ИСКУССТВЕННАЯ СТОПА
ARTIFICIAL FOOT

Изобретение касается искусственной стопы с соединительной частью для части голени, со связанной с соединительной частью с возможностью поворота в голеностопном суставе базисной частью стопы, которая переходит позади от голеностопного сустава в пяточный участок, и впереди от голеностопного сустава - в плюсневый участок стопы, и с предплюсневой частью стопы, связанной с возможностью поворота с плюсневым участком стопы.
Такая искусственная стопа известна из документа US 5913902. Голеностопный сустав при этом находится на оси части голени в форме трубы, соединенной с адаптерной насадкой соединительной части протеза голени. Голеностопный сустав и сустав между предплюсневой частью стопы и базисной частью стопы могут поворачиваться независимо друг от друга, причем способность поворачиваться эластично приглушена нажимными пружинами, вставленными между соответствующими поворотными частями. Эта конструкция стопы позволяет применение искусственной стопы с несколькими высотами каблука, так как стопа может настраиваться на различные углы предплюсны и соединительной части относительно базисной части стопы. Разумеется при этом в зависимости от высоты пятки изменяется статическая структура, так что возникает также сильно различающаяся динамика походки в зависимости от высоты пятки.
Документ DE 10010302 A1 представляет протез стопы с подвижным голеностопным суставом и также с подвижной предплюсневой частью стопы. Целью представленной конструкции стопы является в значительной мере избежать опускания коленного сустава и вместе с тем тазобедренного сустава при перекатывании через носок ступни. При этом стремятся к подошвенному сгибанию между стопой и голенью, а именно, между базисной частью стопы и соединительной частью. C этой целью между предплюсневой частью стопы и базисной частью стопы укреплена соединительная тяга, причем фиксация происходит в базисной части стопы с помощью шпоночной канавки. Конец соединительной тяги выступает в области соединительной части и на основе отклонения предплюсневой части стопы ограничивает угол между соединительной частью и базисной частью стопы. Посредством ограничения угла избегают дальнейшего опускания колена и вместе с тем - бедра. Приспособление стопы к различным высотам каблука с описанной конструкцией невозможно и не предусмотрено.
Известны протезы, при которых может происходить сагиттальная установка протеза стопы самим пациентом для приспособления к разным высотам каблука. При этом не исключена ошибочная установка. Чтобы предплюсна могла приспосабливаться к форме туфли, она выполнена мягкой. Тем не менее, таким образом, в конце фазы стоячего положения становится невозможным достаточное восприятие нагрузки в предплюсневой области.
В основе данного изобретения лежит задача сконструировать искусственную стопу упомянутого вначале вида так, что она самостоятельно может приспосабливаться к разным высотам каблука и при этом гарантирует хорошую устойчивость.
Решение этой задачи при искусственной стопе упомянутого в начале вида удается, согласно изобретению, посредством сочленения, пропорционально передающего установку угла соединительной части относительно базисной части стопы на угловое положение предплюсневой части относительно базисной части стопы.
Соответствующая изобретению стопа предусматривает, таким образом, принудительную связь между соединительной частью и предплюсневой частью в отношении углового положения относительно базисной части стопы. Согласно этой принудительной связи, изменение углового положения соединительной части ведет, как следствие, к пропорциональному приподниманию предплюсневой части стопы. Если искусственная стопа из положения без опоры ("положение босиком") вводится в туфлю с высоким каблуком, то изменяется положение голени (и вместе с тем соединительной части) относительно базисной части стопы согласно изменению угла. Следовательно, предплюсневая часть стопы настолько приподнимается, что она снова лежит параллельно опорной поверхности (передняя подошва туфли). Поэтому не требуется выполнять предплюсневую часть стопы мягкой, так что предплюсневая часть стопы твердо лежит на площади опоры и принимает таким образом необходимую нагрузку для уверенного стояния, также на высоком каблуке.
При этом сборка сустава является многошарнирной сборкой и может быть, в частности, четырех-шарнирной сборкой.
Сочленение образовано преимущественно из плюсневого участка стопы и тяги, подвижно связанной с предплюсневой частью стопы и соединительной частью, которые тогда превращаются в четырех-шарнирную или многошарнирную сборку, причем средний участок стопы и тяга могут лежать, в сущности, параллельно друг другу.
