АМОРТИЗИРУЮЩЕЕ ОРТОПЕДИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
ORTHOPAEDIC SHOCK ABSORBER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к амортизирующему ортопедическому устройству.
Как правило, обувь состоит из основной стельки, т.е. внутренней нижней части обуви, подошвы, которая касается земли, и в некоторых случаях межподошвы, располагающейся между подошвой и основной стелькой. Задачей межподошвы часто является работа в качестве амортизатора для поглощения ударов при ходьбе и обеспечения дополнительного смягчения, по этой причине часто используются такие материалы, как EVA (этиленвинилацетат - прим. переводчика) и полиуретан.
Ортопедические вставки, также называемые стельками-супинаторами, это вставки, которые вставляются в обувь сверху или на место основной стельки. Ортопедические вставки используются для исправления неправильного положения стопы и поперечного перемещения во время ходьбы и в результате уменьшают боль не только в стопе, но и в других частях тела, например в колене, бедре и поясничном отделе позвоночника. Они также могут увеличивать стабильность в нестабильном суставе и предотвращать развитие дополнительных проблем в деформированной стопе. Жесткие ортопедические устройства в основном изготавливаются отливкой формы и могут производиться из таких материалов, как пластик или углеродное волокно.
Также для повышения прочности обувной подошвы используются пластины из стали и углеродного волокна, вставленные в туфель. Такие вставки обеспечивают дополнительный комфорт для людей, страдающих артритом.
Уровень техники
Использование твердых поверхностей (камень, бетон и асфальт) в окружающей человека среде изменило воздействия на костно-мышечную систему человека в отличие от тех воздействий, под которые она развивалась в процессе эволюции. Ударная энергия от таких поверхностей входит в тело через волны сжатия/продольные волны, волны более высокой частоты и более короткой длины через костную и плотную ткани, и более низкой частоты и большей длины через мягкие и жировые ткани. Такая ударная энергия далее преобразуется в энергию разрушения, потенциальную энергию мышц и сухожилий, тепло и иногда физическое повреждение, приводящее к травме. Увеличение веса тела и общее снижение физической нагрузки и выносливости, имеющиеся у людей, могут усиливать такие телесные повреждения.
В настоящем изобретении предлагаются средства снижения физических повреждений и травм, возникающих у людей в результате ударов об землю. Настоящее устройство представляет собой простое упругое соединение, осуществляющее коррекцию в трех местах/амортизирующую ортопедическую вставку, которая создает механическое преимущество, используемое для увеличения эффективности и стабильности ходьбы людей, которые могут ходить, и людей с ограниченными возможностями, с одновременным обеспечением защиты от проколов.
Раскрытие изобретения
Данное устройство эффективно использовать для помощи при ходьбе с применением таких приспособлений, как конечности человека, которые выполняют цикл ходьбы на твердой поверхности. Данное устройство содержит:
(a) нижнюю поверхность,
(b) первую плоскую эластичную пластину, расположенную под горизонтально продолжающейся опорой и механически соединенную с горизонтально продолжающейся опорой, данная эластичная пластина имеет ближний конец, дальний конец, боковую сторону между ближним концом и дальним концом, медиальную сторону между ближним концом и дальним концом, верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, ближний конец горизонтально продолжающейся опоры и ближний конец эластичной пластины разделены вертикальным участком; и
(c) передний элемент, расположенный под эластичной пластиной и механически соединенный с эластичной пластиной, отличающийся тем, что передний элемент располагается между боковой стороной и медиальной стороной первой плоской эластичной пластины дистально от точки на первой плоской эластичной пластине, которая принимает нагрузку от опорной поверхности в процессе первой части цикла ходьбы.
Данное устройство также предпочтительно дополнительно включает задний элемент, расположенный между горизонтально продолжающейся опорой и эластичной пластиной и механически соединенный с горизонтально продолжающейся опорой и эластичной пластиной, данный задний элемент располагается проксимально от переднего элемента. Передний элемент и задний элемент могут содержать наружную поверхность, имеющую форму сечения, которая может быть, например, эллиптической, полусферической, трубчатой, квадратной, оконтуренной или полой. Один или более пальцевых элементов могут также прикрепляться к нижней поверхности первой плоской эластичной пластины в точке, расположенной дистально от переднего элемента.
Горизонтально продолжающаяся опора может изготавливаться из материала, выбранного из группы, состоящей из углеродного волокна, металла, этиленвинилацетата, нейлона, полиэтилена, полипропилена, полиуретана, углеродного волокна или стекловолокна. Горизонтально продолжающаяся опора может также образовывать конфигурацию стельки для приема ноги человека, а дальний конец стельки предпочтительно продолжается до точки над первой плоской эластичной пластиной, проксимальной к точке на первой плоской эластичной пластине, которая принимает нагрузку земли во время второй части цикла ходьбы, предпочтительно смежно с точкой под подъемом свода стопы человека.
Первая плоская эластичная пластина изготавливается из материала, выбранного из группы, состоящей из углеродного волокна, поликарбонатного пластика и стали, предпочтительно углеродного волокна, включающего волокно КЕВЛАР и/или стекловолокно. Она также может изготавливаться из совокупности материалов, где каждый из совокупности материалов имеет отличительное свойство, выбранное из группы, состоящей из коэффициента упругости, модуля упругости и прочности на разрыв. Дальний конец первой плоской эластичной пластины может также иметь продолжающуюся вниз выпуклую форму, выпуклая форма предпочтительно полусферическая.
В дополнительных вариантах осуществления настоящего раскрытия сущности изобретения данное устройство может крепиться к вертикально продолжающейся опоре, имеющей ближний конец и дальний конец, дальний конец механически соединен с верхней поверхностью горизонтально продолжающейся опоры. Прикреплением ручки к ближнему концу вертикально продолжающейся опоры можно сформировать раздвоенную опору. Прикреплением шины к ближнему концу вертикально продолжающейся опоры можно сформировать AFO. Можно дополнительно сформировать протез соединением приемной части для ампутированной конечности с дальним концом вертикально продолжающейся опоры. Дальний конец вертикально продолжающейся опоры может быть также механически соединен с механическим устройством, например с автоматическим устройством или бионическим механизмом.
Краткое описание чертежей
Фиг.1A - вид в перспективе варианта осуществления данного амортизирующего ортопедического устройства.
Фиг.1B - вид в перспективе другого варианта осуществления данного амортизирующего ортопедического устройства.
Фиг.2А - вид спереди в перспективе следующего варианта осуществления данного амортизирующего ортопедического устройства.
Фиг.2В - вид сзади в перспективе эластичного ортопедического устройства Фиг.2.
Фиг.3А - вид сверху в плане нижней части стельки в одном варианте осуществления данного амортизирующего ортопедического устройства.
Фиг.3В - вид сверху в плане нижней части стельки в альтернативном варианте осуществления данного амортизирующего ортопедического устройства.
Фиг.3С - вид сверху вид сверху в плане нижней части стельки в другом альтернативном варианте осуществления данного амортизирующего ортопедического устройства.
Фиг.4А - вид сверху в плане нижней части эластичной пластины в одном варианте осуществления данного амортизирующего ортопедического устройства.
Фиг.4В - вид сверху в плане варианта осуществления эластичной пластины.
Фиг.4С - вид сверху в плане другого варианта осуществления эластичной пластины.
Фиг.4D - вид в перспективе варианта осуществления данного амортизирующего ортопедического устройства, имеющей конфигурацию, уменьшающую сдвиговое напряжение.
Фиг.4Е - вид сбоку в разрезе варианта осуществления данного амортизирующего ортопедического устройства в ботинке.
Фиг.4F - вид сбоку в разрезе другого варианта осуществления данного амортизирующего ортопедического устройства, представляющего переднюю эластичную вставку в ботинке.
Фиг.4G - иллюстрирует механическое преимущество, возникающее в результате применения данного амортизирующего ортопедического устройства в обуви.
Фиг.5А - вид в перспективе ортопедического аппарата для голеностопного сустава, включающего данное амортизирующее ортопедическое устройство.
Фиг.5В - вид в перспективе альтернативного ортопедического аппарата для голеностопного сустава, включающего данное амортизирующее ортопедическое устройство.
Фиг.6А - вид в перспективе протеза, включающего данное амортизирующее ортопедическое устройство.
Фиг.6В - вид в перспективе knee-walker, включающего данное амортизирующее ортопедическое устройство.
Фиг.7А - вид в перспективе костыля, включающего данное амортизирующее ортопедическое устройство.
Фиг.7В - вид в перспективе альтернативного костыля, включающего данное
амортизирующее ортопедическое устройство.
Фиг.7С - иллюстрирует механическое преимущество, возникающее в результате применения данного амортизирующего ортопедического устройства с ортезом для стопы и голеностопного сустава и костылями.
Фиг.8 - вид сверху в перспективе варианта осуществления данного амортизирующего ортопедического устройства, имеющего повышенную прочность на пробой.
Фиг.9 - вид снизу в перспективе варианта осуществления данного амортизирующего ортопедического устройства, в котором используются две амортизирующие пластины.
Фиг.10 - схема, иллюстрирующая силу, воздействующую на задний край предварительно нагруженной эластичной пластины в данном амортизирующем ортопедическом устройстве.
Фиг.11-15 иллюстрируют действие данного амортизирующего ортопедического устройства.
Фиг.16 - таблица результатов тестирования вертикальных прыжков, включающая обувь, содержащую данное амортизирующее ортопедическое устройство.
Фиг.17 - таблица результатов тестирования в положении прыжков в длину, включающая обувь, содержащую данное амортизирующее ортопедическое устройство.
Осуществление изобретения
"Над" и "под" по отношению к компонентам одного из данных устройств описывают положение данных компонентов, когда устройство размещено для применения на земле или другой поверхности, на которой данное устройство предполагается использовать. Например, амортизирующая пластина, описываемая в данном документе, находится под стелькой, с которой она соединяется, когда нижняя часть эластичной пластины обращена к земле и/или туфле, в которой размещено данное устройство.
"Ортез на стопу и голеностопный сустав" (AFO) - это ортезы или ортопедические устройства, включающие голеностопные сочленения и всю или часть ступни.
