АВТОМАТИЧЕСКИЙ РАЗРАБОТЧИК КОЛЕННЫХ И ЛОКТЕВЫХ СУСТАВОВ

Область техники
Полезная модель относится к медицинской технике, к аппаратам для механотерапии контрактур суставов и может быть использована для восстановления амплитуды движения в локтевом и коленном суставе.
Уровень техники
Известно устройство для лечения контрактур ([1], RU 2271177), содержащее кожно-металлические гильзы, шарнирно связанные между собой, снабженные средствами их фиксации выше и ниже сустава конечности и приводом периодического движения в виде зубчатого механизма. Привод установлен на гильзе, выполненной с возможностью установки выше сустава конечности, причем ведущее звено привода снабжено приводом вращения, а ведомое звено - диаметрально установленным на нем рычагом, свободный конец которого скользяще связан с втулкой, поворотно установленной на гильзе, выполненной с возможностью установки ниже сустава конечности, при этом рычаг снабжен ограничителем движения.
Аналог [1] не позволяет автоматизировать процесс разработки локтевого сустава, не позволяет разрабатывать коленный сустав.
Известно устройство для разработки контрактур верхней конечности ([2], SU 1158195), содержащее шарнирно соединенные и снабженные винтовыми фиксаторами шины плеча и предплечья, жестко связанные с соответствующими гильзами. Шины предплечья снабжены ротационным механизмом, выполненным в виде втулки с торцовой стенкой, имеющей концентрические пазы, и кольца, установленного на втулке с возможностью поворота и фиксации посредством направляющих болтов, расположенных в концентрических пазах.
Данная конструкция [2] не предусматривает автоматизацию процесса разработки сустава, не позволяет разрабатывать коленный сустав, не обеспечивает возможность крепления к опорам аппарата внешней фиксации и осуществлять разработку движений конечности, на которой установлен аппарат внешней фиксации.
Известно устройство для восстановления подвижности суставов ([3], RU 2139701), содержащее электропривод, систему управления, неподвижное и подвижное опорные приспособления для смежных сегментов, образующих суставов, муфты сцепления, редуктор, электромагниты, сердечник, пружины, датчики положения. Электропривод выполнен в виде П-образной рамы, образованной в средней части опорным модулем и с размещенным на нем неподвижным опорным приспособлением, и имеет два выходных вала, расположенные соосно на концах рамы и связанные с подвижным опорным приспособлением посредством механизма передачи вращения между двумя несоосными валами. В средней части рамы с помощью регулировочных и фиксирующих элементов крепится опорное приспособление для одного из смежных сегментов, образующих сустав. Второе опорное приспособление посредством механизма передачи вращения между двумя соосными валами соединяется с выходными валами редуктора. Устройство имеет дополнительные электроприводы для разработки суставов в двух плоскостях или для снижения нагрузки на суставные поверхности.
Аналог [3] сложен в эксплуатации, не предусматривает автоматизацию процесса разработки сустава, не обеспечивает возможность использования с аппаратами внешней фиксации.
Известно устройство для разработки контрактур локтевого сустава ([4], RU 138420), содержащее ложементы плеча и предплечья, соединенные цилиндрическим шарниром, электромеханический привод, блок управления и питания, отличающееся тем, что электромеханический привод выполнен в виде шагового электродвигателя, вал которого имеет резьбовую нарезку, установленного в корпусе, снабженном телескопической частью, содержащей цилиндр и соосно установленную в нем резьбовую втулку, навинченную на вал шагового электродвигателя, резьбовая втулка и корпус оснащены двухплоскостными шарнирными узлами, один шарнирный узел с возможностью перемещения закреплен винтом в пазу кронштейна, установленного на ложементе плеча, а другой шарнирный узел закреплен винтом в пазу кронштейна, установленного на ложементе предплечья.
Данный аналог [4] наиболее близок по технической сущности к заявленному решению. Он не обеспечивает возможность использования устройства совместно с аппаратами внешней фиксации, невозможно применение устройства в послеоперационный период, когда конечность находится в аппарате внешней фиксации. Конструкция шарнирного узла не учитывает анатомо-физиологические особенности движения сустава.