В предпочтительной конструктивной форме изобретения соединительная часть снабжена уступом, проходящим вниз за голеностопный сустав, на котором одним из ее свободных концов подвижно укреплена тяга.
Соответствующее изобретению сочленение может быть образовано вращательными шарнирами, но также и материальными шарнирами, причем материальные шарниры образованы гибким участком соединительной детали сочленения.
Функция соответствующей изобретению искусственной стопы основывается на том, что базисная часть стопы выполнена как балансир, который расположен почти посередине между пяткой и областью носка. Протез стопы образует вместе с тем конструкцию, которая позволяет линии нагрузки всегда проходить через опорную точку балансира. Это соответствует фактическому положению при естественной стопе. На основе связи соединительной части и предплюсневой части стопы, предплюсна проходит всегда почти параллельно полу. Это соответствует конструкции туфель с постоянной толщиной подошв в этой области, что необходимо, так как в противном случае стопа подвергалась бы давлению в вершине туфли.
Если соответствующая изобретению стопа строится только с неподвижными элементами, то в средней фазе стоячего положения она очень быстро образует сопротивление в предплюсне, которое не соответствует ощущению стояния с естественной стопой. Для приспособления к естественному ощущению стояния выгодно выполнять минимум одну соединительную деталь сборки сустава эластично деформируемой в продольном направлении. Это является особенно целесообразным для соединительной детали, которая нагружена в сборке сустава преимущественно на растяжение. В этом случае соединительная деталь может быть выполнена как согнутая листовая пружина, которая реагирует на растяжение сначала мягко, а затем прогрессивно повышает жесткость.
Дальнейшие возможности улучшения получаются в отношении динамики ходьбы. При опирании в процессе ходьбы на пятку, выполненная, согласно изобретению, базисная часть стопы наклоняется как балансир вперед, вследствие чего соединительная часть соответственно наклоняется назад и таким образом предплюсневая часть стопы тянется наверх. Если хотят избежать этого эффекта, то должны различаться между собой краткосрочная сильная нагрузка на пяточный участок соединительной части стопы при опирании на пятку при ходьбе и более долгосрочная нагрузка для адаптации к высоте каблука. Это может происходить посредством того, что предусматривается установочный элемент для угла между базисной частью стопы и соединительной частью, который будет действенен только при продолжающейся в течение нескольких секунд нагрузке. Таким установочным элементом может быть гидроцилиндр. Он целесообразным образом комбинируется с упругим звеном, деформируемым при кратковременных нагрузках (при опирании на пятку), чтобы достигать пружинящего эффекта при опирании на пятку во время ходьбы.
Различение между кратковременной нагрузкой при опирании на пятку и долгосрочной адаптацией к высоте каблука может происходить преимущественно посредством того, что в циркуляционный контур гидроцилиндра введено клапанное устройство, которое прерывает поток рабочей жидкости в циркуляционном контуре, если скорость потока поднимается внезапно. Напротив, при медленной адаптации клапанное устройство не блокируется, так что рабочая жидкость может перетекать для изменения образованного гидроцилиндром установочного элемента.
В процессе ходьбы стопа обычным способом перекатывается через предплюсневую область стопы. При этом голень (соединительная часть) наклоняется относительно базисной части стопы вперед, так что при соответствующей изобретению связи доходит до давления снизу на предплюсневую часть стопы, предплюсна таким образом «вцепляется» вниз. Это можно смягчать выполнением сочленения, которое производит уменьшенный коэффициент передачи в отношении угловых положений. Однако вследствие этого ухудшается адаптация к разным высотам каблука.
Предпочтительно поэтому, чтобы минимум одна соединительная деталь сборки сустава была выполнена с возможностью изменения длины, причем величина удлинения может управляться посредством минимум одного датчика, который регистрирует, по меньшей мере, один параметр ситуации ходьбы или стояния. Изменение длины может быть выполнено посредством гидроцилиндра.
Целесообразно в любом случае между предплюсневой частью и базисной частью стопы располагать упругое звено, которое делает возможным, в частности, изменение длины соединительной детали, в частности, тяги.
Эластичная конструкция тяги может заменяться или дополняться эластичной конструкцией уступа соединительной части, с которым шарнирно соединена тяга. При этом сам уступ может быть образован из эластичного материала или быть эластично связанным с остальным телом соединительной части с возможностью наклона.