"Наружное устройство" означает выступающую часть, которая фиксируется или каким-либо другим образом прикрепляется к телу человека, или к механизму, или к другой конструкции. Упомянутые в данном документе наружные устройства - это устройства, применяемые для передвижения, например, конечностей (например, ног или рук, поддерживаемых костылями) или опоры для механизма передвижения. Такие наружные устройства в основном шарнирно крепятся к телу или к механизму.
"Свод" или "своды" стопы означают своды, сформированные предплюсневой и плюсневой костями и соответствующими связками и сухожилиями, позволяющими стопе выдерживать вес.
"Ось" означает точку или линию, которая что-либо сгибает или вращает, в частности вокруг которой участок эластичной пластины сгибается в данных устройствах.
"Подъем" свода стопы означает удлиненный участок человеческой ступни между пальцами и сводом, на который опирается вес тела при поднятой пятке.
"Бугор пяточной кости" - это нижний задний выступ пяточной кости или пяточная кость, образующая выступающую часть пятки.
"Углеродное волокно" означает материал, состоящий из очень тонких волокон около 0,005-0,010 мм диаметром и сформированных главным образом из атомов углерода. Атомы углероды связываются в микроскопические кристаллы, которые выравниваются в основном параллельно длинной оси волокна. Выравнивание кристаллов делает волокно прочным благодаря его размеру. Несколько тысяч углеродных волокон можно скрутить вместе для образования нити, которую можно использовать непосредственно или для того, чтобы соткать ткань. Углеродное волокно имеет множество ткацких рисунков, его можно комбинировать с пластмассовой смолой и наматывать или формовать для создания композитных материалов, таких как пластик, армированный углеродным волокном (также называемый углеродным волокном) для создания материала с высоким соотношением "прочность-вес".
"Композитный материал" - это материал, изготавливаемый из двух или более составных материалов с сильно отличающимися физическими или химическими свойствами, которые сохраняются отдельно и отчетливо на макроскопическом уровне в пределах сформированной структуры.
"Стелька" для целей настоящего документа означает горизонтально продолжающуюся жесткую или полужесткую конструкцию, которая обеспечивает опору для одного или более элементов, расположенных под стелькой. В случае использования в вариантах осуществления ортопедическх вставок для ступней настоящего изобретения стелька может иметь верхнюю поверхность, которая соответствует, по меньшей мере, участку нижней стороны человеческой стопы, в виде верхней поверхности ортопедического устройства, вставленной в ботинок для стабилизации ступни и голеностопного сустава. В некоторых вариантах осуществления верхняя поверхность стельки формируется в соответствии с формой и изгибом стопы конкретного человека, как описывается ниже, а в других вариантах осуществления верхняя поверхность ортопедической вставки может представлять форму, которая в целом соответствует форме нижней стороны стопы, по меньшей мере, группы потребителей. Используемые в данных устройствах стельки жесткие.
"Костыль" - это прочная опора для поддержки человека в процессе передвижения с помощью конечностей или части тела, отличных от ног и стоп.
"Дорсальный" означает далеко от опорной поверхности, когда передняя поверхность стельки и амортизирующая пластина данного амортизирующего ортопедического устройства обращены к земле.
"Ступня" - это нижняя часть ноги или другая опора, применяемая человеком для передвижения.
"Ортопедическое устройство для ноги" означает устройство, помогающее нижней конечности (ступня, голеностопный сустав, колено, нога) передвигаться.
"Обувь" означает туфли, ботинки и другую обувь, которую носят на ногах для защиты от окружающей среды и/или для украшения.
"Ходьба" означает физические действия, выполняемые человеком в процессе прогулки, бега и других форм передвижения, выполняемые с применением наружных устройств, таких как человеческие конечности.
"Цикл ходьбы" - это серия действий, выполняемая повторно для совершения передвижения с помощью наружных устройств. Цикл ходьбы измеряется от одного события (например, удар пятки, когда используется пятка) до следующего такого же события с тем же наружным устройством.
"Нагрузка от опорной поверхности" означает силу воздействия земли на тело, находящееся с ней в контакте.
"Земля" в целях настоящего документа может означать любую твердую поверхность, с которой настоящее устройство и/или обувь, включающая данное устройство, вступает в контакт, включая полы, тротуары, землю, горную породу и другие поверхности, по которым перемещается потребитель данных устройств.
"Ручка" означает выступ или другое наружное устройство объекта, предназначенное для держания для использования или передвижения объекта.
"Пятка" стопы означает задний (противоположный направлению движения) конец ноги, который в человеческой ноге является удлиненным участком ступни за сводом.
"Удар пятки" означает момент цикла ходьбы, когда пятка человека (или туфли, надетой на ногу человека) первой касается земли в процессе передвижения вперед.
"Горизонтальный" означает в направлении, параллельном или в пределах 30°, предпочтительнее в пределах 15° относительно земли.
"Заболевание в результате удара" означает одно или более медицинских показаний человека, возникших в результате силы удара ноги человека об землю во время передвижения или для которого такая сила является способствующим фактором. Такие болезни включают плантарный фасциит, тендинит ахиллова сухожилия, тендинит коленного сустава, тендинит задней большеберцовой мышцы, комбинированное плоскостопие, остеоартрит, тендосиновит, дисфункция бедра и сакроилеальная дисфункция, спондилолистез и патология нижнего отдела спины.
"Основная стелька" означает участок части обуви, на который опирается ступня человека.
"Боковой" означает в направлении наружной части ступни, т.е. в направлении стороны, на которой обычно находится самый маленький палец (мизинец).
"Передвижение" означает движение отдельного человека.
"Механически соединенный" означает физически соединенный либо посредством соединения на основе прямого физического контакта или через другую механическую конструкцию. Например, описываемый далее задний элемент пятки обеспечивает механическое соединение между стелькой и эластичной пластиной данного устройства в некоторых вариантах осуществления. Механическое соединение может включать применение адгезивов и других средств крепления конструкций, соединенных механически.
"Медиальный" означает по направлению ко внутренней части ступни, т.е. по направлению к стороне, на которой обычно находится большой палец.
"Межподошва" означает участок части обуви, расположенный между основной стелькой и подошвой участка обуви.
"Ортопедический" означает устройство, накладываемое снаружи на часть тела для опоры части тела, исправления деформации, облегчения боли и/или улучшения функционирования части тела.
"Подошва" означает наружную подошву туфли или ботинка, которая включает низ туфли и контактирует с землей.
"Элемент" означает элемент жесткости или конструкцию, например стержень, балансир или выступающую деталь, которая поддерживает другую конструкцию, которая изгибается или поворачивается вокруг оси, определяемой длиной элемента, и которая подвергается изгибным напряжениям, в основном от направления, перпендикулярного ее длине.
"Планарный" означает конструкцию, которая продолжается главным образом в двух направлениях, т.е. у которой длина и ширина конструкции каждая больше ширины предпочтительно, по меньшей мере, в 5 раз, больше предпочтительно, по меньшей мере, в 10 раз, и даже больше предпочтительно, по меньшей мере, в 20 раз.
"Протез" означает механической устройство, которое заменяет отсутствующую часть тела.
"Туфель" в целях настоящего документа, означает покрытие для ступни, которое обеспечивает опору и защиту для ступни, включая терапевтические покрытия, такие как ортезы для ног, а также традиционную обувь, такую как ботинки, туфли, спортивную обувь. Туфли также охватывают ногу в протезе.
"Амортизирующая пластина" означает плоское устройство, содержащее один или более материалов, которое может эластично деформироваться для сохранения механической энергии.
"Человек" означает потребителя амортизирующего ортопедического устройства, описываемого в данном документе. Обычно это люди, хотя также возможно применение данной системы или механического устройства животными.
"Отрыв пальцев" означает момент последнего контакта ступни человека (или туфли или устройства под ступней человека) с землей в процессе цикла ходьбы при передвижении вперед.
"Передний" означает по направлению к земле, когда передняя поверхность стельки и амортизирующая пластина данного амортизирующего ортопедического устройства обращены к земле.
"Вертикальный" означает в направлении к или от опорной поверхности и не горизонтальный.
В целях настоящего документа, термин "представлять собой" и его варианты, такие как "представляющий" и "представляет", не предполагают исключения других дополнений, компонентов, единого целого или шагов. Определенный и неопределенные артикли и другие подобные объекты, используемые в данном документе, должны считаться представляющими единственное и множественное число, если только их использование в контексте не указывает на иное.
ОРТОПЕДИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НОГИ
На Фиг.1A иллюстрируется один вариант осуществления данного амортизирующего ортопедического устройства. В данном варианте осуществления настоящее амортизирующее ортопедическое устройство содержит стельку 10, по меньшей мере, один элемент 50 и амортизирующую пластину 100. Стелька 10 формируется из жесткого или полужесткого материала и включает ближний конец 12, дальний конец 14, медиальный конец 13, боковой конец 15 и в основном плоскую заднюю поверхность 16. Задняя поверхность 16 имеет ширину между ее медиальным концом 13 и боковым концом 16 и длину между ближним концом 12 и дальним концом 14, достаточную для контакта и обеспечения опоры для нижней или вентральной поверхности пятки стопы человека.
Предпочтительно задняя поверхность 16 стельки 10 сформирована так, что она соответствует контуру, по меньшей мере, участка пятки ступни человека, а в варианте осуществления, в котором стелька 10 продолжается дистально для контакта с пальцами ступни человека, таком как вариант осуществления на Фиг.1A, стелька 10 также предпочтительно сформирована для соответствия контуру оставшейся части нижней стороны ступни человека. То есть задняя поверхность 16 стельки 10 представляет собой форму, которая является инверсией формы или контура нижней стороны ступни человека, как показано на Фиг.1A. В других вариантах осуществления, таких как на Фиг.1B, стелька 10 продолжается только от участка пятки в ближнем конце 12 до точки, ближайшей от пальцев (когда стелька надета) и предпочтительно смежной с или ближайшей к подъему свода стопы, хотя предпочтительно, чтобы стелька 10 продолжалась достаточно дистально, чтобы поддерживать своды стоп человека. Стелька, которая продолжается до точки, ближайшей от головок плюсневой кости ступни человека, снижает давление под головками плюсневой кости и может уменьшить количество стрессовых переломов.
