ИСКУССТВЕННАЯ СТОПА
ARTIFICIAL FOOT

Настоящее изобретение относится к области медицины, а именно к протезу стопы с высокими энергосберегающими характеристиками голени, малой строительной высотой и может быть использовано для пациентов, ведущих физически активный образ жизни.
Из уровня техники известно техническое решение по заявке US 20160287412 «Протез голеностопного сустава» от 06.10.2016, MПK A61F 2/66, содержащее передний и задний опорные упругие элементы, соединенные между собой, в которой передний опорный упругий элемент включает часть естественного расположения носка стопы человека, плавно переходящую в изогнутый участок (прототип).
Недостатком известного технического решения является отсутствие комфорта использования протеза стопы как в условиях обычной ходьбы, так и в условиях повышенной активности пациента (ускоренный шаг, бег, ходьба по пересеченной местности), что вызывает болевые ощущения у пациента. Технический результат от использования заявленного изобретения может быть выражен в повышении удобства и безопасности при использования протеза стопы с небольшой строительной высотой путем запасания достаточного количества энергии, в том числе, за счет изгибающей деформации голеностопного узла в сагиттальной плоскости во время фазы опоры на пятку, соизмеримого с J-стопами и малой массы.
Искусственная стопа в соответствии с настоящим изобретением предназначена для пациентов, которым необходим высокий уровень энергосбережения, небольшая строительная высота протеза в сочетании с малой массой изделия.
Заявленный технический результат достигается следующим образом.
Искусственная стопа содержит передний и задний опорные упругие элементы, соединенные между собой. Передний опорный упругий элемент включает часть естественного расположения носка стопы человека плавно переходящую в изогнутый участок, образующий петлю, конец которой загнут вниз и соединен с вертикально расположенным крепежным элементом. На конце крепежного элемента расположен демпфирующий элемент, нижняя поверхность которого выполнена параллельно поверхности переднего опорного упругого элемента. Задний опорный упругий элемент соединен с передним элементом одним концом с образованием свободного участка, расположенного под углом к верхнему элементу.
Преимущественно зазор между демпфирующим элементом и передним опорным упругим элементом (Н) выбирается из условия, что при дорсифлексии стопы в диапазоне от 0° до 20° сохраняется зазор между демпфирующим элементом и передним опорным упругим элементом, Н>0; при дорсифлексии стопы в диапазоне от 20° до 30° поверхности демпфирующего элемента и переднего опорного упругого элемента смыкаются, Н=0; при дорсифлексии стопы более 30°, демпфирующий элемент сжимается.
Кроме того, толщина переднего опорного упругого элемента уменьшается в части естественного расположения носка стопы человека.
Задний опорный упругий элемент выполнен выгнутым в сторону переднего элемента, а его толщина уменьшается к свободному концу.
Заявленное техническое решение иллюстрируется следующими фигурами.
Фиг. 1 - искусственная стопа, вид сбоку;
Фиг. 2 - то же, вид сбоку, противоположная сторона;
Фиг. 3 - то же, вид сзади;
Фиг. 4 - иллюстрация сгибания в голеностопе во время нормального шага при дорсифлексии;
Фиг. 5 - диаграмма изменения угла плантарфлексии и дорсифлексии левой и правой ноги во время нормальной ходьбы здорового человека;
Фиг. 6 - график момента и угла поворота в суставе (дорсифлексии) у здорового человека;
Фиг. 7 - иллюстрация изменения зазора Н в зависимости от скорости передвижения пациента.
В общем виде искусственная стопа 1 содержит передний 3 и задний 4 опорные упругие элементы, соединенные между собой. Передний опорный упругий элемент 3 включает часть естественного расположения носка стопы человека 38, плавно переходящую в изогнутый участок, образующий петлю 31-32-33, конец которой загнут вниз и соединен с вертикально расположенным крепежным элементом 2. На конце крепежного элемента расположен демпфирующий элемент 5, нижняя поверхность которого выполнена параллельно поверхности переднего опорного упругого элемента 3. Задний опорный упругий элемент 4 соединен с передним элементом 3 одним концом с образованием свободного участка, расположенного под углом к переднему опорному упругому элементу.