Особенно целесообразно для данного изобретения, если голеностопный сустав расположен с интервалом впереди от соединенной с частью голени уступа адаптера соединительной части. Таким образом, достигают хорошей устойчивости и производятся необходимые крутящие моменты для управления стопой.
Изобретение должно в дальнейшем подробнее разъясняться при помощи представленных на чертежах примеров изготовления. Они показывают:
Фиг.1 - принципиальная структура искусственной стопы, согласно первой конструктивной форме, представленной в положении босиком;
Фиг.2 - принципиальное представление стопы, согласно фиг.1, в туфле с высоким каблуком;
Фиг.3 - представление, согласно фиг.1, с иллюстрацией расположения голеностопного сустава;
Фиг.4 - представление, согласно фиг.3, для смещенной вперед нагрузки при стоянии;
Фиг.5 - представление стопы, согласно фиг.1, во время ходьбы при опирании на пятку;
Фиг.6 - принципиальное представление варианта стопы, согласно фиг.1, соответствующего второму примеру исполнения;
Фиг.7 - схематическое представление возможного принципа действия демпфера;
Фиг.8 - третья конструктивная форма соответствующей изобретению стопы с эластичной тягой в режиме стояния;
Фиг.9 - представление, согласно фиг.8, для движения переката через предплюсну;
Фиг.10 - четвертая конструктивная форма соответствующей изобретению стопы с изменяемой длиной тяги;
Фиг.11 - пятая конструктивная форма, как конструктивный вариант конструктивной формы, согласно фиг.10;
Фиг.12 - шестая конструктивная форма с сочленением сустава в виде шарнирного сустава.
Первая конструктивная форма соответствующей изобретению стопы представлена на фиг.1-5 как принципиальная структура. Функциональная структура стопы содержит базисную часть 1 стопы, которая связана через выполненный как вращательный шарнир голеностопный сустав 2 с соединительной частью 3. Соединительная часть 3 имеет адаптерный уступ 4 в форме стоящей на головке кегли, который служит для регулируемого приема трубчатой части 5 голени протеза голени. Адаптерный уступ 4 выступает таким образом из верхней граничной поверхности 6 косметического покрытия 7 протеза стопы, которое окружает функциональные части протеза стопы вплоть до заключительной поверхности 6.
Базисная часть 1 стопы образует позади от голеностопного сустава 2 пяточный участок 8, который проходит от соединительной части 3 наклонно назад вниз и заканчивается близкой к подошве 9 косметического покрытия 7 опорной поверхностью 10 пятки. Базисная часть 1 стопы проходит вперед от голеностопного сустава 2 в, по существу, прямолинейном плюсневом участке 11, на переднем конце которого шарнирно соединена во вращательном шарнире 13 с предплюсневой частью 12 стопы, представляющей область пальцев ноги. Предплюсневая часть 12 стопы образует почти треугольный клин, нижняя поверхность 14 которого проходит параллельно подошве 9 косметического покрытия 7 в области предплюсны 12. Вращательный шарнир 13 находится в вершине треугольной предплюсневой части 12 стопы. В нижней области треугольной предплюсневой части 12 стопы находится другой вращательный шарнир 15, через который предплюсневая часть 12 стопы посредством тяги 16 связана с соединительной частью 3. Для этого соединительная часть 3 имеет выступающий вниз жесткий уступ 17, в котором находится вращательный шарнир 18 для крепления тяги 16. Соединительная часть 3 таким образом выполнена в L-образной форме с горизонтальным плечом, лежащим почти параллельно заключительной поверхности 6, и выступающим вниз почти под прямым углом к нему плечом в форме уступа 17.
Оси вращательных шарниров 2, 13, 15, 18 лежат параллельно друг другу и перпендикулярно к сагиттальной плоскости стопы, значит - параллельно фронтальной плоскости пациента. В представленной первой конструктивной форме расстояния между вращательными шарнирами 13, 15 с одной стороны, и 2, 18 с другой стороны, почти одинаковы, так что плюсневый участок 11 и тяга 16 ориентированы почти параллельно друг другу (принимая во внимание линию связи между вращательными шарнирами 2, 13 с одной стороны и 15, 18 с другой стороны). В представленной конструктивной форме сочленение между соединительной частью 3 и предплюсневой частью 12 стопы таким образом соответствует параллелограммному креплению.