В таких вариантах осуществления задняя поверхность 16 стельки 10 предпочтительно сформирована для соответствия нижней стороне конкретной ступни человека. В данном случае стелька 10 может быть сформирована из полимерного материала, такого как этиленвинилацетат, и сформирована так же, как и полимерные ортопедические вставки, которые производятся в соответствии с контуром ступни человека. В других вариантах осуществления задняя поверхность стельки может альтернативно представлять собой форму, которая является инверсией формы средней ступни человека, т.е. которая может включать вогнутое углубление 17 для пятки и поднятый участок свода 19, свод 19 располагается удаленно от углубления 17 для пятки, и включает поверхность, которая располагается выше самой нижней точки углубления 17 для пятки в соответствии с измерением, когда данное амортизирующее ортопедическое устройство располагается на земле или в туфле с передней поверхностью 18 стельки, обращенной к земле.
В следующем альтернативном варианте задняя поверхность 16 стельки 10 может представлять собой другую форму, а в некоторых случаях она может быть плоской. Задняя поверхность 16 может также быть терапевтически оконтурена, биометрически сбалансирована и каким-либо другим образом модифицирована для реализации терапевтической коррекции. В некоторых вариантах осуществления задняя поверхность 16 стельки 10 представляет собой поверхность, которая соответствует контуру нижней стороны ступни человека и предназначена для контакта с площадью поверхности нижней стороны ступни человека в максимально возможной степени или как можно практичнее, что является преимуществом, потому что нагрузка от опорной поверхности, воздействующая на нижнюю сторону ступни человека, в результате распространяется на как можно большую площадь поверхности нижней стороны ступни человека, снижая тем самым силу, воздействующую на какую-либо конкретную точку на нижней стороне ступни человека.
Для содействия распространению нагрузки от опорной поверхности вдоль нижней стороны поверхности ступни человека, стелька 10 предпочтительно сформирована из жесткого или полужесткого материала, такого как углеродное волокно, металл, этиленвинилацетат, нейлон, полиэтилен, полипропилен, полиуретан, углеродное волокно или стекловолокно. Такие материалы в целом имеют модуль упругости при сдвиге, по меньшей мере, около 0,001, более предпочтительно, по меньшей мере, около 0,05, и даже более предпочтительно, по меньшей мере, около 0,1, хотя он может быть выше, предпочтительно с более высокой жесткостью.
В предпочтительном варианте осуществления стелька сформирована из материала, резистентного проколам. Например, стелька может быть сформирована из множества слоев материалов из углеродного волокна, предпочтительно включающего один или более слоев, которые включают параарамидное синтетическое волокно КЕВЛАР. Предпочтительно такая стелька включает 2 или более слоев материала из углеродного волокна, которое представляет собой волокно КЕВЛАР, более предпочтительно 4 или более слоев и даже более предпочтительно 8 или более слоев. Принимая во внимания жесткость углеродного волокна, когда в данном варианте осуществления используются углеродное волокно или другие сравнительно жесткие материалы, стелька предпочтительно продолжается дистально не далее чем до точки смежной с подъемом свода ступни человека, для обеспечения нормальной ходьбы человека. Такие стельки могут быть несколько миллиметров толщиной для обеспечения защиты для ближайшего участка ступни человека, например, толщиной в пределах от 2 до 8 мм, более предпочтительно в пределах от 4 до 7 мм. Такая стелька иллюстрируется на Фиг.8. Данное амортизирующее ортопедическое устройство и/или обувь, которая включает данное амортизирующее ортопедическое устройство в данном варианте осуществления также предпочтительно соответствует стандартам сопротивления проколу ASTM F 2412- 05 (Стандартные методы тестирования для защиты ног, одобрено 1 марта, 2005 г., опубликовано в марте 2005 г.).
Располагающаяся ниже передняя поверхность 18 стельки 10 является эластичной пластиной 100. Эластичная пластина 100 содержит ближний конец 112, дальний конец 114, медиальную сторону 113, боковую сторону 115, заднюю поверхность 116 и переднюю поверхность 118. Эластичная пластина 100 в целом имеет плоскую конфигурацию и сформирована из материала, который предпочтительно менее жесткий, чем стелька 10, и имеет более высокий модуль упругости. Несмотря на то, что все амортизирующие пластины 100, описываемые в данном документе, представляют собой одинарный лист в целом плоского материала, предполагается, что множество частей материала, которые механически соединяются друг с другом или с другой конструкцией, чтобы деформироваться вокруг линии или линий, определяемых элементами 50, и которые в целом ориентированы на плоскую конфигурацию, могут также применяться в качестве эластичной пластины в соединении с данным амортизирующим ортопедическим устройством.
Эластичная пластина 100 механически соединена со стелькой 10 в точке, удаленной от ближнего конца 112 эластичной пластины 100, и также предпочтительно, по меньшей мере, в другой точке в или рядом с дальним концом 114 эластичной пластины 100. В варианте осуществления, показанном на Фигурах 1A и 1B, передняя поверхность 18 стельки 10 находится в прямом контакте с задней поверхностью 116 эластичной пластины 100. Однако в других вариантах осуществления, таких как на Фигурах 2А и 2В, стелька 10 и эластичная пластина 100 могут соединяться смежно с ближними концами 12 и 112 через другую механическую конструкцию, например, такую, как задний элемент 160 пятки, показанный на Фигурах 2А и 2В.
Важным признаком данного амортизирующего ортопедического устройства является то, что вертикальное расстояние должно поддерживаться между ближним концом 112 стельки 10 и ближним концом 112 эластичной пластины 100 при отсутствии нагрузки на стельку. Это позволяет ближнему концу 112 эластичной пластины 100 смещаться вверх, т.е. по направлению к передней поверхности 18 ближнего конца 12 стельки 10 во время удара пяткой в процессе ходьбы человека. Когда эластичная пластина 100 смещается таким образом, она поглощает некоторую нагрузку от опорной поверхности во время удара пятки. Более того, энергия, поглощаемая эластичной пластиной 100, затем высвобождается по мере смещения веса человека от пятки к участку пальцев ступни человека в процессе цикла ходьбы, облегчая таким образом передвижение.
Ввиду необходимости сохранения расстояния между ближним концом 12 стельки 10 и ближним концом 112 эластичной пластины 100 в варианте осуществления Фигур 1A и 1B передняя поверхность 18 стельки 10 продолжается вверх от задней поверхности 116 эластичной пластины 100 от точки, в которой она находится в контакте с эластичной пластиной 100, и стелька 10 должна формироваться из материала, достаточно прочного для сохранения расстояния, когда пятка человека прикладывает силу по направлению вниз к стельке 10 во время, по меньшей мере, части цикла ходьбы. В варианте осуществления Фигур 2А и 2В расстояние между ближним концом 12 стельки 10 и ближним концом 112 эластичной пластины 100 сохраняется, по меньшей мере, в части, задним элементом 160 пятки, расположенным смежно с ближними концами стельки 10 и эластичной пластины 100 и позиционируется между ними.
Точка контакта между передней поверхностью 18 стельки 10 и задней поверхностью 116 эластичной пластины 100 в вариантах осуществления Фигур 1A и 1B служит осью, вокруг которой эластичная пластина 100 может изгибаться, когда нагрузка вверх от опорной поверхности воздействует на ближний конец 112 эластичной пластины 100. Величина деформации ближнего конца 112 эластичной пластины 100 на расстояние, на которое ближний конец 112 перемещается перед контактом с нижней стороной стельки 10, должна быть в пределах предела упругости эластичной пластины 100.
Расположенная ниже эластичная пластина 100 является передним элементом 140 пятки, имеющей медиальный конец 143, боковой конец 145, заднюю поверхность 146, переднюю поверхность 148, ближний конец 147 и дальний конец 149. Передний элемент 140 пятки является второй осью, вокруг которой изгибается эластичная пластина 100. Когда направленная вниз сила прикладывается пяткой человека на стельку 10, часть этой силы прикладывается проксимально от переднего элемента 140 пятки и вызывает изгиб вниз эластичной пластины 100, т.е. так что передняя поверхность 118 в ближнем конце 112 эластичной пластины 100 становится ближе к земле.
Передний элемент 140 пятки и другие элементы 50 предпочтительно продольные, предпочтительно продолжающиеся вдоль, по меньшей мере, 70% ширины эластичной пластины 100, и более предпочтительно продолжающиеся вдоль, по меньшей мере, 90% или вдоль всей ширины эластичной пластины 100, хотя в некоторых вариантах осуществления несколько элементов 50 могут использоваться для формирования оси, вокруг которой может изгибаться эластичная пластина 100. Элементы 50, иллюстрируемые на Фигурах 2А и 2В, имеют эллиптическое или полусферическое сечение, но можно также использовать элементы других форм, например трубчатые элементы, стержни, имеющие квадратное сечение, элементы с контуром и элементы других форм. Специалисты в данной области техники могут определить подходящую форму и материал для элементов 50 в зависимости от свойств эластичной пластины 100 и размещения элементов в данном ортопедическом устройстве.
Элементы 50 могут быть полыми, как иллюстрируется на Фигурах 2А и 2В, если они изготовлены из достаточно жесткого материала (для уменьшения веса данного амортизирующего ортопедического устройства), но они также могут изготавливаться из одного куска материала. В одном варианте осуществления задний элемент 160 пятки может быть отлит вместе со стелькой 10. Преимуществом применения полых элементов, особенно выпуклых полых элементов, является то, что они могут обеспечивать дополнительную защиту от ударов для человека своей возможностью ломаться или деформироваться под давлением, величина которого меньше, чем давление, при котором ломаются кости ног человека, тем самым обеспечивая защиту от переломов, включая усталостные переломы в костях ног.
