ПАЛЕЦ ТЯГОВОГО ПРОТЕЗА И УСТРОЙСТВО ПРОТЕЗА КИСТИ И ПРОТЕЗА ПРЕДПЛЕЧЬЯ С ТАКИМИ ПАЛЬЦАМИ
FINGER OF A ROD-BASED PROSTHESIS AND APPARATUS OF A HAND PROSTHESIS AND A FOREARM PROSTHESIS WITH SUCH FINGERS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области медицинской техники в сфере протезирования, а именно к протезированию верхних конечностей. В частности, настоящее изобретение описывает техническое решение, относящееся к устройству пальца протеза верхней конечности, приводимого в действие с помощью натяжения тяги, а также активный протез кисти и активный протез предплечья, в которых используются пальцы, приводимые в действие натяжением тяг.
ГЛОССАРИЙ
Активный протез, тяговый протез - искусственная замена ампутированной или поврежденной части тела, управляемая посредством тяг, тросиков, нитей или иных подобных механизмов за счет усилий Пользователя и предназначенная для выполнения специальных действий и/или воссоздания внешнего вида конечности Пользователя.
Схват - смыкание-размыкание пальцев кисти.
Пользователь - лицо или объект, которое использует протез для выполнения конкретной функции.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известны технические решения «Robothand» (Патент № NL-2001847-С2), «ARTIFICIAL HAND» (Патент ЕР-1814499-А2), «А kind of half palm prosthetic hand» (Патент CN 106667628 B) и другие, в которых тяги не защищены от повреждений внешними предметами. Активные протезы кисти, где тяговые нити (тросики, тяги) расположены открыто снаружи с внутренней и/или внешней стороны ладони, характеризуются ухудшением эксплуатационных качеств и внешнего вида протеза, т.к. открыто расположенные нити склонны к зацепам за шероховатые предметы, загрязнению и износу при трении о корпус протеза и предметы, которые берутся охватом протеза. Так же открыто расположенные нити ухудшают внешний вид протеза.
Разработчики активных протезов предпринимали попытки частично защитить тяги от повреждения путем пропускания через закрытые каналы, оставляя тяги незащищенными только в области суставов пальцев. Известны технические решения «Протез руки для пациентов со степенью ампутации от пальцев до предплечья, протез лучезапястного сустава, включающий протез кисти руки, устройство блокировки тросов тяг пальцев протеза кисти руки (3 варианта), устройство управления комбинацией положения пальцев протеза кисти руки (2 варианта))» (Патент № RU-2664171-C1 от 26.07.2017), «Improvements in or relating to prosthetic limbs» (Патент GB-201904496-D0), «А kind of wrist driving cord transmission prosthetic hand» (Патент № CN-108553205-A) и подобные, в которых сгибание пальца осуществляется за счет натяжения нити. Недостатком указанных решений является то, что тяга не защищена от повреждения внешними предметами в области суставов. Кроме того, тяга во время работы скользит по каналу пальца, что является фактором, способствующим ее перетиранию.
В ряде случаев предпринимались попытки защитить тягу также и в области суставов. Известны технические решения «CONJUNTO DE  PARA  DE  Е SUA MONTAGEM PARA SISTEMA DE  DOS DEDOS, SEU RETORNO  E REGULAGEM» (Патент BR-102019001322-A2) и другие, в которых сгибание пальца осуществляется за счет натяжения нити. Недостатком указанных решений является то, что тяга скользит по поверхности канала, что является фактором, способствующим ее перетиранию.
Предпринимались попытки также пропускать нити не через узкие каналы, а внутри объемных полостей пальцев. Известно решение «А kind of drive lacking prosthetic hand» (патент CN 106667628 B). Недостатком указанного решения является то, что тяга может перетираться об острые углы фаланг пальцев. Известны также решения «Doigt » (патент WO-2019215578-A1), «Artificial limb» (US-2020069439-A1), в которых тяга не перетирается о поверхность канала, но при этом защищена от внешних повреждений полыми корпусными деталями пальцев. Недостатком указанных решений является то, что тяга скользит по поверхностям направляющих осей, что может способствовать ее перетиранию.
