СТРУКТУРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОРТОПЕДИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА
STRUCTURAL ELEMENT FOR ORTHOPAEDIC DEVICE

Изобретение относится к структурному элементу для ортопедического устройства, в частности для ортеза или протеза, который имеет по меньшей мере один интегрированный в структурный элемент датчик, который соединен с проводниками для передачи энергии и/или сигналов датчика, и к ортопедическому устройству с таким структурным элементом.
В ортопедических устройствах иногда существует необходимость соединения друг с другом нескольких компонентов. Дистальный компонент может соединяться пружинно с проксимальным компонентом, например коленная часть и ножная часть ортеза колено-лодыжка-стопа.
Применение листовой пружины из полосового армированного стекловолокном композитного материала в связи с ортезом для поднятия стопы известно из DE 10 2004 027252 А1. На изогнуто выполненной листовой пружине расположены крепежные устройства для фиксации пружины на стопе и на голени.
Крепление ножной части ортеза колено-лодыжка-стопа на голени известно из WO 2005/058211 А2. При этом часть голени образована из двух удерживаемых на расстоянии друг от друга металлических укосин. На дистальном конце каждой металлической укосины расположен поворотный палец, через который ножная часть соединена с возможностью поворота с укосинами.
В US 2008/0039756 А1 приведено описание ортеза колено-лодыжка-стопа, в котором часть голени образована жесткой рамой, на которой через голеностопный сустав расположена ножная часть для опоры стопы. Ножную часть можно приводить в движение с помощью исполнительного механизма.
Наряду с применением в ортезе колено-лодыжка-стопа структурные элементы можно использовать также в протезах для нижних и верхних конечностей, а также для ортезов в области туловища или на верхних конечностях.
Для получения информации о возникающих в структурном элементе или передаваемых через структурный элемент силах существует возможность расположения на структурном элементе или в структурном элементе датчика, который выдает данные датчика в приемник. Наряду с беспроводной передачей обычно предусмотрено физическое соединение проводников с датчиком для передачи энергии и/или сигналов датчика и их вывод из структурного элемента. На конце таких проводников, как правило, расположены штепсельные контакты с целью обеспечения возможности считывания данных датчика после установки структурного элемента.
Задачей данного изобретения является создание выполненного с возможностью согласования по длине структурного элемента, который можно использовать в соответствующих приемных устройствах ортопедических компонентов, при этом обеспечивается возможность согласования длины структурного элемента с индивидуальными данными пользователя ортопедического устройства.
Эта задача решена согласно изобретению с помощью структурного элемента с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения и модификации изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения. В структурном элементе согласно изобретению для ортопедического устройства, в частности для ортеза или протеза, который имеет по меньшей мере один расположенный в структурном элементе или на структурном элементе, например, интегрированный датчик, который соединен с проводниками для передачи энергии и/или сигналов датчика, предусмотрено, что проводники интегрированы в структурный элемент и проходят вдоль по меньшей мере одной концевой зоны структурного элемента. Проводники заканчиваются в концевой зоне и образуют там контактные поверхности, через которые можно принимать сигналы датчика или подводить, соответственно, отводить энергию. Поскольку контактные поверхности проходят по определенному пути вдоль наружной зоны или образованы в торцевой зоне, можно в зоне контактных поверхностей простым образом осуществлять согласование длины посредством простого удаления избыточной длины структурного элемента. При этом контактные поверхности остаются неизменными в своем пространственном взаимном положении, так что корреспондирующие контакты могут оставаться неизменными на подлежащих расположению на структурном элементе компонентах.
Предпочтительно, структурный элемент выполнен в виде пружинного элемента, например в виде листовой пружины из полосового материала, для соединения друг с другом двух компонентов с обеспечением возможности небольшого пружинного смещения относительно друг друга.
Датчик предпочтительно полностью заделан в структурный элемент для обеспечения хорошего механического экранирования. Кроме того, датчик может быть расположен вблизи нейтральной фазы с целью удерживания минимальной степени деформации, когда это желательно. В принципе, возможно, что датчик расположен на поверхности структурного элемента или лишь частично заделан в структурный элемент, когда это допускает вид использования ортопедического устройства и структура датчика.
В одной модификации изобретения предусмотрено, что датчик выполнен в виде тензорезистора или пьезоэлектрического элемента, при этом пьезоэлектрический элемент можно использовать также для генерирования электрической энергии.