В некоторых вариантах осуществления передний элемент 140 пятки может образовывать часть туфли, например часть ступни туфли, с которой механически соединяется эластичная пластина 100. В таких вариантах осуществления участок туфли под ближним концом 112 эластичной пластины 100 обеспечивает достаточный зазор, т.е. вертикальное пространство между передней стороной 118 эластичной пластины 100 и дном туфли для обеспечения вертикального изгиба вниз ближнего конца 112 эластичной пластины 100, когда на него давит вниз, например, пятка человека во время удара пяткой цикла ходьбы.
Передний элемент 140 пятки предпочтительно продолжается продольно вдоль, по меньшей мере, участка ширины эластичной пластины 100, т.е. между медиальной стороной 113 и боковой стороной 115 эластичной пластины 100. Продольный участок переднего элемента 140 пятки, т.е. расстояние между медиальным концом 143 и боковым концом 145, предпочтительно достаточно для изгиба всей ширины эластичной пластины 100 равномерно вокруг точки оси, созданной передним элементом 140 пятки, когда пятка человека давит вниз. Это должно позволять эластичной пружине изгибаться больше, тем самым обеспечивая возникновение большего усилие пружины, когда пятка человека давит вниз на амортизирующую пластину 100. По этой причине передний элемент 140 пятки должен быть достаточно прочным для того, чтобы позволить эластичной пружине 100 изгибаться вокруг точки оси, созданной передним элементом 140 пятки. Во время удара пятки в процессе ходьбы человека, когда пятка давит вниз на ближний конец 112 эластичной пластины 100, точка оси, созданной передним элементом 140 пятки, находится в ближнем конце 147 или смежно с ближним концом 147 переднего элемента 140 пятки.
В вышеизложенном описании можно видеть, что эластичная пластина 100 данного амортизирующего ортопедического устройства претерпевает двойной изгиб во время удара пятков цикла ходьбы человека, амортизируя тем самым большее количество силы, которая бы возникала, если бы эластичная пластина 100 изгибалась вокруг только одной оси. Первый изгиб вокруг оси, созданной передним элементом 140 пятки, возникает благодаря усилию, прикладываемому по направлению вниз пяткой ступни человека, а второй изгиб может возникать, в варианте осуществления Фигур 1A и 1B, вокруг точки оси, создаваемой точкой, в которой передняя поверхность 18 стельки 10 контактирует с задней поверхностью 116 эластичной пластины 100. В варианте осуществления Фигур 2А и 2В вторая изгибающая ось создается в передней поверхности 168 или смежно с передней поверхностью 168 заднего элемента 160 пятки, где задний элемент 160 пятки контактирует с эластичной пластиной 100.
В предпочтительном варианте осуществления, иллюстрированном на Фигурах 2А и 2В, второй элемент 50, а именно задний элемент 160 пятки, располагается между передней поверхностью 18 стельки 10 и задней поверхностью 116 эластичной пластины 100. Задний элемент 160 пятки размещается в требуемой точке оси, ближайшей от точки оси, созданной передним элементом 140 пятки. Задний элемент 160 пятки предпочтительно имеет подобные физические и структурные характеристики, что и передний элемент 140 пятки, и может быть изготовлен из такого же или подобного материала, что и передний элемент 140 пятки. Задний элемент 160 пятки аналогично содержит заднюю поверхность 166, которая механически соединяется с передней поверхностью 18 стельки 10 и передней поверхностью 168, которая находится в механическом соединении с задней поверхностью 116 эластичной пластины 100. Задний элемент 160 пятки дополнительно содержит медиальную сторону 163, боковую сторону 165, ближний конец 167 и дальний конец 169.
Предпочтительно задний элемент 160 пятки размещается смежно с ближним концом 112 эластичной пластины 100 для обеспечения только сравнительно короткого расстояния между ближним концом 167 заднего элемента 160 пятки, где возникает ось изгиба, и ближним концом 112 эластичной пластины 100. Как описано выше, обеспечивая такое более короткое расстояние, меньший рычаг воздействует на ближний конец 112 эластичной пластины 100, и в результате эластичная пластина 100 может поглощать большую нагрузку от опорной поверхности за более короткий момент изгиба. В предпочтительном варианте осуществления задний элемент 160 пятки находится в пределах около четырех сантиметров от ближнего конца 112 эластичной пластины 100, а в более предпочтительном варианте осуществления задний элемент 160 пятки находится в пределах около одного сантиметра от ближнего конца 112 эластичной пластины 100.
Точка пикового давления на пятку человека находится в точке на поверхности пятки, которая располагается ниже бугра пяточной кости. Таким образом, в предпочтительных вариантах осуществления задний элемент 160 пятки располагается вертикально ниже бугра пяточной кости, когда пятка человека находится в контакте с задней поверхностью 16 стельки 10. В вариантах осуществления, в которых задняя поверхность 16 стельки 10 включает углубление 17 для пятки, задний элемент 160 пятки в результате располагается ниже центра вогнутой поверхности, создающей углубление 17 для пятки для лучшего размещения заднего элемента 160 пятки.
Задний элемент 160 пятки предпочтительно имеет длину больше его ширины, а длина заднего элемента пятки предпочтительно продолжается от точки в медиальном конце 13 или смежно с медиальным концом 13 стельки 10 до точки в боковом конце 15 или смежно с боковым концом 15 на задней поверхности 16 стельки 10. Длина заднего элемента 160 пятки также предпочтительно примерно перпендикулярна продольной оси стельки 10. В вариантах осуществления на Фигурах 1А-2В используется такой элемент, который закруглен вдоль его продольной оси так, что эластичная пластина 100 изгибается плавно вдоль поверхности заднего элемента 160 пятки. Закругленные элементы в целом предпочтительны в вариантах осуществления, в которых используется эластичная пластина 100 из углеродного волокна, так как применение более острых углов в элементах 50 может приводить к повреждению углеродных волокон в таких вариантах осуществления. В других вариантах осуществления длина заднего элемента 160 пятки может находиться под углом относительно продольного продолжения стельки 10, например под углом 5°, 10°, 15°, 30° или другими требуемыми углами.
В альтернативных вариантах осуществления, таких как показаны на Фигурах 3А-3С, задний элемент 160 пятки может содержать одну или более плоских или изогнутых поверхностей вдоль его продольного продолжения. В варианте осуществления Фиг.3А предусмотрена более низкая плоская поверхность 161, которая контактирует с эластичной пластиной 100 и предпочтительно прикреплена к эластичной пружине 100. Ближняя плоская поверхность 162 продолжается проксимально от нижней поверхности 161 элемента до передней поверхности 18 стельки 10, а передняя плоская поверхность 164 продолжается дистально от нижней поверхности 161 элемента до передней поверхности 18 стельки 10. Предусмотренные плоские поверхности, которые встречаются под определенным углом, например поверхности 161 и 162 на Фиг.3А, позволяют эластичной пружине 100 изгибаться более резко и влияют на характеристики эластичности данного амортизирующего ортопедического устройства. Угол может быть 90° или он может быть острым углом, как показано на Фиг.3А, например углом в 20°, 30°, 45° или другим требуемым углом. Кроме того, множество плоских поверхностей, соединенных под заданным углом, можно также предусмотреть между нижней поверхностью 161 и передней поверхностью 18 стельки 10 для обеспечения других характеристик эластичности.
В вариантах осуществления Фигур 1А-3А показаны задние элементы 160 пятки, у которых нижние поверхности 161 таких элементов примерно параллельны задней поверхности 18 стельки 10 вдоль их продольных продолжений. На Фиг.3В показан следующий альтернативный вариант осуществления элемента, у которого элемент поднят на одной боковой стороне по сравнению с другой боковой стороной элемента пятки таким образом, что нижняя поверхность 161 образует острый угол относительно задней поверхности 18 стельки 10. В иллюстрируемом варианте осуществления боковая сторона 165 продолжается дальше от задней поверхности 18, чем медиальная сторона 163, хотя также возможны и варианты осуществления, в которых медиальная сторона 163 продолжается дальше от задней поверхности 18, чем боковая сторона 165. Вариант осуществления Фиг.3В может помочь корректировать инверсию и выворот (пронацию) стопы и может также помочь стабилизировать голеностопный сустав и поднять свод стопы.
В дополнение к задним элементам 160 пятки с планарными поверхностями такие элементы могут альтернативно представлять собой альтернативные формы, которые представляют или включают оконтуренные поверхности, как в варианте осуществления Фиг.3С. В данном варианте осуществления задний элемент пятки содержит нижнюю поверхность, которая имеет полусферическую форму. Элементы 50 в данном варианте осуществления обеспечивают укрепление голеностопного сустава и гибкость ноги и бедра.
В некоторых вариантах осуществления преимуществом может также стать добавление связей жесткости, т.е. жесткой опоры, прикрепленной или другим образом механически соединенной с амортизирующим ортопедическим устройством. Такие связи жесткости обеспечивают дополнительные механические преимущества и повышают эффективность устройства и могут помогать в защите пятки человека от подъема, т.е. потери контакта с поверхностью стельки 10 и отделения от поверхности стельки 10 устройства или от основной стельки над стелькой.
АМОРТИЗИРУЮЩИЕ ПЛАСТИНЫ
Одно из преимуществ данного амортизирующего ортопедического устройства заключается в снижении пиковой нагрузки от опорной поверхности, воздействующей на нижнюю часть ступни человека в ситуации, когда человек получает травму или другое повреждение ноги, особенно, когда повреждение вызвано в результате ожирения, диабета, игрового вида спорта, физических упражнений. Снижением нагрузки от опорной поверхности, воздействующей на нижнюю часть данной ступни человека и передаваемой в тело человека, данные амортизирующие ортопедические устройства снижают боль и дополнительные травму или повреждение ступни и/или других частей тела человека (например, голеностопного сустава, бедра, коленей и нижней части позвоночника). Принимая во внимание дополнительное преимущество для людей, имеющих вес больше среднего, эластичная пластина 100 предпочтительно формируется для поглощения более 2%, более предпочтительно более 10% и даже более предпочтительно более 50% нагрузки от опорной поверхности, воздействующей на человека, имеющего вес больше среднего (на данный момент около 72 килограммов для женщин и 86 килограммов для мужчин в США), Более предпочтительно эластичная пластина 100 может быть сформирована для поглощения подобной нагрузки от опорной поверхности для людей в 95 процентиле веса населения или в пределах от около 113 и 122 килограммов. В некоторых примерах эластичные соединители могут формироваться для поглощения нагрузок от опорной поверхности для людей даже с большим весом, например весом в 80 килограммов.
