προχωρήσουμε στην υλοποίηση μίας κατασκευής που προσομοιώνει ένα βαθμό ελευθερίας του πλαισίου Taylor και η οποία ενεργοποιείται από τα παραπάνω έξυπνα υλικά. Πειράματα ανοικτού και κλειστού βρόχου ελέγχου της διάταξης εκτελούνται εν συνεχεία με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή (Κεφάλαιο 4). Τέλος, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και οι προοπτικές της εν λόγω εργασίας (Κεφάλαιο 5). I

Ευχαριστίες Η ολοκλήρωση της παρούσης διπλωματικής εργασίας δεν θα ήταν δυνατή δίχως την ουσιαστική συμβολή συγκεκριμένων ανθρώπων, οι οποίοι με τις γνώσεις και την εμπειρία τους υπήρξαν πολύτιμοι αρωγοί στην προσπάθεια για επίτευξη ενός ευδόκιμου αποτελέσματος. Η ιδέα που κλήθηκα να υλοποιήσω ανήκει στον επιβλέποντα καθηγητή κ. Α. Τζέ, ο οποίος εκτός από τον καθορισμό των γενικών κατευθύνσεων και επιδιώξεων αυτής της εργασίας συνετέλεσε δραστικά και στην ποιοτικότερη ανάλυση και επεξεργασία των παραγομένων αποτελεσμάτων. Πολύ σημαντική ήταν η βοήθεια του λέκτορα κ. Γ. Νικολακόπουλου, ο οποίος συνεισέφερε στην καθοδήγηση της εργασίας, στον καθορισμό ξεκάθαρων στόχων και στη μελέτη της πειραματικής διάταξης. Ένα πολύ μεγάλο ευχαριστώ ανήκει στον κ. Δ. Σκορδή, ο οποίος σχεδίασε την πειραματική διάταξη, κατόπιν δικών μας υποδείξεων. Η δική του συμβολή ήταν ανεκτίμητη για τη διεκπεραίωση της εργασίας. Σπουδαία υπήρξε και η καθοδήγηση του καθηγητή κ. Σ. Μάνεση για την επιλογή του κατάλληλου αισθητήρα. Καταλυτική υπήρξε η συνεισφορά του μεταπτυχιακού φοιτητή Κ. Ανδριανέση, ο οποίος έχοντας ασχοληθεί στο παρελθόν, στα πλαίσια της δικής του διπλωματικής εργασίας, με το παρόν θέμα συνεισέφερε σε όλα τα στάδια κατασκευής και πειραματισμού με τη διάταξη. Η δική του πρότερη εργασία απετέλεσε χρήσιμο οδηγό και βατήρα εκκίνησης των δικών μας προσπαθειών. Αναμφισβήτητη και η συνδρομή του μεταπτυχιακού φοιτητή Ι. Κωβαίου στο κομμάτι των ηλεκτρονικών του πειράματος και συγκεκριμένα στον καθ ολοκληρίαν εκ μέρους του σχεδιασμό και κατασκευή των ενισχυτικών διατάξεων. II

Σημαντικό μερίδιο στο κομμάτι του προγραμματισμού αλλά και στην διεξαγωγή των πειραμάτων φέρουν και οι μεταπτυχιακοί φοιτητές Ε.Ι. Κολυβάς, Κ.Αλέξης και Ε.Κελασίδη. Ευχαριστώ θερμά όλους αυτούς τους ανθρώπους που αφιέρωσαν χρόνο και ενθάρρυναν τις προσπάθειές μου και εύχομαι η εργασία αυτή να αποτελέσει πρόσφορο έδαφος για τη συνέχεια. III

Περιεχόμενα 1.Εισαγωγή...1 1.1 Παρουσίαση στόχων...2 2. Γενικές έννοιες για την εξωτερική σταθεροποίηση (external fixation)...4 2.1 Εισαγωγικά...4 2.2 Ιστορικό υπόβαθρο και κατηγοριοποίηση...4 2.3 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, ενδείξεις και αντενδείξεις...10 2.4 Ο Γαβριήλ Αμπράμοβιτς Ιλιζάροφ...13 2.5 Η μέθοδος Ilizarov...15 2.6 Το πλαίσιο Taylor...19 2.7 Εξοπλισμός...21 3. Shape Memory Alloys (SMA)...27 3.1 Αρχή λειτουργίας των SMA...27 3.2 Ο βρόγχος υστέρησης...29 3.3 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των SMA...30 3.4 Μέθοδοι ενεργοποίησης των SMA...32 3.4.1 Θέρμανση του στοιχείου SMA...32 3.4.2 Ψύξη του στοιχείου SMA...34 3.5 Δύναμη επαναφοράς...34 3.6 Κύκλοι ζωής του υλικού...37 3.8 Κράματα NiTi...37 3.8.1 Διαμόρφωση σχήματος στα κράματα NiTi...39 3.8.2 Επίδραση της σύνθεσης του κράματος NiTi...40 4. Πειραματική διάταξη...41 4.1 Εισαγωγικά...41 4.2 Η πειραματική διάταξη...43 4.2.1 Γενική περιγραφή...43 4.2.2 Τα τμήματα της διάταξης...47 4.2.2.1 Οι SMA ενεργοποιητές...47 4.2.2.3 Τα ελατήρια...53 4.2.2.2 Ο αισθητήρας...54 4.2.2.3 Ο ενισχυτής...59 4.2.2.4 Τα τροφοδοτικά...61 IV

4.2.2.5 Το connector block...63 4.2.3 Προγραμματισμός και έλεγχος της πειραματικής διάταξης...64 5. Συμπεράσματα-Προοπτικές...73 Παράρτημα...76 Βιβλιογραφία...84 V

Κατάλογος εικόνων Εικόνα 2.1 Σταθεροποιητής Malgaigne...5 Εικόνα 2.2.1 Συσκευές σταθεροποίησης (external fixators) a. Lambotte, b. Hoffman- Vidal, c. Ilizarov, d. Kalnberz, e. Volkov-Oganesyan, f. Demianov, g. Tkachenko, h. Gudushauri, i. Sivash...7 Εικόνα 2.2.2 j. Lee, k. Barabash, l. Synthes, m. Biomet, n. OrthoFix, o. Stryker, p. Taylor spatial frame, q. SUV-frame, r. Poli Hex...8 Εικονα 2.3 Ο Γαβριήλ Αμπράμοβιτς Ιλιζάροφ...14 Εικόνα 2.4 Η συσκευή Ilizarov...17 Εικόνα 2.5 Χρήση της μεθόδου Ilizarov για επιμήκυνση οστών...18 Εικόνα 2.6 Το πλαστικό μοντέλο ενός μηριαίου οστού από μία δοκιμή με την καθοδήγηση υπολογιστή...20 Εικόνα 2.7 Ακτινογραφία ενός Taylor Spatial Frame τοποθετημένου σε ένα κνημιαίο οστό με κάταγμα στο επάνω τμήμα του...21 Εικόνα 2.8.1a k. Το καθιερωμένο ολοκληρωμένο σετ εξοπλισμού για τη συσκευή Ilizarov για οστεοσύνθεση...22 Εικόνα 2.8.2a,b. Μοχλοί-πένσες: Voronkevich (a) και συναρμολογημένοι για το τυποποιημένο σετ Ιlizarov (b)...23 Εικόνα 2.8.3a d. Για την εφαρμογή ενός υβριδικού (με σφήνες και σύρματα που καθηλώνουν τα οστά) εξωτερικού σταθεροποιητή, χρησιμοποιούνται σφήνες 4, 5 και 6mm (a), ένα ειδικό μηχανικό κλειδί τύπου T, είτε τυποποιημένο (b) ή συναρμολογημένο από το σετ Ilizarov (c), πολλαπλοί σφιγκτήρες (d)...23 Εικόνα 2.8.4 Το τρυπάνι (1) και η λαβή (4) χρησιμεύουν για την εισαγωγή των σφηνών...24 Εικόνα 2.8.5 Χειρουργικά τρυπάνια...24 Εικόνα 2.8.6 Ένας σφιγκτήρας οστών...25 VI

Εικόνα 2.8.7 Συσκευή που συμβάλλει στην ανάταξη των θραυσμάτων των οστών...25 Εικόνα 2.8.8 Δομή συναρμολογημένη από ένα σφιγκτήρα σφηνών με βαθμονομημένα σύρματα για ακρίβεια της ανάταξης των θραυσμάτων των οστών...25 Εικόνα 2.8.9 Η αποθήκευση και η αποστείρωση του εξοπλισμού απαιτούν ειδικές θήκες...26 Εικόνα 3.1 Παραδείγματα δυνάμεων επαναφοράς σε συστήματα που ενεργοποιούνται από SMA...35 Εικόνα 3.2 Ένας ενεργοποιητής με SMA...36 Εικόνα 4.1 Η πειραματική διάταξη και ο αισθητήρας...41 Εικόνα 4.2 Η πειραματική διάταξη και ο αισθητήρας...42 Εικόνα 4.3 Το πείραμα...42 Εικόνα 4.4 Σχηματικό διάγραμμα της πειραματικής διάταξης...43 Εικόνα 4.5 Κάτοψη σχεδίου...44 Εικόνα 4.6 Πλάγια όψη...44 Εικόνα 4.7 Λεπτομέρεια της κάτοψης...45 Εικόνα 4.8 Διαστάσεις πρώτου μέρους από αλουμίνιο...46 Εικόνα 4.9 Διαστάσεις πρώτου μέρους από αλουμίνιο...46 Εικόνα 4.10 Διαστάσεις δεύτερου μέρους από αλουμίνιο...46 Εικόνα 4.11 Ο ενεργοποιητής ΝΜ70 τεταμένος...49 Εικόνα 4.12 Ο ενεργοποιητής ΝΜ70 τεταμένος...49 Εικόνα 4.13 Ο ενεργοποιητής ΝΜ70 συμπιεσμένος...50 Εικόνα 4.14 Ο ενεργοποιητής ΝΜ70 συμπιεσμένος...50 Εικόνα 4.15 Κύκλωμα ενίσχυσης...51 Εικόνα 4.16 Κύρια μέρη επαγωγικού αισθητήρα προσέγγισης...55 VII

