ПРОТЕЗ БЕДРА Российский патент 2001 года по МПК A61F2/60 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к области протезирования отсутствующих конечностей.

Известен механизм коленного шарнира для протеза бедра по патенту RU 2026655. В этом механизме опорная площадка для крепления гильзы бедра соединена передним и задним звеньями с кронштейном для крепления гильзы голени с помощью вращательных и поступательной кинематических пар, что характерно для механизмов кулисного типа; переднее звено выполнено в виде скобы, а на опорной площадке и кронштейне выполнены выступы с упорными поверхностями для взаимодействия этих узлов между собой. Применение кулисного механизма коленного сгибания позволило достичь большего удобства и естественности движения инвалида при ходьбе на протезе, особенно при динамичном, активном характере подвижности пациента, при котором толчковая функция при ходьбе на кулисном искусственном колене реализуется более эффективно, чем при ходьбе на традиционном четырехосном коленном механизме, разработанном фирмой Otto Bock, а также при ходьбе по неровной поверхности, когда полезно проявляется функциональное укорочение протеза в фазе переноса, свойственное протезам с кулисным коленным механизмом. Устройство по этому патенту реализовано и нашло свое применение в гамме коленных модулей протезов различного назначения, отмечено золотой медалью на международном салоне изобретений в Брюсселе. Однако, как и более распространенные аналоги (например, одноосные и четырехосные механизмы, используемые всемирно известной фирмой Otto Bock), упомянутый кулисный механизм коленного сгибания позволяет осуществить сгибание колена только в фазе переноса, движение же в опорной фазе шага происходит на негнущейся искусственной конечности, но и здесь кинематика сгибания далека от антропоморфной, движение неуправляемо. Кроме того, органическим недостатком этой конструкции, как и большинства конструкций механических коленных шарниров, является невозможность полезного использования энергии опирания (сгибания колена под действием реакции опоры) в последующей работе системы человек-протез.

Известен также протез бедра с кулисным механизмом коленного сгибания, содержащим приемную гильзу, трубку голени, юстировочные узлы и кулисный коленный механизм с опорной площадкой, нижним звеном, сопряженным с трубкой голени, передним и задним звеньями, соединяющими между собой опорную площадку и нижнее звено с помощью трех вращательных и одной поступательной кинематических пар (причем поступательная пара выполнена в виде штока и охватывающего его ползуна), защищенный патентом RU 2062073, принимаемым за прототип настоящего изобретения. Недостатки его те же, что и у описанного выше аналога по патенту RU 2026655.

Техническим результатом предлагаемого решения является:
- возможность контролируемого сгибания протеза не только в фазе переноса, но и в фазе опоры в диапазонах, близких к сгибанию естественной конечности, и подобно ей по рисунку движения (антропоморфно);
- выполнение искусственным коленом в составе протеза энергосберегающей (энерговозвратной) функции в цикле шага искусственной конечности;
- возможность управления относительным движением звеньев искусственной конечности в интерактивном режиме по программам, в которых используются управляющие воздействия, формируемые на основе фактических параметров движения пациента.

Сущность изобретения заключается в том, что в протезе бедра, содержащем приемную гильзу, трубку голени, юстировочные узлы и кулисный коленный механизм с опорной площадкой, нижним звеном, сопряженным с трубкой голени, передним и задним звеньями, соединяющими между собой опорную площадку и нижнее звено с помощью трех вращательных и одной поступательной кинематических пар (причем поступательная пара выполнена в виде штока и охватывающего его ползуна), в ползун поступательной кинематической пары кулисного коленного механизма встроено устройство управления сгибанием, содержащее цилиндрический герметичный корпус, являющийся одновременно корпусом ползуна поступательной кинематической пары, заполненный рабочим телом, упруговозвратный элемент и регулируемый дроссель. При этом кулисный коленный механизм размещен в составе протеза бедра таким образом, что мгновенный центр вращения искусственного колена в начале фазы опоры протеза бедра находится на или впереди линии действия равнодействующей реакции опоры, воспринимаемой в опорной фазе шага идущим на протезе инвалидом.