Эластичная пластина 100 данного амортизирующего ортопедического устройства сформирована из материала, который может эластично деформироваться силами, воздействующими на устройство во время передвижения для сохранения и последующего высвобождения механической энергии. Эластичная пластина 100 может быть сформирована из любого из материалов, которые могут изгибаться для сохранения и высвобождения механической энергии, включая пластик, такой как поликарбонатный пластик, и металл, например сталь. Но в предпочтительных вариантах осуществления эластичная пластина 100 сформирована из композитного материала, например углеродного волокна. Например, для формирования данной эластичной пластины 100 можно использовать композитные ламинаты из стекловолокна и углеродного волокна. Желательно использовать материалы, имеющие большое соотношение модуль упругости:плотность благодаря увеличению жесткости материала с уменьшением веса. В таблице 1 ниже показаны подходящий коэффициент модуль упругости:плотность, который имеют материалы из углеродного волокна.
Таблица 1:
Модуль упругости:плотность
Материал
Предел прочности на разрыв (МПа)
Плотность (г/см<sup>3</sup>)
Модуль упругости (ГПа)
Коэффициент Модуль упругости относительно плотности
Природный алмаз
1048
3,21
703
326
Композитный
758
1,68
221
451
материал из
углеродного волокна
Углеродная сталь А-36
448
7,83
206
57
Кость
172
1,49
14
115
Поликарбонатный пластик
68
0,83
2,3
82
Каучук
7
1,38
0,03
5
В дополнительном варианте осуществления, иллюстрированном на Фиг.4А, эластичная пластина данного амортизирующего ортопедического устройства может содержать дополнительные элементы 50, например передний шаровой элемент 180 и/или пальцевый элемент 200. Передний шаровой элемент 180 включает медиальный конец 183, боковой конец 185, заднюю поверхность 186, переднюю поверхность 188, ближний конец 187 и дальний конец 189. Передний шаровой элемент 180 располагается в соединении с передней поверхностью 118 эластичной пластины 100 таким же образом, как и передний элемент 140 пятки, но располагается дистально от переднего элемента 140 пятки. При переходе на часть «отрыв пальцев» цикла ходьбы передний шаровой элемент 180 создает ось вокруг ее дальнего конца 189, вокруг которого эластичная пластина 100 может изгибаться и тем самым амортизировать нагрузку от опорной поверхности, воздействующую на дистальный участок или ступню человека. Предпочтительно, передний шаровой элемент 180 располагается под головками плюсневой костей ступни человека. Кроме того, между эластичной пластиной 100 и стелькой 10 можно расположить задний элемент пятки проксимально или дистально от передней шаровой опоры 180 для обеспечения преимуществ удвоенной упругости, как описано выше.
Пальцевый элемент 200, иллюстрированный на Фиг.4А, отличается от вышеописанных элементов 50 тем, что его продольное продолжение проходит между его ближним концом 207 и его дальним концом 209, т.е. длинная часть пальцевого элемента идет в направлении, перпендикулярном направлению вышеописанных элементов и параллельно прямому направлению, в котором перемещается ступня в процессе цикла ходьбы, т.е. продольному продолжению данного ортопедического устройства. Более того, продольное продолжение пальцевого элемента 200 ориентировано таким образом, чтобы создать ось вдоль продольного продолжения, вокруг которой возникает изгиб в поперечном направлении, т.е. чтобы амортизировать нагрузку от опорной поверхности, оказываемую преимущественно на одну сторону ступни человека. Во время части «отрыв пальцев» цикла ходьбы на одну сторону ступни человека (медиальную или боковую сторону в зависимости от конкретного человека) может воздействовать большая сила, чем на другую сторону. В результате пальцевый элемент 200 предпочтительно размещается таким образом, что он создает ось, вокруг которой медиальная сторона 113 и/или боковая сторона 115 эластичной пластины 100 могут изгибаться вниз во время части «отрыв пальцев» цикла ходьбы. В других вариантах осуществления продольное продолжение пальцевого элемента может проходить под углом к продольному продолжению эластичной пластины 100, например под углом 5°, 10°, 15°, 30° или другими требуемыми углами. Пальцевые элементы 200 могут помогать контролировать инверсию и выворот стопы, т.е. супинацию и пронацию. В других вариантах осуществления такие продольно продолжающиеся элементы могут располагаться в ближнем конце данного устройства, т.е. смежно с ближним концом 112 данной эластичной пластины 100 для контроля инверсии и выворота задней части стопы человека.
В вариантах осуществления данного амортизирующего ортопедического устройства, которое включает элементы 50, имеющие длину и ширину разных размеров, такие как элементы 50, показанные на Фигурах 3А, 3В и 4А (имеющих длину больше их ширины), элементы 50 могут устанавливаться на стельку 10 и/или на эластичную пластину 100 горизонтально, с возможностью вращения и закреплением. В данном варианте осуществления элементы могут вращаться вокруг фиксированной оси (центральной оси или оси, смежной с продольным концом элемента) для изменения характеристик упругости данного амортизирующего ортопедического устройства. Элементы закрепляются с двух сторон, т.е. они могут вращаться, а затем закрепляться в фиксированном положении на элементе 50 и/или на эластичной пластине 100. Альтернативно или дополнительно элемент или элементы 50 могут регулироваться по вертикали, т.е. регулируется вертикальная высота элемента. Горизонтальную и/или вертикальную настройку элемента можно выполнять, например, с помощью храпового механизма, в котором элемент содержит приемные части, зубья и другие выступы, которые зацепляют приемные части, зубья и другие выступы на стельке 10 или прикрепляются к стельке 10 или эластичной пластине 100, формируя тем самым зубчатый механизм, который вращает элемент. В результате элемент можно регулировать в трех направлениях.
Передний элемент 140 пятки и задний элемент 160 пятки, а также другие элементы, раскрытые в данном документе, могут также иметь разные формы и размеры для предложения настраиваемых устройств, необходимых для удовлетворения потребностей конкретных людей. Например, амортизирующее ортопедическое устройство, имеющее задний элемент 160 пятки с большей высотой, чем передний элемент 140 пятки, может обеспечивать более длинный и мягкий контакт между эластичной пластиной 100 и нижней поверхностью, с которой оно находится в контакте. В другом варианте осуществления амортизирующее ортопедическое устройство, имеющее передний элемент 140 пятки с большей высотой, чем задний элемент 160 пятки, может обеспечивать более широкий радиус рычага и позволяет настоящему устройству выполнять больше механической работы.
Фиг.4В иллюстрируется вариант осуществления эластичной пластины, который позволяет большей силе, направленной вниз, воздействовать на одну сторону ступни человека во время части «отрыва пальцев» цикла ходьбы, чем на другую сторону. В данном варианте осуществления это осуществляется с помощью изготовления эластичной пластины, имеющей другой коэффициент упругости, модуль упругости и/или прочность на разрыв на одной боковой стороне эластичной пластины по сравнению с другой боковой стороной эластичной пластины 100. В варианте осуществления Фиг.4В участок эластичной пластины 100 в ближнем конце 112 и боковая сторона 115 эластичной пластины 100 состоит из первого материала 101, а медиальная сторона 113 дальнего конца 114 состоит из второго материала 102, имеющего другие коэффициент упругости, модуль упругости и/или прочность на разрыв. Альтернативно эластичная пластина 100 может быть изготовлена из однородного материала, а может быть сформирована с участком (например, область 102 на Фиг.4 В), который толще или тоньше другого участка эластичной пластины 100 или к которому прикрепляется другой материал.
Та же самая концепция применяется другим образом в варианте осуществления на Фиг.4С, на которой иллюстрируется альтернативная эластичная пластина, на которой зона 103 над подъемом свода стопы человека сохраняет и высвобождает меньше механической энергии по сравнению с окружающими участками эластичной пластины 100 для уменьшения силы, прилагаемой к зонам высокого давления. Например, участок 103 может быть сформирован из более тонкого или мягкого материала по сравнению с остальной частью эластичной пластины. Альтернативно, эластичная пластина 100 может содержать отверстия в зонах эластичной пластины, в которых требуется уменьшить силу, воздействующую на ступню человека.
В некоторых вариантах осуществления предлагается более жесткая зона материала (т.е. имеющая более высокую прочность на разрыв и/или менее гибкая) под участком ступни человека между первым плюснефаланговым суставом. Это снижает дорсифлексию большого пальца, а у людей, страдающих артритом в данном суставе, позволяет уменьшить боль и воспаление данного сустава. Более жесткий участок данной эластичной пластины 100 может также преимущественно предусматриваться под зонами ампутации или потери пальца каким-либо другим образом, например в результате диабета. Более высокий предел прочности на разрыв может компенсировать потерю пальца или пальцев и уменьшить давление на оставшиеся пальцы и/или напряжение на оставшиеся пальцы. Для того чтобы дополнительно снизить пиковую нагрузку от опорной поверхности, воздействующую на подъем свода стопы, дистальный участок данного амортизирующего ортопедического устройства может предусматривать пружинящий носок стопы. Пружинящий носок стопы предпочтительно может поглощать, по меньшей мере, около 2% нагрузки от опорной поверхности, более предпочтительно, по меньшей мере, около 5% - 10% нагрузки от опорной поверхности, и даже более предпочтительно, по меньшей мере, 50% нагрузки от опорной поверхности, воздействующей на него.
