Устройство фиксации сустава

Полезная модель относится к медицине, а именно к ортезированию, и может быть использована совместно с ортезами суставов верхних и нижних конечностей и экзоскелетами.
Известно устройство для фиксации сустава, представляющее собой механический ортопедический аппарат, а также способ его использования (US6471664B1), где подразумевается использование пружины кручения, для обеспечения сопротивления движению, а также пружины сжатия, для фиксации движения конструктивных элементов при разгибании и сгибании. В данном механическом ортопедическом аппарате конструктивные элементы имеют одну общую ось вращения и систему фиксации, основанную на подпружиненном рычаге с упором.
К недостаткам данного устройства можно отнести тот факт, что траектория движения упора на рычаге представляет собой дугу, что влияет на геометрию самого упора, снижая надежность фиксации. Движение упора по дуге приводит к необходимости оставлять технологический зазор между фиксируемыми частями для успешного попадания упора в предназначенную область, что в свою очередь влияет на появление люфта и приводит к разбалтыванию механизма при эксплуатации. Помимо этого данная конструкция не подразумевает настройку угла фиксации, поэтому эффективность эксплуатации зависит от качества изготовления и сборки деталей.
Известно устройство для фиксации и коррекции связок коленного сустава (CN110547901A), которое решает техническую проблему регулировки и корректировки угла. В составе медицинского устройства для фиксации и коррекции связок коленного сустава помимо поясного фиксирующего пояса содержатся коленные механизмы. Запорные механизмы расположены соответственно на внутренней стороне и внешней стороне двух коленных механизмов. Механизм блокировки может фиксировать конструктивные элементы устройства, а фиксированный угол может регулироваться в соответствии с необходимостью. Если требуется зафиксировать ногу, колено сгибается для регулировки под нужным углом, затем для фиксации используется фиксирующий механизм, представляющий собой соприкасающиеся элементы с насечками, которые при приближении друг к другу входят в зацепление и предотвращают поворот.
Недостаток данного устройства заключается в том, что используется дискретный режим задания угла вследствие применения подобного механизма фиксации с насечками. При этом частота дискретизации влияет на эффективность механизма – чем меньше насечек, тем меньше позиций можно задать, но при этом повышается надежность фиксации ввиду возможности увеличения силы зацепления благодаря увеличению объема самих насечек. И наоборот, чем больше количество насечек, тем больше вариантов позиций можно задать, но при этом снижается надежность фиксации ввиду снижения силы зацепления из-за уменьшения величины самих насечек, а значит и их проникающей способности.
Известна полезная модель (CN204192808), которая описывает разновидность многофункционального ортеза коленного сустава, содержащего верхний держатель, нижнюю неподвижную раму, поворотный соединительный механизм, самоблокирующуюся пневматическую пружину, приспособление и выключатель, верхний держатель соединен поворотным соединительным механизмом с нижней неподвижной рамой. Включение-выключение управления двумя самоблокирующимися движениями пневматической пружины. В данной полезной модели реализовано управление самоблокирующейся пневматической пружиной одним переключателем, реализована фиксация произвольного угла.
К недостаткам данной системы фиксации можно отнести относительную дороговизну изготовления, а также отсутствие повторяемости при настройке угла (невозможность задавать текущий угол фиксации для последующей блокировки движения исключительно в заданном положении).
Известна полезная модель для фиксации сустава (JP2016527030), которая включает в себя, по меньшей мере, один узел стягивающей системы, имеющий ручку, которая может поворачиваться в разных направлениях. По меньшей мере, одна стягивающая пластина входит в зацепление с ручкой для поворота в одном направлении и имеет зацепление при повороте в другом направлении. Храповое колесо приводится в зацепление в одном направлении стягивающей пластиной. По меньшей мере, один храповой рычаг входит в зацепление с храповым колесом при движении храповика.
В данном фиксирующем устройстве предусмотрена настройка угла фиксации, заключающаяся в регулировании положения храпового колеса внутри механизма при помощи конической передачи, интегрированной с настроечным валом. Однако в такой конструкции отсутствует возможность свободного движения при эксплуатации, что может затруднить реабилитацию. Поэтому отсутствие возможности свободного движения при эксплуатации является недостатком данного устройства.