Εικόνα 4.17 Ο αισθητήρας DW-AD-509-M18-390 της Contrinex...55 Εικόνα 4.18 Το μηχανολογικό σχέδιο του εν λόγω αισθητήρα...56 Εικόνα 4.19 Κυκλωματικό διάγραμμα αισθητήρα...58 Εικόνα 4.20 Κυκλωματικό μοντέλο ενισχυτή διαγωγιμότητας...59 Εικόνα 4.21 Ο ενισχυτής διαγωγιμότητας με πηγή σήματος στην είσοδο και φορτίο...59 Εικόνα 4.22 Κυκλωματικό διάγραμμα ενισχυτή...60 Εικόνα 4.23 PCB Layout ενισχυτή...60 Εικόνα 4.24 Ο ενισχυτής...61 Εικόνα 4.25 Το τροφοδοτικό για τον αισθητήρα...62 Εικόνα 4.26 Ενισχυτής και τροφοδοτικό...62 Εικόνα 4.27 Το connector block...63 Εικόνα 4.28 Σχηματικό διάγραμμα κλειστού βρόγχου...66 Εικόνα Π1. Επεξηγηματικό σχέδιο παράθεσης των μερών του κώδικα του one_taylor.vi και του one_taylor_new.vi...76 Εικόνα Π2. Block diagram one_taylor.vi (Μέρος 1ο )...77 Εικόνα Π3. Block diagram one_taylor.vi (Μέρος 2ο )...78 Εικόνα Π4. Block diagram one_taylor.vi (Μέρος 3ο )...79 Εικόνα Π5. Block diagram one_taylor_new.vi (Μέρος 1ο )...80 Εικόνα Π6. Block diagram one_taylor_new.vi (Μέρος 2ο )...81 Εικόνα Π7. Block diagram one_taylor_new.vi (Μέρος 3ο )...82 VIII

Κατάλογος σχημάτων Σχήμα 3.1 Η κρυσταλλική δομή των SMA σε διαφορετικές φάσεις...28 Σχήμα 3.2 Η κρυσταλλική δομή των SMA στις διαφορετικές φάσεις σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και το εξωτερικό φορτίο...29 Σχήμα 3.3 Συμπεριφορά ενός σύρματος SMA σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία...30 IX

Κατάλογος πινάκων Πίνακας 2.1 Βασικοί τύποι συσκευών external fixation...9 Πίνακας 3.1 Συγκριτικός πίνακας φυσικών ιδιοτήτων διαφόρων SMA...39 Πίνακας 4.1 Οι φυσικές διαστάσεις του SMA ενεργοποιητή ΝΜ70 και κάποιες προδιαγραφές του...48 Πίνακας 4.2 Μετρήσεις του stroke του ενεργοποιητή με το κύκλωμα ενίσχυσης...52 Πίνακας 4.3 Χαρακτηριστικά ελατηρίων...54 Πίνακας 4.4 Τεχνικά χαρακτηριστικά του αισθητήρα DW-AD-509-M18-390 της Contrinex...57 X

Κατάλογος διαγραμμάτων Διάγραμμα 4.1 Το stroke του SMA ενεργοποιητή σε συνάρτηση με την τάση εισόδου του κυκλώματος ενίσχυσης...52 Διάγραμμα 4.2 Η απόκριση του αισθητήρα...58 Διάγραμμα 4.3 Το διάγραμμα απόκρισης του ενεργοποιητή με τις πραγματικές μετρήσεις και η προσέγγισή τους με την παραβολή...65 Διάγραμμα 4.4 Η απόκριση του συστήματος για επιθυμητό stroke 2mm...67 Διάγραμμα 4.5 Η απόκριση του συστήματος για επιθυμητό stroke 3mm...68 Διάγραμμα 4.6 Η απόκριση του συστήματος για επιθυμητό stroke 4mm...68 Διάγραμμα 4.7 Η απόκριση του συστήματος για επιθυμητό stroke 5mm...69 Διάγραμμα 4.8 Η απόκριση του συστήματος για επιθυμητό stroke 2mm με το feedforward έλεγχο...70 Διάγραμμα 4.9 Η απόκριση του συστήματος για επιθυμητό stroke 3mm με το feedforward έλεγχο...71 Διάγραμμα 4.10 Η απόκριση του συστήματος για επιθυμητό stroke 4mm με το feedforward έλεγχο...71 Διάγραμμα 4.11 Η απόκριση του συστήματος για επιθυμητό stroke 5mm με το feedforward έλεγχο...72 XI

1. Εισαγωγή Στις μέρες μας, η ρομποτική χειρουργική αναγνωρίζεται ευρέως ως τεράστια πρόκληση για τη ρομποτική έρευνα. Ο τομέας αυτός ελκύει το ενδιαφέρον πολλών ερευνητικών ομάδων ανά τον κόσμο και ήδη έχουν επιτευχθεί εντυπωσιακά αποτελέσματα, από τεχνολογικής απόψεως. Η διατατική οστεογένεση (μέθοδος Ilizarov) αποτελεί μια επαναστατική μέθοδο επιμήκυνσης των οστών και βασίζεται στις αρχές που εφάρμοσε ο Ρώσος καθηγητής και ακαδημαϊκός Gavriil Abramovich Ilizarov, εμπνευστής και δημιουργός της μεθόδου και της συσκευής που φέρει το όνομά του και διαμόρφωσε μια νέα εποχή στην ορθοπεδική χειρουργική. Για να σχεδιαστεί επομένως μία κατασκευή, που θα είναι ισοδύναμη με μία πλατφόρμα Ilizarov, είναι απαραίτητη η μελέτη και η κατανόηση της συγκεκριμένης μεθόδου. Ένα από τα βασικότερα προβλήματα στην ανάπτυξη των συσκευών Ilizarov είναι, πέρα από το μεγάλο βάρος και τον όγκο τους, που ταλαιπωρούν τον ασθενή, και οι περιορισμένες δυνατότητες των κλασσικών τρόπων ενεργοποίησης (DC κινητήρες, υδραυλικοί, πνευματικοί ενεργοποιητές). Μάλιστα, η πιο συνηθισμένη μέθοδος ενεργοποίησής τους, οι DC κινητήρες, συντελούν σημαντικά στην αύξηση του βάρους και του όγκου της συσκευής. Γι αυτόν τον λόγο, οι επιστήμονες έχουν στρέψει τελευταία την προσοχή τους στη χρήση νέας γενιάς μικρών, μεγάλης δύναμης, βιομιμητικών, τεχνητών μυϊκών ενεργοποιητών από έξυπνα υλικά. Η χρήση τέτοιων προηγμένων ενεργοποιητών βασισμένων στα έξυπνα υλικά μπορεί πράγματι να συμβάλλει ουσιαστικά στην ανάπτυξη πρωτοποριακών ρομποτικών συστημάτων για τη χειρουργική και δη συσκευών Ilizarov. 1

1.1 Παρουσίαση στόχων Σκοπός της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη της πρωταρχικής βάσης μιας πλατφόρμας Ilizarov βασισμένη στα έξυπνα υλικά. Αυτός ο σκοπός πραγματοποιείται μέσω της κατασκευής και του ελέγχου ενός μόνο βαθμού ελευθερίας του πλαισίου Taylor, που αποτελεί την πλέον συνηθισμένη συσκευή Ilizarov. Λόγω του μικρού μεγέθους των ενεργοποιητών και των σχετικά μικρών δυνάμεων που παράγουν, η κατασκευή έχει περιορισμένες διαστάσεις, τέτοιες ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα ανθρώπινο δάχτυλο. Ως ενεργοποιητές για τη διάταξη αυτή επιλέγονται μια κατηγορία έξυπνων υλικών γνωστά ως μεταλλικά κράματα με μνήμη της μορφής SMA. Τα SMA είναι από τα λίγα έξυπνα υλικά που, στον παρόντα χρόνο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις εφαρμογές που απαιτούν μικρό μέγεθος και μεγάλες δυνάμεις από τους ενεργοποιητές. Έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί εκτεταμένα σε έναν τεράστιο αριθμό εφαρμογών της ρομποτικής και της ιατρικής. Η αυξανόμενη ζήτησή τους άλλωστε, στην αμερικανική κυρίως αγορά, αποδεικνύει το εύρος της χρήσης τους. Τα SMA ανήκουν σε μια κατηγορία μεταλλικών κραμάτων που επιδεικνύουν την ικανότητα να επιστρέφουν σε ένα προκαθορισμένο σχήμα ή μέγεθος όταν υπόκεινται σε θέρμανση. Αυτή η ιδιότητα επιτρέπει σε έναν SMA αγωγό να θερμαίνεται και να ψύχεται κατ επανάληψη για να παράσχει το απαραίτητο ποσό δύναμης. Θέρμανση και συνεπώς ενεργοποίηση ενός SMA αγωγού επιτυγχάνεται εύκολα με την εφαρμογή μιας πτώσης τάσης κατά μήκος του αγωγού αναγκάζοντας το ηλεκτρικό ρεύμα να διατρέξει το υλικό, με αποτέλεσμα τη θέρμαν.ση Joule. Η ευκολία της ενεργοποίησης δεν είναι το μόνο πλεονέκτημα των SMA ενεργοποιητών. Άλλα πλεονεκτήματα είναι το απίστευτα μικρό μέγεθος και βάρος τους, η υψηλή αναλογία παραγόμενης δύναμης-βάρους, το χαμηλό κόστος και η αθόρυβη λειτουργία τους. Εκμεταλλευόμενοι τα χαρακτηριστικά αυτά των SMA ενεργοποιητών επιχειρούμε να κατασκευάσουμε μία διάταξη ικανή να προσομοιώσει έναν από τους έξι βαθμούς ελευθερίας του πλαισίου Taylor. 2

