ИСКУССТВЕННЫЙ КОЛЕННЫЙ СУСТАВ Российский патент 2003 года по МПК A61F2/64 A61F2/60 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к искусственным коленным суставам, и может быть использовано при протезировании нижних конечностей.

Одноосные коленные суставы имеют преимущества перед более современными конструкциями суставов (многоосными, гидроприводными, микропроцессорными и др. ) в части надежности и простоты изготовления. Хотя они и уступают в функциональных возможностях, доля использования одноосных суставов в протезах бедра достаточно велика и совершенствование конструкции является актуальным.

Известен искусственный коленный сустав (далее - ИКС), содержащий верхнюю опору, нижнюю опору с тормозным барабаном, соединенные между собой зажимным элементом, охватывающим барабан нижней опоры. Зажимной элемент крепится к верхней опоре с помощью оси с ограниченным поворотом (DE, патент 2228391, кл. A 61 F 2/64, 1975).

Недостатком указанного ИКС является малый срок его эксплуатации. Под действием максимальных нагрузок в фазе опирания на протез упругий зажимной элемент, работающий на сгибание-разгибание и растяжение, быстро теряет свою жесткость и, кроме того, изнашивается, что приводит к снижению надежности процессов фиксации и расфиксации. Еще одним недостатком является удлинение протеза в фазе переноса, затрудняющее ходьбу и вызванное смещением оси вращения ИКС назад от осевой линии бедра.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является ИКС модульного типа, содержащий верхнюю опору для крепления гильзы бедра, нижнюю опору (кронштейн) - с жестко связанным тормозным барабаном - для крепления искусственной голени, соединенные между собой клещеобразным зажимным элементом, охватывающим барабан. Зажимной элемент выполнен из переднего и заднего рычагов, установленных на тормозном барабане нижней опоры и соединенных между собой осью вращения, при этом верхняя опора закреплена посредством оси к противоположной стороне переднего рычага и снабжена выступом с упорной площадкой для одностороннего взаимодействия с упорной площадкой переднего рычага. Верхняя опора прикреплена шарнирно через передаточное кинематическое звено к противоположной стороне заднего рычага. Нижняя опора и передний рычаг могут взаимодействовать между собой через буферный элемент (см. RU, патент 2096026, кл. A 61 F 2/64, 20.11.1997) - ближайший аналог.

При очевидных преимуществах ИКС - бесступенчатая автоматическая фиксация в некотором диапазоне углов разгибания и увеличенный ресурс работы, имеются и недостатки. Наиболее существенным из них является отсутствие возможности регулирования усилия, при котором происходит расфиксация ИКС. Расфиксация происходит при полном снятии нагрузки, однако в фазе заднего толчка, при опирании на носок протеза, коленный сустав должен начать сгибаться еще до того, как весь вес тела инвалида будет перенесен на другую ногу. В противном случае инвалид будет ощущать задержку при расфиксации, ходьба станет дискомфортной, увеличится расход мышечной энергии. К остальным недостаткам следует отнести удлинение протеза в фазе переноса, а также невозможность протезирования пациента с длинной культей.

Целью изобретения является создание ИКС, сохраняющего преимущества ближайшего аналога с устранением отмеченных выше недостатков, а именно - надежная бесступенчатая автоматическая фиксация от веса пациента, возможность регулирования усилия расфиксации, отсутствие удлинения протеза в фазе переноса и возможность протезирования инвалидов с длинной культей.

