Область техники
Настоящее изобретение относится к высококачественному протезу стопы, обеспечивающему улучшенные показатели динамической отдачи, так как эти показатели относятся к приложенной механической силе.
Предшествующий уровень техники
Бесшарнирная искусственная стопа для протеза ноги описана в Патенте США №5897594 Мартином и др. В отличие от предшествующих решений, где искусственная стопа имеет жесткую конструкцию, снабженную шарниром для имитации функции лодыжки, в бесшарнирной искусственной стопе у Мартина и др. используется упругая вставка стопы, которая располагается внутри формованной стопы. Вставка имеет приблизительно С-образную конструкцию в продольном сечении, и открыта назад, и принимает нагрузку протеза при помощи своей верхней С-образной части, и через свою нижнюю С-образную часть передает эту нагрузку на пластинчатую пружину, присоединенную к ней. Пластинчатая пружина на виде снизу имеет выпуклую конструкцию и проходит примерно параллельно области подошвы, вперед за вставку стопы в область носка стопы. Изобретение Мартина и др. основано на задаче усовершенствования бесшарнирной искусственной стопы относительно демпфирования удара пятки, эластичности, ходьбы с пятки на носок и устойчивости в латеральном направлении, для того чтобы, таким образом, предоставить пользователю возможность ходить естественно, замысел также состоял в возможности пользователя как естественно ходить, так и выполнять физические упражнения и заниматься спортом. Однако показатели динамической отдачи этой известной искусственной стопы ограничены. Существует необходимость в более качественном протезе стопы, имеющем улучшенные относительно прикладной механики конструктивные особенности, которые способны улучшить спортивные рабочие качества человека с ампутированной ногой, принимающего участие в таких спортивных мероприятиях, как бег, прыжки, спринт, старт, торможение и прерывистый бег, например.
Другой протез стопы был предложен Van.L Phillips, который по утверждению обеспечивает человеку с ампутированной ногой проворство и подвижность, для участия во множестве видов активной деятельности, которые были исключены в прошлом из-за конструкционных ограничений и соответствующих рабочих характеристик протезов предшествующего уровня техники. Бег, прыжки или другие виды активности по утверждению могут выполняться при помощи этой известной стопы, которая, как сообщается, может использоваться тем же образом, что и обычная стопа пользователя. В качестве примера можно привести Патенты США под номерами 6071313; 5993488; 5899944; 5800569; 5800568; 5728177; 5728176; 5824112; 5593457; 5514185; 5181932 и 4822363.
Краткое описание изобретения
Для того чтобы обеспечить спортсмену с ампутированной ногой более высокий уровень работоспособности, существует необходимость в высококачественном протезе стопы, обладающем улучшенными прикладными механическими свойствами, причем такая стопа может превзойти по своим характеристикам стопу человека, а также превзойти протез стопы предшествующего уровня техники. Спортсмену с ампутированной ногой интересно обладать протезом стопы высокого качества, имеющим улучшенные прикладные механические свойства, высокую и низкую динамическую отдачу и возможность регулирования выравнивания, для того чтобы его можно было точно настроить для улучшения горизонтальных и вертикальных компонентов движения, которые по характеру могут быть предназначены для выполнения определенной задачи.
Протез стопы согласно настоящему изобретению удовлетворяет этим требованиям. В соответствии с иллюстративным воплощением, описанным здесь, протез стопы согласно изобретению содержит продольно проходящий киль стопы, имеющий участок носка стопы на одном конце, участок заднего отдела стопы на противоположном конце и относительно длинный участок среднего отдела стопы, проходящий между участками носка стопы и заднего отдела стопы, и дугообразно изгибающийся вверх от них. Также предусмотрена стойка голени, включающая в себя выпукло-изогнутый вниз нижний конец. Регулируемое крепежное приспособление присоединяет изогнутый нижний конец стойки голени к выпуклому вверх участку среднего отдела стопы киля стопы для образования области голеностопного сустава протеза стопы.
Регулируемое крепежное приспособление делает возможным регулирование выравнивания стойки голени и киля стопы относительно друг друга в продольном направлении киля стопы для настройки рабочих характеристик протеза стопы. При помощи регулирования выравнивания противоположного изогнутого вверх участка среднего отдела стопы киля стопы и выпуклого вниз нижнего конца стойки голени относительно друг друга в продольном направлении киля стопы, показатели динамической отдачи и результирующие движения стопы изменяются для того, чтобы предназначаться для выполнения конкретной задачи, в соответствии с необходимой/желательной горизонтальной и вертикальной линейными скоростями. Описан многофункциональный протез стопы, обладающий высокими и низкими показателями динамической отдачи, а также обладающий характеристиками бипланарного движения, которые улучшают функциональные результаты человека с ампутированной ногой, принимающего участие в спортивных и/или других развлекательных мероприятиях. Также описан протез стопы, предназначенный специально для спринта.
Протез согласно изобретению содержит упругую, монолитную стойку, проходящую вверх от киля стопы, в виде обращенной вперед непрерывной выпуклой изогнутой поверхности, с возрастающим радиусом кривизны, для образования нижнего участка голеностопной области, и верхнего упругого участка стойки, формирующего протезную часть ноги выше голеностопной области для соединения с нижним окончанием протезной структуры, прикрепленной к оставшейся конечности человека, при этом нижний участок и верхний участок стойки, проходящие вверх от киля стопы, имеют обращенную вперед выпукло-изогнутую форму, и стойка- и по меньшей мере участок киля стопы сформированы монолитно, и обращенная вперед непрерывная выпуклая изогнутая поверхность проходит по большей части длины нижнего и верхнего участков стойки.
Другой вариант протеза включает стопу, лодыжку, вытянутую вертикальную стойку над лодыжкой, формирующую протезную часть ноги выше голеностопного сустава, в котором лодыжка, стойка и по меньшей мере участок стопы выполнены монолитно как упругий элемент, упругий элемент включает в себя нижний участок и верхний участок, которые имеют обращенную вперед выпукло-изогнутую форму на большей части длины нижнего и верхнего участков, причем вышеуказанный верхний участок включает в себя верхний конечный участок, который имеет обращенную наружу выпукло-изогнутую форму.
Стойка и задняя часть киля стопы протеза могут быть выполнены монолитно, а передняя часть киля стопы присоединена к вышеуказанной задней части для образования вышеуказанного киля стопы. Стойка проходит вверх, по существу, криволинейным образом в направлении продольной протяженности стопы над голеностопной областью и лодыжкой для образования верхнего упругого участка стойки.
Протез стопы может также включать в себя устройство для ограничения количества движения верхнего конца стойки голени в ответ на силу, нагружающую и разгружающую стойку голени в ходе использования протеза стопы. В одном воплощении устройство представляет собой цилиндропоршневой блок, присоединенный между верхним и нижним концами стойки голени и содержащий по меньшей мере одну сжатую текучую среду для ограничения количества движения, а также для демпфирования энергии, запасаемой или высвобождаемой в ходе сжатия и расширения стойки голени. В других воплощениях устройство, расположенное позади голени, накапливает свою собственную потенциальную энергию в ходе нагружения протеза и возвращает запасенную энергию в ходе снятия нагрузки для увеличения способности накопления общей энергии упругой деформации, таким образом увеличивая кинетическую энергию, вырабатываемую для движущей силы протезом ноги выше голеностопного сустава, в котором лодыжка, стойка и по меньшей мере участок стопы выполнены монолитно как упругий элемент, упругий элемент включает в себя нижний участок и верхний участок, которые имеют обращенную вперед выпукло-изогнутую форму на большей части длины нижнего и верхнего участков, причем вышеуказанный верхний участок включает в себя верхний конечный участок, который имеет обращенную наружу выпукло-изогнутую форму.
Стойка и задняя часть киля стопы протеза могут быть выполнены монолитно, а передняя часть киля стопы присоединена к вышеуказанной задней части для образования вышеуказанного киля стопы. Стойка проходит вверх, по существу, криволинейным образом в направлении продольной протяженности стопы над голеностопной областью и лодыжкой для образования верхнего упругого участка стойки.
Протез стопы может также включать в себя устройство для ограничения количества движения верхнего конца стойки голени в ответ на силу, нагружающую и разгружающую стойку голени в ходе использования протеза стопы. В одном воплощении устройство представляет собой цилиндропоршневой блок, присоединенный между верхним и нижним концами стойки голени и содержащий по меньшей мере одну сжатую текучую среду для ограничения количества движения, а также для демпфирования энергии, запасаемой или высвобождаемой в ходе сжатия и расширения стойки голени. В других воплощениях устройство, расположенное позади голени, накапливает свою собственную потенциальную энергию в ходе нагружения протеза и возвращает запасенную энергию в ходе снятия нагрузки для увеличения способности накопления общей энергии упругой деформации, таким образом увеличивая кинетическую энергию, вырабатываемую для движущей силы протезом стопы при ходьбе.
Эти и другие задачи, особенности и преимущества настоящего изобретения станут яснее после рассмотрения следующего подробного описания иллюстративных воплощений изобретения и прилагаемых чертежей.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает схематичный чертеж, представляющий два смежных радиуса кривизны R1 и R2, один напротив другого, киля стопы и стойки голени протеза стопы согласно изобретению, которые создают показатель динамической отдачи и результирующее движение стопы при ходьбе в направлении В, которое перпендикулярно тангенциальной линии А, соединяющей два радиуса.
Фиг.2 изображает вид, подобный Фиг.1, но показывающий измененное выравнивание двух радиусов в протезе стопы в соответствии с изобретением для увеличения горизонтальной составляющей и уменьшения вертикальной составляющей показателя динамической отдачи и результирующего движения стопы при ходьбе, так что стрелка B1, перпендикулярная тангенциальной линии A1, направлена более горизонтально, чем в случае, показанном на Фиг.1.
Фиг.3 изображает вид сбоку протеза стопы в соответствии с иллюстративным воплощением изобретения с адаптером пилона и пилоном, присоединенным к нему, для крепления стопы к нижней конечности человека с ампутированной ногой.
Фиг.4 изображает вид спереди протеза стопы с адаптером пилона и пилоном, показанным на Фиг.3.
Фиг.5 изображает вид сверху воплощения с Фиг.3 и 4.
Фиг.6 изображает вид сбоку другого киля стопы в соответствии с изобретением, в особенности предназначенного для спринта, который может быть использован в протезе стопы согласно изобретению.
Фиг.7 изображает вид сверху киля стопы с Фиг.6.
Фиг.8 изображает вид снизу киля стопы протеза стопы с Фиг.3, который обеспечивает высокие и низкие показатели динамической отдачи, а также обеспечивает возможность бипланарного движения.
Фиг.9 изображает вид сбоку дополнительного киля стопы в соответствии с изобретением для протеза стопы, в частности пригодного для бега на короткие дистанции человека с ампутированной ногой, которому была сделана ампутация ноги по методу Сайма.
Фиг.10 изображает вид сверху киля стопы с Фиг.9.
Фиг.11 изображает дополнительный вариант киля стопы для протеза стопы согласно изобретению для человека с ногой, ампутированной по методу Сайма, киль стопы обеспечивает протез стопы с высокими и низкими показателями динамической отдачи, а также возможностью бипланарного движения.
Фиг.12 изображает вид сверху киля стопы с Фиг.11.