Недостатком устройства фиксации является то,  что фиксация угла в ортезе, снабженном данным устройством, происходит  исключительно под действием силы тяжести, что исключает возможность эксплуатации подобного устройства для пациентов, находящихся в лежачем положении и, тем самым, направлено исключительно на обеспечение заклинивания при ходьбе для распределения нагрузки на каркас ортеза.
Известно устройство фиксации коленного узла для ортезов и протезов (RU 2064294, 14.02, 1992,A61F2/60), содержащие соосно соединенные шарниром головки шин бедра и голени, подпружиненный упор, отличающийся тем, что в нем шарнир выполнен в виде барабана, размещенного на фигурном выступе головки шины бедра, с выемкой и окном, крепежной головки, двух зажимных головок, которые укреплены вместе с подпружиненным упором на фигурном выступе головки шины бедра, причем головка шины голени снабжена выступом-упором и выполнена кольцеобразной с возможностью вращения вокруг барабана, при этом подпружиненный упор расположен в окне барабана, одна из зажимных головок расположена в выемке барабана, фигурный выступ головки шины бедра выполнен в виде одной из крышек коленного узла, другая крышка которого выполнена съемной и прикреплена к крепежной головке и зажимным головкам, на внутренних поверхностях обеих крышек расположены, например, фторопластовые прокладки, а в окне барабана расположена эластичная прокладка.
Известно устройство, представляющее собой коленный узел для ортезов и протезов (RU 2064296 C1, 25.11.1993, МПК A61F17/00), содержащее шарнирно соединенные головки шин бедра и голени, подпружиненный упор, отличающийся тем, что в него введены барабан с выемкой и окном, крепежная головка, внутренняя и наружная зажимные головки, которые укреплены вместе с подпружиненным упором на фигурном выступе головки шины голени, головка шины бедра выполнена кольцеобразной с возможностью вращения вокруг барабана, охватывающего окном подпружиненный упор, а выемкой зажимную головку, и размещенного на фигурном выступе головки шины голени, образующем одну из крышек коленного узла, причем другая крышка коленного узла съемная и прикреплена к крепежной головке, внутренней и наружной зажимным головкам, при этом на внутренних поверхностях обеих крышек и в окне барабана установлены эластичные прокладки.
Недостатком устройства фиксации является то, что фиксация угла в ортезе, снабженном данным устройством, происходит  исключительно под действием силы тяжести, что исключает возможность эксплуатации подобного устройства для пациентов, находящихся в лежачем положении и, тем самым, направлено исключительно на обеспечение заклинивания при ходьбе для распределения нагрузки на каркас ортеза.
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение арсенала технических средств, а именно создание универсального пассивного устройства для фиксации сустава пациента, решающее одновременно ряд актуальных задач, а именно обеспечивающего легкую настройку произвольного угла сгибания в суставе, надежную автоматическую фиксацию угла сгибания сустава при достижении им предварительно выбранной конфигурации, а также обеспечение свободного движения в суставе при снятии фиксации в рамках одного устройства, применимого для интеграции в конструкцию ортез или экзоскелет. Данное устройство может фиксировать сустав пациента при необходимости, вызванной показаниями ортопеда. Такими показаниями могут быть фиксация сустава при вертикализации пациента с ДЦП, фиксация сустава при посттравматическом наложении шины, а также фиксация сустава в определенном положении для перераспределения нагрузки на жесткий каркас при применении предлагаемой полезной модели в составе экзоскелета.
Поставленная задача достигается тем, что устройство фиксации сустава содержит два несущих конструктивных элемента, имеющих возможность крепления к элементам ортеза или экзоскелета (ложементам или иным функциональным или конструктивным элементам) и имеющих одну общую ось вращения, образуя друг с другом шарнир с одной степенью подвижности. При этом устройство фиксации сустава также содержит диск с технологическим вырезом, позволяющим совершать надежную фиксацию элементов конструкции.