Из уровня техники известны устройства [1, 2, 3, 4], предназначенные для механотерапии суставов, однако устройства для механотерапии коленных и локтевых суставов, обеспечивающего возможность крепления к аппаратам внешней фиксации, возможность автоматической разработки движений в раннем послеоперационном периоде и позволяющее выполнять движения в суставе с учетом биомеханики сустава, не существует.
Сущность технического решения
Задача, на решение которой направлена полезная модель, является создание автоматизированного устройства для механотерапии локтевого и коленного суставов, обеспечивающего возможность ранней реабилитации в послеоперационный период путем подключения устройства к опорам аппарата внешней фиксации и обеспечивающего стабилизацию сустава шарниром с изменяемой осью вращения.
Технический результат - полезная модель обеспечивает автоматическую разработку контрактур локтевого и коленного суставов и предотвращает их образование путем проведения механотерапии в раннем послеоперационным периоде и в период реабилитации у пациентов с установленными на конечностях аппаратами внешней фиксации, а также у пациентов без аппаратов внешней фиксации. При этом обеспечивает выполнение физиологически правильного движения в суставе путем использования анатомических шарниров.
Технический результат достигается тем, что автоматический разработчик коленных и локтевых суставов содержит линейный двигатель с закрепленными на нем двумя быстросъемными механическими креплениями, быстросъемные механические крепления закреплены, с возможностью изменения положения, на элементах фиксации сегментов конечности соединенных суставом, элементы фиксации сегмента конечности связаны через анатомический осевой шарнир со смещаемой осью вращения, линейный двигатель подключен к программируемому электронному блоку управления, состоящему из электрически связанных между собой и размещенных в едином корпусе сенсорного экрана, микроконтроллера, датчика контроля параметров линейного двигателя, драйвера линейного двигателя, разъема подключения источника электропитания, разъема подключения линейного двигателя.
Указанная сущность позволяет достигать заявленный технический результат.
Предусмотрено, что элементы фиксации сегментов конечности могут быть выполнены в виде опор аппарата внешней фиксации, в виде лангет, в виде ложементов, оснащенных стяжными ремнями, либо путем совместного использования указанных элементов в различных сочетаниях.
Предпочтительно первое быстросъемное механическое крепление установлено одним концом на корпусе линейного двигателя, другим концом - на элементе фиксации первого сегмента конечности, второе быстросъемное механическое крепление установлено одним концом на штоке линейного двигателя, другим концом - на элементе фиксации второго сегмента конечности. Предусмотрено, что быстросъемные механические крепления установлены на линейном двигателе через одноплоскостные осевые шарниры, на элементах фиксации сегмента конечности быстросъемные механические крепления установлены с возможностью изменения положения.
Анатомический осевой шарнир, со смещаемой осью вращения, предпочтительно состоит из двух подвижных, один относительно другого, компонентов, каждый компонент оснащен направляющей, направляющая фиксируется, с возможностью изменения положения, к соответствующему элементу фиксации сегмента конечности, первый компонент содержит как минимум одно первое звено, второй компонент содержит как минимум одно второе звено, первое и второе звенья связаны с возможностью взаимного движения, в первом звене выполнена прорезь и углубление, в прорези с возможностью перемещения размещена ось вращения, жестко соединенная со вторым звеном, на оси вращения установлена шестерня, контактирующая с рейкой, рейка установлена в углублении первого звена без возможности перемещения, звенья крепятся на удерживающих площадках, к которым крепятся направляющие.
Каждое быстросъемное механическое крепление предпочтительно содержит корпус с отверстиями, в первом отверстии расположена сменяемая удерживающая ось, во втором отверстии расположена втулка и фиксатор сменяемой удерживающей оси, блокировочную кнопку, связанную с фиксатором.
Полезная модель поясняется графическими материалами, которые представлены с целью лучшего понимания сущности технического решения и не ограничивают сущность технического решения только представленным на фигурах вариантом реализации.
Фиг. 1 - автоматический разработчик коленных и локтевых суставов, вид общий;
Фиг. 2 - автоматический разработчик коленных и локтевых суставов, вид общий с разнесенными частями;
Фиг. 3 - электронный блок управления, схема принципиальная.