Фиг.13 изображает вид сбоку киля стопы согласно изобретению, в котором толщина киля сужается, например постепенно уменьшается, от участка среднего отдела стопы к участку заднего отдела стопы киля.
Фиг.14 изображает вид сбоку другой формы киля стопы, в котором толщина сужается от участка среднего отдела стопы как в направлении носка стопы, так и в направлении заднего отдела стопы киля.
Фиг.15 изображает вид сбоку и слегка сверху и спереди стойки голени параболической формы протеза стопы согласно изобретению, толщина стойки голени сужается в направлении его верхнего конца.
Фиг.16 изображает вид сбоку, подобный Фиг.15, но показывающий другую стойку голени, которая сужается от середины по направлению как к своему верхнему, так и к нижнему концам.
Фиг.17 изображает вид сбоку С-образной стойки голени для протеза стопы, толщина стойки голени сужается от центра в направлении верхнего и нижнего концов.
Фиг.18 изображает вид сбоку другого примера С-образной стойки голени для протеза стопы, толщина стойки голени постепенно снижается от ее среднего участка к ее верхнему концу.
Фиг.19 изображает вид сбоку S-образной стойки голени для протеза стопы, толщина которой постепенно снижается от ее центра к обоим концам.
Фиг.20 изображает дополнительный пример S-образной стойки голени, толщина которой сужается лишь на ее верхнем конце.
Фиг.21 изображает вид сбоку J-образной стойки голени, суженной на каждом конце, для протеза стопы согласно изобретению.
Фиг.22 изображает вид, подобный Фиг.21, но показывающий J-образную стойку голени, толщина которой постепенно снижается лишь в направлении ее верхнего конца.
Фиг.23 изображает вид сбоку, слегка сверху, соединительного элемента из металлического сплава или пластика, используемого в регулируемом крепежном приспособлении изобретения для присоединения стойки голени к килю стопы, как показано на Фиг.3.
Фиг.24 изображает вид сбоку и слегка спереди адаптера пилона, используемого в протезе стопы с Фиг.3-5, а также используемого со стопой с Фиг.28 и 29, для присоединения стопы к пилону, который предназначен для присоединения к конечности человека с ампутированной ногой.
Фиг.25 изображает вид сбоку другого протеза стопы согласно изобретению, подобного протезу с Фиг.3, но показывающий использование соединительного элемента с двумя съемными крепежными элементами, разнесенными в продольном направлении, присоединяющими элемент к стойке голени и килю стопы соответственно.
Фиг.26 изображает увеличенный вид сбоку соединительного элемента с Фиг.25.
Фиг.27 изображает увеличенный вид сбоку стойки голени протеза стопы с Фиг.25.
Фиг.28 изображает вид сбоку дополнительного иллюстративного воплощения протеза стопы, подобного протезам с Фиг.3 и 25, в котором между соответствующими концами стойки голени присоединено демпфирующее ограничивающее движение устройство для ограничения количества движения верхнего конца стойки голени в ответ на приложение нагрузки и разгружение стойки голени в ходе использования протеза стопы.
Фиг.29 изображает вид спереди протеза стопы, видимый с левой стороны протеза стопы, изображенного на Фиг.28, показывающий продольный паз в стойке голени стопы.
Фиг.30 изображает вид сзади протеза стопы, при виде с правой стороны протеза стопы, показанного на Фиг.28.
Фиг.31 изображает вид снизу протеза стопы с Фиг.28.
Фиг.32 изображает вид сбоку стойки голени и киля стопы протеза стопы с Фиг.28, изображающий пример движения верхнего конца стойки голени, происходящего в результате нагружения и разгружения стойки голени в течение использования протеза стопы.
Фиг.33 изображает вид сбоку еще одного иллюстративного воплощения протеза стопы, подобного изображенным на Фиг.28-32, за исключением того, что упругий ремень используется для ограничения лишь хода расширения верхнего конца стойки голени.
Фиг.34 изображает вид сбоку другого воплощения протеза стопы, с выравнивающим соединительным устройством, расположенным на переходнике, присоединенном к верхнему концу стойки голени для крепления стопы к гильзе протеза, присоединенной к конечности человека с ампутированной ногой, выравнивающее соединительное устройство позволяет скользящее регулирование стопы относительно гильзы протеза медиально-латерально и вперед-назад.
Фиг.35 изображает вид спереди протеза стопы с Фиг.34, при виде с левой стороны стопы, показанной на Фиг.34.
Фиг.36 изображает вид сзади протеза стопы с Фиг.34, при виде с правой стороны стопы с Фиг.34.
Фиг.37 изображает вид сверху другого киля стопы для протеза правой стопы согласно изобретению, где задний конец стопы параллелен фронтальной плоскости, например, перпендикулярен продольной оси А-А стопы, и продольная ось F-F проксимальной вогнутости заднего отдела стопы также перпендикулярна продольной оси А-А.
Фиг.38 изображает вид сбоку киля стопы с Фиг.37, при виде в направлении с латеральной стороны киля стопы.
Фиг.39 изображает вид сверху дополнительного киля стопы согласно изобретению, подобного килю с Фиг.37 и 38, но имеющего продольную ось F-F проксимальной вогнутости заднего отдела стопы, составляющую тупой угол Δ' с продольной осью А-А, что делает латеральную опору заднего отдела стопы значительно длиннее и эластичнее, чем медиальная опора, для способствования выворачиванию стопы наружу при контакте пятки при ходьбе.
Фиг.40 изображает вид сбоку киля стопы с Фиг.39, видимого с латеральной стороны киля стопы.
Фиг.41 изображает вид сбоку дополнительного воплощения протеза стопы, имеющего упругое устройство, расположенное позади голени, присоединенное между верхним участком стойки голени и соединительным элементом, соединяющим стойку голени с килем стопы, устройство запасает энергию в пружинах устройства в ходе нагружения при ходьбе, и высвобождает запасенную энергию в ходе разгружения для увеличения кинетической энергии, вырабатываемой для движущей силы протезом стопы при ходьбе.
Фиг.42 изображает вид сзади протеза с Фиг.41.
Фиг.43 изображает вид сбоку дополнительного воплощения протеза стопы, имеющего устройство, расположенное позади голени, для увеличения кинетической энергии, вырабатываемой для движущей силы протезом стопы при ходьбе, где ремень регулируемой длины устройства натянут между верхним участком стойки голени и передним концом киля стопы.
Фиг.44 изображает вид сзади протеза с Фиг.43.
Фиг.45 изображает вид снизу протеза с Фиг.43 и 44, показывающий натяжной кабель, присоединенный к каждой стороне киля стопы, и простирающийся назад.
Фиг.46 изображает вид сбоку другого воплощения протеза стопы, в котором стойка голени и киль стопы, а также устройство, расположенное позади голени, монолитно сформированы, дистальный конец пружины устройства шарнирно присоединен к заднему участку киля стопы.
Фиг.47 изображает вид сзади протеза с Фиг.46.
Фиг.48 изображает вид сбоку воплощения протеза стопы, подобного показанному на Фиг.46 и 47, но где киль стопы, стойка голени и устройство, расположенное позади голени, монолитно сформированы при помощи трех расположенных бок о бок продольных отделений, способных свободно двигаться относительно друг друга на их дистальных концах, но соединенных на проксимальном конце стойки голени, причем центральное отделение шире, и его дистальная поверхность выше, чем у внешних отделений.
Фиг.49 изображает вид сверху протеза с Фиг.48.
Фиг.50 изображает вид спереди протеза с Фиг.48 и 49.
Фиг.51 изображает вид сзади протеза с Фиг.48 и 50.
Фиг.52 изображает вид сбоку другой формы стойки голени и киля стопы в соответствии с изобретением, где стойка выполнена как одно целое с задним участком киля стопы, который присоединен крепежными элементами к элементу протеза, образующему носок стопы и средний отдел стопы.
Фиг.53 изображает вид сверху стойки голени и киля стопы с Фиг.52.
Фиг.54 изображает вид сзади стойки голени и киля стопы с Фиг.52 и 53.
Подробное описание воплощений
Теперь со ссылкой на чертежи видно, что протез стопы 1 в иллюстративном воплощении с Фиг.3-5 содержит продольно проходящий киль 2 стопы, имеющий участок 3 носка стопы на одном конце, участок 4 заднего отдела стопы на противоположном конце, и выгибающийся вверх участок 5 среднего отдела стопы, проходящий между участками носка стопы и заднего отдела стопы. Участок 5 среднего отдела стопы выпуклым образом изогнут вверх на всем своем продольном протяжении между участками носка стопы и заднего отдела стопы, в иллюстративном воплощении.
Вертикальная стойка 6 голени стопы 1 присоединена на участке своего выпукло-изогнутого вниз нижнего конца 7 к проксимальной, задней поверхности участка 5 среднего отдела стопы киля при помощи съемного крепежного элемента 8 и соединительного элемента 11. Крепежный элемент 8 представляет собой один болт с гайкой и шайбами в иллюстративном воплощении, но может представлять собой съемный зажим или другой крепеж для прочного расположения и удержания стойки голени на киле стопы, когда крепеж затянут.
Продольно проходящее отверстие 9 выполнено в проксимальной задней поверхности участка 5 среднего отдела киля стопы, см. Фиг.8. Продольно проходящее отверстие 10 также выполнено на изогнутом нижнем конце 7 стойки 6 голени, как показано на Фиг.15, например. Съемный крепежный элемент 8 проходит сквозь отверстия 9 и 10, что позволяет регулировать выравнивание стойки голени и киля стопы относительно друг друга в продольном направлении, А-А на Фиг.5, когда крепежный элемент 8 ослабляется или снимается для настройки характеристик протеза стопы для выполнения конкретной задачи. Таким образом, крепежный элемент 8, соединительный элемент 11 и проходящие продольно отверстия 9 и 10 составляют регулируемое крепежное приспособление для присоединения стойки голени к килю стопы для образования голеностопной области протеза стопы.
Результат регулирования выравнивания стойки 6 голени и киля 2 стопы можно увидеть при рассмотрении Фиг.1 и 2, где два радиуса R1 и R2, один за другим, представляют смежные, обращенные друг к другу, куполообразные или выпукло-изогнутые поверхности среднего участка 5 киля стопы и стойки 6 голени. Когда два этих радиуса рассматриваются рядом друг с другом, существует возможность движения перпендикулярно тангенциальной линии, А на Фиг.1, A1 на Фиг.2, проведенной между двумя радиусами. Взаимосвязь между эти двумя радиусами определяет направление результирующего движения. Как следствие, приложение силы динамической отдачи стопы 1 зависит от этой взаимосвязи. Чем больше радиус вогнутости, тем больше показатель динамической отдачи. Однако чем меньше радиус, тем быстрее реакция.
Возможность выравнивания стойки голени и киля стопы в протезе стопы согласно изобретению позволяет сместить радиусы так, чтобы повлиять на горизонтальную или вертикальную линейные скорости стопы при спортивных мероприятиях. Например, для увеличения характеристики горизонтальной линейной скорости протеза стопы 1 может быть произведено регулирование выравнивания, с тем чтобы повлиять на взаимосвязь между радиусом стойки голени и радиусом киля стопы. То есть для улучшения характеристик горизонтальной линейной скорости донный радиус R2 киля стопы располагается более дистально, чем его начальное положение, Фиг.2 по сравнению с Фиг.1. Это изменяет показатели динамической отдачи и результирующего движения стопы 1 так, чтобы они были направлены более горизонтально, и в результате может быть достигнута большая горизонтальная линейная скорость при равной приложенной силе.