Проводники предпочтительно изолированы внутри структурного элемента и предпочтительно изолированы друг от друга в зоне выхода, так что обеспечивается однозначное контактирование и передача сигналов.
В концевой зоне проводники могут быть выполнены в виде скользящих контактов или контактных поверхностей скольжения, которые проходят по меньшей мере на одной наружной стороне концевой зоны. Через контактные поверхности скольжения или скользящие контакты возможно контактирование в длинной зоне. Выполнение электрического контакта с соответствующими контактным поверхностям контактами является очень простым, длину структурного элемента можно легко реализовывать за счет укорочения в зоне контактных поверхностей, на механические свойства структурного элемента не оказывается отрицательного влияния или лишь небольшое влияние за счет расположения проводников в виде контактных поверхностей на наружной стороне.
В качестве альтернативного решения или дополнительно к этому проводники можно выводить из структурного элемента на торцевой стороне и вводить их там же. Расположенные на торцевой стороне концы проводников образуют торцевое окончание проводников и, тем самым, контактные поверхности для соответствующих контактов в структурном элементе, так что взаимное расположение контактных поверхностей не изменяется также при изменении длины структурного элемента.
Проводники могут быть выполнены трубчатыми, что является предпочтительным, в частности, при выводе проводников на торцевой стороне, поскольку они в этом случае могут быть одновременно выполнены в качестве штепсельных контактов и могут принимать штепсельную вилку.
Предусмотрено также, что структурный элемент, по меньшей мере, частично сегментирован, и сегменты выполнены изолированно друг от друга. За счет этого можно выполнять сегменты в виде проводников и можно осуществлять передачу сигналов датчика и передачу энергии независимо друг от друга. Структурный элемент образует сами проводники. Предпочтительно, структурный элемент выполнен электрически изолированным по своему периметру, в частности, когда сегменты выполнены в качестве проводников. Контактные поверхности могут быть также изолированными в первоначальном состоянии, при этом изоляцию можно удалять после укорочения в зоне электрического контактирования.
За счет выполнения многоугольного поперечного сечения структурного элемента можно обеспечивать, с одной стороны, защиту от проворачивания структурного элемента на компоненте и, с другой стороны, достаточно гладкие поверхности, на которых могут быть образованы контактные поверхности.
Структурный элемент может быть изготовлен из композита на основе карбонового волокна, и/или композита на основе стекловолокна, и/или пластмассы. Эти материалы обеспечивают высокую прочность при малом весе и, возможно, желаемой электрической проводимости и пружинном действии. Наряду с выполнением проводников в виде электрических проводников предусмотрено, что проводники выполнены в виде световодов. При этом расположение проводников имеет второстепенное значение, а также вид измерения не имеет решающего значения для прохождения проводников в структурном элементе или на структурном элементе; с целью разделения потенциалов может быть целесообразным развязывать сигналы или части сигнала оптическим образом.
Датчики или сенсорные устройства измеряют нагрузки внутри структурного элемента или изменения в структуре, например, на основании изменения сопротивления или с помощью электрических импульсов, которые изменяются в зависимости от нагрузки. Тензорезисторы, оптические тензорезисторы или основанные на пьезоэлектрическом эффекте датчики могут быть расположены на структурном элементе или в структурном элементе. В одном варианте выполнения датчика предусмотрено, что со специально выполненным световодом соединен источник света, который встроен или заделан в структурный элемент. Источник света передает световые сигналы через световод или световоды, при этом во время нагрузки структурного элемента световые сигналы изменяются за счет того, что световод или световоды различно отражают световые сигналы. По виду и величине отклонения отражения можно судить о виде и величине нагрузки или деформации структурного элемента. В концевых зонах структурного элемента световоды могут иметь структуру, которая при деформации не вызывает изменений светового сигнала, однако это не обязательно необходимо. Световоды могут сами образовывать датчик за счет целенаправленно выполненных повреждений волокон или за счет выжигания абсорбционных решеток.
В ортопедическом устройстве предусмотрено, что верхняя часть или нижняя часть соединены друг с другом с помощью структурного элемента, описание которого приведено выше. При этом на верхней части и/или нижней части могут быть расположены приемные приспособления для фиксации структурного элемента, в которых расположены контакты, которые выполнены в соответствии с контактными поверхностями структурного элемента в смонтированном состоянии. За счет этого возможно просто вставлять структурный элемент в приемные приспособления и там фиксировать, например, свинчивать или надежно закреплять с помощью зажимных приспособлений.