Осуществление полезной модели
Автоматический разработчик коленных и локтевых суставов содержит линейный двигатель 1 (фиг. 1; 2; 3). На корпусе линейного двигателя 1 установлено первое быстросъемное механическое крепление 2 (фиг. 1; 2). Первое быстросъемное механическое крепление 2 одним концом установлено на линейном двигателе 1 через одноплоскостной осевой шарнир 3 (фиг. 1), другим концом быстросъемное механическое крепление 2 установлено на элементе фиксации 4 (фиг. 1; 2) первого сегмента конечности с возможностью изменения положения. На штоке линейного двигателя 1 установлено второе быстросъемное механическое крепление 5 (фиг. 1; 2). Второе быстросъемное механическое крепление 5 одним концом установлено на штоке линейного двигателя 1 через одноплоскостной осевой шарнир 3, другим концом быстросъемное механическое крепление 5 установлено на элементе фиксации 6 (фиг. 1; 2) второго сегмента конечности с возможностью изменения положения. Элементы фиксации 4, 6 на фиг. 1, 2 показаны в виде ложементов, оснащенных стяжными ремнями (не показаны). Элементы фиксации 4, 6 первого и второго сегментов конечности связаны через анатомический осевой шарнир 7 (фиг. 1) со смещаемой осью вращения 8 (фиг. 2). Линейный двигатель 1 подключен к программируемому электронному блоку управления 9 (фиг. 3), состоящему из электрически связанных между собой и размещенных в едином корпусе 10 (фиг. 1; 2) - сенсорного экрана 11 (фиг. 3), микроконтроллера 12 (фиг. 3) (на базе процессора SAM3X), датчика контроля параметров линейного двигателя 13 (фиг. 3) (МЕМАСS+АСS712+энергонезависимая память), драйвера 14 (фиг. 3) линейного двигателя 1, разъем подключения источника электропитания 15 (фиг. 1; 2) напряжением 12 вольт, разъем подключения линейного двигателя 16 (фиг. 1; 2). Датчик 13 MEMACS состоит из двух модулей памяти и микросхемы, отслеживающей проходящий через линейный двигатель 1 ток.
Анатомический осевой шарнир 7 со смещаемой осью вращения 8 состоит из двух, подвижных один относительно другого, компонентов 17, 18 (фиг. 1). Каждый компонент 17 и 18 оснащен собственной направляющей 19 (фиг. 1; 2). Каждая направляющая 19 фиксируется, с возможностью изменения положения, к соответствующему элементу фиксации 4, 6 сегмента конечности. Первый компонент 17 содержит два первых звена 20 (фиг. 1; 2). Второй компонент 18 содержит два вторых звена 21 (фиг. 1; 2). Каждое первое 20 и второе 21 звено связаны с возможностью взаимного движения. В каждом первом звене 20 выполнена прорезь 22 (фиг. 2) и углубление 23 (фиг. 2). В прорези 22 с возможностью перемещения размещена ось вращения 8, жестко соединенная со вторым звеном 21. На оси вращения 8 установлена шестерня 24 (фиг. 2), контактирующая с рейкой 25 (фиг. 2). Рейка 25 установлена в углублении 23 первого звена 20 без возможности перемещения. Звенья 20 и 21 анатомического осевого шарнира 7 крепятся на удерживающих площадках 26 (фиг. 2), к которым крепятся направляющие 19. Быстросъемные механические крепления 2 и 5 содержат корпус 27 (фиг. 2) с отверстиями 28, 29 (фиг. 2), в первом отверстии 28 расположена сменяемая удерживающая ось 30 (фиг. 2), во втором отверстии 29 расположена втулка 31 (фиг. 2) и фиксатор 32 (фиг. 2) сменяемой удерживающей оси 30, блокировочную кнопку 33 (фиг. 2), связанную с фиксатором 32. Быстросъемные механические крепления 2 и 5 комплектуются различными сменяемыми удерживающими осями 30 для крепления к известным аппаратам внешней фиксации. Быстросъемные механические крепления 2 и 5 позволяют соединить линейный двигатель 1 напрямую с любыми элементами фиксации 4, 6 с опорами аппарата внешней фиксации, либо с лангетами, либо с ложементами, наложенными на сегменты конечности, соединенные суставом.