Человек с ампутированной ногой на практике может найти регулировку для каждого вида деятельности, которая отвечает его нуждам, если эти нужды касаются горизонтальной и вертикальной линейных скоростей. Например, прыгуну и баскетболисту требуется больше вертикального подъема, чем бегуну на короткие дистанции. Соединительный элемент 11 представляет собой выравнивающий соединительный элемент из пластика или металлического сплава (см. Фиг.3, 4 и 23), размещенный между скрепленными килем 2 стопы и стойкой 6 голени. Съемный крепежный элемент 8 проходит сквозь отверстие 12 в соединительном элементе. Соединительный элемент проходит вдоль соединенного участка стойки голени и проксимальной задней поверхности участка 5 среднего отдела киля стопы.
Изогнутый нижний конец 7 стойки 6 голени имеет форму параболы с наименьшим радиусом кривизны параболы, расположенным на нижнем конце, и увеличивающимся вверх, и изначально спереди имеющий форму параболы. Обращенная назад вогнутость выполнена искривлением стойки голени, как показано на Фиг.3. Форма параболы является преимущественной в том, что она обладает улучшенными показателями динамической отдачи в создании как улучшенной горизонтальной линейной скорости, связанной с относительно большим радиусом на его проксимальном конце, в то же время меньший радиус кривизны расположен на ее нижнем конце для более быстрых показателей отдачи. Больший радиус кривизны на верхнем конце параболической формы позволяет тангенциальной линии А, показанной на Фиг.1 и 2, оставаться в более вертикальной ориентации после изменений выравнивания, что создает увеличенную горизонтальную линейную скорость.
Параболическая форма стойки голени реагирует на силы реакции силы опоры при начальном контакте при ходьбе человека путем ее собственного сжатия или закручивания. Это делает радиус параболической кривой меньше и, следовательно, сопротивление сжатию снижается. Напротив, так как стойка голени параболической формы реагирует на силы противодействия опоры (GRF) при отрывании пятки при ходьбе человека путем расширения, это вынуждает радиус параболической кривой увеличиваться, и, как следствие, сопротивление намного больше, чем вышеупомянутое сопротивление сжатию. Эти сопротивления связаны с функцией передней и задней икроножных мышц человека при ходьбе. При начальном контакте плоской стопы при ходьбе человека меньшая передняя группа икроножных мышц реагирует на силы реакции опоры путем эксцентричного сокращения для снижения стопы к опоре и создается момент тыльного сгибания. От плоского положения стопы до отрывания носка большая задняя группа икроножных мышц реагирует на силы противодействия опоры также путем эксцентрического сжатия и создается больший момент подошвенного сгибания. Размер этого момента зависит от разницы в размерах передней и задней икроножных групп мышц. Следовательно, имитируется сопротивление стойки голени протеза моментам тыльного сгибания и подошвенного сгибания при ходьбе человека, и достигается нормальная походка. Изменяемое сопротивление параболических кривых имитирует функцию мускулатуры голени человека при ходьбе человека, а также беге и прыжках, и в результате достигается эффективность протеза.
Человек ходит со скоростью примерно три мили в час. Бегун на милю проходит дистанцию за 4 минуты со скоростью 12 миль в час, и спринтер проходит дистанцию в 100 метров за 10 секунд со скоростью 21 миля в час. Это составляет отношение 1:4:7. Горизонтальная составляющая каждой задачи возрастает с увеличением скорости действия. Следовательно, размер радиуса стойки голени протеза может быть определен предварительно. Ходоку требуется параболическая изогнутая стойка голени меньшего радиуса, чем необходимо бегуну на милю или спринтеру. Спринтеру необходима параболическая изогнутая стойка голени, которая в семь раз больше. Эта взаимосвязь показывает, как определить параболический радиус для ходока, бегуна и спринтера. Это важно, так как у спринтеров увеличенные требования к диапазону движения, и их стойки голени должны быть прочнее, для того чтобы принимать увеличенные нагрузки, связанные с этим видом активной деятельности. Более широкая или большая параболическая стойка голени будет представлять собой относительно более плоскую кривую, которая имеет большую структурную прочность при увеличенном диапазоне движения.
Адаптер 13 пилона присоединен к верхнему концу стойки 6 голени при помощи крепежных элементов 14. Адаптер 13 в свою очередь прикреплен к нижнему концу пилона 15 крепежными элементами 16. Пилон 15 прикреплен к нижней конечности человека с ампутированной ногой при помощи опорной конструкции (не показано), присоединенной к культе ноги.
Участки носка стопы, среднего отдела стопы и заднего отдела стопы киля 2 стопы выполнены как одна деталь из упругого материала в иллюстративном воплощении. Например, может быть использован цельный кусок материала, пластичного по своей природе, обладающего свойствами поддержания формы при ее изменении силами противодействия опоры. Более подробно киль стопы, а также стойка голени могут быть сформированы из слоистого композитного материала, имеющего упрочняющий волокнистый материал, ламинированный полимерной матрицей. В частности, высокопрочный графит, ламинированный эпоксидными термореактивными смолами, или экструдированный пластик, используемый под торговым названием Delran, или дегазированные сополимеры полиуретана могут быть использованы для формирования киля стопы, а также стойки голени. Функциональные качества, присущие этим материалам, предоставляют высокую прочность при низком весе и минимальной ползучести. Термореактивные эпоксидные смолы ламинируются в условиях вакуума при использовании стандартов протезной промышленности. Сополимеры полиуретана могут быть залиты в негативную форму, и экструдированный пластик может быть подвергнут машинной обработке. Каждый из используемых материалов обладает собственными преимуществами и недостатками. Оказалось, что слоистый композитный материал для киля стопы и стойки голени может также преимущественно являться термоформованным ламинированным композитным материалом (препрегом), изготовленным по промышленным стандартам, с упрочняющим волокном и термопластичным полимерным матричным материалом для превосходных показателей механического расширения. Подходящим коммерчески доступным композитным материалом такого типа является CYLON®, производимый Cytec Fiberite Inc. of Havre de Grace, Maryland. Стойка голени и киль стопы могут также представлять собой упругие металлические элементы, выполненные, например, из пружинной стали, нержавеющей стали, титанового сплава или другого металлического сплава.
Физические свойства упругого материала, относящиеся к жесткости, упругости и прочности, определяются толщиной материала. Более тонкий материал будет изгибаться легче, чем более толстый материал той же плотности. Используемый материал, а также его физические свойства связаны с характеристиками от жесткости до упругости киля протеза стопы и стойки голени. Толщина киля стопы и стойки голени равномерная или симметричная в иллюстративном воплощении с Фиг.3-5, но толщина вдоль длины этих компонентов может изменяться, как описано ниже, например области носка и пятки стопы могут быть тоньше и могут быть более подвержены изгибу, чем участок среднего отдела стопы.
Для обеспечения протезу стопы 1 высоких и низких показателей динамической отдачи участок 5 среднего отдела стопы образован продольной дугой, такой, что медиальная часть продольной дуги обладает относительно более высоким показателем динамической отдачи, нежели латеральная часть продольной дуги. В этих целях, в иллюстративном воплощении, вогнутость медиальной части продольной дуги имеет больший радиус, чем ее латеральная часть.
Взаимосвязь между размерами радиусов вогнутости медиальной и латеральной частей продольной дуги участка 5 среднего отдела стопы также ограничивается передней и задней областями плантарных поверхностей, несущих нагрузку, киля 2 стопы. Линия T1-T2 переднего отдела участка 5 на Фиг.8 представляет переднюю плантарную поверхность, несущую нагрузку. Линия P1-P2 представляет заднюю плантарную поверхность, несущую нагрузку, участка 5. Плантарные поверхности, несущие нагрузку, по латеральной стороне стопы представлены расстоянием между T1-P1. Плантарные поверхности, несущие нагрузку, по медиальной стороне стопы 2 представлены расстоянием между Р2-Т2. Расстояния, представленные T1-P1 и Р2-Т2, ограничивают размер радиуса, и в результате определяется взаимоотношение между высокой и низкой динамической отдачей, на которое может повлиять схождение или расхождение этих двух линий T1-Т2 и P1-Р2. В результате структурной конструкцией может быть определена высокая и низкая динамическая отдача. Линия T1-Т2 плантарной поверхности, несущей нагрузку, носка стопы может быть отклонена всего на 5° от нормали к продольной оси А-А киля стопы для создания этой высокой и низкой динамической отдачи, Фиг.8.
Задний конец 17 участка 4 заднего отдела стопы имеет форму изгибающейся вверх дуги, которая реагирует на силы противодействия опоры в ходе соударения пятки путем сжатия для демпфирования. Пятка, образованная участком 4 заднего отдела стопы, образована задним латеральным углом 18, который занимает наиболее удаленное назад и вбок положение, чем медиальный угол 19, для способствования вывороту заднего отдела стопы наружу в ходе начальной фазы контакта при ходьбе. Передний конец 20 участка 3 носка стопы имеет форму изогнутой вверх дуги для имитации пальцев человека, осуществляющих тыльное сгибание при положении подъема пятки относительно носка на более позднем этапе опорной фазы ходьбы. Резиновые или пенопластовые подкладки 63 и 64 предусмотрены снизу носка стопы и заднего отдела стопы в качестве амортизаторов.
Улучшенная способность бипланарного движения протеза стопы создается при помощи медиального и латерального отверстий 21 и 22 компенсационных швов, проходящих через участок 3 носка стопы между его тыльной (дорсальной) и плантарной (подошвенной) поверхностями. Компенсационные швы 23 и 24 проходят вперед от соответствующих отверстий к переднему краю участка носка стопы для образования медиальной, центральной и латеральной компенсационных опор 25-27, которые создают улучшенную способность бипланарного движения участка носка стопы киля стопы. Отверстия 21 и 22 компенсационных швов расположены вдоль линии, В-В на Фиг.5, в поперечной плоскости, которая проходит под углом α в 35° к продольной оси А-А киля стопы, причем медиальное отверстие 21 компенсационного шва располагается впереди относительно латерального отверстия 22 компенсационного шва.
Угол α, который линия В-В составляет с продольной осью А-А на Фиг.5, может быть равен всего лишь 5° и, тем не менее, способствовать получению высокой и низкой динамической отдачи. Если этот угол α меняется, также должен изменяться угол Z линии Т1-Т2 на Фиг.8. Отверстия 21, 22 компенсационных швов, при проекции в сагиттальной плоскости, наклонены под углом 45° к поперечной плоскости, причем тыльная часть отверстий лежит впереди плантарной части. При таком расположении расстояние от съемного крепежного элемента 8 до латерального отверстия 22 компенсационного шва короче, чем расстояние от съемного крепежного элемента до медиального отверстия 21 компенсационного шва, так что латеральный участок протеза стопы 1 имеет более короткое плечо рычага до носка, чем медиальный участок, для того чтобы средний отдел стопы мог обладать высокой и низкой динамической отдачей. Дополнительно расстояние от съемного крепежного элемента 8 до латеральной плантарной поверхности, несущей нагрузку, обозначенной линией T1, короче, чем расстояние от съемного крепежного элемента до медиальной плантарной поверхности, несущей нагрузку, представленной линией Т2, так что латеральный участок протеза стопы 1 имеет более короткое плечо рычага до носка, чем медиальный участок, для того чтобы средний отдел стопы мог обладать высокой и низкой динамической отдачей.