3

2. Γενικές έννοιες για την εξωτερική σταθεροποίηση (external fixation) 2.1 Εισαγωγικά Η εξωτερική σταθεροποίηση (external fixation) είναι μία μέθοδος για τη θεραπεία τραυμάτων των οστών και των αρθρώσεων καθώς και για τη διόρθωση σκελετικών παραμορφώσεων, σύμφωνα με την οποία προσαρμόζονται οστά σε μία εξωτερική συσκευή, που σταθεροποιεί το τραυματισμένο άκρο. Επιπλέον, επιτρέπει χειρισμούς των τμημάτων του άκρου, ώστε να επιτευχθεί αποκατάσταση του μήκους και της ευθυγράμμισής του. Ένα συνώνυμο για την εξωτερική σταθεροποίηση (external fixation) είναι «εξωτερική οστεοσύνθεση» (external osteosynthesis). Αντιθέτως, η εσωτερική οστεοσύνθεση χρησιμοποιεί συσκευές, οι οποίες εμφυτεύονται κάτω από το δέρμα και τον μυ. Γύψοι, νάρθηκες, εξωτερικοί συσφιγκτήρες και ορθωτικές συσκευές δεν θεωρούνται εξωτερικοί σταθεροποιητές (external fixators). Οι όροι «οστεοσύνθεση συμπίεσης» και «οστεοσύνθεση διάτασης» δεν είναι συνώνυμοι με την έννοια external fixation. Αυτές οι έννοιες μπορούν να εφαρμοστούν είτε σε εσωτερική (internal) είτε σε εξωτερική (external) οστεοσύνθεση, καθώς επίσης είτε ξεχωριστά είτε σε συνδυασμό. Για παράδειγμα, ένας εξωτερικός σταθεροποιητής (external fixator) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εφαρμόσει συμπίεση και διάταση ταυτόχρονα. 2.2 Ιστορικό υπόβαθρο και κατηγοριοποίηση Ο πρώτος εξωτερικός σταθεροποιητής περιγράφηκε από τον Αμερικανό J. Emsberry το 1831. Το 1843, ο γάλλος γιατρός Malgaigne εισήγαγε μια συσκευή 4

για την θεραπεία καταγμάτων της επιγονατίδας και του ωλέκρανου (Εικόνα 2.1), η οποία είναι γνωστή ως σταθεροποιητής Malgaigne (Malgaigne fixator). Εικόνα 2.1 Σταθεροποιητής Malgaigne Η πρακτική χρήση του external fixator έγινε δημοφιλής από τους Βέλγους χειρουργούς Clayton Parkhill (1898) και Albin Lambotte (1902). Κατά τις δεκαετίες 1930, 1940, and 1950 άλλοι χειρουργοί όπως οι Roger Anderson, Raul Hoffman, Robert και Jean Judet, καθώς και ο Jacques Vidal συνέχισαν την ανάπτυξη τέτοιων συσκευών με τη βελτίωση του σχεδιασμού τους. Στην πρών Σοβιετική Ένωση, υπήρξε μία περίοδος 30 ετών εντατικής έρευνας και εξέλιξης, ξεκινώντας από την δεκαετία του 1950, χάρη στις προσπάθειες των G.A. Ilizarov, K. Sivash, O. Gudushauri, V. Kalnberz, M. Volkov, O. Oganesyan, V. Demianov και S. Tkachenko. Διάφοροι τύποι τέτοιων συσκευών external fixation φαίνονται στην Εικόνα 2.2. Σήμερα, πάνω από 1,000 συσκευές external fixation είναι διαθέσιμες στην αγορά των ορθοπεδικών. Όλες οι συσκευές αυτές έχουν σχεδόν παρόμοια εξαρτήματα και μπορούν να διαχωριστούν σε έξι τύπους (Πίνακας 2.1). Οι τύποι I και II είναι μονοεπίπεδοι. Όλοι οι άλλοι τύποι είναι πολυεπίπεδοι. Τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά τους είναι σημαντικά για να προσδιοριστούν τα εμβιομηχανικά και τα κλινικά χαρακτηριστικά τους αλλά και η απόδοσή τους. Οι κατασκευές που αναφέρονται ως κυκλικές συσκευές (τύπος V) αποτελούν τα συνήθη μέλη της ομάδας των external fixators. Στην πλειονότητα των κλινικών περιπτώσεων, χρησιμοποιούνται υβριδικές κατασκευές με εξωτερικά 5

υποστηρίγματα, που μπορεί να είναι είτε τομείς κύκλου είτε ημικύκλια είτε κύκλοι. Οι τεχνικές external fixation μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Εισαγωγή μεταλλικών στοιχείων που διαπερνούν τα οστά για την θεραπεία τραυμάτων του οστού (κάταγμα, απουσία ένωσης) αλλά και των μαλακών ιστών. Εμβιομηχανική πάθηση μεταξύ τμημάτων των οστών (ουδέτερη, συμπίεσης, διάτασης) Ζώνες μηχανικής επιρροής σε τμήματα του οστού (σε μία, δύο ή πολλές περιοχές) Ποσότητα και ποιότητα των ζωνών 6

Εικόνα 2.2.1 Συσκευές σταθεροποίησης (external fixators) a. Lambotte, b. Hoffman-Vidal, c. Ilizarov, d. Kalnberz, e. Volkov-Oganesyan, f. Demianov, g. Tkachenko, h. Gudushauri, i. Sivash 7

Εικόνα 2.2.2 j. Lee, k. Barabash, l. Synthes, m. Biomet, n. OrthoFix, o. Stryker, p. Taylor spatial frame, q. SUV-frame, r. Poli Hex 8

Πίνακας 2.1 Βασικοί τύποι συσκευών external fixation Κατόπιν αξιολόγησης όλων των διαθέσιμων external fixation συσκευών, προκύπτει το συμπέρασμα πως η συσκευή του G.A. Ilizarov (Gavriil Abramovich 9

Ilizarov) είναι η πιο ολοκληρωμένη. Αν και το σύνολο των εξαρτημάτων της φαίνεται πολύ περίπλοκο με την πρώτη ματιά, η συσκευή αυτή καθιστά δυνατή τη συναρμολόγηση οποιουδήποτε τύπου από τις συσκευές για οστεοσύνθεση που παρουσιάστηκαν παραπάνω. Επιπλέον, επιτρέπει την εφαρμογή οποιασδήποτε μεθόδου οστεοσύνθεσης είτε κατ αποκλειστικότητα είτε σε συνδυασμό, ταυτόχρονα στο ίδιο άκρο. Λόγω αυτής της προσαρμοστικότητας και της πολλαπλότητας των εφαρμογών της, θα γίνεται από εδώ και πέρα αναφορά μόνο σε αυτήν. 2.3 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, ενδείξεις και αντενδείξεις Κάθε μέθοδος οστεοσύνθεσης έχει τα δικά της ξεχωριστά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Γενικά, η external fixation έχει πολλά πλεονεκτήματα για την θεραπεία ορθοπεδικών προβλημάτων, όπως: 1. Ελάχιστη πρόκληση ρήξης των μαλακών ιστών στην περιοχή του τραύματος ή του κατάγματος καθώς και διατήρηση της παροχής αίματος. Αυτό είναι πολύ σημαντικό, καθώς τα τοπικά αγγεία αποτελούν καθοριστικό παράγοντα στην αναγέννηση και τη θρέψη των οστών. 2. Παροχή σταθερότητας έξω από την ζώνη του τραυματισμού. 3. Δυνατότητα για επανατοποθέτηση των τμημάτων των οστών. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί και στα τρία επίπεδα ταυτόχρονα. 4. Διευκόλυνση ώστε το τραυματισμένο άκρο να επιστρέψει γρηγορότερα στην κανονική λειτουργία του. 5. Ποικιλία χρήσεων για τη θεραπεία παθολογικών και τραυματικών ορθοπεδικών ασθενειών. Η προσαρμοστικότητα της συσκευής προσφέρει πρακτικά απεριόριστες δυνατότητες και προοπτικές. 6. Δυνατότητα ρυθμίσεων και προσαρμογής της συσκευής βασισμένες στην ατομική κλινική και ακτινογραφική πρόοδο του εκάστοτε ασθενούς. Τέτοιες 10

