Экзоскелет верхних конечностей
UPPER LIMBS EXOSKELETON

Изобретение относится к области медицины, а именно к устройству, предназначенному для увеличения остаточных сил мышц и расширения амплитуды движений верхних конечностей, и может быть использовано как для абилитации и реабилитации больных с вялым параличом (парапарезом) верхних конечностей, так и в качестве спортивного тренажера, а также при проведении работ, сопряженных с выполнением действий, связанных с длительным статическим нахождением верхних конечностей в вынужденном положении, например при работе хирурга, фотографа или кинооператора.
Синдром верхнего вялого паралича встречается при многих заболеваниях и, как следствие, у пациентов с верхним вялым параличом утрачиваются двигательные функции верхних конечностей. Для расширения двигательных функций верхних конечностей используют различные устройства.
Известно устройство для восстановления двигательных функций верхних конечностей, содержащее опорные элементы и фиксирующие элементы (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации №2325895, МПК А61Н 1/02, A61F 5/01, опубл. 10.06.2008).
В качестве опорных элементов известное устройство содержит надеваемый на человека жилет соответствующего размера и манжеты с возможностью их закрепления на верхних конечностях. Фиксирующие элементы выполнены в виде упругих элементов, жестко связанных с соответствующими опорными элементами через регулятор натяжения и закрепляемых концами на жилете с возможностью расположения их на теле человека спереди, сбоку и сзади.
Известное устройство позволяет увеличить объем активных движений в плечевом и локтевом суставах за счет обеспечения возможности дозированной нагрузки на проксимальные отделы плеча и предплечья и дифференцированного облегчения выполнения произвольных движений. Вместе с тем оно имеет ряд недостатков. Известное устройство не имеет внешнего скелета и поэтому усилие от упругих элементов передается непосредственно на манжеты, плотно облегающие соответствующие участки тела (плечо и предплечье), что подвергает подлежащие ткани сдавлению, нарушая в них кровообращение при длительном ношении. В случае если манжеты будут установлены не плотно, то под действием упругих элементов они неизбежно смещаются к проксимальным частям предплечья и плеча до момента плотного облегания (сдавления), снижая натяжение упругих элементов. Отсутствие в известном устройстве жесткого внешнего каркаса (скелета) создает неопределенность позиционирования упругих элементов по отношению к частям тела человека, что затрудняет настройку и использование устройства. Кроме того, указанное расположение упругих элементов создает вектор сил, действующий вдоль оси конечности по направлению к плечевому суставу, подвергая его избыточной нагрузке. Известное устройство не может быть использовано в качестве спортивного тренажера, а также для облегчения работ, связанных со статическим напряжением рук.
При всем многообразии этиологии верхнего вялого смешанного паралича клиническая картина у таких пациентов в целом однотипна, при этом основные признаки симптомокомплекса требуют применения экзоскелета.
Известно устройство для содействия увеличению движения человека с нервно-мышечными нарушениями, принятое в качестве прототипа, содержащее как минимум один внешний каркас для конечности, состоящий из элемента плеча с опорой для крепления внешнего каркаса, модуля плеча, соединенного с модулем предплечья посредством локтевого шарнира с возможностью перемещения, модули плеча и предплечья включают пару планок: верхнюю и нижнюю, модуль предплечья соединен со второй опорой, выполненной в виде кистедержателя (лангета), и фиксируемые концами упругие элементы (см. описание изобретения к патенту US 20030023195, МПК A61F 5/00, опубл. 30.01.2003).
Известное устройство лишено мобильности, так как не имеет возможности монтажа на несущий жилет, одеваемый на человека. Внешний каркас конечности известного устройства крепят элементом плеча к опорной стойке, ограничивающей перемещение человека при эксплуатации устройства, что является его недостатком.
Известное устройство полностью лишено способности к анатомической адаптации к телу человека и может изготавливаться индивидуально только целиком. Каждая секция плеча и предплечья известного устройства выполнена в виде корпусного изделия, и для замены его элементов необходима полная разборка корпусного изделия, что затрудняет адаптацию устройства (переналадку устройства), поскольку не дает возможности производить замену (подбор) длин секций плеча и предплечья в зависимости от размеров верхней конечности человека.
Конструктивное выполнение локтевого шарнира обеспечивает соединение секций плеча и предплечья известного устройства только для выполнения движений в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Модуль предплечья, шарнирно соединенный со второй опорой, выполненной в виде кисте держателя (лангета), не имеет возможности ротационного движения секции предплечья относительно секции плеча, что сужает возможности известного устройства.