Преимущественно зазор (Н) между демпфирующим элементом 5 и передним опорным упругим элементом 3 выбирается из условия, что при дорсифлексии стопы в диапазоне от 0° до 20° сохраняется зазор между демпфирующим элементом и передним опорным упругим элементом, Н>0; при дорсифлексии стопы в диапазоне от 20° до 30° поверхности демпфирующего элемента и переднего опорного упругого элемента смыкаются, Н=0; при дорсифлексии стопы более 30°, демпфирующий элемент сжимается.
Кроме того, толщина переднего опорного упругого элемента уменьшается в части естественного расположения носка стопы человека 38.
Вместе с тем, задний опорный упругий элемент 4 выполнен выгнутым в сторону переднего элемента 3, а его толщина уменьшается к свободному концу.
В соответствии с вариантом осуществления, приведенным в настоящем описании, искусственная стопа 1 содержит: передний опорный элемент 3, продолжающийся из области естественного расположения носка стопы человека преимущественно назад и вверх, образующий при этом спиралеобразную область 33-32-31, обращенную выпуклой частью 32 вверх, которая продлевается свободным концом 31 вертикально вниз; демпфирующий элемент 5 безопасности, прикрепленный к удлиненной части спиралеобразной области переднего опорного элемента 3; крепежный элемент 2, присоединенный к вертикальной площадке 31 переднего опорного элемента 3; задний опорный элемент 4, продолжающийся из области естественного расположения пятки стопы человека преимущественно вперед и вверх и соединяющийся с передним опорным элементом 3.
Передний опорный элемент 3 приведенной конструкции, как видно из Фиг. 1, имеет в своей верхней части спиралеобразную область, которая образуется из трех участков: продолжающийся из области естественного расположения носка стопы человека преимущественно назад и вверх 33; спиралеобразную область, обращенную выпуклой частью вверх 32, свободный конец, направленный вертикально вниз 31. Демпфирующий элемент 5 безопасности прикреплен к удлиненной части спиралеобразной области переднего опорного элемента 3. Крепежный элемент 2 присоединен к вертикальной площадке 31 переднего опорного элемента 3. Задний опорный элемент 4, продолжающийся из области естественного расположения пятки стопы человека преимущественно вперед и вверх, соединен с передним опорным элементом 3. При этом, свободный конец переднего опорного участка 31, направленный вертикально вниз, продлевается максимально возможно вниз так, чтобы после закрепления к его торцу демпфирующего элемента безопасности 5 образовался необходимый зазор Н, который выбирается исходя из принципов биомеханики.
Как известно из A.I. Kapandji (The Physiology of the Joints, Volume 2: The Lower Limb, Published September 24th 2010 by Churchill Livingstone (first published 1982) / А.И. Капанджи, Психология суставов. Том 2. Нижние конечности, опубликовано 24 сентября 2010 г.Чурчилл Ливингстон) [1], в голеностопе во время нормального шага при
дорсифлексии присутствует сгибание на 20°. При этом, переходя на ускоренный шаг, бег или ходьбу по пересеченной местности, этот угол увеличивается до 30° (Фиг.4).
Эти данные подтверждаются многочисленными исследованиями, в том числе с использованием самых современных методов контроля и анализа движений. Так, например, в работе M.R.Pitkin (Biomechanics of Lower Limb Prosthetics, О Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010 / M.P. Питкин, Биомеханика протезирования нижних конечностей, Спрингер-Верлаг Берлин Хайделберг 2010) [2] показана диаграмма изменения угла плантарфлексии и дорсифлексии левой и правой ноги во время нормальной ходьбы здорового человека. (Фиг.5)
Как мы видим, угол дорсифлексии действительно не превышает 20°. При этом, жесткость щиколотки, определяемая как соотношение момента и угла поворота в суставе (дорсифлексии), у здорового человека имеет нелинейную зависимость от угла дорсифлексии, см. М. Palmer ("Sagittal plane characterization of normal human ankle function across a range of walking gait speeds," Master's Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2002. / M. Палмер, «Характеристика сегиттальной плоскости нормального функционирования человеческой лодыжки через скорость обычной походки», Магистерская дисертация, Массачусетский Технологический институт) [3] (Фиг.6).