Предпринимались попытки избавиться от сил трения скольжения тяг об оси за счет применения направляющих блоков. Известно решение « Finger» (Патент DE 102013007539 A1). Недостатком указанного решения является то, что тяга меняет направление перегиба через блоки, что является фактором, способствующим снижению срока службы тяг. Известно решение «Robothand» (Патент № NL-2001847-C2) - недостатком указанного решения является то, что тяги не защищены от внешнего воздействия. Известно решение  (патент JP-2005537138-А), недостатком указанного решения является то, что тяга большого пальца меняет направление перегиба, а тяги остальных пальцев скользят по неподвижным осям, что является факторами, способствующим их износу из-за перетирания об ось.
СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Заявленное изобретение решает три проблемы вышеописанных конструкций тяговых протезов. Во-первых, необходимость обеспечить скрытое расположение тяг для защиты их от механических повреждений, загрязнения и износа. Во-вторых, необходимость уменьшения потерь от трения скольжения между тягами и деталями протеза. В-третьих, необходимость исключить перегибы тяг в противоположных направлениях и минимизировать общее число перегибов. Известные из уровня техники решения не решают одновременно все три рассмотренные проблемы.
Технический результат патентуемого изобретения заключается в реализации конструкции пальца, приводимого в действие путем натяжения тяги, которая обеспечивает скрытое расположение тяг для защиты их от механических повреждений, загрязнения и износа, уменьшение потерь от трения скольжения между тягами и деталями протеза, исключает перегибы тяг в противоположных направлениях и минимизирует общее число перегибов, благодаря тому, что тяга проходит через неподвижные и/или подвижные блоки, расположенные внутри корпуса нижней фаланги пальца, при этом тяга защищена от внешнего воздействия и может изгибаться только в одном направлении.
Заявленный технический результат обеспечивается за счет конструкции пальца тягового протеза, состоящей из неподвижного основания, по меньшей мере одной нижней фаланги, один конец которой соединен с неподвижным основанием так, что нижняя фаланга может вращаться вокруг поперечной оси относительно неподвижного основания, а другой конец нижней фаланги соединен с верхней фалангой, по меньшей мере один подвижный блок, ось которого закреплена на нижней фаланге, тягу, которая закреплена на неподвижном основании и огибает подвижный блок так, что натяжение другого конца тяги приводит к повороту нижней фаланги относительно неподвижного основания.
Неподвижное основание представляет собой часть конструкции пальца, которая может быть изготовлена из металла, пластмассы или композитных материалов, предназначенная для крепления пальца к искусственной кисти протеза, может иметь элементы крепления к кисти протеза, например, резьбу. Может иметь отверстия для крепления оси нижней фаланги и оси коромысла, а также отверстия для крепления неподвижного блока.
Неподвижный блок представляет собой деталь вращения, ось которой неподвижно закреплена в отверстиях неподвижного основания так, что неподвижный блок может вращаться вокруг оси. Неподвижный блок предназначен для изменения направления движения тяги и может быть изготовлен из пластмассы, композитных материалов или металла. Неподвижный блок может иметь по меньшей мере канавку, предназначенную для направления тяги и предотвращения соскакивания тяги с поверхности неподвижного блока.
Подвижный блок представляет собой деталь вращения, ось которой неподвижно закреплена в отверстиях нижней фаланги так, что подвижный блок может вращаться вокруг оси. Подвижный блок предназначен для изменения направления движения тяги, а также для увеличения силы охвата путем создания механизма полиспаста. Подвижный блок может быть изготовлен из пластмассы, металла или композитных материалов. Подвижный блок может иметь по меньшей мере одну канавку, предназначенную для направления тяги и предотвращения соскакивания тяги с поверхности подвижного блока.
Тяга представляет собой гибкую деталь, выполненную из синтетических или натуральных материалов, предназначенную для приведения в действие механизма пальца посредством увеличения или ослабления натяжения тяги таким образом, что при натяжении тяги происходит сгибание пальца. Тяга может иметь длину более 100 мм и диаметр в 10 и более раз меньший, чем длина, благодаря чему легко изгибается в поперечном направлении и сохраняет жесткость при растяжении в продольном направлении.
Нижняя фаланга представляет собой часть искусственного пальца активного протеза, имеющая по меньшей мере две оси вращения, одна из которых соединена с неподвижным основанием, а другая соединена с верхней фалангой. Нижняя фаланга может иметь также отверстия для закрепления оси подвижного блока. Нижняя фаланга может иметь полость, внутри которой расположено коромысло.
Верхняя фаланга представляет собой часть искусственного пальца активного протеза, имеющая по меньшей мере две оси вращения, одна из которых соединена с нижней фалангой, а другая с коромыслом.