Работает устройство следующим образом.
Линейный двигатель 1 крепят к элементам фиксации 4, 6, установленным на первом и втором сегментах конечности с двух сторон от сустава. Элементы фиксации 4 и 6 могут быть выполнены в форме опор аппарата внешней фиксации, в виде лангет, в виде ложементов (фиг. 1, 2), оснащенных стяжными ремнями (не показаны на схемах), либо путем совместного использования указанных элементов в различных сочетаниях - на первом сегменте конечности опора аппарата внешней фиксации, на втором сегменте конечности опора аппарата внешней фиксации; на первом сегменте конечности опора аппарата внешней фиксации, на втором сегменте конечности ложемент; на первом сегменте конечности ложемент, на втором сегменте конечности опора аппарата внешней фиксации; на первом сегменте конечности ложемент, на втором сегменте конечности ложемент; на первом сегменте конечности опора аппарата внешней фиксации, на втором сегменте конечности лонгета; на первом сегменте конечности лонгета, на втором сегменте конечности ложемент и т.п. В случае если автоматический разработчик коленных и локтевых суставов применяется для локтевого сустава, когда на конечности нет аппарата внешней фиксации, на плечо устанавливают элемент фиксации 4 в виде ложемента, на предплечье устанавливают элемент фиксации 6 в виде ложемента. В случае если автоматический разработчик коленных и локтевых суставов применяется для коленного сустава, когда на конечности нет аппарата внешней фиксации, на бедро устанавливают элемент фиксации 4 в виде ложемента, на голень устанавливают элемент фиксации 6 в виде ложемента. Первое быстросъемное механическое крепление 2 устанавливают на элементе фиксации 4. Второе быстросъемное механическое крепление 5 устанавливают на элементе фиксации 6. В случае если на сегментах конечности установлены опоры аппарата внешней фиксации, посредством быстросъемных механических креплений 2 и 5 линейный двигатель 1 фиксируют к опорам аппарата внешней фиксации, установленным на сегментах конечности (плечо-предплечье, бедро-голень). Либо фиксируют линейный двигатель 1 первым быстросъемным механическим креплением 2 к опоре аппарата внешней фиксации на первом сегменте конечности, вторым быстросъемным механическим креплением 5 к ложементу (или лангете) на втором сегменте. Либо фиксируют линейный двигатель 1 первым быстросъемным механическим креплением 2 к лангете на первом сегменте конечности, вторым быстросъемным механическим креплением 5 к лангете на втором сегменте конечности. Для крепления быстросъемных механических креплений 2 и 5 воздействуют на блокировочную кнопку 33, освобождая тем самым фиксатор 32, фиксатор 32 перемещают в отверстии 29, и вытаскивают сменяемую удерживающую ось 30. Вставляют сменяемую удерживающую ось 30 в отверстие элемента фиксации 4,6. Устанавливают сменяемую удерживающую ось 30 в отверстие 28, перемещают фиксатор 32, и воздействуют на блокировочную кнопку 33. Быстросъемные механические крепления 2 и 5 комплектуются различными сменяемыми удерживающими осями 30 для крепления к известным аппаратам внешней фиксации. Быстросъемные механические крепления 2 и 5 одинаково успешно закрепляются на опорах (кольцах, пластинах, дугах и т.п.) аппарата внешней фиксации, лангетах, ложементах путем введения сменяемой удерживающей оси 30 через стандартные отверстия в элементах фиксации 4, 6. Элементы фиксации 4 и 6 закрепляют к направляющим 19 анатомического осевого шарнира 7. Подключают линейный двигатель 1 к запрограммированному электронному блоку управления 9 через разъем подключения линейного двигателя 16. В микроконтроллер 12 предварительно записывают программное обеспечение обеспечивающее работу и взаимодействие элементов электронного блока управления 9. Подключают источник электропитания напряжением 12 вольт к разъему 15 электронного блока управления 9. Включают источник электропитания в сеть и подают электрический ток к электронному блоку управления 9. Элементы блока управления 9 получают питание и работают под управлением программного обеспечения. На сенсорном экране 11 посредством графического интерфейса установленного программного обеспечения выбирают: тип разрабатываемой конечности, «нога-колено», «рука-локоть»; характер работы «сгибание-разгибание», «ручной режим»; применение