ПРОТЕЗ СТОПЫ С УПРУГИМ СОЕДИНЕНИЕМ С АДАПТЕРОМ
FOOT PROSTHESIS WITH ELASTIC CONNECTION WITH ADAPTER

Изобретение относится к медицинской технике, в частности, к протезу стопы с высокой степенью энергосбережения, и может быть использовано при протезировании нижних конечностей.
Известны технические решения протезов стопы, выполненных из композитного материала, состоящие из носочного элемента и прикрепленного к нему пяточного элемента (см., например, RU 2550003 C2 и многие другие). Такие конструкции позволяет дополнительно накапливать энергию упругой деформации в длинном носочном элементе в фазе переднего толчка и во второй части фазы переката. Форма носочного элемента продиктована, в частности, необходимостью иметь длинный участок, распространяющийся преимущественно в вертикальном направлении, для возможности накопления и возвращения энергии упругой деформации в сагиттальной плоскости. Высвобождение этой энергии в первой части фазы переката и в фазе заднего толчка имитирует работу мышц голени.
Однако данные конструкции имеют свои недостатки, выраженные в том, что необходимость накапливать энергию в длинном носочном элементе приводит к повышению строительной высоты протеза, что исключает возможность протезирования пациентов, имеющих длинную культю. Уменьшение же строительной высоты ведет к уменьшению величины накопленной энергии упругой деформации. Применяемые в вышеприведенных конструкциях жесткие соединения между упругими элементами с помощью болтов или клея снижают величину перемещений в области таких соединений, что отрицательно сказывается на величине накопления энергии упругой деформации.
Известны технические решения, позволяющие придать стопе свойства вертикального демпфирования и снизить нагрузку на культю при вертикальных ударных воздействиях, а также поглощать крутящий момент и обеспечить вращение стопы в горизонтальной плоскости для облегчения поворота конечности относительно опорной поверхности. Так, техническое решение согласно US 20050261783 A1 предполагает установку на протез стопы дополнительного устройства, которое обеспечивает функции вертикального демпфирования и вращения за счет упругого элемента, заключенного между двух жестких опор; согласно US 20180360624 A1 - включение в состав стопы устройства, которое обеспечивает функции вертикального демпфирования и вращения за счет рессорной системы, а также позволяет накапливать в устройстве и высвобождать дополнительную энергию, при этом величина запасаемой энергии может быть отрегулирована; техническое решение согласно US 7169190 B2 предполагает установку на протез стопы дополнительного устройства, которое обеспечивает функции вертикального демпфирования и вращения за счет системы, содержащей пружину и амортизатор; техническое решение согласно US 7371262 B2 предполагает включение в состав стопы устройства, которое обеспечивает функции вертикального демпфирования и вращения за счет системы упругих элементов, расположенных телескопически и соосно.
Известны технические решения, позволяющие изменять жесткость стопы, к которым относятся US 7686848 B2, US 10034782 B2, US 7060104 B2, US 20100106260 A1. Так, в US 7686848 B2 предполагается изменение жесткости стопы за счет регулируемой гидравлической системы, устанавливаемой между упругими элементами стопы; в US 10034782 B2 - изменение жесткости стопы за счет установки дополнительного устройства, включающего в работу или выключающего из работы отдельную область килевой части стопы; в US 7060104 B2 - изменение жесткости стопы за счет установки между упругими элементами стопы дополнительных упругих элементов, имеющих разную жесткость; в US 20100106260 A1 - изменение жесткости стопы за счет установки между упругими элементами стопы дополнительной механической системы с регулируемой жесткостью.
Таким образом, существуют технические решения, которые близки по своему функционалу и реализации, однако они либо изменяют энергетические характеристики стопы, придавая дополнительные свойства, либо изменяют строительную высоту протеза в сторону увеличения. Таким образом, задача, решаемая предлагаемым техническим решением, состоит в снижении строительной высоты протеза стопы и сохранении его энергетических характеристик при одновременном обеспечении функционала протеза. Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в повышении энергоэффективности протеза стопы, под которой следует понимать отношение энергии возвращенной к энергии, накопленной в протезе стопы за счет упругих деформаций в ее элементах, т.е., по существу, - возможность накапливать и возвращать энергию при движении человека на протезе.
В практических аспектах, повышение энергоэффективности позволяет «приблизить» центр вращения протеза стопы к центру вращения голеностопного сустава человека, регулировать жесткость протеза стопы, в том числе, независимо носочной и пяточной частей, снизить влияние неровностей опорной поверхности на культю, обеспечить возможность поворота (ротации) стопы в горизонтальной плоскости относительно протеза,
обеспечить возможность вертикального демпфирование протеза стопы.
Для достижения поставленного результата предлагается протезная стопа, содержащая:
адаптер с внутренней полостью, служащий для связи стопы с культей пользователя;
упругий элемент стопы, состоящий из, по существу, вертикально ориентированного участка, переходящего в нижней части в криволинейный опорный участок с носочной частью;
криволинейный упругий пяточный опорный элемент, соединенный с упругим элементом стопы в направлении, противоположном носочной части;
при этом адаптер установлен полостью на вертикально ориентированном участке упругого элемента стопы, а между внутренними стенками полости и вертикально ориентированным участком расположен соединительный элемент из эластомерного материала.