Известное устройство не имеет многообразных функций и вариантов настройки в зависимости от степени и характера поражения мышц конечности и/или выполнения ими тренировочных движений, так как имеет только один вариант фиксации упругих элементов, направленный на поднятие руки вверх. Другие варианты наладки устройства конструктивно не предусмотрены.
Технической задачей и результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности осуществления ротации кнаружи/ротации внутрь предплечья относительно плеча человека и увеличения амплитуды движений, а также обеспечения возможности настройки устройства к анатомической адаптации к телу человека и настройки функций в зависимости от характера применения устройства, как с облегчением движения, так и с его утяжелением при тренирующей функции.
Техническая задача решается тем, что экзоскелет верхних конечностей содержит как минимум один внешний каркас для конечности, состоящий из элемента плеча, модулей плеча и предплечья, локтевого шарнира и кистедержателя, при этом элемент плеча, модули плеча и предплечья выполнены продолговатыми, элемент плеча снабжен опорой для крепления внешнего каркаса, модуль предплечья соединен с модулем плеча посредством локтевого шарнира с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости, модуль предплечья соединен с кистедержателем, при этом он дополнительно снабжен опорно-адаптационным элементом для крепления к жилету или инвалидному креслу, к которому крепится как минимум одна опора для крепления внешнего каркаса, упругими элементами и зацепами для крепления концов упругих элементов, модуль плеча состоит из проксимального и дистального узлов, соединенных верхней и нижней съемными планками с возможностью подбора для анатомической адаптации, модуль предплечья состоит из проксимального и дистального узлов, соединенных верхней и нижней съемными планками с возможностью подбора для анатомической адаптации, локтевой шарнир выполнен в виде двух шарнирно соединенных между собой короткими полками Г-образных элементов - проксимального и дистального, при этом высота Г-образных элементов зависит от длины окружности предплечья в области локтевого сгиба человека, длинная полка Г-образного проксимального элемента локтевого шарнира поперечно и жестко соединена с дистальным узлом модуля плеча, а проксимальный узел модуля предплечья соединен с длинной полкой Г-образного дистального элемента локтевого шарнира с возможностью вращения вокруг оси, расположенной вдоль модуля предплечья, зацепы для крепления концов упругих элементов закреплены на наружных поверхностях на опоре для крепления внешнего каркаса, элементе плеча, проксимальном и дистальном узлах модуля плеча, проксимальном и дистальном узлах модуля предплечья, проксимальном и дистальном элементах локтевого шарнира.
Экзоскелет верхних конечностей поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства; на фиг. 2 - то же, вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид Б на фиг. 1; на фиг. 4 - вид В на фиг. 2; на фиг. 5 - вид Г на фиг. 2; на фиг. 6 - выносной элемент Д.
Предлагаемое устройство сконструировано модульно-сборным и в зависимости от патологии человека может быть использовано как для двух рук при парапарезе, так и для одной руки при монопарезе.
Предлагаемое устройство содержит опорно-адаптационный элемент, выполненный в виде пластины 1 с отверстиями для крепления конечностей (механических рук) к несущему жилету, надеваемому на человека, либо к инвалидному креслу (стулу) (жилет, инвалидное кресло на чертеже условно не показаны).
Опорно-адаптационный элемент может быть как односторонний, так и двусторонний, общий для двух внешних каркасов.
Каждый внешний каркас состоит из опоры 2, элемента плеча 3, модуля плеча, модуля предплечья и кистедержателя - второй опоры 4 в виде лонгеты.
Опора 2 одним концом жестко закреплена на пластине 1, а другим концом соединена с элементом плеча 3, представляющим собой пластину Z-образного сечения.
Модуль плеча выполнен продолговатым и состоит из проксимального узла 5, соединенного с дистальным узлом 6 съемными планками 7 и 8: верхней и нижней, а продолговатый модуль предплечья - из проксимального узла 9, соединенного с дистальным узлом 10 съемными планками 11 и 12: верхней и нижней. Съемные планки 7, 8, 11 и 12 позволяют при их подборе производить анатомическую адаптацию модулей плеча и предплечья внешнего каркаса к верхней конечности человека.
Модули плеча и предплечья соединены между собой посредством локтевого шарнира, выполненного в виде двух шарнирно соединенных между собой короткими полками Г-образных элементов, а именно проксимального элемента 13 и дистального элемента 14. Высота Г-образного локтевого шарнира анатомозависима, позволяет увеличить амплитуду движений в вертикальной плоскости и определяется в зависимости от длины окружности предплечья в области локтевого сгиба человека.