Передняя часть участка 4 заднего отдела стопы киля 2 стопы дополнительно включает в себя отверстие 28 компенсационного шва, проходящее сквозь участок 4 заднего отдела стопы между его тыльной и плантарной поверхностями. Компенсационный шов 29 проходит назад от отверстия 28 к заднему краю участка заднего отдела стопы для образования компенсационных опор 30 и 31. Таким образом обеспечивается улучшение способности бипланарного движения участка заднего отдела стопы протеза стопы. Альтернативно каждое из отверстий 28, 21 и 22 компенсационных швов может иметь другое маленькое отверстие, 28А, 21А и 22А, Фиг.8, просверленное в области рядом с компенсационным швом в качестве отверстия для снятия напряжений. Дополнительное маленькое отверстие переориентирует волновую картину и снижает образование трещин и/или разрывов киля стопы.
Тыльная сторона участка 5 среднего отдела стопы и участка 3 носка стопы киля 2 стопы формируют обращенную вверх вогнутость 32 на Фиг.3, так что она имитирует функцию пятой лучевой оси движения стопы человека. То есть вогнутость 32 имеет продольную ось С-С, которая составляет угол β от 5° до 35° с продольной осью А-А киля стопы, причем ее медиальная точка находится впереди латеральной для способствования движению вокруг пятой лучевой оси при ходьбе в качестве наклонной оси низкой передачи при повороте от второй до пятой плюсневых костей в стопе человека.
Важность способности бипланарного движения можно оценить, когда человек с ампутированной ногой идет по неровной местности или когда спортсмен наклоняет стопу в центр или вбок. Направление вектора силы противодействия опоры изменяется от сагиттальной ориентации до имеющего компонент во фронтальной плоскости. Опора будет давить медиально в направлении, противоположном направлению латерального давления стопы. Вследствие этого стойка голени наклонится к центру, и вес будет прилагаться на медиальную структуру киля стопы. В ответ на эти давления медиальные компенсационные опоры 25 и 31 киля стопы 2 совершат тыльный изгиб (загнутся вверх) и вывернутся внутрь, и латеральные компенсационные опоры 27 и 30 совершат плантарный изгиб (загнутся вниз) и вывернутся наружу. Это движение стремится поставить плантарную поверхность стопы плоско на опору (плантарный наклон).
Другой киль 33 стопы согласно изобретению, предназначенный специально для спринта, может быть использован в протезе стопы согласно изобретению, см. Фиг.6 и 7. Центр тяжести тела при спринте сориентирован практически исключительно в сагиттальной плоскости. Нет необходимости в том, чтобы протез стопы обладал низкими показателями динамической отдачи. Следовательно, наружный поворот на угол от 5° до 35° продольной оси вогнутости носка стопы и среднего отдела стопы, как в киле 2 стопы, не нужен. Напротив, ориентация D-D продольной оси вогнутости должна быть параллельна фронтальной плоскости, как показано на Фиг.6 и 7. Это вынуждает стопу для спринта реагировать лишь в сагиттальном направлении. Более того, ориентация отверстий 34 и 35 компенсационных швов на участках носка стопы и среднего отдела стопы, вдоль линии Е-Е, параллельная фронтальной плоскости, т.е. латеральное отверстие 35 перемещено вперед и лежит с медиальным отверстием 34 на одной линии, параллельной фронтальной плоскости. Передний конец 36 киля 33 стопы также параллелен фронтальной плоскости. Задняя конечная область 37 пятки киля стопы также параллельна фронтальной плоскости. Эти изменения отрицательно влияют на многофункциональность применений протеза стопы. Однако их рабочие характеристики становятся предназначенными для выполнения конкретной задачи. Другое изменение в киле 33 стопы для спринта заключается в том, что тыльный изгиб на 15° в носочной лучевой области участка носка стопы киля 2 стопы возрастает до 25-40° тыльного изгиба в киле 33 стопы.
На Фиг.9 и 10 изображен дополнительный киль 38 стопы согласно изобретению для протеза стопы, в частности применяемого для бега на короткие дистанции человека с ампутированной ногой, которому ампутировали стопу по методу Сайма. В этих целях участок среднего отдела стопы киля 38 стопы включает в себя заднюю обращенную вверх вогнутость 39, в которой изогнутый нижний конец стойки голени присоединяется к килю стопы при помощи съемного крепежа. Этот киль стопы может использоваться всеми людьми с ампутированными нижними конечностями. Киль 38 стопы способен принимать более длинную остаточную конечность, которая присутствует у человека с ногой, ампутированной на уровне Сайма. Его рабочие характеристики заметно быстрее в показателях динамической отдачи. Его использование не ограничивается этим уровнем ампутации. Он может быть использован для всех ампутаций на уровне большой берцовой кости и бедренной кости. Киль 40 стопы в иллюстративном воплощении на Фиг.11 и 12 также имеет вогнутость 41 для человека с ногой, ампутированной на уровне Сайма, киль стопы обеспечивает протезу стопы высокие и низкие показатели динамической отдачи, а также возможность бипланарного движения подобно иллюстративному воплощению с Фиг.3-5 и 8.
Функциональные особенности некоторых килей стопы для протеза стопы 1 связаны с формой и конструктивными особенностями, то есть вогнутостями, выпуклостями, размерами радиусов, расширением, сжатием и физическими свойствами материалов - все эти свойства влияют на реакцию на силы противодействия опоры при ходьбе, беге и прыжках.
Киль 42 стопы на Фиг.13 подобен килю в иллюстративном воплощении на Фиг.3-5 и 8, за исключением того, что толщина киля стопы сужается от участка среднего отдела стопы к задней части заднего отдела стопы. Киль 43 стопы на Фиг.14 имеет толщину, постепенно уменьшающуюся или сужающуюся как к переднему, так и к заднему концам. Подобные изменения толщины показаны в стойке 44 голени на Фиг.15 и стойке 45 голени на Фиг.16, которые могут быть использованы в протезе стопы 1. Каждая конструкция киля стопы и стойки голени создает различные функциональные результаты, эти функциональные результаты относятся к горизонтальной и вертикальной линейным скоростям, которые являются особенными для улучшения рабочих характеристик при различных задачах, связанных со спортивными мероприятиями. Возможность многочисленных конфигураций стойки голени и регулирования настроек между килем стопы и стойкой голени создают такую взаимосвязь между протезом стопы и стойкой голени, чтобы человек с ампутированной ногой и/или протезист мог настроить протез стопы для получения максимальных рабочих характеристик в одном из широкого разнообразия спортивных и развлекательных мероприятий.
Другие стойки голени для протеза стопы 1 показаны на Фиг.17-22 и включают в себя С-образные стойки 46 и 47 голени, S-образные стойки 48 и 49 голени и J-образные стойки 50 и 51 голени. Верхний конец стойки голени также может иметь прямой вертикальный конец с пирамидальной соединительной пластиной, присоединенной к этому проксимальному концу. Охватываемая пирамида может быть присоединена при помощи болта к этому вертикальному концу стойки голени и сквозь него, как показано на Фиг.28-30 и 33-36. Другое воплощение проксимального соединения стойки может представлять собой переднюю и/или заднюю сторону гильзы ампутированной ноги и/или другие компоненты протеза. Пластиковые или алюминиевые заполнители для приема проксимальной охватываемой пирамиды и дистального киля стопы могут быть также предусмотрены в вытянутых отверстиях на проксимальном и дистальном концах стойки голени. Протез стопы согласно настоящему изобретению представляет собой модульную систему, предпочтительно сконструированную из стандартизированных блоков или размеров для приспособляемости и разнообразия применений. Пример пирамидальной соединительной пластины, присоединенной к проксимальному концу стойки голени, показан позицией 88 в воплощении на Фиг.28.
Любые виды бега по беговой дорожке происходят в направлении против часовой стрелки. Другая дополнительная особенность изобретения учитывает силы, воздействующие на стопу, продвигающуюся вдоль такого искривленного пути. Центростремительное ускорение воздействует в направлении центра вращения, когда объект движется по искривленной траектории. Третий закон Ньютона применим к действию энергии. Существует равная и противоположно направленная реакция. Таким образом, для каждой силы, направленной в центр, существует сила, направленная от центра. Центростремительная сила воздействует в направлении центра вращения, а центробежная сила, сила реакции, воздействует в направлении от центра вращения. Если спортсмен бежит по кривой на беговой дорожке, центростремительная сила тянет бегуна к центру кривой, в то время как центробежная сила тянет его от центра кривой. Для противодействия центробежной силе, которая стремится отклонить бегуна наружу, бегун наклоняется внутрь. Если направление вращения бегуна на траектории всегда против часовой стрелки, тогда левая сторона обращена к внутренней стороне трассы. Следовательно, в соответствии с особенностью настоящего изобретения левая сторона стоек голеней правого и левого протезов стопы может быть тоньше, чем правая сторона, и рабочие характеристики бега по кривой бегуна с ампутированной ногой могут быть улучшены.
Каждый из килей 2, 33, 38, 42 и 43 стопы в некоторых воплощениях имеет длину 29 см, в пропорции со стопой 1, показанной в масштабе на Фиг.3, 4 и 5, и на некоторых видах различных стоек голени и килей стопы. Однако специалистам в данной области техники ясно, что конкретные размеры протеза стопы могут быть изменены в зависимости от размера, веса и других характеристик человека с ампутированной ногой, для которого предназначается стопа. Длина стойки голени и ее удельная потенциальная энергия деформации создают ее потенциал и способность запасания энергии упругой деформации. Эта запасенная энергия упругой деформации при помощи механической структуры переходит в кинетическую энергию, которая становится векторной силой, имеющей определенное направление и величину. Поэтому чем больше длина стойки, тем больше движущая сила. Проксимальная точка соединения стойки для спортсменов высокого класса должна поддерживаться настолько проксимально, насколько это позволяют компоненты протеза.
Теперь будет рассмотрена работа протеза стопы 1 в фазовых позициях шагового цикла при ходьбе и беге. Три закона движения Ньютона, относящиеся к закону инерции, ускорения и действия и противодействия, лежат в основе кинематики движения стопы 2. Из третьего закона Ньютона, закона действия и противодействия, известно, что опора давит на стопу в направлении, равном и противоположном направлению, в котором стопа давит на опору. Они известны как силы противодействия опоры. Были проведены многочисленные научные исследования, относящиеся к ходьбе, бегу и прыжкам человека. Исследования силы на плоскости показали, что при ходьбе действует третий закон Ньютона. Из этих исследований нам известно направление, в котором опора давит на стопу.
Фаза позиций при ходьбе или беге может быть дополнительно разбита на фазы замедления и ускорения. Когда протез стопы соприкасается с опорой, стопа давит спереди на опору и опора в ответ давит в равном и противоположном направлении, то есть опора давит сзади на протез стопы. Эта сила заставляет протез стопы двигаться. Анализ фазы позиций ходьбы и бега начинается с точки контакта между задним латеральным углом 18, Фиг.5 и 8, который наиболее удален назад и вбок, чем медиальная сторона стопы. Это удаление при начальном контакте вынуждает стопу выворачиваться наружу, а стойку голени плантарно сгибаться. Стойка голени всегда стремится занять положение, в котором вес тела передается через стойку, например, он стремится занять такое положение, чтобы ее длинный вертикальный элемент занял положение, противоположное силам противодействия опоры. Поэтому он движется назад - плантарно изгибается - для противостояния силе противодействия опоры, которая сзади давит на стопу.