ρυθμίσεις μπορούν να διεξαχθούν επ άπειρον για την θεραπεία διαφόρων ορθοπεδικών περιπτώσεων. 7. Η μοναδική ευκαιρία να μελετηθούν και τα κλινικά και τα βασικά επιστημονικά θέματα που αφορούν την αναγέννηση οστών και μαλακών ιστών. Τα κυριότερα μειονεκτήματα της external fixation είναι: 1. Η σχετική πολυπλοκότητα της χρήσης external fixation συσκευών, κυρίως αυτών που ανήκουν στους τύπους IV VI. 2. Η συνεχής παρακολούθηση της συσκευής, που περιλαμβάνει πιθανότητες αποτυχίας του hardware. Επιπλέον, η μόνιμη απειλή φλεγμονής και μόλυνσης στα σημεία που εισάγονται τα σύρματα καθ όλη τη διάρκεια της εφαρμογής και της χρήσης του πλαισίου. 3. Το συνήθως μεγάλο μέγεθος της external fixation συσκευής, το οποίο μπορεί να είναι αισθητικά δυσάρεστο στον ασθενή και που συχνά απαιτεί συγκεκριμένα ρούχα για να καλυφθεί η συσκευή. 4. Η ανεκτικότητα και η συμμόρφωση του ασθενούς αποτελούν το μεγαλύτερο ζήτημα, καθώς ένας απείθαρχος ασθενής, που δεν εκτελεί τις απαιτούμενες ρυθμίσεις ή κάποιος τρίτος, που τις διεξάγει με λανθασμένο τρόπο, κάνουν τη θεραπεία προβληματική. Μέχρι τώρα, οι βασικές ενδείξεις για τη χρήση external fixators περιλαμβάνουν: 1. Κατάγματα και εξαρθρώσεις, συνοδευόμενα από φθορά μαλακών ιστών. 2. Τραύματα που διατρυπούν τις αρθρώσεις, συμπεριλαμβανομένων τραυμάτων από πυροβολισμό. 3. Γρήγορη σταθεροποίηση των καταγμάτων σε αιμοδυναμικά ασταθείς ασθενείς, συμπεριλαμβανομένων ασθενών με πολλαπλά κατάγματα ή πολλαπλά τραύματα. 4. Κατάγματα με εκτεταμένη ζημιά. 11

5. Καταστάσεις όπου η χρήση εσωτερικής οστεοσύνθεσης αντενδείκνυται σε κάποιον ασθενή, συμπεριλαμβανομένης της παρουσίας οξείας ή χρόνιας οστεϊκής μόλυνσης. 6. (Μολυσμένες) παραμορφώσεις, ελαττωματικές ενώσεις των οστών και ατέλειες των οστών ή μαλακών ιστών. 7. (Μολυσμένες) εκ γενετής παραμορφώσεις και εκτομές οστών λόγω παθολογικών καταστάσεων. 8. Αισθητική χειρουργική συμπεριλαμβανομένων διαφορών μήκους των άκρων, δυσμορφιών και πλημμελών ευθυγραμμίσεων των οστών. 9. Στην παθολογία των αρθρώσεων (δυσμορφίες, εξαρθρώσεις, δυσπλασίες ή εκφυλιστικές νόσοι). 10. Εγχειρήσεις αποκατάστασης: επιμήκυνση ακρωτηριασμένου μέλους, διόρθωση παραμορφώσεων των χεριών και των ποδιών, αρθρόδεση (συμπεριλαμβανομένης και της αρθρόδεσης επιμήκυνσης). 11. Η external fixation είναι ακόμα ιδιαίτερα χρήσιμη σε ασθενείς με χρόνια ισχαιμική αγγειακή πάθηση, όπως ο διαβήτης, η ενδαρτηρίτιδα και άλλες, όπου απαιτείται οστεογένεση διάτασης. 12. Ανάπτυξη (μέσω επιμήκυνσης) μαλακών ιστών: δέρμα, μύες, τένοντες, αγγεία, νεύρα. 13. Δευτερεύουσες εφαρμογές, όπως η απαλοιφή ενός διαστρέμματος πριν από αρθροπλασία άρθρωσης. Μερικές από τις κυριότερες αντενδείξεις για την εφαρμογή external fixation συσκευών είναι: 1. Έλλειψη εξοικείωσης του χειρουργού με τη χρήση και τη μηχανική της external fixation μεθόδου, ειδικά με την οστεογένεση διάτασης. 2. Έλλειψη δυνατότητας για συνεχή παρακολούθηση του ασθενούς καθ όλη τη διάρκεια της θεραπείας. 3. Έλλειψη δυνατότητας παρακολούθησης της επούλωσης του ασθενούς μετεγχειρητικά εξαιτίας κοινωνικών θεμάτων ή συμμόρφωσης του ασθενούς 12

λόγω διαφόρων παραγόντων. Αυτοί οι παράγοντες μπορεί να οφείλονται στην ηλικία του, σε ψυχολογικούς και συναισθηματικούς λόγους ή στην κατάχρηση αλκοόλ ή ναρκωτικών ουσιών, οι οποίοι αποπροσανατολίζουν την κρίση του ασθενούς όσον αφορά την φροντίδα και τη διαχείρηση ενός external fixator. 4. Μεγάλη αιμοδυναμική αστάθεια, η οποία θα έθετε σε κίνδυνο την εξέλιξη του ασθενούς. 5. Εκτεταμένη μόλυνση μαλακών ιστών, τοποθέτηση των συρμάτων και των καρφιών του external fixator, τέτοιας ώστε ο ασθενής να βρισκόταν σε αυξημένο κίνδυνο μόλυνσης. 6. Ασθενείς που είναι θετικοί στον ιό HIV, οι οποίοι θα μπορούσαν αλλιώς να ωφεληθούν από μη εγχειρητική θεραπεία των καταγμάτων. 7. Περιπτώσεις όπου η χρήση external fixation δεν έχει ξεκάθαρα πλεονεκτήματα σε σχέση με πιο συντηρητικές θεραπείες. 2.4 Ο Γαβριήλ Αμπράμοβιτς Ιλιζάροφ Ο Γαβριήλ Αμπράμοβιτς Ιλιζάροφ (Gavriil Abramovich Ilizarov, στα ρώσικα Гавриил Абрамович Илизаров, 15 June 1921 24 July 1992) ήταν ένας Σοβιετικός γιατρός. Έγινε γνωστός για την εφεύρεσή του, τη συσκευή Ilizarov (Ilizarov apparatus), που χρησιμοποιείται για την επιμήκυνση οστών των άκρων καθώς και για τη χειρουργική μέθοδο που φέρει το όνομά του. Κέρδισε το βραβείο Λένιν (Lenin Prize) το 1979 και ήταν μέλος της Ρώσικης Ακαδημίας Επιστημών (Russian Academy of Sciences). Ο Ιλιζάροφ γεννήθηκε στην πόλη Belovezh (τώρα Belovezha στη Brest Voblast, Λευκορωσία) σε μία Εβραϊκή οικογένεια από το Dagestan. Σύντομα μετά την γέννησή του, η οικογένειά του μετακόμισε στο Kusar (Αζερμπαϊτζάν), όπου μεγάλωσε. Αποφοίτησε από το Derbent Medical Rabfac (ένα εκπαιδευτικο ίδρυμα, το οποίο ετοίμαζε εργάτες και χωρικούς για την ανώτερη εκπαίδευση), στη συνέχεια από την ιατρική σχολή της Κριμαίας. Το 1944 στάλθηκε σε ένα αγροτικό νοσοκομείο στο Kurgan Oblast στη Σιβηρία. 13

Ειδικεύτηκε στην ορθοπεδική χειρουργική και κατά τη διάρκεια της ειδικότητας του ανέπτυξε ένα «εξωτερικό σταθεροποιητικό σύστημα» ("external fixator system"). Το 1961 δημιούργησε το κέντρο αποκαταστατικής χειρουργικής και ορθοπεδικής στο Kurgan (the Kurgan Center of the Restorational Surgery and Orthopedy). Ήταν επικεφαλής αυτού του κέντρου μέχρι το 1991. Φημολογείται πως εξελίχθηκε στο μεγαλύτερο ορθοπεδικό κέντρο στον κόσμο. Εικονα 2.3 Ο Γαβριήλ Αμπράμοβιτς Ιλιζάροφ Χάρη σε συμπτώσεις και σε πειραματα σε ζώα κατά τη διάρκεια της παραμονής του στη Σιβηρία, ανακάλυψε ότι ο καλύτερος τρόπος για να θεραπευθεί ένα σπασμένο κόκαλο δεν είναι να ακινητοποιηθεί με τη χρήση γύψου και με την αποφυγή της άσκησης βάρους πάνω του, όπως πίστευαν ως τότε, αλλά βρήκε ότι η βιολογική άσκηση δύναμης σε ένα σπασμένο άκρο από το περπάτημα ή από το τέντωμα προκαλεί ένα φαινόμενο σαν το τραμπολίνο (διάταση και συμπίεση), που κάνει τα κύτταρα να μεγαλώνουν και να θεραπεύονται γρηγορότερα. Αντί να εγχειρεί εκεί όπου υπήρχε ένα κάταγμα και αντί να τοποθετεί σφήνες και λαμαρίνες για να σπρώξει τα οστά ώστε να ξαναενωθούν, η φιλοσοφία του Ιλιζάροφ ήταν να εγχειρεί εκεί όπου το οστό ήταν υγιές και να το διαχωρίζει. Για πολλά χρόνια ο ιατρικός κόσμος πίστευε πως η ανάπτυξη των οστών σταματούσε με την έλευση της εφηβείας. Ο Ιλιζάροφ 14