При этом, нижняя и верхние фаланги пальца могут быть представлены одной деталью, имеющей по меньшей мере одну ось вращения, соединенную с неподвижным основанием.
Коромысло - деталь, изготовленная из металла, пластмассы или композитного материала, имеющая по меньшей мере две оси вращения, одна из которых соединяется с неподвижным основанием, а другая соединяется с верхней фалангой таким образом, что неподвижное основание, нижняя фаланга, верхняя фаланга и коромысло образуют механизм шарнирного четырехзвенника.
Упругий элемент - деталь, которая может быть элементом устройства и предназначена для разгибания пальца активного протеза. Упругий элемент может быть выполнен, например, в виде пружины кручения, один конец которой упирается в нижнюю фалангу, а другой - в верхнюю фалангу, либо один конец которой упирается в неподвижное основание, а другой - в верхнюю фалангу, либо один конец которой упирается в неподвижное основание, а другой - в коромысло таким образом, что при ослаблении натяжения тяги палец разгибается.
В варианте исполнения тягового механизма с подвижным блоком тяга может крепиться к неподвижному основанию поблизости от места ее ввода в неподвижное основание, например, за штифт или отверстие. От места крепления тяга последовательно перепускается по меньшей мере один раз через по меньшей мере один подвижный блок, затем через по меньшей мере один неподвижный блок и выходит из неподвижного основания пальца наружу основания.
В варианте тягового механизма с неподвижным блоком тяга может крепиться к по меньшей мере одной оси, установленной в нижней фаланге, затем перепускаться через по меньшей мере один неподвижный блок и выходит из корпуса наружу.
Рассматриваемое решение может применяться для изготовления протезов кисти или протезов предплечья для взрослых пользователей и пользователей-детей.
Заявленный технический результат может также обеспечиваться за счет конструкции протеза кисти с пальцами, приводимыми в действие путем натяжения тяги, причем кисть может состоять из по меньшей мере трех пальцев, один из которых противопоставлен, при этом, каждый из пальцев состоит из неподвижного основания, по меньшей мере одной нижней фаланги, один конец которой соединен с неподвижным основанием так, что нижняя фаланга может вращаться вокруг поперечной оси относительно неподвижного основания, а другой конец соединен с верхней фалангой, по меньшей мере одного подвижного блока, ось которого закреплена на нижней фаланге, тяги, которая огибает подвижный блок так, что натяжение другого конца тяги приводит к повороту нижней фаланги относительно неподвижного основания, при этом, неподвижные основания пальцев прикреплены к корпусу кисти, а тяги пальцев проходят через каналы в культеприемной гильзе и входят в корпус кисти, соединенный с аркой лучезапястной.
При сгибании лучезапястного сустава тяги натягиваются и происходит сгибание пальцев, что приводит к выполнению схвата активным протезом. При разгибании лучезапястного сустава натяжение тяг ослабевает и палец разгибается.
Культеприемная гильза протеза кисти представляет собой часть протеза кисти, облегающая культю пользователя, имеющего ампутацию на уровне кисти или на уровне плюснефалангового сустава. К культеприемной гильзе протеза кисти могут крепиться неподвижные основания пальцев, приводимых в действие путем натяжения тяги. Культеприемная гильза протеза кисти соединяется с аркой лучезапястной - частью протеза кисти, соединяющей культеприемную гильзу протеза кисти и корпус предплечья - например, с помощью шарнира, так, что культеприемная гильза протеза кисти и арка лучезапястная могут вращаться относительно друг друга в парасагиттальной плоскости.
Корпус предплечья представляет собой часть протеза кисти, которая крепится к предплечью, например, с помощью манжет и соединена с аркой лучезапястной имеет, например, по меньшей мере одним фронтальным шарниром. Корпус предплечья может иметь по меньшей мере один колок с помощью которого производится регулировка натяжения тяг.
В устройство может быть добавлен колок, который представляет собой вращающийся узел протеза, на который наматываются тяги. При этом, концы тяг крепятся так, что, вращая колок, можно регулировать натяжение тяг: увеличивать или ослаблять натяжение.
Протез кисти может также включать манжету - часть протеза, изготовленная из синтетических или натуральных материалов, в том числе текстильных материалов, с помощью которой протез пристегивается к конечности.
Заявленный технический результат может также обеспечиваться за счет конструкции протеза предплечья с пальцами, приводимыми в действие путем натяжения тяги.