Силы противодействия опоры вынуждают стойки 44, 45, 46, 47, 50 и 51 голени сжиматься, причем их проксимальные концы движутся назад. В стойках 48, 49 голени дистальная половина стойки голени будет сжиматься в зависимости от ориентации дистальных вогнутостей. Если дистальная вогнутость сжалась в ответ на силы противодействия опоры, проксимальная вогнутость будет расширяться, и весь блок стойки голени будет двигаться назад. Силы противодействия опоры вынуждают стойку голени сжиматься, причем ее проксимальный конец перемещается назад. Нижний малый радиус стойки голени сжимается, имитируя плантарный изгиб голеностопного сустава человека, и носок стопы снижается путем прижатия к опоре. В то же время задний участок киля, представленный задним отделом стопы 4, обозначенный позицией 17, поворачивается вверх при помощи сжатия. Обе эти силы сжатия действуют как амортизаторы. Эта амортизация дополнительно усиливается отдалением назад и вбок участка 18 пятки, что вынуждает стопу выворачиваться наружу, а также оказывает демпфирующее действие, сразу после того, как стойка голени перестала двигаться в направлении плантарного изгиба, и когда опора давит на стопу сзади.
Сжатые элементы киля стопы и стойки голени затем начинают сбрасывать нагрузку, то есть они стремятся принять свою изначальную форму, и запасенная энергия высвобождается, что вынуждает проксимальный конец стойки голени двигаться вперед ускоренным образом. Когда стойка голени приближается к своему вертикальному начальному положению, силы противодействия опоры начинают давить на стопу не сзади, а вертикально вверх. Так как протез стопы имеет области задней и передней плантарных поверхностей, несущих нагрузку, и эти области соединены ненагруженным длинным дугообразным средним участком, вертикально направленные силы протеза вынуждают длинный дугообразный средний участок нагружаться путем расширения. Задняя и передняя поверхности, несущие нагрузку, расходятся. Эти вертикально направленные силы запасены в длинном дугообразном среднем участке стопы, когда силы противодействия опоры переходят от вертикального направления к переднему направлению. Стойка голени расширяется, имитируя тыльное сгибание лодыжки. Это вынуждает протез стопы поворачиваться относительно передней плантарной поверхности, несущей нагрузку. Когда происходит ослабление нагрузки, продольная дуга участка 5 среднего отдела стопы и расширенная стойка переходят из расширенной в изначальную форму, что создает имитацию траектории и результата перемещения группы сгибающих мышц. Следовательно, механические структуры протеза освобождают запасенную энергию упругой деформации и она переходит в кинетическую энергию.
Длинная дуга киля стопы и стойки голени противостоит расширению их соответствующих структур. Следовательно, продвижение вперед стойки голени останавливается, и стопа начинает поворачиваться относительно области передней поверхности, несущей нагрузку. Расширение участка среднего отдела стопы киля стопы обладает высокими и низкими показателями отдачи в случае килей стопы согласно иллюстративным воплощениям Фиг.3-5 и 8, Фиг.11 и 12, Фиг.13 и Фиг.14. Так как область перехода от среднего отдела стопы к носку стопы этих килей стопы отклонена на 15-35° наружу относительно продольной оси стопы, медиальная длинная дуга длиннее, чем латеральная длинная дуга. Это важно, так как в обычной стопе, в ходе ускорения или замедления, используется медиальная область стопы.
Более длинная медиальная дуга протеза стопы обладает большим показателем динамической отдачи, чем латеральная. Латеральное более короткое плечо рычага до носка используется при ходьбе или беге с более низкой скоростью. Центр тяжести тела движется через пространство по синусоидальной кривой. Он движется медиально, латерально, проксимально и дистально. При ходьбе или беге с более низкой скоростью центр тяжести тела движется более медиально и в латеральном направлении, нежели при быстрой ходьбе или беге. Дополнительно момент инерции меньше, и способность преодолевать более высокую динамическую отдачу меньше. Протез стопы согласно изобретению способен удовлетворять этим принципам прикладной механики.
Дополнительно в среднем положении шагового цикла человека центр тяжести тела находится наиболее удаленно в латеральном направлении. От среднего положения до отрывания носка центр тяжести тела (BCG) перемещается от латерального положения к медиальному. Следовательно, сначала (на низкой передаче) центр тяжести тела продвигается по латеральной стороне киля 2 стопы, и по мере продвижения центра тяжести тела вперед он перемещается медиально по килю 2 стопы (на высокой передаче). Таким образом, киль 2 протеза стопы обладает эффектом автоматической передачи. То есть он начинается с низкой передачи и переходит на высокую передачу при каждом шаге, совершаемом человеком с ампутированной ногой.
Когда силы противодействия опоры давят спереди на протез стопы, который давит сзади на опору, когда пятка начинает подниматься, передний участок длинной дуги участка среднего отдела стопы принимает такую форму, чтобы эти направленные назад силы стали перпендикулярны его плантарной поверхности. Это наиболее действенный и эффективный способ для приложения этих сил. То же можно сказать о заднем участке заднего отдела стопы протеза стопы. Он также имеет такую форму, чтобы направленные назад силы противодействия опоры при начальном контакте были противоположны плантарной поверхности киля стопы, которая перпендикулярна направлению приложенной силы.
На более поздних этапах поднятия пятки, отрывания носка при ходьбе и беге лучевой участок носка стопы совершает тыльный изгиб на 15-35°. Эта простирающаяся наверх дуга позволяет направленным вперед силам противодействия опоры сжимать этот участок стопы. Этому сжатию оказывается меньше сопротивления, чем расширению, и возникает плавный переход к фазе маха (полета) при ходьбе и беге с протезом стопы. На более поздних этапах фазы позиций при ходьбе, расширенная стойка голени и расширенная длинная дуга среднего отдела стопы высвобождают свою запасенную энергию, усиливая продвижение вперед и вверх нижней конечности и центра тяжести тела человека с ампутированной ногой.
Один из основных механизмов продвижения при ходьбе человека называется фазой активного продвижения. Когда пятка поднимается, вес тела переносится вперед опорной конечности, и центр тяжести снижается. Когда вес тела переносится на закругленную часть носка стопы, на Фиг.5 линия С-С, возникает направленное вниз ускорение, что приводит к наибольшей вертикальной силе, действующей на тело. Перемещение ноги вперед лодыжки, связанное с поднятием пятки, приводит к тому, что последняя отрывается от опоры. Так как центр давления перемещается вперед к оси вращения плюсневых костей, возникает непрерывно возрастающий момент тыльного сгибания. Это создает ситуацию полного падения вперед, которая создает основную движущую силу, используемую при ходьбе. Признаками эффективной работы лодыжки в ходе активного продвижения являются подъем пятки, минимальное движение в суставе и практически нейтральное положение лодыжки. Устойчивость среднего отдела стопы является существенной для нормальной последовательности действий при подъеме стопы.
Задние участки заднего отдела стопы и переднего отдела стопы киля стопы включают в себя отверстия компенсационных швов и компенсационные опоры в некоторых воплощениях, как отмечено ранее. Ориентация отверстий компенсационных швов выполняет роль углового шарнира, и улучшаются характеристики бипланарного движения для улучшения общих характеристик контакта плантарной поверхности стопы при ходьбе по неровной местности.
Кили стопы для ноги, ампутированной по методу Сайма, на Фиг.19-20, заметно отличаются по показателям динамической отдачи, так как эти показатели связаны с ходьбой, бегом и прыжками. Эти кили стопы отличаются по четырем отличительным признакам. Они включают в себя присутствие вогнутости в проксимальной задней части участка среднего отдела стопы для лучшего совмещения с формой дистальной оставшейся конечности по методу Сайма, нежели плоская поверхность. Эта вогнутость также снижает высоту киля стопы, который способен совмещаться с более длинной оставшейся конечностью, присутствующей у человека с ногой, ампутированной по методу Сайма. Выравнивающая вогнутость требует, чтобы соответствующие передний и задний радиусы среднего отдела дугообразного киля стопы были более крутыми и имели меньший размер. Следовательно, как радиус длинной дуги среднего отдела стопы, так и радиус заднего отдела стопы являются более крутыми и меньшими. Это заметно влияет на показатели динамической отдачи. Меньший радиус создает меньше потенциала для динамической отдачи. Однако протез стопы быстрее реагирует на все вышеуказанные силы опоры при ходьбе, беге и прыжках. В результате получается более быстрая стопа с меньшей динамической отдачей.
Улучшение рабочих качеств, предназначенных для выполнения конкретной спортивной задачи, может быть достигнуто при помощи изменений в выравнивании при помощи протеза стопы согласно изобретению, так как эти изменения выравнивания влияют на вертикальную и горизонтальную составляющие каждой задачи. Стопа человека представляет собой многофункциональный блок - она ходит, бегает и прыгает. С другой стороны структура человеческой большой берцовой кости и малой берцовой кости голени не является многофункциональным блоком. Она представляет собой простой рычаг, который прикладывает свою силу при ходьбе, беге и прыжках параллельно ее продольной ориентации от проксимального конца к дистальному. Она имеет несжимаемую структуру и не имеет потенциала для запаса энергии. С другой стороны, протез стопы согласно изобретению обладает способностями динамической отдачи, эти способности динамической отдачи связаны с горизонтальной и вертикальной составляющими линейной скорости спортивной ходьбы, бега и прыжков, и превосходит большую и малую берцовые кости человека. Следовательно, существует возможность улучшения спортивных рабочих характеристик человека с ампутированной ногой. В этих целях согласно настоящему изобретению крепежный элемент 8 ослабляется, и выравнивание стойки голени и киля стопы относительно друг друга регулируется в продольном направлении киля стопы. Такое изменение показано на Фиг.1 и 2. Стойка голени затем крепится к килю стопы в отрегулированном положении при помощи крепежного элемента 8. В ходе этого регулирования болт крепежного элемента 8 скользит относительно одного или обоих противоположных, относительно удлиненных, продольно проходящих отверстий 9 и 10 в киле стопы и стойке голени соответственно.
Изменение в выравнивании, которое улучшает рабочие характеристики бегуна, который создает начальный контакт с опорой подошвой стопы, т.е. совершает удар средним отделом стопы, для этого бегуна например, киль стопы перемещен вперед относительно стойки голени, и стопа плантарно изогнута на стойке голени. Это новое отношение улучшает горизонтальный компонент бега. Т.е. когда стойка голени плантарно изогнута к стопе, и стопа создает контакт с опорой в положении плоско расположенной стопы, в отличие от начального контакта пятки, опора мгновенно начинает давить сзади на стопу, которая давит на опору спереди. Это вынуждает стойку голени быстро переместиться вперед (путем расширения) и вниз. Силы динамической отдачи создаются путем расширения, которое противодействует направлению начального движения стойки голени. Следовательно, стопа поворачивается относительно плантарной поверхности плюсны, несущей нагрузку. Это вынуждает участок среднего отдела стопы киля расширяться, чему оказывается больше сопротивления, чем сжатию. Суммарное воздействие расширения стойки голени и расширения среднего отдела стопы состоит в том, что дальнейшему продвижению вперед стойки голени оказывается сопротивление, что позволяет расширяющимся частям колена и бедра тела человека переместить центр тяжести тела вперед и проксимально более эффективным способом (т.е. с улучшенной горизонтальной скоростью). В этом случае перемещение происходит больше вперед, чем вверх, чем в случае бегуна, который движется с пятки на носок, продвижению вперед стойки голени которого оказывается меньше сопротивления, при начальном движении стойки голени у которой совершается больше тыльного сгибания (движение осуществляется более вертикально), чем у бегуна, который опирается на плоскую поверхность стопы.