βρήκε πώς κάθε μέρος του σώματος έχει την εγγενή ικανότητα να μεγαλώνει και να δημιουργεί νέες επιφάνειες για ανάπτυξη. Για την ακρίβεια, όταν ένα οστό κοπεί σε ένα υγιές σημείο, χωρίς όμως να πειραχτεί το περιόστεο γύρω από αυτό, και απομακρυνθούν ελάχιστα τα δύο μισά του οστού, το σώμα έχει τη δυνατότητα να αναπτύξει νέο οστεϊκό ιστό και να γεμίσει το μεταξύ τους κενό. Με τη βοήθεια αυξητικών ορμονών, τα εμβρυϊκά κύτταρα υποβοηθούνται ώστε να φτιάξουν το απαραίτητο δέρμα, τους καινούριους μύες, τένοντες, τις νέες φλέβες, αρτηρίες και τα καινούρια νεύρα. Το νέο οστό είναι τόσο γερό, όσο και το αρχικό οστό που σχηματίζεται στα παιδιά. Επιπλέον, ανακάλυψε ότι το οστό αναγεννάται με ένα αρκετά ομοιόμορφο ρυθμό από άνθρωπο σε άνθρωπο και από περιστατικό σε περιστατικό. Αυτά τα πειράματα οδήγησαν στο σχεδιασμό αυτού που σήμερα είναι γνωστό ως συσκευή Ilizarov (Ilizarov apparatus), η οποία σταθεροποιεί το οστό στη θέση του, με την χρήση ενός πλαισίου και καρφιών που διαπερνούν το οστό και συγκρατεί τα δύο μισά σε μια μηδαμινή απόσταση. Με την επανάληψη αυτής της διαδικασίας με το ρυθμό αναγέννησης του οστού για ένα χρονικό διάστημα, είναι δυνατό να επιμηκυνθεί το οστό κατά ένα επιθυμητό ποσοστό. Λέγεται ότι ο Ιλιζάροφ εμπνεύστηκε την εγχείρηση και την πρώτη συσκευή από ένα μηχανισμό που φορούσαν στα άλογα για να τα τιθασεύουν. Επιπλέον, όταν βρισκόταν το 1944-1945 στη Σιβηρία, λόγω έλλειψης διαθέσιμων μέσων και κατάλληλου εξοπλισμού, χρησιμοποίησε ακτίνες ποδηλάτων και σύρματα από ένα κοντινό εργοστάσιο,για να κατασκευάσει το πρώτο πλαίσιο και να θεραπεύσει τα σπασμένα ή ακρωτηριασμένα άκρα των ασθενών του. Η μέθοδος αυτή παρουσιάστηκε στο δυτικό κόσμο από τον καθηγητή A. Bianchi-Maiocchi. 2.5 Η μέθοδος Ilizarov Η μέθοδος Ilizarov είναι μία τεχνική που έχει ως αποτέλεσμα την επιτυχή αντιμετώπιση πολύπλοκων οστικών κακώσεων υψηλής κινητικής ενέργειας που 15

άλλοτε οδηγούσαν σε ακρωτηριασμό. Συγκεκριμένα, η μέθοδος αυτή μπορεί να εφαρμοστεί στις εξής περιπτώσεις: συγγενείς σκελετικές ανωμαλίες, π.χ. νανισμός, συστηματικές σκελετικές νόσοι, ανισοσκελίες συγγενείς και επίκτητες, αντιμετώπιση οστικών ελλειμμάτων μετά από αφαίρεση όγκων, περίπλοκα κατάγματα, ιδιαίτερα τα περιαρθρικά, παραμορφώσεις οστών και δυσκαμψίες αρθρώσεων, οστεομυελίτιδα, επιμήκυνση οστών και επιμήκυνση ακρωτηριασμένων μελών. Η σύλληψη της μεθόδου έγκειται στην έννοια της διατατικής ιστογένεσης, η οποία προϋποθέτει πως βαθμιαία και ελεγχόμενη διάταση των οστών συνεπάγεται παραγωγή νέας οστικής μάζας. Όταν εφαρμόζεται μια δύναμη διάτασης, οι ίνες των ιστών και τα κύτταρα προσανατολίζονται στην ίδια διεύθυνση με αυτή του διανύσματος διάτασης. Η διαδικασία αυτή θεωρείται πως μιμείται την φυσιολογική ανάπτυξη των οστών. Βέβαια, απαιτούνται ορισμένες προϋποθέσεις για τη βέλτιστη αναγέννηση του οστού. Μια πολύ γερή σταθεροποίηση κρίνεται απαραίτητη και αυτή επιτυγχάνεται με τη συσκευή Ilizarov. Επιπλέον, ο ρυθμός της διάτασης είναι πολύ σημαντικός. Ο μέγιστος ρυθμός στον οποίο μπορεί το σώμα να ανακατασκευάσει νέο ιστό είναι 0.25mm τέσσερις φορές την ημέρα, δηλαδή συνολικά 1mm την ημέρα. Η συσκευή Ilizarov αποτελείται από σύρματα, μπουλόνια, μεταλλικούς δακτυλίους, νηματοειδείς ράβδους, στρόφιγγες και ενισχυτικά μεταλλικά ελάσματα. Όλα τα παραπάνω εξαρτήματα επιτρέπουν την δημιουργία περισσότερων από 800 διαφορετικών διατάξεων. Η συσκευή από μηχανικής άποψης είναι δύσκαμπτη για κάμψη (λύγισμα) και για στρέψη, αλλά είναι λιγότερο δύσκαμπτη για αξονική επιβάρυνση, η οποία θεωρείται ότι βοηθάει την οστεογένεση. 16

Εικόνα 2.4 Η συσκευή Ilizarov Ο προεγχειρητικός σχεδιασμός είναι πολύ βασικός για να εφαρμοστεί με επιτυχία η μέθοδος Ilizarov. Η επέμβαση αποτελείται από μία αρχική εγχείρηση, κατά τη διάρκεια της οποίας προκαλείται χειρουργικά κάταγμα στο οστό και προσαρμόζεται η συσκευή Ilizarov. Πρέπει να δοθεί προσοχή κατά την εισαγωγή των συρμάτων, προκειμένου να μην προκληθούν ζημιές σε ζωτικά νεύρα και αιμοφόρα αγγεία. Επίσης, πρέπει να προσαρμοστεί πολύ προσεκτικά το δέρμα, έτσι ώστε να μην υπάρξει τάνυση στη διεπιφάνεια δέρματος και σύρματος. Στη συνέχεια σταθεροποιούνται τα σύρματα και εφαρμόζεται τάνυση στα μεταλλικά δαχτυλίδια, τα οποία συνδέονται με τις νηματοειδείς ράβδους. Καθώς το οστό αναπτύσσεται, το πλαίσιο ρυθμίζεται περιστρέφοντας τα παξιμάδια στις σφήνες, αυξάνοντας με αυτόν τον τρόπο το διάστημα ανάμεσα στα δύο δαχτυλίδια. Το πλαίσιο Ilizarov μπορεί να κατασκευαστεί με τέτοιο τρόπο, ώστε να επιτρέπει την κατάλληλη διόρθωση σε οποιαδήποτε παραμόρφωση ή επιμήκυνση. 17

Σε περιπτώσεις επιμήκυνσης άκρου, το νέο οστό θα ξεκινήσει να φαίνεται μέσα σε τρεις ή τέσσερις εβδομάδες, από την εκκίνηση της διαδικασίας της διάτασης. Όταν θα έχει επιτευχθεί το επιθυμητό μήκος ή όταν θα έχει διορθωθεί η γωνιακή παραμόρφωση, η συσκευή θα πρέπει να παραμείνει στη θέση της μέχρι να ολοκληρωθεί η φάση της ενοποίησης του οστού. Το πλαίσιο Ilizarov μπορεί να αντέξει όλο το βάρος του ασθενούς, ο οποίος αρχικά μπορεί να χρησιμοποιήσει πατερίτσες, ενώ ο πόνος μειώνεται σταδιακά. Με την ολοκλήρωση της θεραπείας, μία δεύτερη εγχείρηση είναι απαραίτητη, για να αφαιρεθεί η συσκευή. Εικόνα 2.5 Χρήση της μεθόδου Ilizarov για επιμήκυνση οστών Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η μέθοδος Ilizarov χρησιμοποιείται για να διορθώσει παραμορφώσεις των οστών με τη βοήθεια ενός ρυθμιζόμενου πλαισίου για να πραγματοποιηθεί ταυτόχρονα ευθυγράμμιση και διάταση των οστών σε μία οpen-wedge οστεοτομή. Συνήθως τέτοιες fixation-based εγχειρήσεις απαιτούν σχεδιασμό και καθοδήγηση μέσω υπολογιστή. Αυτή η πρακτική μέσω υπολογιστή προσαρμόστηκε στην μέθοδο Ilizarov με τη χρήση του πλαισίου Taylor από μία ομάδα μελέτης του Queen s University στο Kingston, Canada. Η έρευνα αυτή ενσωματώνει την κινηματική του πλαισίου Taylor (το οποίο στην ουσία είναι μια πλατφόρμα Stewart) μέσα στις διάφορες φάσεις του σχεδιασμού και της εφαρμογής κατά τη διάρκεια της εγχείρησης. Η μέθοδος αυτή τεκμηριώθηκε μέσω εργαστηριακών ερευνών. Η συγκεκριμένη έρευνα δείχνει ότι η μέθοδος αυτή απαιτεί σχεδόν μηδενική ενδοεγχειρητική έκθεση σε ακτίνες Χ και ότι περίπλοκες διορθώσεις μπορούν εύκολα να επιτευχθούν. Σε προηγούμενη έρευνα της συγκεκριμένης ομάδας ξεκίνησε η ιδέα της fixation-based εγχείρησης, σύμφωνα με την οποία χρησιμοποιήθηκε ένας 18