алгоритма форсирования «форсирование» «без форсирования»; задают время работы; задают скорость движения конечности. Далее выбирают команду «старт». Сигнал от сенсорного экрана 11 поступает на микроконтроллер 12. Микроконтроллер 12 обрабатывает сигналы от сенсорного экрана 11, подает управляющую команду на драйвер 14. Драйвер 14 подает электрический ток от разъема 15 источника электропитания на разъем 16 подключения линейного двигателя 1. Линейный двигатель под действием электрического тока срабатывает, шток линейного двигателя перемещается, усилие от линейного двигателя 1 передается на быстросъемные механические креплениями 2 и 5, расстояние между быстросъемными механические креплениями 2 и 5 изменяется, усилие передается на элементы фиксации 4 и 6 сегментов конечности, вынуждая сегменты конечности изменять свое положение относительно друг друга. При этом усилие передается на направляющие 19, срабатывает анатомический осевой шарнир 7 со смещающейся осью вращения 8. Анатомический осевой шарнир 7 стабилизирует сустав. Усилие через направляющие 19, удерживающие площадки 26, передается на первое 20 и второе звено 21. Компоненты 17, 18 поворачиваются один относительно другого. Первое звено 20 поворачивается и смещается относительно второго звена 21. Ось вращения 8, жестко связанная с вторым звеном 21 поворачивается, вращение передается на шестерню 24, зубья шестерни 24 контактируют с зубьями рейки 25, шестерня 24 движется вращательно-поступательно вдоль рейки 25, смещая ось вращения 8 вдоль прорези 22. Усилие от рейки 25 при этом через углубление передается на первое звено 20. При этом датчик 13 MEMACS, состоящий из двух модулей памяти и микросхемы, отслеживает параметры эклектического тока, протекающего через линейный двигатель 1. С помощью датчика 13 электронный блок управления 9 анализирует данные движения линейного двигателя 1. Датчик 13 MEMACS измеряет силу тока. В случае превышения значения силы тока установленного значения, больше 3.5 ампер, которое возникает при усилии на штоке линейного двигателя 1, превышающего допустимые, например вследствие заклинивания механизмов или намеренного несанкционированного противодействия движению штока линейного двигателя 1, датчик 13 подает сигналы на микроконтроллер 12. Микроконтроллер 12 обрабатывает сигналы и при силе тока больше установленного значения генерирует управляющую команду на отключение электрического питания линейного двигателя 1, производится остановка линейного двигателя 1, микроконтроллер 12 выводит на сенсорный экран 11 графическое сообщение об ошибке. Для экстренной остановки линейного двигателя 1 необходимо нажать на сенсорный экран 11 несколько раз и/или в определенную область, эта функция задается программным обеспечением. На сенсорном экране 11 существуют сенсорные клавиши (не показаны), при выборе «ручного режима» для управления движениями, путем нажатия на сенсорные клавиши включают и выключают подачу электрического тока к линейному двигателю 1. Линейный двигатель 1 осуществляет поступательные движения по заданной оператором через электронный блок управления 9 программе. При включении алгоритма «форсирование», происходит постепенное увеличение нагрузки через определенные интервалы времени. Датчик 13 MEMACS производит измерение силы тока линейного двигателя 1 и подает команду на увеличение нагрузки с заданным интервалом времени. Микроконтроллер 12 собирает информацию о статусе сенсорного экрана 11. При выборе оператором параметров работы микроконтроллер 12 меняет свои настройки и записывает их в энергонезависимую память датчика 13 MEMACS. После окончания настройки и нажатия команды «старт» микроконтроллер 12 передает управляющую команду драйверу 14, который управляет подачей электрического тока к линейному двигателю 1. После успешного окончания работы, когда алгоритм разработки сустава, записанный в программное обеспечение, выполнен, микроконтроллер 12 подает сигнал на драйвер 14, драйвер 14 отключает электрический ток, линейный двигатель 1 останавливается, на сенсорный экран 11 выводится графическое сообщение о завершении работы и открывается приветственное меню.
Полезная модель может быть изготовлена на современном оборудовании, с использованием известных электронных компонентов и программного обеспечения.