Для практического анализа стопы, предназначенной для спринта, выполняется изменение выравнивания стойки голени и киля стопы. Преимущество имеет киль стопы, все продольные оси вогнутостей которого сориентированы параллельно фронтальной плоскости. Стойка голени плантарно изогнута и отведена назад на киле стопы. Это уменьшает дистальную окружность даже больше, чем у бегуна, опирающегося на плоскую поверхность стопы, при помощи многофункционального киля стопы, подобного изображенному на Фиг.3-5 и 8, например. Следовательно, существует еще больший потенциал горизонтального движения, и динамическая отдача направлена по этой улучшенной горизонтальной составляющей.
У спринтеров увеличенный диапазон движения, сил и момента (инерции) - момент является основной движущей силой. Так как их фаза замедления короче, чем фаза ускорения, достигается увеличение горизонтальных линейных скоростей. Это означает, что при начальном контакте, когда носок касается опоры, опора давит сзади на стопу, и стопа давит спереди на опору. Стойка голени, обладающая увеличенной силой и моментом инерции, вынуждена еще больше сгибаться и двигаться вниз, чем при начальном контакте бегуна, опирающегося на плоскую стопу. Вследствие этих сил вогнутость длинной дуги стопы нагружается расширением, и стойка голени нагружается расширением. Этим силам расширения оказывается наибольшее противодействие, чем всем другим вышеупомянутым силам, возникающим при беге. Следовательно, показатель динамической отдачи стопы пропорционален приложенной силе. Отдача стойки голени человеческой большой и малой берцовых костей связана лишь с потенциалом энергии - она представляет собой прямую структуру и не способна запасать энергию. Эти силы расширения при спринте в протезе стопы согласно изобретению больше по абсолютной величине, чем все прочие вышеупомянутые силы, возникающие при ходьбе или беге. Следовательно, показатель динамической отдачи стопы пропорционален приложенным силам, и возможно увеличение спортивных рабочих характеристик человека с ампутированной ногой по сравнению с работой тела человека.
Протез стопы 53, изображенный на Фиг.25, подобен протезу с Фиг.3, за исключением регулируемого крепежного приспособления между стойкой голени и килем стопы, и конструкции верхнего конца стойки голени для соединения с нижним концом протеза нижней конечности без стопы. В этом иллюстративном воплощении киль 54 стопы с возможностью регулирования присоединен к стойке 55 голени при помощи соединительного элемента 56 из пластика или металлического сплава. Соединительный элемент присоединен к килю стопы и стойке голени при помощи соответствующих съемных крепежных элементов 57 и 58, которые находятся на расстоянии друг от друга в соединительном элементе вдоль продольного направления киля стопы. Крепежный элемент 58, соединяющий соединительный элемент со стойкой голени, расположен позади крепежного элемента 57, соединяющего киль стопы с соединительным элементом. Путем увеличения рабочей длины стойки голени, таким способом, возрастают показатели динамической отдачи стойки голени. Изменения в выравнивании могут быть выполнены при помощи продольно проходящих отверстий в стойке голени и киле стопы, как и в других иллюстративных воплощениях.
Верхний конец стойки 55 голени оборудован вытянутым отверстием 59 для приема пилона 15. После помещения в отверстие пилон может быть прочно прикреплен к стойке голени при помощи затяжки болтов 60 и 61 для сведения свободных боковых граней 62 и 63 стойки голени вместе вокруг отверстия. Это присоединение пилона может быть с легкостью отрегулировано при помощи ослабления болтов, выдвижения пилона относительно стойки голени до желаемого положения и повторного зажатия пилона в отрегулированном положении путем затяжки болтов.
Протез стопы 70, изображенный на Фиг.28-32, подобен протезам, показанным на Фиг.3-5, 8, 23 и 24 и Фиг.25-27, но дополнительно включает в себя ограничитель диапазона движения стойки голени и демпфирующее устройство 71 на стопе для ограничения количества движения верхнего конца стойки голени при нагружении и разгружении стойки голени в ходе использования стопы человеком с ампутированной ногой. Эта особенность, в частности, полезна для протезов стопы, имеющих относительно длинную стойку голени, если пользователь занят в таких мероприятиях, как бег или прыжки, при которых в стойке голени вырабатываются силы, во много раз превышающие вес тела пользователя, например при беге в 5-7 раз и при прыжках в 11-13 раз превышающие вес тела. И наоборот, силы, вырабатываемые при ходьбе, лишь в 1-1,5 раза превышают вес тела.
Устройство 71 в иллюстративном воплощении представляет собой действующий в двух направлениях цилиндропоршневой блок, в котором сжатая текучая среда, газ, такой как воздух, или гидравлическая жидкость, подаются через соответствующие фитинги 73 и 74. Устройство имеет два варьируемых органа управления, один для сжатия, один для расширения, которые делают возможным регулирование допустимого количества движения верхнего конца стойки 72 как при сжатии, так и при расширении стойки голени при приложении силы и разгружении. Устройство 71 также гасит энергию, запасаемую или высвобождаемую в ходе сжатия и расширения стойки голени. Противоположные концы цилиндропоршневого устройства 71 присоединены к верхнему концу стойки голени и к нижнему участку стопы, и предпочтительно в иллюстративном воплощении к соответствующим концам стойки голени в шарнирных соединениях 75 и 76, которые предпочтительно представляют собой сферические шарниры.
Движение верхнего конца стойки 72 голени стопы 70 при сжатии и расширении стойки голени изображено на Фиг.32. В основном параболическая форма стойки голени такова, что верхний конец стойки голени может двигаться в продольном направлении относительно киля 77 стопы, и нижний конец стойки голени присоединен к нему, например, вдоль линии А-А с Фиг.5 и 32 при сжатии и расширении стойки голени при приложении к нему силы и при снятии нагрузки. Таким образом, улучшенные показатели динамической отдачи протеза стопы поддерживаются в иллюстративном воплощении с Фиг.28-32.
Устройство 71 не ограничивается описанным цилиндропоршневым блоком, оно может представлять собой другое устройство, контролирующее скорость и/или ограничивающее движение. Например, очевидно, что демпфирующим устройством 71, ограничивающим диапазон движения назад, используемым в стойке голени протеза стопы, может являться гидравлический блок, управляемый микропроцессором, с управлением фазами сжатия и расширения, например такой, как используется для управления движением в искусственном коленном суставе. В таком случае оборудуются бортовые датчики, которые считывают и адаптируются к индивидуальным движениям. При помощи специального программного обеспечения и персонального компьютера могут быть осуществлены точные регулировки для адаптации гидравлического блока, управляемого микропроцессором, к человеку с ампутированной ногой. Измерения могут проводиться так часто, как 50 раз в секунду, например, обеспечивая то, что динамическая ходьба как можно более подобна естественной ходьбе. Благодаря быстроте реагирования гидравлического блока, он подходит для широкого спектра людей с ампутированными нижними конечностями. Ионно-литиевая батарейка, загруженная в блок, обеспечивает достаточно энергии для работы гидравлического блока на протяжении целого дня. Сопротивление сжатию регулируется независимо от регулирования расширения. Многочисленные встроенные датчики направляют данные об анализе ходьбы в бортовой микропроцессор, который автоматически регулирует характеристики фаз опоры и маха блока 50 раз в секунду.
Гидравлический блок, управляемый с помощью микропроцессора, устройства 71 является более чувствительным, чем механический гидравлический блок. Клапан сжатия (плантарного изгиба) с электронным управлением регулируется 50 раз за секунду. Клапан сжатия в блоке автоматически полностью открывается в ходе этапа, предшествующего маху. В результате блок чрезвычайно легко упруго сжать при малых скоростях, в определенных областях и при подобных условиях. Скорость сервомотора блока позволяет закрыть клапаны сжатия (плантарного изгиба) и расширения (тыльного изгиба) очень быстро в ответ на команду микропроцессора, посылаемую 50 раз в секунду. Когда клапаны практически закрыты, демпфирующая сила блока становится очень большой, тем самым обеспечивая возможность быстрой ходьбы и даже бега. Уникальный регулируемый протезистом динамический фактор позволяет оптимизировать гидравлический блок для всех схем ходьбы, от медленной до резкой, быстрой скорости ходьбы и движений. Эта возможность «настроить» гидравлический блок, управляемый микропроцессором, под уникальную индивидуальную схему ходьбы позволяет получить большой диапазон ритмов для протеза стопы при высокой эффективности и комфорте ходьбы. То есть использование гидравлического блока с микропроцессором, такого как устройство 71, усиливает изменение ритма, требуемое, когда протез стопы используется людьми с ампутированными нижними конечностями, принимающими участие в активных мероприятиях.
Проходящий продольно киль 77 стопы протеза 70 стопы на Фиг.28-32 имеет участки носка стопы, среднего отдела стопы и заднего отдела стопы подобно килям стопы Фиг.3 и 25. Стойка 72 голени стопы присоединена к килю стопы при помощи соединительного элемента 78 двумя съемными крепежными элементами 79 и 80, разнесенными в продольном направлении, соединяющими соединительный элемент со стойкой голени и килем стопы соответственно, как в иллюстративном воплощении на Фиг.25-27. Стойка 72 голени включает в себя проходящий продольно компенсационный паз 81 в пространстве между концами стойки голени. Отверстия 82 и 83 компенсационного шва расположены на концах компенсационного паза. Участки носка стопы и заднего отдела стопы киля стопы также оборудованы соответствующими компенсационными пазами, как можно видеть на Фиг.29, 30 и 31.
Гильза протеза, присоединенная к культе нижней конечности человека с ампутированной ногой, присоединена к верхнему концу стойки 72 голени через адаптер 85, закрепленный на верхнем конце стойки голени при помощи крепежных элементов 86 и 87, как показано на чертежах. Адаптер имеет соединительную насадку 88 в форме перевернутой пирамиды, присоединенную к соединительной пластине, закрепленной на верхней поверхности адаптера. Пирамидальная насадка помещается в совпадающее с ней по форме гнездо в совмещающейся гильзе протеза для соединения протеза стопы и гильзы протеза. Этот тип соединения показан в воплощении на Фиг.34-36.
Во время ограничения движения демпфирующее устройство 71 в иллюстративном воплощении с Фиг.28-32 ограничивает движение верхнего конца стойки голени как при сжатии, так и при расширении стойки голени, причем может быть использовано подобное устройство, которое ограничивает лишь движение верхнего конца стойки голени либо при расширении, либо при сжатии. Ограничивающее движение демпфирующее устройство 84, ограничивающее лишь расширение верхнего конца стойки голени при нагружении и разгружении, показано в иллюстративном воплощении с Фиг.33. Устройство 84 представляет собой упругий ремень, который допускает ограниченное упругое расширение ремня и, таким образом, расширение стойки голени, в то же время не ограничивая движение верхнего конца стойки голени при нагружении путем сжатия стойки голени. Это эластичное устройство 84 может быть натянуто в этом воплощении, посредством чего эластичное устройство предварительно направляет проксимальный конец стойки двигаться назад.