σταθερός δίσκος για να αποσπαστούν, να ευθυγραμμιστούν και να σταθεροποιηθούν τα τμήματα των οστών κατά τη διάρκεια μιας διορθωτικής εγχείρησης στον καρπό. Η μέθοδος Ilizarov επίσης απαιτεί διάταση, ευθυγράμμιση και σταθεροποίηση αλλά με την χρήση ενός ρυθμιζόμενου external-fixation πλαισίου (αντί για ένα απλό δίσκο). Σύμφωνα με την έρευνα αυτής της ομάδας, η fixation-based εγχείρηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βελτιώσει τη μέθοδο Ilizarov, με τη βοήθεια ενός παράλληλου μηχανισμού έξι βαθμών ελευθερίας, δηλαδή του πλαισίου Taylor. Πιο συγκεκριμένα, σχεδιάστηκε μια διορθωτική διαδικασία, χρησιμοποιήθηκε η κινηματική του πλαισίου Taylor καθώς και καθοδήγηση από τον υπολογιστή για να βοηθηθεί ο χειρουργός, προκειμένου να εφαρμόσει το πλαίσιο στο παραμορφωμένο οστό. Η διαδικασία αυτή αποτελεί ένα καινούριο τρόπο για να διεξαχθούν περίπλοκες διορθώσεις στα οστά των άκρων. 2.6 Το πλαίσιο Taylor Το πλαίσιο Taylor,το οποίο εφευρέθηκε από τον Dr. John Charles Taylor στα μέσα της δεκαετίας του 90, είναι μία εξωτερική σταθεροποιητική συσκευή που χρησιμοποιείται για να εφαρμοστεί η μέθοδος Ilizarov. Η συσκευή, που είναι κινηματικά ισοδύναμη με την πλατφόρμα Stewart, αποτελείται από δύο κυκλικές βάσεις ή δακτυλίους, έξι πτυσσόμενες συνδετικές ράβδους (struts) και δώδεκα universal συνδέσμους, οι οποίοι συνδέουν τις ράβδους με τις βάσεις. Οι έξι μετρήσεις που χρησιμοποιούνται για να χαρακτηρίσουν τις παραμορφώσεις, σχετίζονται με τις μετατοπίσεις πάνω στις ράβδους στην αντίστροφη κινηματική. Προεγχειρητικά, ο χειρουργός καθορίζει την επιθυμητή διόρθωση και προσδιορίζει το ουδέτερο σχήμα του πλαισίου, το οποίο είναι το επιδιωκόμενο σχήμα όταν θα έχει ολοκληρωθεί η διαδικασία της απόσπασης. Στη συνέχεια, ένα πρόγραμμα στον υπολογιστή υπολογίζει τα μήκη των ράβδων στο αρχικό και στο τελικό σχήμα. Κατά τη διάρκεια της εγχείρησης, όπως και με άλλα πλαίσια 19

Ilizarov, το πλαίσιο Taylor εφαρμόζεται στο παραμορφωμένο οστό με σύρματα και σφήνες. Μετεγχειρητικά, αφού έχει ολοκληρωθεί η διαδικασία διόρθωσης, οποιαδήποτε εναπομένουσα παραμόρφωση μπορεί να διορθωθεί. Αυτό επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη ενός νέου σχεδίου, που θα αλλάξει το πλαίσιο Taylor, από το σχήμα στο οποίο κατέληξε το πλαίσιο μετά τη διαδικασία διόρθωσης, σε ένα τελικό σχήμα, το οποίο θα είναι παρόμοιο με το αρχικό ουδέτερο σχήμα της πρώτης διόρθωσης. Αυτό το νέο τελικό σχήμα εξαρτάται από την παρούσα εναπομένουσα παραμόρφωση και θα επιτευχθεί με τον υπολογισμό μίας νέας διαδικασίας διόρθωσης. Το πλαίσιο Taylor, στο αρχικό και στο τελικό του σχήμα σε μία εφαρμογή σε πλαστικό μοντέλο οστού φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα 2.6 Το πλαστικό μοντέλο ενός μηριαίου οστού από μία δοκιμή με την καθοδήγηση υπολογιστή. Το πλαίσιο Taylor είναι στο αρχικό του σχήμα στην αριστερή εικόνα και στο ουδέτερο σχήμα στην δεξιά. 20

Εικόνα 2.7 Ακτινογραφία ενός Taylor Spatial Frame τοποθετημένου σε ένα κνημιαίο οστό με κάταγμα στο επάνω τμήμα του. 2.7 Εξοπλισμός Το καθιερωμένο ολοκληρωμένο σετ εξοπλισμού για τη συσκευή Ilizarov για οστεοσύνθεση φαίνεται στην εικόνα 2.8. Η καθιερωμένη διάταξη ενός βασικού σετ Ilizarov για οστεοσύνθεση περιλαμβάνει όλο το διαθέσιμο εξοπλισμό (εικόνες 2.8.2-2.8.9). Η εφαρμογή ενός εξωτερικού σταθεροποιητή απαιτεί βασικό εξοπλισμό εγχειρητικού δωματίου, συμπεριλαμβανομένων ενός χειρουργικού τρυπανιού και ενός ορθοπεδικού τραπεζιού που να επιτρέπει τη διείσδυση ακτίνων Χ ή οποιασδήποτε άλλης ακτινοβολίας. 21

Εικόνα 2.8.1a k. Το καθιερωμένο ολοκληρωμένο σετ εξοπλισμού για τη συσκευή Ilizarov για οστεοσύνθεση. a. Εξωτερικά υποστηρίγματα διαφόρων τυποποιημένων μεγεθών: δακτύλιοι, ημι-δακτύλιοι, τμηματικοί δακτύλιοι (δύο τρίτα, τρία τέταρτα ή πέντε όγδοα), αψίδες. b. Συνδετικές πλάκες διαφόρων τυποποιημένων μεγεθών, συμπεριλαμβανομένων ίσων πλακών, συστρεφόμενων πλακών, καμπυλωτών πλακών. c. Αρσενικά και θηλυκά στηρίγματα με μία έως τέσσερις τρύπες. d. Μακριές και κοντές συνδετικές πλάκες διαφορετικών μηκών και μακριές συνδετικές πλάκες με νηματωμένα άκρα. e. Συνδετικές ράβδοι διαφορετικών μηκών, συμπεριλαμβανομένων μερικώς νηματωμένων, πλήρως νηματωμένων και τηλεσκοπικών ράβδων. f Νηματωμένοι ράβδοι με εγκοπή. g. Σύρματα κύλισης και ακινητοποίησης διαμέτρου 1.5, 1.8 και 2.0 mm. h. Πλαίσιο σταθεροποίησης συρμάτων (μόνο Ρώσικο) και μπουλόνια σταθεροποίησης συρμάτων. i. Εντατήρες συρμάτων, καθιερωμένος και δυναμομετρικός. j. Μπουλόνια, παξιμάδια, ασφαλιστικές ροδέλες, ροδέλες με εγκοπές, οδοντωτές ροδέλες, κωνικές ροδέλες, σφαιρικές ροδέλες. k. Κανονικές πένσες και κανονικά γαλλικά κλειδιά 10-mm. 22

Εικόνα 2.8.2a,b. Μοχλοί-πένσες: Voronkevich (a) και συναρμολογημένοι για το τυποποιημένο σετ Ιlizarov (b). Αυτές οι πένσες επιτρέπουν το σφίξιμο συρμάτων σε δυσπρόσιτες θέσεις. Εικόνα 2.8.3a d. Για την εφαρμογή ενός υβριδικού (με σφήνες και σύρματα που καθηλώνουν τα οστά) εξωτερικού σταθεροποιητή, χρησιμοποιώντας σφήνες 4, 5 και 6mm (a), ένα ειδικό μηχανικό κλειδί τύπου T, είτε τυποποιημένο (b) ή συναρμολογημένο από το σετ Ilizarov (c), χρησιμοποιείται. Η εφαρμογή των σφηνών στο πλαίσιο ολοκληρώνεται με τη χρήση πολλαπλών σφιγκτήρων για τη σταθεροποίηση των σφηνών (d). 23

Εικόνα 2.8.4 Το τρυπάνι (1) και η λαβή (4) χρησιμεύουν για την εισαγωγή των σφηνών. Είναι σχεδιασμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να προστατεύουν το μαλακό ιστό από φθορές και να επιτρέπουν στο τρυπάνι να κατευθύνεται στην επιθυμητή γωνία. Το τρυπάνι έχει εσωτερική διάμετρο 6.5 mm και ένα προσαρτημένο χερούλι (1). Ο προσαρτημένος σφιγκτήρας (2) έχει ένα ειδικό οδηγό για την εισαγωγή ενός καλιμπραρισμένου σύρματος (3) το οποίο υποδεικνύει τη γωνία εισαγωγής της σφήνας. Εικόνα 2.8.5 Χειρουργικά τρυπάνια. Ο φλοιός στο εκάστοτε σημείο που θα τοποθετηθεί η σφήνα είναι προσεκτικά τρυπημένος πριν την εισαγωγή της σφήνας, ώστε να αποφευχθεί όσο περισσότερη ζημιά στο μαλακό ιστό. Ένας αναστολέας στο τρυπάνι ελέγχει το βάθος της διείσδυσης του τρυπανιού. Απαιτούνται τρυπάνια διαφορετικών διαμέτρων και θα πρέπει να συμπεριλαμβάνονται διάμετροι των 2.7mm, 3.8mm, 4.5mm και 4.8mm. 24