Руководствуясь существующими зависимостями биомеханики голеностопного узла здорового человека, рассмотренными выше, в предлагаемом нами изобретении разработан и применен принцип нелинейного изменения жесткости протеза стопы в зависимости от скорости движения или веса пациента.
Каждая искусственная стопа имеет определенную жесткость щиколотки, подбираемую в зависимости от веса пациента таким образом, чтобы обеспечить наибольший комфорт при использовании протеза стопы в условиях повседневного передвижения. В свою очередь, зазор Н определен исходя из нормальной дорсифлексии человека, не зависит от веса пациента и выбранной жесткости протеза стопы. При нормальной ходьбе, дорсифлексия в диапазоне от 0° до 20° будет обеспечивать деформацию опорного элемента 1 таким образом, что зазор Н не будет смыкаться, при этом демпфирующий элемент 4 не деформируется, а значит, и не влияет на жесткость протеза стопы. Если же пациент увеличивает скорость движения, переходя на быстрый шаг, бег или берет на себя утяжеления, то угол дорсифлексии будет возрастать вплоть до 30°, что повлечет за собой такую деформацию переднего опорного элемента 3, при которой появится контакт с демпфирующим элементом 5 и сжатие последнего. Таким образом, демпфирующий элемент 5 выполняет одновременно несколько функций:
1. Обеспечивает комфортное использование протеза стопы 1, как в условиях обычной ходьбы, так и в условиях повышенной активности пациента (ускоренный шаг, бег, ходьба по пересеченной местности), за счет нелинейного изменения жесткости в системе: передний опорный элемент 3 и демпфирующий элемент 5.
2. Работает в виде амортизатора и воспринимает ударные нагрузки за счет собственной деформации, предотвращая появление болевых ощущений на культе пациента.
3. Работает в виде ограничителя деформации переднего опорного элемента 1, что позволяет избежать преждевременного разрушения конструкции в условиях экстремальных нагрузок, обеспечивая необходимый уровень безопасности для людей, ведущих активный образ жизни.
Рассмотрим принцип работы протеза стопы 1 более подробно.
Во время опоры стопы на пятку происходит разворот (против часовой стрелки) участка 33 по направлению к месту контакта стопы и опорной поверхности, одновременно с этим происходит сжатие участка 32 и разворот (по часовой стрелке) участка 3! по направлению к участку 33. Так образом, участки 33 и 31 разворачиваются в одном направлении, противоположном направлению движения пациента. За счет деформации участков 31-32-33, в них происходит запасание энергии. Поскольку направление деформации участков 31-32-33 происходит по направлению к месту контакта нижнего опорного элемента 4 и опорной поверхности, из этого следует, что после снятия нагрузки на стопу произойдет распрямление всех деформированных участков, в том числе участков 31-32-33, которое приведет стопу в недеформированное состояние и, как следствие, будет активно содействовать переносу центра масс пациента по направлению движения. При этом, пружинная спиралеобразная область способна воспринимать, без риска разрушения, большие нагрузки, по сравнению с традиционными J-образными решениями, что является неоспоримым достоинством описываемой конструкции. Варьируя жесткость участков 31-32-33 с помощью различных комбинаций композитного материала, можно обеспечить необходимую, с точки зрения безопасности, и оптимальную, с точки зрения комфорта, жесткость стопы для пациента любого веса, без увеличения габаритов, строительной высоты и применения дополнительных элементов конструкции, которые повлекли бы увеличение массы протеза. При этом участок 32, в отличии от вертикально расположенных участков 31 и 33, имеет возможность деформации во время опоры на всю стопу, что позволяет обеспечить необходимое вертикальное демпфирование и дополнительную устойчивость, что особенно необходимо во время активного движения (движение по пересеченной местности, бег, прыжки и т.д.)
Таким образом, предложенное решение обладает всеми необходимыми характеристиками для обеспечения комфортного использования протеза пациентами, ведущими активный образ жизни, не ограничивая последних в выборе протеза стопы из-за анатомических особенностей таких как, например, длинная культя.