Технический результат обеспечивается тем, что искусственный коленный сустав включает верхнюю опору с присоединительными элементами для крепления гильзы бедра, нижнюю опору с присоединительными элементами для крепления искусственной голени, буферным элементом, проушинами, между которыми закреплен тормозной барабан, опоры соединены между собой с возможностью поворота относительно друг друга и с ограничением угла разгибания сустава. В устройство введено средство для регулирования усилия, при котором происходит расфиксация, содержащее упругий элемент, расположенный в тормозном барабане, и первый эксцентриковый палец, установленный в упомянутых проушинах с возможностью вращения в процессе регулирования с последующей фиксацией. При этом верхняя опора представляет собой втулку, внешняя поверхность которой выполнена заодно с присоединительными элементами для крепления гильзы бедра, а внутренняя - имеет форму цилиндра и охватывает тормозной барабан, выполненный с прорезью и имеющий по меньшей мере две тормозные колодки, соединенные между собой по меньшей мере одной упругой перемычкой. Тормозной барабан и втулка охвачены проушинами нижней опоры, причем упомянутые проушины соединены с тормозным барабаном посредством трех пальцев и по меньшей мере одного кинематического звена. Первый палец соединяет нижнюю опору с одной из тормозных колодок, второй палец, размещенный между первым и третьим пальцами, - ту же опору с кинематическим звеном, а третий палец соединяет кинематическое звено с другой тормозной колодкой тормозного барабана.

Сустав может характеризоваться тем, что введено средство регулирования люфта верхней опоры относительно нижней опоры, содержащее второй эксцентриковый палец, установленный в упомянутых проушинах с возможностью вращения в процессе регулирования с последующей фиксацией и возможностью взаимодействия с тормозным барабаном.

Сущность изобретения пояснена на чертежах, где представлены:
на фиг.1 - коленный сустав в сагиттальной плоскости;
на фиг.2 - коленный сустав во фронтальной плоскости;
на фиг.3 - сечение коленного сустава по осям пальцев;
на фиг.4 - сечение по оси эксцентрикового пальца;
на фиг.5 приведена схема сил, действующих в недоразогнутом коленном суставе в фиксированном состоянии.

Одноосный ИКС (см. фиг.1-4) с автоматической бесступенчатой фиксацией является одним из модулей для построения протеза бедра и включает в себя верхнюю опору 1 с присоединительными элементами 2 для присоединения гильзы бедра и нижнюю опору 3 с элементами 4 для присоединения искусственной голени. Верхняя опора 1 включает в себя втулку 8, в цилиндрическом отверстии которой расположен разрезной тормозной барабан 9, имеющий тормозные колодки 10, 11, 12, соединенные между собой упругими перемычками 13 и 14. Втулка 8 и барабан 9 охватываются проушинами 17 и 18 нижней опоры 3. Нижняя опора 3 связана с тормозным барабаном 9 посредством пальцев 20, 21, 22 и кинематических звеньев 23, причем палец 20 соединяет нижнюю опору 3 с колодкой 10 барабана 9, палец 21 - ту же опору со звеньями 23, палец 22 - звенья 23 с колодкой 12 барабана 9. Винты 24 предотвращают выпадание пальцев 20 и 21.

Втулка 8 с тормозным барабаном 9 выполняют в ИКС две функции: функцию тормозного устройства (при опирании на протез) и функцию подшипника скольжения (в фазе заднего толчка и переноса). Буферный элемент 26, расположенный в нижней опоре 1, ограничивает величину угла разгибания сустава.

Упругий элемент 27, расположенный в тормозном барабане 9, и эксцентриковый палец 28, установленный с возможностью вращения в проушинах 17, 18, служат для создания и регулирования усилия расфиксации. Винт 29 стопорит эксцентриковый палец 28, зажимая распорную втулку 30 между проушинами 17 и 18, увеличивая при этом жесткость проушин и обеспечивая величину заданных зазоров с барабаном 9 и втулкой 8.

Эксцентриковый палец 33, установленный с возможностью вращения в проушинах и фиксируемый стопорным винтом 34, имеет возможность взаимодействовать с тормозным барабаном 12.

Устройство функционирует следующим образом.

Сустав, при опирании инвалида на протез, испытывает нагрузки от веса инвалида, от момента, развиваемого инвалидом своими мышцами в тазобедренном суставе, от инерционных сил и другие нагрузки. Приведенная (равнодействующая этих нагрузок) сила F_вн - сила внешних нагрузок - действует на ИКС со стороны бедра. Со стороны голени от опорной поверхности стопы через стопу, щиколотку и голень действует реактивная сила F_p. Линия действия сил "F_вн-F_p" может находиться как перед геометрической осью ИКС (на фиг.1 слева от оси), так и позади оси (на фиг.5 справа от оси). В первом случае фиксация ИКС обеспечивается за счет смыкания верхней опоры 1 с нижней опорой 3 через буферный элемент 26. В случае, когда линия действия сил "F_вн-F_p" находится позади оси ИКС, фиксация происходит автоматически от действия внешних нагрузок, даже при величине угла α между опорами 1 и 3 менее 180^o.