Контакты или контактные поверхности могут быть выполнены с возможностью пружинной нагрузки и перемещения друг к другу, в частности, контакты в приемных приспособлениях нагружены пружиной, для того чтобы также при неизбежной неточности при укорочении структурного элемента обеспечивать компенсацию длины и надежное контактирование. За счет этого возможна фиксация структурного элемента с определенным зазором внутри приемного приспособления. Однако в принципе возможно, что контактные поверхности выполнены с возможностью перемещения в направлении контактов и нагружены пружиной, в то время как контакты выполнены неподвижными.
Контакты могут быть выполнены в виде штепсельных контактов, винтовых контактов или зажимных приспособлений, а также контакт может быть снабжен пронизывающим изоляции острием, так что имеющаяся первоначально сплошная изоляция за счет монтажа прокалывается, и реализуется контакт лишь в предусмотренном для этого месте.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основании примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1а и 1b - структурный элемент с контактными поверхностями на наружной стороне, в различных проекциях;
фиг.2а и 2b - структурный элемент с выходящими на торцевой стороне проводниками, в различных проекциях;
фиг.3а-3с - структурный элемент с интегрированными проводящими сегментами, в различных проекциях;
фиг.4а-4с - структурный элемент с комбинацией из световода и сегмента проводника, в различных проекциях; и
фиг.5 - применение структурного элемента в ортезе.
На фиг.1а показан схематично на виде сбоку структурный элемент 1 из пластмассы, волокнистого композитного материала или т.п. Структурный элемент 1 имеет вытянутую в длину балкообразную форму и имеет по существу прямоугольное поперечное сечение, как показано на фиг.1b. В показанном варианте выполнения структурный элемент одновременно образует пружинный элемент.
В структурный элемент 1 интегрирован датчик 2, например залит или заламинирован. Сенсорный элемент 2 выполнен, например, в виде пьезоэлектрического датчика, датчика давления или в виде тензорезистора. Внутри структурного элемента 1 могут быть также расположены другие датчики, а также в структурный элемент 1 могут быть встроены несколько датчиков.
От сенсорного элемента 2 отходят два проводника 13, которые направляют дальше созданные внутри датчика 2 сигналы. В показанном на фиг.1 варианте выполнения проводники 13 выполнены в виде электрических проводов и находятся в контакте с платой 4, которая расположена на одной боковой поверхности структурного элемента 1. Проводники 13 соединены с образованными на плате 4 контактными поверхностями 3, которые расположены на направленной наружу поверхности платы 4. Контактные поверхности 3 и плата 4 проходят вдоль концевой зоны А структурного элемента 1, которая предназначена для индивидуального укорочения. По длине концевой зоны А можно устанавливать общую длину структурного элемента 1, так что можно устанавливать длину пружинного соединения между верхней частью и нижней частью, соответственно, между двумя ортопедическими компонентами. За счет этого обеспечивается возможность при неизменных верхней и нижней частях выполнять простое согласование с индивидуальными потребностями пациента или пользователя ортопедического устройства. За счет изменения длины структурного элемента 1 можно также изменять жесткость всего ортопедического устройства.
В варианте выполнения, согласно фиг.1а, контактные поверхности 3 образуют на наружной стороне проводящие полоски, которые выполнены как своего рода скользящие контакты. Отдельные контактные поверхности 3 электрически изолированы друг от друга и находятся на расстоянии друг от друга, так что отводимые через контактные поверхности 3 сигналы можно снимать через установленные снаружи контакты 10, которые показаны на фиг.1b. Контакты 10 расположены в изображенном лишь частично гнезде 20, в которое вводится структурный элемент 1 и фиксируется в нем. Весь структурный элемент может быть снабжен в первоначальном состоянии электрической изоляцией, которая удаляется лишь после укорачивания на желаемую длину в зоне контактирования с помощью контактов в верхней части и/или в нижней части. Это удаление изоляции можно осуществлять либо в отдельном устройстве, либо с помощью самих контактов 10, которые удаляют или пронизывают изоляцию во время монтажа. Для этого предпочтительно, когда контакты 10 выполнены с острыми кромками или с заострением, контакты 10 могут быть также выполнены в виде винтовых контактов, которые установлены с возможностью перемещения в направлении контактных поверхностей 3. За счет расположения контактных поверхностей снаружи на концевой зоне структурного элемента 1 можно обеспечивать индивидуальную подгонку длины структурного элемента без необходимости укорачивания кабелей с закрепленными на них штепсельными вилками или штепсельными гнездами. Кроме того, не требуется отдельное штепсельное соединение и отпадает необходимость размещения и фиксации свободных концов кабеля или свободных кабельных участков. В частности, в ортезах или протезах свободно лежащие кабели создают помехи при использовании и представляют потенциальную опасность, поскольку открытые штепсельные соединения и кабельные соединения, согласно изобретению, могут размыкаться или разрушаться при каждодневном использовании.