Устройство фиксации сустава, содержит клиновидный фиксатор-бегунок, приводимый в движение подпружиненным рычагом для предотвращения вращения клиновидного фиксатора-бегунка вокруг общей оси вращения несущих конструктивных элементов параллельно плоскости диска путем попадания клиновидного фиксатора-бегунка в технологический вырез диска, и фиксатор-валец, имеющий сопряжения по поверхности с технологическим вырезом диска и технологическим вырезом одного из несущих конструктивных элементов. Фиксатор-валец при этом снабжен внутренней резьбой и может перемещаться вдоль винта, позволяя задавать угловое положение диска относительно конструктивных элементов устройства фиксации сустава. Входящий в состав устройства фиксации сустава диск имеет упоры, предотвращающие выход за пределы углового диапазона при свободном движении сустава.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется следующими графическими материалами.
На фиг. 1 показан общий вид системы устройства фиксации сустава. На фиг. 2 показана отсоединенная часть со стопорным корпусом и диском. На фиг. 3 показана взрыв-схема отсоединенной части со стопорным корпусом и диском. На фиг. 4 показана взрыв-схема отсоединенной части со стопорным корпусом и диском с другого ракурса. На фиг. 5 показана отсоединенная часть с системой настройки угла и диском. На фиг. 6 показана взрыв-схема отсоединенной части с системой настройки угла и диском. На фиг. 7 показана взрыв-схема отсоединенной части с системой настройки угла и диском с другого ракурса. На фиг. 8 показан принцип работы устройства фиксации сустава и настройки угла.
Для достижения всех вышеназванных признаков предлагаемое устройство фиксации сустава содержит верхний несущий конструктивный элемент 1 и нижний несущий конструктивный элемент 2, имеющие возможность крепления к элементам ортеза или экзоскелета (ложементам или иным функциональным или конструктивным элементам) и имеющие одну общую ось вращения, образуя друг с другом шарнир с одной степенью подвижности. Вращение шарнира обеспечено с помощью вала 3 с антифрикционной втулкой 4. По крайней мере, один из несущих конструктивных элементов снабжен стопорной системой, состоящей из стопорного корпуса 5, рычага 6 и клиновидного фиксатора-бегунка 7.
При этом стопорный корпус 5 имеет направляющую 8, с помощью которой клиновидный фиксатор-бегунок 7 способен совершать прямолинейное движение вдоль оси, пересекающей общую ось вращения несущих конструктивных элементов устройства фиксации сустава. Рычаг 6 при этом обеспечивает перемещение клиновидного фиксатора-бегунка 7 вдоль направляющей 8 в стопорном корпусе 5.
Для обеспечения надежного прижима клиновидного фиксатора-бегунка 7 через рычаг 6 стопорный корпус 5 снабжен прижимающей жесткой пружиной 9 и установочным винтом 10, позволяющим проводить настройку силы прижатия клиновидного фиксатора-бегунка 7. Устройство фиксации сустава также содержит диск 11 с технологическим вырезом 12, позволяющим совершить надежную фиксацию элементов конструкции, а также технологическим вырезом 13, позволяющим плавно задавать положение диска 11 относительно элементов конструкции устройства фиксации сустава, вращением вокруг общей оси вращения несущих конструктивных элементов устройства фиксации сустава. Клиновидный фиксатор-бегунок 7  при этом снабжен клиновидной формой для создания эффекта заклинивания при проникновении клиновидного фиксатора-бегунка 7 в технологический вырез 12, тем самым предотвращая появление люфта и болтанки при фиксации.
Клиновидный фиксатор-бегунок 7, приводимый в движение рычагом 6, подпружиненным прижимающей жесткой пружиной 9, предотвращает вращение клиновидного фиксатора-бегунка 7 вокруг общей оси вращения несущих конструктивных элементов устройства фиксации сустава параллельно плоскости диска 11 путем попадания клиновидного фиксатора-бегунка 7 в технологический вырез 12, и фиксатор-валец 14, имеющий сопряжения по поверхности с технологическим вырезом 13 и технологическим вырезом 15 нижнего несущего конструктивного элемента 2. Диск 11 при этом снабжен упором 16 и упором 17 для предотвращения выхода за область допустимых угловых значений при свободном движении.