Регулируемый дроссель устройства управления сгибанием кулисного коленного механизма снабжен интерактивным процессором с системой оперативной информации о параметрах движения инвалида на протезе.

На фиг. 1 показана конструктивно-компоновочная схема протеза бедра по данному изобретению.

На фиг. 2 - его принципиальная кинематическая схема.

На фиг. 3 - показан характер взаимодействия подгибающегося в колене протеза с опорой в течение опорной фазы шага.

На фиг. 4 - функциональная схема устройства управления коленным сгибанием.

На фиг. 5 - диаграммы углов коленного сгибания ϕ_кс за период двойного шага инвалида (при ходьбе, аналогичной типовой картине движения человека в норме), соответствующих им ходов ползуна кулисного механизма l_ш и усилий, действующих в поступательной паре в направлении оси штока F_ш.

На фиг. 6 - циклограмма работы устройства управления коленным сгибанием.

Протез бедра по настоящему изобретению содержит искусственное колено 1, показанное на рисунке также в положении максимального сгибания 2, к которому с проксимальной стороны присоединены вышеколенные конструкции, как правило, приемная гильза 3, а с дистальной стороны - искусственная голень 4. В верхней (проксимальной) части искусственного колена 1 расположен кронштейн 5, к которому в составе протеза неподвижно крепятся вышеколенные конструкции. К кронштейну 5 шарнирно присоединены шток 6 поступательной пары кулисного механизма и водило 7 искусственной голени 4, образующие вращательные пары 8 и 9 соответственно. Ползун 10 поступательной пары кулисного механизма закреплен на корпусе 11 искусственного колена 1 (к которому неподвижно прикреплена искусственная голень 4) и взаимодействует со штоком 6. Третья вращательная пара 12 этого механизма соединяет корпус 11 с водилом 7.

Устройство управления коленным сгибанием 13 содержит цилиндрический герметичный корпус, конструктивно совмещенный с корпусом ползуна 10 и заполненный рабочим телом 14, упруговозвратный элемент 15 и регулируемый дроссель 16. Функционально в состав устройства управления коленным сгибанием 13 входит также шток 6.

На наружной поверхности ползуна 10 установлен интерактивный процессор с системой оперативной информации 17, соединенный с регулируемым дросселем 16.

В опорной фазе шага в отличие от большинства существующих протезов бедра протез по данному изобретению способен выполнять сгибание-разгибание в последовательности, близкой аналогичным движениям нормальной конечности. В частности, в опорной фазе шага реализуется упругое подгибание, близкое к диаграмме сгибаний в норме, как это показано на фиг. 5 (здесь: F_щ - сила, действующая в направлении штока, представлена как доля веса пациента G; L_ш - ход ползуна по штоку, мм; ϕ_кс - угол коленного сгибания, град). В начальный момент опорной фазы сгибание искусственного колена 1 происходит под действием момента, создаваемого реакцией опоры R относительно соответствующего положения мгновенного центра вращения 18 искусственной голени 7 относительно вышеколенной конструкции (приемной гильзы) 4, как показано на фиг.3. В дальнейшем движении инвалида на протезе вектор реакции опоры совершает разворот в направлении движения и в момент, соответствующий 10-15% периода двойного шага, переходит за мгновенный центр вращения, перемещающийся в течение опорной фазы шага по траектории 19. Вследствие этого на искусственное колено 1 начинает действовать момент от реакции опоры R, направленный на разгибание. В направлении разгибания действует при этом и упруговозвратный элемент 15 устройства управления коленным сгибанием 13. Разгибание происходит до некоторого минимума угла сгибания, соответствующего 35-45% периода двойного шага, после чего под действием энергичного махового движения инвалида бедром вперед, отраженного на фиг. 3 как угловое ускорение бедра ε, начинается второе за период двойного шага коленное сгибание протеза, продолжающееся примерно до середины фазы переноса, после чего усилие, накопленное при сжатии упруговозвратного элемента 15, вызывает разгибание искусственного колена 1, завершаемое к концу фазы переноса.

