АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ МЕХАНИЗМ ПОДВИЖНОСТИ КОЛЕННОГО СУСТАВА ДЛЯ РЕАБИЛИТАЦИ

Полезная модель относится к области медицины, в частности к устройствам для активно-пассивной разработки коленного сустава пациента с целью восстановления его подвижности, а также постепенного уменьшения степени выраженности атрофии мышц нижних конечностей, или замещающим функцию ослабленных мышц-разгибателей коленного сустава при наличии их вялого или спастического паралича.
Известен аппарат для реабилитации после травм, переломов бедра и заболеваний тазобедренного сустава (RU 109405, МПК А61Н 1/02), содержащий корпус, электронный блок управления, подставку под ноги, совершающую движения в результате работы электродвигателя. Недостатком данного устройства является то, что оно является стационарным и не обеспечивает мобильности пациента, а также то, что он диктует пациенту запрограммированные им параметры движения коленного сустава.
Известен полицентрический бесшарнирный коленный модуль для ортезов и протезов (см. патент на изобретение №2087138, А61F, 2/64, 1997), содержащий головки шин бедра и голени, которые жестко связаны между собой с одной стороны эластичным ограничителем, а с другой стороны - упругим элементом, на котором неподвижно установлены съемные упоры-ограничители, количество которых зависит от габаритов и степени поражения коленного сустава.
Наиболее близким аналогом является мехатронный модуль коленного сустава для экзоскелета нижних конечностей человека (патент на ПМ №134791 от 27.11.2013 А61Н 1/02, 2013). Модуль содержит основание, которое при помощи гибких эластичных ремней крепится к бедру человека, а также поворотную пластину, присоединяемую к нижней части основания, которая также крепится к голени ноги человека, а также привод поступательного движения. Недостатком данной конструкции является то, что привод поступательного движения не обеспечивает необратимость передачи, следовательно, даже при неподвижном положении пациента необходимо усилие привода, удерживающее голень и бедро в неподвижном положении.
Техническая проблема заключается в создание надежного механизма, обеспечивающего возможность самостоятельной ходьбы пользователя с нарушением функции мышц-разгибателей коленного сустава по горизонтальной и наклонной опорной поверхности, а также по лестничным маршам и переход через препятствия с паттерном ходьбы, простого в эксплуатации, позволяющего ускорить процессы реабилитации за счет улучшения ходьбы пользователей методом согласования работы собственных ослабленных мышц и привода благодаря разным режимам управления, которые выбираются в зависимости от стадии реабилитации: режим растяжки, тренажерный режим, режим вспомогательный при перемещении, режим перемещений.
Технический результат заключается в создании надежного недорогого механизма, обладающего небольшими габаритами и весовыми характеристиками, позволяющего лицам с ослабленными мышцами-разгибателями коленного сустава (напр. лицам, страдающими ДЦП), восстанавливать функцию мышц при ходьбе, что существенно улучшает параметры походки и облегчает социализацию пациентов.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается тем, что автоматизированный механизм подвижности коленного сустава для реабилитации и восстановления двигательных функций конечностей пациента характеризуется наличием двух оснований передаточного механизма и зубчатых колес, установленных на одной оси, шагового двигателя, обеспечивающего при вращении разгибание коленного сустава и расположенного на первом основании с установленным на его валу винтом, обеспечивающим вращение зубчатых колес.
Сгибание коленного сустава обеспечивается поворотом вала шагового двигателя, расположенного на втором основании и связанного со стопором, обеспечивая управление стопором, с последующим отцеплением последнего от зубчатого колеса, при этом информацию о сгибании коленного сустава и положении конечности в пространстве обеспечивает энкодер, располагаемый на оси, на которой установлены основания и зубчатые колеса, автоматизированный механизм также характеризуется наличием аккумуляторной батареи и электронного блока управления, расположенных в поясной сумке пациента и датчиков акселерометров подключены к электронному блоку управления для накопления набора данных, необходимых для управления приводом механизма.
Автоматизированный механизм подвижности коленного сустава снабжен информативными стельками, подключенными к электронному блоку управления и передающими информацию о фазе шага пациента.
Расположение контактных выключателей можно менять в информативной стельке в зависимости от индивидуальных характеристик стопы пользователя.
Представленный принцип работы устройства делает его универсальным, то есть пригодным для любых пациентов с их индивидуальными особенностями ходьбы.
Устройство поясняется чертежами, представленными на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4.
Фиг. 1, где 1 - привод (разрабатываемый), 2 - алюминиевые шины ортеза, 3 - крепежные посадочные пластины привода к ортезу, 4 - сумка с аккумулятором и контроллером, исполняющим функции обнаружения фаз шага и управления по датчикам, 5 - сенсорная информативная стелька, 6 - датчики акселерометров.