Фиксатор-валец 14 снабжен внутренней резьбой и может перемещаться вдоль винта 18, позволяя задавать угловое положение диска 11 относительно конструктивных элементов устройства фиксации сустава. Технологический вырез 15 при этом выполняет функцию направляющей для фиксатора-вальца 14. Винт 18 имеет упор 19 предотвращающий перемещение винта вдоль его оси и шлиц на торце для легкой настройки положения фиксатора-вальца 14 вдоль винта 18. Функциональные элементы устройства фиксации сустава надежно закрываются крышками 20 и 21 для предотвращения попадания инородных предметов внутрь устройства фиксации сустава и антифрикционной вставкой 22. Использование шильдиков 23 и 24 с нанесенным лимбом на шильдике 24 и риской на шильдике 23 позволяет идентифицировать текущий угол при настройке.
Отличительными признаками заявляемого устройства являются:
снабжение устройства фиксации сустава диском 11 с технологическим вырезом 12, позволяющим зафиксировать угловое положение диска относительно несущего конструктивного элемента 1 с помощью клиновидного фиксатора-бегунка 7;
снабжение устройства фиксации сустава диском 11 с технологическим вырезом 13, позволяющим зафиксировать угловое положение диска относительно несущего конструктивного элемента 2 с помощью фиксатора-вальца 14 по сопрягаемым поверхностям технологического выреза 13 и технологического выреза 15;
снабжение устройства фиксации сустава диском 11 с упорами 16 и 17 для предотвращения выхода за пределы углового диапазона при свободном движении сустава в ортезе или экзоскелете;
снабжение устройства фиксации сустава винтом 18 и фиксатором-вальцом 14, имеющим резьбу и способным перемещаться вдоль винта 18 для обеспечения настройки положения фиксатора-вальца 14 вдоль винта 18, тем самым, обеспечивая настройку взаимного углового положения диска 11 и несущего конструктивного элемента 2 через технологический вырез 13 и технологический вырез 15;
обеспечение клиновидного фиксатора-бегунка 7 в устройстве фиксации сустава клиновидной формой для создания эффекта заклинивания при проникновении клиновидного фиксатора-бегунка 7 в технологический вырез 12, тем самым предотвращая появление люфта и болтанки при фиксации.
Сущность заявляемого устройства поясняется примером его реализации и чертежами, на которых схематично представлено устройство. Настройка угла фиксации происходит посредством вращения винта 18 при зафиксированном клиновидном фиксаторе-бегунке в технологическом вырезе 12 диска 11. При вращении винта 18 происходит прямолинейное движение фиксатора вальца вдоль технологического выреза 15. Одновременно с этим, вращается диск 11, имеющий сопряжение с фиксатором-вальцом 14 по поверхности технологического выреза 13. Значение выставляемого угла контролируется риской на шильдике 23, указывающей на лимб на шильдике 24. Рычаг 6 позволяет снять фиксацию и привести устройство в режим свободного движения, повышая мобильность конечности пациента. При этом свобода движения задается в угловом диапазоне, определенном упорами 16 и 17. При достижении углового значения, соответствующего настроенному ранее по указанному алгоритму, рычаг 6, приводимый в движение прижимающей жесткой пружиной 9, толкает клиновидный фиксатор-бегунок 7 по направляющей 8 и тот проникает в технологический вырез 12 диска 11, тем самым фиксируя положение несущего конструктивного элемента 1 относительно диска 11, зафиксированного в свою очередь фиксатором-вальцом 14 относительно несущего конструктивного элемента 2 через сопряжения по поверхностям технологических вырезов 13 и 15.
На фиг. 1 показан общий вид системы устройства фиксации сустава. На фиг. 2 показана отсоединенная часть со стопорным корпусом и диском. На фиг. 3 показана взрыв-схема отсоединенной части со стопорным корпусом и диском. На фиг. 4 показана взрыв-схема отсоединенной части со стопорным корпусом и диском с другого ракурса. На фиг. 5 показана отсоединенная часть с системой настройки угла и диском. На фиг. 6 показана взрыв-схема отсоединенной части с системой настройки угла и диском. На фиг. 7 показана взрыв-схема отсоединенной части с системой настройки угла и диском с другого ракурса. На фиг. 8 показан принцип работы устройства фиксации сустава и настройки угла.