Протез предплечья с пальцами, приводимыми в действие путем натяжения тяги, включает по меньшей мере три пальца, каждый из которых состоит из неподвижного основания, по меньшей мере одной нижней фаланги, один конец которой соединен с неподвижным основанием так, что нижняя фаланга может вращаться вокруг поперечной оси относительно неподвижного основания, а другой конец соединен с верхней фалангой, по меньшей мере одного подвижного блока, ось которого закреплена на нижней фаланге, тяги, которая огибает подвижный блок так, что натяжение другого конца тяги приводит к повороту нижней фаланги относительно неподвижного основания, при этом, неподвижные основания пальцев прикреплены к корпусу кисти так, что один палец противопоставлен, неподвижные основания пальцев прикреплены к корпусу кисти, гильза предплечья соединена с аркой плечевой, а тяги пальцев проходят через кисть и канал предплечья к локтевому шарниру и, огибая локтевой шарнир крепятся так, что при сгибании локтя натяжение тяг увеличивается, что вызывает сгибание пальцев и выполнение схвата.
Корпус кисти может поворачиваться относительно продольной оси предплечья с помощью кистевого ротатора, представляющего собой часть протеза, соединяющую корпус кисти и гильзу предплечья.
Корпус кисти представляет собой часть протеза, заменяющую ладонную часть кисти пользователя и может изготавливаться из пластмассы, металла или композитных материалов.
Культеприемная гильза протеза предплечья представляет собой часть протеза, которая надевается на культю конечности, ампутированной на уровне предплечья.
Арка плечевая представляет собой часть протеза, соединенную с плечом пользователя, например, при помощи манжеты.
Шарнир локтевой - часть протеза, соединяющая гильзу предплечья и арку плечевую так, что они могут вращаться относительно друг друга в парааггитальной плоскости.
В устройство может быть добавлен колок, который представляет собой вращающийся узел протеза, на который наматываются тяги. При этом, концы тяг крепятся так, что, вращая колок, можно регулировать натяжение тяг: увеличивать или ослаблять натяжение.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее:
Фиг. 1 - Палец протеза, приводимый в действие путем натяжения тяги.
Фиг. 2 - Протез кисти с пальцами, приводимыми в действие путем натяжения тяги.
Фиг. 3 - Протез предплечья с пальцами, приводимыми в действие путем натяжения тяги.
1 - неподвижное основание; 2 - неподвижный блок; 3 - подвижный блок; 4 - тяга; 5 - нижняя фаланга; 6 - верхняя фаланга; 7 - коромысло; 8 - упругий элемент; 9 - культеприемная гильза протеза кисти; 10 - корпус предплечья; 11 - арка лучезапястная; 12 - шарнир парасаггитальный; 13 - шарнир фронтальный; 14 - манжета; 15 - колок; 16 - корпус кисти; 17 - культеприемная гильза протеза предпречья; 18 - ротатор кистевой; 19 - арка плечевая; 20 - шарнир локтевой.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Для решения обозначенных проблем разработан палец, включающий следующие элементы: неподвижное основание (1), неподвижный блок (2), подвижный блок (3), тяга (4), нижняя (5) и верхняя (6) фаланги, коромысло (7) и упругий элемент (8).
Механизм пальца приводится в действие путем натяжения нити и состоит из неподвижного основания (1), шарнирно соединенных с ним нижней фаланги пальца (5), коромысла (7) и верхней фаланги пальца (6), которые вместе формируют собой четырехзвенный рычажный механизм. Внутри корпуса расположены неподвижный блок (2) на оси связанной с неподвижным основанием. На оси связанной с нижней фалангой расположен подвижный блок (3).
Тяга (4) выполнена из плетеного синтетического волокна с прочностью на разрыв не менее 10 кгс и крепится относительно основания поблизости от места ее ввода в основание за штифт. От места крепления тяга последовательно пропускается один раз через подвижный блок, через неподвижный блок и выходит из корпуса пальца наружу.
Корпус пальца выполнен из сплавов алюминия, имеет высоту от 18 мм в меньшем до 21 мм. Нижняя фаланга и верхняя фаланги пальца выполнены из конструкционного пластика, алюминия и силикона, нижняя фаланга имеет исполнения по длине 35 мм, верхняя фаланга - 30 мм. Коромысло выполнено из алюминиевого сплава. Неподвижный и подвижный блоки выполнены из полиамида, коэффициент трения скольжения по стали 0,26. Оси подвижного и неподвижного блоков выполнены из нержавеющей стали.