Природа возникновения сил, фиксирующих ИКС, упрощенно пояснена на схеме (фиг. 5). Сила F_p создает крутящий момент М_К, действующий на барабан 9, имеющий возможность вращаться внутри втулки 8, а также крутящий момент M₁, действующий на нижнюю опору 3, относительно пальца 20. Момент M₁ порождает силу F₁, действующую на палец 21. Сила F₁ (по закону параллелограмма сил) раскладывается на силы F₂ и F₃, под действием которых упругие перемычки 13 и 14 разжимаются и тормозные колодки 10, 11, 12 надавливают на втулку 8, вызывая силы реакции F₄, F₅ и F₆. Силы реакции, действующие на колодки 10, 11 и 12, порождают силы трения F₇, F₈ и F₉, создающие момент торможения М_Т, действующий на барабан 9 и направленный в противоположную сторону от крутящего момента М_К. Фиксация ИКС происходит при условии М_Т>М_К, что обеспечено конструкцией сустава в интервале угла между опорами 1 и 3 от некоторого значения до 180^o.

Ниже рассмотрен процесс расфиксации ИКС. В фазе заднего толчка, по мере переноса веса тела на другую ногу, реактивная сила F_p уменьшается, вместе с ней уменьшаются силы F₁, F₂ и F₃ и когда силы F₂ и F₃ практически прекращают свое действие, упругие перемычки 13 и 14 возвращают колодки 10, 11 и 12 в исходное положение, предоставляя возможность барабану 9 вместе с искусственной голенью свободно вращаться во втулке 8.

Чтобы ИКС расфиксировался и начал свое сгибание, пока он еще полностью не разгружен, необходимость чего была отмечена выше, в конструкцию ИКС введены упругий элемент 27 и эксцентриковый палец 28. Упругий элемент 27 действует через палец 28 на опору 3 с силой F₁₀, создающей момент М₂ относительно пальца 20 и силу F₁₁, действующую - так же, как и сила F₁ - на палец 23, но направленную в противоположную сторону. Поэтому в процессе расфиксации силы F₂ и F₃ приблизятся к нулевому значению не при F₁=0, а при F₁= F₁₁, то есть когда реактивная сила F_p еще действует. Величину силы F_p, при которой происходит расфиксация, можно регулировать эксцентриковым пальцем 28. Естественно, что с увеличением силы расфиксации увеличивается и сила, при которой происходит фиксация, и соответственно уменьшается диапазон угла между бедром и голенью, при котором возможна автоматическая фиксация. Таким образом, у техника-протезиста и протезируемого имеется выбор чему отдать предпочтение: повышенной подкосоустойчивости или легкости и удобству при динамичной ходьбе.

Ниже рассмотрены функции эксцентрикового пальца 33. При фиксации через буферный элемент 26, когда линия действия реактивной силы F_p проходит перед суставом, создаваемый этой силой момент M₁ направлен в противоположную сторону, чем при автоматической фиксации. При этом эксцентриковый палец 33, связанный с нижней опорой 3, взаимодействуя с тормозным барабаном 9, препятствует возникновению сил F₁, F₂ и F₃ противоположного направления, предотвращая таким образом сжатие тормозного барабана 9 и уменьшая величину люфтового вращательного перемещения (далее люфта) опоры 1 относительно опоры 3. Люфт возникает из-за изменения направления выборки зазоров в подвижных соединениях при изменении направления действия момента M₁.

Для удобства регулирования усилия расфиксации и величины люфта на поверхности 35 пальца 28, поверхности 36 пальца 33 и поверхности 37 нижней опоры 3 могут быть нанесены риски.