Фиг. 2, где 7 - шаговый двигатель, обеспечивающий усилие разгибания и сгибания, 8 и 9 - основания передаточного механизма, также исполняющие функцию шины для крепежа к ортезу, две раздельные детали, для обеспечения оси вращения, 10 - зубчатые колеса, 11 - шаговый двигатель, обеспечивающий управление стопором, который обеспечивает сцепление с зубчатым колесом.
Фиг. 3, где 12 - винт, вращением винта управляет шаговый двигатель 7, сам винт вращает зубчатое колесо 10, 13 - направляющая движения стопора, 14 - трос, наматывается на ротор двигателя стопора, подтягивающего стопор и расцепляющего соединение между основаниями ортеза, обеспечивая свободу управления, 15 - стопор, 16 - прижимная пружина стопора 15 к зубчатому колесу.
Фиг. 4, где 17 - кнопки, 18 - упругий материал, заполняющий пространство между кнопками и стельками, 5 - информативные стельки.
Устройство работает следующим образом:
Привод (фиг. 1 поз. 1) устанавливается на ортез коленного сустава (фиг. 1 поз. 2) с помощью специальных пластин (фиг. 1 поз. 3). Аккумулятор и контроллер располагаются в сумке на поясе у пациента (фиг. 1 поз. 4) Разгибание коленного сустава (фиг. 2, фиг. 3) обеспечивается вращением шагового двигателя (фиг. 2 поз. 7), на валу которого установлен винт (поз. 12 фиг. 3). Два основания (фиг. 2 поз. 8, 9) приходят в движение относительно друг друга за счет сцепления стопора (фиг. 3 поз. 15) с зубчатыми колесами (фиг. 2 поз. 10), соединенными между собой для исключения проскальзывания винта относительно шестеренки. Движение стопора, установленного в направляющих (фиг. 3 поз. 13), обеспечивает шаговый двигатель (фиг. 2 поз. 11) и трос (фиг. 3 поз. 14), а сцепление с зубчатым колесом обеспечивает прижимная пружина (фиг. 3 поз. 16). При вращении вала шагового двигателя (фиг. 2 поз. 11) стопор лишает механической связи два основания, что обеспечивает естественное сгибание ноги пациента под собственным весом.
Механизм сгибания коленного сустава обеспечивается поворотом вала шагового двигателя (фиг. 2 поз. 11), связанного со стопором (фиг.3 поз. 15), с последующим отцеплением стопора от зубчатого колеса.
Механизм отличается наличием зубчатых колес (фиг. 1 поз 10), изготовленных из листового материала, наличием акселерометров и информативных стелек (фиг. 1 поз. 5), а также непостоянным сцеплением двух оснований друг с другом, для возможности свободного обратного хода без использования двигателя и зубчатой передачи (для сгибания коленного сустава силами пациента).
Благодаря последнему фактору движения пациента носят более естественный характер, пациент не получает помощь в движении, которое способен выполнить самостоятельно. При тренировках с данным механизмом восстановление пациента будет происходить более высокими темпами. По мере усиления собственных мышц предусмотрено уменьшение степени вовлеченности устройства в осуществление активных движений. Расположение посадочных плоскостей оснований выбрано относительно друг друга таким образом, чтобы обеспечить универсальность посадки привода на готовые ортезы коленного сустава.
Снятие информации с датчиков. Основными источниками информации о сгибании коленного сустава и положении конечности в пространстве являются энкодер (не показан на чертежах), располагаемый на оси, на которой установлены основания (энкодер механически соединен с осью и с основанием, на котором установлен стопор), а также стельки, оснащенные контактными выключателями (фиг. 4). С энкодера поступают данные об угле сгиба коленного сустава, в то время как со стельки поступают данные о фазе шага пациента. Схема расположения контактных выключателей (фиг. 4) каждой стельки представляет собой кнопки поз. 17, расположенные между двух стелек поз. 5, пространство между которыми заполнено упругим материалом поз. 18. Также в качестве вспомогательного источника данных используются датчики акселерометров 6, установленные непосредственно на ортез (схематичное представление фиг. 1). С данных датчиков поступает информация о положении конечности в пространстве. На каждый ортез устанавливается по 2 датчика: на бедре и на голени.
Преимуществом разработанной полезной модели являются малые габариты (максимальная толщина всего механизма - 70 мм без учета выступающих шаговых двигателей), малый вес (без учета шаговых двигателей), простота конструкции (малое количество деталей и простой процесс сборки), а также универсальность установки на пассивные ортезы коленных суставов различных моделей и метод управления приводом,  позволяющий управлять степенью вовлеченности в ходьбу пользователя.