Представленная на фиг.1 искусственная стопа представлена в положении босиком, т.е. без каблука. В сравнении с этим фиг.2 показывает стопу, согласно фиг.1, в туфле 19, которая имеет высокий каблук 20. Соответственно этому соединительная часть 3 и соответственно часть 5 голени наклонены относительно базисной части 1 стопы назад, вследствие чего через сочленение с шарнирами 2, 13, 15, 18 предплюсневая часть 12 стопы поворачивается относительно базисной части 1 стопы наверх. Так как базисная часть 1 стопы ориентирована в туфле 19 из-за высокого каблука 20 под наклоном вперед вниз, то отклонение предплюсневой части 12 стопы наверх устанавливается настолько, что нижняя поверхность 14 предплюсневой части 12 стопы проходит параллельно подошве 21 туфли 19. Представленное сочленение способствует таким образом самостоятельной адаптации стопы к высоте каблука 20 с помощью отклонения предплюсневой части 12 стопы посредством сочленения во вращательных шарнирах 2, 13, 15, 18.
Фиг.3 и 4 поясняют нагрузки, принятые соответствующей изобретению стопой. Сила веса ориентирована непосредственно в голеностопный сустав 2. Голеностопный сустав 2 позиционирован с интервалом впереди адаптерного уступа 4 и соответственно протеза 5 голени, вследствие чего голеностопный сустав 2 воздействует почти посередине на базисную часть 1 стопы, соединенную шарнирно как балансир на голеностопном суставе 2. Силы реакции опоры прикладываются в области опоры пятки 10 и в области носка, значит - почти на высоте вращательных шарниров 13, 15 предплюсневой части 12 стопы. Следовательно, силы реакции пола находятся примерно симметрично по обе стороны приложенной силы веса, если исполняется стабильное состояние в равновесии.
Если теперь происходит перераспределение нагрузки, согласно фиг.4, вперед, то возникает крутящий момент на части голени 5 и соответственно соединительной части 3 в направлении, обозначенном на фиг.4 изогнутой стрелкой. Таким образом к тяге 16 прикладывается сила тяги назад, вследствие чего передняя вершина предплюсневой части 12 стопы подвергается нажиму вниз. Поэтому вершина может принимать дополнительные силы реакции опор , как это представлено дополнительной стрелкой в области вершины предплюсневой части 12 стопы на фиг.4. Действующая на опорную поверхность 10 пятки сила реакции опоры в этом случае сокращается из-за перераспределения нагрузки.
Фиг.5 показывает стопу, согласно фиг.1, в фазе опирания на пятку при ходьбе. В этом случае часть голени 5 и соответственно соединительная часть 3 наклонена по сравнению с базисной частью 1 стопы назад, так что предплюсневая часть 12 стопы анатомически правильно отклонена еще несколько наверх. При постановке стопы в области пятки балансир, образующий базисную часть стопы, внезапно отклоняется плюсневым участком 11 стопы вниз, вокруг голеностопного сустава 2, так что угол отклонения назад части голени 5 относительно базисной части 1 стопы еще увеличивается, вследствие чего предплюсневая часть 12 стопы будет предельно отклоняться наверх.
Поэтому может быть целесообразно, согласно фиг. 6, смягчать отклонение базисной части 1 стопы при опирании на пятку посредством того, что между пяточным участком 8 базисной части 1 стопы и соединительной частью 3 вставляется демпфер 22, например, в форме гидравлического демпфера. Эластичный демпфер предотвращает неамортизированное опускание плюсневой части 11 стопы при опирании на пятку.
Фиг.7 поясняет предпочтительный принцип действия демпфера 22. Он состоит из полости цилиндра 23 и поршня 24. Относительное движение между пяточным участком 8 и соединительной частью 3 демпфируется циркуляционным контуром 25, через который рабочая жидкость должна перетекать с одной стороны на другую сторону поршня 24. Преимущественно, в циркуляционный контур 25 вставлено клапанное устройство 26, которое представлено схематически, - состоит из поддерживаемого пружинами 27 запорного шарика 28. При незначительной скорости потока рабочей жидкости в циркуляционном контуре 25, как она проявляется, например, в квазистатическом состоянии для адаптации к разным высотам каблука 20, происходит в приглушенной форме необходимое уравновешивание состояния посредством рабочей жидкости.
При кратковременном пиковом значении нагрузки, которая возникает при опирании на пятку во время процесса ходьбы, шарик 28 высокой скоростью потока отжимается в запорную позицию 29 и преграждает путь потоку рабочей жидкости. В этом случае опирание на пятку не ведет к изменению устанавливаемого гидроцилиндром 22 расстояния между пяточным участком 8 и соединительной частью 3.