Εικόνα 2.8.6 Ένας σφιγκτήρας οστών χρησιμοποιείται για να διευκολύνει την εισαγωγή της εισαγωγής των σφηνών, όταν οι μυελικοί σωλήνες φράσσονταιι από ένα μεγάλο ξένο σώμα. Για παράδειγμα, στην περίπτωση ενός περιπροσθετικού κατάγματος, μπορεί ο σωλήνας να εμποδίζεται από μία προσθετική συσκευή. Εικόνα 2.8.7 Αυτή η συσκευή συμβάλλει στην ανάταξη των θραυσμάτων των οστών. Εικόνα 2.8.8 Μία δομή, συναρμολογημένη από ένα σφιγκτήρα σφηνών με βαθμονομημένα σύρματα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αποτιμήσει την ακρίβεια της ανάταξης των θραυσμάτων των οστών. 25

Εικόνα 2.8.9 Η αποθήκευση και η αποστείρωση του εξοπλισμού απαιτούν ειδικές θήκες. 26

3. Shape Memory Alloys (SMA) 3.1 Αρχή λειτουργίας των SMA Τα Shape Memory Alloys (κράματα με πλαστική μνήμη ή μορφομνήμονα μεταλλικά κράματα), για παράδειγμα τα Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Al-Ni, Cu-Sn, Cu-Zn- (X), In-Ti, Ni-Al, Ni-Ti, Fe-Pt, Mn-Cu και Fe-Mn-Si, είναι ένα σύνολο από μεταλλικά υλικά που έχουν την ικανότητα να επιστρέφουν στο σχήμα που είχαν, πριν υποστούν μία κατάλληλη θερμική επεξεργασία. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως φαινόμενο μνήμης της μορφής ή αλλιώς της «πλαστικής» μνήμης ή καλύτερα με τον αγγλικό όρο SME - Shape Memory Effect. Το φαινόμενο αυτό προκύπτει λόγω μιας εξαρτώμενης μεταβολής της θερμοκρασίας και της εξωτερικής δύναμης στην κρυσταλλική δομή του υλικού μεταξύ δύο διαφορετικών φάσεων, martensite (φάση χαμηλής θερμοκρασίας) και austenite (φάση υψηλής θερμοκρασίας). Η θερμοκρασία, όπου προκύπτει η φάση της μεταβολής, ονομάζεται θερμοκρασία μεταβολής. Στο σχήμα 3.1 βλέπουμε μια απλοποιημένη αναπαράσταση της κρυσταλλικής δομής ενός τέτοιου υλικού κατά τη διάρκεια των διαφόρων φάσεων. 27

Σχήμα 3.1 Η κρυσταλλική δομή των SMA σε διαφορετικές φάσεις Στην φάση austenite, η δομή του υλικού είναι συμμετρική. Κάθε «κόκκος» του υλικού είναι ένας κύβος με ορθές γωνίες (a). Όταν το κράμα κρυώσει, μεταβαίνει στην φάση martensite και καταλήγει σε μία δομή με διαφορετικό σχήμα (b) και οι κόκκοι καταρρέουν στην δομή που αναπαρίσταται από τα διαμάντια. Σημειώνουμε ότι οι κόκκοι κλίνουν προς διαφορετικές διευθύνσεις για διαφορετικά στρώματα.. Εάν μια εξωτερική δύναμη εφαρμοστεί, το κράμα θα παραμορφωθεί και θα οδηγηθεί σε μία εναλλακτική κατάσταση (c) καθώς οι κόκκοι επαναπροσανατολίζονται έτσι ώστε να ευθυγραμμιστούν όλοι στην ίδια διεύθυνση. Τώρα, εάν το κράμα θερμανθεί ξανά πάνω από την θερμοκρασία μεταβολής, θα σχηματιστεί η φάση austenite και η δομή του υλικού θα επιστρέψει στην αυθεντική κυβική μορφή (a), παράγοντας δύναμη. Ένα παράδειγμα ενός σύρματος SMA αναπαρίσταται στο σχήμα 3.2. Εάν το σύρμα είναι κάτω από την θερμοκρασία μεταβολής (δηλαδή βρίσκεται στη φάση martensite), μπορεί να τεντωθεί με μία εξωτερική δύναμη. Τώρα, εάν το σύρμα θερμανθεί μέχρι να φτάσει στην φάση austenite, θα παράξει δύναμη και θα επανέλθει στην αυθεντική μορφή του. 28

Σχήμα 3.2 Η κρυσταλλική δομή των SMA στις διαφορετικές φάσεις σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και το εξωτερικό φορτίο 3.2 Ο βρόγχος υστέρησης Ο βρόγχος υστέρησης και η μη γραμμική συμπεριφορά του σύρματος φαίνονται στο σχήμα 3.3. Η μεταβολή στην κρυσταλλική δομή των SMA δεν είναι μια θερμοδυναμικώς αντιστρέψιμη διαδικασία, λόγω των εσωτερικών τριβών και της δημιουργίας δομικών ελαττωμάτων. Ως αποτέλεσμα, προκύπτει ο βρόγχος υστέρησης που φαίνεται στο σχήμα 3.3(a). Ξεκινώντας από το σημείο 1, το υλικό είναι 100% στην φάση martensite. Κατά τη διάρκεια της θέρμανσής του, η δομή του SMA ακολουθεί την κάτω καμπύλη. Όταν η θερμοκρασία φτάνει στην τιμή Αs, αρχίζει να δημιουργείται η φάση austenite. Η φάση αυτή συνεχίζει να σχηματίζεται μέχρι να επιτευχθεί η θερμοκρασία Af και τότε το υλικό είναι 29

100% σε φάση austenite. Εφόσον το υλικό αρχίσει να ψύχεται από το σημείο 2, η σύνθεσή του ακολουθεί την πάνω καμπύλη. Όταν η θερμοκρασία πέσει στην τιμή Ms, ξεκινάει ο σχηματισμός της φάσης martensite και συνεχίζει μέχρι να επιτευχθεί η θερμοκρασία Mf. Τώρα, το υλικό είναι πάλι στην αρχική του κατάσταση- 100% martensite. Αυτός ο βρόγχος υστέρησης σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία μεταφράζεται άμεσα σε ένα βρόγχο υστέρησης βασισμένο στην σχέση μεταξύ παραμόρφωσης και θερμοκρασίας (Σχήμα 3.3(b)). Εξαιτίας της ύπαρξης του βρόγχου υστέρησης, είναι δύσκολο να μοντελοποιηθεί και να ελεγχθεί ένας ενεργοποιητής από SMA. Για ένα δεδομένο τύπο SMA, ο βρόγχος υστέρησης εξαρτάται από την σύνθεση του κράματος καθώς και από την διαδικασία παραγωγής του. Τα περισσότερα SMA παρουσιάζουν ένα εύρος στο βρόγχο υστέρησης από 10 έως 50 C, με εξαίρεση κάποια είδη, που έχουν μεγάλο εύρος και χρησιμεύουν σε συγκεκριμένες εφαρμογές.. Σχήμα 3.3 Συμπεριφορά ενός σύρματος SMA σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία 3.3 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των SMA Τα SMA παρουσιάζουν διάφορα πλεονεκτήματα, που μπορεί να εκμεταλλευτεί κανείς για την ένταξή τους σε κάποια εφαρμογή, ως εναλλακτική λύση σε σχέση με συμβατικούς ενεργοποιητές: 30

Αμελητέο βάρος και μικρό μέγεθος Απουσία μηχανικών μερών τριβής Μεγάλη παραμόρφωση Αθόρυβη λειτουργία Υψηλός λόγος ισχύος προς βάρος καθώς και ισχύος προς όγκο Απλοί μηχανισμοί για την ενεργοποιήσή τους Χαμηλό κόστος Βέβαια, πρέπει να ληφθούν υπόψιν και να αναλυθούν ορισμένα μειονεκτήματά τους, προτού προβεί κανείς στον σχεδιασμό μιας εφαρμογής, όπως: Χαμηλή ενεργειακή αποδοτικότητα, (συγκριτικά με τους ηλεκτρομαγνητικούς ενεργοποιητές), δηλαδή μικρό διαθέσιμο ποσό απόλυτης δύναμης που αποκτάται από έναν SMA αγωγό. Μικρά ποσοστά τροπής Μικρό bandwidth ενεργοποίησης, εξαιτίας των αργών διαδικασιών μεταφοράς θερμικής ενέργειας που χρειάζονται για να συντελεστεί η αλλαγή κατάστασης των SMA. Μη γραμμικά φαινόμενα, όπως αυτό της υστέρησης. Χρόνος ζωής, που διαφέρει ανάλογα με τη χρήση τους και το ποσό της τάσης και της τροπής σε κάθε κύκλο καθώς επίσης και από τον τύπο της θερμομηχανικής διαδικασίας που χρησιμοποιήθηκε για να επιτευχθούν οι τελικές ιδιότητες των SMA. Απ όλα αυτά οι μη γραμμικότητες είναι ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια που πρέπει να υπερπηδηθεί όταν σχεδιάζονται SMA ενεργοποιητές. Αυτές παρεισφρύουν στη διαδικασία μέσα από το φαινόμενο υστέρησης που περιγράφηκε νωρίτερα, τη μη γραμμική μετάδοση θερμότητας και μέσα από κάθε μη γραμμική αλλαγή στις παραμέτρους που επηρεάζουν την κατάσταση 31