Патентуемый ИКС остается работоспособным и в перевернутом положении, когда нижняя опора выполняет функцию приема гильзы бедра, а верхняя - приема искусственной голени.

Таким образом, патентуемая конструкция сохраняет положительный результат ближайшего аналога в части надежной автоматической бесступенчатой фиксации в некотором диапазоне углов разгибания, надежной расфиксации и повышенной износостойкости. Вместе с тем, обеспечивается достижение нового технического результата:
- возможность регулирования усилия расфиксации в зависимости от физического состояния инвалида (при короткой культе, пожилым, ослабленным - 5-10% от их веса; сильным, энергичным, молодым - 25% и более);
- не вызывает удлинения протеза в фазе переноса, так как геометрическая ось вращения сустава не смещена назад от осевой линии присоединительных элементов ввиду надежной автоматической фиксации;
- возможность протезирования инвалидов с более длинной культей за счет уменьшенного расстояния между присоединительными элементами верхней опоры и геометрической осью вращения сустава.

Промышленная применимость. Устройство может быть реализовано с использованием известных конструкционных материалов, в том числе и рекомендуемых для изготовления сильно нагруженных подшипников скольжения. Детали могут выполняться механическим путем, прессованием, точным литьем, методами порошковой металлургии и другими известными способами.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к искусственным коленным суставам, и может быть использовано при протезировании нижних конечностей. Одноосный сустав включает в себя верхнюю опору с присоединительными элементами для присоединения гильзы бедра и нижнюю опору с элементами для присоединения искусственной голени. Верхняя опора имеет втулку, в цилиндрическом отверстии которой расположен разрезной тормозной барабан, имеющий тормозные колодки, соединенные между собой упругими перемычками. Втулки и барабан охватываются проушинами нижней опоры. Нижняя опора связана с тормозным барабаном посредством пальцев и кинематических звеньев. Палец соединяет нижнюю опору с колодкой барабана, второй палец - ту же опору с звеньями, третий палец - звенья с колодкой барабана. Упругий элемент, расположенный в тормозном барабане, и эксцентриковый палец, установленный с возможностью вращения в проушинах, служат для создания и регулирования усилия расфиксации. Технический результат - надежная бесступенчатая автоматическая фиксация от веса пациента и возможность регулирования усилия расфиксации. 5 ил.

1. Искусственный коленный сустав, включающий верхнюю опору с присоединительными элементами для крепления гильзы бедра, нижнюю опору с присоединительными элементами для крепления искусственной голени, буферным элементом, проушинами, между которыми закреплен тормозной барабан, опоры соединены между собой с возможностью поворота относительно друг друга и с ограничением угла разгибания сустава, отличающийся тем, что введено средство для регулирования усилия, при котором происходит расфиксация, содержащее упругий элемент, расположенный в тормозном барабане, и первый эксцентриковый палец, установленный в упомянутых проушинах с возможностью вращения в процессе регулирования с последующей фиксацией, при этом верхняя опора представляет собой втулку, внешняя поверхность которой выполнена заодно с присоединительными элементами для крепления гильзы бедра, а внутренняя имеет форму цилиндра и охватывает тормозной барабан, выполненный с прорезью, и имеющий по меньшей мере две тормозные колодки, соединенные между собой по меньшей мере одной упругой перемычкой, тормозной барабан и втулка охвачены проушинами нижней опоры, причем упомянутые проушины соединены с тормозным барабаном посредством трех пальцев и по меньшей мере одного кинематического звена, причем первый палец соединяет нижнюю опору с одной из тормозных колодок, второй палец, размещенный между первым и третьим пальцами, - ту же опору с кинематическим звеном, а третий палец соединяет кинематическое звено с другой тормозной колодкой тормозного барабана. 2. Сустав по п. 1, отличающийся тем, что введено средство регулирования люфта верхней опоры относительно нижней опоры, содержащее второй эксцентриковый палец, установленный в упомянутых проушинах с возможностью вращения в процессе регулирования с последующей фиксацией и имеющий возможность взаимодействия с тормозным барабаном.