На Фиг.34 и 36 изображена другая стойка 90 голени согласно изобретению, которая может быть использована с килем 77 стопы протеза стопы Фиг.28-32 или с другим килем стопы из описанных здесь. Стойка 90 голени имеет в основном форму параболы с наименьшим радиусом кривизны, расположенным на нижнем конце, простирающуюся вверх и изначально вперед до относительно большего радиуса на ее проксимальном конце. Обращенная назад вогнутость выполнена путем искривления стойки голени, как показано на Фиг.34. Дистальный конец стойки голени имеет проходящее продольно отверстие 91, которое совместно с соединительным элементом 78, съемными крепежными элементами 79 и 80 и проходящим продольно отверстием в киле стопы делает возможным регулирование выравнивания стойки голени и киля стопы относительно друг друга в продольном направлении, когда один из крепежных элементов 79 или 80 ослабляется или снимается для настройки рабочих характеристик протеза стопы для выполнения конкретной задачи.
Дистальный конец стойки 90 голени более сильно изогнут, например, имеет меньший радиус кривизны, чем стойки 72 голени на Фиг.28-32, и проходит вверх и вперед на более короткое продольное расстояние. Эта форма стойки голени более благоприятна с точки зрения косметологии. То есть дистальный конец распложен больше в области лодыжки, где, как правило, будет располагаться внешняя оболочка протеза стопы в форме медиальной и латеральной лодыжечных частей стопы человека. Стойка голени лучше размещается во внешней оболочке протеза стопы. Его функциональные особенности заключаются в том, что он быстрее реагирует на силы противодействия опоры при начальном контакте, несмотря на то что обладает меньшим показателем динамической отдачи, нежели стойка голени с более широкой параболой, т.е. с большим радиусом кривизны, как отмечено выше. Таким образом, тем активным людям, которые бегают и прыгают с протезом стопы, будет выгодно использовать более широкую параболу или радиус кривизны, что позволит получить большую горизонтальную скорость.
Стойка 90 голени на Фиг.34-36 дополнительно включает в себя выравнивающее соединительное устройство 92, расположенное между пластиковым или металлическим адаптером 93, присоединенным к верхнему концу стойки голени крепежными элементами 94, 95, и нижним концом гильзы 96 протеза, прикрепленной к культе ноги пользователя. Пользователь может являться человеком с ногой, ампутированной над коленом или под коленом, например. Выравнивающее соединительное устройство содержит пару направляющих 97, 98, расположенных под прямым углом друг к другу и в плоскости, параллельной опоре. Относительное расположение компонентов каждой направляющей может быть отрегулировано путем ослабления резьбовых крепежных элементов 99 для регулировки соответствующих направляющих 97 и 98 для изменения взаимной ориентации гильзы протеза относительно стойки голени и киля стопы протеза стопы. Верх адаптера 93, поддерживающий устройство 92, предпочтительно параллелен опоре на опорной фазе ходьбы с протезом стопы.
Верх верхней направляющей 98 устройства 92 имеет насадку 101 в форме перевернутой пирамиды, прикрепленную к ней, которая с возможностью регулирования зажата в соответствующем гнезде 102 в гильзе 96 протеза при помощи резьбовых крепежных элементов 103. Это соединение между элементами 101, 102 предоставляет возможность углового изменения - изгиба/удлинения и отведения/приведения между гильзой протеза и стопой. Направляющие устройства 92 предоставляют возможность линейного скользящего медиального - латерального и переднего - заднего регулирования. Таким образом, устройство 92 представляет собой выравнивающее приспособление, которое позволяет переместить гильзу протеза во всех направлениях, что влияет на то, как силы противодействия опоры отвечают на механические структуры стойки голени и киля стопы.
Киль стопы 110 на Фиг.37 и 38 и киль стопы 120 на Фиг.39 и 40 представляют собой дополнительные иллюстративные воплощения килей стопы, которые могут быть использованы в протезе стопы согласно изобретению. Кили стопы предназначаются для правой стопы и имеют одинаковую конструкцию за исключением участка заднего отдела стопы. Медиальная и латеральная стороны двух килей стопы имеют одинаковую форму. Киль 110 стопы сагиттально разрезан в области заднего отдела стопы, образуя идентичные латеральную и медиальную компенсационные опоры 111 и 112, разделенные проходящим продольно компенсационным швом или пазом 113. Задняя область 114 пятки киля 110 стопы, параллельная фронтальной плоскости, например, перпендикулярна продольной оси А-А киля стопы. Подобным образом дорсальная вогнутость 115 заднего отдела стопы киля стопы имеет продольную ось F-F, параллельную фронтальной плоскости, например под прямым углом к продольной оси А-А, т.е. угол Δ равен 90°.
Киль 120 стопы, в отличие от киля 110 стопы, не разрезан сагиттально на участке заднего отдела стопы, но имеет дорсальную вогнутость 121 заднего отдела стопы, разрезанную так, что продольная ось F'-F' вогнутости наклонена относительно фронтальной плоскости, например составляет тупой угол Δ' с продольной осью А-А, предпочтительно равный 110-125°, причем точка пересечения этой оси с латеральной стороной лежит впереди точки пересечения этой оси с медиальной стороной. Такая ориентация дорсальной вогнутости делает латеральную компенсационную опору 122 тоньше на большей части длины, чем медиальная компенсационная опора 123, и, таким образом, действительно длиннее и эластичнее, чем опора 123. Это увеличение эластичности предрасполагает задний отдел стопы реагировать на силы противодействия опоры при начальном контакте путем выворачивания наружу, что представляет собой механизм поглощения напряжений. Это способствует эффективному прохождению сил центра тяжести тела через задний отдел стопы киля стопы при ходьбе для достижения более нормальной схемы ходьбы.
Протез стопы 124 с Фиг.41 и 42 имеет киль 165 стопы, стойку 126 стопы и устройство 125, расположенное позади голени, голени для запаса дополнительной энергии при движении вперед верхнего конца стойки голени при ходьбе. То есть в течение фазы активного продвижения при ходьбе нагружение упругого протеза расширяет вогнутость, лежащую в сагиттальной плоскости, стойки 126, образованную обращенным вперед выпукло-изогнутым участком 127 стойки голени, что приводит к движению вперед верхнего конца стойки голени. Упругий ремень 128 устройства 125 присоединен к верхнему участку стойки голени и нижнему участку протеза стопы, а именно к соединительному элементу 129, который соединяет стойки голени и киль стопы, как описано выше. Длина упругого ремня, который может быть эластичным и/или неэластичным, натягивается при походке и может быть отрегулирована при помощи скользящего регулирования 130 между перекрывающимися длинами ремня.
Две пружины 131 и 132 с возможностью регулирования закреплены своими основаниями на верхнем конце стойки голени между стойкой голени и адаптером 133, прикрепленным к стойке голени крепежными элементами 134. Нижние свободные концы пружин располагаются так, чтобы взаимодействовать с упругим ремнем. Когда ремень натянут, пружины изменяют направление продольной протяженности ремня. Движение вперед верхнего конца стойки голени при ходьбе натягивает/дополнительно натягивает (если ремень изначально предварительно натянут) ремень и нагружает/дополнительно нагружает пружины для запасания энергии на этапе нагружения протеза стопы при ходьбе. Эта запасенная энергия возвращается пружинами при разгружении протеза стопы для увеличения кинетической энергии, вырабатываемой для движущей силы протезом стопы при ходьбе.
Когда ремень 128 укорачивается, для того чтобы изначально нагрузить ремень путем натяжения до использования протеза стопы, натяжение ремня служит для способствования движению назад верхнего конца упругого элемента, а также регулирования движения вперед стойки голени в ходе использования протеза. Способствование движению назад может помочь достижению быстрой реакции плоской стопы протеза стопы при ударе пятки в начале опорной фазы ходьбы, похожей на ту, что возникает в человеческой стопе и лодыжке при ходьбе при ударе пятки, когда возникает плантарный изгиб стопы.
Как способствование движению назад верхнего конца упругой стойки голени, так и контролирование движения вперед верхнего конца упругой стойки голени в ходе использования протеза при помощи устройства 125, расположенного позади голени, эффективны для изменения отношения крутящего момента протеза стопы при ходьбе путем внесения изменений в характеристики изгиба в сагиттальной плоскости для продольного движения верхнего конца стойки голени в ответ на нагружение и разгружение в ходе использования человеком протеза стопы. Естественное физиологическое отношение крутящего момента лодыжки в стопе человека при ходьбе, определяемое как отношение максимального крутящего момента при тыльном изгибе лодыжки, который возникает в конце опорной фазы ходьбы, к крутящему моменту при плантарном изгибе лодыжки, который возникает в начале реакции нагрузки плоской стопы после удара пятки при ходьбе, составляло 11,33 к 1. Задача изменения характеристик изгиба в сагиттальной плоскости для продольного движения верхнего конца стойки голени при помощи устройства 125, расположенного позади голени, состоит в увеличении отношения крутящего момента лодыжки протеза для имитации процессов, происходящих в стопе человека при ходьбе. Это очень важно для достижения надлежащей походки при помощи протеза, и, для человека с одной естественной стопой и одним протезом стопы, для достижения симметричности походки. Предпочтительно при помощи контролирования движения вперед и, возможно, способствования движению назад при помощи устройства 125, расположенного позади голени, отношение крутящего момента лодыжки протеза увеличивается, так что вышеуказанный максимальный крутящий момент лодыжки при тыльном изгибе, который возникает в протезе, по абсолютной величине больше, чем вышеуказанный крутящий момент лодыжки при плантарном ее изгибе. Более предпочтительно отношение крутящего момента лодыжки увеличивается до значения примерно 11 к 1 по сравнению с полученным отношением крутящего момента для естественной лодыжки, составившим 11,33 к 1.
Дополнительной задачей заднего устройства, расположенного позади голени, является улучшение рабочих качеств протеза стопы при ходьбе путем запасания дополнительной энергии упругой деформации в ходе нагружения протеза в пружинах 131 и 132 устройства и возвращения запасенной энергии упругой деформации в течение разгружения для увеличения кинетической энергии, выработанной для движущей силы протезом стопы при ходьбе. Устройство 125 может служить для выполнения в протезе стопы задачи, которую выполняют в человеческой стопе, лодыжке и голени при ходьбе мышцы голени человека, а именно для эффективного вырабатывания движущей силы, воздействующей на тело человека при ходьбе, при использовании развития потенциальной энергии в теле в ходе нагружения стопы и перевода этой потенциальной энергии в кинетическую энергию для движущей силы в ходе разгружения стопы. Приближение или даже превосходство рабочих характеристик стопы человека при помощи протеза стопы согласно изобретению с устройством, расположенным позади голени, важно для поддержания «нормальной работы» человека с ампутированной ногой, например.