του υλικού όπως η θερμοκρασία και η τάση. Αν πρέπει να ελεγχθεί η κίνηση του ενεργοποιητή, για παράδειγμα η μετατόπιση ενός ενεργοποιητή που παράγει γραμμική κίνηση, η υστέρηση και η μη γραμμικότητα επιφέρουν δυσκολίες. Γι αυτόν τον λόγο, πολλοί SMA ενεργοποιητές λειτουργούν ως on-off διακόπτες, έχοντας μόνο δύο θέσεις κίνησης. Κάτι τέτοιο αποκτάται εύκολα με συνεχόμενη θέρμανση για τη διατήρηση πλήρους θερμής φάσης ή συνεχόμενη ψύξη για την απόκτηση πλήρους ψυχρής φάσης. 3.4 Μέθοδοι ενεργοποίησης των SMA 3.4.1 Θέρμανση του στοιχείου SMA Η θέρμανση του SMA στοιχείου μπορεί να επιτευχθεί με διάφορους τρόπους: με ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει το SMA, με ένα ξεχωριστό στοιχείο θέρμανσης ή με θέρμανση από το περιβάλλον μέσο. Όλοι αυτοί οι τρόποι προσφέρουν βολικές και ευέλικτες δυνατότητες για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας του κράματος. Όταν σχεδιάζεται ένας SMA ενεργοποιητής για έναν μηχανισμό, μία από τις πρώτες αποφάσεις που πρέπει να παρθούν είναι να διευκρινιστεί ποια θα είναι η πηγή που θα θερμάνει το SMA. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, σε ορισμένες εξειδικευμένες εφαρμογές, η θερμοκρασία του περιβάλλοντος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηγή θέρμανσης. Αυτή η μέθοδος αποτελεί εξαιρετική επιλογή όταν σχεδιάζονται μηχανισμοί που ρυθμίζουν θερμοκρασία. Για παράδειγμα, ένα στοιχείο SMA μπορεί να τοποθετηθεί σε ένα μέσο (όπως ο αέρας), του οποίου η θερμοκρασία πρέπει να ελέγχεται. Το στοιχείο SMA μπορεί να κατασκευαστεί έτσι, ώστε η θερμοκρασία ενεργοποίησης του να αντιστοιχεί σε κάποια κρίσιμη θερμοκρασία του μέσου. Όταν το μέσο φτάσει στην κρίσιμη αυτή θερμοκρασία, το στοιχείο SMA θα ενεργοποιηθεί και πιθανώς να ανοίξει μια βαλβίδα που θα επιφέρει περισσότερη ψύξη. Σε μια τέτοια περίπτωση το 32

στοιχείο SMA δρα και ως αισθητήρας και ως ενεργοποιητής. Επιπλέον, δεν χρειάζονται ηλεκτρονικά για αυτό το πολύ απλό σύστημα. Σε άλλες εφαρμογές, μία συνηθισμένη πηγή θέρμανσης για να επιτευχθεί η θερμοκρασία ενεργοποίησης είναι το ηλεκτρικό ρεύμα. Η πηγή του ρεύματος μπορεί να είναι είτε DC είτε AC. Το ρεύμα I διαρέει το στοιχείο SMA με αντίσταση R, λόγω της εφαρμογής μιας τάσης V και η αντίστοιχη ισχύς P μπορεί να βρεθεί από τις γνωστές σχέσεις: V I = R PIVPIR == 2 Αν και η μέθοδος αυτή είναι απλή, έχει δύο μειονεκτήματα. Πρώτον, η αντίσταση του SMA είναι μικρή, επομένως απαιτείται σχετικά μεγάλο ρεύμα. Μία πηγή ρεύματος ικανή να παρέχει αρκετά μεγάλο ρεύμα αυξάνει το συνολικό μέγεθος και κόστος του συστήματος ενεργοποίησης. Δεύτερον, το ρεύμα πρέπει να διαρρέει μόνο το στοιχείο SMA και όχι άλλα αγώγιμα στοιχεία κοντά ή σε επαφή με το SMA. Συνεπώς, θα πρέπει το SMA να είναι ηλεκτρικά μονωμένο από το περιβάλλον του, πράγμα που έχει ειδικές απαιτήσεις για τα εξαρτήματα του ενεργοποιητή. Ενσωματώνοντας ένα διάγραμμα ισχύος-χρόνου και διαιρώντας με το συνολικό χρόνο προκύπτει η μέση ισχύς. Η απαιτούμενη μέση ισχύς για να επιτευχθεί η θερμοκρασία ενεργοποίησης μπορεί να προσφέρεται από ένα σταθερό ή χρονικά μεταβαλλόμενο σήμα. Ένα παράδειγμα χρονικά μεταβαλλόμενου σήματος που έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για ηλεκτρική ενεργοποίηση είναι το Pulse Width Modulation (PWM). Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου συνίσταται σε ένα πιο ομοιόμορφο τρόπο θερμανσης του SMA στοιχείου. Όπως είναι φυσιολογικό, μεγαλύτερες τάσεις και μεγαλύτερα ρεύματα προκαλούν γρηγορότερη ενεργοποίηση των SMA. 33

3.4.2 Ψύξη του στοιχείου SMA Η ψύξη του στοιχείου SMA μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω του περιβάλλοντος μέσου, με την προϋπόθεση ότι η θερμοκρασία του μέσου είναι χαμηλότερη από το εύρος των θερμοκρασιών μεταβολής του SMA. Όταν η θερμοκρασία του μέσου είναι κοντά στις θερμοκρασίες μεταβολής, η ψύξη γίνεται αργά. Επιπλέον, χρειάζεται μικρότερο ρεύμα για να αυξηθεί η θερμοκρασία και να επιτευχθεί η φάση austenite.εάν η θερμοκρασία του μέσου είναι πολύ χαμηλότερη από τις θερμοκρασίες μεταβολής, η ψύξη γίνεται γρηγορότερα αλλά χρειάζονται μεγαλύτερα ρεύματα. Τα ενεργά στοιχεία ψύξης είναι απαραίτητα όταν πρέπει να ελαττωθεί πολύ γρήγορα η θερμοκρασία ή όταν η θερμοκρασία του μέσου είναι πολύ υψηλή για να μπορέσει να φτάσει σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες, ώστε να επιτευχθεί η φάση martensite. Η επιβαλλόμενη ψύξη (για παράδειγμα με έναν ανεμιστήρα) είναι μια σχετικά απλή μέθοδος για ενεργή ψύξη. Ακόμα, σε μερικές εφαρμογές μπορεί να χρησιμοποιηθεί ψύξη με ένα κινούμενο υγρό. Θα πρέπει όμως να ληφθεί υπόψιν πως όσο περισσότερο δυνατό είναι το σύστημα ψύξης, τόσο μεγαλύτερο θα είναι το απαιτούμενο ρεύμα. 3.5 Δύναμη επαναφοράς Οι περισσότεροι μηχανισμοί απαιτούν κυκλικές κινήσεις, συνεπώς μία δύναμη επαναφοράς είναι αναγκαία για να επιστρέψει τον μηχανισμό στην αντίθετη διεύθυνση από αυτή στην οποία τραβήχτηκε από τον SMA ενεργοποιητή. Αυτή η δύναμη επαναφοράς μπορεί να παραχθεί είτε από αποθηκευμένη ενέργεια (βαρύτητα ή ελατήριο) είτε από ένα άλλο SMA ενεργοποιητή, ο οποίος δρα ανταγωνιστικά. Απλά παραδείγματα δυνάμεων επαναφοράς φαίνονται στην εικόνα 3.1. 34

Εικόνα 3.1 Παραδείγματα δυνάμεων επαναφοράς σε συστήματα που ενεργοποιούνται από SMA Οι πολύ απλοί μηχανισμοί της εικόνας 3.1 μπορούν να πετύχουν μόνο μικρές γραμμικές κινήσεις. Για να επιτευχθούν μεγαλύτερες κινήσεις, θα πρέπει να τοποθετηθεί έξυπνα ο SMA ενεργοποιητής στον μηχανισμό. Ένας ενεργοποιητής SMA που λειτουργεί με ελατήριο για να παράγει την δύναμη επαναφοράς φαίνεται στην εικόνα 3.2. Η ιδέα είναι να χρησιμοποιηθεί ένα σύρμα SMA για να συμπιέζεται ο ενεργοποιητής και ένα ελατήριο από ατσάλι για να αποσυμπιέζεται. Τα σύρματα SMA τοποθετούνται μέσα στο εσωτερικό του ελατηρίου, για να ελαχιστοποιηθεί η απαίτηση για χώρο. Επιπλέον, πρέπει να είναι πολύ ακριβής η ευθυγράμμιση του ελατηρίου και των συρμάτων SMA, για να αποφευχθεί η δημιουργία ανεπιθύμητων (μη κατακόρυφων) δυνάμεων. Τα σύρματα θα πρέπει να είναι τοποθετημένα συμμετρικά γύρω από τον κεντρικό άξονα του ελατηρίου και το κινούμενο άκρο του ενεργοποιητή θα πρέπει να κινείται χωρίς τριβές και όσο πιο κατακόρυφα γίνεται. Τέλος, περιορίζεται η μέγιστη έκταση του ενεργοποιητή για να αποφευχθούν ζημιές στα σύρματα. 35