В вариантах осуществления данного устройства, показанных на Фигурах 1-3А и 4А-4Е, эластичные пластины 100 продолжаются вдоль длины ступни человека и включают участок эластичной пластины 120 носка стопы под подъемом свода стопы человека в процессе применения им данного амортизирующего ортопедического устройства. Эластичная пластина 120 носка стопы в данных вариантах осуществления в основном имеет планарную конфигурацию и может быть сформирована из материала того же типа, что и материал оставшейся части эластичной пластины 100, например из композитного материала, подобного углеродному волокну. В альтернативном варианте осуществления, показанном на Фиг.4D, эластичная пластина 120 носка стопы включает продолжающуюся вниз выпуклую форму, которая может иметь форму полной или частичной полусферы. Когда направленная вверх нагрузка от опорной поверхности воздействует на нижнюю выпуклую поверхность эластичной пластины 120, пластина прогибается и поглощает некоторую нагрузку от опорной поверхности таким образом, что центральный участок эластичной пластины 120 носка стопы может прогибаться вниз, когда давление прикладывается по направлению вниз к ее задней поверхности.
Эластичные пластины 100 обычно размещаются в части обуви над подошвой, как показано на Фиг.4D. На Фиг.4D эластичная пластина показана в виде единой конструкции, где эластичная пластина 100 продолжается по длине туфли. А на Фиг.4Е показан альтернативный вариант осуществления, в котором эластичная пластина 100 продолжается только до подъема свода стопы в месте или рядом с местом, где стелька встречается с эластичной пластиной 100. Отдельная эластичная пластина носка стопы далее продолжается дистально от дальнего конца эластичной пластины 100. Таким образом, помощь в ходьбе может все еще осуществляться с одновременным снижением или предотвращением повреждения эластичной пластины 100 в соединении стельки и эластичной пластины 100. Эластичная пластина носка стопы предпочтительно перекрывается с эластичной пластиной 100, т.е. ближний конец эластичной пластины носка стопы продолжается проксимально над дальним концом эластичной пластины 100.
Эластичная пластина 100 также предпочтительно свободно удерживается в части обуви, представляющей данный вариант осуществления настоящего ортопедического устройства для обуви, т.е. эластичная пластина 100 не связана или каким-либо другим образом физически не соединена с участком эластичной пластины 120 носка стопы, хотя при необходимости можно также предложить и соединители, связывающие две конструкции способом, известным в данной области техники. Эластичная пластина 120 носка стопы может изготавливаться из материала того же типа, что и эластичная пластина 100, с такими же свойствами, или альтернативно может быть сформирована из материала, имеющего свойства, отличающиеся от свойств эластичной пластины 100. Например, эластичная пластина 120 носка стопы может содержать комбинацию материалов, как иллюстрируется в вариантах осуществления Фигур 4В и 4С, или может состоять из одного материала, имеющего свойства, отличающиеся от свойств эластичной пластины 100.
В следующем варианте осуществления данного амортизирующего ортопедического устройства данное устройство может представлять собой совокупность эластичных пластин 100, сложенных вертикально стопкой. Вариант осуществления, иллюстрируемый на Фиг.9, включает две эластичные пластины, верхнюю эластичную пластину 192 и нижнюю эластичную пластину 194, но можно также использовать и дополнительные пластины. Первый передний элемент 193 пятки верхней эластичной пластины 192 располагается относительно заднего элемента пятки (в случае применения), как и в других вариантах осуществления данного ортопедического устройства, а нижняя поверхность первого переднего элемента 193 пятки в данном варианте осуществления размещается в контакте или каким-либо другим образом механически соединена с верхней поверхностью нижней эластичной пластины 194. Второй передний элемент 195 пятки, находящийся в контакте или каким-либо другим образом механически соединенный с нижней поверхностью нижней эластичной пластины 194, размещается проксимально от первого переднего элемента 193 пятки, т.е. ось, вокруг которой нижняя эластичная пластина 192 изгибается относительно первого переднего элемента 193 пятки, располагается дистально от оси, вокруг которой нижняя эластичная пластина 192 изгибается относительно второго переднего элемента 195 пятки. В случае применения дополнительных эластичных пластин 100 данное ортопедическое устройство может переносить большие нагрузки.
ДЕЙСТВИЕ АМОРТИЗИРУЮЩЕГО ОРТОПЕДИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА
Изгибающий момент (крутящий момент) ближнего конца 112 эластичной пластины 100, т.е. сила вращения, изгибающая эластичную пластину 100 вокруг оси, определяется свойствами материала эластичной пластины 100 и расстоянием между точкой оси 60 и ближним концом 112 эластичной пластины 100, где эластичная пластина 100 находится в контакте с поверхностью, на которой она размещается (в большинстве случаев земля или обувь). Значение расстояния между осью 60 и ближним концом 112 определяет значение рычага, прилагаемого к эластичной пластине 100, при этом более короткие расстояния обеспечивают меньший рычаг, которое в результате позволяет эластичной пластине 100 поглощать более высокую нагрузку от опорной поверхности при меньшей величине прогиба (изгиба). Эластичная пластина 100 должна прогибаться вокруг точки оси 60 под углами прогиба в пределах от 1° и 90°, предпочтительно под углами прогиба в пределах 15° и 60°.
На Фиг.10 иллюстрируется сила, прикладываемая к консоли или консолью, которая сохраняет потенциальную энергию, когда она прогибается под действием силы. Силу (F), прикладываемая к ближнему концу 112 или ближним концом 112 эластичной пластины 100, можно представить следующим образом (Формула I):
3
3
F=δ(Е×w×h)/4×L,
где
L - длина эластичной пластины 100 от заднего элемента 160 пятки до ближнего конца 112;
δ - прогиб;
Е - модуль упругости на растяжение (модуль упругости);
w - ширина эластичной пластины 100 и
h - высота эластичной пластины 100.
Как далее иллюстрируется на Фигурах 11 и 12, когда поэтапно сила в направлении вниз прикладывается пяткой человека к стельке 10 данного устройства (Фиг.10), эластичная пластина 100 сгибается вниз вокруг переднего элемента 140 пятки (Фиг.12), сохраняя поэтапную силу как потенциальную энергию, как напряжение в материале эластичной пластины 100. Сила пятки человека продолжает прогибать эластичную пластину 100 вниз, и когда ближний конец 112 эластичной пластины 100 вступает в контакт с поверхностью непосредственно под ней (в основном, это подошва), эластичная пластин 100 прогибается вверх вокруг заднего элемента 160 пятки (Фиг.13) под действием противодействующей силы земли (G). Такой двойной прогиб эластичной пластины 100 в основном дублирует потенциальную силу (энергию подъема) эластичной пластины 100 (в соответствии с расчетом по формуле I выше), одновременно минимизируя давление на материал эластичной пластины 100.
Во время последней части цикла ходьбы, по мере подъема бедра человека, потенциальная энергия, сохраняемая в эластичной пластине 100 поэтапным приложением силы по направлению вниз, высвобождается по мере того, как эластичная пластина 100 возвращается в свою форму перед изгибом, помогая человеку, использующему данное устройство, вернуть ступню обратно в горизонтальное положение. Как показано на Фиг.14, в вариантах осуществления настоящего устройства, которые включают эластичную пластину носка стопы, прогиб эластичной пластины 100 вокруг подъема свода стопы (в точке Р на Фиг.14) благодаря противодействующим силам земли G-I и G-2 приводит к сохранению дополнительной потенциальной энергии в эластичной пластине 100. Потенциальную силу (Р), сохраняемую в эластичной пластине 100 в процессе данной фазы цикла ходьбы, можно выразить следующим образом (Формула II):
3
3
Р=δ(4×Е×w×h)/L,
где
L - длина участка эластичной пластины 100 между точками, где прикладываются противодействующие силам земли G-I и G-2;
δ - прогиб;
Е - модуль упругости на растяжение (модуль упругости);
w - ширина эластичной пластины 100 и
h - высота эластичной пластины 100.
Изменяя размеры эластичной пластины 100, взаимное расположение элементов и применяемые материалы, можно получать разные коэффициенты упругости. Например, можно увидеть, что приведенная выше формула сильно зависит от расстояния между элементами (L). Если расстояние элементов уменьшить всего лишь на 10%, то нормальное усилие, прилагаемое к пятке, увеличится более чем на 40%. Нормальное усилие, прилагаемое к пятке, можно также менять изменением формы сечения эластичной пластины, которое увеличивает сопротивление эластичных пластин изгибу (момент инерции). Увеличение толщины эластичной пластины на 10% увеличивает нормальное усилие почти на 35%, а удвоение толщины увеличивает усилие на 800%.
Эффективность и сохранение энергии, которые могут обеспечиваться данным ортопедическим устройством, повышаются в результате действия рычага, выполняемого обувью и другими опорами, механически соединенными с данным устройством. Как показано на Фиг.4G, когда 25 килограммов силы прикладывается к точке (Р, перед наружной частью ботинка, который включает данное устройство на Фиг.4G), которая находится на расстоянии 160 миллиметров от центра вращения (F) на эластичной пластине 100, и когда расстояние от центра вращения (F) до дальнего конца 114 эластичной пластины 100 составляет 80 миллиметров, 50 килограммов силы прикладывается к дальнему концу 114 эластичной пластины 100. Это выражается посредством следующей формулы (Формула III):
1
1
2
2
F×D=F×D,
где
F=прикладываемая сила и
D=расстояние, перпендикулярное центру вращения.
ОРТЕЗ НА СТОПУ И ГОЛЕНОСТОПНЫЙ СУСТАВ
Данное амортизирующее ортопедическое устройство можно также включать в ортез на стопу и голеностопный сустав для оказания помощи лицам, имеющим травмы ступни или ноги, которым требуется фиксатор ноги. Ортопедическое устройство также может использоваться лицами, не имеющими таких травм, так как закрепление участка фиксатора над голеностопным суставом может помочь использовать больше энергии крутящего момента от дальнего участка эластичной пластины 100. В одном варианте осуществления, иллюстрированном на Фиг.5А, ортез на стопу и голеностопный сустав 300, содержащий пружинящую систему вышеописанной амортизирующей ортопедической вставки, включает вертикальную опору 320, стельку 310 и фиксатор или крепежную деталь 330 для прикрепления ортеза на стопу и голеностопный сустав 300 к ноге человека. В данном варианте осуществления, ближний конец 312 стельки 310 прикреплен к (или сформирован вместе с) нижнему концу 322 вертикальной опоры 320. Вертикальная опора 320, как показано на Фиг.5А, продолжается вертикально вверх от ближнего конца 312 стельки 310 и предназначена для размещения смежно с задней стороной ноги человека при прикреплении ортеза на стопу и голеностопный сустав. Вертикальная опора 320 может изготавливаться из прочных материалов, известных специалистам в данной области техники, таких как композит из углеродного волокна или пластик, и может изготавливаться из того же материала, что и опора 310, или из другого материала.