Контроль движения вперед верхнего конца стойки 126 голени устройством 125, расположенным позади голени, эффективен для ограничения диапазона движения вперед верхнего конца стойки голени, как и в предшествующих воплощениях на Фиг.28-33. Киль стопы в протезе стопы 124 путем расширения его упругой продольной дуги также способствует запасанию энергии в течение нагружения при ходьбе. Эта потенциальная энергия возвращается в виде кинетической энергии для создания движущей силы при разгружении при ходьбе. В воплощении существуют высокие и низкие показатели динамической отдачи, в результате того что участок среднего отдела стопы киля стопы выполнен с продольной дугой, чья медиальная сторона имеет больший радиус и относительно больший показатель динамической отдачи, нежели латеральная сторона дуги, как описано выше со ссылкой на воплощения на Фиг.3-5 и 8. Однако киль стопы для спринта, такой как показан на Фиг.6 и 7, или киль стопы для конечности, ампутированной на уровне Сайма, со ссылкой на описание Фиг.9 и 10, может быть использован в протезе стопы 124.
Протез стопы 135, изображенный на Фиг.43-45, имеет устройство 136, расположенное позади голени, подобное воплощению на Фиг.41 и 42, за исключением того что упругий ремень 137 регулируемой длины присоединен между верхним концом стойки голени и передней частью киля стопы посредством соединительного кабеля 138. Концы кабеля 138 присоединены к соответствующей из медиальной или латеральной передних опор 139 и 140, разделенных компенсационным швом 141. Кабель проходит назад и затем вверх при помощи шкивов 142 и 143, установленных на соединительном элементе 144, до полукруглого возвратного элемента 145, присоединенного к дистальному концу ремня 137. Упругая дуга киля стопы, также как пружина 146, установленная на верхнем конце стойки голени и зацепляющаяся с ремнем, как в воплощении на Фиг.41 и 42, используется для запасания и высвобождения энергии для увеличения движущей силы, вырабатываемой протезом стопы при ходьбе, как описано выше.
Адаптер 133 на Фиг.43 представляет собой переходник в форме охватываемой пирамиды, в то время как на Фиг.41 и 42 он представляет собой охватывающий переходник согласно настоящему изобретению, имеющий квадратное углубление, с закругленными углами, на своем проксимальном конце для приема с зазором квадратного выступа совпадающей формы на нижнем конце гильзы или другом компоненте культи ноги человека с ампутированной ногой. См. пунктирные линии на Фиг.41. Четыре винта, не пронумерованных, по одному посредине каждой боковой стенки квадратного гнезда, могут быть введены и выведены из зацепления с выступом для соединения протеза с опорной структурой на культе ноги человека с ампутированной ногой. Зазор между выступом и гнездом и возможность регулирования положений четырех винтов охватывающего адаптера делают возможным регулирование протеза и опорной структуры назад и вперед, а также медиально и латерально, а также угловое или наклонное регулирование. В соответствии с еще одной особенностью охватывающего адаптера резьбовой крепеж съемным образом соединяет верхний элемент, содержащий гнездо адаптера, с лежащим под ним основанием адаптера. Вершина резьбового крепежа, открытая в основании гнезда адаптера, имеет шестигранное гнездо для приема шестигранной отвертки для ослабления элемента адаптера, содержащего гнездо, на основании, так чтобы его можно было повернуть относительно основания и протеза. Таким образом, адаптер предоставляет возможность вращения в поперечной плоскости; эта особенность делает возможным легкий поворот носка стопы внутрь и наружу в пределах допустимого, например до 1/8 дюйма.
Протез стопы 147 в воплощении на Фиг.46 и 47 отличается стойкой 148 голени, килем 149 стопы и устройством 150, расположенным позади голени, которые выполнены монолитно. Стойка 148 голени имеет обращенный вперед выпукло-изогнутый нижний участок, проходящий вверх от киля стопы, как и в ранее описанных воплощениях. Устройство 150, расположенное позади голени, имеет форму вытянутой, упругой, изогнутой пружины, присоединенной своим проксимальным концом к верхнему участку стойки голени, и своим дистальным концом пружина шарнирно присоединена к заднему участку киля стопы крепежом в виде шарнирной шпильки 151, установленной на дистальном конце пружины, причем шпилька проходит сквозь отверстие 152 на заднем конце киля стопы. Концы шпильки 151 закреплены в отверстиях 152 киля стопы, как показано на чертежах. При движении верхнего конца стойки голени вперед или назад при ходьбе, вогнутость изогнутой пружины будет расширяться или сжиматься для запасания энергии в пределах движения пружины. Запасенная энергия затем будет возвращена при разгружении при ходьбе для увеличения кинетической энергии, доступной для движущей силы тела пользователя.
Воплощение на Фиг.48-51 представляет собой протез стопы 152, имеющий три продольные секции 153-155. Каждая продольная секция выполнена монолитно с килем 156 стопы, стойкой 157 голени и устройством 158, распложенным позади голени. Секции 153-155 подвижны независимо друг от друга на своих дистальных концах, где они разделены зазорами 159, но секции объединены на своих проксимальных концах, например на верхнем конце стойки голени. Эта цельная конструкция может быть обеспечена при помощи крепежей для соединения проксимальных концов соответствующих отдельно выполненных продольных секций друг с другом. Альтернативно упругие продольные секции могут быть выполнены монолитно одна с другой, так что они соединены на своих верхних концах, и в то же время способны свободно двигаться относительно друг друга на своих дистальных концах, где зазоры 159 разделяют секции.
Центральная продольная секция 154 в протезе 152 шире, чем медиальная и латеральная секция 153 и 155, а также, на своем дистальном конце, она выше, чем секции 153 и 155. Такая конструкция обеспечивает преимущества в опоре на неровных или наклонных поверхностях, как описано ранее со ссылкой на использование множества продольных передних и задних опор киля стопы, разделенных компенсационными швами. Количество продольных секций, используемых в протезе, может быть отлично от трех, и относительная ширина секций может быть изменена относительно показанной в воплощении. Дистальный конец изогнутой пружины устройства 158, расположенного позади голени, каждой продольной секции выполнен заодно с задним отделом стопы киля 156 стопы, а не шарнирно присоединен к нему, как в воплощении, показанном на Фиг.46 и 47. Подходящий адаптер (не показан) присоединен к верхнему концу стойки голени протеза 152 для соединения с гильзой нижнего конца культи ноги пользователя, как описано и показано в других воплощениях.
Другая форма конструкции протеза стопы согласно изобретению показана на Фиг.52-54, где протез стопы 160 содержит стойку 161 голени, выполненный монолитно с задним участком 162 киля 163 стопы. Упругий элемент стойки и заднего отдела стопы присоединен к упругому элементу 164, образующему участки носка стопы и среднего отдела стопы киля стопы, при помощи крепежных элементов 165 и 166, как показано на чертежах. Устройство, расположенное позади голени, не показанное на Фиг.52-54, может быть выполнено как часть протеза, как описано выше. Подобным образом адаптер для присоединения к нижнему концу гильзы следует присоединить к верхнему концу стойки 161 голени.
Описание иллюстративных воплощений на этом завершается. Несмотря на то что настоящее изобретение было описано со ссылкой на ряд иллюстративных воплощений, следует понимать, что специалистами в данной области техники могут быть разработаны многочисленные другие модификации и воплощения, входящие в рамки и сущность принципов настоящего изобретения. Например, нижний конец стойки голени в протезе стопы согласно изобретению не ограничивается параболической формой, или в основном параболической формой, он может иметь другую конфигурацию, выпуклую книзу, криволинейную, для получения желаемых результатов движения стопы при соединении с килем стопы для формирования голеностопной области стопы. Особенности различных воплощений также могут быть использованы друг с другом. Более подробно рациональные изменения и модификации возможны в составляющих частях и/или приспособлениях рассматриваемой комбинации приспособлений в рамках вышеприведенного описания, чертежей и прилагаемой формулы изобретения, не нарушая сущность изобретения. Помимо изменений и модификаций составляющих частей и/или приспособлений специалистам в данной области техники также очевидны альтернативные применения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ПРОТЕЗ СТОПЫ С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ | 2005 |
|
RU2345736C2 |
| ПРОТЕЗ СТОПЫ С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ | 2002 |
|
RU2294177C2 |
| ПРОТЕЗ СТОПЫ С НАСТРАИВАЕМЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ | 2005 |
|
RU2348380C2 |
| ПРОТЕЗНАЯ СТОПА | 2005 |
|
RU2359642C2 |
| ПРОТЕЗ СТОПЫ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ФУНКЦИЕЙ | 2002 |
|
RU2291676C2 |
| ПРОТЕЗ СТОПЫ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ФУНКЦИЕЙ | 2002 |
|
RU2289362C2 |
| ПРОТЕЗ СТОПЫ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ФУНКЦИЕЙ | 2002 |
|
RU2305516C2 |
| ПРОТЕЗ СТОПЫ | 2001 |
|
RU2286749C2 |
| ПРОТЕЗ СТОПЫ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ФУНКЦИЕЙ | 2005 |
|
RU2346670C2 |
| ПРОТЕЗ СТОПЫ С НАСТРАИВАЕМЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ И УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ АМОРТИЗАЦИЕЙ ВЕРТИКАЛЬНОЙ НАГРУЗКИ И УДАРА | 2003 |
|
RU2308910C2 |
Группа изобретений предназначена для использования в протезах нижних конечностей и может быть использована в протезировании и протезостроении. Протез стопы имеет продольно проходящий киль стопы и упругую, монолитно выполненную стойку голени, проходящую вверх от киля стопы, для образования голеностопной области протеза стопы и нижней протезной части ноги над голеностопной областью для соединения с нижним окончанием протезной гильзы на культе ноги человека. Нижний участок стойки голени, проходящий вверх от киля стопы, имеет обращенную вперед выпукло-изогнутую форму. Стойка и участок киля стопы выполнены монолитно. В результате протез стопы обеспечивает симметричность походки за счет имитации процессов, происходящих в стопе при ходьбе человека. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 54 ил.
упругую монолитную стойку, проходящую вверх от киля стопы, в виде обращенной вперед непрерывной выпуклой изогнутой поверхности с возрастающим радиусом кривизны для образования нижнего участка голеностопной области и верхнего упругого участка стойки, формирующего протезную часть ноги выше голеностопной области для соединения с нижним окончанием протезной структуры, прикрепленной к оставшейся конечности человека,
в котором нижний участок и верхний участок стойки, проходящие вверх от киля стопы, имеют обращенную вперед выпукло-изогнутую форму; и в котором стойка и по меньшей мере участок киля стопы сформированы монолитно, и обращенная вперед непрерывная выпуклая изогнутая поверхность проходит по большей части длины нижнего и верхнего участков стойки.
упругую стойку голени, имеющую нижний конец, присоединенный к килю стопы, обращенный вперед выпукло-изогнутый нижний участок, проходящий вверх от киля стопы, верхний конец для соединения с протезной гильзой нижней конечности на культе ноги человека, причем верхний конец имеет обращенную вперед выпукло-изогнутую форму и подвижен в продольном направлении киля стопы в ответ на нагружение и разгружение стойки голени при использовании протеза стопы; в котором протез стопы включает в себя множество продольных секций, каждая из которых включает в себя соответственные монолитно выполненные участки киля стопы и стойки голени, продольные секции на своих дистальных концах способны двигаться независимо друг от друга и на своих проксимальных концах объединены друг с другом.
| Топчак-трактор для канатной вспашки | 1923 |
|
SU2002A1 |
| US 6071313 A, 06.06.2000 | |||
| US 5993488 A, 30.11.1999 | |||
| US 5899944 A, 04.05.1999 | |||
| ПРОТЕЗ СТОПЫ | 1996 |
|
RU2102942C1 |