Длинная полка Г-образного проксимального элемента 13 локтевого шарнира соединена поперечно и жестко с дистальным узлом 6 модуля плеча. Длинная полка Г-образного дистального элемента 14 соединена с проксимальным узлом 9 модуля предплечья через узел для вращения (см. фиг. 6), состоящий из подшипника 15, взаимодействующего с осью 16, жестко закрепленной в проксимальном узле 9 модуля предплечья и расположенной вдоль модуля предплечья для обеспечения возможности вращения модуля предплечья вокруг оси 16. Узел для вращения обеспечивает возможность поворота модуля предплечья в локтевом шарнире (суставе), при котором ладонь занимает положение вниз и большой палец направлен внутрь, к срединной плоскости тела (пронация), и поворот предплечья в локтевом шарнире (суставе), при котором ладонь занимает положение вверх и большой палец направлен наружу, от срединной плоскости тела (супинация) с занятием промежуточных положений, расширяя функциональные возможности устройства.
Дистальный узел 10 модуля предплечья жестко соединен с L-образным элементом 17 для крепления кистедержателя - второй опоры 4.
По наружной поверхности устройства на опоре 2, элементе 3 плеча, проксимальном узле 5 и дистальном узле 6 модуля плеча, проксимальном узле 9 и дистальном узле 10 предплечья, проксимальном элементе 13 и дистальном элементе 14 локтевых шарниров закреплены зацепы 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 и 29 соответственно. Зацепы 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 и 29 предназначены для крепления концов упругих элементов в зависимости от показаний использования экзоскелета и выполнены, например, в виде оси с буртиком на конце для предотвращения соскальзывания упругих элементов. Упругие элементы выполнены, например, в виде резиновых колец (упругие элементы на чертеже условно не показаны). Наличие съемных упругих элементов позволяет осуществлять настройку функций в зависимости от характера применения устройства, как с облегчением движения, так и с его утяжелением при тренирующей функции.
Экзоскелет верхних конечностей используют следующим образом.
Экзоскелет крепят посредством опорно-адаптационного элемента 1 на жилете, который затем надевают на человека, а в случае необходимости крепление производят к инвалидному креслу-каталке.
Для обеспечения эффективного повышения двигательных возможностей верхних конечностей человека (облегчения поднятия рук) упругие элементы концами устанавливают на зацепы 21, 23 и 25, 27. Данное положение упругих элементов применяют и в тренирующей функции устройства, при этом количество и упругость выбирают такими, чтобы противодействовать усилию, опускающему руки. Для облегчения нахождения рук в вынужденном положении, например при работе фотографа, хирурга и др., количество упругих элементов (усилие ими развиваемое) выбирают таким, чтобы обеспечить свободное вывешивание рук в требуемом положении.
Для опускания рук человека вниз (тренирующая функция) упругие элементы концами устанавливают на зацепы 20, 22 и 24, 26.
Для создания усилия, обеспечивающего поворот модуля предплечья относительно модуля плеча, при котором ладонь занимает положение вниз и большой палец направлен внутрь, к срединной плоскости тела (пронация) упругие элементы концами устанавливают на зацепы 24, 28 таким образом, чтобы упругие элементы располагались по наружной поверхности устройства.
Для создания усилия, обеспечивающего поворот модуля предплечья относительно модуля плеча, при котором ладонь занимает положение вверх и большой палец направлен наружу, от срединной плоскости тела (супинация) упругие элементы концами устанавливают на зацепы 24, 28 таким образом, чтобы упругие элементы располагались по внутренней поверхности устройства.
Для создания усилия, осуществляющего разгибание в локтевом суставе, упругие элементы концами устанавливают на зацепы 28,29 по наружной поверхности локтевого шарнира.
Для создания усилия, осуществляющего сгибание в локтевом суставе, упругие элементы концами устанавливают на зацепы 28,29 по внутренней поверхности локтевого шарнира.
Чтобы осуществить движения элемента 3 плеча кзади, упругие элементы концами устанавливают на зацепы 18, 19, 20.
Апробация конструкции предлагаемого устройства и адаптация составляющих ее элементов выполнялась на семерых больных с синдромом верхнего пара (моно) пареза. В качестве примера использованы показания испытаний пациента с верхним периферическим парапарезом (Q74.3).
В таблице 1 приведены данные испытаний по элементам движений плеча при прямой верхней конечности до и после использования предлагаемого устройства.
В таблице 2 приведены данные испытаний по амплитуде движений пациента с верхним периферическим парапарезом в локтевом суставе правой и левой руки до и после использования предлагаемого устройства.
В таблице 3 приведены данные испытаний по элементам движений при повороте предплечья до и после использования предлагаемого устройства.