Фиксатор 330, показанный на Фиг.5А, крепится к верхнему концу 324 вертикальной опоры 320. Дополнительные фиксаторы 330 могут также размещаться вдоль продольного продолжения фиксатора 330 для лучшего крепления ортеза на стопу и голеностопный сустав 300 к ноге человека. Фиксатор 330, показанный на Фиг.5А, содержит скобу для размещения вокруг ноги человека, но может альтернативно содержать другие конфигурации или механизмы, как известно специалистам в данной области техники. Также вертикальная опора 320 может иметь другую конфигурацию в зависимости от потребности человека. В некоторых вариантах осуществления вторая вертикальная опора, продолжающаяся вверх от колена человека, может присоединяться в нижнем конце шарнирным соединением к вертикальной опоре 320.
Ортез на стопу и голеностопный сустав 300 дополнительно включает эластичную пластину 301 под стелькой 310, задний элемент 360 пятки и передний элемент 340 пятки. Указанные выше компоненты ортеза на стопу и голеностопный сустав 300 такие же, как описанные выше для амортизирующего ортопедического устройства, и поэтому здесь не будут подробно описываться. Дополнительные элементы и альтернативные конфигурации, описанные выше для данного ортопедического устройства, можно также использовать с ортезом на стопу и голеностопный сустав 300, и поэтому их описание здесь пропускается.
На Фиг.5В иллюстрируется другой вариант осуществления ортеза на стопу и голеностопный сустав. Нижняя часть AFO на Фиг.5В может быть идентична показанной на Фиг.5А. Но в варианте осуществления Фиг.5В верхняя часть 334 вертикальной опоры 320 оснащена ручкой 336 и предпочтительно также с фиксатором 332. В данном варианте осуществления человек может частично поддерживать свой вес, держась за ручку 336, как за костыль, для того, чтобы высвободить давление на свою ступню.
ПРОТЕЗЫ
На Фиг.6А показан протез 400, в котором используется пружинящая система данных амортизирующих ортопедических устройств. Такой протез для ноги содержит вертикальную опору 420, один или более фиксаторов 430 в верхнем конце 424 опоры 420 и горизонтальную опору 410 в нижнем конце 422 опоры 420. Фиксатор в данном случае предназначен для приема ампутированной конечности. На Фиг.6А фиксатором является приемная часть 430.
Протез 400 отличается от ортеза на стопу и голеностопный сустав на Фиг.5А тем, что фиксатор 430 скомпонован для прикрепления протеза 400 к конечности человека (в данном случае ампутированной конечности) и также предназначен для поддержки ампутированной конечности над землей. Вертикальная опора 420 аналогичным образом отличается от вертикальной опоры 320 тем, что она должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать, по меньшей мере, вес прикрепленного индивидуального протеза 400 над поверхностью земли.
Горизонтально продолжающаяся опора 420 отличается от стельки 310 ортеза на стопу и голеностопный сустав Фиг.5А тем, что она не обязательна для задней поверхности 416 горизонтальной опоры 410, которая формируется для приема нижней части ступни. Как показано на Фиг.6 А, протез 400 дополнительно содержит эластичную пластину 401, задний элемент 460 пятки и передний элемент 440 пятки под горизонтальной опорой 410. Несмотря на то, что это не показано на Фиг.6 А, по меньшей мере, эластичная пластина 401, задний элемент 460 пятки и передний элемент 440 пятки могут обычно располагаться в пределах корпуса, который в некоторых вариантах осуществления может приближаться к форме человеческой ноги. Дополнительные элементы, используемые с данным ортопедическим устройством, и другие признаки, описанные выше, можно также применять в амортизирующем протезе в соответствии с настоящим изобретением.
Чтобы обеспечить нормальную ходьбу для человека, который носит протез 400, передний элемент пятки 440 и задний элемент 460 пятки размещаются в ближнем конце горизонтальной опоры 410 способом, подобным размещению данных компонентов в амортизирующем ортопедическом устройстве, описанном выше. В варианте осуществления, иллюстрированном на Фиг.6А, вертикальная опора 420 крепится (или сформирована как единое целое с) к горизонтальной опоре 410 в первой точке, которая является дистальной к расположению переднего элемента 440 пятки и заднего элемента 460 пятки. А в альтернативном варианте осуществления вертикальная опора 420 может крепиться к горизонтальной опоре 410 в месте, которое находится ближе к ближнему концу или в ближнем конце горизонтальной опоры 410, способом, подобным тому, с помощью которого вертикальная опора 320 ортеза на стопу и голеностопный сустав 300 соединяется со стелькой 310. Как показано на Фиг.6А, вертикальная опора 420 также соединяется с горизонтальной опорой 410 во второй точке, удаленной от первой точки, поперечной опорой 425, которая крепится в ближнем конце к точке на вертикальной опоре 420, расположенной вертикально над нижним концом 422, и крепится в дальнем конце к точке на горизонтальной опоре 410, которая удалена от точки, в которой нижний конец 422 вертикальной опоры 420 крепится к горизонтальной опоре 410. Поперечная опора 425 может в альтернативном варианте осуществления быть сформирована как единое целое с вертикальной опорой 422 и/или с горизонтальной опорой 410, и между поперечной опорой 425 и вертикальной опорой 422 пространство не требуется.
На Фиг.6В иллюстрируется другой вариант протеза, в данном случае "knee-walker" 500, или временной замены для конечности, поврежденной ниже колена. В данном варианте осуществления на месте приемной части для ампутированной конечности фиксатор 530 крепится к верхнему концу 424 вертикально продолжающейся опоры, одна или более крепежных деталей 532 предусматриваются для крепления участка голени ноги человека к фиксатору 530. Фиксатор 530 в данном варианте осуществления продолжается в основном горизонтально относительно вертикальной опоры 420.
КОСТЫЛИ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ
На Фигурах 7А и 7В показаны костыли, в которых применяется вертикальная опора 420 и другие компоненты ниже вертикальной опоры 420 в ортезе на стопу и голеностопный сустав и протезе, описанных выше. Данные компоненты можно использовать для формирования костыля 600 прикреплением ручки 636 в верхнем конце 424 или смежно с верхним концом 424 вертикальной опоры 420. Дополнительно может предусматриваться крепежная деталь 432 для помощи рукой человека. В варианте осуществления Фиг.7А ручка крепится к костылю 600 приблизительно горизонтально. В варианте осуществления Фиг.7 В ручка 736 в верхнем участке 734 костыля 700 располагается приблизительно вертикально, и для помощи руками предусматривается горизонтальный фиксатор 734 с дополнительной крепежной деталью 732.
Как иллюстрируется на Фиг.7С, применение данного амортизирующего ортопедического устройства вместе с костылем, ортезом на стопу и голеностопный сустав или с другим механическим устройством, которое включает фиксацию устройств к ноге человека, значительно увеличивает эффективность устройства и обеспечивает больший рычаг.Например, при приложении 25 килограммов силы к иллюстрируемому фиксатору 330 125 килограммов силы прикладывается к дальнему концу 114 эластичной пластины 100 (механическое преимущество 5:1).
Более длинная опора, например костыль, обеспечивает дополнительное передаточное отношение. В варианте осуществления, иллюстрированном на Фиг.1C, можно получить передаточное отношение 15:1 с применением опоры размером 1200 миллиметров. В данном варианте осуществления 8 килограммов силы, приложенной к верху костыля, дают 125 килограммов силы в дальнем конце 114 эластичной пластины 100, т.е. чем длиннее рычаг, тем больше передаточное отношение.
Описанная выше пружинящая система может альтернативно применяться в системе передвижения для роботизированных и других машин или механического устройства, в частности систем передвижения, в которых используются опоры и другие наружные устройства, которые поднимаются над землей и затем возвращаются к земле в разных точках цикла ходьбы для перемещения механического устройства. Данное устройство можно использовать для снижения ударных воздействий, испытываемых таким механическим устройством. Данный вариант осуществления может быть подобен протезу 400, иллюстрированному на Фиг.6А, за исключением того, что вертикальная опора 420 крепится к верхнему концу 424 к части роботизированной или другой механической системы, а именно к шарнирному соединению такого устройства. В следующем альтернативном варианте верхний конец 424 вертикальной опоры 420 может крепиться к бионической системе, т.е. механическим или электромеханическим компонентам, которые дополняют или заменяют физиологические функции.
ОБУВЬ
Данное ортопедическое устройство обычно размещается внутри туфли или другой обуви и может быть разработано таким образом, что его можно вынимать из туфель и вставлять в другие туфли. В таких вариантах осуществления передняя сторона амортизирующего ортопедического устройства обращена к задней стороне и/или находится в контакте с задней стороной основной стельки обуви. Если данное устройство также представляет собой ортез на стопу и голеностопный сустав, протез или другое устройство, которое поддерживает конечность человека, такое устройство может также предназначаться для применения со стандартной туфлей, как в вариантах осуществления, иллюстрированных на Фигурах 5 и 6.
В некоторых вариантах осуществления данные ортопедические устройства можно вставлять в туфли без возможности их вынуть, так что для их извлечения необходимо поломать туфлю, т.е. разорвать приклеенные или сшитые части. В таких вариантах осуществления данное ортопедическое устройство может применяться как промежуточная деталь в туфле, как иллюстрируется на Фиг.4С, где показано размещение данного ортопедического устройства над подошвой ботинка.
МЕТОДЫ ПРИМЕНЕНИЯ
Описываемые выше амортизирующие ортопедические устройства облегчают человеку ходьбу, поглощая нагрузку от опорных поверхностей распределением пиковой нагрузки от опорных поверхностей и приложением силы, направленной вверх, по высвобождении энергии, поглощаемой эластичными пластинами данного устройства, уменьшая тем самым усилие, необходимое человеку для передвижения. Описанные выше устройства являются важными преимуществами для людей с избыточным весом и травмами нижних конечностей.