Как показано на виде сверху на фиг.1b, снимаемые контакты 10 можно устанавливать снаружи на контактные поверхности 3. Если структурный элемент 1 своей концевой зоной А, которая укорочена на желаемую длину, вводится в приемное устройство, то это происходит в большинстве случаев посредством вдвигания, так что контакты 10 скользят вдоль контактных поверхностей 3 и обеспечивают хороший электрический контакт. Контакты 10 могут быть нагружены пружиной в направлении контактных поверхностей 3 и установлены упруго, так что легко компенсируются обусловленные изготовлением допуски и дополнительно к этому обеспечивается надежное прижимание контактов 10 к контактным поверхностям 3.
На фиг.2 показан вариант выполнения изобретения. На фиг.2А схематично показан на виде сбоку структурный элемент 1 с интегрированным датчиком. От датчика 2 отходят проводники 13 через структурный элемент 1 в направлении торцевого конца и заканчиваются там в виде контактных поверхностей 3 внутри поперечного сечения структурного элемента 1, как показано на фиг.2В. Проводники 13 выполнены в виде полых профилей или трубочек, которые проходят через всю концевую зону А. В соответствии с контактами 3 на штепсельной вилке образованы контакты 10, которые расположены и закреплены на приемном приспособлении для структурного элемента 1. Эти контакты 10 можно вводить в трубчатые проводники 13, так что простым образом может осуществляться электрическое контактирование и надежная блокировка. Наряду с введением штифтообразных контактов 10 в проводники 13 возможно также, что проводники 13 выполнены в виде сплошного профиля, а прилегающий к нему электрический контакт передает сигналы датчика или электрические сигналы от датчика к контактам 10. Контакты 10 могут быть выполнены с возможностью перемещения и нагружены пружиной в направлении контактных поверхностей 3. Проводники 13 и контактные поверхности 3 электрически изолированы друг от друга. За счет укорочения концевой зоны А можно индивидуально изменять общую длину структурного элемента 1, который также в этом случае выполнен в виде листовой пружины из полосового материала, без изменения взаимного расположения контактов или линии передачи. Изоляция проводников 13 и контактных поверхностей 3 осуществляется также относительно материала структурного элемента 1, поскольку он может быть также электрически проводящим.
В другом варианте выполнения изобретения предусмотрено, что структурный элемент 1 сегментирован. При этом проводники 13 выполнены в виде частей структурного элемента 1 и выполняют задачи передачи сил. Такой вариант выполнения показан на фиг.3A-3C, при этом на фиг.3A показан вид сверху, на фиг.3B - вид с торца, а на фиг.3C - вид сбоку структурного элемента 1. Датчик 2 заделан в структурный элемент 1 в соответствии с описанием фиг.1 и 2. Структурный элемент 1 состоит из четырех проводящих слоев 13, которые отделены друг от друга с помощью электрической изоляции 5. Электрически проводящие сегменты 13, которые состоят, например, из композита на основе карбонового волокна, образуют совместно с изолирующими слоями 5 структурный блок, который выполняет механические функции структурного элемента 1. Дополнительно к этому выполненные проводящими слои или сегменты 13 образуют на наружных кромках или наружных сторонах контактные поверхности 3, с которых с помощью контактов 10, например скользящих контактов, винтовых контактов или снабженных остриями контактных приспособлений можно снимать и направлять дальше электрический сигнал. В показанном примере выполнения в целом 4 скользящих контакта 10 расположены на узких сторонах структурного элемента, однако существует также возможность снятия электрического сигнала с торцевой стороны или на обеих широких сторонах структурного элемента 1. В этом варианте выполнения можно также просто осуществлять укорачивание в концевой зоне А. Весь структурный элемент 1 в этом варианте выполнения сегментов в качестве проводников 13 целесообразно снабдить электрической изоляцией, которая лишь частично пронизывается или снимается на контактах 10, когда структурный элемент 1 вводится в соответствующее приемное приспособление и закрепляется в нем.