Чтобы сделать возможным эластичное опирание на пятку, целесообразно последовательно к демпферу 22 включать упругое звено, например, пружину.
Представленная на фиг.8 и 9 конструктивная форма имеет то же самое расположение вращательных шарниров 2, 13, 15, 18, однако, с тем вариантом, что тяга 16' между вращательными шарнирами 15 и 18 образована согнутой листовой пружиной. Фиг.8 показывает состояние равновесия при постоянной нагрузке. При переносе веса вперед жесткая тяга 16, согласно фиг.1, вызвала бы немедленную сильную нагрузку на предплюсну, которая не соответствовала бы естественному восприятию состояния. Тяга 16' может, напротив, несколько эластично удлиняться при переносе веса вперед, согласно фиг.9, чтобы затем, при дальнейшей силе тяги на тягу 16' производить прогрессивно нарастающую противодействующую силу на предплюсну. Определенное "покачивание" при стоянии пациента стабилизируется, таким образом, посредством эластичной, прогрессивно нарастающей противодействующей силы, что соответствует естественному восприятию состояния.
Фиг.10 показывает конструктивную форму искусственной стопы, у которой тяга 16'' выполнена с возможностью изменения длины посредством гидроцилиндра 30. Гидроцилиндр 30 может при этом, как гидроцилиндр 22 на фиг.7, при кратковременной нагрузке замедлять демпфирование передачи углового положения соединительной части 3 относительно базисной части 1 стопы на угловое положение предплюсневой части 12 стопы относительно базисной части 1 стопы. При этом изменением длины гидроцилиндра 30 может изменяться передаточное число параллелограммного крепления между соединительной частью 3 и предплюсневой частью 12 стопы настолько, что предотвращается повышенный нажим части 12 стопы вниз при отклоненном вперед в процессе перекатывания угловом положении соединительной части 3 относительно базисной части стопы. Непосредственное преобразование углового положения привело бы в процессе перекатывания через предплюсневую часть 12 стопы к "вцеплению" области пальцев предплюсневой части 12 стопы. За счет предпринятого на основе изменения длины гидроцилиндра 30 изменения передаточного числа между соединительной частью 3 и частью 12 стопы можно избежать этого эффекта вцепления. Между предплюсневой частью 12 стопы и плюсневым участком 11 базисной части 1 стопы расположена пружина 31, которая задает преимущественное положение элемента предплюсны. Пружина 31 может предпочтительно заменяться комбинацией демпфера и пружины в последовательной сборке.
При этом расстояние между шарнирами (13, 13', 15) на предплюсневой части (12, 12') стопы меньше, чем расстояние между шарнирами (2, 18) на соединительной части (3, 3').
Фиг.11 показывает конструктивную форму, которая выполнена действующей одинаково с конструктивной формой согласно фиг.10, однако показывает конструктивные модификации. Так, базисная часть стопы 1' проходит от пяточной области 8 только слегка выпукло наверх в плюсневой части 11' стопы. Плюсневая часть 11' стопы имеет выдающийся за вращательный шарнир 13 уступ 32, который несет влияющую на предплюсневую часть 12 стопы пружину 31 или, соответственно, комбинацию демпфера и пружины.
Соединительная часть 3' выполнена снова в L-образной форме, однако, выступающий вниз уступ 17' расположен теперь на заднем конце, вследствие чего получается обратный перенос вращательного шарнира 18 в направлении пяточной области. Вследствие этого имеется в распоряжении более длинный путь для тяги 16'' с гидравлическим демпфером 30.
Шарнирное соединение базисной части 1' стопы в голеностопном суставе 2 происходит через выступающую наверх надставку 33 базисной части 1' стопы.
Представленная на фиг.12 конструктивная форма соответствует, в сущности, конструктивной форме, согласно фиг.1, причем выпал лишь вращательный шарнир 13 и заменен гибким участком 13' плюсневого участка 11 стопы, который переходит таким образом через образованный сужением материала гибкий участок 13' в предплюсневую часть 12' стопы. Само собой разумеется, конструктивная форма с образованием шарнира 13' может комбинироваться с представленными на остальных чертежах вариантами, значит, например, с гибкой тягой 16' или тягой 16'' с изменяемой длиной.