Упругий элемент (8) представляет собой спиральную пружину кручения, изготовленную из стальной проволоки диаметром 0,6 мм, установленную так, что ось спирали совпадает с осью, соединяющей верхнюю и нижнюю фаланги, а усики пружины упираются в выступ нижней фаланги и ось коромысла (7) так, что при сгибании пальца, пружина скручивается и создает момент сил, направленный на разгибание верхней и нижней фаланг.
При вытягивании тяги на подвижный ролик действуют силы натяжения от части тяги, идущей от крепления в корпусе и от той части, которая пропускается через неподвижный блок, обе эти силы имеют плечо относительно оси поворота нижней фаланги, и так как подвижный блок закреплен на оси относительной нижней фаланги и вместе с ней подвижен относительно основания, момент этих сил приводит к сгибанию нижней фаланги, что необходимо для выполнения охвата.
В качестве примера осуществления протеза кисти с пальцами, приводимыми в действие путем натяжения тяги, разработана конструкция протеза кисти, которая состоит из пяти пальцев, приводимых в действие путем натяжения нити, каждый из которых состоит из неподвижного основания, шарнирно соединенных с ним нижней фаланги пальца, коромысла и верхней фаланги пальца, которые вместе формируют собой четырехзвенный рычажный механизм. Внутри корпуса расположены неподвижный блок на оси связанной с неподвижным основанием. На оси связанной с нижней фалангой расположен подвижный блок. Механизм кисти также включает следующие элементы: корпус предплечья (10), арка лучезапястная (11), шарнир парасаггитальный (12), шарнир фронтальный (13), манжета (14) и колок (15).
Пальцы прикреплены к культеприемной гильзе протеза кисти (9), выполненной из полиамида, так, что один палец противопоставлен остальным четырем.
Тяги пальцев проходят через каналы в культеприемной гильзе и входят в корпус предплечья (10), выполненный из полиамида. Концы тяг крепятся к колку (15) так, что вращая колок можно увеличивать или ослаблять натяжение тяг. Корпус предплечья соединен шарниром фронтальным (13) с аркой лучезапястной (11), выполненной из полиамида. Арка лучезапястная связана с помощью парасагиттального шарнира (12) с культеприемной гильзой протеза кисти. При сгибании лучезапястного сустава тяги натягиваются и происходит сгибание пальцев, что приводит к выполнению схвата протезом. При разгибании лучезапястного сустава натяжение тяг ослабевает и палец разгибается.
Манжета (14) сшита из ткани и представляет собой мягкую ленту шириной от 40 до 70 мм, которая опоясывает предплечье пользователя и застегиваться с помощью пришитой к ней текстильной застежки. Манжета крепится к корпусу предплечья пользователя с помощью пришитой к ней текстильной застежки.
В качестве примера осуществления протеза предплечья с пальцами, приводимыми в действие путем натяжения тяги, разработана конструкция протеза предплечья, которая включает пять пальцев, каждый из которых состоит из неподвижного основания, шарнирно соединенных с ним нижней фаланги пальца, коромысла и верхней фаланги пальца, которые вместе формируют собой четырехзвенный рычажный механизм. Внутри корпуса расположены неподвижный блок на оси связанной с неподвижным основанием. На оси связанной с нижней фалангой расположен подвижный блок. При этом неподвижные основания пальцев прикреплены к корпусу кисти (16) так, что один палец противопоставлен остальным четырем.
Культеприемная гильза протеза предплечья (17) изготовлена из полиамида методом 3D печати в соответствии с размерами культи пользователя. Один конец культеприемной гильзы протеза предплечья крепится к кистевому ротатору (18), а другой соединен с аркой плечевой (19) с помощью шарнира, который позволяет пользователю ггибать локтевой сустав от 0 до 170 градусов.
Арка плечевая изготавливается из полиамида методом 3D печати по индивидуальным размерам пользователя. К арке плечевой прикреплен колок для натяжения тяги. Арка плечевая имеет упор, который упирается в плечо пользователя при сгибании локтя так, что происходит сгибание арки относительно культеприемной гильзы протеза предплечья, что приводит к натяжению тяг и вызывает сгибание пальцев.
Корпус кисти изготовлен из полиамида и может поворачиваться относительно продольной оси предплечья с помощью кистевого ротатора, изготовленного из полиамида. Тяги пальцев проходят через каналы в корпусе кисти и культеприемной гильзе протеза предплечья, выполненной из полиамида, к локтевому шарниру (20) и крепятся к колку, выполненному из полиамида.