Активность движений сгибания-разгибания искусственного колена 1, т.е. мгновенное ускорение этого движения, ограничивается путем дросселирования перетекания рабочего тела 14 между камерами устройства управления коленным сгибанием 13, регулируемым дросселем 16 по командам от интерактивного процессора 17, осуществляющего управление проходным сечением регулируемого дросселя 16 по заложенным в интерактивный процессор 17 программам, учитывая фактические параметры движения и фиксируемые датчиками воздействия инвалида на протез.

Таким образом, на движения сгибания-разгибания искусственного колена 1 в фазе опоры оказывают влияние следующие факторы:
- реакция опоры R;
- мышечные и инерционные воздействия от движущегося на протезе инвалида, прежде всего от сохранившейся части бедра ампутированной конечности;
- управляющие воздействия устройства управления коленным сгибанием 13.

В фазе переноса - следующие факторы:
- мышечные и инерционные воздействия от движущегося на протезе инвалида, прежде всего от сохранившейся части бедра ампутированной конечности;
- управляющие воздействия устройства управления коленным сгибанием 13;
- инерция нижеколенной части протеза.

В условиях действия этих факторов интерактивный процессор 17 осуществляет управление коленным сгибанием протеза с целью возможного приближения к рисунку сгибаний ноги человека в норме, приведенной на фиг. 5, в соответствии с приведенной на фиг. 6 циклограммой (для ориентировочной привязки к действующим силовым факторам здесь показаны соответствующие циклу шага формы диаграмм R_x - продольной составляющей реакции опоры и R_y - вертикальной составляющей реакции опоры).

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к области протезирования отсутствующих конечностей. В протезе бедра, содержащем приемную гильзу, трубку голени, юстировочные узлы и кулисный коленный механизм с опорной площадкой, нижним звеном, сопряженным с трубкой голени, передним и задним звеньями, соединяющими между собой опорную площадку и нижнее звено с помощью трех вращательных и одной поступательной кинематических пар, в ползун поступательной кинематической пары кулисного коленного механизма встроено устройство управления сгибанием, содержащее цилиндрический герметичный корпус, являющийся одновременно корпусом ползуна поступательной кинематической пары, заполненный рабочим телом, упруговозвратный элемент и регулируемый дроссель. Кулисный коленный механизм размещен в составе протеза бедра таким образом, что мгновенный центр вращения искусственного колена в начале фазы опоры протеза бедра находится на или впереди линии действия равнодействующей реакции опоры, воспринимаемой в опорной фазе шага идущим на протезе инвалидом. Регулируемый дроссель устройства управления сгибанием кулисного коленного механизма снабжен интерактивным процессором с системой оперативной информации о параметрах движения инвалида на протезе. Технический результат заключается в возможности контролируемого сгибания протеза не только в фазе переноса, но и в фазе опоры. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Протез бедра, содержащий приемную гильзу, трубку голени и кулисный коленный механизм с опорной площадкой, нижним звеном, сопряженным с трубкой голени, передним и задним звеньями, соединяющими между собой опорную площадку и нижнее звено с помощью трех вращательных и одной поступательной кинематических пар, причем поступательная пара выполнена в виде штока и охватывающего его ползуна, отличающийся тем, что в ползун поступательной кинематической пары кулисного коленного механизма встроено устройство управления сгибанием, содержащее цилиндрический герметичный корпус, заполненный рабочим телом, упруговозвратный элемент и регулируемый дроссель. 2. Протез бедра по п.1, отличающийся тем, что регулируемый дроссель устройства управления сгибанием кулисного механизма снабжен интерактивным процессором с системой оперативной информации о параметрах движения инвалида на протезе.