На фиг.4 показан другой вариант выполнения с интегрированным датчиком 2, световодом 13 и электрически проводящими сегментами 13, которые отделены друг от друга изолирующим слоем 5. На фиг.4A схематично показан структурный элемент 1 с интегрированным датчиком 2 на виде сверху, на фиг.4B - на виде с торца и на фиг.4C - в разрезе. Как показано на фиг.4A-4C, между двумя проводящими слоями 13 имеется изолирующий слой 5. Проводящие слои 13 изготовлены, например, из карбонового композита или другого проводящего материала. Между обоими проводящими слоями 13 заделан световод, который соединен с датчиком 2. Проводящие элементы 13 соединены с датчиком 2 через контактные штифты 6. В качестве альтернативного решения выполнению проводящих элементов 13 полностью проводящими, можно также выполнять электрически проводящей поверхность структурного элемента в концевой зоне А и образовывать там контактные поверхности.
Световод 13 заканчивается на торцевой стороне в контактной поверхности 3, в соответствии с которой на приемном приспособлении 20 расположен световодный датчик 11. Передаваемые через световод 13 и контактную поверхность 3 световые сигналы принимаются световодным датчиком 11 и направляются дальше или же при необходимости преобразуются в электрические сигналы.
На приемном приспособлении 20, в которое вводится структурный элемент 1, предусмотрены контактные поверхности 10, которые приходят в контакт с контактными поверхностями 3 на наружной стороне концевой зоны А. Контактные поверхности 10 приемного приспособления 20 обеспечивают прилегание по большой поверхности к лежащим противоположно друг другу наружным сторонам структурного элемента 1. В данном случае контактные поверхности 3 могут быть также сначала выполнены изолированными и лишаться изоляции лишь с целью монтажа.
На фиг.5 показано ортопедическое устройство 100 в виде ножного ортеза. Ножной ортез 100 имеет приемное приспособление 101 для бедра, а также приемное приспособление 102 для голени. Оба приемных приспособления 101, 102 соединены друг с другом с возможностью поворота через шарнирное устройство 103 в области естественной оси колена. На приемном приспособлении 102 для голени расположено гнездо 20, в которое введен структурный элемент 1 в виде шины голени. На дистальном конце структурного элемента 1 сформирована опора 104 для стопы, на которую пациент может ставить стопу. Приемные приспособления 101, 102 могут быть образованы из пластмассы или композитного материала. Гнездо 20 может быть выполнено в виде единого целого на приемном приспособлении 102 для голени, или же закреплено на нем позже. Структурный элемент 1 выполнен в виде балки и имеет не изображенное сенсорное устройство, которое соединено с проводниками, которые интегрированы в структурный элемент 1. Сигналы датчика принимаются через также не изображенные контакты внутри гнезда и направляются дальше в блок оценки.
Для исключения необходимости индивидуального изготовления ортеза 100 приемные приспособления 101, 102 могут быть выполнены по существу предварительно готовыми. Приемное приспособление 101 можно на дистальном конце либо укорачивать, либо оно выполнено настолько коротким, что им можно снабжать также пациентов с очень короткими бедрами. Даже в этом случае приемное приспособление 101, как правило, является достаточно длинным для обеспечения надежной фиксации также для больших пациентов.
Для обеспечения возможности укорачивания также между опорой 104 для стопы и шарнирным устройством 103, с целью правильного согласования ортеза 100 с пациентом, структурный элемент 1 выполнен с возможностью укорачивания, так что можно индивидуально подгонять важное для действия ортеза расстояние между опорой 104 для стопы и шарнирной осью 103, без необходимости выполнения сложных изменений электрических контактов. Структурный элемент 1 расположен в данном варианте выполнения сзади и может иметь пружинные свойства, однако в принципе возможно также, что датчики расположены не в балкообразной части структурного элемента 1, а в зоне опоры 104 для стопы. Возможно также, что опора 104 для стопы выполнена отдельно и может быть закреплена на структурном элементе 1.
Помимо ортезов структурные элементы 1 можно использовать также в протезах, их применение не ограничивается ортезами или протезами для нижних конечностей, структурные элементы 1 можно использовать везде там, где требуется возможность согласования по длине ортопедического устройства и измерения и передачи данных датчика из ортопедического устройства.