Соединительный элемент выполнен из полиуретана или резины или каучука или силикона или т.п. материала, в том числе - составным из отдельных элементов, в том числе, имеющих различные упругие характеристики, а, по меньшей мере, часть из отдельных элементов, составляющих соединительный элемент, может иметь клиновидную или прямоугольную форму и быть выполнена с возможностью подбора, снятия и/или установки для регулировки упругих характеристик протезной стопы.
Упругий элемент стопы и криволинейный упругий пяточный элемент могут выполнены в виде, по меньшей мере, двух параллельных пружинных пластин, при этом каждая из параллельных пружинных пластин криволинейного упругого пяточного элемента независимо прикреплена к соответствующей пружинной пластине упругого элемента стопы. Криволинейный упругий пяточный элемент может быть соединен с упругим элементом стопы в месте перехода вертикально ориентированного участка в криволинейный опорный участок с носочной частью.
Пружинные пластины упругого элемента стопы могут быть соединены между собой не по всей длине и представлять единую связанную систему; упругий элемент стопы может быть выполнен в виде по меньшей мере двух параллельных не по всей длине пружинных пластин упругого элемента стопы; упругий элемент стопы и криволинейный упругий пяточный элемент могут быть изготовлены как единые структуры путем полимерной пропитки наложенных друг на друга армирующих элементов, поддерживаемых в рабочем взаимодействии инкапсулирующей матрицей и подверженных изгибающему напряжению.
Изобретение иллюстрируется:
рис. 1 - представлен общий вариант заявленной конструкции;
рис. 2 - представлена примерная схема изменения положения центра вращения протеза стопы в зависимости от жесткости соединительного элемента;
рис. 3 и 4 - отображены варианты технического воплощения соединительного элемента в конструкции согласно рис. 1;
рис. 5 и 6 - возможные технические воплощения конструкции согласно рис. 1, 3, 4, предполагающие выполнение упругого элемента из двух частей, смещенных друг относительно друга во фронтальной и сагиттальной плоскостях, соответственно;
рис. 7 - возможное техническое воплощение конструкции согласно рис. 1, 3, 4, предполагающее выполнение упругого элемента из двух частей, соединенных между собой не по всей длине и представляющих единую связанную систему.
Со ссылкой на рис. 1, предлагаемое решение протеза стопы включает в себя адаптер 1, упругий элемент стопы 2, эластомерный элемент подошвы 3, соединительный элемент из эластомерного материала 4 и упругий пяточный элемент 5.
Возможность достижения заявленного результата в рамках заявленной конструкции обусловлена тем, что применение соединительного элемента из эластомерного материала позволяет накапливать энергию как непосредственно в таком соединительном элементе за счет упругих деформаций в нем же, так и в участке упругого элемента стопы 2, контактирующем с соединительным элементом 4 за счет упругих деформаций в 2; кроме того, это позволяет обеспечить ротацию упругого элемента стопы 2 относительно адаптера 1 во всех плоскостях.
В практических аспектах реализации это позволяет, например, сместить расположение центра вращения протеза к соединительному элементу 4, «приблизив» его к физиологическому расположению центра голеностопного сустава здоровой стопы - см со ссылкой на рис. 2 изменение положения центра вращения стопы в зависимости от жесткости соединительного элемента 4, где поз. 5А - это положение центра вращения стопы при использовании соединительного элемента с высоким модулем упругости, поз. 5Б - положение центра вращения стопы при использовании соединительного элемента из эластомерного материала в соответствии с заявленным решением, поз. 6 - место естественного вращения голеностопного сустава.
Соединительный элемент 4 может быть выполнен составным из отдельных элементов (вставок), например, с различными упругими характеристиками (при сохранении общего условия элемента 4 как элемента из эластомерного материала). В практических аспектах, в дополнении к вышесказанному, это позволяет независимо регулировать жесткость протеза при действии нагрузки на пятку и носок. Так, на рис. 3 представлен вариант исполнения заявленного протеза, в котором соединительный элемент 4 снабжен сменными клиновидными вставками 4а и 4б для регулировки жесткости пятки и жесткости носка, соответственно. Аналогично, на рис. 4 показан вариант с соединительным элементом 4, снабженный сменными прямоугольными в плане вставками для регулировки жесткости пятки 4а и жесткости носка 4б, расположенные в заднем и/или переднем зазоре между вертикальной частью упругого элемента и адаптером.
Упругий элемент стопы 2 может быть выполнен цельным или составным - из двух и более составных частей, смещенных друг относительно друга в месте соединения во фронтальной - рис. 5, или сагиттальной - рис. 6 плоскостях. Подобное исполнение элемента 2, в совокупности с вышеописанным исполнением элемента 4, позволяет дополнительно повысить энергоэффективность заявленной конструкции, нагружая составные части упругого элемента независимо друг от друга при неровном рельефе опорной поверхности и, тем самым, снижая нагрузку на культю, а также, путем подбора жесткости составных частей, приблизить реакцию протеза стопы при взаимодействии с опорной поверхностью к реакции сохранившейся конечности.
Эластомерный элемент подошвы 3 выполнен, например, из пенополиуретана, и имеет внешние обводы, напоминающие форму стопы человека, и внутренний вырез, позволяющий закрепить его на упругом элементе стопы и криволинейной упругой пяточной поверхности с возможностью снятия или установки.
Подытоживая, применение предлагаемого технического решения позволяет повысить комфорт ходьбы на протезе стопы и при этом снизить энергетические затраты человека - пользователя протеза, укоротив упругий элемент стопы 2 и опустив ниже адаптер 1, сохраняя при этом уровень запасания энергии.