Когда в туфлю или в протез человека вставляется амортизирующее ортопедическое устройство, преимущества от применения такого ортопедического устройства проявляются, начиная с удара пятки, когда нагрузка вверх от опорной поверхности прикладывается к ближнему концу туфли с вставленным данным устройством. Ближний конец 112 эластичной пластины 100 смещается (изгибается) вверх вокруг оси на ближнем конце 167 заднего элемента 160 пятки (или вокруг оси 60 в варианте осуществления на Фигурах IA и IB) такой нагрузкой от опорной поверхности при ударе пятки. В то же время или сразу же после сила по направлению вниз, прикладываемая пяткой человека к стельке 10, смещает более удаленный участок эластичной пластины 100 вниз вокруг оси на ближнем конце 147 переднего элемента 140 пятки. Прогиб эластичной пластины 100 вокруг заднего элемента 160 пятки и переднего элемента 140 пятки поглощает энергию, которая высвобождается позднее в цикле ходьбы.
По мере того как цикл ходьбы продолжается, и вес человека смещается вперед, т.е. в направлении передвижения, нагрузка от опорной поверхности на ближний конец амортизирующего ортопедического устройства снижается. Когда величина силы, прикладываемой эластичной пластиной 100 в результате прогиба эластичной пластины 100 вокруг заднего элемента 160 пятки и переднего элемента 140 пятки, превышает нагрузку от опорной поверхности, воздействующую на ближний участок эластичной пластины 100, эластичная пластина 100 начинает прогибаться в противоположном направлении, т.е. ближний конец 112 эластичной пластины 100 прогибается вниз вокруг оси на ближнем конце 167 заднего элемента 160 пятки, а более удаленный участок эластичной пластины 100 прогибается вверх вокруг оси на ближнем конце 147 переднего элемента 140 пятки, высвобождая тем самым свою сохраненную энергию. Эластичная пластина 100 в данной точке прикладывает амортизирующую силу по направлению вверх, уменьшая тем самым усилие человека, использующего данное амортизирующее ортопедическое устройство, на завершение данной части цикла ходьбы.
По мере перемещения веса человека вперед в процессе цикла ходьбы сила по направлению вниз прикладывается к более удаленному участку эластичной пластины 100. Эластичная пластина 100 далее прогибается вниз вокруг оси в ближнем конце 187 передней шаровой опоры 180. Далее в цикле ходьбы по мере перемещения веса человека вперед энергия, поглощаемая прогибающейся эластичной пластиной 100 вокруг передней шаровой опоры 180, прикладывается вверх, дополнительно уменьшая усилия человека, использующего данное амортизирующее ортопедическое устройство, на завершение данной части цикла ходьбы.
Примеры
Пример 1
Эластичная пластина для применения в данном ортопедическом устройстве изготовлена из углеродного волокна. Эластичная пластина имеет следующие характеристики, измеренные по формуле I, описанной выше:
Таблица 2:
Характеристики эластичной пластины
Символ
Определение
Значение (дюймов)
Значение (мм)
h
Толщина эластичной пластины
0,06
70
w
Ширина эластичной пластины
2,75
40
L
Расстояние между элементами
1,57
10
δ
Прогиб
0,395
Е
Модуль упругости
6,00Е+06 (41 ГПа)
F
Сила, прикладываемая к пятке/пяткой
Сила, прикладываемая на данную эластичную пластину/данной эластичной пластиной для ее перехода в прогнутое состояние, составляет 90,94 фунтов.
Пример 2
Стелька, как иллюстрируется на Фиг.8, изготовлена для применения в случае риска проколов. Стелька сформирована из 10 слоев углеродных волокон толщиной 12К компанией Sigmatex (Бениция, Калифорния, США) с применением волокон Тоrаy 700 («Torray International America Inc.», Нью-Йорк, Нью-Йорк, США) и эпоксидной смолы «Resin Services Inc.» (Стерлинг Хайте, Мичиган, США). Слои, формирующие стельку, были помещены в вакуумный мешок /автоклав под давлением 4 бар после отверждения в течение 2 часов при температуре 200°F. Толщина конечной стельки составляла 7 мм.
Пример 3
Стелька изготовлена по методу, описанному в примере 2 выше, за исключением того, что были применены 6 слоев углеродного волокна и один слой волокна КЕВЛАР, толщина конечной стельки составляла 5,6 мм. Начиная с нижней стороны стельки, использовались 1 слой углеродного волокна толщиной 12К, 6 слоев волокна КЕВЛАР и дополнительно слой углеродного волокна толщиной 12К.
Пример 4
Стелька изготовлена по методу, описанному в примере 2 выше, за исключением того, что были применены 4 слоя волокна КЕВЛАР и 7 слоев углеродного волокна. Начиная с нижней стороны стельки, использовались 1 слой углеродного волокна толщиной 12К, 4 слоя волокна КЕВЛАР и дополнительно 6 слоев углеродного волокна толщиной 12К.
Пример 5
Эластичная пластина была сформирована из ткани из углеродного волокна толщиной 12К для верхнего и нижнего слоев компанией Sigmatex, (Бениция, Калифорния, США) с применением волокон Тоrаy 700 («Torray International America Inc.», Нью-Йорк, Нью-Йорк, США) с 4 слоями стекловолокна Hexcel 7781 («Hexcel Corporation», Сан Клементе, Калифорния, США) в виде промежуточных слоев, связанных эпоксидной смолой PROSET («Pro-Set Inc.», Бэй Сити, Мичиган, США). Эластичная пластина отверждалась в вакуумном мешке /автоклаве при 27 дюймах ртутного столба (0,914 бар) посредством увеличения температуры до 180°F в течение 3 часов и последующего отверждения при температуре 180°F в течение 6 часов.
Пример 6
Проводились испытания на сопротивление проколу и момент инерции серии туфель и ботинок. Оценка защиты от проколов проводилась в соответствии со стандартом ASTM F 2412 - 05 (Стандартные методы тестирования для защиты ног, одобрено 1 марта, 2005 г., опубликовано в марте 2005 г.). Динамический момент инерции - это сопротивление объекта угловому сопротивлению, который рассчитывается по следующей формуле (Формула IV): F=m×v2/r, где
F - момент инерции (в Ньютонах);
m - масса объекта в движении;
v - тангенциальная скорость и
r - расстояние от объекта до центра вращения.
Испытания обуви проводились с расстоянием (r) 1 метр и тангенциальной скоростью 5,55 метров в секунду. Результаты представлены на Фиг.16 и в таблице 2 ниже. Обозначения на Фиг.16 следующие:
А: сандалии CROCS;
В: кроссовки Nike SHOX;
С: ботинки BOXER (израильская обувь для военных);
D: обувь для пеших походов DANNER;
Е: ботинки BELLEVILLE;
F: Ботинок для борьбы RHINO, изготовленный в соответствии с примером 2 с 5 слоями углеродного волокна толщиной 12К (ботинок для тестирования А);
G: Ботинок для борьбы RHINO, изготовленный в соответствии с примером 2 с 8 слоями углеродного волокна толщиной 12К и одним слоем волокна КЕВЛАР (ботинок для тестирования В); и
Н: Ботинок для борьбы RHINO, содержащий стандартную стальную вставку толщиной 18 gage.
Таблица 3:
Момент инерции относительно защиты от проколов
Образец ортопедического устройства и обуви
Масса (грамм)
Динамический момент инерции* (Ньютонов)
Защита от проколов (psi)
CROCS
127
3912
24323
Nike SHOX
409
12597
21742
Легкие военные ботинки BOXER, Израиль
533
16416
44839
Военные ботинки DANNER
891
27433
135355
Легкие военные ботинки BELLEVILLE
975
30030
97484
Ботинок для тестирования А
510
15708
458194
Ботинок для тестирования В
560
17248
465097
Ботинок для борьбы RHINO, содержащий стандартную стальную вставку толщиной 18 gage
441
13583
267613
Низкий момент инерции означает, что объект легче перемещается или ускоряется. Как показано графически на Фиг.16, туфли, включающие данное амортизирующее ортопедическое устройство, могут обеспечивать превосходную защиту от проколов при низком моменте инерции и в результате существенно улучшать защиту от проколов в заданной величине момента инерции обуви.
Пример 7
Амортизирующие ортопедические вставки, подобные используемым в примере 6 со стельками из углеродного волокна, включающего волокно КЕВЛАР, толщиной 10 мм, вставлены в обувь для оценки их эффекта при выполнении прыжков. Лица, выполняющие серию вертикальных прыжков и прыжков в длину в ботинках для борьбы RHINO, включающих такие амортизирующие ортопедические вставки, и те же лица, выполняющие те же вертикальные прыжки и прыжки в длину босиком, в кроссовках Nike SHOX и в военных ботинках Belleville.
Результаты испытаний вертикальных прыжков показаны на Фиг.17, а результаты испытаний прыжков в длину показаны на Фиг.18. Обозначения А-Е на Фигурах 17 и 18 следующие:
А: босиком
В: кроссовки Nike SHOX
С: ботинки BELLEVILLE
D: ботинки для борьбы RHINO со стелькой из углеродного волокна с волокном КЕВЛАР толщиной 10 мм
Е: среднее
В представленных выше испытаниях указано, что обувь, содержащая данные амортизирующие ортопедические устройства, имеющая стойкие к проколу стельки, функционирует так же, как другая обувь, или лучше, чем другая обувь, и что данные амортизирующие ортопедические устройства не снижают эффективности функционирования обуви.
Несмотря на то, что описание настоящего изобретения было представлено достаточно подробно со ссылкой на конкретные варианты осуществления, возможны и другие варианты осуществления. Не предполагается, что шаги, раскрытые для настоящих методов, будут ограничивающими, и не предполагается, что они предназначены для указания того, что каждый шаг необходим и важен для данного метода, вместо этого они являются только примерными шагами. Таким образом, объем притязаний приложенной формулы изобретения не должен ограничиваться описанием предпочтительных вариантов осуществления, содержащихся в данном раскрытии сущности изобретения. Все ссылки в данном документе включены посредством ссылки во всей их полноте.